История развития электрического привода как системы

Размещено на http://www.allbest.ru/

История развития электрического привода как системы, состоящей из электрических машин, аппаратов и преобразователей, а также устройств автоматического управления, которая позволяет осуществлять управляемую механическую работу при использовании электрической энергии, неразрывно связана с историей развития технических компонентов и теоретических основ создания и применения такой системы. Занимаясь решением текущих и перспективных задач создания электроприводов, методически важно хорошо представлять основные вехи на пути становления этой актуальнейшей сегодня отрасли науки и техники. В представляемом сообщении в самом общем виде представлены эти аспекты истории электропривода, их проекция на сегодняшний день и перспективу.

История развития электропривода

Возможность создания электрического двигателя была обусловлена успехами в области электромагнетизма. Еще в 1824 г. Ф. Араго открыл явление, названное им «магнетизмом вращения». При вращении магнита приходил в движение медный диск, расположенный над этим магнитом.

Первый электродвигатель постоянного тока, с помощью которого был осуществлен электропривод, обеспечивший движение катера вверх по р. Неве, был построен в 1834--1838 гг. петербургским академиком Б.С. Якоби.

Практически применимые двигатели постоянного тока широко демонстрировались на выставках в Вене (1873 г.), Париже (1881 г.), Мюнхене (1882 г.). К этому же времени относятся сведения о промышленном использовании электроприводов с такими двигателями, чему в значительной мере способствовало созданию в 80-е гг. электропередач постоянного тока напряжением до 6000 В.

К первым применениям электропривода постоянного тока относятся электрическая железная дорога и ткацкий станок, демонстрировавшийся на промышленной выставке в Берлине (1879 г.), первый электрический трамвай Ф.А. Пироцкого (1880 г.), электрические швейные машины и вентиляторы В.Н. Чиколева (1882-1886 гг.), артиллерийские механизмы на русских судах «Россия» и «Веста» (1887 г.). В 1890-1892 гг. появляются судовые электрические подъемники и рулевые механизмы, металлургические машины на ряде американских заводов, оборудованные электроприводами постоянного тока с полуавтоматическим управлением посредством контакторов, командоконтроллеров и т.п.

Условия для развития массового электропривода переменного тока создались лишь в конце XIX в. В 1879 г., совершенствуя опыт Ф. Араго с вращением магнитного поля, В. Бейли сделал устройство, в котором пространственное перемещение магнитного поля осуществлялось за счет поочередного намагничивания четырех электромагнитов, расположенных по периферии круга. Намагничивание проводилось импульсами постоянного тока специальным переключателем, рукоятка которого приводилась во вращение от руки. Устройство В. Бейли не нашло практического применения и осталось физическим прибором, наглядно демонстрирующим превращение электрической энергии в механическую. Необходимо было устранить вращающийся переключатель и получить эффект магнитного поля при помощи переменных токов.

Ряд ученых (Депре, Борель, Шаленбергер и др.) пытались решить указанную задачу, но наиболее успешными были работы Н. Теслы и Г. Феррариса, опубликовавших результаты своих исследований в 1888 г. и создавших двухфазные асинхронные двигатели с вращающимся магнитным полем. У двигателя Г. Феррариса статор был выполнен в виде двух взаимноперпендикулярных катушек, питаемых переменными токами, сдвинутыми на 90 эл. градусов, а ротор был изготовлен в виде медного цилиндра. Мощность двигателя составляла около 3 Вт, скорость вращения - около 650 об/мин. Г.Феррарис сам считал, что его двигатель может использоваться лишь для учебно-демонстративных целей.

Н. Тесла создал опытные образцы двухфазных двигателей, а фирма «Вестингауз», купившая его патенты, даже наладила промышленное производство двигателей, но весьма ограниченное из-за несовершенства их конструкции. Обмотка статора в двигателях Н. Теслы выполнялась в виде катушек, насаженных на выступающие полюса, а ротор был выполнен в виде барабана с двумя взаимно-перпендикулярными замкнутыми на себя катушками.

На свои изобретения в области многофазных систем Н. Тесла получил 41 патент, он предлагал способы получения трехфазной системы, но был убежден в преимуществах двухфазной системы.

Ряд других ученых того времени (Бредли, Хазельвандер) показывали возможность получения трехфазных систем токов, но прорыв в этой области был сделан М.О. Доливо-Добровольским.

Уже весной 1889 г. были испытаны сконструированные М.О. Доливо-Добровольским трехфазный асинхронный двигатель и трехфазный одноякорный преобразователь. В марте того же года М.О. Доливо-Добровольский от имени фирмы АЭГ, в которой он работал, подает в патентное ведомство заявку на трехфазную систему, по которой он получает лишь частичный патент на «якорь для двигателя переменного тока». В этом патенте описаны различные конструкции короткозамкнутых роторов в виде «беличьей клетки».

Ротор для уменьшения магнитного сопротивления изготавливался стальным, а в выполненные по периферии цилиндра отверстия закладывались медные стержни. На лобовых частях ротора эти стержни соединялись друг с другом. Доливо-Добровольским практически была разработана трехфазная система при соединении обмоток генератора и двигателя в звезду и в треугольник. Первый асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором развивал мощность 100 Вт. Вслед за ним был сделан двигатель на 3,7 кВт. В декабре 1890 г. Доливо-Добровольский подал заявку на изобретение асинхронного двигателя с фазным ротором. В 1890 г. он изобрел и трехфазный автотрансформатор, который использовал при пуске асинхронных двигателей. Фирма АЭГ стала изготавливать сравнительно крупные асинхронные двигатели. В 1893 г. на Международной выставке в Чикаго демонстрировался двигатель мощностью 40 кВт при напряжении 110 В и скорости вращения 725 об/мин. Доливо-Добровольский разработал много различных конструкций трехфазных асинхронных двигателей. Среди них были двигатели с кольцевой, а затем с барабанной обмотками на статоре, с двойной «беличьей клеткой» на роторе и др.

В 1891 г. Доливо-Добровольский сделал трансформатор с расположением стержней в одной плоскости, т.е. в той форме, которая сохранилась до настоящего времени.

В 1891 г. на Международной электротехнической выставке во Франкфурте демонстрировалась работа асинхронного двигателя с мощностью 75 кВт, приводившего в действие водопад. Впервые был выполнен весь электротехнический комплекс. В г. Лауфен была построена гидроэлектростанция. Вал турбины мощностью 304 л.с. посредством конической зубчатой передачи вращал трехфазный синхронный генератор. Через распределительный щит с измерительными приборами, предохранителями, токовыми защитными реле напряжение подавалось на повышающие трансформаторы, и при напряжении 15 кВ электрическая энергия передавалась по воздушной линии во Франкфурт (на расстояние 170 км). На территории выставки были установлены понижающие трансформаторы. В том же павильоне экспонировались двигатель 0,1 л.с. с вентилятором на валу и двигатель мощностью 2 л.с., приводивший в движение генератор постоянного тока с ламповой нагрузкой. Доливо-Добровольскому удалось продемонстрировать эффективную передачу электроэнергии на большие расстояния, ее распределение и работу электропривода. С 90-х гг. широкое распространение на промышленных предприятиях получил электропривод, в котором использовался асинхронный электродвигатель с фазным ротором для сообщения движения исполнительным органам рабочих машин.

Конец XIX-начало XX в. характеризуется строительством электрических станций и развитием электрических сетей. Несомненные экономические преимущества централизованного производства электроэнергии и простота ее распределения привели к тому, что электродвигатель, постепенно вытесняя другие виды двигателей, занял первое место во всех отраслях промышленности.

Суммарная мощность электродвигателей по отношению к мощности двигателей всех типов, применяемых в промышленности, составляла в 1890 г. 5 %. В последующие годы происходило ускоренное развитие электропривода: за период 1905-1913 гг. потребление энергии электроприводом увеличивалось в 6,5 раза быстрее, чем ее потребление электрическим освещением; в 1913 г. 68,5 % всей полезно отпущенной электроэнергии поглощалось промышленным электроприводом.

В этот период времени на замену использовавшемуся ранее групповому приводу с паровым или гидравлическим первичным двигателем и механическим распределением энергии с помощью ремней и канатов сначала пришел групповой электропривод. В то же время применение электродвигателей коренным образом сказалось на конструкции самих производственных механизмов. Прежде всего, это проявилось в отказе от трансмиссионного электропривода и переходе к индивидуальному и взаимосвязанному электроприводам.

В целом к 1917 г. промышленность России явилась основным потребителем электрической энергии (доля потребления на механические процессы составляла 75-88 %). В силу высокой концентрации промышленности это были крупные потребители, для которых наиболее рациональным было электроснабжение от мощных районных электростанций. Достигнутый к этому времени уровень развития электростанций при их рациональном использовании давал возможность электрифицировать всю довоенную промышленность. Именно это обстоятельство явилось основой для разработки в новых социальных условиях первого перспективного плана электрификации России.

Уже в первые годы советской власти были созданы предпосылки к широкому развитию научно-исследовательских работ, способствовавших внедрению электропривода в различные отрасли отечественной промышленности. Начинается интенсивное развитие отрасли отечественных научных школ в области электропривода.

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.

В нерегулируемом электроприводе малой и средней мощности прочно заняли свое место и не уступили его до настоящего времени асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором, в мощных электроприводах - синхронные двигатели. Ограниченные технические возможности средств управления заставляли специалистов искать способы управления регулируемыми электроприводами 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.

Индивидуальный электропривод способствовал развитию и совершенствованию многих технологических машин и агрегатов, главным образом, за счет исключения значительной части громоздких механических передач, а также за счет перехода от механического управления скоростью к электрическому. Индивидуальный электропривод позволил серьезно упростить конструкции агрегатов при одновременном повышении функциональных возможностей, производительности и качества технологического процесса, снижении потерь электроэнергии.

В 30-е гг. XX в. начали интенсивно развиваться идеи автоматического управления электроприводами. Первой практической разработкой явилось автоматическое управление подачей в ряде технологических агрегатов: врубовых машинах, металлорежущих станках, нажимных устройствах прокатных станов, системах загрузки доменных печей, бумагоделательных машинах и т.п.

В эти же годы появились и стали быстро развиваться принципы построения систем автоматического управления электропривода, основанные на применении замкнутых структур с использованием усилителей разных типов: электромашинных, электронных и в дальнейшем магнитных. Широкое применение усилителей позволило осуществить непрерывное управление и обеспечить формирование переходных процессов в электроприводах большого числа механизмов с плавным и большим диапазоном регулирования скорости.

К середине 50-х гг. сформировалась теория и практика «дополупроводникового» электропривода. В эти годы в США созданы основы современной теории электромеханического преобразования энергии на основе обобщенной машины, получившие впоследствии широкое использование в практике разработки управляемого электропривода.

Революционное влияние на развитие электропривода оказали разработка и производство полупроводниковых приборов. Наряду с системой Г - Д все шире используется более быстродействующая система тиристорный преобразователь - двигатель (ТП -- Д).

Основой для ее создания в послевоенные годы послужил прорыв В области силовой электроники, который кардинально изменил наряду с другими сферами техники и электропривод.

Радикальное воздействие на электропривод 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 перейти на управляемые тиристорные выпрямители как в цепях возбуждения, так и в силовых цепях электроприводов постоянного тока.

С середины 60-х гг. система ТП - Д стала практически единственным техническим решением для регулируемого электропривода малой и средней мощности; тиристорные возбудители активно вытеснили другие устройства в цепях возбуждения мощных электроприводов.

В 70-е гг. получили развитие начатые еще в начале 40-х гг., работы в области частотно-регулируемого электропривода. Опубликованные в начале 70-х гг. работы Ф. Блашке (ФРГ) положили начало созданию систем асинхронного электропривода с ориентацией по магнитному полю с так называемым векторным управление м.

Новую эру в сфере управления электроприводами ознаменовало создание в США на границе 60-70-х гг. четырехразрядного однокристального микропроцессора INTEL 4004 и программируемого логического контроллера (ПЛК) РDР 14. Уже в 70-е гг. в мировой практике эти технические средства начали интенсивно вытеснять использовавшиеся ранее контактные и бесконтактные реле; к 80-м гг. схему управления на восьми и более реле стало экономически целесообразно заменять ПЛК.

В сравнении с устройствами монтажной логики ПЛК обладает высокой гибкостью при отладке, 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 производить вычисления, обеспечивать регулирование, принятие решений, наблюдение за отработкой алгоритма 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.

Первые годы ХХI в. характеризуются продолжением интенсивного развития, повышением эффективности и существенным расширением областей использования электропривода.

Это обеспечивается взаимосвязанным развитием теории электропривода, средств электропривода и технологии его применения.

К настоящему времени фактически завершился массовый переход на цифровую элементную базу в электроприводе. Универсальные и специализированные микроконтроллеры применяются практически во всех разработках электроприводов, в том числе и электроприводов общепромышленного применения. При этом многие проблемы синтеза систем управления рассматриваются иначе, разрабатываются новые алгоритмы, позволяющие реализовать практически любые сложные законы регулирования, ранее считавшиеся нерациональными, обеспечить новые потребительские свойства, такие как адаптацию под новые или изменяющиеся условия применения, самонастройку и оптимизацию регуляторов, контроль, диагностику и удобное для пользователя дистанционное или местное управление. Большое внимание уделяется точности математического описания процессов в электроприводе, в том числе с учетом насыщения магнитной цепи двигателя (особенно двигателей с изменяемым магнитным сопротивлением).

Литература

история электропривод тесла

1. Чиликии М.Г., Сандлер А.с. Общий курс электропривода: учебник для вузов. - М.: Энергоиздат, 1981. - 576 с.

2. История электротехники / под ред. И.А. Глебова. - М.: Издательство МЭИ, 1999. - 524 с.

3. Попов В.К. Основы электропривода. - М.-Л.: Госэнергоиздат, 1945. -672 с.

4. Уайт Д.С., Вудсон Г.Г. Электромеханическое преобразование энергии. - М.: Энергия, 1964.

Размещено на Allbest.ru