Электронный |
учебно-методический комплекс |
ИСТОРИЯ
ЭЛЕКТРОТЕХИКИ
И ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКИ
Учебная программа дисциплины Учебное пособие
Методические указания к семинарским занятиям Методические указания по самостоятельной работе Банк тестовых заданий в системе UniTest
Красноярск ИПК СФУ
2008
УДК 621.3.01 ББК 31.2
Б86
Электронный учебно-методический комплекс по дисциплине «История электротехники и электроэнергетики» подготовлен в рамках инновационной образовательной программы «Создание инновационного центра подготовки специалистов мирового уровня в области автоматизированных электротехнических комплексов для цветной металлургии и машиностроения"», реализованной в ФГОУ ВПО СФУ в 2007 г.
Рецензенты:
Красноярский краевой фонд науки; Экспертная комиссия СФУ по подготовке учебно-методических комплексов дисциплин
|
Боякова, Т. А. |
|
|
|
|
|
Б86 |
История электротехники |
и электроэнергетики. Версия 1.0 |
[Электронный |
|||
|
ресурс] : электрон. учеб. пособие / Т. А. Боякова, С. А. Бояков. – Электрон. дан. |
|||||
|
(5 Мб). – Красноярск : ИПК СФУ, 2008. – (История электротехники и электро- |
|||||
|
энергетики : УМКД |
№ 113-2007 / рук. творч. коллектива Т. А. Боякова). – |
||||
|
1 электрон. опт. диск (DVD). – Систем. требования : Intel Pentium (или анало- |
|||||
|
гичный процессор других производителей) 1 ГГц ; 512 Мб оперативной памя- |
|||||
|
ти ; 5 Мб свободного дискового пространства ; привод DVD ; операционная |
|||||
|
система Microsoft |
Windows |
2000 SP 4 / |
XP SP 2 / Vista (32 |
бит) ; Adobe |
|
|
Reader 7.0 (или аналогичный продукт для чтения файлов формата pdf). |
|||||
|
ISBN 978-5-7638-1369-2 |
(комплекса) |
|
|
||
|
ISBN 978-5-7638-1368-5 |
(пособия) |
|
|
||
|
Номер гос. регистрации |
в ФГУП |
НТЦ «Информрегистр» 0320802754 |
|||
|
от 23.12.2008 г. (комплекса) |
|
|
|
|
|
Настоящее издание является частью электронного учебно-методического комплекса по дисциплине «История электротехники и электроэнергетики», включающего учебную программу, методические указания к семинарским занятиям, методические указания по самостоятельной работе, контрольноизмерительные материалы «История электротехники и электроэнергетики. Банк тестовых заданий», наглядное пособие «История электротехники и электроэнергетики. Презентационные материалы».
Рассмотрены основные теоретические вопросы дисциплины: возникновение и развитие общей энергетики, зарождение электротехники, развитие электроэнергетики, техники производства и распределения электроэнергии, электротехнологического оборудования, электропривода и электротранспорта, а также развитие энергетики в России.
Предназначено для студентов направления подготовки магистров 140200.68 «Электроэнергетика и электротехника» укрупненной группы 140000 «Энергетика».
© Сибирский федеральный университет, 2008
Рекомендовано Инновационно-методическим управлением СФУ в качестве учебного пособия
Редактор А. А. Гетьман
Разработка и оформление электронного образовательного ресурса: Центр технологий электронного обучения информационно-аналитического департамента СФУ; лаборатория по разработке мультимедийных электронных образовательных ресурсов при КрЦНИТ
Содержимое ресурса охраняется законом об авторском праве. Несанкционированное копирование и использование данного продукта запрещается. Встречающиеся названия программного обеспечения, изделий, устройств или систем могут являться зарегистрированными товарными знаками тех или иных фирм.
