Зміст
Вступ
1.Створення електричного освітлення
2.Розвиток генераторів і електродвигунів
3.Розв’язання проблеми передачі електроенергії на відстань
4.Технічний прогрес в теплоенергетиці
5.Зростання вживання електрики
6.Підвищення економічності електростанцій
7.Електричні мережі і системи
8.Електрична тяга
9.Вдосконалення електроприводу і упровадження електроенергії в технологічніпроцеси виробництва
Висновок
Література
Вступ
Тема реферату«Історична роль інженерної діяльності у створенні техніки генерації івикористовування електроенергії» з дисципліни «Історія інженерної діяльності».
Мета роботи –розкрити питання які виникали з самого початку утворення та розвитку технікигенерації, освітити створення електричного освітлення, розвиток генераторів тавирішення проблем передачі електроенергії на відстань та розвиток технічногопрогресу у теплоенергетиці, завдання по підвищенню економічності електростанційтощо.
Характерноюособливістю техніки даного періоду є підвищення ролі електрики. В енергетицібули зроблені найбільші винаходи, що забезпечили колосальний технічний прогресXX ст. Новий вид енергії – електрика — і новий тип універсального тепловогодвигуна — парова турбіна – ось найголовніші досягнення енергетики, якіреволюціонізували, й надали, вплив на всю техніку цієї епохи.
У 70-80-е рокиXIX ст. були зроблені крупні наукові узагальнення в області вивчення електрикиі магнетизму. Експериментальні дані, накопичені при дослідженні електрики імагнетизму в першій половині XIX ст. (досліди Фарадея і ін.), дали матеріал длястворення електромагнітної теорії Максвела, яка і стала основою розвиткуелектротехніки в кінці XIX — початку XX ст. В цей час починаєтьсяінтенсивна розробка теоретичних питань електротехніки, пов'язаних з практичнимвживанням електроенергії у самих різних галузях капіталістичного виробництва.
У першу чергуінженерна думка звернулася до питання про джерела електроенергії – догенераторів, оскільки без раціонального джерела електричного струму, здатноговиробляти струми необхідної потужності і частоти, було неможливо здійснитиупровадження електроенергії в промислове виробництво. Найістотнішим досягненнямбув винахід інженерів Грама, Гефнер-Альтенека, Фонтена і ін. електромагнітногогенератора з самозбудженням і кільцевим якорем.
У ході робіт надудосконаленням електричного освітлення були зроблено багато важливих відкриттіві винаходів. Була розроблена схема дроблення «електричного світла»,був винайдений трансформатор, був вперше застосований перемінний струм і т.д.Ці новини сприяли практичному вирішенню питання про централізоване виробництвоелектроенергії і передачу її до віддалених місць споживання.
Проблемапередачі електроенергії на дальні відстані розроблялася в основному в 80-хроках XIX ст. В ході численних експериментів російський учений Лачинов іфранцуз Депре, підвищивши напруги струму в лінії передач, намітили правильнийшлях до вирішення цієї проблеми.
У кінці XIX ст.проблема передачі електроенергії на великі відстані в основному буларозв'язана. Технічним засобом, що дозволив вирішити її, з'явилося вживанняперемінного струму, спочатку однофазного, потім двофазного і, нарешті,трифазного, передача якого виявилася найвигіднішою і зручною. Систематрифазного струму була запропонована російським інженером М.О.Доліво-Добровольським.
Вирішенняпроблеми передач електроенергії на великі відстані звільнило промисловість відмісцевих енергетичних умов, що її сковували. Електрична енергія з початку ХХст. міцно увійшла до промислового виробництва, спочатку у вигляді групового, апотім індивідуального електроприводу, який і здійснив реконструкцію всьогосилового господарства машинної індустрії ХХ ст.
1. Створенняелектричного освітлення
електричнийтеплоенергетика електростанція
З 70-х років XIXст. вельми швидко розвивається техніка електричного освітлення. Після винаходуелектромагнітного телеграфу створення електричного освітлення було другимкроком по шляху практичного вживання електрики.
Перші спробивживання електроенергії для освітлення відносяться ще до початку XIX ст.Академік В.В. Петров, спостерігаючий в 1802 р. явища електричної дуги, впершевказав на можливість її широкого використовування для освітлення. Явищеелектричної дуги, що світиться, досліджував в 1812 р. англійський учений Деві,який також виказав думку про можливість електричного освітлення.
Створенняджерела світла, діючого за принципом розжарювання провідника струмом, тобтолампи розжарювання, з'явилося першим кроком по дорозі практичною вживанняелектрики для потреб освітлення. Найраніша за часом лампа розжарювання буластворена французьким вченим Деларю в 1820 р. Вона була циліндровою трубкою здвома кінцевими затисками для підведення струму, в ній розжарювалася платиноваспіраль. Проте лампа Деларю не одержала практичного вживання. Але спробистворення ламп розжарювання не припинялися.
Особливе місце вобласті удосконалення ламп розжарювання займають роботи російського винахідникаА.Н.Лодигіна (1847-1923). В 1873 р. А.Н. Лодигін застосував електрику дляосвітлення вулиці в Петербурзі. Від всіх попередніх ламп розжарювання лампиЛодигіна відрізнялися тим, що в них як тіло напруження застосовувалися тонкістрижні з реторного вугілля, які були поміщені в скляну кулю або в циліндр. Напочатку Лодигін не видаляв повітря з внутрішнього простору колби, але потім, впроцесі вдосконалення своїх ламп, він став викачувати повітря з них. Протягом1873-1875 рр. Лодигиним і його помічниками було створено декілька конструкційламп розжарювання. Лампи Лодигина були найранішими за часом освітлювальнимиустановками, цілком придатними для освітлення вулиць, приміщень суспільногокористування, кораблів і т.п.
Видатнийамериканський технік-винахідник Т. Едисон (1847-1931), ознайомившись зпристроєм ламп Лодигіна, також зайнявся їх удосконаленням. Після декількохроків напруженої роботи в 1879 р. Едісону вдалося одержати достатньо хорошуконструкцію лампи розжарювання вакуумного типу з вугільною ниткою. В 1876 р.російський винахідник П.Н.Яблочков (1847-1896) запропонував так звану«електричну свічку» – дугове джерело світла без регулятора, щозастосовувався раніше. Яблочков під час одного з дослідів встановив, що дуговалампа може діяти і без регулятора, якщо вугілля поставити паралельно, а не наодній прямій лінії, як це раніше робилося. На цьому принципі і була заснована«свічка» Яблочкова, що є двома вугільними стрижнями, розділенимипрошарком якого-небудь вогнетривкого ізолюючого матеріалу, наприклад каоліну,гіпсу і т.п., що випаровується під дією електричної дуги. Вугілля в«свічці» Яблочкова приєднувалося до затисків джерела струму, врезультаті між ними утворювалася дуга. «Свічка» Яблочкова горілавсього близько дві години. Але для свого часу вона була найзручнішим ідоступнішим джерелом світла для широкого кола споживачів.
Одночасно зелектричним освітленням була розв'язана проблема вживання електроенергії в силовомуапараті промисловості. В 1869 р. 3. Грам (1826-1901), бельгієць за походженням,працюючий у Франції, одержав патент на генератор нового типа, в якомувинахідник успішно застосував принцип самозбудження разом з вельми вдалимконструктивним рішенням кільцевого якоря.
2. Розвиток генераторіві електродвигунів
Цей недолік бувусунений за допомогою винаходу німецького електротехніка Гефнер Альтенека (1872р.), який помістив обмотку генератора на зовнішній поверхні залізного циліндра,внаслідок чого було досягнуте максимальне використовування рухомих в магнітномуполі провідників. Винахід Гефнер-Альтенека є одним з найважливіших етапів вісторії генераторів. Із створенням електромагнітного генератора була розв'язанапроблема генерації, або виробництва електричної енергії. Це було найбільшимдосягненням електротехніки.
Протягом 70-80-хроків електрична машина постійного струму придбала всі основні риси сучасноїмашини. Подальші удосконалення були направлені головним чином на підвищенняякості і поліпшення використовування динамо машин.
3. Розв’язання проблемипередачі електроенергії на відстань
Після появимогутніх електромагнітних генераторів виникла проблема централізованоговиробництва електроенергії, яке дозволило б використовувати її для обслуговуваннямогутніх промислових підприємств. В кінці XIX ст. електродвигуни починаютьграти важливу роль у важкій промисловості. Електричні генератори виробляютьелектрику не тільки для перетворення її в світлову або теплову енергію, алеголовним чином для перетворення її в енергію механічну.
Використанняелектродвигунів дозволяло концентрувати виробництво електричної енергії накрупних електростанціях, що вело до значного здешевлення електроенергії.
З кінця 80-хроків починають створюватися перші електростанції, тобто технічні споруди,призначені для виробництва електричної енергії. Електричні станції з'єднуютьсяз споживачами, які вони обслуговують, та по яким відбувається розподіл іпередача електричної енергії. Перша електростанція була створена в СШАЕдісоном. Щоб забезпечити масове використовування електричного освітлення,Едісон реалізував в 1882 р. думку про створення централізованої електричноїстанції.
У зв'язку збудівництвом електричних станцій проблема передачі електроенергії на відстаньпридбала велике економічне значення. Передача електрики на відстань відкриваламожливість створення крупних електростанцій в районах низькосортного палива,різко здешевлювала вартість електроенергії, що сприяло більш глибокомупроникненню електрики в промисловість.
Першаелектропередача, розрахована на нормальну експлуатацію, була здійснена дляелектричного освітлення в 1879 р. П.Н. Яблочковим. Проте подальший розвитокпередачі електричної енергії на великі відстані затримувався у зв’язку звідсутністю теоретичного аналізу явищ, що відбуваються при цьому. І осьросійський електротехнік Лачинов (1842-1902гг.) в 1880 р. опублікував своюпрацю «Електромеханічна робота», де дослідив роботу електричних машині математично довів можливість шляхом збільшення напруги передачі будь-якихкількостей електроенергії на значні відстані без великих втрат. Ці дослідженнямали величезне значення для розв’язування проблеми передачі електроенергії ідля всього подальшого розвитку електротехніки.
