Текст книги "История электротехники"

Автор книги: авторов Коллектив

сообщить о нарушении

Текущая страница: 37 (всего у книги 78 страниц) [доступный отрывок для чтения: 28 страниц]

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.

^{Рис. 6.33. Групповой привод на текстильной фабрике}

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).

Интересно, что даже нововведение – промежуточное звено в виде электродвигателя между первичным двигателем и рабочей машиной – вызывало вначале у многих недоумение вследствие удорожания оборудования, его усложнения и возникновения потерь энергии при передаче ее по проводам на значительные расстояния.

Еще большее недоумение и возражения в начале XX в. вызывала идея перехода к одиночному электроприводу (рис. 6.35), т.е. к замене механического распределения энергии электрическим, приближению электродвигателя к рабочей машине. Несмотря на уже имевшиеся положительные примеры таких решений, можно утверждать, что всю первую четверть XX в. шла борьба между сторонниками группового и индивидуального электропривода.

^{Рис. 6.34. Групповой электропривод}

^{Рис. 6.35. Одиночный электропривод} 

Доводы первых выглядели весьма серьезно. Так, по данным крупных американских специалистов, относящимся к 1924 г. [6.54], стоимость установленной мощности двигателя с необходимым оборудованием составляла для группового электропривода 29 долл., для индивидуального – 150 долл. Для индивидуального привода установленная мощность оказывалась в 3–5 раз больше, чем для группового, за счет разновременности нагрузок в последнем. Требовалось время для понимания неправомерности подобных сравнений, не учитывающих всего комплекса условий, определяющих результат.

^{Рис. 6.36. Промышленные здания для группового (а) и одиночного (б) электроприводов} 

В эти условия входили, в частности, стоимость промышленных зданий, которые при групповом приводе оказались существенно более громоздкими (рис. 6.36), стоимость механических передач и потерь в них, удобство расположения рабочих машин, легкость их перемещения при изменении технологии производства, удобство компоновки производственной среды в целом, включая размещение подъемно-транспортных и других вспомогательных средств, существенное повышение общей культуры и безопасности производства и как следствие повышение производительности труда на 15–20%.

Естественным итогом продолжавшегося более 25 лет непростого соревнования группового и индивидуального электроприводов была полная победа последнего на всех вновь строящихся предприятиях.

В России большую роль в развитии массового индивидуального электропривода сыграл план ГОЭЛРО, в соответствии с которым осуществлялись реконструкция старых и строительство новых электростанций, развивалась отечественная электротехническая промышленность.

Одновременно электрический привод вытеснял все виды механического привода. Так, мощность электродвигателей по отношению к общей мощности установленных двигателей в 1890 г. составляла 5%, в 1927 г. – 75%, к 1950 г. – около 100% [6.56]. Вместе с тем еще в публикациях конца 20-х годов, например в книге [6.57], изданной в США в 1928 г., значительное место уделено сопоставлениям группового и индивидуального электроприводов, доказательствам преимуществ последнего.

Одновременно с развитием индивидуального электропривода создавалась его теория, была организована подготовка специалистов в этой области. В 1922 г. в Ленинградском электротехническим институте (ЛЭТИ) С.А. Ринкевичем была открыта кафедра электрического привода, а в 1924–1926 гг. выпущены первые инженеры этого профиля. В 1925 г. вышел в свет первый отечественный учебник по электроприводу С.А. Ринкевича «Электрическое распределение механической энергии».

В 1925 г. в системе Всесоюзного электротехнического объединения создается первая проектная организация «Электропром» (позднее Государственный проектный институт – ГПИ – «Тяжпромэлектропроект»), в 1929 г. научные исследования в области электропривода организуются в ВЭИ. В 1929–1932 гг. создаются кафедры электропривода в Ленинградском политехническом (ЛПИ), Московском энергетическом (МЭИ), Харьковском электротехническом (ХЭТИ) институтах. Начинается интенсивное развитие отечественных научных школ в области электропривода. В 1930 г. в Харькове состоялась первая электротехническая конференция по электроприводу.

6.6.3. РЕГУЛИРУЕМЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД – ПОИСК РЕШЕНИЙ

В период интенсивного перехода к индивидуальному электроприводу, который в России практически завершился к 1934 г., во всех новых производствах появилось большое количество различных типов электроприводов.

Если в нерегулируемом электроприводе малой и средней мощности прочно заняли свое место и не уступили его до настоящего времени асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором, а в мощных электроприводах – синхронные двигатели, то регулируемые электроприводы были весьма разнообразны. Это было связано с ограниченными техническими возможностями средств управления, вследствие чего приходилось искать способы управления в свойствах собственно электродвигателей. Так, широко использовались двигатели постоянного тока с различными схемами возбуждения (независимой, параллельной, последовательной, смешанной) при реостатном регулировании или при ослаблении магнитного поля, асинхронные двигатели с фазным ротором, коллекторные двигатели переменного тока, двигатели Бушеро и т.п.

^{Рис. 6.37. Система Вард-Леонарда (система Г – Д)}

Наибольшее применение в регулируемых электроприводах средней и большой мощности в этот период и в дальнейшем нашла предложенная еще в конце XIX в. система Вард – Леонарда (генератор – двигатель), состоящая из нескольких электрических машин (рис. 6.37), но обладающая отличными регулировочными возможностями как в статике, так и в динамике. На основе этой системы удалось создать электропривод реверсивных прокатных станов. Первой такой установкой в СССР был электропривод блюминга мощностью 7000 л.с., выпущенный заводом «Электросила» в 1931 г. (рис. 6.38). Для питания двигателя был установлен трехмашинный агрегат, состоящий из асинхронного двигателя мощностью 3680 кВт и двух генераторов постоянного тока мощностью по 3000 кВт. Система управления, разработанная ХЭМЗ, решала задачи автоматического управления магнитным полем генераторов и двигателей, моментом асинхронных двигателей и т.п.

^{Рис. 6.38. Главный двигатель прокатного стана}

6.6.4. ИНДИВИДУАЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСТАНОВКАХ

Индивидуальный электропривод сыграл большую роль в развитии и совершенствовании многих технологических машин и агрегатов. Это осуществлялось главным образом за счет приближения двигателя к рабочему органу и исключения благодаря этому значительной части громоздких механических передач, а также за счет перехода от механического к электрическому управлению скоростью. Ниже показано несколько примеров эволюции привода и кинематики механизмов ряда технологических агрегатов [6.54]: текстильной центрифуги (рис. 6.39), цементной печи (рис. 6.40), рольганга (рис. 6.41), фрезерного станка (рис. 6.42) [6.58]. Эти примеры свидетельствуют о серьезных упрощениях в конструкции агрегатов при одновременном повышении функциональных возможностей, производительности и качества технологического процесса, снижении потерь электроэнергии.

^{Рис. 6.39. Видоизменение одиночного электропривода текстильной центрифуги}

^{Рис. 6.40. Видоизменение передач между двигателем и цементной печью}

^{Рис. 6.41. Эволюция электропривода рольганга} 

Так, опыты, проведенные на трех аналогичных токарных станках, показали, что при непосредственном приводе шпинделя от двигателя удельная производительность составила 13,4, при приводе через зубчатые колеса 8,3 и через ступенчатые шкивы – 7,4 кг/кВт∙ч [6.54]. При переходе в одном из типов прядильных машин к многодвигательному индивидуальному электроприводу производительность выросла на 40–100% при уменьшении потребления энергии на 20–40% и снижении численности персонала на 60% [6.54, 6.58].

Еще больший эффект дает соединение электродвигателя с рабочим органом рабочей машины в одно единое целое: мотор – колесо транспортного средства, электрошпиндель, электроверетено, электроинструмент, ролик рольганга в виде наружного ротора двигателя со статором, размещенным внутри, и т.п. Это направление интеграции отдельных элементов в электромеханические модули, возникшее на ранней стадии освоения индивидуального электропривода, получило особенно убедительное развитие в последние годы.

Влияние электрического регулирования скорости на кинематику агрегата иллюстрируется на рис. 6.43 [6.58] применительно к сверлильному станку с механическим (а), электромеханическим – двухскоростной двигатель (б) и электрическим (в) регулированием скорости.

^{Рис. 6.42. Фрезерный станок с одиодвигательным (а) и трехдвигательным (б) приводом}

^{Рис. 6.43. Сверлильный станок с разными способами регулирования скорости} 

К началу 40-х годов электромеханическая часть индивидуального, в том числе многодвигательного электропривода, приобрела современные черты. Его характерной особенностью оставалось релейно-контакторное управление, хотя уже стали появляться системы непрерывного управления. К ним в первую очередь следует отнести рассмотренную ранее систему Г – Д, некоторые схемы электрического вала на асинхронных двигателях с фазным ротором, использованные на шлюзовых затворах, в ряде машин и станков.

6.6.5. АВТОМАТИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ В ЭЛЕКТРОПРИВОДЕ

Идеи автоматического управления, зародившиеся задолго до создания работоспособного электропривода (идеи Уатта – Ползунова и др.), в 30-е годы начали интенсивно развиваться применительно к электроприводу. Первые практические разработки в России относятся к автоматическому управлению подачей в ряде технологических агрегатов: врубовых машинах, металлорежущих станках, нажимных устройствах прокатных станов, салазковых пилах и т.п.[6.58].

В 1934 г. B.C. Вихманом была разработана отечественная версия системы копировального станка, основанная на фотоэлектрическом копировании по чертежу. В 1936 г. Т.Н. Соколов предложил новую систему электрокопирования по шаблону с электронно-ионным управлением, которая была реализована на станкостроительном заводе им. Я.М. Свердлова в 1940–1941 гг. Электроприводы подач копировальных станков явились первыми советскими следящими электроприводами.

В эти же годы появились и стали быстро развиваться другие принципы построения систем автоматического управления электропривода, основанные на применении замкнутых структур с использованием усилителей разных типов: машинных, электронно-ионных, несколько позже магнитных.

