История электротехники - Коллектив авторов

Гребные винты атомных ледоколов «Сибирь», «Арктика» и «Россия» оснащены электродвигателями мощностью 2x8800 кВт, напряжением 1000 В и частотой вращения 130/185 об/мин.

Выпускаемый с 70-х годов объединением «Электросила» генератор постоянного тока для питания прокатных двигателей мощностью 9500 кВт, напряжением 930 В и частотой вращения 375 об/мин по мощности превосходит все существующие типы генераторов постоянного тока как у нас в стране, так и за рубежом. Использование в конструкции генератора новых технических решений обеспечивает равномерное распределение крутящего момента между дисками якоря и гарантированное усилие на главный полюс, способствуя повышению надежности генератора в эксплуатации.

Успехи в производстве крупных машин постоянного тока достигнуты не только объединением «Электросила», но и заводами ХЭМЗ и «Электротяжмаш» (Харьков). На ХЭМЗ под руководством М.Н. Курочкина разработаны реверсивные двигатели постоянного тока 21–25-го габаритов серии П2 номинальной мощностью до 12 500 кВт, а также двигатели постоянного тока 21–25-го габаритов для электроприводов шахтоподъемных машин мощностью 1600–5000 кВт. Помимо обычной конструкции двигателей шахтного подъема с двумя стояковыми подшипниками разработаны и находятся в эксплуатации двигатели консольного исполнения. При такой конструкции якорь двигателя насаживается на вал барабана шахтного подъемника, что позволяет снизить массу машины в 1,2–1,4 раза.

Крупные машины постоянного тока находят широкое применение для приводов шагающих экскаваторов и роторных комплексов. Они устанавливаются в закрытом неотапливаемом кузове экскаватора и могут работать в заданном режиме при наличии вибрации, крена, воздействия инерционных сил и одиночных ударов. Наиболее интересен электродвигатель мощностью 500 кВт, напряжением 440 В и частотой вращения 32 об/мин, предназначенный для безредукторного привода механизма поворота платформы шагающего экскаватора.

6.2.5. ТИРИСТОРНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ДЛЯ ДВИГАТЕЛЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА

В электроприводах постоянного тока различных механизмов еще с 20-х годов наряду с системами «генератор — двигатель» стали находить применение системы «преобразователь — двигатель», основанные на ионных (ртутных) вентилях. Однако широкое развитие статических управляемых и неуправляемых преобразователей переменного тока в постоянный относится к 60-м годам, когда на смену ионным приборам пришли кремниевые диоды и тиристоры. Тиристорные преобразователи достаточно быстро, и в первую очередь в широкорегулируемом электроприводе, заменили генераторы постоянного тока и электромашинные усилители. Замена источников питания с практически «гладким» напряжением на источники пульсирующего напряжения и тока, с одной стороны, осложнили работу электродвигателя постоянного тока, с другой стороны, значительно повысили производительность автоматизированного привода за счет расширения диапазона регулирования частоты вращения, быстродействия и динамики регулирования.

Среди первых отечественных тиристорных преобразователей для электропривода постоянного тока следует отметить разработки Чебоксарского электротехнического НИИ (ЧЭТНИИ) для саранского завода «Электровыпрямитель», Всесоюзного электротехнического института (ВЭИ) для Запорожского электроаппаратного завода, Экспериментального научного института металлорежущего станкостроения (ЭНИМС) для станкостроения с диапазоном регулирования частоты вращения 1:1000.

Развитие тиристорных преобразователей было связано с освоением полупроводниковых вентилей на большие токи. На базе тиристоров со средним током 160 А и напряжением 2600 В в 70-х годах были созданы агрегаты:

для питания якорных цепей и обмоток возбуждения как реверсивных, так и нереверсивных машин на токи от 25 до 1000 А и выпрямленное напряжение 230 и 460 В при напряжении первичных обмоток трансформаторов 380 В и 6–10 кВ;

для питания якорных цепей с током от 800 до 6300 А и выпрямленным напряжением 230, 460, 660 и 825 В при напряжении сети переменного тока 6–10 кВ.

В дальнейшем ограничение по токам было снято. Электротехническая промышленность освоила выпуск тиристорных выпрямителей с системами управления на интегральных схемах, с защитой и диагностикой неисправностей. Установки «преобразователь — двигатель» для станков обеспечивают диапазоны регулирования 1:10 000 для механизмов подач и 1:1000 для механизмов главного движения. Развитие тиристорных выпрямителей сопровождалось уменьшением габаритов, упрощением наладочных работ и повышением надежности.

