Электрификация

2.8.1 Краткая историческая справка

Развитие электрической тяги неразрывно связано с развитием учения об электричестве. Возникновению электротехники предшествовал длитель­ный период накопления знаний о природе электричества и магнетизма. Исследо­ваниями явления электричества активно занимались такие великие ученые, как М. В. Ломоносов (1711–1765 гг.), Г. В. Рихман (1711–1753 гг.), Б. Франклин (1706–1790 гг.), Ш. Кулон (1736–1806 гг.) и др.

М. В. Ломоносов, продолжая работы Р. Бойля и Д. Бернулли, глубоко изучал сущность и природу электрических явлений. Громад­ное значение для прогресса учения об электрических и магнитных явлениях имело установление М. В. Ломоносовым закона сохранения энергии, положив­шего начало учению об энергетике, объединившего в единый комплекс такие различные виды энергии, как механическая, электрическая, тепловая и др.

Б. Франклин, наряду с проблемами метео­рологии, широко известен своими работами в области взаимодействия электри­ческих зарядов. Он дал ясную картину электризации тел, основываясь на представлении электрической материи как частиц крайне малых, которые прони­зывают любое вещество, не испытывая при этом заметного сопротивления. В наши дни мы эти частицы называем электронами. Он ввел обозначения "+" и "–" для электродов различной полярности. Франклин предложил такие устройства, как молниеотвод, "электри­ческое колесо", использовал электрическую искру для взрыва пороха и др. После работ Франклина наиболее крупным этапом развития науки об электричестве был переход к количественному описанию электрических явлений. Это было впервые сделано Ш. Кулоном в 1785 г. Он сформулировал закон взаимо­действия электрических зарядов и магнитных полюсов, показал, что электри­ческие заряды располагаются всегда на поверхности проводника и т. п.

Началом новой эпохи в изучении электрических явлений явилась дискуссия о природе электричества, возникшая между Л. Гальвани и А. Вольта, получившая широкий резонанс в ученом мире.

Л. Гальвани (1737–1798 гг.), основатель учения об электрофизиологии, преподавая медицину в Болонском университете, обратил внимание на то, что мышца лягушки сокращается при присоединении ее к двум разным металлам. Он назвал это явление "живым" электричеством. В 1791 г. А. Воль­та (1745–1827 гг.), профессор университета в Павии, начал изучать явления "живого" электричества, открытого Гальвани. Однако Вольта убедился на опытах, что никакого "живого" электричества не существует. Он первым понял, что Гальвани открыл новый источник электричества – электрохимический элемент. Истинный источник электричества – контакт разнородных металлов, на­пример серебра и цинка. Поэтому он предложил название "металлическое" электричество.

Однако оба исследователя были правы. Теперь мы знаем, что существует электричество статическое, обусловленное взаимодействием покоящихся на поверхности проводников электрических зарядов, и электричест­во, обусловленное взаимодействием различных металлов. Отсюда получили свое название, например, "гальванический" ток, полу­чаемый от электрических батарей, приборы гальванометры, "вольтов столб", составленный из гальванических элементов, и т. п. В таких элементах источ­ником энергии, поддерживающей прохождение тока в электрической цепи, являются происходящие при этом химические превращения в элементах.

Именем Вольты была названа электрическая дуга, которую сам Вольта не получал и даже не видел. Честь открытия электрической дуги принадлежит В. В. Петрову (1761–1834 гг.), профессору Петербургской медико-хирургической академии, впоследствии академику Петербургской Академии Наук (1802 г.), научные труды которого, опережая время, остались малоизвестными. В начале 1802 г. он получил электрическую дугу между двумя углями на расстоянии от 2,5 до 7,5 мм. Его батарея превосходила все известные к тому времени: 1700 элементов, расположенных в деревянных ящиках длиной 12 м, изолирован­ных воском. Именно он впервые применил наряду с последовательным и парал­лельное соединение элементов. Теперь это кажется простым, но надо помнить, что в то время еще не были известны ни закон Ампера, ни закон Ома и т. д.

С именем М. Фарадея (1791–1867 гг.) связано установление многих зако­нов электротехники. Он ввел понятие электрического и магнитного полей, уста­новил связь между ними, открыл явление индукции, лежащее теперь в основе электротехники. Продолжая и развивая работы Фарадея, Д. Максвелл (1831–1879 гг.) разра­ботал классическую теорию электрических и магнитных полей.

Трудно переоценить научный вклад отечественных и зарубежных ученых того времени в развитие науки об электричестве.

Одновременно с изучением природы электрического тока шло совершенствование способов его получения. Примитивные гальванические батареи были посте­пенно заменены электрическими динамомашинами. Наряду с постоянным током, получаемым от гальванических батарей, появился однофазный переменный ток, вырабатываемый электромагнитными генераторами, а затем и трехфазный.

