Teorie elektrického přenosu energie na velké vzdálenosti

Mimochodem, dříve jsme S.G. Egorov byl nazýván elektroinženýrem. Sovětští historiografové elektrotechniky si tohoto vědce prostě nevšimli, a tak se o něm bohužel nedá říct prakticky nic kromě toho, že např. 16. ledna 1898 S.G. Na setkání meteorologického výboru Imperiální ruské geografické společnosti Egorov přečetl zprávu „Několik poznámek o moderních problémech meteorologie a zemského magnetismu“. Ukazuje se, že tento vědec nebyl jen elektrotechnik, ale také přírodovědec.

Nejprve se pokusme najít původ potřeby, která vznikla – přenášet elektřinu na velké vzdálenosti. A pomůže nám v tom kniha dnes již zapomenutého popularizátora elektrotechniky Marka Oskaroviče Kameneckého „První ruské elektrárny“ (Gosenergoizdat. M. L., 1951).

Takto posledně jmenovaný nastínil technický základ centralizace výroby elektřiny (z čehož přirozeně vyplývala potřeba jejího přenosu).

Na přelomu osmdesátých let byly vytvořeny technické předpoklady pro rozvod elektrické energie. Těmito předpoklady byly: 1) oddělení výroby elektrické energie od její spotřeby, což prakticky otevřelo široké možnosti pro návrh elektrického osvětlení, a 2) rozvoj teoretických základů elektrotechniky a zejména teorie elektrotechniky. přenos energie.

Při vytváření obou těchto předpokladů patří výchozí pozice ruskému elektrotechnickému myšlení. Oddělení výroby a spotřeby elektrické energie provedli ruští inovační technici Alexandr Nikolajevič Lodygin a Pavel Nikolajevič Jabločkov. Podle historických podmínek se vztahovalo k elektrickému osvětlení a nazývalo se „rozdělením“ nebo „fragmentací“ elektrického světla. Co bylo v té době myšleno pod pojmem „fragmentace elektrického světla“, jaký byl stav teorie přenosu energie a co naši krajané udělali pro rozvoj těchto problémů?

Úkolem drcení elektrického světla bylo umožnit současné připojení mnoha malých světelných zdrojů k jednomu poměrně výkonnému zdroji energie (elektrickému stroji). Pro oba možné způsoby výroby světla pomocí elektrického proudu – způsob využití tepelného záření pevného tělesa a způsob využití záře v plynném prostředí – nebylo řešení problému drcení světla dlouho možné. Před rozdělením elektrického světla nebylo použití elektrické energie rozšířeno.

Skutečně technické využití elektřiny bylo nemožné kvůli nedostatku metod distribuce proudů. Problém fragmentace elektrického světla v jeho úzkém smyslu vyřešil ve vztahu k oběma způsobům elektrického osvětlení téměř současně A.N. Lodygin a P.N. Jabločkov.

Rozhodnutí A.N. Lodygin spočíval v tom, že se mu v roce 1873 podařilo sestrojit dostatečně odolné, podle tehdejších koncepcí, vláknité těleso v podobě dvou uhlíkových tyčí umístěných ve skleněném válci, ze kterého byl odčerpáván vzduch. Toto řešení poskytlo jednoduché řešení „rozdělení světla“ – paralelní začlenění lamp různého výkonu, navržených pro stejný potenciálový rozdíl vytvořený generátorem elektrické energie.

Lodygin poprvé předvedl osvětlovací systém, který vynalezl v Petrohradě na Technologickém institutu v srpnu 1873 a o něco později v elektrických osvětlovacích instalacích v Galernaja Gavan a Peski.

Ve svém prohlášení Petrohradské akademii věd, které posloužilo jako základ pro jeho udělení v prosinci 1874 A.N. Cena Lodygina Lomonosova ve výši 1 000 rublů, akademik G.I. Wild napsal, že od příchodu dynama „obzvláštní význam získaly snahy dát elektrickému světlu větší rovnoměrnost a dosáhnout schopnosti jej libovolně rozdělit na několik méně jasných bodů. V tomto směru již bylo učiněno mnoho pokusů, ale zatím neúspěšných. Lodyginovi se podařilo. . otevřet cestu k tak obecnému použití elektrického světla, které se vší pravděpodobností povede k úplné revoluci v systému osvětlení.” Wild doporučil, aby Akademie věd uznala, „že Lodygin svým objevem vyřešil snad nejjednodušším možným způsobem důležitý problém oddělení elektrického světla“.

Řešení problému fragmentace světla P.N. Yablochkov byl mnohem podrobnější než v rozhodnutí A.N. Lodygina, charakter a obsahoval tři různé způsoby.

Oddělení elektrického světla P.N. Yablochkov implementoval následující možnosti: 1) postupné začlenění několika svíček do obvodu stejného zdroje proudu, což bylo možné poté, co se Yablochkovovi podařilo odstranit mechanismus (regulátor) z obloukové lampy. Toto řešení bylo svou povahou omezené a stejně jako Lodyginův systém nepřesáhlo úzký úkol osvětlení; 2) propojení jednotlivých svíček nebo skupin svíček přes kondenzátor (Leydenská nádoba). Tímto řešením byl návrh obvodu střídavého obvodu s kapacitou; 3) napájení jednotlivých svíček nebo skupin svíček z indukčních cívek. Tato možnost představovala nejúplnější řešení problému, protože oddělení výroby a spotřeby elektrické energie v ní bylo provedeno nejslibnější formou.

Již v prvních experimentech se Yablochkovovi podařilo dosáhnout rozdělení elektrické energie z jednoho stroje do velmi významného počtu osvětlovacích bodů. Ve svém poselství fyzické společnosti na Petrohradské univerzitě Jabločkov na začátku roku 1877 napsal: „Posílám vám 4 své svíčky za práci se strojem Aliance; jeden s uhlíky o průměru 8 mm, jeden – 7 mm a dva – 6 mm, druhé lze umístit do řetězu oba najednou, pokud má stroj dostatečné napětí. Výroba svíček menšího průměru a uvedení celého stroje do tahu, pálím 6 svíček najednou. Pro všechny své experimenty preferuji stroje na střídavý proud; se stroji tohoto systému se speciálními úpravami mám možnost získat téměř osmdesát svítících bodů z jednoho stroje.“

Řešení problému oddělení elektrického světla v jeho rozšířeném smyslu, jako oddělení zdroje (generátoru) a spotřebiče elektřiny, vedlo ke vzniku nového technického prostředku, který je spojuje – elektrické sítě – a zavedl nový proces v využití elektrické energie – její přenos.

Nejobecnějším charakterem bylo, jak bylo uvedeno výše, „oddělování světla“ pomocí indukčních cívek patentovaných P.N. Yablochkov 30. listopadu 1876. Yablochkov zavedl do svého nového distribučního systému novou kvalitu: v síti vybavené indukčními cívkami – transformátory – probíhal nejen proces transportu energie, ale i proces její transformace. Řešení problému drcení elektřiny pomocí indukčních cívek, které umožnilo její transformaci, přesáhlo úzký rámec oboru elektrického osvětlení. Jeho historický význam byl velmi velký. Od této doby začal samostatný vývoj elektrického generátoru neomezený parametry elektrického světelného zdroje. Od té doby přestal být elektrický generátor výhradně „lehkým strojem“.

Na konci 1870. let XNUMX. století tak byli ruští inovátoři schopni rozdělit proces využití elektrické energie na tři části: výrobu, přenos a aplikaci. V důsledku tohoto rozdělení se vytvořil nezbytný předpoklad pro vyřešení problému přenosu a rozvodu elektrické energie, který dostal svou reálnou podobu.

Jaký byl tedy teoretický vývoj D.A. Lachinová a S.G. Egorova (způsobené praktickou potřebou přenosu elektřiny na dálku)? Na začátku svého zásadního článku „Elektromechanická práce“, který vycházel téměř po celý rok 1880, D.A. Lachinov poskytl následující základ pro vyhlídky elektrického přenosu:

Působením páry (nebo jakékoli jiné) síly na dynamoelektrický stroj ji dostaneme téměř celou 1 ve formě galvanického proudu, který tak bude stát více než dvacetkrát méně než obyčejný (hydroelektrický 2 ). Kvalitou se neliší od posledně jmenovaného, ​​dokáže jej s velkým přínosem nahradit ve všech technických aplikacích, jako je elektrické osvětlení, galvanizace, telegrafie a konečně v elektrickém pohonu.

