Как совершенствовались электрические машины и трансформаторы?

Электромашиностроение начало развиваться с середины XIX в. Исследования электромагнитных полей, проведенные в то время учеными, позволили приступить к созданию моделей для практи­ческого применения. Выдающееся значение имели работы французского физика А. Ампера, английского физика М. Фарадея и русских ученых Э. Ленца, Б. Якоби и М. О. Доливо-Добровольского, работы которых дали мощный толчок практическому использованию переменного тока.

Андре Мари Ампер (1775 – 1836гг.)

К началу XX в. стали вполне очевидными достоинства и широкие возможности использования в народном хозяйстве электрической энергии. Были доказаны и практически реализованы такие замеча­тельные свойства электрической энергии, как простота выработки, преобразование, трансформация, распределение и передача на большие расстояния.

Продолжительный период времени электрический генератор и электрический двигатель развивались независимо друг от друга, и только в 70-х годах XIX в. пути их развития объединились.

Электрическая машина постоянного тока прошла четыре этапа развития: 1 – магнитоэлектрические машины с постоянными магнитами; 2 – машины с электромагнитами с независимым возбуж­дением; 3 – электрические машины с самовозбуждением и элементарны­ми якорями; 4 – электрические машины с усовершенствованными якорями и многополюсными системами.

Начальный период развития электрических машин связан, главным образом, с постоянным током. Объясняется это тем, что потре­бителями электрической энергии являлись установки, работающие исключительно на постоянном токе (дуговые лампы, установки гальванопластики и др.).

Развитие электрических железных дорог значительно увеличило спрос на электродвигатели и генераторы. В 80-х годах XIX столетия возникла необходимость передавать электроэнергию на расстояние. В 1882 г. были проведены первые опыты по передаче электроэнергии на постоянном токе. Однако высокое напряжение в генераторах постоянного тока ухудшало работу коллектора и часто приводило к авариям. Большая заслуга в развитии переменного тока принадлежит русскому ученому П. Н. Яблочкову, который в 1876 г. применил трансформатор для питания изобретенных им электрических све­чей. Трансформатор П. Н. Яблочкова имел незамкнутый сердечник.

Электродвигатель в разрезе.

Трансформаторы с замкнутым магнитопроводом, применяемые в настоящее время, появились значительно позднее, в 1884 г. С изо­бретением трансформатора возник технический интерес к перемен­ному току, который до этого времени не имел применения. Выдающийся русский электротехник М. О. Доливо-Доброволь­ский в 1889 г. предложил трехфазную систему переменного тока, построил первый трехфазный асинхронный двигатель и первый трехфазный трансформатор.

На электротехнической выставке во Франкфурте-на-Майне в 1891 г. М. О. Доливо-Добровольский демонстрировал опытную высоковольтную электропередачу перемен­ного тока протяженностью 175 км (местечко Лауфен во Франк­фурте-на-Майне).

Трехфазный генератор имел мощность 230 кВА при напряжении 95 В. При помощи трехфазных трансформаторов напряжение генератора в Лауфене повышалось до 15 кВ и пони­жалось во Франкфурте-на-Майне до 65 В (фазного значения), при котором осуществлялось питание трехфазного асинхронного двига­теля для насосной установки мощностью 75 кВт.

Варианты цилиндрической обмотки трансформатора.

При дальнейших опытах напряжение в линии электропередачи повышалось до 28 кВ посредством последовательного включения обмоток высшего напряжения двух трансформаторов. Коэффициент полезного действия (КПД) электропередачи составлял 77,4% и считался тогда высоким. В дальнейшем начали применять масляные трансформаторы, так как было установлено, что масло — хороший изолятор и хоро­шая охлаждающая среда для трансформаторов.

XX столетие характеризуется быстрым ростом промыш­ленности и транспорта на базе электрификации. К трансформато­рам и электрическим машинам предъявлялись более высокие требования: повышение экономичности, уменьшение массы и габари­тов. Проводилась большая работа по изучению электромагнитных и тепловых процессов, происходящих при работе трансформаторов и электрических машин, изысканию новых изоляционных материа­лов и улучшению свойств электротехнической стали.

В царской России не было своей трансформаторной и электро­машиностроительной промышленности, а имевшиеся заводы при­надлежали иностранным фирмам и по существу являлись мастерскими, где машины и трансформаторы собирались из частей, при­возимых из-за границы. После Октябрьской революции открылась возможность для развития отечественного электромашино- и трансформаторостроения.

Схема устройства трансформатора.

Осуществление плана ГОЭЛРО (1920 г.) требовало производства новых, более совершенных трансформаторов и электрических машин. Советская электропромыш­ленность за короткий промежуток времени прошла путь, который зарубежная техника проходила в течение почти полувека. Быстро осваивая новые типы машин, электромашиностроительная про­мышленность СССР качественно и количественно достигла уже к концу второй пятилетки зарубежного уровня. По плану ГОЭЛРО предполагалось в течение 10-15 лег построить тридцать электростанций с суммарной мощностью 1700 МВт. План ГОЭЛРО был выполнен досрочно к 1 января 1931 г.

В период Великой Отечественной войны темпы развития энергетики и электрификации были заметно сокращены, некоторые электротехнические заводы были эвакуированы в восточные районы страны, а другие оказались в блокаде (Ленинград) или на оккупированной территории.

В послевоенный период началось быстрое восстановление и развитие районных электростанций и электротехнических заводов, была произведена модернизация и реконструкция старых заводов, построен целый ряд новых для массового производства серийных электрических машин и для крупного электромашиностроения.

Соответственно, началось резкое повышение производства электроэнергии, которое, по сравнению с предвоенным 1940 г., к 1950 г. возросло в два раза, к 1960 г. –  в шесть раз. В СССР строились самые мощные в мире электрические машины, основные показатели которых (КПД, масса, габариты и др.) не уступали лучшим образцам иностранных фирм.