История электротехники

В США созданы основы современной теории электромеханического преобразования энергии на основе обобщенной машины, получившие впоследствии широкое использование в практике разработки управляемого электропривода.

Все усилия направлены на решение задачи создания эффективных регулируемых электроприводов, вместе с тем основная масса (более 95%) электроприводов остается нерегулируемой.

6.6.7. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ В ЭЛЕКТРОПРИВОДЕ. СИСТЕМЫ ТИРИСТОРНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ — ДВИГАТЕЛЬ (ТП — Д) И ИСТОЧНИК ТОКА — ДВИГАТЕЛЬ (ИТ — Д)

В послевоенные годы в ведущих лабораториях мира произошел прорыв в области силовой электроники, кардинально изменивший многие сферы техники и, в частности, электропривод. В 1948 г. Дж. Бардин и В. Браттейн (Белловская лаборатория, США) создали первые транзисторы. В конце 50-х — начале 60-х годов на первых, еще очень несовершенных силовых транзисторах (ток 5 А, напряжение 60 В), работающих в ключевом режиме, было построено множество оригинальных схем для питания маломощных двигателей и для цепей возбуждения мощных двигателей. В качестве примера можно привести известный преобразователь Ройера (рис. 6.44), преобразующий постоянное напряжение в прямоугольное переменное с управляемой частотой, и множество модификаций этой схемы. В технику электропривода начал входить управляемый ключ и построенные на его основе устройства.

Радикальное воздействие на технику электропривода оказал тиристор — мощный полууправляемый ключ, созданный в 1955 г. усилиями Дж. Молла, М. Танненбаума, Дж. Голдея и Н. Голоньяка (США). Появление тиристоров на тысячи вольт и большие токи при малых падениях напряжения в проводящем состоянии позволило полностью отказаться от громоздких, ненадежных и неэкономичных ртутных выпрямителей и тиратронов и полностью перейти на управляемые тиристорные выпрямители (рис. 6.45) как в цепях возбуждения, так и в силовых цепях электроприводов постоянного тока. В [6.59] приведены любопытные диаграммы развития аппаратной базы электропривода (рис. 6.46) и цепей возбуждения крупных прокатных двигателей (рис. 6.47); годы указаны приближенно.

Система тиристорный преобразователь — двигатель постоянного тока (ТП — Д) стала с середины 60-х годов практически единственным техническим решением регулируемого электропривода малой и средней мощности; тиристорные возбудители активно вытеснили другие устройства в цепях возбуждения мощных электроприводов.

Преимущества системы ТП — Д, обеспечившие ей широкое применение взамен системы Г — Д, состоят в высоком быстродействии, компактности (блочная компоновка), высоком КПД, минимальном обслуживании, высокой надежности. На фоне этих преимуществ недостатки системы ТП — Д (дорогой двигатель постоянного тока, сложность рекуперации, ухудшение коммутации, низкий коэффициент мощности, пульсации выпрямленного напряжения и радиопомехи) на первых порах казались несущественными.

Примерно в это же время у системы ТП — Д появился конкурент. В 70-е годы в Институте электродинамики АН УССР и в МЭИ были проведены исследования оригинальной системы параметрический источник тока — двигатели постоянного тока (рис. 6.48), уверенно занявшей свое место в агрегатах кабельной промышленности, в ряде технологических линий, лебедках, нагрузочных устройствах и т.п.

6.6.8. РАЗВИТИЕ АСИНХРОННОГО И ДИСКРЕТНОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ

К 60–70-м годам относится активизация научной работы в области электропривода в ведущих вузах страны. В частности, в Московском энергетическом институте (МЭИ), Уральском политехническом институте (УПИ) и Одесском политехническом институте (ОПИ) проведены серьезные работы по асинхронному электроприводу с тиристорами в цепи статора (рис. 6.49). Созданы теория и ряд базовых конфигураций такого электропривода, обосновано его применение в качестве «мягких» пускателей, экономайзеров, предприняты попытки практического использования параметрического регулирования.

Работы Ф. Блашке (ФРГ), опубликованные в начале 70-х годов, положили начало созданию систем асинхронного электропривода с ориентацией по магнитному полю с так называемым векторным управлением (система трансвектор).

В СССР получили развитие начатые еще в начале 40-х годов (А.А. Булгаков, М.П. Костенко) перспективные работы в области частотно-регулируемого электропривода. В трудах А.С. Сандлера и его учеников в 70-х годах нашли отражение вопросы построения преобразователей частоты с явно выраженным звеном постоянного тока на доступной в то время элементной базе — тиристорах, были сформулированы и детально исследованы принципы автоматического управления электропривода с преобразователями частоты.

Появились работы в области частотно-токового управления в асинхронном приводе.

В 60–70-е годы в МЭИ под руководством М.Г. Чиликина проведены интенсивные исследования и разработки дискретного электропривода с шаговыми двигателями (Б.А. Ивоботенко), широко внедренные в металлургической, станкостроительной и других отраслях промышленности, получившие признание технической общественности и заложившие основы дальнейшего развития новых типов регулируемого электропривода.

Одновременно работы в области дискретного электропривода были начаты в ряде других научных центров, в частности в Лидском университете (Великобритания), ставшем позднее известным своими работами, связанными с силовыми версиями дискретного электропривода (П. Лауренсон).

В этот же период развивается электропривод с вентильными двигателями, в которых коллектор заменяется группой полупроводниковых ключей, коммутирующих обмотки и управляемых в функции положения ротора.

6.6.9. СИСТЕМЫ ПОДЧИНЕННОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ

Транзисторы и многочисленные устройства на их основе позволили перейти к практической реализации ряда эффективных идей в области систем управления электропривода.

Наиболее плодотворной оказалась идея, предложенная еще в середине 50-х годов Кесслером (ФРГ) и состоящая в подчиненном регулировании координат электропривода с последовательной коррекцией. Сложная система строится как совокупность отдельных, но подчиненных один другому контуров (тока, скорости, положения и др.), каждый из которых оптимизируется отдельно посредством своего регулятора (рис. 6.50).

Во ВНИИэлектроприводе в 60–70-е годы были созданы нашедшие широкое применение в промышленности комплексы средств управления электропривода — аналоговая ветвь УБСР-АИ и цифровая ветвь УБСР-ДИ. Эти технические средства сыграли заметную роль в практическом развитии электропривода, поскольку они унифицировали, упрощали, сокращали время наладки и пуска сложных систем регулируемого электропривода постоянного и переменного тока с преобразователем частоты с непосредственной связью (ПЧНС).

К указанному периоду относится завершение в МЭИ (В.И. Ключев) комплекса работ, связанных с глубоким исследованием механической части привода с упругими связями, ее взаимодействия с электрической частью. Были успешно решены проблемы синтеза сложных электромеханических систем, где в полной мере использовались идеи подчиненного регулирования координат.