Кроме тиристорных преобразователей переменного тока в постоянный в тяге получили развитие тиристорные импульсные преобразователи постоянного тока. Завод «Динамо» разработал тиристорно-импульсную систему управления (ТИСУ) для двигателей постоянного тока метрополитена, а Московский энергетический институт — для двигателей трамвайных вагонов.

В перспективе при освоении промышленного выпуска запираемых тиристоров с требуемыми параметрами (ток порядка 1000 А и обратное напряжение 2400–2800 В) комплекты электрооборудования на основе импульсных тиристорных преобразователей могут быть значительно упрощены.

6.2.6. ТУРБОГЕНЕРАТОРЫ

Турбогенераторы являются основной в мире машиной, вырабатывающей электроэнергию переменного тока. Впервые турбогенераторы трехфазного тока с цилиндрическим ротором появились в 1900–1901 гг. После этого шло их быстрое развитие как по конструкции, так и по росту единичных мощностей. Крупнейшие турбогенераторы в период 1900–1920 гг. изготавливались шестиполюсными из-за ограниченных возможностей металлургии по изготовлению поковок для роторов. В 1920 г. в США был изготовлен самый мощный для того времени турбогенератор мощностью 62,5 МВт, частотой вращения 1200 об/мин. Двухполюсные турбогенераторы выполнялись мощностью лишь до 5,0 МВт.

После 1920 г. основное развитие получили двух- и четырехполюсные турбогенераторы. Единичные мощности этих машин быстро росли. Ведущими странами в области турбогенерато-ростроения были и остаются Англия, Германия, Россия, США, Франция, Швейцария, Япония.

Первый турбогенератор в нашей стране мощностью 500 кВт был изготовлен в 1924 г. заводом «Электросила». В том же году были изготовлены еще два турбогенератора мощностью по 1500 кВт. Эти первые машины послужили основой для создания в последующие годы серии турбогенераторов в диапазоне мощностей от 0,5 до 24 МВт при частоте вращения 3000 об/мин. За 1926 и 1927 гг. было сделано 29 таких турбогенераторов. Эти машины создавались под руководством выдающегося инженера — организатора производства А.С. Шварца.

В начале 30-х годов на заводе «Электросила» была создана новая серия турбогенераторов с мощностями от 0,75 до 50 МВт. Существенное значение имело то, что при создании этой серии был широко использован опыт Западной Европы и США в турбогенераторостроении. По сравнению с предшествующей серией удалось снизить массу меди в обмотке статора на 30%, а электротехнической стали на 10–15%. При этом была уменьшена трудоемкость изготовления машин. Все электромагнитные, тепловые, вентиляционные и механические расчеты были выполнены по новым расчетным методикам. Машины изготовлялись из отечественных материалов. Уже к 1 января 1935 г. на отечественных тепловых электростанциях было смонтировано 12 таких турбогенераторов мощностью по 50 МВт.

На основе турбогенераторов последней серии были проведены разработки и началось изготовление быстроходных турбодвигателей мощностью от 1 до 12 МВт с частотой вращения 3000 об/мин для турбовоздуходувок и турбокомпрессоров.

Особое значение имеет цикл исследований и разработок, завершившихся изготовлением в 1937 г. самого мощного в мире турбогенератора на 100 МВт с частотой вращения 3000 об/мин и косвенным воздушным охлаждением. Основные трудности были связаны с ротором. Металлурги справились с созданием поковки больших размеров из высококачественной стали, а электромашиностроители — с ее механической обработкой, потребовавшей исключительно высокой точности.

Под руководством Р.А. Лютера и А.Е. Алексеева были выполнены расчеты и разработаны конструкции предвоенных серий турбогенераторов и отдельных машин.

В последующие годы возникла необходимость в освоении турбогенераторов большей мощности — 200 и 300, а в последующие годы 500, 800, 1000 и даже 1200 МВт при частоте вращения 3000 об/мин (рис. 6.2). Основные проблемы при создании турбогенераторов таких мощностей создает ограничение диаметра ротора и расстояния между его опорами. В первом случае ограничение обусловлено механической прочностью, а во втором случае — вибрациями. В этих условиях увеличение мощностей достигается за счет применения более интенсивных способов охлаждения, позволяющих повысить плотность тока в обмотках. Сложность при этом состоит в необходимости не только сохранения, но и некоторого повышения КПД, а также уменьшения вибраций. Все это потребовало очень большого объема теоретических и экспериментальных исследований, создания опытных машин и строительства уникальных испытательных стендов.