Электромеханическое преобразование энергии

Электромеханика — часть электротехники, занимающаяся электромеханическим преобразо­ванием энергии. Устройства, преобразующие электрическую энергию в механическую и обрат­но называются электромеханическими преобра­зователями (ЭП) или электрическими машинами.

Несколько ЭП, работающих в генераторном или двигательном режимах, линии электропере­дачи и различные функциональные аппараты об­разуют электромеханическую систему.

Большинство ЭП работает в объединенных энергетических системах. Мощность объединен­ной системы России достигает 160 млн. кВт.

XX в. но праву можно считать веком элек­тричества. Практически вся электрическая энер­гия на Земле вырабатывается электрическими машинами, а затем две трети ее снова преобразу­ется в механическую энергию электрическими двигателями. Можно считать, что электрические машины совершили техническую революцию. Теория электромеханики на всех этапах была неразрывно связана с практическим электромашиностроением. Эта связь обеспечила прогресс во всех областях техники, изменив условия су­ществования человека за время жизни одного поколения.

Среди выдающихся достижений ученых XIX в. А. Ампера, Г. Ома, Д. Джоуля, Э. Ленца и др. особое место занимают работы Д. Максвел­ла, обобщающие достижения в электродинамике и изложенные в «'Трактате об электричестве и магнетизме» (1873 г.). Д. Максвелл разработал теорию электромагнитного поля и написал урав­нения, составляющие теоретическую основу электромеханики.

Первой публикацией по проектированию электрических машин можно считать работу Э. Арнольда по теории и конструированию обмо­ток электрических машин, вышедшую в 1891 г.

В середине 90-х годов прошлого века М.О. Доливо-Добровольский, Г. Каппа и др. соз­дали основу теории и методики проектирования трансформаторов.

В 1894 г, А. Гейланд теоретически обосновал круговую диаграмму асинхронной машины. К.А. Кругов 1907г. дал точное описание круговой диаграммы.

К концу 20-х годов XX в. вышли фундамен­тальные книги Э. Арнольда, Р. Рихтера, К.И. Шенфера но теории и проектированию ма­шин постоянного и переменного тока. К 30-м го­дам в трудах Э. Арнольда, А. Блонделя, М. Видмара, Л. Дрейфуса, М.П. Костенко, К.А. Круга, В.А. Толвинского и других ученых была достаточно глубоко разработана теория установившихся режимов электрических машин.

Методы теории цепей исторически раньше начали использоваться для анализа и расчета электрических машин, чем методы теории электромагнитною поля. Ярким достижением первого подхода явилось создание общей теории электромеханического преобразования энергии, часто называемой обобщенной или матричной теорией. Последнее подразумевает, что в ее из­ложении используется математический аппарат дифференциальной геометрии многомерных пространств, тензорного анализа и матричной алгебры.

В обобщенной теории любая электрическая машина рассматривается как совокупность маг­нитносвязанных взаимно перемещающихся электрических цепей с сосредоточенными пара­метрами. В допущениях обычно пренебрегают такими физическими явлениями, как насыще­ние, гистерезис, магнитные потери, высшие гар­моники. Это оправдано, если рассматриваются динамические режимы, и особенности, когда электрическая машина работает в сложной электромеханической или энергетической системе.

Ключевыми элементами теории являются так называемая обобщенная машина— матема­тическая модель электрических машин практи­чески всех типов, ее дифференциальные уравне­ния и их координатные преобразования. Диффе­ренциальные уравнения дают более универсаль­ное описание электрических машин, чем алгеб­раические: они содержат мгновенные значения переменных и справедливы как для переходных, так и для установившихся режимов.

В теорию электромеханическою преобразо­вания энергии органически вошли ставшие клас­сическими метод двух реакций, трехфазных и двухфазных симметричных составляющих метод вращающихся магнитных полей и др. Она создавалась трудами многих ученых из разных стран. Первым следует назвать французскою ученого А. Блонделя, который в 1895 г. предло­жил метод двух реакций для анализа синхрон­ных машин. Кто основные работы но аналитиче­скому обоснованию и применению метода были опубликованы во французских журналах позд­нее—в 1922 и 1923гг.