Подібні жтеоретичні висновки були сформульовані французьким фізиком М. Депре, якийпідтвердив їх також і експерементальним шляхом. В 1881 р. на ПершомуМіжнародному конгресі електриків в Парижі Депре зробив повідомлення пропередачу і розподіл електроенергії. Першу дослідну лінію електропередачі завдовжкив 57 км Депре побудував на Мюнхенській виставці в 1882 р. На цій лініїпередавався по телеграфному дроту постійний струм напругою 1500-2000 вольт відгенератора, що приводився в рух паровою машиною, до електродвигуна, сполученогоз насосом. Проте ця електропередача працювала з перебоями і мала ще дуженизький коефіцієнт корисної дії (22%).
Упровадженняпередачі електроенергії на відстань довгий час гальмувалося самою природоюпостійного струму. Річ у тому, що постійний струм унаслідок низької напруги виявивсямало придатним для передачі. Великими можливостями в цьому розумінні бувзмінний струм. Найважливішим етапом розвитку техніки передачі електроенергіїбув перехід від постійного струму до змінного. Проте відомі у той часелектродвигуни змінного струму відрізнялися істотними недоліками, які часторобили їх непридатними для експлуатації. Перед винахідниками встала задачазнайти можливість використовувати змінний струм і трансформатори змінногоструму для передачі електроенергії на дальні відстані і живленняелектродвигунів.
Перший крок вцьому напрямі був зроблений італійським фізиком і електротехніком Г. Феррарисом(1847-1897) в 1885-1888 рр., що запропонував застосувати систему двох зміннихструмів, що різняться по фазі на 90 ºС, названу згодом «двофазним»струмом. Ферраріс показав, що за допомогою двофазних струмів можна одержатиусередині залізного кільця так зване магнітне поле, що „обертається”.
Надалі цю ідеюрозробив і упровадив в практику відомий сербський учений, електротехнік Н.Тесла (1856-1943), який створив різні конструкції багатофазних, головним чиномдвофазних, електродвигунів. Найдоцільнішої в практичному відношенні Тесларахував двофазну систему. По цій системі в 1896 р. була побудована перша крупнаелектрична станція двофазного струму — Ніагарська гідроелектростанція в США.Проте і двофазний струм не набув широкого поширення.
Винахід, якийдозволив більш раціонально розв'язати проблему передачі енергії на дальнівідстані, був зроблений російським інженером М.О. Доливо-Добровольским(1862-1919), який запропонував прийняти для електричної передачі енергії недвофазний змінний струм, а трифазний.
Як досліднимшляхом, так і теоретично Доліво-Добровольській довів, що за допомогоютрифазного струму можна одержати таке ж магнітне поле, що обертається, якеодержували Ферраріс і Тесла за допомогою двофазного. Ґрунтуючись на цьому,Доліво-Добровольський і побудував свій двигун трифазного струму, що одержавнадалі в електротехніці назва «асинхронного».
Асинхроннідвигуни на відміну від синхронних приходять в обертання самостійно привключенні струму. Їх швидкість в певних межах може бути регульована. Дляживлення асинхронні двигуни вимагають, як було вже сказано, всього трьохдротів, приєднаних до трьох кінців трьох обмоток статора, другі кінці якихз'єднуються певним чином між собою. Генератори трифазного струму по конструкціїнічим не відрізняються від генераторів звичного однофазного змінного струму, завинятком того, що обмотка, в якій індукується електрорухома сила, розбиваєтьсяне на дві, а на три групи – фази.
ВинаходиДоліво-Добровольського знаменували початок нового періоду в електротехніці.Тільки після створення економічно вигідної і технічно нескладної системитрифазного струму, що розв'язала проблему передачі електроенергії на великівідстані, почалося широке упровадження електрики в промисловість.
Рішення проблемипередачі електроенергії на відстань, створення працездатних електричнихдвигунів, успіхи машинобудівної промисловості дозволили в кінці XIX ст.приступити до переводу міського транспорту на електротягу. В 1879 р. фірма«Сименс і Гальське» на промисловій виставці в Берліні побудувалапершу дослідну електричну залізницю. Електроенергія для двигуна подавалася потретій рейці, а відводилася по їздовій рейці. Проте цей трамвай не бувпридатний в міських умовах.
Подальшийрозвиток міського господарства все більше і більше вимагало корінних змін вспособах пересування в крупних містах. В результаті стали поступово будуватисятрамвайні лінії. В 1881 р. поблизу Берліна була пущена перша трамвайна лініяпротяжністю близько 2,5 км. Вже в 1895 р. в найбільших містах Європи і СШАконки замінюються трамваєм.
Завдякиелектричній енергії стало можливим більш раціональне використовування природнихджерел енергії. Електрична передача дала можливість використовувати дешевугідравлічну енергію річок, застосовувати малоцінне паливо – малокалорійні сортикам'яного вугілля, вугільний пил, торф і т.д. Електрична енергія в повномурозумінні слова вчинила революцію в енергетиці і цим самим створила умови длянового колосального технічного прогресу.
4. Технічний прогрес втеплоенергетиці
Удосконалення ірозвиток парового двигуна в кінці XIX ст. відбувалося під безпосереднім впливомелектротехніки. 90-е роки XIX ст. характеризуються широким будівництвомелектростанцій. Розвиток електроенергетики зажадав створення новогошвидкохідного економічного двигуна.
У цей період врізних країнах з'являється цілий ряд конструкцій парових машин з числомоборотів від 200 до 500 в хвилину, призначених спеціально для потребелектростанцій, але як би не удосконалювалися парові машини, вони не моглицілком задовольнити вимоги, що пред'являються до них енергетикою. Більшістьпарових машин була малопотужною і могла застосовуватися лише на невеликихелектростанціях. Крупні електростанції обслуговувалися в більшості випадківвеличезними паровими машинами з невеликим числом оборотів, що споживаликолосальну кількість палива, що вельми здорожувало вартість електроенергії.Таким чином, з перших же кроків розвитку електротехніки виникла гостра потребав спеціальному швидкохідному могутньому і економічному двигуні дляелектростанцій. Технічні передумови для створення нового теплового двигуна вкінці XIX ст. були в наявності. Техніка виробництва спеціальних сплавів імеханічна обробка металів досягли високого рівня. Були вивчені властивостіводяної пари і закони її витікання. Успішно розвивалося також вчення про опірматеріалів і теорія пружності. Винахід нового теплового двигуна – паровоїтурбіни – з'явилося відповіддю на запити машинного виробництва.
З самого початкусвого практичного вживання турбіна володіла рядом переваг в порівнянні зпаровою машиною. Вона набагато простіше і зручніше здійснювала принципбезперервного обертального руху, ніж поршнева парова машина. Турбіна могла розвиватишвидкість ходу майже до необмежених розмірів, що обчислювалися десятками тисячоборотів в хвилину. Нарешті, потужність будь-якої турбіни набагатоперевершувала потужність навіть найбільшої парової машини.
Ідеявикористовування кінетичної енергії пари для отримання обертального рухузнайшла вперше своє втілення в кулі Герона, що крутиться. Цей прилад бувпрообразом реактивної парової турбіни. Іншою «машиною», що використовуєкінетичну енергію пари для свого обертання, було відоме «колесо»італійського ученого Бранка (XVII ст.). Воно оберталося завдяки тому, що пара зкотла витікала на лопаті горизонтального колеса з осередками. Цей пристрій бувне чим іншим, як примітивною активною паровою турбіною.
Над створеннямпарової турбіни винахідники різних країн працювали тривалий час. З 1880 по 1890р. в Англії було видано 52 патенти на парові турбіни, а з 1890 по 1900 р. –186. Найвдаліші технічні рішення цієї проблеми дали швед К. Лаваль і англієцьЧ. Парсонс.
Шведськийінженер Карл Густав де Лаваль (1845-1921) походив із старовинної французькоїсім'ї, що емігрувала до Швеції в кінці XVI ст. під час переслідуваннягугенотів. Ідея парової турбіни виникла у Лаваля при роботі над сепаратором длямолока. Оскільки парова машина не могла забезпечити велику швидкість обертаннявалу сепаратора (6-7 тис. об/мин), Лаваль, для того, щоб не застосовувати всепараторі складних передач, прямо на осі сепаратора помістив реактивну турбінунайпростішого типу. Цей винахід був запатентований Лавалем в 1883 р.
У 1889 р. Лавальстворює нову, складнішу одноступінчату реактивну турбіну. Принцип дії турбіниЛаваля полягав в наступному: чотири труби, так звані парові сопла, підводилипід гострим кутом пар до лопаток колеса, укріпленого на валу. Пара, щопоступала в сопла під високим тиском з незначною швидкістю і покидала їх звеликою швидкістю і при низькому тиску, текла по лопатках і виходила зпротилежної сторони колеса. Його тиск на увігнуту сторону лопаток викликавобертання колеса і проводив механічну роботу. Турбіна Лаваля була найпростішоюактивною паровою турбіною, в якій струмінь пари з великою швидкістю прямував налопатки колеса.
Турбіни Лавалязіграли велику роль в історії турбобудування. При їх конструюванні булопоставлено і розв’язано багато основних питань турбобудування. Проте, хочатурбіна Лаваля і сприяла подальшому розвитку турбобудування, черезнедосконалість конструкції вона не набула великого поширення.
Рішуче зрушенняв справі використовування парових турбін на електричних станціях провелатурбіна англійського інженера Чарльза Парсонса (1854-1931), що створив першутурбіну в 1884-1885 рр. Парова турбіна Парсонса принципово відрізнялася відтурбіни Лаваля. В ній була застосована багатоступінчата конструкція реактивноготипу.
Турбіна Парсонсаскладалася з ряду поміщених на одному валу вінців лопаток особливоїконструкції: між вінцями лопаток, що обертаються, поміщалися нерухомі рядитаких же лопаток, направлених в протилежну сторону. Ці так звані реактивнілопатки і складають особливість винаходу Парсонса. Реактивні лопатки Парсонсабули апаратом, в якому відбувалося перетворення потенційної енергії пари вкінетичну енергію і перетворення останньої в механічну роботу. Парсонс надавлопаткам форму, при якій перетин між лопаточних каналів зменшувався по напрямузакінчення пари. Таким чином, лопатки Парсонса утворювали як би насаджені навал сопла, з яких, розширяючись, закінчується пара. Механічна робота при цьомувиходила як за рахунок активної, так і за рахунок реактивної дії паровогоструменя. В протилежність одноступінчатій турбіні Лаваля, де енергія тиску парився відразу в соплі перетворювалася в енергію руху, турбіна Парсонса булабагатоступінчатою. В цій турбіні енергія тиску, поступово знижуючись із ступеняна ступінь, від одного вінця лопаток до іншого, перетворювалася на енергіюруху.
