История электротехники

Следующим этапом развития тягового электромашиностроения городского транспорта следует считать модернизацию серии, проведенную в 1974–1977 гг. Для троллейбуса и метрополитена были созданы новые двигатели с восьмигранной формой корпуса в поперечном сечении и петлевой обмоткой на якоре, что позволило резко повысить их мощность и обеспечить эффективное торможение подвижного состава при максимальной скорости движения. Мощность трамвайных двигателей также была повышена, появилась возможность использовать их на подвижном составе с тиристорно-импульсной системой управления, что привело к увеличению частоты вращения на 10–15% и экономии электроэнергии на 3–5%. Достигнутые результаты получены благодаря применению новых изоляционных материалов для обмотки якоря, введению ваку-умно нагнетательной пропитки в кремнийорганическом компаунде, а также использованию холоднокатаной изотропной электротехнической стали с изоляционным покрытием, нового материала коллектора и новой марки щеток.

В 70-е годы на базе новых технологий и материалов была создана серия совершенно новых тяговых двигателей, предназначенных для встраивания в пневматические колеса большегрузных автосамосвалов грузоподъемностью 75–180 т. Производство этих двигателей и трамвайного двигателя с завода «Динамо» было передано на новый завод «Татэлектромаш» в г. Набережные Челны. Освоение двигателей было проведено под руководством А.Д. Григоровича.

На заводе «Динамо» еще с 30-х годов было начато производство серий краново-металлургических и экскаваторных электродвигателей постоянного тока. В 1975 г. была разработана и внедрена в производство новая серия краново-ме-таллургических двигателей, которая по техническим данным и габаритно-установочным размерам соответствует нормам МЭК.

6.2.4. КРУПНЫЕ МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Еще до войны производство крупных машин постоянного тока было сосредоточено на заводах «Электросила» и ХЭМЗ и развивалось ускоренными темпами. На заводе «Электросила» в предвоенные годы было изготовлено свыше 200 единиц крупных электрических машин постоянного тока общей мощностью около 350 тыс. кВт. Из числа наиболее крупных поставок следует отметить электродвигатели для привода блюмингов (5150 кВт, 750 В, 50/120 об/мин) и слябингов (3700 кВт, 750 В, 50/100 об/мин; 1850 кВт, 750 В, 100/270 об/мин) и генераторы единичной мощностью 3500 кВт. ХЭМЗ совместно с заводом «Электросила» также освоил новую серию крупных машин постоянного тока мощностью до 7500 кВт с одним якорем.

Разработка серий прокатных реверсивных электродвигателей в диапазоне мощностей от 1850 до 6000 кВт и серии регулируемых электродвигателей в диапазоне от 110 до 4500 кВт с регулированием частоты вращения в пределах 1:3 была продолжена после войны. Завод «Электросила» произвел пересмотр расчетов и конструкций крупных машин постоянного тока с компенсационными обмотками и добился существенного повышения удельной мощности и экономии черных и цветных металлов. Коллектив работников завода в составе В.Т. Касьянова, А.А. Кашина, Р.А. Лютера, И.Н. Рабиновича и Д.В. Шапиро в 1948 г. получил высокую государственную оценку за создание крупных машин постоянного тока.

Важным этапом на пути повышения технического уровня машин постоянного тока явилась разработка в 1957 г. двухъякорного электродвигателя мощностью 19 600 кВт для привода гребных винтов атомного ледокола «Ленин» с двухходовой обмоткой якорей. Изучению особенностей работы двухходовых обмоток было посвящено много теоретических (В.В. Фетисов, П.М. Ипатов) и экспериментальных (О.Г. Вег-нер) работ, в результате которых были предложены рекомендации, позволившие заводу «Электросила» внедрить двухходовые обмотки якоря. Таким образом было преодолено ограничение мощности машины постоянного тока по значению допустимого напряжения между смежными пластинами. В 1958 г. был изготовлен электродвигатель мощностью 8840 кВт, напряжением 900 В, частотой вращения 65/90 об/мин, в 1977 г. — соответственно 12 500 кВт, 930 В, 63 /90 об/мин, а в 1985 г. — 10 000 кВт, 750 В, 32/63 об/мин. В итоге рост мощности реверсивного прокатного двигателя привел к реализации самого большого в мире вращающего момента 300 т-м.

^{Рис. 6.1. Электродвигательный агрегат, состоящий из четырех двигателей постоянного тока типа 2МП 25000–750 (25 МВт, 750 об/мин)} 

Значительный прогресс был достигнут в создании двухъякорных двигателей мощностью 11 000–14 000 кВт для электропривода нереверсивных прокатных станов. Характерными для этих машин, имеющих сравнительно высокую частоту вращения, являются показатель предельности, равный произведению мощности на частоту вращения, и коэффициент регулирования магнитного потока. Самый мощный из выпущенных нереверсивных прокатных электродвигателей мощностью 14 200 кВт с частотой вращения 200 об/мин имеет показатель предельности 5,8—10 кВт•об/мин на один якорь. Необходимо отметить, что за рубежом двигатели для аналогичных прокатных станов изготовлялись не двухъ-, а трехъякорными даже при меньшей мощности. Дальнейшее повышение показателя предельности было возможно при переходе на трехходовые обмотки якоря. В 1973–1974 гг. были проведены исследования двух опытных машин с трехходовыми петлевыми обмотками, а в 1975–1976 гг. опытной двухъякорной машины мощностью 25 МВт с частотой вращения 750 об/мин, которые создали основу для изготовления уникального агрегата, состоящего из четырех двухъякорных электродвигателей постоянного тока такого типа с трехходовыми обмотками, соединенными на валу последовательно, что позволило получить мощность 100 МВт при частоте вращения 750 об/мин (рис. 6.1).

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: