История электротехники

Изучением электромагнитных переходных процессов в электрических машинах и трансформаторах начали заниматься в середине 20-х годов XX в. Первые случаи нарушения устойчивости линий электропередачи произошли в 20-х годах. Исследование устойчивости энергосистем привело к необходимости исследования электромеханических переходных процессов.

Первой фундаментальной работой по переходным процессам в энергетических системах была монография Р. Рюденберга, вышедшая в 1923 г. в Германии и переведенная на русский язык в 1931 г. [6.7]. Р. Рюденберг показал возможность представления мгновенных значений переменных в многофазных обмотках электрических машин едиными пространственными векторами [6.7]. Они определяются в координатах комплексной плоскости, наложенной на поперечное сечение машины, и у разных авторов называются по-разному: обобщенными, отображающими, изображающими и другими терминами. Позже такой подход позволил венгерским электротехникам К.П. Ковачу и И. Рацу компактно изложить теорию переходных процессов в электрических машинах переменного тока [6.8].

Значительной вехой в развитии теории была публикация в 1929 г. Р.Г. Парка [6.9], который вывел, используя метод двух реакций, дифференциальные уравнения синхронной машины, часто называемые его именем. Независимо от него существование этих уравнений вскоре доказал и А.А. Горев [6.10].

Первой фундаментальной работой по переходным процессам в трансформаторах была работа Г.Н. Петрова, вышедшая в 1934 г. [6.11].

Основоположником тензорного и матричного анализов электрических цепей и машин, создателем обобщенной теории электрических машин и метода расчета сложных систем путем деления их на элементарные составные части (метода диакоптики) по праву считается Г. Крон, опубликовавший свои пионерские работы в американских журналах в 1938–1942 гг. Объединенные в монографию, они были изданы в 1955 г. на русском языке [6.12], что послужило импульсом для широкого распространения и дальнейшего развития метода в СССР.

Полученные Г. Кроном дифференциальные уравнения идеализированной обобщенной электрической машины сыграли выдающуюся роль в теории переходных процессов.

К обобщенной электрической машине сводятся все ЭП с синусоидальным магнитным полем в воздушном зазоре. Г. Крон первым положил в основу электромеханического преобразования энергии магнитное поле в зазоре машины, а уравнения записал на основе теории цепей. До него уравнения поля и цепей использовались многими учеными раздельно, и до сих пор бытует мнение, что уравнения поля более строго отражают физические явления в электрических машинах. Только в последнее десятилетие появились программы ЭВМ для расчета и проектирования ЭП с одновременным использованием уравнений поля и цепей.

Дифференциальные уравнения, описывающие переходные и установившиеся процессы в электрических машинах, без упрощающих допущений не имеют аналитического решения, и только применение ЭВМ для решения задач электромеханики привело к бурному развитию теории и практики динамических процессов в ЭП и электромеханических системах.

Обобщающей и, по существу, последней фундаментальной работой по применению аналитических методов решения дифференциальных уравнений электромеханического преобразования энергии была вышедшая в 1962 г. работа Е.Я. Казовского [6.13].

Д.А. Городский [6.14] развил метод симметричных составляющих, ввел системы основных и сопровождающих переменных, что позволило исследовать переходные и установившиеся режимы электрических машин, обладающих одновременно электрической и магнитной несимметрией.

Очень ценную монографию [6.15] выпустил в 1953 г. Л.Н. Грузов, представив в ней систематизированное изложение особенностей применения векторного анализа к исследованию электрических машин и электромеханических систем, сравнение различных преобразований координат с целью получения наиболее рациональных форм дифференциальных уравнений и их решений.

При разработке теории предложенной им машины с внешнезамкнутым магнитным потоком А.Г. Иосифьян критически пересмотрел ряд вопросов общей теории синхронной машины. Ему принадлежат труды по системам преобразований токов следящего электропривода, а также труды по теории режимов работы сельсинов [6.16].

