3. Электр жетегінің қысқаша тарихы

Электр жетегінің даму тарихы электр машиналарының, аппараттардың, түрлендіргіштердің және басқару құрылғыларының мақсатты түрде табиғи байланысқан үйлесімі және электр жетегін түзетін бөліктерден бастау алады. Сонымен қатар, электр жетегінің энергияны басқарылатын электрмеханикалық түрлендіруді іске асыратын жүйе ретінде өз тарихы бар.

Электр жетегінің дамуы XIX ғасырдың бірінші жартысында жұмыс істеуге қабілетті электр қозғалтқыштардың үлгілерін жасаумен басталды. Электр жетегіне тән элементтермен: механикалық беріліс, басқару бөліктері және с.с. жабдықталған тұрақты ток электр қозғалтқышын іс жүзінде пайдалану 1834-1838 ж. басталды. Онда Нева өзенінің ағысына қарсы қайықтың жүзуі іске асырылды және бұл жұмыс академик Б.С. Якоби атымен байланысты болды. Жұмыс әлемдік белгілік алды, бірақ сол кездегі техникалық құралдардың, ең бастысы қоректену көзі-гальваникалық батарея жетілмегендігінен жарқын өнертапқыш Б.С. Якоби және оның ізбасарларының жұмыстары кең практикалық қолдану таба алмады. Тек XIX ғасырдың 70 жылдары ғана, практика жүзінде қолдануға болатын тұрақты ток қозғалтқыштары әзірленіп Вена, Париж, Мюнхен көрмелерінде көрсетілді.

Көпшілік электр жетегінің дамуы үшін қажетті жағдайлар XIX ғасыр аяғында 1886 жылы Г.Феррарис пен Н.Тесла ашқан айналмалы магнит өрісі құбылысы арқасында жасалды.

Бұл, айнымалы токтың көп фазалы электр қозғалтқыштарын жасаудың басын ашты және оған ең басты себеп М.О. Доливо-Добровольскийдің атақты жұмыстары болды. Ол 1888 жылы айнымалы ток электр энергиясын берудің үш фазалық жүйесін ойлап тауып, ұсынып іске асырды. 1889 жылы статор орамасы таратылған, роторы ақтиын дөңгелегі тәріздес қысқа тұйықталған үш фазалы асинхронды қозғалтқышты әзірлеп шығарды.

XIX ғасырдың соңы XX ғасырдың басы электр станцияларын салумен, электр желілерінің дамуымен сипатталады. Электр энергиясын орталықтан өндіру және бөліп тарату өндірістік электр жетегін жасаудың негізін қалады.

Бұрынғы пайдаланып жүрген айыл, арқан көмегімен энергияны механикалық жолмен бөліп тарататын бу немесе су қозғалтқыштары бар топтық жетек орнына топтық электр жетегі келді. Ол жабдықтардың жалпы жайғасуын өзгертпей-ақ әрбір фабрикадағы жеке жылу станциясының, бу қазандарының немесе су доңғалақты гидростанциясының болуын керексіз етіп, орталықтандырылған электр жабдықтауға - электр желілеріне негізделді.

Бұл жаңа енгізулер алғашында көпшілікте жете түсінбеушілік туғызды, себебі жабдықтар күрделеніп қымбаттай түсті, энергияны сымдар бойынша едәуір қашықтыққа жеткізгенде елеулі шығасылар болды.

Одан да артық жете түсінбеушілік және қарсылық XX ғасырдың басында жеке, дербес электр жетегіне көшу туралы болды, яғни энергияны механикалық жолмен бөліп таратуды электрлік жолмен ауыстыру, электр қозғалтқышты жұмысшы машинаға жақындату түсінбеушілік туғызды. Мұндай шешімдердің жағымды мысалдары болуына қарамастан XX ғасырдың бірінші ширегі топтық және дербес электр жетегі жақтастары арасындағы күреспен өтті.

25 жылдан артық созылған топтық және дербес электр жетегі жарысының табиғи нәтижесі соңғының барлық жаңадан салынған кәсіпорындарда толық жеңісімен қорытындыланды.

Осылай, электр жетегі механикалық жетектің барлық түрін ығыстырып шығарды. Мысал үшін, электр қозғалтқыштардың қуаты жалпы орнатылған қозғалтқыштардың қуатының 1890 жылы 5 % құраса, 1927ж. - 75%, 1950 ж. - 100% жетті.

Жаңа салынған кәсіпорындарда электр жетегінің көптеген әр түрлері пайдаланыла бастады. Аздау және орта қуатты реттелмейтін электр жетектерінде қысқа тұйықталған роторлы асинхронды қозғалтқыштар, ал үлкен қуатты электр жетегінде синхронды қозғалтқыштар орын алды. Реттелетін электр жетегі әр-түрлі болып қалыптасты: реостаттық реттегенде немесе магнит өрісін әлсіреткенде қоздыру сұлбалары әр түрлі: тәуелсіз, параллель, тізбектей, аралас тұрақты ток қозғалтқыштары кеңінен пайдаланылды, сондай-ақ фазалы роторлы асинхронды қозғалтқыштар, айнымалы токтың коллекторлық қозғалтқыштары қолданыс тапты.

Орташа және үлкен қуатты реттелетін электр жетектерінде XIX ғасырдың соңында Вард-Леонарда ұсынған жүйе (генератор-қозғалтқыш) көп қолданылды. Жүйе бірнеше электр машиналарынан құралғанымен статика да болсын, динамика да болсын өте жақсы реттеуші мүмкіндіктері болды.

Дербес электр жетегі көптеген технологиялық машиналармен агрегаттардың дамуына, жетілдіруіне үлкен ықпал жасады. Ал, мұның өзі ең бастысы қозғалтқышты жұмысшы бөлікке жақындату арқылы, рабайсыз механикалық берілістерді жою арқылы, жылдамдықты басқарудың механикалық жолынан электрлік әдіске көшу арқылы іске асырылады.

Жұмысқа қабілетті электр жетегін жасағанға дейінгі туындаған автоматты басқару идеясы (Уатт-Ползунов идеясы) 1930 жылдардан бастап электр жетектеріне бейімделіп қарқынды дамыды.

1940 жылдары дербес электр жетегінің электрмеханикалық бөлімі, соның ішінде көп қозғалтқышты электр жетектер қазіргі сипаттарын ала бастады. Олардың ерекшеліктері болып релелік-контакторлық басқару қала берді, дегенмен әр түрлі машиналық, электронды-иондық, магниттік күшейткіштер: пайдаланылатын тұйық құрылымдар қолданылатын үзіліссіз басқару жүйелері енгізіле бастады.

1941 жылдан бастап әскери электр техникасы, атап айтқанда, зеңбірек атысын, радиолакация қозғалысын басқаруға арналған қадағалаушы арнаулы электр жетектері қарқынды дами бастады.

40 жылдардың ортасында трактор, автомобиль қозғалтқыштарының цилиндр блоктарын өңдейтін станоктардың алғашқы автоматты желілері әзірленді, негізгі және көмекші өндірістік процестері автоматтандырылған завод-автоматтар пайда болды.

1935 жылы, қазіргі кең таралған статикалық түрлендіргіш – қозғалтқыш жүйесі бойынша реттелетін электр жетектердің алғашқы түрлері тиратрон түрлендіргішті электр жетектер шығарыла бастады. 1949 жылдан бастап прокаттық стандардың басты жетегі ретінде сынап түзеткіштері бар электр жетектері кеңінен ендіріледі.

1948-1950 жылдары практикалық стандардың бас асинхронды қозғалтқышының ротор тізбегіне басқарылатын сынап түзеткіш енгізілген вентильдік каскадтар шығарылды. Осы жылдары электр жетегінің дамуына салмақты үлес қосқан ғылыми-зерттеу және жобалау-конструкторлық ұйымдар қалыптасты.

1950 жылдардың ортасында электр жетегінің теориясы мен практикасы қалыптасып, бірнеше оқулықтар жарық көрді. 1953 жылы баспадан шыққан М.Г. Чиликин «Общий курс электропривода» алты рет қайталап шығарылып, мамандар дайындауға салмақты үлес қосты.

АҚШ-та жинақты машина негізінде энергияны электр механикалық түрлендіру теориясының негізі қаланды, ол теория соңынан басқарылатын электр жетегін дайындау практикасында кеңінен пайдаланылды.

Соғыстан кейінгі жылдары әлемнің жетекші зертханаларында күштік электроника саласында алға шығу болды, ол дегеніңіз техниканың көп саласын түбегейлі өзгертті, атап айтқанда, электр жетегінде де айтарлықтай өзгеріс болды. 1948 жылы Дж Бардин мен В.Браттейн (АҚШ) алғашқы транзисторларды шығарды. Электр жетегі техникасына транзисторлар негізінде жасалған электрондық басқарылатын кілттер енгізіле бастады.

1955 жылы Дж. Молл, М.Танненбаум, Дж. Голдей және Голоньяк (АҚШ) күш салумен жасалған қуатты жартылай басқарылатын кілт-тиристор электр жетегі техникасына батыл ықпал етті. Мыңдаған вольт кернеумен үлкен токтарға арналған тиристорлардың пайда болуы рабайсыз, сенімсіз және үнемсіз сынап түзеткізгіштерден және тиратрондардан бас тартып, тұрақты ток электр жетегі тізбектерінде басқарылатын тиристорлық түзеткіштер қолдануға жол берді.

1970 жылдардың басында Ф. Блашке жариялаған жұмыстар векторлық басқару (трансвектор жүйесі) деп аталатын магнит өрісі бойынша бағдарланатын асинхронды электр жетегі жүйесін жасаудың басын ашты.

1940 жылдардың басында А.А. Булгаков, М:П Костенко бастаған келешегі бар жиілікті-реттелетін электр жетегі саласындағы жұмыстар жалғасып дами түсті. А.С. Сандлер және оның шәкірттерінің жұмыстарында 1970 жылдары тиристорлық негізде жиілік-түрлендіргіштер құру сұрақтары қарастырылды, жиілік түрлендіргіші бар электр жетегін автоматты басқару принциптері қалыптастырылып, бөлшектеп зерттелді.

1960-1970 жылдары М.Г. Чиликиннің жетекшілігімен адымдық қозғалтқышты дискреттік электр жетектерін әзірлеу бойынша қарқынды зерттеулер жүргізілді. Дискретті электр жетектер, машина, станок жасау және өндірістің басқа салаларына кеңінен енгізіліп, техникалық жұртшылықтың құрметіне ие болды, реттелетін электр жетегінің жаңа түрлерін әрі қарай жетілдіруге негіз болды.

Осы кезеңде вентилдік қозғалтқышты электр жетегі дамыды, оларда коллектор ораманы түйістіріп-ажырататын жартылай өткізгіштер ротор орналасуына тәуелді басқарылатын кілттер тобымен ауыстырылды.

Транзисторлар және оның негізіндегі көптеген құрылғылар электр жетегін басқару жүйелері облысында бір қатар тиімді идеяларды практика жүзінде іске асыруға мүмкіндік берді.

1950 жылдар ортасында Кесслер (Германия) ұсынған электр жетегі координаторларын ілесінше түзетуі бар бағынышты реттеу идеясы өте жемісті болды. 1960-1970 жылдары өндірісте кең қолдану тапқан электр жетегін басқару құралдары кешені-УБСР-АИ аналогтық және УБСР-ДИ сандық салалары жасалды.

1960-1970 жылдар шегінде АҚШ-та шығарылған төрт разрядты бір кристальды микропроцессор INTEL 4004 және бағдарламаланатын логикалық контроллер (БЛК) РДР 14 электр жетегін басқару саласында жаңа кезеңнің басталуын белгіледі. 1970 жылдардан бастап бұл құралдар әлемдік практикада бұрынғы қолданып жүрген түйіспелі және түйіспесіз релелерді қарқынды түрде ығыстырып шығара бастады. Ал 1980 жылдары басқару сұлбасында 8 және одан артық релелер бар жүйелерді БЛК мен ауыстыру экономикалық тұрғыдан тиімді бола бастады.

Басқарудың микропроцессорлық құралдарымен БЛК дамуына қарай электр жетегінің ақпараттық бөлімі күрт өзгерді: координаторларды басқаруда функционалдық мүмкіндіктер өсе түсті, бірнеше жүйелердің өзара және сыртқы ортамен өзара әрекеттер мүмкіндіктері, нақтылы ақау іздеу, электр жетектің барлық элементтерін кез-келген қалаусыз әрекеттерден қорғау мүмкіндіктері көтерілді. Соңғы 10-15 жылдар нарыққа шыққан 600А токқа, 1200 В кернеуге, 30 кГц жиілікке арналған толық басқарылатын кілттер және оларды басқару құралдары, яғни күштік арнаның жаңа элементтік базасы электр жетегінің дамуына консептуалдық өзгеріс әкелді. Осы аспаптар шапшаң кері диодтары бар модулдарға біріктіріліп жиілік түрлендіргіштер құруға негіз болды. Түрлендіргіштер құрылымы басқарылмайтын түзеткіш-L-C фильтр-ендік-импульстік модуляциялы автономдық инвертор (ШИМ) болып түзелді. Бұл деген қуаты 600 кВт дейінгі айнымалы токтың реттелетін электр жетегіндегі негізгі техникалық шешім болды. Соңғы жылдары 3600 А токқа, 6500 В кернеуге арналған IGBT модулдері нарыққа шығарыла бастады.

Басқа да дәстүрлі емес электр машиналарымен қатар реттелетін электр жетегінің жаңа түрі – вентилдік индукторлық жетектер қарқынды игеріліп келеді.

Өте кішкентай роботтардың микрожетектерінде жұқа қабықшалы диэлектриктік қозғалтқыштар қолданылуда.

Соңғы жылдары әлемде реттелмейтін электр жетегінен реттелетін электр жетегіне көшу үрдісі қалыптасып дамып келеді. Реттелетін электр жетегін сораптарда, желдеткіштерде, конвейерлерде және т.б. жаппай қолдану жабдықтарының технологиялық деңгейін күрт көтеріп, қомақты энергетикалық ресурстарды үнемдеуге мүмкіндік ашты.