История электротехники

В августе 1880 г. Ф.А. Пироцкий осуществил пуск электрического трамвая на опытной линии в районе Рождественского парка конной железной дороги в Петербурге. Питалась эта линия от небольшой электростанции, построенной в парке, с генератором мощностью 4, а позднее 6 л.с. Под трамвайный электровагон был приспособлен двухъярусный вагон конной железной дороги (масса с пассажирами 6,5–7,0 т), к раме которого был подвешен электродвигатель, приводивший в движение ведущую ось через двухступенчатую зубчатую передачу. Схема, предложенная Ф.А. Пироцким, некоторое время применялась для питания трамвайной сети и за рубежом. Она была достаточно проста и давала возможность обойтись без третьего рельса, затруднявшего уличное движение и усложнявшего все сооружение. Недостатком такой схемы было наличие больших потерь электроэнергии от токов утечки из-за плохой изоляции рельсов.

После изобретения способа питания от верхнего контактного провода, сделанного в 1883 г. независимо Ван-Депулем (США) и В. Сименсом (Германия), схему питания по двум рельсам перестали применять на электротранспорте, если не считать ее применения в настоящее время для автоблокировки. Заслугой Ф.А. Пироцкого является также введение зубчатой передачи (вместо ременной) от вала двигателя к колесам. В 1889 г. подобный же передаточный механизм, получивший название «трамвайного привода», был применен Спрэгом в США.

С 1883 г. действовала линия трамвая в г. Портуме (Ирландия) длиной 9,6 км; в 1884 г. были открыты для эксплуатации трамвайные линии в городах Брайтоне (Англия) длиной 1,5 км и Франкфурте-на-Майне (Германия) длиной 6,56 км. Первый трамвай в России, киевский, был пущен для общего пользования в 1892 г., причем решение о строительстве трамвайной линии было принято лишь после того, как убедились, что ни конная, ни паровая тяга не способны преодолеть крутой подъем от ул. Подол к Крещатику. Трамвайная линия соединила густонаселенную окраину Киева с центром города.

На электрическом транспорте почти исключительное применение получил постоянный ток, обеспечивающий надежную работу тяговых электродвигателей и удобное регулирование скорости. Поэтому по мере развития техники переменного тока пришлось сооружать преобразовательные подстанции.

Наиболее естественным и поэтому первым по времени преобразователем переменного тока в постоянный была двигатель-генераторная установка. В 1885–1889 гг. создаются первые одноякорные преобразователи переменного тока в постоянный, которые в каждом случае представляли собой комбинацию синхронного электродвигателя и генератора постоянного тока с общим якорем. Одноякорный преобразователь обладает рядом существенных преимуществ перед двигатель-генераторной установкой: меньшая на 30–40% масса, значительно меньшие габариты (до 50%), высокий КПД.

Громадное значение в развитии производительных сил сыграли новые отрасли промышленного производства, появление которых обусловливалось применением электрической энергии в качестве основного технологического фактора: промышленная электрохимия и электротермия. Промышленная электрохимия зародилась вместе с гальванотехническими мастерскими и предприятиями по производству электролитическим путем кислорода и водорода.

Опыты по применению электрических дуговых печей для плавки руд, металлов и других веществ начались еще в конце 40-х годов, но лишь в 1878 г. В. Сименсу удалось создать такую конструкцию дуговой печи, что она могла использоваться в промышленном производстве [3.9].

Чтобы оценить значение электротермии в конце XIX в., достаточно напомнить, что алюминий благодаря электротехнологии перестал быть драгоценным металлом. Электролитический способ получения алюминия был разработан американским инженером Ч.М. Холлом и французским инженером П. Эру в 1886–1888 гг. Вслед за электролизом алюминия начинает развиваться ряд других электротермических производств. В конце XIX в. был найден способ получения карборунда. Тогда же был разработан метод получения карбида кальция, который стал потребляться в больших количествах для выработки ацетилена. Позднее были изобретены и усовершенствованы различные конструкции электрических печей для производства высококачественных сталей.

