Kraftteknik

En ångturbin som används för att ge elektrisk kraft.

Kraftteknik , även kallad kraftsystemsteknik , är ett underområde av elektroteknik som handlar om generering, överföring, distribution och utnyttjande av elektrisk kraft , och den elektriska apparaturen som är ansluten till sådana system. Även om en stor del av fältet handlar om problemen med trefas växelström – standarden för storskalig kraftöverföring och distribution över den moderna världen – är en betydande del av fältet oroad över omvandlingen mellan växelström och likström och utveckling av specialiserade kraftsystem som de som används i flygplan eller för elektriska järnvägsnät. Kraftteknik hämtar majoriteten av sin teoretiska bas från elektroteknik och maskinteknik .

Historia

En skiss av Pearl Street Station, den första ångdrivna elkraftstationen i New York City

Banbrytande år

Elektricitet blev ett ämne av vetenskapligt intresse i slutet av 1600-talet. Under de följande två århundradena gjordes ett antal viktiga upptäckter inklusive glödlampan och den voltaiska högen . Den förmodligen största upptäckten med avseende på kraftteknik kom från Michael Faraday som 1831 upptäckte att en förändring i magnetiskt flöde inducerar en elektromotorisk kraft i en trådslinga - en princip som kallas elektromagnetisk induktion som hjälper till att förklara hur generatorer och transformatorer fungerar.

1881 byggde två elektriker världens första kraftverk i Godalming i England. Stationen använde två vattenhjul för att producera en växelström som användes för att försörja sju Siemens båglampor på 250 volt och trettiofyra glödlampor på 40 volt. Men utbudet var intermittent och 1882 Thomas Edison och hans företag, The Edison Electric Light Company, det första ångdrivna elkraftverket på Pearl Street i New York City. Pearl Street Station bestod av flera generatorer och drev från början cirka 3 000 lampor för 59 kunder. Kraftverket använde likström och drev med en enda spänning. Eftersom likströmseffekten inte lätt kunde omvandlas till de högre spänningar som var nödvändiga för att minimera effektförlusten under överföringen, begränsades det möjliga avståndet mellan generatorerna och lasten till cirka 800 m.

Samma år i London demonstrerade Lucien Gaulard och John Dixon Gibbs den första transformatorn som är lämplig för användning i ett riktigt kraftsystem. Det praktiska värdet av Gaulard och Gibbs transformator demonstrerades 1884 i Turin där transformatorn användes för att lysa upp fyrtio kilometer (25 miles) järnväg från en enda växelströmsgenerator . Trots framgången med systemet gjorde paret några grundläggande misstag. seriekoppla transformatorernas primärledningar så att en lampa på eller av skulle påverka andra lampor längre ner i linjen. Efter demonstrationen George Westinghouse , en amerikansk entreprenör, ett antal av transformatorerna tillsammans med en Siemens- generator och satte sina ingenjörer på att experimentera med dem i hopp om att förbättra dem för användning i ett kommersiellt kraftsystem.

En av Westinghouses ingenjörer, William Stanley , insåg problemet med att seriekoppla transformatorer i motsats till parallellt och insåg också att att göra järnkärnan i en transformator till en helt sluten slinga skulle förbättra spänningsregleringen av sekundärlindningen. Med hjälp av denna kunskap byggde han världens första praktiska transformatorbaserade växelströmssystem i Great Barrington, Massachusetts 1886. 1885 demonstrerade den italienske fysikern och elektroingenjören Galileo Ferraris en induktionsmotor och 1887 och 1888 anmälde den serbisk-amerikanske ingenjören Nikola Tesla en rad patent relaterade till kraftsystem inklusive ett för en praktisk tvåfas induktionsmotor som Westinghouse licensierat för sitt AC-system.

År 1890 hade kraftindustrin blomstrat och kraftbolagen hade byggt tusentals kraftsystem (både likström och växelström) i USA och Europa – dessa nätverk var effektivt dedikerade till att tillhandahålla elektrisk belysning. Under denna tid uppstod en hård rivalitet i USA känd som " strömmens krig " mellan Edison och Westinghouse över vilken form av överföring (likström eller växelström) som var överlägsen. 1891 installerade Westinghouse det första stora kraftsystemet som var designat för att driva en elmotor och inte bara ge elektrisk belysning. Installationen drev en 100 hästkrafter (75 kW) synkronmotor i Telluride, Colorado med motorn som startas av en Tesla-induktionsmotor. På andra sidan Atlanten Oskar von Miller en 20 kV 176 km trefas transmissionsledning från Lauffen am Neckar till Frankfurt am Main för elektroteknikmässan i Frankfurt. År 1895, efter en utdragen beslutsprocess, Adams No. 1-generatorstationen vid Niagara Falls överföra trefas växelström till Buffalo vid 11 kV. Efter att Niagara Falls-projektet avslutats, valde nya kraftsystem alltmer växelström i motsats till likström för elektrisk överföring.

Tjugonde århundradet

Kraftteknik och bolsjevism

1929 affisch av Gustav Klutsis

Generering av elektricitet ansågs vara särskilt viktig efter det bolsjevikiska maktövertagandet . Lenin uttalade "Kommunism är sovjetmakt plus elektrifieringen av hela landet." Han presenterades därefter på många sovjetiska affischer, frimärken etc. som presenterade denna syn. GOELRO -planen initierades 1920 som det första bolsjevikiska experimentet i industriell planering och där Lenin blev personligen involverad. Gleb Krzhizhanovsky var en annan nyckelfigur inblandad, efter att ha varit inblandad i byggandet av ett kraftverk i Moskva 1910. Han hade också känt Lenin sedan 1897 när de båda ingick i St. Petersburg-kapitlet i Union of Struggle for the Liberation of the Liberation of the Union. Arbetarklass .

Kraftteknik i USA

1936 byggdes den första kommersiella högspänningslikströmsledningen (HVDC) med kvicksilverbågeventiler mellan Schenectady och Mechanicville, New York . HVDC hade tidigare uppnåtts genom att installera likströmsgeneratorer i serie (ett system känt som Thury-systemet ) även om detta led av allvarliga tillförlitlighetsproblem. 1957 Siemens den första halvledarlikriktaren (solid-state likriktare är nu standarden för HVDC-system) men det var inte förrän i början av 1970-talet som denna teknik användes i kommersiella kraftsystem. 1959 demonstrerade Westinghouse den första strömbrytaren som använde SF ₆ som avbrottsmedium. SF ₆ är en vida överlägsen dielektrikum till luft och på senare tid har dess användning utökats till att producera mycket mer kompakt kopplingsutrustning (känd som ställverk ) och transformatorer . Många viktiga utvecklingar kom också från att utvidga innovationer inom IKT- området till kraftteknikområdet. Till exempel innebar utvecklingen av datorer att belastningsflödesstudier kunde köras mer effektivt vilket möjliggör mycket bättre planering av kraftsystem. Framstegen inom informationsteknologi och telekommunikation möjliggjorde också mycket bättre fjärrstyrning av kraftsystemets ställverk och generatorer.

Kraft

Överföringsledningar överför kraft över nätet .

Power Engineering sysslar med generering , överföring , distribution och användning av elektricitet samt design av en rad relaterade enheter. Dessa inkluderar transformatorer , elektriska generatorer , elmotorer och kraftelektronik .

Kraftingenjörer kan också arbeta med system som inte ansluter till nätet. Dessa system kallas off-grid kraftsystem och kan användas i stället för on-grid system av en mängd olika skäl. Till exempel på avlägsna platser kan det vara billigare för en gruva att generera sin egen kraft istället för att betala för anslutning till nätet och i de flesta mobilapplikationer är anslutning till nätet helt enkelt inte praktiskt.

Fält

Elproduktion omfattar val, design och konstruktion av anläggningar som omvandlar energi från primära former till elkraft.

Elektrisk kraftöverföring kräver konstruktion av högspänningsöverföringsledningar och transformatorstationsanläggningar för gränssnitt till produktions- och distributionssystem. Högspänningslikströmssystem är ett av delarna i ett elnät.

Elkraftdistributionsteknik täcker de delar av ett kraftsystem från en transformatorstation till slutkunden.

Skydd av kraftsystem är studiet av hur ett elsystem kan misslyckas och metoderna för att upptäcka och mildra sådana fel.

I de flesta projekt måste en kraftingenjör samordna med många andra discipliner som civil- och maskiningenjörer, miljöexperter och juridisk och ekonomisk personal. Stora kraftsystemprojekt som en stor kraftverk kan kräva mängder av designproffs utöver kraftsystemingenjörerna. På de flesta nivåer av professionell kraftsystemteknik kommer ingenjören att kräva lika mycket i form av administrativa och organisatoriska färdigheter som elektroteknisk kunskap.

Professionella föreningar och internationella standardiseringsorganisationer

I både Storbritannien och USA hade professionella föreningar länge funnits för civil- och maskiningenjörer. IEE grundades i Storbritannien 1871, och AIEE i USA 1884. Dessa sällskap bidrog till utbyte av elektrisk kunskap och utvecklingen av elektroteknikutbildning . På internationell nivå förbereder International Electrotechnical Commission, som grundades 1906, standarder för kraftteknik, med 20 000 elektrotekniska experter från 172 länder som utvecklar globala specifikationer baserade på konsensus.

Se även

externa länkar