История развития электрического привода

Электрический привод сравнительно молодая отрасль науки и техники, насчитывающая немногим более столетия с момента практического применения.

После открытия электричества и магнетизма и изучения их свойств учёные стали искать способы их применения в практических целях.

Появление электрического привода обусловлено трудами многих отечественных и зарубежных учёных-электротехников. Началом этих трудов считается датчанин X. Эрестед, который в 1820 году показал возможность взаимодействия магнитного поля и проводника с током, а француз А. Ампер в этом же году, математически оформил это взаимодействие.

Принцип преобразования электрической энергии в механическую энергию электромагнитным полем был продемонстрирован британским учёным Майклом Фарадеем в 1821. Его принцип состоял из свободно висящего провода, который был опущен в ртуть. Постоянный магнит был установлен в середине ванны с ртутью. Когда через провод пропускался ток, провод начинал вращаться вокруг магнита, показывая, что ток вызывает циклическое магнитное поле вокруг провода. Это был самый простой вид из класса электрических двигателей.

Последующим усовершенствованием является новый электродвигатель учёного П. Барлоу, позже названный колесом Барлоу. Демонстрационная модель этого двигателя и принцип его действия показан на рис. 1.

Принцип действия электродвигателя П. Барлоу

Рис. 1. Принцип действия электродвигателя П. Барлоу:

  • 1 - гальванический элемент; 2 - провода; 3 - стойка штатива; 4 - вилка-держатель;
  • 5 - диск; б - сосуд с ртутью; 7 - постоянный подковообразный магнит; 8 - подставка штатива

На стойке штатива 3 закреплена металлическая вилка-держатель 4, в которой на оси вращается металлический диск 5. Нижний край диска находится между полюсами постоянного подковообразного магнита 7 и погружён в небольшой металлический сосуд с ртутью 6, установленных на подставке штатива 8. Все детали двигателя, кроме магнита, изготовлены из неферромагнитных металлов. Питание на двигатель подводится к оси диска и к металлическому сосуду с ртутью осуществляется от гальванического элемента (аккумулятора) 1 с помощью проводов 2. Электрический ток, проходя по направлению радиуса диска вниз, оказывается в магнитном поле. При этом на ток действует сила Ампера, за счёт которой диск начинает вращаться. Направление вращения диска определяется правилом левой руки.

Колесо было демонстрационным устройством, непригодным в практических применениях из-за ограниченной мощности.

Отечественным учёным-академикам Б.С. Якоби и Э.Х. Ленцу в 1834 году впервые удалось создать электродвигатель постоянного тока. Работа Б.С. Якоби по созданию двигателя получила широкую мировую известность. Многие другие его работы в дальнейшем были направлены на развитием его идей. Так в 1837 году американец Девенпорт построил свой электродвигатель с более простым коммутатором. В 1838 г. Б.С. Якоби усовершенствовал конструкцию электродвигателя, который является прототипом современной электрической машины. В этой связи 1838 год считается годом рождения электропривода. Хотя созданный электродвигатель был несовершенной моделью электропривода, в нём обнаружились значительные его преимущества по сравнению с широко применяемым в то время паровым механизмом - это отсутствие парового котла, запасов топлива и воды, малые массы и габаритные размеры.

Однако, работы Б.С. Якоби и его последователей в то время не получили практического применения из-за несовершенства первого электродвигателя. Одной из причин этого являлась неэкономичность источника электроэнергии - гальванической батареи, разработанной итальянцем Л. Гальвани. Для надёжной работы электродвигателя требовался простой, надёжный и экономичный источник электрической энергии.

Выход был найден после того, как в 1833 году академик Э.Х. Ленц открыл принцип обратимости электрических машин, объединивший впоследствии пути развития двигателей и генераторов, а в 1870 г. сотрудник французской фирмы «Альянс» 3. Грамм создал промышленный тип электрического генератора постоянного тока, давший новый импульс в развитие электропривода и внедрению его в промышленность.

В период с 1879 по 1903 годы электропривод нашёл применение для дуговых ламп, швейных машин и вентиляторов, в военно-морском флоте - подъёмник для боеприпасов и рулевой привод на броненосцах, в ткацком производстве - это подмосковные текстильные фабрики Морозова, Лин- гардта, Прохоровская мануфактура, где уже к 1896 году работало значительное число двигателей постоянного тока; начинается применение электроприводов на городском транспорте - трамвайные линии в Киеве, Казани, Нижнем Новгороде, а несколько позже в Москве и Петербурге.

