Вторичная энергетика


Мы уже знаем, что необходимость передачи энергии на большие расстояния и удобного распределения ее между многочисленными потребителями вызвала к жизни вторичную энергетику.

Так работает электрическая машина постоянного тока.
Так работает электрическая машина постоянного тока.

Электрическая энергия — самый распространенный вид вторичной энергии. Получать ее можно разными способами. Гальванические элементы и батареи из этих элементов превращают химическую энергию в электрическую. Термоэлементы превращают теплоту в электроэнергию. Но проще и дешевле всего получать электроэнергию за счет механической работы, производимой тепловыми или гидравлическими двигателями. Первичные двигатели приводят в действие генераторы электрической энергии, которые вырабатывают электрический ток. А затем уже, подавая к машине электрический ток, можно получить снова механическую работу. В этом случае электрическая машина будет двигателем.

Механический электрогенератор и электродвигатель основаны на одном принципе — на взаимосвязи между электричеством и механической работой.

Электрические генераторы разделяются на генераторы постоянного и генераторы переменного электрического тока.

Электрические машины
Электрические машины. А — некоторые типы асинхронных двигателей переменного трехфазного тока; Б — мощный двигатель постоянного тока для прокатного стана.

В генераторе постоянного тока нужно прежде всего выпрямить получающийся при вращении проводника переменный ток. Для этого генератор или двигатель постоянного тока делают как бы из большого числа отдельных секций. Каждая из них представляет собой отдельный виток провода со своим выводом. Это хорошо видно на схеме электрической машины постоянного тока. Здесь каждый виток соединен с пластинкой коллектора, которая при помощи щетки подключается к цепи только в тот момент, когда в витке возникает ток наибольшей силы. Коллектор такой машины отдает ток от каждого витка в цепь только в краткие промежутки времени, когда щетка соприкасается с пластинкой коллектора. «Срезанные» коллектором наибольшие токи одного направления, сливаясь, дают постоянный ток.

Двигатели постоянного тока (коллекторные) легко регулируются, легко меняют направление вращения, могут работать при разном числе оборотов. Поэтому их применяют главным образом на транспорте (трамвай, троллейбус, метро) или в тех случаях, когда по роду работы необходимо быстро менять направление вращения, например в прокатных станах.

При конструировании двигателей переменного тока использовано явление вращающегося магнитного поля. Еще в конце XIX в. итальянский ученый Г. Феррарис и югославский ученый Н. Тесла нашли способ получения вращающегося магнитного поля. Взяв две катушки, расположенные под прямым углом друг к другу, они направляли в них переменный ток таким образом, что ток, поступающий в одну катушку, отставал от тока второй катушки. Совместное действие этих двух токов создавало вращающееся магнитное поле. Вслед за вращением магнитного поля начинал вращаться и расположенный в нем проводник. Из-за некоторого отставания проводника от поля в процессе вращения машины, основанные на использовании этого явления, получили название асинхронные (несовпадающие во времени).

Широкое внедрение в технику переменного тока началось после изобретения в 1891 г. русским ученым М. О. Доливо-Добровольским системы трехфазного переменного тока. При этой системе берутся не две, а три катушки, соединяемые между собой двумя различными способами — звездой или треугольником.

Схема обмоток трехфазных двигателей и генераторов: наверху— треугольник, внизу — звезда.
Схема обмоток трехфазных двигателей и генераторов: наверху— треугольник, внизу — звезда.

Между этими катушками, закрепленными в корпусе — статоре двигателя, вращается ротор, обмотка которого имеет форму беличьего колеса.

Асинхронные двигатели получили исключительно широкое распространение. Они приводят в действие самые разнообразные станки, вентиляторы, насосы, ручной инструмент (дрели, пилы) и т.п.

Создание вторичных электрических двигателей, не нуждающихся в топливе, не дающих дыма и газов, легких и бесшумных, удобно регулируемых, связанных с источником энергии только проводами, произвело полную революцию в системе промышленного производства. Электропривод — основа электрификации — позволяет всюду заменить труд человека машиной, повышает производительность труда, открывает широкие возможности полной автоматизации производства.

Для питания током миллионов электродвигателей нужны генераторы электротока. Их делят на два класса (в зависимости от приводящего их в действие первичного двигателя).

Первый — турбогенераторы. Они приводятся в действие паровыми турбинами со скоростью 1,5-3 тыс. об/мин.

Второй — гидрогенераторы, которые приводятся в движение гидравлическими турбинами со скоростью 60/80 об/мин. Скорость вращения отразилась на конструкции генераторов.

При создании мощных турбогенераторов приходится преодолевать огромные трудности. Одна из них состоит в том, что ротор и обмотка такой машины должны быть прочными, способными противостоять громадным центробежным силам, развивающимся при скорости вращения до 3 тыс. об/мин.

Кроме того, генератор необходимо непрерывно охлаждать. Для этого в последнее время применяют водород. Его прогоняют мощным вентилятором через генератор.

Удивительные цифры

Коленчатый вал двигателя трактора ДТ-54 делает 1300 об/мин. Это число нас не поражает. Но вот за 10-часовую смену вал успевает сделать 780 тыс. оборотов, а за летний сезон — 50 млн.! Во время работы двигателя непрерывно открываются и закрываются всасывающие и выхлопные клапаны. При этом время их работы отрегулировано с точностью до 0,0007 сек. Еще большей точностью обладает система зажигания карбюраторных двигателей, в которых момент появления искры рассчитан до 0,0002 долей секунды!

Система зажигания двигателя одного из современных легковых автомобилей, например, при работе на средних оборотах дает за один только час 540 тыс. искр. А если вы поедете на этой машине из Москвы в Ленинград, то искры вспыхнут миллионы раз и всегда строго в назначенное время, ни разу не опоздав и не поспешив больше чем на 0,0002 доли секунды. Вот как точны современные двигатели!

В СССР уже построен турбогенератор мощностью 200 тыс. кет, ведется работа по созданию турбогенераторов мощностью 300, 600 тыс. кВт и еще больше.

В настоящее время турбогенераторы применяются в качестве составной части так называемых блоков, представляющих собой энергетическую установку громадной мощности. Она состоит из парогенератора (котла), паровой турбины и генератора электрического тока. Такие блоки полностью автоматизированы.

Энергетический блок: 1 — котел; 2 — турбина; 3 — генератор тока.
Энергетический блок: 1 — котел; 2 — турбина; 3 — генератор тока.

В мощных гидрогенераторах вал обычно расположен вертикально — в соответствии с валом гидротурбины. Число оборотов гидротурбины значительно меньше, чем у паровых турбин. Поэтому диаметр гидрогенератора возрастает по сравнению с турбогенератором и доходит до 14 м. По выпуску гидрогенераторов наша страна занимает первое место в мире.