В 1918 г. американский ученый С.Л. Фортескью разработал метод трехфазных симметрич­ных составляющих [6.3], практическая ценность которого сразу была высоко оценена специали­стами. Первой обобщающей работой по этому методу была вышедшая на русском языке в 1936 г. книга электротехников из США К.Ф. Вагнера и Р.Д. Эванса.

Разложение несимметричных двухфазных систем на симметричные составляющие впер­вые было осуществлено американцем Ю.Г. Ку в 1929 г. одновременно для комплексных векторов синусоидальных переменных и для мгновенных значений переменных, созданных двухфазными обмотками электрических машин. Наиболее глубокое изложение теории однофаз­ных микромашин, построенной на методе двух­фазных симметричных составляющих, принад­лежит Ю.С. Чечету.

Изучением электромагнитных переходных процессов в электрических машинах и трансфор­маторах начали заниматься в середине 20-х годов XX в. Первые случаи нарушения устойчивости линий электропередачи произошли в 20-х годах. Исследование устойчивости энергосистем при­вело к необходимости исследования электроме­ханических переходных процессов.

Первой фундаментальной работой по пере­ходным процессам в энергетических системах была монография Р. Рюденберга, вышедшая в 1923 г. в Германии и переведенная на русский язык в 1931 г. [6.71. Р. Рюденберг показал воз­можность представления мгновенных значений переменных в многофазных обмотках электри­ческих машин едиными пространственными век­торами. Они определяются и координатах комплексной плоскости, наложенной на попе­речное сечение машины, и у разных авторов на­зываются по-разному: обобщенными, отобра­жающими, изображающими и другими термина­ми. Позже такой подход позволил венгерским электротехникам К.П. Ковачу и И. Рацу ком­пактно изложить теорию переходных процессов в электрических машинах переменного тока.

Значительной вехой в развитии теории была публикация в 1929 г. Р.Г. Парка, который вывел, используя метод двух реакций, дифференциального уравнения синхронной машины, часто называемые его именем. Независимо от него существование этих уравнений вскоре доказал и А.А. Горев.

Первой фундаментальной работой по пере­ходным процессам в трансформаторах была ра­бота Г.Н. Петрова, вышедшая в 1934 г.

Основоположником тензорного и матрично­го анализов электрических цепей и машин, соз­дателем обобщенной теории электрических ма­шин и метода расчета сложных систем путем де­ления их на элементарные составные части (ме­тода диаконтики) по нраву считается Г. Крон, опубликовавший свои пионерские работы в аме­риканских журналах в 1938—1942 гг. Объеди­ненные в монографию, они были изданы в 1955 г. на русском языке, что послужило импульсом для широкого распространения и дальнейшего развития метода в СССР.

Полученные Г. Кроном дифференциальные уравнения идеализированной обобщенной элек­трической машины сыграли выдающуюся роль в теории переходных процессов.

К обобщенной электрической машине сво­дятся все ЭП с синусоидальным магнитным по­лем в воздушном зазоре. Г. Крон первым поло­жил в основу электромеханического преобразо­вания энергии магнитное поле в зазоре машины, а уравнения записал на основе теории цепей. До него уравнения поля и цепей использовались многими учеными раздельно, и до сих нор быту­ет мнение, что уравнения поля более строго от­ражают физические явления в электрических ма­шинах. Только в последнее десятилетие появи­лись программы ЭВМ для расчета и проектиро­вания ЭП с одновременным использованием уравнений поля и цепей.

Дифференциальные уравнения, описываю­щие переходные и установившиеся процессы в электрических машинах, без упрощающих до­пущений не имеют аналитического решения, и только применение ЭВМ для решения задач электромеханики привело к бурному развитию теории и практики динамических процессов и ЭП и электромеханических системах.

Обобщающей и, но существу, последней фундаментальной работой по применению ана­литических методов решения дифференциаль­ных уравнений электромеханическою преобра­зования энергии была вышедшая в 1962 г. работа Е.Я. Казовского.

Д.А. Городский развил метод симмет­ричных составляющих, ввел системы основных и сопровождающих переменных, что позволило ис­следовать переходные и установившиеся режимы электрических машин, обладающих одновремен­но электрической и магнитной несимметрией.

Очень ценную монографию выпустил в 1953 г. Л.Н. Грузов, представив в ней система­тизированное изложение особенностей примене­ния векторного анализа к исследованию элект­рических машин и электромеханических систем, сравнение различных преобразований коорди­нат с целью получения наиболее рациональных форм дифференциальных уравнений и их решений.

При разработке теории предложенной им ма­шины с внешнезамкнутым магнитным потоком А.Г. Иосифьян критически пересмотрел ряд во­просов общей теории синхронной машины. Ему принадлежали труды по системам преобразований токов следящего электропривода, а также труды по теории режимов работы сельсинов.

В 1963 г. И.П. Копыловым была предложена математическая модель обобщенного электро­механического преобразователя, которая описы­вается дифференциальными уравнениями для несинусоидального магнитного ноля в воздуш­ном зазоре, при учете любого числа контуров об­моток на статоре и роторе, для симметричных и несимметричных машин с учетом нелинейного изменения их параметров.

Следует отметить позитивную роль, которую сыграла публикация в 1964 г. русского перевода монументального труда ученых из США Д. Уай­та и Г. Вудсона по всем аспектам теории электро­механического преобразования энергии.

Значительный вклад в развитие обобщенной теории и ее использование для анализа переход­ных и установившихся режимов работы электри­ческих машин, устойчивости электромеханиче­ских и энергетических систем внесли отечест­венные ученые: Р.А. Лютер, И.Д. Урусов, Н.Н. Щедрин, С.В. Страхов, А.А. Янко-Триницкий, А.И. Важнов, И.И. Трещев, В.Л. Веников, А.В, Иванов-Смоленский, Л.Г. Мамиконянц, И.Л. Глебов.

До середины XX в. электромеханика разви­валась в земных условиях, но в 50—60-х годах электрические машины, а за ними и человек вы­шли в космос. Для этого потребовалось создать теорию космической электромеханики и элек­тромеханические системы, воплотившие в себе все новейшие достижения классической земной электромеханики. Если классическая электромеханика одно­мерная, т.е. она имеет дело с ЭП, у которых вра­щается одна часть машины —ротор, то космиче­ская электромеханика — шестимерная: ротор и статор ЭП могут перемещаться в трехмерном пространстве. Уравнения космической электро­механики значительно сложнее, так как они име­ют шесть уравнений движения и дополнитель­ное уравнение скоростей, учитывающее движе­ние ЭП по шести степеням свободы.

Трудами больших научных коллективов в СССР, США и других странах теория космиче­ской электромеханики обеспечила движение космических кораблей как в околоземном, так и в далеком космосе. Технические достижения крупных научных коллективов обеспечили ре­шение уникальнейших проблем бортовой кос­мической электромеханики. Зарождение технической электромеханики произошло в земных условиях в университетах, исследовательских и учебных институтах и на заводах. В послевоенные годы бурными темпами развивалась космическая электромеханика. В последние годы появилось новое направление в космической электромеханике — геоэлектромеханика — электромеханика планеты Земля, показывающее, что движение спутников вокруг Земли и Земли вокруг Солнца подчиняется од­ним и тем же законам, а электродинамические процессы в электрической машине — планете являются источником глобальных энергетиче­ских процессов на Земле.

История электромеханики продолжает разви­ваться бурными темпами и на рубеже второго и третьего тысячелетий мы являемся свидетеля­ми зарождения новых направлений, которые да­дут новые источники электроэнергии и послужат мощным импульсом для развития цивилизации.

Вез электрических машин и трансформато­ров невозможно производство, распределение и применение электрической энергии. Поэтому во всех главах этого издания есть место для исто­рии электромеханики. В этой главе более под­робно излагается история электромашинострое­ния, промышленных электроприводов, высоко­вольтных и низковольтных аппаратов.

Чтобы правильно оценить значение отдель­ных изобретений и теоретических разработок в области электромеханики, нужно время. Поэтому объективно можно оценивать историю электромеханики XX в. до послевоенных лет, а последние два-три десятилетия еще требуют осмысливания, так как только время есть критерий истины.

Дата добавления: 2014-12-25