В 40-е годы особенно большое распространение получили различные электромашинные усилители (ЭМУ), основанные на предложенном К.И. Шенфером еще в 1929 г. метадине – машине постоянного тока с двойным комплектом щеток и особой конструкцией магнитной цепи. Первая отечественная система управления электропривода с ЭМУ, выполненным как генератор постоянного тока с несколькими обмотками возбуждения, опередившая аналогичные зарубежные устройства, была разработана в 1937 г. в ВЭИ.

В 1941 г. начала интенсивно развиваться военная электротехника, в частности специальные следящие электроприводы для управления орудийным огнем, радиолокации и т.п. Большую роль в создании новых, оригинальных специальных электроприводов сыграл завод № 627, руководимый А. Г. Иосифьяном, преобразованный затем в НИИ-627, а еще позднее во ВНИИЭМ, имеющий многочисленные филиалы по всей стране. ВНИИЭМ в последующие периоды играл определяющую роль в создании авиационной, судовой, ракетной и космической техники и, в частности, ряда уникальных разработок систем ориентации, электроприводов с бесконтактными электрическими машинами и др.

В середине 40-х годов были разработаны первые отечественные автоматические^v линии станков: для обработки головки блока цилиндров тракторного двигателя (ЭНИМС, завод «Станкоконструкция»), для обработки блока цилиндров двигателя грузового автомобиля (станкостроительный завод им. С. Орджоникидзе) и др. Появились первые заводы-автоматы с автоматизированными основными и вспомогательными производственными процессами.

6.6.6. ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ СО СТАТИЧЕСКИМИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ. ЗАВЕРШЕНИЕ РАЗВИТИЯ «ДОПОЛУПРОВОДНИКОВОГО» ЭЛЕКТРОПРИВОДА

В 1935 г. А. Г. Иосифьяном (ВЭИ) разработана первая версия электропривода с преобразователем на тиратронах, в 1939 г. в ВЭИ был создан регулируемый в большом диапазоне электропривод постоянного тока с питанием двигателя от тиратронного преобразователя или ртутного выпрямителя – прообраз широко распространенных сейчас регулируемых электроприводов по системе статический преобразователь – двигатель. Одним из первых его практических применений была шахтная подъемная машина, разработанная ВЭИ, ЛПИ и ХЭМЗ и пущенная в эксплуатацию в 1940 г.

С 1949 г. электроприводы с ртутными выпрямителями широко внедрялись в качестве главных приводов прокатных станов. К 1948–1950 гг. относится появление отечественных вентильных каскадов на прокатных станах с введением в цепь ротора главного асинхронного двигателя управляемого ртутного выпрямителя.

В 40–50-е годы формируются научно-исследовательские и проектно-конструкторские организации, внесшие весомый вклад в развитие отечественного электропривода. Это ВЭИ (регулируемые электроприводы широкого применения), ГПИ «Тяжпромэлектропроект» (электрооборудование металлургических производств), Центральный научно-исследовательский институт технологии машиностроения – ЦНИИТмаш (электропривод станов холодной прокатки), трест «Электропривод», позднее ВНИИэлектропривод (электропривод текстильных агрегатов, бумагоделательных и полиграфических машин, скоростных лифтов, экскаваторов), ЭНИМС (электроприводы металлорежущих станков), ВНИИЭМ (прецизионные электроприводы) и другие организации.

Практическая реализация электроприводов осуществлялась заводами «Электросила», ХЭМЗ, «Динамо», им. Я.М. Свердлова, им. С. Орджоникидзе и многими другими.

К середине 50-х годов сформировалась теория и практика «дополупроводникового» электропривода. Были созданы и получили широкое признание учебники по электроприводу: С.А. Ринкевича «Теория электропривода» (1938 г), А.Т. Голована «Электропривод» (1948 г.), Д.П. Морозова «Основы электропривода» (1950 г.), В.К. Попова «Основы электропривода» (1951 г.) и многие другие. Особенно следует отметить учебник М.Г. Чиликина «Общий курс электропривода», вышедший в 1953 г., выдержавший шесть изданий и внесший благодаря высокому уровню и доступности изложения весомый вклад в подготовку специалистов в СССР.

Стали общепринятыми основные технические решения – асинхронный с короткозамкнутым двигателем и синхронный электроприводы, если скорость не регулируется; электроприводы постоянного тока (система Г – Д, П – Д) или в отдельных случаях (краны и пр.) асинхронный электропривод с двигателем с фазным ротором, если нужно регулировать скорость или момент. В цепях возбуждения машин постоянного тока применялись ЭМУ, тиратронные выпрямители или магнитные усилители. Использовалось много разнообразных решений: магнитные усилители в цепи статора асинхронного двигателя, импульсное регулирование, машины двойного питания, электрический вал и т.п.

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.

^{Рис. 6.44. Преобразователь Ройера} 

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.

^{Рис. 6.45. Система тиристорный преобразователь – двигатель}

^{Рис. 6.46. Развитие электропривода}

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.

^{Рис. 6.47. Управление возбуждением крупных прокатных двигателей} 

^{Рис. 6.48. Система источник тока – двигатель} 

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.