Текст книги "История электротехники"

Автор книги: авторов Коллектив

сообщить о нарушении

Текущая страница: 38 (всего у книги 78 страниц) [доступный отрывок для чтения: 28 страниц]

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.

^{Рис. 6.49. Система тиристорный регулятор напряжения – асинхронный двигатель}

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.

В ЛЭТИ были развиты оригинальные идеи управления сложными взаимосвязанными электромеханическими объектами.

Большое внимание уделялось проблемам электромагнитной совместимости электропроводов с питающей сетью (ГПИ «Тяжпромэлектропроект»), в чем отражалось расширяющееся применение электропроводов с тиристорными преобразователями и современными средствами управления.

6.6.10. МИКРОПРОЦЕССОРЫ В ЭЛЕКТРОПРИВОДЕ

Создание в США на границе 60–70-х годов четырехразрядного однокристалльного микропроцессора INTEL 4004 и программируемого логического контроллера (ПЛК) PDP 14 ознаменовало новую эру в сфере управления электропривода. Уже в 70-е годы в мировой практике эти технические средства начали интенсивно вытеснять использовавшиеся ранее контактные и бесконтактные реле; к 80-м годам схему управления на восьми и более реле стало экономически целесообразно заменять ПЛК.

В сравнении с устройствами монтажной логики ПЛК обладает высокой гибкостью при отладке, он не зависит от объекта управления, снижает расходы на разработку, программирование, тестирование и запуск изделия, очень компактен, имеет высокую надежность, упрощает обслуживание системы привода. ПЛК может выполнять вычисления, обеспечивать регулирование, принятие решений, наблюдение за отработкой алгоритма управления.

В сравнении с мини-компьютером ПЛК существенно проще, он ориентирован на непосредственное общение с объектом управления. На рис. 6.51 показаны зоны рентабельного использования различных технических средств управления.

^{Рис. 6.50. Система подчиненного регулирования координат электропривода}

^{Рис. 6.51. Области рентабельного использования различных технических средств управления} 

По мере развития микропроцессорных средств управления и ПЛК изменялась информационная часть электропривода: резко, почти скачкообразно, наращивались функциональные возможности в управлении координатами, во взаимодействии нескольких систем между собой и с внешней средой, в детальной диагностике состояния и защите всех элементов привода от любых нежелательных воздействий.

6.6.11. СОВРЕМЕННЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД

Концептуальные изменения в развитие электропривода внесла новая элементная база силового канала – полностью управляемые ключи, появившиеся на рынке в последние. 6–7 лет, и средства управления ими. Фирмы «Тошиба», «Сименс» и др. выпустили силовые транзисторы IGBT на токи до 600 А, напряжение до 1200 В с частотами 30 кГц и выше. Эти приборы, объединенные в модули с встроенными быстрыми обратными диодами и управляемые указанными выше современными средствами, послужили основой для построения преобразователей частоты со структурой неуправляемый выпрямитель – LC-фильтр – автономный инвертор с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) (рис. 6.52), ставших основным техническим решением в регулируемом электроприводе переменного тока мощностью до 600 кВт. Преобразователи более мощных приводов строятся на полностью управляемых тиристорах GTO; в бытовых и других электроприводах низкого напряжения используются приборы MOSFET.

По прогнозам до 2002 г. европейский рынок регулируемых электроприводов на 68% будет состоять из приводов переменного тока, на 15 – из приводов постоянного тока, на 10 – из гидропроводов и на 7% – из механических приводов.

^{Рис. 6.52. Система преобразователь частоты ПЧ – асинхронный двигатель АД} 

Нетрадиционные электромеханические устройства (линейные, поворотные, планарные многокоординатные двигатели и т.п.) в сочетании с развитыми микропроцессорными средствами управления образуют электромеханические структуры, интегрированные в технологическое оборудование и создающие принципиально новый тип технологической среды.

Интенсивно осваиваются новые виды регулируемого электропривода – вентильно-индукторный, с другими нетрадиционными электрическими машинами. В микроприводе миниатюрных роботов применяются тонкопленочные диэлектрические двигатели.

В последние годы в мире отчетливо сформировалось и интенсивно реализуется тенденция перехода от нерегулируемого электропривода к регулируемому в массовых применениях: насосы, вентиляторы, конвейеры и т.п., благодаря чему резко повышается технологический уровень оборудования, экономятся значительные энергетические ресурсы.