Турбіни Парсонсанабули набагато більше поширення, ніж турбіни Лаваля. Вони з самого своговиникнення були розраховані для використовування на електростанціях, гостропотребуючих в подібного роду двигунах.
У 1899 р.французький інженер Огюст Рато створив активну багатоступінчату турбіну, якабула в порівнянні з турбіною Парсонса новим кроком в турбобудуванні. В нійутілилися нові технічні принципи конструювання турбін. Турбіна Рато набулавелике поширення в Європі, особливо в Швейцарії, Німеччині і Франції. Вонавиявилася більш економічною, ніж турбіна Парсонса. В Америці велике поширеннянабула турбіна Ч. Кертіса, яка також була активною багатоступінчатою турбіною.
До кінця даногоперіоду потреба в новому тепловому двигуні була повністю задоволена. Буластворена могутня парова турбіна, що цілком задовольнила потребиелектроенергетики, що швидко розвивалася. Промисловість розвиненихкапіталістичних країн освоїла виробництво парових турбін великої потужності, щоволоділи великою швидкохідністю.
5. Зростання вживанняелектрики
Характерноюособливістю розвитку техніки після першої світової війни є швидко зростаючевживання електрики у всіх галузях техніки. Впродовж XX ст. виробленняелектроенергії постійно ростло. З 1900 по 1957 р. виробітка електроенергії вкапіталістичних країнах виросла майже в 100 разів. В 1900 р. у всьому світібуло вироблено 15 млрд. квт-ч електроенергії, в 1913 р. виробіткаелектроенергії склала вже 35-40 млрд. квт-ч. Перед другою світовою війною (1938р.) виробіток електроенергії досяг 456 млрд. квт-ч. Після другої світової війнивиробництво електроенергії продовжувало рости. В 1950 р. було вироблено 950млрд. квт-ч, в 1952 р. — 1017 млрд. квт-ч, в 1954г. – 1346 млрд. квт-ч, а в1957 р. тільки в капіталістичних країнах було вироблено 1470 млрд. квт-ч,причому майже половина її доводилася на частку США.
Зростаннявироблення електроенергії зумовило серйозні у виробництві і рішенні проблемивикористовування електрики у всіх областях матеріального життя суспільства.
Якщо на першихетапах розвитку електротехніки електрика використовувалася в основному лише дляосвітлення, то потім у все більшій кількості починає уживатися на силовіпотреби в промисловості. Росте значення електроенергії на транспорті, всільському господарстві, в металургії і, нарешті, в хімічній промисловості. В1945 р. в США для освітлення витрачалося 7,74% всієї виробленої електроенергії,в силових двигунах -63,24, в електропечах — 13,67, для електролітичних процесів-13,13% електроенергії, інші витрати склали 2,22%. В 1955г. промисловість СШАзажадала більше половини виробленої в країні електроенергії.
Величезнезростання вживання електрики в промисловості було підготовлено попитом всіхгалузей виробництва на новий, більш досконалий сучасний двигун, на новутехнологію в металургії і хімії. Електроенергія перетворила технологічніпроцеси в хімічній і металургійній промисловості і в багатьох інших галузяхвиробництва. Електрика в XX ст. стало самим універсальним видом енергії втехніці.
6. Підвищення економічностіелектростанцій
На початку XXст. у електробудівництві, що все розширялося, у ряді країн з'являються такзвані районні теплові електростанції (РЕС), на яких централізується виробленняелектроенергії для потреб цілих районів з їх світловими і виробничиминавантаженнями. Поширені до появи районних електростанцій міські станціїобслуговували звичайно окремі райони міста, ту або іншу окрему групупідприємств або житлові квартали з побутовим споживанням; деякі станціївиробляли енергію для потреб міського транспорту (трамвай). Поява РЕС означала,перш за все, тенденцію до підвищення економічності методів отриманняелектроенергії (тобто роботи електростанцій), причому цьому у величезномуступені сприяло введення в практику могутніх турбогенераторів.
Вже до початку30-х років потужність окремих теплових станцій у ряді випадків перевищувала 0,5млн. кВт при одиничній потужності агрегатів до 150-200 тис. кВт. Нині сталозвичним, що потужність теплових районних електростанцій складає декілька сотеньтисяч кіловатів. Сучасні могутні електростанції досягають величезних розмірів.Проліт машинного залу головного корпусу станції складає 30-50 м, довжина –більше 200м, висота 40-50 м.
Великий об'ємкапітального будівництва робить украй важливим питання про зниження вартості іприскорення термінів будівництва електростанцій. Це досягається широкимвикористовуванням збірного залізобетону, індустріальних методів будівництва,ретельною продуманістю проекту станцій.
Підвищенняекономічності теплових електростанцій супроводжується зростанням їх потужностіі органічно пов'язане з підвищенням технічних параметрів теплосиловогоустаткування. Якщо в 1900-1910 рр. одинична потужність паротурбинного агрегатукрупної електростанції складала не більше 10-25 тис. кВт, то в 1950 р. вонадосягла 100-150 тис. кВт. Шляхом підвищення тиску і температури водяної пари,що поступає в турбіни, досягається підвищення економічності тепловихелектростанцій за рахунок зменшення питомої витрати пари в турбіні (тобтозменшення питомої витрати тепла на кВт-ч).
