www.mexanik.ru

ВВЕДЕНИЕ

Современное техническое состояние промышленности и транс­порта определяется их высокой энерговооруженностью, где решающая роль принадлежит электрическим машинам: практически вся электроэнергия производится на электростанциях турбо- и гидрогенераторами, а большая часть электрической энергии преобразуется в механическую с помощью электродвигателей. Велика роль электрических машин и в устройствах автоматического управления, где применяются различного вида микромашины: сельсины, поворотные трансформаторы, тахогенераторы и др.

В настоящее время в Советском Союзе ежегодно выпускается примерно 10 млн. электрических машин, и с каждым годом объем выпуска машин растет.

В директивах XXVII съезда КПСС, постановлениях Пленумов ЦК КПСС и в перспективных планах предусматриваются темпы роста выпуска электрических машин значительно более высокие, чем темпы роста промышленного производства в среднем.

Стройная теория электрических машин впервые была изложена в начале XX в. в книгах профессора Дерптского университета Э. Арнольда. В частности, его книга «Машины постоянного тока», написанная в соавторстве с И. Л. Лакуром, была переведена на русский язык и выпущена в 1931 г. Гостехиздатом.

Известный югославский электротехник М. Видмар предложил рассматривать все электрические машины на базе теории трансформатора 1. Этот методический прием используется в большинстве современных учебников [1,3, 7].

В 20-х годах Р. Рихтером был написан пятитомник «Электрические машины», являющийся энциклопедией по теории и расчету электрических машин. Все книги были переведены на русский язык и изданы в СССР в 1935—1936 гг.

Большое влияние имели книги М. Лившица, особенно те, в которых описывались методы расчета электрических машин 2.

Советские ученые М. П. Костенко, Л. М. Пиотровский, А. Е. Алексеев, А. И. Вольдек, Г. Н. Петров, К. И. Шенфер и ряд других создали первоклассные учебники по теории электрических машин, в которых были усовершенствованы методика изложения и включены новые достижения советской науки, полученные как лично авторами, так и другими инженерами и учеными: В. Т. Касьяновым, Р. А. Лютером, А. И. Иоффе и др.

Промышленные электрические машины начали выпускаться в 1860—1870 гг., чему предшествовал 30-летний период их разработки, после фундаментальных открытий М. Фарадея (закона электромагнитной индукции и превращения электрической энергии в механическую).

Исторически первыми появились машины постоянного тока, промышленное освоение которых началось после изобретения замкнутой обмотки кольцевого якоря (А. Пачинотти, 3. Грамм) и электромагнитного возбуждения (В. Сименс).

Примерно до 1890 г. была эра машин постоянного тока, хотя началось освоение и переменного тока: в 1876 г. П. Н. Яблочков построил первый трансформатор и использовал переменный ток для освещения. Примерно через десять лет трансформатор получил свою современную форму (братья Д. и Э. Гопкинсоны и М. Дэри), а затем появились и асинхронные двигатели (Г. Феррарис, Н. Тесла).

Решающее влияние на борьбу систем постоянного и переменного тока оказали предложенные М. О. Доливо-Добровольским система трехфазного тока в 1889 г. и трехфазный асинхронный двигатель (1890 г.). Эти изобретения особенно четко выявили преимущества системы переменного тока в производстве электроэнергии, передаче электроэнергии на большие расстояния при повышенном напряжении (с повышением напряжения в начале линии передачи и снижением его в конце линии с помощью трансформатора), преобразовании электрической энергии в механическую с помощью дешевых и надежных асинхронных двигателей.

Начало XX в. ознаменовалось победой системы переменного тока, несмотря на то, что машины постоянного тока тоже усовершенствовались: появились добавочные полюса и компенсационная обмотка.

Машины переменного тока (синхронные генераторы) заняли место на электростанциях. По пути между электростанциями и потребителями электроэнергия многократно (3—5 раз) преобразуется с помощью трансформаторов и, наконец, асинхронные двигатели приводят во вращение металлообрабатывающие станки, вен­тиляторы, насосы и т. п.

Однако и машины постоянного тока не были вытеснены окончательно. Они оказались необходимы при работе от аккумуляторов (например, на подводных лодках), для электролиза и зарядки батарей требовались генераторы постоянного тока. Кроме того, в сложных системах электропривода (в прокатных станах, крановых и тяговых двигателях), где требуется регулирование скорости в широких пределах, двигатели постоянного тока также оказались вне конкуренции.

В 20-е годы нашего столетия появились ртутные выпрямители, которые стали широко применяться на установках для электролиза, на тяговых подстанциях и в некоторых других областях промышленности, вытеснив генераторы постоянного тока. К этому же времени относятся первые попытки заменить коллекторные двигатели постоянного тока бесколлекторными машинами переменного тока, работающими от статических преобразователей частоты. Появляются первые схемы вентильных двигателей и разрабатывается теория частотного регулирования, в которую большой вклад внесли советские ученые М. П. Костенко, Д. А. Завалшиин, Б. Н. Тихменев, А. А. Булгаков, Е. Л. Этингер и др. Однако практические результаты были более чем скромными: статические преобразователи на ионных вентилях — игнитронах и тиратронах — оказались очень сложными и ненадежными в работе и их серийное производство не удалось наладить ни одной фирме в мире. Применение ртутных выпрямителей также было ограниченным из-за сложности эксплуатации и необходимости соблюдения строгих мер безопасности от возможного отравления ртутью.

В 1955—1958 гг. появились мощные полупроводниковые вентили — диоды и тиристоры, которые почти вытеснили ртутные выпрямители. Применение полупроводниковых диодов в выпрямителях сделало их очень надежными и почти не нуждающимися в обслуживании. Это привело к широкому распространению выпрямителей и замене ими генераторов постоянного тока.

Даже на тепловозах и автомобилях, где необходим постоянный ток, оказалось более выгодным применение синхронного генератора и полупроводникового выпрямителя вместо генератора постоянного тока.

Появление управляемых вентилей — тиристоров создало предпосылки для замены двигателей постоянного тока бесколлекторными, т. е. возродило мечту о частотном регулировании асинхронных и синхронных двигателей. Ученые, изобретатели и другие энтузиасты занялись разработкой различных видов бесколлекторных машин с преобразователями частоты. Однако и тиристорные преобразователи частоты оказались слишком сложными устройствами. С од­ной стороны, они существенно увеличили стоимость электропривода, а с другой — уменьшили его надежность. В связи с этим тиристорные преобразователи частоты не нашли широкого распространения при частотном регулировании скорости двигателей, хотя имеются многочисленные опытные образцы и мелкие серии (мотор-вагоны фирмы «Сименс», двигатели подруливающих устройств судов и т. д.).

Видимо, электропривод с частотным регулированием может получить распространение только после создания следующего поколения полупроводниковых вентилей — мощных силовых транзисторов и других полностью управляемых вентилей. Такое предположение основано на том, что уже сейчас с успехом применяются транзисторные преобразователи частоты для регулирования частоты вращения бесколлекторных микродвигателей.

Однако даже тогда, когда будут разработаны надежные и экономичные преобразователи частоты, машины постоянного тока (и в первую очередь двигатели) сохранят свое значение, так как электропривод постоянного тока значительно дешевле, чем частотно-регулируемый привод. Многочисленные технико-экономические расчеты показали, что при мощности от 100 до 2000 кВт асинхронный двигатель получается в 2 раза дешевле и на 15... 20 % легче, чем двигатель постоянного тока. Но стоимость преобразователя частоты в несколько раз перекрывает экономию в стоимости двигателя. Возрастают и эксплуатационные расходы, главным образом из-за большой стоимости запасных частей (тиристоров) и увеличения расхода электроэнергии. По данным швейцарской фирмы ВВС, коэффициент полезного действия электропривода с преобразователем частоты на 5... 8 % ниже, чем у привода с двигателями постоянного тока, из-за многократного преобразования энергии.

Можно предположить, что частотное регулирование с бескол­лекторными двигателями будет применяться в экстремальных уловиях, где отсутствие коллектора дает преимущества, перевешивающие все недостатки системы с преобразователями частоты; на­пример, для регулирования скорости погружных двигателей (в артезианских скважинах, нефтепроводах), при взрывоопасных условиях.

Развитие полупроводниковых преобразователей, с одной стороны, ограничило применение генераторов и создало конкуренцию для двигателей постоянного тока, но, с другой стороны, появление простых и надежных выпрямителей расширило сферу применения двигателей постоянного тока. К тому же разработан высокоэкономичный импульсный метод регулирования постоянного тока, позволяющий применять безреостатный пуск двигателей постоянного тока. И система с управляемым выпрямителем, и система с импульсным регулированием позволяют создать бесконтактный автоматизированный электропривод с высокой надежностью.

Потребность в машинах постоянного тока год от года растет и, очевидно, будет расти все более высокими темпами.


1Cм.: Видмар М. Теория и работа электрических машин. М., Гостехиздат, 1930.

2См.: Лившиц М. Электрические машины. Т. 3. М., ОНТИ, 1936.


Назад, на страницу описания