История электротехники - Коллектив авторов

5.9. Устойчивость электрических систем и динамические перенапряжения / С.А. Лебедев, П.С. Жданов, Д.А. Городский, P.M. Кантор. М.: Госэнергоиздат, 1940.

5.10. Вейтков Ф.Л., Мешков В.К. Диспетчерское управление энергосистемами. М.: Стандартгиз, 1936.

5.11. Мельников Н.А., Рокотян С.С., Шеренцис А.Н. Проектирование электрической части воздушных линий электропередачи 330–500 кВ. М.: Энергия, 1974.

5.12. Тиходеев Н.Н. Передача электрической энергии / Под ред. В.И. Попкова. 2-е изд. Л.: Энергоатомиздат, 1984.

5.13. Проектирование линий электропередачи сверхвысокого напряжения / Под ред. Г.Н. Александрова и Л.Л. Петерсона. Л.: Энергоатомиздат, 1983.

5.14. Веников В.А. Применение теории подобия и физического моделирования в электротехнике. М.: Госэнергоиздат, 1949.

5.15. Сиротинский Л.И. Перенапряжения и защита от перенапряжений в электрических установках. М., 1923.

5.16. Смуров А.А. Электротехника высокого напряжения и передача энергии. М.: Гостехиздат, 1931.

5.17. Акопян А.А. Исследование защитного действия молниеотводов // Труды ВЭИ. Госэнергоиздат, 1940. Вып. 36.

5.18. Базелян Э.М., Горин Б.Н., Левитов В.И. Физические и инженерные основы молниезащиты. Л.: Гидрометеоиздат, 1978.

5.19. Костенко М.В. Атмосферные перенапряжения и грозозащита высоковольтных установок. Л.: Госэнергоиздат, 1949.

5.20. Разевиг Д.В. Атмосферные перенапряжения на линиях электропередачи. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1959.

5.21. Дмоховская Л.Ф. Инженерные расчеты внутренних перенапряжений в электропередачах. М.: Энергия, 1972.

5.22. Перенапряжения и защита от них в воздушных и кабельных электропередачах высокого напряжения / М.В. Костенко, К.П. Кадомская, М.Л. Левинштейн, И.А. Ефремов. Л.: Наука, 1988.

5.23. Попков В.И. Коронный разряд и линии сверхвысокого напряжения. М.: Наука, 1990.

5.24. Гройс Е.С. Трубчатые разрядники. М.: Госэнергоиздат, 1941.

5.25. Безруков Ф.В., Галкин Ю.П., Юриков П.А. Трубчатые разрядники. М.: Энергия, 1964.

5.26. Вентильные разрядники высокого напряжения / Д.В. Шишман, А.И. Бронфман, В.И. Пружинина, В.П. Савельев. Л.: Энергия, 1971.

5.27. Сапожников А.В. Уровни изоляции электрооборудования высокого напряжения. М.: Энергия, 1969.

5.28. Щедрин Н.Н. Токи короткого замыкания высоковольтных систем. М.: Госэнергоиздат, 1935.

5.29. Ульянов С.А. Короткие замыкания в электрических системах. ОНТИ, 1937.

5.30. Соловьев И.И. Автоматизация энергетических систем. М.: Госэнергоиздат, 1950.

5.31. Электроэнергетика России / Под ред. А.Ф. Дьякова. М.: Информэнерго, 1997.

Глава 6.

ЭЛЕКТРОМЕХАНИКА

6.1. 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].