История электротехники

Следует заметить, что в начале 20-х годов XX в. русские ученые М.П. Костенко и П.Л. Капица сделали проект и осуществили первый ударный генератор для создания сильных магнитных полей.

В Томском политехническом институте под руководством и при непосредственном участии Г.А. Сипайлова была создана научная школа в области электромашинного генерирования импульсных мощностей в автономных режимах [6.33, 6.34]. Были проведены многочисленные исследования, разработаны методы расчета и создан ряд импульсных генераторов. К числу оригинальных решений относятся электромашинные генераторы с неявнополюсным шихтованным ротором и импульсной форсировкой возбуждения за счет намагничивания в несимметричных режимах при последовательных коммутациях обмоток статора и ротора.

Принципиально новым направлением являются сверхпроводниковые турбогенераторы, имеющие в 2 раза меньшую массу и потери. Вполне естественно, что вначале создавались опытные сверхпроводниковые машины небольшой мощности (синхронные, униполярные, постоянного тока) [6.35–6.37].

Во ВНИИэлектромаше были созданы следующие сверхпроводниковые машины: коллекторный двигатель постоянного тока мощностью 3 кВт, синхронный генератор мощностью 18 кВт, униполярный генератор с током 10 кА при напряжении 24 В и синхронный генератор мощностью 1200 кВт. Первые четыре машины были созданы под руководством и при непосредственном участии В.Г. Новицкого и В.Н. Шахтарина. В разработку и исполнение двигателя постоянного тока 3 кВт существенный вклад внес также Г.Г. Борзов. Синхронный генератор мощностью 1200 кВт был разработан и выполнен под руководством В.В. Домбровского.

Первый генератор средней мощности (20 MB∙А) был создан во ВНИИэлектромаше в 1979 г. (рис. 6.4) [6.38]. Машина была подробно исследована и испытана на стенде института и при работе в Ленэнерго [6.39, 6.40]. Ротор имеет обмотку из ниобий-титанового сплава. Она охлаждается жидким гелием (4,2 К), который поступает внутрь ротора через неподвижную трубку в центральном отверстии вала. Возврат гелия в газообразном состоянии происходит также через вал. Для защиты сверхпроводящей обмотки от теплопритока из внешней среды ротор имеет три цилиндра, пространство между которыми вакуумировано.

Научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы во Всесоюзном научно-исследовательском институте электромеханики (ВНИИЭМ) завершились созданием ряда сверхпроводниковых машин [6.35]. Первая машина имела мощность 600 Вт. Это был генератор со сверхпроводящей обмоткой возбуждения на статоре и трехфазной обмоткой на роторе. Следующей машиной был коллекторный электродвигатель мощностью 25 кВт, а далее генератор переменного тока мощностью 100 кВт со сверхпроводящим индуктором, криодвигатель переменного тока 200 кВт с неподвижным криостатом, модельные синхронные генераторы с вращающимся криостатом, уникальный синхронно-асинхронный двигатель с передачей вращающего момента без механических сочленений машин. Руководителем, организатором производства и соисполнителем исследований и разработок был Н.Н. Шереметьевский. Основным разработчиком сверхпроводящих индукторов являлся А.С. Веселовский, а якорей — A.M. Рубенраут.

Создателем синхронного сверхпроводникового неявнополюсного генератора мощностью 200 кВт на харьковском заводе «Электротяжмаш» был В.Г. Данько.

В Физико-техническом институте низких температур (ФТИНТ, г. Харьков) инициатором, организатором и научным руководителем всех работ в области использования явления сверхпроводимости был Б.И. Веркин [6.36]. Существенное значение для исследований, разработок и исполнения машин имели труды Ю.А. Кириченко, А.В. Погорелова и Г.В. Гаврилова.

Во ФТИНТ были созданы: криотурбогенератор мощностью 200 кВт с неподвижной обмоткой возбуждения и теплым вращающимся якорем, турбогенератор мощностью 2 и 3 МВт со сверхпроводниковыми роторами (совместно с объединением «Электросила»). Последние две машины создавались с участием специалистов объединения «Электросила» И.Ф. Филиппова и И.С. Житомирского. Большая работа проведена в области униполярных сверхпроводниковых машин: двигатель с якорем дискового типа мощностью 100 кВт, машина мощностью 150 кВт с цилиндрическим ротором, а затем двигатели мощностью 325 и 850 кВт.

Существенный вклад в теорию и методы расчета электрических машин с использованием явления сверхпроводимости внесли ученые Московского авиационного института А.И. Бертинов, Б.Л. Алиевский, Л.К. Ковалев и др. [6.37].

В генераторе 20 MB∙А внешний цилиндр ротора имеет комнатную температуру, внутренний — температуру жидкого гелия, а средний — 70 К. Обмотка образована рейстрековыми катушками разной ширины и находится при вращении в гелиевой ванне, образованной внутренним цилиндром и торцевыми частями. В связи с очень большой МДС отпадает необходимость в использовании для ротора стали. В этих условиях статор можно делать беспазовым, что увеличивает количество меди и мощность приблизительно в 2 раза. Для малой внешней магнитной индукции в статоре применяется ферромагнитный экран. Исследования, разработка методов расчета и технологических процессов, изготовление и испытания проводились под руководством и при непосредственном участии И.А. Глебова, Я.Б. Данилевича, А.А. Карымова, Л.И. Чубраевой и В.Н. Шахтарина.

И.А. Глебов был научным руководителем, Я.Б. Данилевич — главным конструктором, А.А. Карымов — автором новых методов механических расчетов, Л.И. Чубраева — специалистом, ответственным за изготовление статора и испытания сверхпроводникового турбогенератора в энергосистеме, В.Н. Шахтарин — специалистом, ответственным за разработку и изготовление ротора. Поскольку низкие температуры получаются с помощью криогенной техники, то творческое участие в разработках и испытаниях генератора мощностью 20 MB∙А специалистов НИИ «Гелиймаш» И.П. Вишнева, А.И. Краузе имело очень важное значение.

И.П. Вишнев осуществил разработку и руководство работами по созданию устройств криогенной техники, А.И. Краузе провел наладочные работы и испытания криогенных устройств. Особое значение имело их участие в работах по определению минимальной длительности захолаживания ротора, допустимой по условиям механической прочности его элементов.

Под руководством И.Ф. Филиппова как разработчика методов расчета теплофизических процессов и руководителя работ по созданию уникального криогенного стенда и Г.М. Хуторецкого как главного конструктора в объединении «Электросила» был создан сверхпроводниковый турбогенератор мощностью 300 МВт, и частотой вращения 3000 об/мин. Статор и ротор прошли успешные испытания при температуре жидкого азота. Однако недостаточная газоплотность наружного цилиндра не позволила иметь нужный вакуум и выйти на расчетный режим с жидким гелием.

Сверхпроводниковые турбогенераторы относятся к будущему поколению турбогенераторов. Работы в этом направлении ведутся в ряде стран.

США, государства Западной Европы и Япония имеют существенные успехи в области исследований и разработок сверхпроводниковых электрических машин. Наибольших успехов в области сверхпроводниковых турбогенераторов достигли Япония и США. В ФРГ были созданы основные элементы сверхпроводникового турбогенератора мощностью 800 MB∙А. В Японии имеется национальная программа с конечной задачей завоевания мирового рынка в области турбогенераторостроения на основе использования явления сверхпроводимости. В настоящее время в Японии в стадии изготовления находятся три сверхпроводниковых турбогенератора мощностью по 70 MB∙А каждый. К наибольшим достижениям в области униполярных сверхпроводниковых машин относятся результаты работы английской фирмы IRD (униполярный двигатель мощностью 2,42 МВт).

Проведенный выше обзор в области сверхпроводниковых машин, и в первую очередь турбогенераторов, показывает, что наша страна находится на передовых позициях в мире.