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. по 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. Круг в 1907 г. дал точное описание круговой диаграммы.

К концу 20‑х годов XX в. вышли фундаментальные книги Э. Арнольда, Р. Рихтера, К.И. Шенфера по 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 электромагнитного 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 магнитно‑связанных, 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, в 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 электромеханического 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 французского ученого А. Блонделя, который в 1895 г. предложил метод двух реакций для анализа синхронных машин. Его основные работы по аналитическому обоснованию и применению метода были опубликованы во французских журналах позднее – в 1922 и 1923 гг. [6.1; 6.2].

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 [6.4].

Разложение несимметричных двухфазных систем на симметричные составляющие впервые было осуществлено американцем Ю.Г. Ку в 1929 г. [6.5] 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 [6.6].

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. [6.7]. Р. Рюденберг показал возможность представления мгновенных значений переменных в многофазных обмотках электрических машин едиными пространственными векторами [6.7]. Они определяются в 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 [6.8].

Значительной вехой в развитии теории была публикация в 1929 г. Р.Г. Парка [6.9], который вывел, используя метод двух реакций, дифференциальные уравнения синхронной машины, часто называемые его именем. Независимо от него существование этих уравнений вскоре доказал и А.А. Горев [6.10].

Первой фундаментальной работой по переходным процессам в трансформаторах была работа Г.Н. Петрова, вышедшая в 1934 г. [6.11].

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 диакоптики) по праву 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 [6.12], 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 пор 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 в ЭП и электромеханических системах.

Обобщающей и, по существу, последней фундаментальной работой по применению аналитических методов решения дифференциальных уравнений электромеханического преобразования энергии была вышедшая в 1962 г. работа Е.Я. Казовского [6.13].

Д.А. Городский [6.14] 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 [6.15] 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 принадлежат труды по системам преобразований токов следящего электропривода, а также труды по теории режимов работы сельсинов [6.16].

В 1963 г. И.П. Копыловым была предложена математическая модель обобщенного электромеханического преобразователя, которая описывается дифференциальными уравнениями для несинусоидального магнитного поля в воздушном зазоре, при учете любого числа контуров обмоток на статоре и роторе, для симметричных и несимметричных машин с учетом нелинейного изменения их параметров [6.17].

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 [6.18].

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 [6.19], И.Д. Урусов [6.20], Н.Н. Щедрин [6.21], С.В. Страхов [6.22], А.А. Янко‑Триницкий [6.23], А.И. Важное [6.24], И.И. Трещев [6.25], В.А. Веников [6.26], А.В. Иванов‑Смоленский [6.27], Л.Г. Мамиконянц [6.28], И.А. Глебов [6.29].

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. Эти вопросы освещены гл. 8.

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 [6.30].

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.

Без 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.