История электротехники

Необходимое для современной энергетики преобразование переменного тока в постоянный наиболее целесообразно производить с помощью статических преобразовательных агрегатов, в состав которых входит трансформаторное оборудование: силовые преобразовательные трансформаторы, уравнительные и токоограничивающие реакторы, дроссели насыщения и др. Основными потребителями преобразовательных установок являются электролизные производства в цветной металлургии и химической промышленности, тиристорный электропривод прокатных станов в черной металлургии; электрифицированный транспорт; электротермия и т.д. Преобразовательные установки (рис.6.31) широко внедряются в современные технологические процессы (плазмотронная и электронно-лучевая плавка, электрохимическая обработка металлов и др.). Для этих целей разработаны, в частности, трансформаторы типа ТЦНП-40000/10 на ток 50 кА и напряжение 850 В для химической промышленности; ТЦНП-80000/20 на ток 63 кА и напряжение 850 В для цветной металлургии, сухие трансформаторы типа ТСЗП мощностью до 1600 кВ∙А для метрополитена.

Освоены и серийно выпускаются специальные трансформаторы, предназначенные для питания электропечей различного назначения: дуговых сталеплавильных, руднотермических, индукционных плавильных, печей электрошлакового переплава, по выплавке корунда и т.д. (рис. 6.32).

Несмотря на сложности, связанные с распадом в 1991 г. СССР, трансформаторостроение России продолжает развиваться, обеспечивая потребности энергетики. Наиболее важными направлениями дальнейших исследований являются: рост номинальных мощностей и напряжений; уменьшение потерь энергии в силовых трансформаторах; уменьшение их размеров и массы; повышение надежности; динамическая стойкость обмоток при коротких замыканиях. Решение этих проблем потребует преодоления значительных трудностей, связанных с ограничениями по габаритам и массе при транспортировке трансформаторов предельных мощностей, изучения и освоения материалов, способных заменить традиционно используемые в трансформа-торостроении. Поэтому уже в настоящее время разрабатываются железнодорожные транспортеры повышенной грузоподъемности; рассматриваются возможности перевозки трансформаторов водным путем, что снимет ограничения по габаритам и массе.

Большое внимание уделяется перспективам улучшения электромагнитных характеристик электротехнических сталей и повышению уровня автоматизации производства магнитопроводов, включая дальнейшее внедрение витых пространственных магнитопроводов.

Дальнейшее увеличение единичных мощностей силовых трансформаторов может быть достигнуто при использовании сверхпроводниковой технологии, исследования которой ведутся уже длительное время; перспективными являются также интенсивные исследования по созданию трансформаторов с газоиспарительной системой изоляции и охлаждения.

В последнее время получил развитие новый класс магнитных материалов — аморфные сплавы, которые по оценкам специалистов могут снизить потери энергии в сердечниках до 70%. Значительное снижение потерь холостого хода при применении сталей требует расширения исследований с целью получения материала с нужными параметрами, а также разработки технологии изготовления магнитопроводов из них.

6.6. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРИВОД

6.6.1. РАННИЙ ПЕРИОД РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

История развития электрического привода, являющегося целенаправленным органичным сочетанием электрических машин, аппаратов, преобразователей и устройств управления, неразрывно обусловлена образующими электропривод компонентами. Вместе с тем электропривод, как система, осуществляющая управляемое электромеханическое преобразование энергии, имеет свою собственную историю.

Начало развития электропривода было положено созданием в первой половине XIX в. работоспособных образцов электрического двигателя. Первое практическое использование электродвигателя постоянного тока, оснащенного другими характерными элементами электропривода: механической передачей, органами управления и т.п. и обеспечивавшего движение катера вверх по р. Неве, относят к 1834–1838 гг. и связывают с именем акад. Б.С. Якоби. Эта работа получила широкую мировую известность, однако несовершенство технических средств и, главным образом, источника питания — гальванической батареи, не позволило блестящему изобретению Б.С. Якоби и работам его последователей получить широкое практическое применение.

Лишь в 70-е годы XIX в. были разработаны практически применимые двигатели постоянного тока, широко демонстрировавшиеся на выставках в Вене (1873 г.). Париже (1881 г.), Мюнхене (1882 г.). Стали появляться сведения об их использовании в составе электропривода для практических целей, чему в значительной мере способствовало создание в 80-е годы ряда передач постоянного тока напряжением до 6000 В [6.53].

К первым применениям электропривода можно отнести некоторые артиллерийские механизмы на русских судах «Россия» и «Веста» (1887 г.), электрическую железную дорогу и ткацкий станок, демонстрировавшийся на промышленной выставке в Берлине (1879 г.), первый электрический трамвай Ф.А. Пироцкого (1880 г.), электрические швейные машины (1882 г.) и вентиляторы (1886 г.) В.Н. Чиколева, судовые электрические подъемники и рулевые механизмы (1890–1892 гг.), металлургические машины на ряде американских заводов, оборудованные электроприводами постоянного тока с полуавтоматическим управлением посредством контакторов, командоконтроллеров и т.п. (1890–1892 гг.) [6.54].

Условия для развития массового электропривода создались в конце XIX в. благодаря открытию в 1886 г. Г. Феррарисом и Н. Тесла явления вращающегося магнитного поля, положившему начало созданию многофазных электродвигателей переменного тока, и, главным образом, благодаря комплексу выдающихся работ М.О. Доливо-Добровольского, который в 1888 г. предложил и реализовал трехфазную систему передачи электрической энергии переменного тока и разработал в 1889 г. трехфазный асинхронный двигатель с распределенной обмоткой статора и с короткозамкнутым ротором в виде беличьего колеса [6.55].

С развитием материальной базы электропривода создавалась его теория.

Первой теоретической работой по электроприводу в России можно считать статью Д. А. Лачинова «Электромеханическая работа», опубликованную в журнале «Электричество» в 1880 г. В 1898 г. в учебных планах Петербургского электротехнического института появилась самостоятельная дисциплина «Электрическая передача и распределение электрической энергии». На основе первых разработок в области электропривода П.Д. Войнаровский в 1900 г. и В.В. Дмитриев в 1903 г. выпустили первые учебные пособия по курсу «Электрическая передача и распределение механической энергии». Так начиналась в России подготовка специалистов в области электропривода.

6.6.2. ПЕРЕХОД ОТ ГРУППОВОГО ПРОМЫШЛЕННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА К ИНДИВИДУАЛЬНОМУ

Конец XIX — начало XX в. характеризуется строительством электрических станций и развитием электрических сетей. Первая электростанция была построена исключительно для целей освещения. Централизованная выработка электроэнергии с ее последующим распределением послужила основной для создания промышленного электропривода.

На замену использовавшемуся ранее групповому приводу с паровым или гидравлическим первичным двигателем и механическим распределением энергии с помощью ремней и канатов (рис. 6.33) [6.54] пришел групповой электропривод. Не изменяя общей компоновки, он позволял не иметь на каждой фабрике свою тепловую станцию с паровыми котлами или гидравлическую с водяными колесами и основывался на использовании централизованного электроснабжения — электрической сети (рис. 6.34).