В 1963 г. И.П. Копыловым была предложена математическая модель обобщенного электромеханического преобразователя, которая описывается дифференциальными уравнениями для несинусоидального магнитного поля в воздушном зазоре, при учете любого числа контуров обмоток на статоре и роторе, для симметричных и несимметричных машин с учетом нелинейного изменения их параметров [6.17].

Следует отметить позитивную роль, которую сыграла публикация в 1964 г. русского перевода монументального труда ученых из США Д. Уайта и Г. Вудсона по всем аспектам теории электромеханического преобразования энергии [6.18].

Значительный вклад в развитие обобщенной теории и ее использование для анализа переходных и установившихся режимов работы электрических машин, устойчивости электромеханических и энергетических систем внесли отечественные ученые: Р.А. Лютер [6.19], И.Д. Урусов [6.20], Н.Н. Щедрин [6.21], С.В. Страхов [6.22], А.А. Янко-Триницкий [6.23], А.И. Важное [6.24], И.И. Трещев [6.25], В.А. Веников [6.26], А.В. Иванов-Смоленский [6.27], Л.Г. Мамиконянц [6.28], И.А. Глебов [6.29].

До середины XX в. электромеханика развивалась в земных условиях, но в 50–60-х годах электрические машины, а за ними и человек вышли в космос. Для этого потребовалось создать теорию космической электромеханики и электромеханические системы, воплотившие в себе все новейшие достижения классической земной электромеханики.

Если классическая электромеханика одномерная, т.е. она имеет дело с ЭП, у которых вращается одна часть машины — ротор, то космическая электромеханика — шестимерная: ротор и статор ЭП могут перемещаться в трехмерном пространстве. Уравнения космической электромеханики значительно сложнее, так как они имеют шесть уравнений движения и дополнительное уравнение скоростей, учитывающее движение ЭП по шести степеням свободы.

Трудами больших научных коллективов в СССР, США и других странах теория космической электромеханики обеспечила движение космических кораблей как в околоземном, так и в далеком космосе. Технические достижения крупных научных коллективов обеспечили решение уникальнейших проблем бортовой космической электромеханики. Эти вопросы освещены гл. 8.

Зарождение технической электромеханики произошло в земных условиях в университетах, исследовательских и учебных институтах и на заводах. В послевоенные годы бурными темпами развивалась космическая электромеханика. В последние годы появилось новое направление в космической электромеханике — геоэлектромеханика — электромеханика планеты Земля, показывающее, что движение спутников вокруг Земли и Земли вокруг Солнца подчиняется одним и тем же законам, а электродинамические процессы в электрической машине — планете являются источником глобальных энергетических процессов на Земле [6.30].

История электромеханики продолжает развиваться бурными темпами и на рубеже второго и третьего тысячелетий мы являемся свидетелями зарождения новых направлений, которые дадут новые источники электроэнергии и послужат мощным импульсом для развития цивилизации.

Без электрических машин и трансформаторов невозможно производство, распределение и применение электрической энергии. Поэтому во всех главах этого издания есть место для истории электромеханики. В этой главе более подробно излагается история электромашиностроения, промышленных электроприводов, высоковольтных и низковольтных аппаратов.

Чтобы правильно оценить значение отдельных изобретений и теоретических разработок в области электромеханики, нужно время. Поэтому объективно можно оценивать историю электромеханики XX в. до послевоенных лет, а последние два-три десятилетия еще требуют осмысливания, так как только время есть критерий истины.

6.2. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ ДЛЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКИ И ОБЩЕГО НАЗНАЧЕНИЯ

6.2.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Производство электрической энергии осуществляется в основном электромашинными генераторами, а потребляют ее преимущественно электродвигатели. Поэтому вращающиеся электрические машины имеют важнейшее значение в электротехнике. Многие выдающиеся специалисты России внесли в развитие электрических машин решающий творческий вклад. Вот примеры: