Главные изобретения силовой электроники

July 5, 2013 by admin Комментировать »

Два ключевых изобретения способствовали продвижению техники переменного тока и побудили Эдисона сделать свое знаменитое заявление, приведенное в начале предыдущего раздела. Первым из иих был трансформатор. Джордж Вестингауз (George Westinghouse) приобрел патентные права на трансформаторы у Жиларда (Gaulard) и Гиббса (Gibbs). Применение трансформаторов позволяет передавать переменный ток при больших напряжениях, а затем преобразовывать до низких напряжений, удобных потребителям. Передача электроэнергии при высоких напряжениях сопровождалась меньшими потерями, что дало возможность потреблять электроэнергию далеко от места ее генерации. Впервые генератор переменного тока и соответствующая система распределения электроэнергии были созданы Вильямом Стенли (William Stanley), экспертом компании Вестингауза, в Грейт Баррингтоне, штат Массачусетс, в 1886 г. Напряжение в сети было 500 В, и генератор фирмы «Сименс» (Siemens), привезенный из Лондона, через два трансформатора питал около 200 ламп в городе.

Вторым изобретением был асинхронный двигатель, созданный в результате исследований гениального молодого инженера Николы Теслы (Nicola Tesla), работавшего у Вестингауза. Первые конструкции были однофазными, но вскоре за ними последовали и трехфазные двигатели. Трехфазная линия передачи электроэнергии имеет перед однофазной преимущество, состоящее в том, что для первой требуется меньше меди для проводов на единицу передаваемой энергии. Было быстро освоено производство простых, неприхотливых асинхронных двигателей, ставших основой использования переменного тока в промышленности. Асинхронные двигатели не нуждаются в сложных пусковых устройствах, имеют низкую цену и очень хорошо себя проявляют в неблагоприятных условиях. Совместно с трансформаторами асинхронные двигатели явились основой быстрого роста энергетики переменного тока.

Преимущества переменного тока были продемонстрированы на Колумбийской выставке в Чикаго в 1893 г., где компания Вестингауза, используя однофазную систему освещения, фигурально выражаясь, превратила ночь в день. Эдисон был владельцем патента на лампы накаливания со стеклянной герметизацией, так что Вестингаузу пришлось изобретать конструкцию лампы с герметизацией из воска. Это не принесло коммерческого успеха, но свое дело сделало. Ослепительный свет вызывал благоговение у посетителей выставки, большинство из которых никогда еще не видели электрического освещения.

Важным достижением в области выработки и передачи переменного тока стал ввод электростанции на Ниагарском водопаде. Энергетический потенциал водопада исследовался много лет, и было предложено много проектов его использования, включая проект получения сжатого воздуха и ряд чисто механических проектов. А конечным результатом стало строительство Вестингаузом в 1895 г. генератора переменного тока. Это был однофазный генератор с частотой 25 Гц, и вместе с трансформаторами и линиями электропередачи он обслуживал несколько фабрик. Частота 25 Гц была выбрана, несмотря на растущую популярность частоты 60 Гц, из-за того, что в ряде промышленных установок использовался постоянный ток, а применявшиеся в те времена роторные преобразователи не работали на бОГц. В 1890 г. применялись частоты 30, 40, 50 и даже 133 Гц. Частота 50 Гц «удержалась» в одной из электросетей в Южной Калифорнии до середины 20-го в., а 25 Гц использовались на ряде коммунальных предприятий даже до его конца1).

Генерация электроэнергии

Тихоходные поршневые паровые машины росли в размерах соответственно спросу на их мощность (пока она не достигла примерно 7500 л. c.). Несколько более быстроходных паровых машин применялись в Англии, но все равно предпочтительные скорости вращения вала паровой машины и вала генератора электроэнергии различались на порядок. Кроме того, огромные паровые машины, применявшиеся до начала 20-го в., трясли землю и раздражали окрестных жителей. Паровые турбины, непосредственно соединенные с генератором, решили эти проблемы. Ряд маленьких турбин был построен для экспериментов, а в 1901 г. в Хартфорде, штат Коннектикут, введена в строй турбогенераторная установка мощностью 2000 кВт, с частотой вращения вала 1200 об/мин и частотой пере-

11В настоящее время в США общепринятая частота распределительных сетей — 60 Гц. — Примеч. пер.

