Розв’язання проблеми передачі електроенергії на відстань

 

Після появи могутніх електромагнітних генераторів виникла проблема централізованого виробництва електроенергії, яке дозволило б використовувати її для обслуговування могутніх промислових підприємств. В кінці XIX ст. електродвигуни починають грати важливу роль у важкій промисловості. Електричні генератори виробляють електрику не тільки для перетворення її в світлову або теплову енергію, але головним чином для перетворення її в енергію механічну.

Використання електродвигунів дозволяло концентрувати виробництво електричної енергії на крупних електростанціях, що вело до значного здешевлення електроенергії.

З кінця 80-х років починають створюватися перші електростанції, тобто технічні споруди, призначені для виробництва електричної енергії. Електричні станції з'єднуються з споживачами, які вони обслуговують, та по яким відбувається розподіл і передача електричної енергії. Перша електростанція була створена в США Едісоном. Щоб забезпечити масове використовування електричного освітлення, Едісон реалізував в 1882 р. думку про створення централізованої електричної станції.

У зв'язку з будівництвом електричних станцій проблема передачі електроенергії на відстань придбала велике економічне значення. Передача електрики на відстань відкривала можливість створення крупних електростанцій в районах низькосортного палива, різко здешевлювала вартість електроенергії, що сприяло більш глибокому проникненню електрики в промисловість.

Перша електропередача, розрахована на нормальну експлуатацію, була здійснена для електричного освітлення в 1879 р. П.Н. Яблочковим. Проте подальший розвиток передачі електричної енергії на великі відстані затримувався у зв’язку з відсутністю теоретичного аналізу явищ, що відбуваються при цьому. І ось російський електротехнік Лачинов (1842-1902гг.) в 1880 р. опублікував свою працю "Електромеханічна робота", де дослідив роботу електричних машин і математично довів можливість шляхом збільшення напруги передачі будь-яких кількостей електроенергії на значні відстані без великих втрат. Ці дослідження мали величезне значення для розв’язування проблеми передачі електроенергії і для всього подальшого розвитку електротехніки.

Подібні ж теоретичні висновки були сформульовані французьким фізиком М. Депре, який підтвердив їх також і експерементальним шляхом. В 1881 р. на Першому Міжнародному конгресі електриків в Парижі Депре зробив повідомлення про передачу і розподіл електроенергії. Першу дослідну лінію електропередачі завдовжки в 57 км Депре побудував на Мюнхенській виставці в 1882 р. На цій лінії передавався по телеграфному дроту постійний струм напругою 1500-2000 вольт від генератора, що приводився в рух паровою машиною, до електродвигуна, сполученого з насосом. Проте ця електропередача працювала з перебоями і мала ще дуже низький коефіцієнт корисної дії (22%).

Упровадження передачі електроенергії на відстань довгий час гальмувалося самою природою постійного струму. Річ у тому, що постійний струм унаслідок низької напруги виявився мало придатним для передачі. Великими можливостями в цьому розумінні був змінний струм. Найважливішим етапом розвитку техніки передачі електроенергії був перехід від постійного струму до змінного. Проте відомі у той час електродвигуни змінного струму відрізнялися істотними недоліками, які часто робили їх непридатними для експлуатації. Перед винахідниками встала задача знайти можливість використовувати змінний струм і трансформатори змінного струму для передачі електроенергії на дальні відстані і живлення електродвигунів.

Перший крок в цьому напрямі був зроблений італійським фізиком і електротехніком Г. Феррарисом (1847-1897) в 1885-1888 рр., що запропонував застосувати систему двох змінних струмів, що різняться по фазі на 90 ºС, названу згодом "двофазним" струмом. Ферраріс показав, що за допомогою двофазних струмів можна одержати усередині залізного кільця так зване магнітне поле, що „обертається”.

Надалі цю ідею розробив і упровадив в практику відомий сербський учений, електротехнік Н. Тесла (1856-1943), який створив різні конструкції багатофазних, головним чином двофазних, електродвигунів. Найдоцільнішої в практичному відношенні Тесла рахував двофазну систему. По цій системі в 1896 р. була побудована перша крупна електрична станція двофазного струму - Ніагарська гідроелектростанція в США. Проте і двофазний струм не набув широкого поширення.

Винахід, який дозволив більш раціонально розв'язати проблему передачі енергії на дальні відстані, був зроблений російським інженером М.О. Доливо-Добровольским (1862-1919), який запропонував прийняти для електричної передачі енергії не двофазний змінний струм, а трифазний.

Як дослідним шляхом, так і теоретично Доліво-Добровольській довів, що за допомогою трифазного струму можна одержати таке ж магнітне поле, що обертається, яке одержували Ферраріс і Тесла за допомогою двофазного. Ґрунтуючись на цьому, Доліво-Добровольський і побудував свій двигун трифазного струму, що одержав надалі в електротехніці назва «асинхронного».

Асинхронні двигуни на відміну від синхронних приходять в обертання самостійно при включенні струму. Їх швидкість в певних межах може бути регульована. Для живлення асинхронні двигуни вимагають, як було вже сказано, всього трьох дротів, приєднаних до трьох кінців трьох обмоток статора, другі кінці яких з'єднуються певним чином між собою. Генератори трифазного струму по конструкції нічим не відрізняються від генераторів звичного однофазного змінного струму, за винятком того, що обмотка, в якій індукується електрорухома сила, розбивається не на дві, а на три групи – фази.

Винаходи Доліво-Добровольського знаменували початок нового періоду в електротехніці. Тільки після створення економічно вигідної і технічно нескладної системи трифазного струму, що розв'язала проблему передачі електроенергії на великі відстані, почалося широке упровадження електрики в промисловість.

Рішення проблеми передачі електроенергії на відстань, створення працездатних електричних двигунів, 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 побудувала першу дослідну електричну залізницю. Електроенергія для двигуна подавалася по третій рейці, а відводилася по їздовій рейці. Проте цей трамвай не був придатний в міських умовах.

Подальший розвиток міського господарства все більше і більше вимагало корінних змін в способах пересування в крупних містах. В результаті стали поступово будуватися трамвайні лінії. В 1881 р. поблизу Берліна була пущена перша трамвайна лінія протяжністю близько 2,5 км. Вже в 1895 р. в найбільших містах Європи і США конки замінюються трамваєм.

Завдяки електричній енергії стало можливим більш раціональне використовування природних джерел енергії. Електрична передача дала можливість використовувати дешеву гідравлічну енергію річок, застосовувати малоцінне паливо – малокалорійні сорти кам'яного вугілля, вугільний пил, торф і т.д. Електрична енергія в повному розумінні слова вчинила революцію в енергетиці і цим самим створила умови для нового колосального технічного прогресу.