Электрическая и механическая энергия в ЭМС

Семинар 1. Общие сведения о ЭМС и история их создания

 

Определение

Электромеханическая система - это совокупность взаимодействующих, взаимосвязанных, взаимообусловленных элементов, осуществляющих электромеханическое преобразование энергии при обеспечении требуемого качества энергии.

Основным элементом ЭМС является электромеханический преобразователь, выполняющий первую часть задачи. Для обеспечения требуемого качества энергии в состав системы входят преобразователи электрической и механической энергии.

 

Электрическая и механическая энергия в ЭМС

Электромеханическое преобразование энергии может быть разделено на два вида:

1) Преобразование электрической энергии в механическую энергию.

На входе электрическая энергия, в качестве электромеханического преобразователя в ЭМС используется электродвигатель, на выходе механическая энергия.В целом такая ЭМС представляет собой электропривод.

Откуда берется электрическая энергия?

- электрогенераторы, которые устанавливаются на ТЭС, АЭС, ГЭС, ВЭС и соответственно используют первичную энергию сгораемого топлива, движущейся воды и ветра (1870);

- солнечные батареи (1954);

- химические источники энергии (в том числе, аккумуляторные батареи) (1800).

Было ли знакомо человечество с электричеством до изобретения этих источников электроэнергии?

Отличие изобретения от открытия. Открытие – это новое достижение в процессе познания мира: установление неизвестных ранее объективно существующих закономерностей, свойств и явлений материального мира, вносящих коренные изменения в уровень познания. Изобретение – это новое, обладающее существенными отличиями техническое решение задачи в любой области человеческой деятельности, дающее положительный результат.

Электричество всегда было рядом. Молния – есть не что иное, как разряд электричества, электрическая искра, возникающая между облаками и землей [23].

Земная поверхность заряжена отрицательно. В атмосфере содержатся положительные заряды, возникающие в результате ионизации под действием излучения Солнца и космических лучей [23].

Напряжение достигает 16 млн. вольт. Температура молнии - до 30000 градусов (в 5 раз выше, чем на Солнце) [15].

В канале молнии воздух очень быстро нагревается, а нагревшись, расширяется. Возникают звуковые колебания, воспринимаемые как гром [23].

Вообще вся энергия – от Солнца. Ветер – это следствие неодинакового нагрева. Течение воды – следствие круговорота воды в природе, вызванного испарением воды под действием нагрева от Солнца и т.д.

То, что молния есть разряд электричества, первым в 1749 году доказательно установил выдающийся ученый и общественный деятель, изобретатель громоотвода, чей портрет каждый из вас видел и, полагаю, держал в руках. Кто это?

Бенджамин Франклин (изображенный на 100-долларовой купюре). Он не был президентом США, как некоторые ошибочно думают. Но на купюру он попал не в благодарность за громоотвод. Его имя называют в числе отцов-основателей США наряду с Джорджем Вашингтоном и Томасом Джефферсоном.

В 2003 году компания ВВС провела Интернет-опросна звание самого великого американца и Бенджамин Франклин занял третье место после Гомера Симпсона(более 20%) и Джорджа Вашингтона(около 8%), набрав 6% голосов [14].

Если Франклин установил то, что молния есть электричество, значит, к тому времени об электричестве уже знали.

В 1745 году была изобретена "лейденская банка" – первый накопитель электрической энергии.

Почему лейденская банка называется лейденской?

Названа она так по названию голландского города Лейдена, в котором располагался университет, где она была изобретена Питером Ван Мушенбруком.

Но если лейденская банка – накопитель электрической энергии, то как эту электрическую энергию изначально получали?

В 1650 году Отто фон Герике, губернатор Магдебурга, создал первую в истории науки и техники машину для получения электричества – электростатический генератор. Как следует из названия, этот генератор мог вырабатывать электричество, находясь в статическом (неподвижном) состоянии. Машина представляла собой шар из серы, укрепленный на железной оси. Электричество получалось за счет трения. Можно тереть рукой о шар, а можно вращать шар, и он будет тереться о руку.

Поначалу опыты с электричеством были скорее ярмарочным представлением.

Например, в 1802 году один из исследователей добился разрешения провести эксперимент с только что повешенным преступником и устроил из этого представление: подключил труп к электрической батарее, и добился конвульсий, казалось, что тело ожило. Это представление широко обсуждалось, в обсуждениях принимал участие некий Перси Шелли, будущий муж Мэри Шелли, писательницы, написавшей после всего этого роман про Франкенштейна [28].

Напомню, что мы говорим о первом виде преобразования энергии в ЭМС – из электрической энергии в механическую.

Несколько слов о механической энергии.

Для чего нужна вырабатываемая механическая энергия?

Для приведения в действие самых различных механизмов. Устройства, приводящие в действие механизмы, называется привод. Устройство, в основе принципа работы которого лежит электромеханическое преобразование, называется электропривод.

Что было до появления ЭМС? Что выполняло тогда роль привода?

Механическая энергия требовалась всегда и всегда была у человека под рукой, или, точнее говоря, в руках. Потребность в механической энергии покрывалась за счет мускульной силы человека.

Человек, используя свою мускульную силу, может развить в среднем мощность, равную 1/15 кВт [65].

Далее – за счет простейших устройств (рычаг), домашних животных.

Однако, потребности росли и требовалибольших затрат механической энергии, превышающих человеческие возможности. Часть работ становилось выполнять лень. Стали возникать более сложные механические устройства.

Что было главным источником механической энергии, главным приводом до появления электродвигателей?

До появления промышленных электродвигателей наиболее распространенным приводом являласьпаровая машина.

1784 год. Джеймсом Уаттом создан паровойдвигатель, позволявший применять его на любом производстве и на транспорте[16].

1838 год. Первое практическое применение электродвигателя – для привода судна в Петербурге на Неве. Построенного Б.С. Якоби [5]

1878 год.Первые по-настоящему работоспособные ДВС[9].

2) Преобразование механической энергии в электрическую энергию.

На входе механическая энергия, в качестве электромеханического преобразователя в ЭМС используется электрогенератор, на выходе электрическая энергия.

Что было до изобретения электрогенераторов?

Были гальванические элементы. Самый известный из них – батарея Вольты, изобретенная в 1800 году.

В честь Аллесандро Вольты названа единица измерения напряжения. В 1984 г. в обращение вышла итальянская банкнота достоинством 10000 лир, на лицевой стороне которой был помещен портрет физика с его знаменитой моделью вольтового столба [7].

Откуда берется механическая энергия?

Первые модели электрогенераторов приводились во вращение вручную рукояткой.

Современные электрогенераторы приводятся во вращение:

- от электродвигателя;

- от двигателя внутреннего сгорания.

- от вращающейся турбины.

А откуда берется энергия, чтобы вращать турбину? Используется энергия ветра (ветрогенератор), воды (гидрогенератор), газа или пара (турбогенератор). А чтобы получить пар – сжигается топливо (уголь, мазут) или используется ядерное топливо: какое? Уран-235 в реакторах на медленных нейтронах, а в реакторе на быстрых нейтронах в процесс вовлекается и уран-238. Природный уран состоит из двух частей: 238 (99,3%) и 235 (0,7%) [6].

Обогащение урана — физический процесс увеличения соотношения содержания изотопа урана U-235 к U-238.

Куда расходуется электрическая энергия?

На что тратится большая часть электроэнергии каждой из крупнейших ГЭС России (Саяно-Шушенской, Красноярской, Братской, Богучанской)?

На работу алюминиевых заводов. Алюминий производится электролизом (с 1890 года), для которого требуется токи в сотни килоампер.

Кроме того, электрическая энергия расходуется на:

- на питание электродвигателей (с 1821 года);

- на освещение (с 1878 года).

Изобретателем лампы накаливания является русский электротехник Александр Николаевич Лодыгин. Американский изобретатель Томас Эдисон довел ее до практического использования.

Первые практические применения электричества: минная электротехника, электромагнитная телеграфия, первые электродвигатели [5].

Первый по-настоящему массовый потребитель электроэнергии – электрическая лампочка. Она и по нынешний день осталась самым распространенным электротехническим устройством [54].

По отраслям: около 30% электроэнергии потребляется транспортом, 40% - различными отраслями промышленности, 30% расходуется на энергоснабжение жилых помещений, общественных зданий и других сооружений [4].

По своей сути и электродвигатели, и электрогенераторы являются электрическими машинами.

 

История создания ЭМС

Основными научными предпосылками электромеханики явились создание основ электродинамики и открытие явления электромагнитной индукции [5].

В основу электромеханического преобразования энергии положеныдва взаимосвязанных закона.

1) Закон, лежащий в основе принципа действия электрогенераторов. Что это за закон?

Закон электромагнитной индукции, установленный... кем? –английским физиком Майклом Фарадеем, открывшим явление электромагнитной индукции … в каком году? … в 1831 году.

2) Закон, лежащий в основе принципа действия электродвигателей. Что это за закон?

Закон Ампера (силовое действие магнитного поля на ток).Установленфранцузским физиком Андре-Мари Ампером в 1820 году.

Толчком к этому открытию послужило другое открытие, сделанное в этом же году чуть ранее: датский физик Ханс-Христиан Эрстед открыл явление действия тока на магнитную стрелку.

Все трое ученых в конце XIX века дали свои имена для единиц измерения

В честь Фарадея названы две единицы измерения. Одна более знакомая нам. Это единица измерения … Чего? Электрической емкости (Фарад). Вторая единица измерения - Фарадей — единица измерения электрического заряда (1 Фарадей = 96485,3415 Кулона = 26,8 А*ч=заряду 1 моля электронов).

В честь Ампера в 1881г. в Париже на 1-м Международном конгрессе электриков была названа единица силы тока[10].

В честь ЭрстедаМеждународной электротехнической комиссией названа единица измерения … какой величины?... внесистемная единица измерения напряженности магнитного поля – Эрстед (в системе СИ – А/м: 1Э = 1000/4p [А/м]. Это случилось в 1930 году [11].

Я вам вышлю материал с некоторыми эпохальными событиями в истории электромеханики. С этой табличкой будет связано первое задание.

На первом этапе развития электродвигателей и электрогенераторов не шла речь о каком-то практическом использовании вырабатываемой ими энергии. Чудом была уже сама выработка этих энергий. Создавались модели электрических машин.

В то время не было острой потребности в источниках электрической и механической энергии.Электроэнергия практически не была востребована. А если и требовалась, то примерно до 1870 года наиболее востребованными источниками тока были электрохимические, т.е. гальванические элементы и аккумуляторы [5].

Ну а в качестве источника механической энергии успешно использовались паровые машины[5].

1870-е годы можно назвать временем изобретения промышленного электродвигателя. Это величайшее техническое достижение конца XIX века. Он вытеснил другие виды двигателей, в первую очередь паровую машину, недостатком которой был низкий КПД, а также трудность передачи и "дробления" полученной от нее энергии [3].

На начальных этапах развитие электродвигателя опережало развитие генератора. Развитие промышленности требовало замены паровой машины, не удовлетворяющей возрастающим требованиям.

В качестве источника электроэнергии поначалу выступали электрохимические источники – батареи. Но по мере роста потребностей их качеств стало не хватать. Одна лошадиная сила при питании от батарей обходилась в 12 раз дороже, чем в случае применения паровой машины [31].И отсутствие хорошего, экономичного электрогенератора стало уже тормозить развитие практических применений электричества.

К началу ХХ века все основные виды электрических машин были изобретены.