Однако отмеченные успехи были незначительными. В 1890 году электропривод составлял всего лишь 5% от общей мощности используемых механизмов.

Для последующего освещения практического опыта и разработки теоретической базы потребовал от учёных и разработчиков проведения анализа, систематизации и путей развития электроприводов. Основоположником теоретического освещения науки об электроприводе является наш соотечественник, крупнейший электротехник Д.А. Лачинов (1842- 1903), опубликовавший в 1880 году в журнале "Электричество" статью под названием "Электромеханическая работа", в которой были заложены первые основы науки об электроприводе.

Наряду с электроприводом постоянного тока начались работы по созданию электропривода переменного тока.

В 1841 году англичанин Ч. Уитсон построил однофазный синхронный электродвигатель. Но он не нашёл практического применения из-за трудностей его запуска. В 1876 году ПН. Яблочков разработал несколько конструкций синхронных генераторов для питания изобретённых им свечей, а также изобрёл трансформатор. Следующим шагом на пути к электроприводу переменного тока явилось открытие в 1888 году итальянцем Г. Феррарисом и югославом Н. Теслой явления вращающегося магнитного поля, что положило начало конструированию многофазных электродвигателей. Феррарисом и Теслой были разработаны несколько моделей двухфазных двигателей переменного тока. Однако двухфазный ток в Европе не получил широкого распространения, из-за того, что русским электротехником М.О. Доливо-Добро Вольским в 1889 году была разработана более совершенная трёхфазная система переменного тока. В этом же году он запатентовал асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором, а несколько позднее - и с фазным ротором. Уже в 1891 году на электротехнической выставке во Франкфурте-на-Майне М.О. Доливо-Добровольский продемонстрировал вентилятор с асинхронным электродвигателем мощностью 0,1 кВт; генератор постоянного тока мощностью 1,5 кВт и насос с асинхронным электродвигателем мощностью 7,5 кВт. М.О. Доливо-Добровольским также были разработаны 3-х фазный синхронный генератор и 3-х фазный трансформатор, конструкции которых остаются практически неизменными и в наше время.

В результате вышеперечисленных работ были устранены последние принципиальные технические препятствия к распространению электрической передачи энергии и был создан наиболее простой, надёжный и дешёвый электрический двигатель, пользующийся в настоящее время исключительным распространением. Более 50 % всей электроэнергии преобразуется в механическую посредством самого массового электропривода на основе асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором.

Первые в России 3-х фазные электроприводы переменного тока были установлены в 1893 году в Шепетовке и на Коломенском заводе, где к 1895 году было установлено 209 электродвигателей общей мощностью 1507 кВт. Однако, темпы внедрения электропривода в промышленность оставались низкими из-за отсталости России в области электротехнического производства, которая составляла 2,5 % от мировой продукции, и малой выработки электроэнергии (15 место в мире) даже во время расцвета царской России в1913 году.

После победы Великой Октябрьской революции в 1920 г. было принято решение о коренной реорганизации всего народного хозяйства России. В число такой реорганизации явилась разработка плана ГОЭЛРО (государственный план электрификации России). Он предусматривал в течение 10... 15 лет создание 30 тепловых и гидроэлектростанций общей мощностью 1 млн. 750 тыс. кВт, а к 1935 году было введено около 4,5 млн. кВт. Работая над планом ГОЭЛРО и придавая большое значение развитию электрофикации России В.И. Ленин писал, что "...электрический привод как раз наиболее надёжно обеспечивает и любую быстроходность и автоматическую связанность операций на самом обширном поле труда".

Большое внимание электрификации и электроприводу уделялось потому, что электропривод является силовой основой выполнения механической работы и автоматизации производственных процессов с высоким КПД; при этом электропривод создаёт все условия для высокопроизводительного труда. По сравнению с выработкой энергии мускульной силой человека за смену 8 часов, применение электропривода позволило увеличить выработку энергии в 32...40 раз, т.е. один рабочий, управляющий механизмами, эквивалентна работе 32...40 человек.

В результате выполнения плана ГОЭЛРО СССР в 1928 году по коэффициенту электрификации обогнал Англию, в 1936 г. перегнал Германию и догнал США, тем самым ликвидировав отсталость России от ведущих мировых держав.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >