Основные этапы развития электротехники

Периоды развития энергетики

В начальный и очень длительный период развития общества человек сам выполнял энергетические функции в процессе производства, являясь единственным двигателем инструментов, орудий и простейших технологических и транспортных машин. Позднее в тех случаях, когда это представлялось осуществимым по характеру производственного процесса и было экономически целесообразно, функции двигателя были возложены на животных. Таким образом, начальный период развития энергетики характеризуется исключительным использованием так называемой мускульной силы или, точнее, биологической энергии человека и животных. Это - первая ступень развития энергетики - период биологической энергетики, или биоэнергетики.

Следующей, второй, ступенью в развитии энергетики явилось применение энергии неживой природы. Первыми источниками этой энергии, привлеченными к энергоснабжению производственных процессов, были водные, а несколько позднее - воздушные потоки, приводившие в действие водяные и ветровые колеса. Эти два вида энергоснабжения - и ветро- и гидроэнергетика - характеризуют один и тот же исторический период развития способа производства. Они не только совпадают по времени преимущественно, но и однородны по своей физической сущности, представляя собой непосредственное использование имеющихся в природе источников механической энергии для приведения в движение исполнительных машин. Поэтому при выделении качественно отличной ступени развития энергетики целесообразно объединить родственные по времени, характеру и физическому содержанию гидро- и ветроэнергетику, обозначив их термином механическая энергетика.

Следующая, третья, ступень развития энергетики началась с использования теплоты как источника механической работы. Теплоэнергетика возникла в начале XVIII в. в частной форме водоподъемных двигателей и стала быстро развиваться с конца XVIII в. в связи с внедрением в промышленность и транспорт универсального парового двигателя.

В конце XIX в. теплоэнергетика, являющаяся и в настоящее время количественно преобладающей, получила, равно как и гидроэнергетика, значительный стимул к ускоренному развитию благодаря производству электрической энергии. Электрическая энергия не берется непосредственно из природы, а вырабатывается на тепловых, гидравлических и других электростанциях. Поэтому электроэнергетика как вторичная энергетика, привлекаемая благодаря своей транспортабельности и трансформируемости в другие виды энергии, не явилась самостоятельной, независимой формой энергетики. Она не заменила первичные теплоэнергетику и гидроэнергетику, а наоборот, стимулировала их дальнейшее, весьма ускоренное развитие, знаменуя вместе с ними следующий, четвертый, период развития комплексной энергетики.

Новым этапом в развитии энергетики явилась возникшая в середине XX в. атомная энергетика, источником которой может служить искусственно вызываемый распад тяжелых или соединение легких ядер атомов.

Последовательные качественные ступени развития энергетики могут быть представлены следующим кратким перечнем:

1. Биоэнергетика - использование в качестве источника механической работы биологической энергии человека и животных.

2. Механическая энергетика - использование механической энергии потоков воды и воздуха.

3. Теплоэнергетика - использование в качестве источника механической работы теплоты, выделяющейся при сжигании топлива.

4. Комплексная энергетика - преимущественное использование в качестве первичной энергии тепловой и гидравлической, а в качестве вторичной - электрической энергии.

5. Атомная энергетика - использование энергии ядерных реакций.

Далее будем рассматривать историю развития электроэнергетики и электротехники.

Раздел 2. Основные этапы развития электротехники

Лекция 2.1

Основные этапы развития электротехники

Решающая роль в современном научно-техническом прогрессе принадлежит электрификации. Как известно, под электрификацией понимается широкое внедрение электрической энергии в народное хозяйство и быт, и сегодня нет такой области техники, где в том или ином виде не использовалась бы электрическая энергия, а в будущем ее применение будет еще более расширяться. Под электротехникой в широком смысле слова подразумевается область науки и техники, использующую электрические и магнитные явления для практических целей.

Это общее определение электротехники можно раскрыть более подробно, выделив те основные области, в которых используются электрические и магнитные явления: преобразование энергииприроды (энергетическая); превращение вещества природы (технологическая); получение и передача сигналов или информации (информационная). Поэтому более полно электротехнику можно определить, как область науки и техники, использующую электрические и магнитные явления для осуществления процессов преобразования энергии и превращения вещества, а также для передачи сигналов и информации.

В последние десятилетия из электротехники выделилась промышленная электроника с тремя ее направлениями: информационное, энергетическое и технологическое, которые с каждым годом приобретают все большее значение в ускорении научно-технического прогресса.

В развитии электротехники условно можно выделить следующие шесть этапов.

1. Становление электростатики (до 1800 г.). К этому периоду относятся первые наблюдения электрических и магнитных явлений, создание первых электростатических машин и приборов, исследования атмосферного электричества, разработка первых теорий электричества, установление закона Кулона, зарождение электромедицины.

2. Закладка фундамента электротехники, ее научных основ (1800 - 1830 гг.). Начало этого периода ознаменовано созданием «вольтова столба» - первого электрохимического генератора, а вслед за ним - гальванической батареи Василия Владимировича Петрова, с помощью которой им была получена электрическая дуга и сделано много новых открытий. Важнейшими достижениями этого периода является открытие основных свойств электрического тока, законов Ампера, Био иСавара, Ома, создание прообраза электродвигателя, первого индикатора электрического тока (мультипликатора), установление связей между электрическими и магнитными явлениями.

3 Зарождение электротехники (1830 - 1870 гг.). Самым знаменательным событием этого периода явилось открытие М. Фарадеем явления электромагнитной индукции, создание первого электрического генератора. Разрабатываются разнообразные конструкции электрических машин и приборов, формулируются законы Ленца и Кирхгофа, создаются первые источники электрического освещения, первые электроавтоматические приборы, зарождается электроизмерительная техника. Однако широкое практическое применение электрической энергии было невозможно из - за отсутствия экономичного электрического генератора.

4. Становление электротехники как самостоятельной отрасли техник:(1870 - 1890 гг.). Создание первого промышленного электромашинного генератора с самовозбуждением (динамомашины) открывает новый этап в развитии электротехники, которая становится самостоятельной отраслью техники. В связи с развитием промышленности, ростом городов возникает острая потребность в электрическом освещении, начинается строительство «домовых» электрических станций, вырабатывающих постоянный ток. Электрическая энергия становится товаром, и все более остро ощущается необходимость централизованного производства и экономичной передачи электроэнергии на значительные расстояния. Решить эту проблему на базе постоянного тока было нельзя из-за невозможности трансформации постоянного тока. Значительным стимулом к внедрению переменного тока явилось изобретение «электрической свечи» П. Н. Яблочковым и разработка им схемы дробления электрической энергии посредством индукционных катушек, представлявших собой трансформатор c разомкнутой магнитной системой.

Однако однофазные двигатели были непригодны для целей промышленного электропривода.

Одновременно разрабатываются способы передачи электрической энергии на большие расстояния посредством значительного повышения напряжения линий электропередач. Дальнейшее развитие электрического освещения способствовало совершенствованию электрических машин и трансформаторов; в середине 80-х гг. началось серийное производство однофазных трансформаторов с замкнутой магнитной системой (М. Дери, О, Блати, К. Циперновский). Идея П. Н. Яблочкова о централизованном производстве и распределении электроэнергии претворяется в жизнь, начинается строительство центральных электростанций переменного тока.

Однако развивающееся производство требовало комплексного решения сложнейшей научно-технической проблемы: экономичной передачи электроэнергии на дальние расстояния и создания экономичного и надежного электрического двигателя, удовлетворяющего требованиям промышленного электропривода. Эта проблема была успешно решена на основе многофазных, в частности трехфазных систем.

5. Становление и развитие электрификации (с 1891 г.). Важнейшей предпосылкой разработки трехфазных систем явилось открытие (1888 г.) явления вращающегося магнитного поля. Первые многофазные двигатели были двухфазными. Трехфазная система оказалась наиболее рациональной, так как имела ряд преимуществ как перед однофазными цепями, так и перед другими многофазными системами.

В разработку трехфазных систем большой вклад сделали ученые и инженеры разных стран. Но наибольшая заслуга принадлежит М. О. Доливо-Добровольскому, сумевшему придать своим работам практический характер, создавшему трехфазные синхронные генераторы и асинхронные двигатели, трансформаторы.

С этого времени начинается бурное развитие электрификации: строятся мощные электростанции, возрастает напряжение электропередач, разрабатываются новые конструкции электрических машин, аппаратов и приборов. Электрический двигатель занимает господствующее положение в системе промышленного привода.

Процесс электрификации постепенно охватывает все новые области производства: развивается электрометаллургия, электротермия, электрохимия.

Электрическая энергия начинает все более широко использоваться в самых разнообразных отраслях промышленности, на транспорте, в сельском хозяйстве и в быту.

Широкое применение переменного тока потребовало теоретического осмысления и математического описания физических процессов, происходящих в электрических машинах, линиях электропередач, трансформаторах.

Расширяются исследования явлений в цепях переменного тока с помощью векторных и круговых диаграмм. Огромную прогрессивную роль в анализе процессов в цепях сыграл комплексный метод, предложенный в 1893 - 1897 гг. Ч.П.Штейнмецом. С развитием крупных энергосистем и увеличением дальности электропередач возникла серьезная научно - техническая проблема обеспечения устойчивости параллельной работы генераторов электростанции, которая была решена отечественными и зарубежными учеными. Теоретические основы электротехники становятся базой учебных дисциплин в вузах и фундаментом научных исследований в области электротехники.

6. Зарождение и развитие электроники (первая четверть XX в.) Рост потребности в постоянном токе (электрохимия, электротранспорт и др.) вызвал необходимость в развитии преобразовательной техники, что привело к зарождению, а затем бурному развитию промышленной электроники.

Электротехника становится базой для разработки автоматизированных систем управления энергетическими и производственными процессами. Создание разнообразных электронных, в особенности микроэлектронных устройств позволяет коренным образом повысить эффективность автоматизации процессов вычислений, обработки информации, осуществлять моделирование сложных физических явлений, решение логических задач и др. при значительном снижении габаритовустройств, повышении их надежности и экономичности.

Значительный прогресс в электронике наметился после создания больших интегральных схем (БИС), быстродействие их измеряется миллиардными долями секунды, а минимальные размеры составляют 2 - 3 мкм.

Внедрение БИС привело к созданию микропроцессоров, осуществляющих цифровую обработку информации и микро ЭВМ.

Быстрое развитие микроэлектроники обусловило возникновение и заметный прогресс новой области науки и техники - информатики.

Уже в начале 80-х гг. как в нашей стране, так и за рубежом стали изготовлять микропроцессоры и микро ЭВМ в одном кристалле. Все это дает огромный эффект в повышении надежности, снижении габаритов и потребляемой энергии микроэлектронных устройств, используемых в различных производственных процессах, автоматизированных систем управления, на транспорте, в бытовых устройствах.