Подп. к использованию 01.09.2008 Объем 5 Мб
Красноярск: СФУ, 660041, Красноярск, пр. Свободный, 79
Оглавление |
|
ВВЕДЕНИЕ.................................................................. |
6 |
1. ВОЗНИКНОВЕНИЕ И РАЗВИТИЕ ОБЩЕЙ |
|
ЭНЕРГЕТИКИ.............................................................. |
9 |
1.1. Начальныйпериодразвитиягидроэнергетики.............................. |
9 |
1.1.1. Предпосылкивозникновениягидроэнергетики........................................ |
9 |
1.1.2. Развитиеводяныхколес.............................................................................. |
10 |
1.1.3. Развитиеводяныхтурбин........................................................................... |
13 |
1.2. Основныеэтапыразвитиятеплоэнергетики................................ |
19 |
1.2.1. Предпосылкивозникновениятеплоэнергетики...................................... |
19 |
1.2.2. Начальныйпериодразвитиятепловогодвигателя............................... |
21 |
1.2.3. Построениеуниверсальногодвигателя.................................................... |
23 |
1.2.4. ПромышленныйпереворотидвигательУатта....................................... |
25 |
1.2.5. Возникновениепаровоготранспорта........................................................ |
28 |
1.2.6. Созданиедвигателейвнутреннегосгорания........................................... |
29 |
1.2.7. Первыеопытыпосозданиюпаровыхтурбин. Газоваятурбина........ |
31 |
2. ЗАРОЖДЕНИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ................... |
36 |
2.1. Этапыразвитияэлектротехники..................................................... |
36 |
2.1.1. Общиесведения............................................................................................. |
36 |
2.1.2. Начальныйэтапразвитияэлектротехники.............................................. |
37 |
2.1.3. Созданиепервогоисточникаэлектрическоготока................................. |
39 |
2.1.4. Обнаружениеиизучениедействияэлектрическоготока...................... |
41 |
2.1.5. Открытиеэлектрическойдугииеепрактическоеиспользование...... |
45 |
2.1.6. Взаимодействиеэлектрическоготокаимагнита.................................... |
48 |
2.1.7. Установлениезаконовэлектрическойцепи............................................. |
53 |
2.1.8. Открытиеявленияэлектромагнитнойиндукции..................................... |
56 |
2.1.9. Зарождениетеоретическихосновэлектротехники................................ |
62 |
2.2. Первыеэлектрическиемашины...................................................... |
66 |
2.2.1. Электрическиедвигатели............................................................................ |
66 |
2.2.2. РазвитиемашинпостоянноготокавСССР.............................................. |
74 |
2.2.3. Электрическиегенераторы.......................................................................... |
80 |
3. РАЗВИТИЕ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКИ................... |
89 |
3.1. Историяиначальныйпериодиспользованияэлектричества.. |
89 |
3.1.1. Первыеисточникиэлектрическогоосвещения....................................... |
89 |
3.1.2. Электрическоеосвещение........................................................................... |
92 |
3.2. Электрическиемашины.................................................................... |
96 |
3.2.1. Изобретениетрансформатора.................................................................... |
96 |
3.2.2. Созданиепервыхасинхронныхэлектродвигателей........................... |
101 |
3.2.3. Развитиетрехфазныхсистемиасинхронныхдвигателей................. |
105 |
История электротехники и электроэнергетики. Учеб. пособие |
-3- |
ОГЛАВЛЕНИЕ |
|
4. РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ ПРОИЗВОДСТВА |
|
И РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ............ |
112 |
4.1. Ранниеэлектростанции................................................................... |
112 |
4.2. Видыэлектростанций...................................................................... |
118 |
4.2.1. Тепловыеэлектростанции......................................................................... |
118 |
4.2.2. Газотурбинныеэлектростанции............................................................... |
120 |
4.2.3. Гидроэлектростанции................................................................................. |
121 |
4.2.4. Атомныеэлектростанции.......................................................................... |
122 |
4.3. Развитиеальтернативныхспособовполучения |
|
электроэнергии........................................................................................ |
126 |
4.3.1. Геотермальныеэлектростанции.............................................................. |
126 |
4.3.2. Гелиоэлектростанции................................................................................. |
127 |
4.3.3. Приливныегидроэлектростанции........................................................... |
128 |
4.3.4. Ветровыеэлектростанции..................................................................... |
129 |
4.3.5. Гидроаккумулирующиеэлектростанции................................................. |
130 |
4.4. Возобновляемыеисточникиэнергии........................................... |
131 |
4.5. Невозобновляемыеисточникиэнергии....................................... |
133 |
4.5.1. Термоядернаяэнергетика.......................................................................... |
133 |
4.5.2. Магнитогидродинамическиегенераторы................................................ |
135 |
5. РАЗВИТИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО |
|
ОБОРУДОВАНИЯ, ЭЛЕКТРОПРИВОДА |
|
И ЭЛЕКТРОТРАНСПОРТА..................................... |
136 |
5.1. Электротехнология.......................................................................... |
136 |
5.1.1. Развитиеэлектротехнологии.................................................................... |
136 |
5.1.2. Электротермия............................................................................................. |
137 |
5.1.2.1. Резистивныйнагрев............................................................................... |
137 |
5.1.2.2. Электродуговой нагрев......................................................................... |
142 |
5.1.2.3. Индукционныйнагрев............................................................................ |
147 |
5.1.2.4. Диэлектрическийнагрев........................................................................ |
154 |
5.1.2.5. Плазменныйнагрев................................................................................ |
156 |
5.1.2.6. Электронно-лучевойнагрев.................................................................. |
158 |
5.1.2.7. Лазерныйнагрев..................................................................................... |
162 |
5.1.3. Электрическаясварка................................................................................. |
163 |
5.1.3.1. Электродуговаясварка.......................................................................... |
163 |
5.1.3.2. Электроконтактнаясварка..................................................................... |
167 |
5.1.3.3. Прочиевидыэлектросварки.................................................................. |
168 |
5.1.4. Электрофизическиеметодыобработки................................................. |
170 |
5.1.4.1. Электроэрозийнаяобработка................................................................ |
170 |
5.1.4.2. Электроимпульснаяобработкадавлением......................................... |
171 |
5.1.4.3. Прочиеметодыэлектрофизическойобработки.................................. |
172 |
5.1.5. Электрохимическаятехнология............................................................... |
173 |
5.1.5.1. Развитиеэлектрохимическойтехнологии............................................ |
173 |
История электротехники и электроэнергетики. Учеб. пособие |
-4- |
ОГЛАВЛЕНИЕ |
|
5.1.5.2. Электролитическоеполучениеирафинированиеметаллов............. |
174 |
5.1.5.3. Гальванотехника..................................................................................... |
176 |
5.1.5.4. Аноднаяобработкаметаллов............................................................... |
177 |
5.2. Электропривод................................................................................. |
178 |
5.2.1. Раннийпериодразвитияэлектропривода............................................. |
178 |
5.2.2. Переходотгрупповогопромышленногоэлектропривода |
|
киндивидуальному............................................................................................... |
179 |
5.2.3. Регулируемыйэлектропривод.................................................................. |
180 |
5.2.4. Индивидуальныйэлектроприводвтехнологическихустановках.... |
181 |
5.2.5. Автоматическоеуправлениевэлектроприводе................................... |
182 |
5.2.6. Электроприводы со статическими преобразователями. |
|
«Дополупроводниковый» электропривод....................................................... |
183 |
5.2.7. Полупроводниковыеприборывэлектроприводе............................... |
184 |
5.2.8. Системыподчиненногорегулирования.................................................. |
186 |
5.2.9. Микропроцессорывэлектроприводе..................................................... |
187 |
5.2.10. Современныйэлектропривод................................................................. |
188 |
5.3. Развитиемагистральногоэлектротранспорта............................ |
191 |
5.3.1. Железнодорожныйтранспорт................................................................... |
191 |
5.3.2. Городскойэлектрическийтранспорт...................................................... |
208 |
5.3.3. Подъемно-транспортноеоборудование................................................. |
215 |
6. РАЗВИТИЕ ЭНЕРГЕТИКИ В РОССИИ............. |
222 |
6.1. Развитиесистемпроизводства ипередачиэлектрической |
|
энергии...................................................................................................... |
222 |
6.2. ПерспективныепланыразвитияэлектроэнергетикивРоссии228 |
|
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК........................ |
239 |
История электротехники и электроэнергетики. Учеб. пособие |
-5- |
Чтобы знать предмет, надо знать историю предмета.