Электропривод сформировался сегодня как система, осуществляющая управляемое электромеханическое преобразование энергии и состоящая в общем случае из электрического (ЭП), электромеханического (ЭМП) и механического (МП) преобразователей, образующих силовой канал, измерительных преобразователей (ИП), преобразующих информацию, и управляющих устройств, входящих в информационный канал (рис. 6.53).

^{Рис. 6.53. Структура современного электропривода} 

Электропривод обеспечивает механической энергией подавляющее большинство агрегатов, связанных с движением во всех сферах человеческой деятельности, и может в силу этого рассматриваться как главный поставщик механической энергии, полученной из электрической в результате электромеханического преобразования. Будучи управляемой системой, электропривод взаимодействует через информационный канал с системами управления более высокого уровня и служит для них силовым интерфейсом с технологическими процессами.

Практически все процессы в современной технологии, связанные с механической энергией и движением, осуществляются электроприводом. Исключения составляют лишь автономные транспортные средства (автомобили, самолеты, некоторые виды подвижного состава и судов), использующие неэлектрические двигатели и не имеющие электрических передач.

Столь широкое, практически повсеместное, распространение электропривода обусловлено особенностями электрической энергии – возможностью экономично передавать ее на любые расстояния, постоянной готовностью к использованию, легкостью превращения в другие виды энергии.

В приборных системах сегодня используются электроприводы мощностью в единицы микроватт, мощность электропривода компрессора на перекачивающей газ станции – десятки мегаватт, т.е. диапазон мощности современных электроприводов превышает 10. Такой же порядок имеет диапазон частот вращения: в установках для выращивания кристаллов полупроводников вал двигателя должен делать один оборот за несколько часов при жестких требованиях к равномерности движения, тогда как частота вращения шлифовального круга может достигать 150 000 об/мин.

Но особенно широк диапазон применений современного электропривода – от искусственного сердца до шагающего экскаватора, от вентилятора или насоса до антенны радиотелескопа, от стиральной машины до гибкой производственной системы. Именно эта особенность – теснейшее взаимодействие с обслуживаемой технологической сферой – оказывала и оказывает на электропривод мощное стимулирующее влияние, определяет его развитие и совершенствование.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

6.1. Blondel A. Complements a la theorie des alternaters a deux reactions // Rev. gen. dec, 1922. T. 12. P. 203,235.

6.2. Blondel A. Application de la methode de deux rections а l'etude des phenomenes oscillatories des alternateurs couples // Rev. gen. elec 1923. T. 13. P. 235, 275, 331, 387, 515.

6.3. Fortescue C. L. Method of Symmetrical Coordinates Applied to the Solution of Polyphase Networks // Trans. AIEE. 1918. Vol. 37. Pt. II. P. 1027–1140.

6.4. Вагнер К.Ф., Эванс Р.Д. Метод симметричных составляющих. Л – М.: ОНТИ, 1936.

6.5. Ku Y. H. Transient analysis of а. с. machinery // Trans. AIEE. 1929. Vol. 48. P. 707.

6.6. Чечет Ю.С. Электрические микромашины автоматических устройств. М.: Энергия, 1964.

6.7. Рюденберг Р. Явления неустановившегося режима в электрических установках. М.: ГОНТИ, 1931.

6.8. Ковач К. П., Рац И. Переходные процессы в машинах переменного тока. М.: Госэнергоиздат, 1963.

6.9. Park R.H. Two-reaction theory of synchronous machines // Trans. AIEE. 1929. Vol. 48. P. 716.

6.10. Горев А.А. Основные уравнения неустановившегося режима синхронной машины // Труды ЛПИ. 1936. №5.

6.11. Петров Г.Н. Трансформаторы. М.: ОНТИ, 1934.

6.12. Крон Г. Применение тензорного анализа в электротехнике. М.: Госэнергоиздат, 1955.

6.13. Казовский Е.Я. Переходные процессы в электрических машинах переменного тока. М.-Л.: Изд-во АН СССР, 1962.

6.14. Городский Д.А. Теория электрических процессов в синхронных машинах // Вестник электропромышленности. 1942. № 6.

6.15. Грузов Л.Н. Методы математического исследования электрических машин. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1953.

6.16. Иосифьян А.Г. Вопросы электромеханики. М.: Энергия, 1975.

6.17. Копылов И.П. Электромеханические преобразователи энергии. М.: Энергия, 1973.

6.18. Уайт Д.С., Вудсон ГГ. Электромеханическое преобразование энергии. М.: Энергия, 1964.

6.19. Лютер Р.А. Теория переходных режимов синхронной машины с применением операторного анализа. Л., 1939.

6.20. Урусов И.Д. Линейная теория колебаний синхронной машины. М.-Л.: Изд-во АН СССР, 1960.

6.21. Щедрин Н.Н. Токи короткого замыкания высоковольтных систем. Л. – М.: ОНТИ, 1935.

6.22. Страхов СВ. Переходные процессы в электрических цепях, содержащих машины переменного тока. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1960.

6.23. Янко-Триницкий А.А. Новый метод анализа работы синхронных двигателей при резкопеременных нагрузках. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1958.

6.24. Важное А.И. Переходные процессы в машинах переменного тока. Л.: Энергия, 1980.

6.25. Трещев И.И. Электромеханические процессы в машинах переменного тока. Л.: Энергия, 1980.

6.26. Веников В.А. Электромеханические переходные процессы в электрических системах. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1958.

6.27. Иванов-Смоленский А.В. Электромагнитные поля и процессы в электрических машинах и их физическое моделирование. М.: Энергия, 1969.

6.28. Мамиконянц Л.Г О переходных процессах в синхронных машинах с успокоительными контурами на роторе // Электричество. 1954. №7.

6.29. Глебов И.А., Шулаков Н.В., Крутяков Е.А. Проблемы пуска сверхмощных синхронных машин. Л.: Наука, 1988.

6.30. Копылов И.П. Электромагнитная Вселенная. М.: Изд-во МЭИ, 1995.

6.31. Трапезников В.А. Основы проектирования серий асинхронных машин. М.: ОНТИ, 1937.

6.32. Глебов И.А., Кашарский Э.Г, Рутберг Ф.Г. Синхронные генераторы кратковременного и ударного действия. Л.: Наука, 1985.

6.33. Сипайлов ГА., Хорьков К.А. Генераторы ударной мощности. М.: Энергия, 1979.

6.34. Сипайлов ГА., Лоос А.В., Чучалин А.И. Электромашинное генерирование импульсных мощностей в автономных режимах. М.: Энергоатомиздат, 1990.

6.35. Криогенные электрические машины / Под ред. Н.Н. Шереметьевского. М.: Энергоатомиздат, 1985.

6.36. Криогенная техника / Под ред. акад. АН УССР Б.И. Веркина. Киев.: Наукова думка, 1985.

6.37. Сверхпроводниковые электрические машины и магнитные системы / А.И. Бертинов, Б.Л. Алиевский, К.В. Илюшин, Л.К. Ковалев, B.C. Семенихин, М.: Изд.-во МАИ, 1993.

6.38. Глебов И.А., Данилевич Я.Б., Шахтарин В.Н. Турбогенераторы с использованием сверхпроводимости. Л.: Наука, 1981.

6.39. Чубраева Л.И. Генераторы нетрадиционного исполнения. Л.: Наука, 1991.

6.40. Данилевич Я.Б., Чубраева Л.И. Новые конструкции генераторов и проблемы их создания. Спб.: Наука, 1993.

6.41. Овчинников И.Е., Лебедев Н.И. Бесконтактные двигатели постоянного тока. Л.: Наука, 1979.

6.42. Аракелян А.К., Афанасьев А.А., Чиликин М.Г. Вентильный электропривод с синхронным двигателем и зависимым инвертором. М.: Энергия, 1977.

6.43. Балагуров В.А., Гридин В.М., Лозенко В.К. Бесконтактные двигатели постоянного тока с постоянными магнитами. М.: Энергия, 1975.

6.44. Овчинников И.Е. Теория вентильных электрических двигателей. Л.: Наука, 1985.

6.45. Вентильные двигатели и их применение на электроподвижном составе / Под ред. Б.Н. Тихменева. М.: Транспорт, 1976.

6.46. Глебов И.А. Системы возбуждения мощных синхронных машин. Л.: Наука, 1979.

6.47. Глебов И.А. Электромагнитные процессы систем возбуждения синхронных машин. Л.: Наука, 1987.

6.48. Глебов И.А. Научные основы проектирования систем возбуждения мощных синхронных машин. Л.: Наука, 1988.

6.49. Бабиков М.А. Электроаппаратостроение. М.: Госэнергоиздат, 1955.

6.50. Бабиков М.А. Современные электрические аппараты высокого напряжения. М.: Госэнергоиздат, 1950.

6.51. Теория конструкции выключателей / Под ред. Ч.Х. Флерштейна: Пер. с англ. Л.: Энергоатомиздат, 1982.

6.52. Основы теории электрических аппаратов / И.С. Таев, Б.Б. Буль, А.Г. Годжелло и др.; Под ред. И.С. Таева М: Высшая школа, 1982.

