История развития электропривода

Начало развития электропривода 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 акад. Б.С. Якоби. Эта работа получила мировую известность, однако несовершенство технических средств и, главным образом, источ­ника питания – гальванической батареи – не позволило блестящему изо­бретению Б.С. Якоби и работам его последователей найти широкое практическое применение. Лишь в 70-е годы XIX в. были разработаны практически применимые двигатели постоянного тока, демонстрировав­шиеся на выставках в Вене, Париже, Мюнхене.

Условия для развития массового электропривода создались в конце XIX в. благодаря открытию в 1886 г. Г. Феррарисом и Н. Тесла явления вращающегося магнитного поля, положившего начало созданию много­фазных электродвигателей переменного тока, и, главным образом, благо­даря комплексу выдающихся работ М.О. Доливо-Добровольского, кото­рый в 1888 г. предложил и реализовал трехфазную систему передачи электрической энергии переменного тока, и разработал в 1889 г. трехфазный асинхронный двигатель с распределенной обмоткой статора и с короткозамкнутым ротором в виде беличьего колеса.

Конец XIX – начало XX вв. характеризуются строительством электри­ческих станций и развитием электрических сетей. Централизованная вы­работка электроэнергии с ее последующим распределением послужила основой для создания промышленного, индивидуального и группового электропривода.

Одновременно электрический привод вытеснял все виды механиче­ского привода. Так, мощность электродвигателей по отношению к общей мощности установленных двигателей в 1890 г. составляла 5 %, в 1927 г. – 75 %, к 1950 г. – около 100 %.

В период интенсивного перехода к индивидуальному электроприво­ду, 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: 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.

Наибольшее применение в регулируемых электроприводах средней и большой мощности в этот период и в дальнейшем нашла предложенная еще в конце XIX в. система Вард-Леонарда (генератор-двигатель), со­стоящая из нескольких электрических машин, но обладающая отличны­ми регулировочными возможностями как в статике, так и в динамике.

Идеи автоматического управления, зародившиеся задолго до создания работоспособного электропривода (идеи Уатта–Ползунова и др.), в 30-е годы начали интенсивно развиваться применительно к электроприводу. К началу 40-х годов электромеханическая часть индивидуального, в т. ч. многодвигательного электропривода, приобрела современ­ные черты. Его характерной особенностью оставалось релейно-контакторное управление, хотя уже стали появляться системы непрерывного управления, основанные на применении замкнутых структур с использо­ванием усилителей разных типов: машинных, электронно-ионных, не­сколько позже магнитных.

В 1941 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, пре­образованный затем во ВНИИЭМ.

В 1935 г. в ВЭИ разработана первая версия электропривода с преобра­зователем на тиратронах – прообраз широко распространенных сейчас регулируемых электроприводов по системе статический преобразова­тель-двигатель. С 1949 г. электроприводы с ртутными выпрямителями широко внедрялись в качестве главных приводов прокатных станов.

К 1948–1950 гг. относится появление отечественных вентильных каска­дов на прокатных станах с введением в цепь ротора главного асинхрон­ного двигателя управляемого ртутного выпрямителя.

В 40 – 50-е годы формируются научно-исследовательские и проектно-конструкторские организации, внесшие весомый вклад в развитие отечест­венного электропривода. Это ВЭИ (регулируемые электроприводы широ­кого применения), ГПИ «Тяжпромэлектропроект» (электрооборудование металлургических производств), Центральный научно-исследовательский институт технологии машиностроения – ЦНИИТмаш (электропривод станов холодной прокатки), трест «Электропривод», позднее ВНИИэлектропривод (электропривод текстильных агрегатов, бумагодела­тельных и полиграфических машин, скоростных лифтов, экскаваторов), ЭНИМС (электроприводы металлорежущих станков), ВНИИЭМ (прецизи­онные электроприводы) и другие организации. Практическая реализация электроприводов осуществлялась заводами «Электросила», ХЭМЗ, «Дина­мо», им. Я.М. Свердлова, им. С. Орджоникидзе и мн. др.

В середине 50-х годов сформировалась теория и практика «дополупроводникового» электропривода. Были созданы и получили широкое призна­ние учебники по электроприводу С.А. Ринкевича «Теория электропривода» (1938 г.), А.Т. Голована «Электропривод» (1948 г.), Д.П. Морозова «Основы электропривода» (1950 г.), В.К. Попова «Основы электропривода» (1951 г.) и многие другие. Особенно следует отметить учебник М.Г. Чиликина «Об­щий курс электропривода», вышедший в 1953 г., выдержавший шесть из­даний и внесший благодаря высокому уровню и доступности изложения весомый вклад в подготовку специалистов в СССР.

В США созданы основы современной теории электромеханического преобразования энергии на основе обобщенной машины, впоследствии широко использовавшиеся в практике разработки управляемого элек­тропривода.

В послевоенные годы в ведущих лабораториях мира произошел про­рыв в области силовой электроники, кардинально изменивший многие сферы техники и, в частности, электропривод. В 1948 г. Дж. Бардин и В. Браттейн (Белловская лаборатория, США) создали первые транзисто­ры. В технику электропривода начали входить электронный управляе­мый ключ и, построенные на его основе, устройства.

Радикальное воздействие на технику электропривода 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 отказаться от громоздких, ненадежных и неэкономичных ртутных выпрямителей и ти­ратронов и перейти на управляемые тиристорные выпрямители в цепях электроприводов постоянного тока. Работы Ф. Блашке (ФРГ), опубликованные в начале 70-х годов, поло­жили начало созданию систем асинхронного электропривода с ориента­цией по магнитному полю с так называемым векторным управлением (система трансвектор).

В СССР получили развитие начатые еще в начале 40-х годов (А.А. Бул­гаков, М.П. Костенко) перспективные работы в области частотно-регули­руемого электропривода. В трудах А.С. Сандлера и его учеников в 70-х годах нашли отражение вопросы построения преобразователей частоты с явно выраженным звеном постоянного тока на доступной в то время элементной базе – тиристорах, были сформулированы и детально иссле­дованы принципы автоматического управления электропривода с преоб­разователями частоты.

В 60 – 70-е годы в МЭИ под руководством М.Г. Чиликина проведены интенсивные исследования и разработки дискретного электропривода с шаговыми двигателями (Б.А. Ивоботенко), широко внедренные в метал­лургической, станкостроительной и других отраслях промышленности, получившие признание технической общественности и заложившие осно­вы дальнейшего развития новых типов регулируемого электропривода. В этот же период развивается электропривод с вентильными двигателями, в которых коллектор заменяется группой полупроводниковых ключей, коммутирующих обмотки и управляемых в функции положения ротора.

Наиболее плодотворной оказалась идея, предложенная еще в середи­не 50-х годов Кесслером (Германия) и состоящая в подчиненном регули­ровании координат электропривода с последовательной коррекцией. Во ВНИИЭлектроприводе в 60–70-е годы были созданы нашедшие широ­кое применение в промышленности комплексы средств управления элек­тропривода — аналоговая ветвь УБСР-АИ и цифровая ветвь УБСР-ДИ.

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

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.

Концептуальные изменения в развитие электропривода внесла новая элементная база силового канала в массовых устройствах – полностью управляемые ключи на токи до 600 А, напряжение до 1200 В с частотами 30 кГц и выше, появившиеся на рынке в последние 10–15 лет, и средства управления ими. Эти приборы, объединенные в модули с встроенными быстрыми обратными диодами и управляемые указанными выше совре­менными средствами, послужили основой для построения преобразова­телей частоты со структурой неуправляемый выпрямитель – L - С-фильтр – автономный инвертор с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), ставших основным техническим решением в регулируемом электроприводе переменного тока мощностью до 600 кВт. В последние годы на рынке появились IGBT-модули на токи до 3600 А и напряжения до 6500 В.

Интенсивно осваиваются новые виды регулируемого электроприво­да – вентильно-индукторный, с другими нетрадиционными электриче­скими машинами. В микроприводе миниатюрных роботов применяются тонкопленочные диэлектрические двигатели.

В последние годы в мире отчетливо сформировалось и интенсивно реализуется тенденция перехода от нерегулируемого электропривода к регулируемому в массовых применениях: насосы, вентиляторы, кон­вейеры и т. п., благодаря чему резко повышается технологический уро­вень оборудования, экономятся значительные энергетические ресурсы.