Г. В. Ф. Гегель
ВВЕДЕНИЕ
Знание истории развития науки и техники, важнейшего направления деятельности любого государства, позволяет правильно оценить существующую обстановку в электроэнергетической отрасли, учесть опыт предшествующих поколений и развить отрасль с учетом этих фактов.
Развитие электроэнергетики есть мощная сила, которая влияет на жизненный уровень людей, изменяет характер общества, является причиной социальных перемен и направляет общественное развитие.
Слово «электричество» воспринимается в максимально широком смысле как обширнейшая область теоретического знания и практического применения, включающая свойства, действия, проявления, получение, преобразование, передачу, распределение и, наконец, использование электричества как материала и энергии во всех видах. Хотя рождение слова «электричество» относят к эпохе Античности, лишь в XIX в. была сформирована (1800–1830) электрическая наука и создана (к 1880-м гг.) электрическая техника. Первая превратилась в теоретические основы электротехники (ТОЭ), вторая – в электротехнику как отрасль промышленности и сферу деятельности, в частности в направление высшего образования.
Электротехника начиналась с изобретений и экспериментов. Изобретение А. Вольтом гальванического элемента (1799) и исследования (1800) накаливания проводников током позволили предсказать появление электроосвещения и электротермии, изучать электролиз, гальваностегию и гальванопластику, открыть электрическую дугу (В. В. Петров, 1802) и начать ее применение для освещения, сварки, пайки. Введение А. Ампером (1820) понятия о направлении тока, наряду с исследованиями Ж. Био и Ф. Савара (1820) по взаимодействию тока и магнитного поля, установление закона Ома (1827)
и законов Кирхгофа (1845), работы М. Фарадея по вращению проводника
стоком (1821) и электромагнитной индукции (1831), исследование Э. Х. Ленцем обратимости электрических машин (1833) привели к созданию сначала прообраза генератора (Фарадей, 1831), затем к изготовлению И. Пикси (по заказу А. Ампера) электромагнитного генератора постоянного и переменного тока (1832), Б. С. Якоби – электродвигателя с непосредственным вращением якоря (1834), Дж. Вулричем – генераторов для питания гальванической ванны (1842). Самовозбуждение машин, открытое В. Сименсом (1866) наряду с Г. Уайлдом (1863), открытие явления вращающегося магнитного поля, создание системы двухфазного тока (Г. Феррарис, 1885) и ее развитие (Н. Тесла, 1886), изобретение П. Н. Яблочковым (1876) и И. Ф. Усагиным (1882) трансформатора, М. О. Доливо-Добровольским асинхронного двигателя с «бе-личьей клеткой» (1882) и трехфазного трансформатора с парал-
История электротехники и электроэнергетики. Учеб. пособие |
-6- |
ВВЕДЕНИЕ
лельными стержнями (1891), изолирование провода шелком (Дж. Генри, 1827), применение бесшовной резиновой изоляции проводов и кабелей (В. Сименс, 1847) и кабеля со свинцовой оболочкой (Ф. Борель, 1879) определили практичес-кую значимость электрических исследований.
Таким образом, открытия в физике и поиски технических решений уже к концу XIX в. превратили электротехнику во вполне значимую науку и технику. Завершение формирования основ электротехники отразилось в установлении наименования электрических единиц (CGS – 1881, SI – 1960), характеристик переменного тока (1889), системы символов и обозначений (1893) и, наконец, в образовании (1904) Международной электротехнической комиссии – МЭК. (Электротехнический отдел Русского технического общества был организован в 1880 г. Тогда же начал выходить журнал «Электричество».)