6.53. Нитгамер Ф. Электромоторы. Их работа и применение: Пер. с нем. М.: Гостехиздат, 1928.

6.54. Попов В.К. Основы электропривода. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1945.

6.55. Шателен М.А. Русские электротехники. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1950.

6.56. Чиликин М.Г., Сандлер А.С. Общий курс электропривода. М.: Энергоиздат, 1981.

6.57. Фокс Г. Практика электрического привода: Пер. с англ. / Под ред. В.Н. Попова. М – Л.: НТИ – КУБУЧ, 1934.

6.58. Голован А.Т. Электропривод (очерки по истории энергетической техники СССР). М.-Л.: Госэнергоиздат, 1955.

6.59. Вешеневский С.Н. Характеристики двигателей в электроприводе. 4-е изд. М.-Л.: Энергия, 1966.

Глава 7.
ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЯ

ВВЕДЕНИЕ

Начало развития электротехнологии принято отсчитывать от работ академика В.В. Петрова, который впервые исследовал электрическую дугу и указал на ее возможные области применения – для нагрева, плавки и восстановления из окислов металлов, а также для электролиза воды.

В XIX в. начались разработки электротехнологических установок различного назначения как чисто исследовательских, так и имеющих промышленное применение. Это работы таких ученых как М. Депре (Франция, 1849 г.) – печь сопротивления и дуговая печь, Пишон (Франция, 1853 г.) – дуговая печь косвенного действия для металлургии, В. Сименс (Англия, 1879 г.) – дуговые печи прямого и косвенного действия, О. Хэвисайд (Англия, 1884 г.), Н.Г. Славянов (Россия, 1888 г.) – дуговая электросварка, С.Томпсон (Англия, 1891 г.), Ивинг (Англия, 1892 г.), С. Ферранти (Италия, 1887 г.) – теория и практика индукционного нагрева и плавки.

Сильный импульс для развития электротехнологии дали многочисленные работы по получению алюминия, в ходе которых разрабатывались различные типы электротехнологических установок (ЭТУ): гарниссажная печь Ч.С. Брадли (США, 1883 г.), резистивные рудо-восстановительные печи прямого нагрева братьев А. и Е. Коулесс (США, 1884 г.), электролизные ванны П.Л.Т. Эру (Франция, 1886 г.) и Ч.М. Холл (США, 1886 г.). Однако эффективное развитие и применение ЭТУ стало возможным лишь с переходом от химических источников питания к источникам питания, основанным на законе электромагнитной индукции, т. е. с созданием мощных генераторов и увеличением производства электроэнергии (конец XIX – начало XX в.). С этого времени начали развиваться различные виды ЭТУ для осуществления разнообразных технологических процессов, в частности для получения и обработки качественных сталей, цветных и тугоплавких металлов, полупроводников, пластмасс и других материалов. На создание ЭТУ сильное влияние оказали развитие автомобилестроения, особенно в США, а позднее авиа– и ракетостроения, атомной промышленности и т.д.

Принято разделять электротехнологические процессы и соответствующие им ЭТУ на следующие классы:

электротермические процессы и установки (электрическая энергия преобразуется в теплоту, использующуюся в технологических процессах);

электросварочные процессы и оборудование (используется практически все тот же принцип нагрева, что и в электротермических установках);

электрофизические процессы и установки (использование различных физических эффектов для механической обработки, разделения и улавливания частиц и т. п.);

электрохимические процессы и установки (для получения различных веществ, размерной обработки, гальванотехники и электролиза);

Электротермические установки используют различные физические механизмы преобразования электрической энергии в тепловую. Соответственно выделяются следующие виды нагрева:

резистивный;

электродуговой;

индукционный (нагрев проводников в электромагнитном поле);

диэлектрический (нагрев диэлектриков в электромагнитном поле);

плазменный (нагрев потоком плазмы – ионизированного газа);

электронно-лучевой;

фотонный (нагрев с использованием лазера – лазерный).

Отметим, что если первые три вида нагрева известны с XIX в., а диэлектрический нагрев стали применять с 30-х годов XX в., то начало развития электронно-лучевого, плазменного и лазерного нагрева относится уже к 50–60-м годам XX в.

Историю развития электротехнологии целесообразно рассматривать в соответствии с приведенной классификацией.

По истории электротехнологии ранее опубликован ряд специальных работ, кроме того, в некоторых учебниках и монографиях по электротехнологии и электротермии имеются разделы, посвященные вопросам истории.

Авторы при написании данной главы использовали работы, целиком посвященные истории электротехнологии или имеющие соответствующие главы [7.1–7.23], а также оригинальные научные публикации и патенты.