менного тока 60 Гц. Она дала начало быстрому росту использования турбин для выработки электричества из пара. В конце концов мощность генераторов превысила 1500 МВт.

Генераторы для гидроэлектростанций тоже увеличивались в размерах. Так, на плотине Гувера сначала были установлены генераторы мощностью по 87 МВт каждый, а позже их переделали на 114 МВт. Генераторы для третьей очереди электростанции Гранд Кули (Grand Coulee) имели мощность 700 МВт каждый, а их общая мощность составляла 6480 МВт. Эта высокая концентрация мощности способствовала развитию экономики, поскольку снизилась цена электроэнергии и появилась возможность строительства в удаленных районах предприятий с высоким энергопотреблением, таких как заводы по производству алюминия.

Электричество на транспорте

Сименс в Германии разработал двигатель постоянного тока, пригодный для использования в трамвае. Электрическая энергия не только заменила лошадей в наземных средствах передвижения, но и сделала возможным развитие обширных подземных транспортных систем. Вследствие больших расстояний в метрополитене возникла проблема передачи постоянного тока. Правда, она была не столь важна, как в других областях, в связи с тем, что для тяговых двигателей применялось довольно большое напряжение — 600 В. Однако в конце 19-го — начале 20-го в. появилась тенденция к использованию переменного тока с передачей его по высоковольтным линиям на большие расстояния и последующим преобразованием в постоянный ток с помощью роторного преобразователя на местных подстанциях. Так питались троллейбусы на поверхности земли, а под землей, с помощью третьего рельса, — поезда метрополитена. В 1903 г. компания «Интерборо Рапид Транзит» (Interborough Rapid Transit Company) в Нью-Йорке создала систему, включающую передачу переменного тока напряжением 11000 В, 25 Гц и питание тяговых двигателей через третий рельс напряжением 600 В постоянного тока для новой подземки. Интересно, что директора компании отдали предпочтение классической паровой машине для главного генератора электроэнергии, хотя для целей возбуждения генератора и освещения было использовано несколько маленьких паровых турбин.

Использование электрической энергии на транспорте позволило создать ряд междугородных троллейбусных линий, и в начале 20-го в. обширная сеть троллейбусных маршрутов соединила множество маленьких поселений, а цена поездки стала меньше, чем при использовании паровых двигателей. Отметим еще раз, что генерация и передача электроэнергии осуществлялись в форме высокого переменного напряжения, а перед подачей на троллейбусные провода производилось ее преобразование в постоянный ток с помощью роторного преобразователя. Междугородные троллейбусные линии просуществовали до появления надежных автомобилей и хороших дорог. Большинство из них было закрыто только в середине 20-го в.

Имело место также много попыток применения электроэнергии на железнодорожном транспорте. Так, компания «Нью Хавен энд Хартфорд Рэйлроад» (New Haven and Hartford Raiload) в Нью-Йорке использовала для передачи энергии трехфазную линию 11000 В, 25 Гц, и однофазное питание проводов железной дороги. Трансформаторы на локомотиве питали тяговые двигатели, включенные параллельно, переменным напряжением 250 В. Моторы могли быть включены и последовательно для работы при постоянном напряжении 600 В, так что поезд мог двигаться и по Манхэттенской подземке, получая питание через третий рельс. И сегодня компания «Амтрак» (Amtrak) на линии Норт-Ист Корридор подает на провода переменное напряжение 25 Гц, получаемое с помощью твердотельных преобразователей из промышленного напряжения с частотой 60 Гц. На нескольких новейших железнодорожных линиях в США используется постоянное напряжение 3000 В, но еще применяется и трехфазное переменное напряжение с частотой 25 Гц. Кое-где в мире для питания тяговых двигателей используются впечатляющие комбинации постоянного и переменноготока, включая частоту 162/з Гц. За исключением местных линий и некоторых специальных случаев, большинство чисто электрических локомотивов заменяется на дизель-электрические, что обеспечивает снижение расходов на их содержание и обслуживание.

Источник: Сукер К. Силовая электроника. Руководство разработчика. — М.: Издательский дом «Додэка-ХХI, 2008. — 252 c.: ил. (Серия «Силовая электроника»).

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты