5. РАЗВИТИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ, ЭЛЕКТРОПРИВОДА

5.2.Электропривод

5.2.1.Раннийпериодразвитияэлектропривода

Электропривод как система, осуществляющая управляемое электромеханическое преобразование энергии, имеет свою историю развития [15], начало которой 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 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 гг. XIX в. были разработаны практически применимые двигатели постоянного тока, демонстрировавшиеся на выставках в Вене (1873), Париже (1881), Мюнхене (1882). В это же время стали появляться сведения об их использовании в составе электропривода для практических целей, чему в значительной мере способствовало создание в 1880-е гг. ряда передач постоянного тока напряжением до 6000 В [38].

К первым применениям электропривода можно отнести: некоторые артиллерийские механизмы на русских судах «Россия» и «Веста» (1887); электрическую железную дорогу и ткацкий станок, демонстрировавшийся на промышленной выставке в Берлине (1879); первый электрический трамвай Ф. А. Пироцкого (1880); электрические швейные машины (1882) и вентиляторы (1886) В. Н. Чиколева; судовые электрические подъемники и рулевые механизмы (1890–1892); металлургические машины на ряде американских заводов, оборудованные электроприводами постоянного тока с полуавтоматическим управлением посредством контакторов, командоконтроллеров и т. п. (1890–1892) [39].

Условия для развития массового электропривода появились 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 выдающимся работам М. О ДоливоДобровольского, который в 1888 г. предложил и реализовал трехфазную систему передачи электрической энергии переменного тока и в 1889 г. разработал трехфазный асинхронный двигатель с распределенной обмоткой статора и с короткозамкнутым ротором «беличье колесо» [40].

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

5.РАЗВИТИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ, ЭЛЕКТРОПРИВОДА

5.2.Электропривод

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.

5.2.2.Переходотгрупповогопромышленногоэлектропривода

киндивидуальному

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 основой для создания промышленного электропривода.

На смену использовавшемуся ранее групповому приводу с паровым или гидравлическим первичным двигателем и механическим распределением энергии с помощью ремней и канатов [15, 39] 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. 5.9).

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 ее передаче (по проводам) на значительные расстояния.

Еще большее недоумение и возражения в начале XX в. вызывала идея перехода к одиночному электроприводу (рис. 5.10), 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.

Трансмиссионный вал

5.РАЗВИТИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ, ЭЛЕКТРОПРИВОДА

5.2.Электропривод

Доводы первых выглядели весьма серьезно. Так, по данным крупных американских специалистов, в 1924 г. [38] 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 некорректности подобных сравнений, не учитывавших всего комплекса условий, определяющих результат.

Вэти условия входили, в частности, стоимость промышленных зданий (групповой привод требовал больших производственных площадей), стоимость механических передач и потерь в них, удобство расположения рабочих машин, легкость их перемещения при изменении технологии производства, удобство компоновки производственного оборудования 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 %.

Итогом продолжавшегося более 25 лет «соревнования» группового

ииндивидуального электроприводов была полная победа последнего на всех вновь строящихся предприятиях.

ВРоссии большую роль в развитии и массовом применении 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 России в 1890 г. составляла 5 %, в 1927 г.

–75 %, к 1950 г. – около 100 % [40].

5.2.3.Регулируемыйэлектропривод

Впериод 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.

5.РАЗВИТИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ, ЭЛЕКТРОПРИВОДА

5.2.Электропривод

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. Для питания двигателя был установлен трехмашинный агрегат, состоявший 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.

5.2.4. Индивидуальныйэлектроприводвтехнологическихустановках

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.

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 [38]. 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 % [38, 41].

Еще больший эффект дает соединение электродвигателя с рабочим органом рабочей машины в 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 интенсивное развитие в последние годы.

5.РАЗВИТИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ, ЭЛЕКТРОПРИВОДА

5.2.Электропривод

Кначалу 1940-х гг. электромеханическая часть индивидуального, в том числе многодвигательного, электропривода приобрела современные черты. Характерной особенностью электропривода оставалось релейно-контактор- ное управление, хотя уже стали появляться системы непрерывного управления. К ним в первую очередь следует отнести некоторые схемы электрического вала на асинхронных двигателях с фазным ротором, использованные на шлюзовых затворах, в ряде машин и станков.

5.2.5. Автоматическоеуправлениевэлектроприводе

Идеи автоматического управления, зародившиеся задолго до создания работоспособного электропривода (идеи Уатта – Ползунова и др.), в 30-е гг. ХХ в. 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. [41].

В1934 г. В. С. 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.

Вэти 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 и (несколько позже) магнитных.

В1940-е гг. 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. во Всесоюзном электротехническом институте.

В1941 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, имевший многочисленные филиалы по всей стране. ВНИИЭМ в последующие периоды играл определяющую роль в создании в СССР

авиационной, судовой, ракетной и космической техники и, в частности, ряда