Все эти достижения относятся ко второй половине XIX в., когда быстро развивающаяся промышленность требовала все больше энергии. Снабжение заводов и фабрик энергией от паровых и гидравлических двигателей с помощью ременных и канатных передач уже не удовлетворяло запросов промышленности, поэтому начались поиски и разработки, во-первых, источников энергии, работающих на новых принципах, и, во-вторых, поиски практических путей передачи этой энергии на большие расстояния, так как сооружать электрические станции было выгодным не в местах потребления вырабатываемой ими энергии, а в районах добычи топлива, обычно далеко отстоящих от промышленных центров.

Характерной чертой технического прогресса в конце XIX – начале XX в. яви­лось быстрое развитие электротехнической промышленности.

Первые опыты в области электрической тяги. В начале XIX в. предпринимались неоднократные попытки использовать электри­ческую энергию для совершения механической работы. Наибо­лее выдающимися из них были опыты Б. С. Якоби (1834 г.). Он применил созданный им электрический двигатель для пере­мещения лодки по реке Неве. В этом двигателе впервые было использовано вращательное движение якоря вместо поступатель­ного, которое ранее применяли в макетах двигателей того времени, но оно не обеспечивало непрерывного движения. Вращение якоря с помощью рычажной передачи, изобретенной Якоби, преобразо­вывалось во вращение винта, установленного на корме. Двигатель питался от гальванических элементов, установленных в лодке: мощность его не превышала 0,5 л. с. (368 Вт), лодка двигалась против течения со скоростью 4 версты в час. Опыты Б. С. Якоби имели принципиальное значение для создания в дальнейшем автономных видов электрической тяги.

Почти одновременно в США Т. Давенпорт, Беккер и Стратинг в Германии, Ботто в Турине проводили опыты по перемещению макетов экипажей с помощью электрических двигателей. В 1838 г. Р. Давидсон, используя принцип Давенпорта, совершил опытные поездки с двухосной тележкой массой 5 т на участке железной дороги Глазго – Эдинбург. В 1845 г. профессор Паж выдвигает предложение по созданию электрической железной дороги длиной 7,5 км на участке Вашингтон – Бладенсбург. При опытных поездках локомотив достиг скорости 30 км/ч.

Э. X. Ленц и Б. С. Якоби установили принцип обратимости электрических и магнитных явлений, согласно которому электри­ческая машина будет работать двигателем, т. е. создавать вра­щающий момент, если подводить к ней электрический ток, и генератором, вырабатывающим электрический ток, если приво­дить ее во вращение. Этот принцип позволил англичанину Лэдду в 1867 г. создать самовозбуждающийся генератор – прототип современных машин постоянного тока.

В 1877 г. бельгийский физик З. Грамм построил генератор переменного тока, а М. О. Доливо-Добровольский в 1889 г. создал первый в мире трехфазный асинхронный двигатель.

Одновременно с созданием мощных электрических двигателей, необходимых для тяги, изучалась возможность питания подвиж­ного состава от стационарных генераторов, расположенных на электрических станциях.

Решение этой проблемы было настолько трудным, что некото­рые инженеры искали его в другом направлении, предлагали использовать паровую машину паровоза для выработки электри­ческой энергии, которой бы питались его тяговые двигатели. Так, в 1893 г. во Франции появился первый паровоз с электри­ческой передачей. На нем были установлены обычный котел и паровая машина, вращающая генератор, от которого питались восемь тяговых двигателей общей мощностью 300 кВт. Двигатели имели тяговую упругую передачу и полый вал. Однако из-за сложности конструкции и малой экономичности такая система автономной тяги развития не получила.

Первые опыты по передаче электрической энергии на значи­тельное расстояние были проведены в 1875–1876 гг. инженером Ф. А. Пироцким, который в 1876 г. практически решил проблему питания электрического двигателя, установленного на вагоне, использовав для этого участок конной железной дороги в Петер­бурге. Двигатель, подвешенный к вагону снизу, имел двухступен­чатую зубчатую передачу. Напряжение к нему подводилось по рельсам, из которых один служил прямым проводом, другой – обратным. Рельсы были изолированы один от другого, а для изоляции от шпал под их подошву укладывалось просмолен­ное полотно. Развитию электрической тяги способствовала демонстрация в 1891 г. М. О. Доливо-Добровольским первой в мире электропередачи трехфазного тока высокого напряжения на расстояние около 170 км.

Первая электрическая железная до­рога демонстрировалась в 1879 г. фирмой "Siemens und Halske" на промышленной выставке в Берлине. Электровоз мощностью 2,2 кВт, получав­ший питание с напряжением 150 В от специального третьего рельса, пере­возил три вагончика с 18 пассажи­рами. Этот принцип передачи энергии наряду с подводом ее при помощи контактного провода существует и до сих пор, в частности на метрополитенах.

В 1880 г. в Петербурге инже­нер Ф. А. Пироцкий оборудовал 40-местный вагон конно-железной до­роги электродвигателем мощностью 2,95 кВт и проводил опытные поезд­ки.

Электрическая тяга оказалась очень эффективной. Вскоре во многих городах мира появились электрические локомотивы на магистральных и пригородных железных дорогах многих стран.