V tomto posledním, nejzajímavějším případě nabývá otázka zvláštní, dosti originální podoby: v jednom bodě použijeme páru (nebo nějakou jinou) sílu k otáčení dynamoelektrického stroje a takto získaný proud vedeme dráty do jiného, víceméně méně vzdálený bod, kde jej nutíme působit na stroj Siemens nebo Gram, který nakonec vyrobí požadovanou mechanickou práci. Elektrický pohyb se zde tedy objevuje ve formě přenosu mechanické práce elektřinou. Za předpokladu, že oba stroje jsou umístěny ve velmi příznivých podmínkách 3, dojdeme k závěru, že takto bude přeneseno až 80 % původní práce motoru. Za běžných podmínek, kdy se nesnažíme vymyslet nejlepší konstrukci a nejvýhodnější rychlost strojů, stále můžeme předpokládat, že elektřinou přeneseme alespoň polovinu práce motoru na značnou vzdálenost.

Na první pohled se tento výsledek nezdá nijak zvlášť výhodný, ale při bližším zkoumání se elektrický přenos ukazuje jako v mnoha případech velmi pohodlný a ekonomický a pravděpodobně bude hrát velmi důležitou roli v průmyslu, zejména ve velkých továrnách a na železnici, pro jízdu vlaků.

K přenosu mechanické síly na různé mechanismy obrovské továrny existují dva způsoby. Můžete buď nainstalovat mnoho malých parních strojů pohánějících jednotlivé stroje (nebo malá oddělení továrny), nebo postavit jeden centrální parní stroj, ze kterého se práce přenáší všemi směry pomocí hřídelí, nekonečných pásů a lan 4 . První metoda je nerentabilní, protože údržba malých motorů je přibližně čtyřikrát dražší než údržba velkých; druhý způsob spočívá v tom, že samotné převodové prvky (řemeny, ozubená kola a lana) absorbují enormní množství práce. Elektrický přenos bude nejen jednodušší a ekonomičtější, ale také výrazně ušetří místo, protože kovové dráty lze jakkoli ohýbat. V případě potřeby je lze instalovat pod podlahu nebo podél stěn na způsob plynového potrubí.

Než přejdeme přímo k teorii přenosu elektřiny, D.A. Lachinov byl nucen nastínit ty elektrické stroje, které byly pro to nejslibnější:

Než přistoupíme k teoretickým závěrům, uvedeme si podmínky, které musí elektromotory splňovat, aby podávaly dobré výsledky a aby na ně mohla být teorie aplikována ve své nejjednodušší podobě.

K tomu je nutné, aby se působení proudu na pohyblivou část stroje během celé otáčky neměnilo, tzn. takže v jakékoli poloze je točivý moment konstantní. Stroje starých systémů (před Gramem) tuto důležitou podmínku nesplňovaly – v určitých situacích se silně hnaly vpřed, v jiných se téměř vůbec nehýbaly. Takové stroje jsou obecně neekonomické, protože pokud splníme podmínky nejvýhodnějšího provozu pro určitou polohu stroje, tak pro zbývající polohy tyto podmínky splněny nebudou. Budeme proto uvažovat pouze o strojích typu Gram 5, které jako jediné mohou počítat s praktickým úspěchem, zatímco všechny předchozí elektromotory jsou v současnosti pouze historické.

Budeme předpokládat, že daný stroj se skládá z pevné části (magnety) a pohyblivé části (cívka). Ten musí mít alespoň padesát nebo sto drátěných smyček, aby splnil výše uvedenou podmínku konstantního krouticího momentu 6 .

Dále D.A. Lachinov připomněl „teoretické principy, na kterých je založena teorie elektromotorů“ (a přitom se opíral o Ohmovy a Joule-Lenzovy zákony). My ale jejich prezentaci přeskočíme a v pokračování této eseje rovnou přejdeme k teorii elektrického přenosu vyvinuté D.A. Lachinov a o něco později – S.G. Egorov (s minimálními vysvětleními týkajícími se „teorie elektrických motorů“).

1 S výjimkou části, která bude použita k překonání škodlivých odporů. (Poznámka D.A. Lachinova).
2 To znamená získané z „kapalného“ galvanického článku. (Poznámka M.I. Klassona).
3 Níže v teoretické části tohoto článku budou odvozeny nejvýhodnější podmínky. (Poznámka D.A. Lachinova).
4 Zde hovoříme o mechanických převodech s „nekonečným“ prvkem přenosu síly. (Poznámka M.I. Klassona).
5 To zahrnuje stroje Gram, Siemens, Edison, Schukkert a podobně. (Poznámka D.A. Lachinova).
6 V současné době mají dynamoelektrické stroje obvykle asi 60 sekcí, z nichž každá se skládá z mnoha smyček izolovaného drátu. (Poznámka D.A. Lachinova).