У даний час натеплових електростанціях широко поширені теплосилові установки з початковимипараметрами пари 90 атм, 535 °С. В сучасних паротурбінних установках ККД вирісдо 25-30% в порівнянні з 4-5% на перших електростанціях і 9-11% на початку 20-хроків. В паротурбінній установці з тиском пари в 30 атм. загальний ККД складає23-25%, в установках з тиском в 100 атм. — 30%, а при 170 атм. — до 34-38%.
Разом з тимподальше підвищення тиску і температури пари викликає ряд технічних труднощів,зокрема падає ефективність роботи в спеціальних паросепараційних пристрояхкотлів, за допомогою яких в звичних умовах усувається можливість відкладеннясолей на робочих органах турбін. Проте, всі переваги роботи на високихпараметрах пари настійно диктують необхідність подальшого науково-технічногопрогресу в цій області (і, перш за все в металургії сталі).
У підвищенніекономічності теплових станцій велику роль зіграв розвиток топочно-котельноїтехніки: перехід до могутніх котлоагрегатів, новим методам спалювання великоїкількості тепла, широкої механізації процесів подачі і приготування деякихвидів палива. З 30-х років в технології спалювання палива починається перехіддо крупних котельних паливень (з водяним екраном) для спалювання твердогопалива в пилоподібному стані.
По характерутеплового процесу крім конденсаційних турбін виділяються спеціальні турбіни – зпротивотиском і проміжним відбором пари, Спеціальні турбіни почали з'являтися восновному з 20-х років для установок комбінованого вироблення електроенергії ітепла (згодом – ТЕЦ).
На сучаснихелектростанціях застосовуються і передвключені турбіни – з високим початковимтиском пари і високим противотиском, коли відпрацьована в них пара поступає взвичні турбіни, а також турбіни високого тиску з проміжним (вторинним)перегрівом пари (перегріву піддають пару з проміжного ступеня турбіни), чистореактивні турбіни, паротурбінні установки із застосуванням ртутно-водяногобінарного циклу і, нарешті, транспортні турбіни (в основному суднові).
7. Електричні мережі ісистеми
Районніелектростанції звичайно працюють паралельно між собою – на загальнуелектромережу – і об'єднуються в окремі крупні енергетичні системи. Крупнігідростанції є найважливішим елементом енергетичної системи, яка сама по собі єсукупністю електростанцій і електричних мереж. Слід зазначити, щогідроелектростанції доцільно використовувати в системі для зняття«піків» добового графіка завантаження. Об'єднання електричних станційздійснюється районними електромережами, а об'єднання енергосистем в єдинуенергетичну систему – єдиною високовольтною мережею. Електромережа зв'язує ціелектростанції між собою і із споживачами енергії.
Об'єднанняелектростанцій загальною високовольтною мережею в єдину систему має великітехнічні і економічні переваги і грає першорядну роль в розвитку електрифікаціївсіх країн.
Початок розвиткуелектромереж був встановлений на початку XX ст. створенням лінії розподільноїмережі районних станцій напругою 6-35 ква. Це підготувало грунт для переходу доелектропередач більш високої напруги, і вже в 1907 р. в США була лінія напругив 110 кв. Перша в Європі лінія електропередачі на 110 кв була створена в 1912р. в Німеччині. В 1922 р. в США була побудована лінія електропередачі напругоюв 220 кв. До 1927 р. загальна протяжність високовольтних електроліній (напругоювід 13 до 220 кв) склала в США близько 80 тыс.км., проте ці лінії відрізнялисякрайньою різноманітністю вживаного вольтажу. В 1922 р. в Радянському Союзі булавперше створена лінія електропередачі напругою 110 кв (лінія Шатурська РЕС — Москва). Всі ці електролінії працювали на змінному струмі.
Починаючи з 30-хроків досягнуті значні успіхи в будівництві електросистем. В Англії в 1936-1937рр. в основному була закінчена і введена в експлуатацію єдина високовольтна мережа(так звана Трід") загальною протяжністю близько 8 тис. км. До цієї мережібули приєднані електростанції потужністю приблизно в 9 млн. квт. В 1946 р.Трід" включала 142 електростанції зі встановленою потужністю вже в 11,6млн. квт, а в 1951 р. — 289 станцій потужністю в 14,5 млн. квт. В 1957 р.потужність з'єднаної енергосистеми Англії перевищила 20 млн. квт.
8. Електрична тяга
З самого початкунашого століття електроенергія все більш широко використовується на залізницях,що є найважливішим видом транспорту XX ст. Протяжність залізниць за останніпівстоліття зросла приблизно удвічі. Паровоз, що вірно служив понад 100 років,впродовж нашого століття все більш поступається місцем новим, більш могутнім іекономічним локомотивам, зокрема електровозам. Якщо у паровоза ефективнийкоефіцієнт корисної дії практично складає 4-5% і не перевищує 6-8%, а загальнийККД нижче 10%, то ККД електровозів (при отриманні електроенергії від тепловоїелектростанції) досягає 16-19%, причому коефіцієнт корисної дії електровозазначно підвищується при використовуванні енергії ГЕС.
У результатізростання вироблення дешевої електроенергії, що поступає з крупнихенергосистем, в XX ст. були створені необхідні передумови для широкогоупровадження електричної тяги на залізницях. На електрифікованих залізницяхджерелом енергії є звична електростанція, а локомотив-електровоз одержуєелектроенергію ззовні за допомогою контактної мережі і струмоприймальників.
У 20-х рокахпочинається електрифікація залізниць в США, Франції, Італії, Німеччини, а такожв СРСР, але в цілому електрифікованих залізниць в цей час було мало (та і заразчастка електрифікованих залізниць в загальній світовій їх мережі складаєприблизно 4%).
З кінця 900років в деяких країнах починає встановлюватися своя основна система струму дляелектротяги, причому особливе значення має система однофазного струму зниженоїчастоти, постійного струму і частково трифазного струму. В 1920 р. в СШАзалізниці були електрифіковані з вживанням в основному постійного струмунапругою 1500 в (і частково до 3000 в). У Франції була прийнята системапостійного струму, в Італії — трифазного струму напругою в 3000-4000 в. ВНімеччині, Швеції, Швейцарії, Норвегії в 20-х роках на електрифікованихзалізницях використовувався також однофазний струм зниженої частоти напругою до15 кв.
У перші рокипісля упровадження електричної тяги система постійного струму, повністю себевиправдавши, набула найбільше поширення. В даний час більше 67%електрифікованих магістральних залізниць миру працюють на постійному струмі.Але зростання вантажообігу залізниць, необхідність підвищення швидкості рухупотягів зажадали розробки більш ефективної системи тяги, перш за все на основівикористовування переваг змінного струму промислової частоти і підвищеноїнапруги. Вживання змінного струму значно скорочує витрати на споруду тяговихпідстанцій завдяки зменшення їх числа і спрощення устаткування, а також зменшуєексплуатаційні витрати залізниць і приводить до економії кольорових металів зарахунок зменшення перетину дротів контактної мережі.
Хоча впершеелектрифікація залізничних ліній на однофазному струмі промислової частоти булаздійснена в Угорщині ще в 1934 р., лише останніми роками намітився перехід нанадзвичайно прогресивну систему тяги на однофазному струмі промислової частотинапругою в 20000-25000 в. В цьому випадку тягові двигуни електровоза можутьпрацювати на постійному струмі зниженої напруги, причому трансформація іперетворення струму проводяться не на підстанціях, а на установках, включених велектричну схему самого електровоза.
Успіхиелектровозобудування в значній мірі пов'язані з прогресом в області створенняелектродвигунів і перетворювачів струму. В 50-х роках всі починаютьзастосовуватися напівпровідникові силові випрямлячі. В кінці 1955 р. вперше вАнглії був створений перший силовий (германієвий) випрямляч, розрахований на 1тис. кВт, і запроектований випрямляч до 18 тис. кВт.
Останніми рокамивсе більше застосовуються могутні напівпровідникові випрямлячі на основікремнію. Ці випрямлячі відрізняються високим ККД (99,6%). Вони дозволяютьвипрямляти змінний струм значної потужності напругою більше 500 в. Великакількість різних кремнієвих випрямлячів в даний час випускається, наприклад,фірмою «Сименс-Шукерт» (ФРН).
9. Вдосконаленняелектроприводу і упровадження електроенергії в технологічні процеси виробництва
З початку XX ст.в силовому апараті виробництва відбувається розширення сфери вживанняелектроприводу, що є основою комплексної механізації і автоматизації виробничихпроцесів в промисловості.
У областіелектрифікації робочих машин украй важливим є розвиток електроприводу,упровадження найдосконаліших типів електроприводів: перехід до одиночного(індивідуального) і – головне – багаторуховому електроприводу з широкорозвиненою системою регулювання і автоматики. У тому випадку, коли кожнийробочий орган єдиної машини приводиться в рух окремим електродвигуном, основоюрозвитку електроприводу є розвиток автоматичного управління його роботою.Багаторуховий електропривод, що забезпечує автоматичне виконання виробничихоперацій і узгодження окремих рухів, тобто автоматизований електропривод, набуввеличезне поширення, бо за рахунок більш точного і плавного регулюванняшвидкості підвищується продуктивність верстата і полегшується праця робітників.
Саме у зв'язку зрозвитком автоматики, як регуляторів струму, широке поширення набули генераторипостійного струму. Велике значення при цьому мало розповсюдження регульованогоелектроприводу постійного струму, живленого від окремого генератора (система«генератор-двигун» або від іонного перетворювача, наприклад ртутноговипрямляча (система "іонний перетворювач — двигун"). Дослідження вцій області почалися в 90-х роках XIX ст. Надалі вони привели до значногоспрощення кінематики виробничих машин і зменшення числа вузлів тертя міжелектродвигуном і робочим органом.
З широкимрозвитком систем автоматичного регулювання велике поширення набули так званіелектромашинні регулятори, або підсилювачі, – ЕМП, що є одним з найважливішихелементів систем автоматизованого електроприводу. Все ширше стализастосовуватися електронно-іонні (лампові), потім магнітні, а останніми рокаминапівпровідникові підсилювачі. За допомогою малих потужностей ці підсилювачідозволяють управляти крупними механізмами. Електромашинні підсилювачі (ЕМП) почалирозповсюджуватися в кінці 30-х років і в даний час широко використовуються впромисловості.
Нарешті, требазвернути увагу на швидкий розвиток малих електродвигунів потужністю менше 0,5л.с. і мікродвигунів потужністю 0,001-0,0005 л.с. За останні роки особливорозвинулася область спеціальних малих двигунів для потреб автоматики, авіації,рахунково-вирішальних пристроїв, а також для побутових електроприладів(наприклад, електробритв).
Упровадженняелектрики йде по лінії обробки деталей і виробів (вживання індукційного нагрівув поєднанні з механічною обробкою за допомогою струмів високої частоти,анодно-механічна обробка металів, електрохімічний і електроіскровий способиобробки металів і ін.).
Для нагрівуметалу в рідкому середовищі при хімічній або хіміко-термічній обробці (гарті,відпустці і ін.) застосовуються ванні печі, в яких нагрівання середовища іпідтримку заданої температури можна здійснювати за допомогою електрики(внутрішній обігрів ванної печі). Переваги електронагріву – хорошевикористовування тепла, можливість досягнення щонайвищих температур, зручностірегулювання температури ванни, можливість отримання чистого металу. Нагрівметалу за допомогою електрики знайшов широке вживання в техніці як примеханічній (в основному тиск), так і при термічній обробці. Великий інтереспредставляють електричні печі (феросплавні, сталеплавильні, термічні і ін.),які зараз широко використовуються в металургії. Місткість електроплавильнихпечей досягає 180 т, а потужність — до 34000 кВт в одному агрегаті.
Ідеявикористовування електричного струму для плавки металу виникла давно – насамому початку XIX ст. Але умови для упровадження електрики в металургіюсклалися лише в XX ст., коли будівництво економічних теплових електростанцій іособливо гідроелектростанцій сприяло різкому зниженню вартості електроенергії.З другого боку, в XX ст. різко зріс попит на леговану сталь.
Впершеелектрична енергія починає застосовуватися в печах як джерело тепла у Франції в90-х роках XIX ст. В 1898-1899 рр. винахідники Э. Стассно в Італії і П. Еру уФранції створили цілком працездатні дугові печі для плавки сталі, а також длярудовідновлювальної плавки, які одержали потім широке практичне вживання.
Особливийінтерес заслуговують індукційні електропечі, в яких тепло виділяється в матеріалі,що нагрівається, в результаті збудження в ньому вихрових струмів (якщо матеріал– електричний провідник) або за рахунок діелектричних втрат (якщо матеріал –діелектрик).
Виділення теплав матеріалі, викликане змінними магнітними і електричними полями, було відомеще в XIX ст. Довгий час з цим явищем боролися. Проте в нашому столітті ці,здавалося, цілком не бажані, явища вдалося не тільки використовувати в техніцідля певної мети, але при цьому і значно усилити. В результаті був одержанийновий метод технологічного нагріву, значною мірою обумовлений розвитком технікивисоких частот – в основному радіотехніки.
Потребу в нових,високоміцних і спеціальних сталях стимулював розвиток нових методівтермообробки, зокрема поверхневого гарту, а також плавки металів. Широкевживання у ряді галузей народного господарства одержав індукційний нагріврізних неметалічних виробів і матеріалів (наприклад, сушка деревини і керамікиструмами високої частоти).
За роки післядругої світової війни в промисловій електротермії з'явився новий напрям,пов'язаний зі все більш широким вживанням нагріву діелектриків (а такожнапівпровідників) в електричному полі – діелектричний нагрів. В цьому випадкуматеріал, що нагрівається, знаходиться в електричному полі конденсатора, до якогопідведена напруга високої частоти; струми в матеріалі викликають виділення вньому тепла і його нагрів. Такий нагрів використовується при швидкісній сушцідеревини, паперу, пряжи, зерна, для склеювання деревини, зварювання іпресування пластмас, вулканізації каучуку і т.д.
Нарешті, вобласті вживання струмів високої частоти слід зазначити перспективи переходутранспорту на систему безконтактного наземного високочастотногоелектротранспорту.
Одним знайважливіших вживань електрики в XX ст. є електрозварювання. В 1927 р. Д.Дульчевским був розроблений спосіб дугового електрозварювання міді під шаромпорошкоподібного пальної речовини (флюсу), що лягло в основу розробленогопізніше в СРСР способу автоматичної зварки. В 1932 р. К.К. Хреновым буврозроблений спосіб підводної зварки електродугою і різання металів. Переддругою світовою війною в результаті робіт академіка Е.О. Патона була освоєна іупроваджена в промисловість автоматична швидкісна зварка під шаром флюсу, щонині одержала широке вживання в промисловості.
Висновок
За останні 40-50років електроенергетична техніка зазнала великі якісні і кількісні зміни.Невимірно збільшилися потужності електростанцій. Найважливіше значення придбалинайбільші ГЕС. Широкий розвиток одержали електричні мережі і енергетичнісистеми. В десятки разів збільшилися одиничні потужності турбогенераторівтеплових електростанцій. Одержали повний розвиток установки теплофікацій.Автоматика проникла як в область виробництва електроенергії (наприклад,централізоване управління гідростанціями), так і в область її використовування(удосконалення електроприводу). Швидко росте вживання електрики безпосередньо втехнологічних процесах виробництва. Наприклад, створені перші могутні атомніелектростанції. Разом з тим електрична енергія стала широко використовуватися ів побуті.
Література
1. АптекарьМ.Д., Рамазанов С.К., Фрезер Г.Е. История инженерной деятельности. – Киев:изд-во «Аристей», 2003.
2. Электрик– журнал – 2008, №4, с.52-69