С точки зрения мировой истории, именно развитие электротехники и ее экспансия во все отрасли техники, а затем и быта привели к развитию электроэнергетики, которая сформировалась в 1870–1930 гг. (до этого считалось технико-экономически бесперспективным создание и электродвигателя,
иэлектрического генератора).
В1924 г. был образован Мировой энергетический комитет (МИРЭК), призванный решать проблемы большой энергетики. Выделяют следующие основные этапы ее становления. З. Т. Грамм (1873) изготовил локомобильно-
электрогенераторную установку для электроснабжения предприятия. Г. Уайлд исследовал синхронизацию двух генераторов переменного тока (1868). Ф. А. Пироцкий исследовал передачу электричества, а Д. А. Лачинов теоретически обосновал вопрос о передаче большого количества электричества на большое расстояние. На первом Всемирном конгрессе электриков (1881) с докладом «О передаче и распределении электрических токов» выступил М. Депре, который позднее (1882) построил первую линию передачи постоянного тока высокого напряжения (2,4 кВ, 57 км). М. О. ДоливоДобровольский соорудил (1891) трехфазную ЛЭП с междуфазным напряжением 13760–15200 В для передачи 200 кВт (генератор 210 кВ·А, 86–95 В, повышающий трансформатор 150 кВ·А) на 175 км. Дж. Лейн-Фокс (1880) изобрел первые счетчики электроэнергии. В Англии были введены первые правила устройства электроустановок (1882). Г. Феррарис (1884) ввел понятие коэффициента мощности, Э. Томсон (1886) применил защитное заземление, А. Э. Кеннели (1889) получил зависимость между сечением проводника и длительно допустимым током нагрузки. П. Бушеро установил (1898) конденсаторы для компенсации реактивной мощности. В. Петерсен предложил (1917) систему компенсации емкостных токов замыкания на землю. Область устойчивости параллельной работы энергосистем (в 1920-х гг.) основополагающими теоретическими работами определил А. А. Горев. В. М. Монтсингер (1930) сформулировал основные закономерности между температурой обмотки, нагрузкой и сроком службы силовых трансформаторов. И. А. Сыро-
История электротехники и электроэнергетики. Учеб. пособие |
-7- |
ВВЕДЕНИЕ
мятников внедрил (1937) самозапуск электродвигателей при кратковременном перерыве питания.
Предпосылкой бурного развития электрификации послужило создание М. О. Доливо-Добровольским трехфазных синхронных генераторов, асинхронных двигателей и трансформаторов. Убедительной демонстрацией преимуществ трехфазных цепей была знаменитая Лауфен-Франкфуртская электропередача (1891), сооруженная при активном участии М. О. ДоливоДобровольского. С этого времени строятся мощные электростанции, возрастает напряжение электропередач, разрабатываются новые конструкции электрических машин, аппаратов и приборов. Электродвигатель занимает господствующее положение в системе промышленного электропривода.
В начале ХХ в. процесс электрификации постепенно охватывает новые области народного хозяйства: развиваются электротехнология, электротранспорт и др. Сегодня электрическая энергия широко используется в самых разнообразных отраслях промышленности, на транспорте, в сельском хозяйстве и в быту.
Широкое применение переменного тока потребовало теоретического осмысливания и математического описания физических процессов, происходящих в электрических машинах, линиях электропередачи, трансформаторах и других электротехнических устройствах.
Рост потребности в постоянном токе (электротранспорт и др.) вызывает необходимость в развитии преобразовательной техники и промышленной электроники. Электротехника становится базой для разработки автоматизированных систем управления энергетическими и производственными процессами.
В настоящем учебном пособии последовательно (в хронологическом порядке) освещается история научных открытий и изобретений в области электричества и электроэнергетики, их техническое использование. Рассмотрены также перспективы дальнейшего развития некоторых направлений в области получения электроэнергии и нетрадиционных источников энергии.
История электротехники и электроэнергетики. Учеб. пособие |
-8- |