3.1. Белькинд Л.Д. Павел Николаевич Яблочков. М: Госэнергоиздат, 1950.

3.2. Белькинд Л.Д. Александр Николаевич Лодыгин. М: Госэнергоиздат, 1948.

3.3. Белькинд Л.Д. Томас Альва Эдисон. М.: Наука, 1964.

3.4. Ржонсницкий Б.Н. Федор Аполлонович Пироцкий. М. — Л. Госэнергоиздат, 1951.

3.5. Ржонсницкий Б.Н. Дмитрий Александрович Лачинов. М. — Л. Госэнергоиздат, 1949.

3.6. Цверава Г.К. Никола Тесла. М.: Наука, 1974.

3.7. Веселовский О.Н. Михаил Осипович Доливо-Добровольский. М.: Госэнергоиздат, 1958.

3.8. Доливо-Добровольский М.О. Избранные труды о трехфазном токе. М.: Госэнергоиздат, 1948.

3.9. Швецов М.С., Бородачев А.С. Развитие электротермической техники М.: Энергоатомиздат, 1983.

Глава 4.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИКА

4.1. ВВЕДЕНИЕ

Теоретическая электротехника (ТЭ) как самостоятельное научное направление образовалась в результате синтеза физических представлений об электрических и магнитных полях, электрических цепях, математических методах для исследования и расчета электромагнитных явлений в технических устройствах. В этом качестве ТЭ является основой развития теории, методов расчета и синтеза широкого спектра электротехнических изделий. История развития ТЭ неотделима от развития электротехники и физики, поскольку открытие новых физических явлений и законов практически одновременно приводило к появлению новых электротехнических устройств. Характерно, что практически одновременно имели место открытие в 1831 г. закона электромагнитной индукции, т.е. возникновения электродвижущей силы в результате изменения потока вектора магнитной индукции М. Фарадеем, демонстрация в 1832 г. электрического генератора постоянного тока, созданного братьями Пиксии в Париже, и изобретение электродвигателя в 1834 г. Б.С. Якоби. Однако для создания серьезной теоретической, расчетной и проектной базы, а также глубокого изучения электромагнитных процессов в таких машинах и целенаправленного развития их конструкций потребовались многие десятилетия. Для ТЭ характерен учет влияния множества факторов и в этой связи усложнение картины протекания физических процессов, поскольку только при этих условиях стало возможным решить проблему создания и повышения эффективности новых электротехнических устройств. Именно необходимость учета множества факторов потребовала разработки методов создания соответствующего математического описания, т.е. математических моделей этих устройств.

Начальный этап становления ТЭ определялся не только историей развития физических представлений об электрических и магнитных явлениях. С созданием гальванических элементов, формулированием законов Ома и Кирхгофа, а также с началом практического использования физических явлений, связанных с протеканием постоянного тока по проводникам, независимо от теории электромагнитного поля (ЭМП) появился новый раздел ТЭ, известный в настоящее время под названием «Теория электрических цепей». Вначале раздельное развитие этих двух направлений ТЭ было обусловлено тем, что расчет электрических цепей постоянного тока не требовал привлечения закона электромагнитной индукции и введения понятия токов смещения, т.е. использования всех законов ЭМП. Однако и в дальнейшем выявленные особенности описания процессов в электрических цепях и их математических моделей, даже при необходимости использовать уравнения ЭМП, позволили создавать специфические методы расчета и сохранять теорию электрических цепей в качестве самостоятельного раздела. В этом отношении показательна возможность вывода законов Кирхгофа без использования уравнений Максвелла, исходя только из топологических особенностей электрических цепей. По этой причине в ТЭ с самого начала ее становления относительно самостоятельно развивались исследования, связанные с явлениями, вызванными протеканием электрического тока по проводникам, образующим цепи (теория электрических цепей) и с эффектами взаимодействия электромагнитного поля с веществом (теория ЭМП). Таким образом, это разделение было вызвано не только историческими причинами и различиями в методах анализа и синтеза электрических цепей и электромагнитных полей, но и используемым при этом математическим аппаратом.