Генераторы электрической энергии. История возникновения

Прототип генератора электрического тока, основанный на принципе электромагнитной  индукции, был сконструирован Фарадеем в 1831 г. Он состоял из медного диска, вращающегося вручную между полюсами постоянного магнита. При этом в диске  индуцировалась электродвижущая сила (ЭДС); полюсами служили ось диска и неподвижная щетка, имеющая скользящий контакт с краем диска.


После  этого  были предложены различные  конструкции  электромагнитных генераторов. Магнитоэлектрические машины были изготовлены многими изобретателями, но все они были трудно применимы для практического использования.


По заказу А. М. Ампера в 1832 г. И. Пикси (1808-1835) изготовил первый электрический генератор с коммутатором для получения постоянного тока. Он приводился в движение вручную. В 1842 г. Д. С. Вулрич изготовил мощный генератор постоянного тока, соединив его ременной  передачей с паровой машиной. Такой генератор использовали для питания гальванических ванн.


1842 год считается годом рождения электроснабжения предприятий.


В 1856-1866 годах появилась идея самовозбуждения электрогенератора (без гальванического элемента). Многие исследователи, инженеры независимо друг от друга, раньше или позже пришли к этому.

Промышленное освоение электрогенераторов началось после 1870 г., когда француз З. Грамм создал генератор с кольцевым ротором, тороидальной обмоткой и коллектором  почти современной конструкции. А. Пачинотти (1841-1912) на 10 лет раньше построил  подобный электродвигатель. В 1880 г. американец Т. Эдисон предложил делать магнитопровод якоря электрогенератора наборным из изолированных стальных листов. Это уменьшило потери и реакцию якоря. В 1884 г. была предложена компенсационная обмотка, а в 1885 г. дополнительные полюса для уменьшения реакции якоря и улучшения коммутации. Создание электрогенераторов и электродвигателей постоянного тока решало многие вопросы существующей в то время энергетики, но передача энергии на дальние расстояния оказалась затруднительной.


В 1876 г. П. Н. Яблочков создал дуговые лампы, которые гораздо эффективнее работали на переменном токе. Для питания нескольких дуговых ламп от одного источника Яблочков  использовал индукционные катушки с ответвлениями - прообраз трансформатора или простейший трансформатор с разомкнутым сердечником.


Введение переменного тока должно было  позволить передавать электроэнергию с помощью  повышающих трансформаторов напряжения на большие расстояния. Но теперь встал вопрос о создании генераторов переменного тока.

Впервые идею вращающегося электромагнитного поля  высказал Д. Араго  в 1821 г.  В 1885 г. Г. Феррарис. (1847-1897) предложил использовать двухфазный  ток (систему  двух  переменных  токов, сдвинутых по фазе на 90°), который дает возможность получить «вращающееся магнитное поле», и построил двигатель переменного тока.


Н. Тесла (1856 - 1943),  удалось построить систему из двухфазного генератора, трансформатора и двигателя. Она была использована на Ниагарской гидростанции  в  США, система требовала четыре провода для передачи электроэнергии.

В 1888 году русский изобретатель М. О. Доливо-Добровольский (1862-1919), создал трехфазную систему токов, которая затем получила признание и распространилась во  всем  мире  как  наиболее удобная и экономичная.


Вращающееся магнитное поле было получено путем сдвига фаз между токами одинаковой  амплитуды на 120°. М. О. Доливо-Добровольский разработал ротор с обмоткой в виде беличьей клетки и создал короткозамкнутый асинхронный двигатель.


Трехфазная система, состоящая из трехфазного генератора, трехфазного двигателя, и трехфазного трансформатора, требовала для передачи и распределения электроэнергии всего три провода, являясь в то же время симметричной, уравновешенной  и  экономичной. Затраты металла были на 25 % меньше, чем в двухпроводной линии однофазной системы. Трехфазный синхронный генератор был построен Доливо-Добровольским в 1890 г. Впервые передача трехфазного тока на расстояние 170 км была  продемонстрирована на Международной электротехнической выставке во Франкфурте-на-Майне в 1891 г. во время Международного конгресса электротехников. На базе электрических генераторов и электродвигателей стал конструироваться индивидуальный привод станков, механизмов и устройств.


Первое защитное заземление электрических машин предложили русский инженер Р. Э. Классон и француз М. Депре. Генераторы электрического тока предъявили к первичному двигателю следующие требования: большое число оборотов, высокая равномерность вращения и непрерывно возрастающая мощность. Паровая машина уже не отвечала этим требованиям. Паровую машину вытеснила паровая турбина, которая имела большую скорость и более высокий КПД. Сейчас мощность паровых турбин достигает 1200 МВт. Турбина вместе с электрическим генератором называется турбогенератором.