Введение в электромеханику

Электромеханика и социальный прогресс

Уровень развития материальной культуры человеческого общества определяется в первую очередь созданием и использованием источников энергии.

Применение пара и уже более 100 лет — электричества совершило техническую революцию в промышленности и оказало решающее влияние на развитие социальных отношений. В настоящее время в наиболее развитых странах на одного человека приходится до 10 кВт всех видов энергии. Это примерно в 100 раз больше, чем мускульная мощность человека, которая еще 200 лет назад была основной в промышленности и сельском хозяйстве.

С полным основанием можно считать, что технический и культурный уровень развития государства определяется количеством электроэнергии, вырабатываемой на душу населения.

Почти вся электрическая энергия (на долю химических источников приходится незначительная часть) вырабатывается электрическими машинами, способными работать не только в генераторном, но и в двигательном режиме, преобразуя электрическую энергию в механическую. Обладая высокими энергетическими показателями и меньшими, по сравнению с другими преобразователями энергии, расходами материалов на единицу мощности, экологически чистые электромеханические преобразователи имеют в жизни человеческого общества огромное значение.

Первые городские электростанции появились в самом конце XIX в. Сегодня установленная мощность электростанций на Земле равна примерно 4000 млн кВт. Выработка электроэнергии достигла примерно 25 000 млрд кВт ч в год. Если и далее производство электроэнергии будет расти такими же темпами, то в ближайшие годы оно достигнет.

0,1% всей энергии, получаемой Землей от Солнца. Производство электроэнергии становится глобальным и влияет на окружающую нас среду.

В нашей стране за последние 80 лет выработ ка электроэнергии увеличилась в 1000 раз. Особенно быстро она росла в 1950—1980 гг. В наследство от царской России страна получила несколько электростанций мощностью всего в 1000 МВт. В 1920 г. по инициативе В. И. Ленина был принят государственный план электрификации России — план ГОЭЛРО, по которому предусматривалось за 10—15 лет построить 20 тепловых и 10 гидравлических электростанций мощностью 1750 МВт. План был выполнен досрочно, и уже в 1935 г. вместо 30 было введено в строй 40 электростанций, выработка электроэнергии превысила планируемую вдвое.

После Великой Отечественной войны энергетика развивалась особенно быстрыми темпами. Были построены каскады гидростанций на Волге и Днепре, мощные тепловые электростанции и атомные станции. До 1990;х гг. выработка электроэнергии в нашей стране удваивалась за 8—10 лет. Уже в 1985 г. в СССР было выработано более 1,5 трлн кВт-ч электроэнергии. Производство электроэнергии на атомных электростанциях в последние годы достигло 20% общего объема. Электротехническая промышленность обеспечивает изготовление электрических машин и другого оборудования для энергетики и других отраслей народного хозяйства. Для передачи, распределения и использования электрической энергии на каждую единицу установленной мощности на электростанциях требуется изготовить пять-шесть единиц мощности трансформаторов и электрических двигателей.

В настоящее время в отрасли насчитывается около 100 крупных заводов и научно-производственных объединений. Крупнейшими научно-производственными объединениями, имеющими международную известность, являются «Электросила» (г. Санкт-Петербург), «Динамо» (г. Москва), Уралэлсктротяжмаш (г. Екатеринбург) и др. [1, 3].

Электротехническая промышленность выпускает в год миллионы электрических машин для всех отраслей народного хозяйства. Без них не может развиваться ни одна комплексная научная программа. Электрические машины работают в космосе и глубоко под землей, в океане и активной зоне атомных реакторов, в животноводческих помещениях и медицинских кабинетах. Без преувеличения можно сказать, что электромеханика определяет технический прогресс в большинстве основных отраслей промышленности.

Колоссальный рост выработки электроэнергии мог быть обеспечен только при росте мощности турбои гидрогенераторов, установленных на тепловых, атомных и гидравлических станциях. Единичная мощность тепловых электростанций достигла 4,8 млн кВт, а самая крупная у нас гидростанция — Саяно-Шушенская (она будет восстановлена в 2014 г.) — имела мощность 6,6 млн кВт. Установленная мощность генераторов на электростанциях России в 2000 г. превысила 150 млн кВт.

На тепловых и атомных электростанциях в качестве генераторов применяются быстроходные электрические машинытурбогенераторы с частотой вращения 3000 и 1500 об/мин. На гидростанциях работают тихоходные генераторы электрической энергии — гидрогенераторы.

На рис. 1.1 показан рост единичной мощности турбогенераторов за послевоенные годы. За 30 лет усилиями инженеров-электромехаников удалось, практически в одних и тех же габаритах, увеличить мощность турбогенераторов в 10 раз. Это стало возможным главным образом в результате улучшения охлаждения машины. Сначала в качестве охлаждающей среды применялся воздух, затем водород, а в последних конструкциях внутреннее охлаждение проводников обмоток осуществляется водой или воздухом.

Рис. 1.1. Рост единичной мощности турбогенераторов.

Для установки мощного турбогенератора нужна относительно небольшая площадь электростанции. Значит, сокращаются расходы на сооружение машинного зала, станцию можно быстрее ввести в строй. И наконец, чем крупнее электрическая машина, тем выше ее КПД.

Однако все эти преимущества не исключают технических трудностей, возникающих при создании крупных энергетических агрегатов. И, что самое существенное, их мощность можно увеличивать лишь до определенных пределов. Расчеты показывают — перешагнуть верхний предел, ограниченный мощностью турбогенератора 2500 МВт, ротор которого вращается с частотой 3000 об/мин, нс удастся, так как этот предел определяется в первую очередь прочностными характеристиками: напряжения в механической конструкции машины более высокой мощности возрастают настолько, что центробежные силы неизбежно вызовут разрушение ротора.

Немало сложностей возникает при транспортировке. Для перевозки того же турбогенератора мощностью 1200 МВт пришлось построить сочлененный транспортер грузоподъемностью 500 т, длиной почти 64 м. Каждая из двух его тележек опиралась на 16 вагонных осей.

В настоящее время освоен серийный выпуск турбогенераторов мощностью 500 и 800 МВт. На Костромской тепловой электростанции работают турбогенераторы мощностью 1200 МВт. Для атомных электростанций освоен выпуск турбогенераторов мощностью 1000 МВт с частотами вращения 1500 и 3000 об/мин и мощностью 1600 МВт на 1500 об/мин. Это самые крупные и экономичные энергетические установки в мире. Коэффициент полезного действия турбогенератора мощностью 1200 МВт составляет 99,2%, а расход материалов — 0,5 кг/кВт.

Резервы повышения мощности турбогенераторов увеличиваются при применении обмоток из сверхпроводящих сплавов, работающих при температуре, близкой к 4 К, когда активное сопротивление практически равно нулю. Использование явления сверхпроводимости позволит довести единичную мощность электрических машин до 2—3 млн кВт. Создан криотурбогенератор мощностью 320 МВ-А, 3000 об/мин и ведутся работы по увеличению мощности криотурбогенераторов.

Гидрогенератор Саяно-Шушенской ГЭС имел мощность 712 MB-А. Это один из крупнейших гидрогенераторов в мире. Его КПД равен 98,4%, cos ф = 0,9 при частоте вращения 142,8 об/мин. Масса гидрогенератора 1790 т. С 1967 г. на Красноярской ГЭС успешно эксплуатируются гидрогенераторы мощностью 590 MB-А. За годы эксплуатации станция несколько раз окупила расходы па ее строительство. В течение полувека вырабатывают дешевую электроэнергию гидрогенераторы каскада Волжских, Братской, Красноярской, Усть-Илимской ГЭС и др. В 2008 г. завершено проектирование гидрогенераторов мощностью 1600 МВт, а также еще большей мощности для ГЭС Восточной Сибири.

Для передачи и распределения электроэнергии требуются трансформаторы, автотрансформаторы и реакторы. На основе достижений советских электротехников созданы трансформаторы для передачи огромных энергетических мощностей на большие расстояния при напряжениях 1150 кВ переменного тока и 1500 кВ постоянного тока.

В России выпускаются самые мощные в мире автотрансформаторы тина АОДДТ-667 000/1150/500, предназначенные для связи электрических сетей переменного тока напряжением 1150 и 500 кВ. Номинальная мощность автотрансформатора 667 000 кВ-А, масса 580 т. Уникальными установками являются трансформаторы, предназначенные для работы на электростанциях в качестве повышающих в блоке с турбогенераторами 1000 и 800 МВт. Трансформаторные заводы страны выпускают реакторы, специальные трансформаторы, комплектные трансформаторные подстанции и другие устройства, обеспечивающие надежную работу энергосистем и электроснабжение потребителей электроэнергией.

Две трети электроэнергии, выработанной на электростанциях, преобразуется различными электроприводами в механическую энергию. Электрические двигатели постоянного и переменного тока строятся на мощности от долей ватта до десятков тысяч киловатт, на напряжения от нескольких вольт до десятков киловольт. Частоты вращения охватывают диапазон от одного оборота в сутки до 500 000 об/мин. Выпускаются двигатели, обеспечивающие точные угловые и линейные перемещения, работающие при изменении частоты вращения в диапазоне 1 — 1000 и выше, при температуре, близкой к абсолютному нулю, и 600 К, работающие в агрессивных средах, в вакууме и при высоких давлениях. Электродвигатели имеют бесчисленные конструктивные исполнения. При создании электродвигателей электромеханикам удавалось решить почти все проблемы, которые ставились перед ними промышленностью, но проблем не становится меньше.

Электротехническая промышленность разработала и выпускает электродвигатели во взрывозащищениом исполнении на 1140 В, что позволило в 1,5—2 раза увеличить среднесуточную добычу угля. Для карьерных и шагающих экскаваторов изготовляются двигатели в так называемом экскаваторном исполнении. Выпускаются тяговые двигатели для электровозов, работающих в карьерах. Для нефтяной промышленности выпускаются погружные двигатели, работающие при 90 °C, и нагревостойкие электробуры. Усилиями электромехаников созданы различные электродвигатели, обеспечивающие надежную работу агропромышленного комплекса. Для бытового применения выпускается большая гамма электрических машин, обеспечивающая работу холодильников, пылесосов, стиральных и других бытовых приборов. Электрические двигатели широко используются в медицинской технике.

Особая роль отводится электрическим машинам в космической, авиационной и морской технике. Электрические машины, работающие на передвижных установках, выпускаются в больших количествах. Эти машины должны иметь минимальные габариты при высоких энергетических показателях и высокую надежность. Отдельную область электромеханики составляют электрические машины систем автоматического управления, где электрические машины используются в качестве датчиков скорости, положения, угла и являются основными элементами сложнейших навигационных систем.

Невозможно для каждого заказчика создавать отдельную электрическую машину, поэтому они выпускаются сериями. В нашей стране самой массовой серией электрических машин является общепромышленная серия асинхронных машин 4А. Серия включает в себя машины мощностью от 0,06 до 400 кВт и выполнена на 17 стандартных высотах оси вращения. На каждую из высот вращения выпускаются двигатели двух мощностей, отличающиеся по длине. На базе единой серии производятся различные модификации двигателей, которые обеспечивают технические требования большинства потребителей. Большими сериями выпускаются синхронные машины, машины постоянного тока, микромашины и трансформаторы. Серийное изготовление машин позволяет модифицировать отдельные узлы и детали, применять поточные автоматические линии и обеспечивать необходимый выпуск электрических машин при минимальных затратах [ 11.

В последние годы Ярославский электромашиностроительный завод разработал и выпускает серию RA — Российская асинхронная; Владимирский электромоторный завод — серию 5А.

Серии электрических машин обновлялись каждые 8— 10 лет. Проектирование серий имеет важное значение для все;

го народного хозяйства и требует высокой профессиональной подготовки научных коллективов. Несмотря на бесконечное разнообразие электрических машин, они объединяются единой теорией электромеханического преобразования энергии.

Как в практике электромашиностроения, так и в области теории электрических машин сделано уже многое и достигнуты несомненные успехи. Но нельзя думать, что все основное уже завершено и остается только изучать созданное старшим поколением электромехаников.

Сегодня перед электромеханиками стоят трудные и интересные проблемы, которые требуют глубокого знания теории, проектирования и технологии изготовления электрических машин.

К основной проблеме в области электромеханики следует отнести создание электрических машин, использующих новые нетрадиционные источники энергии. Таким образом, электромеханическое преобразование энергии и в будущем будет основным в энергетике, поэтому создание электрогенераторов, использующих новые источники энергии, — особая задача электромехаников.

До сих пор практическое применение находит один класс электрических машин — индуктивные, в которых электромеханическое преобразование энергии происходит в магнитном поле. Электромеханические преобразователи, в которых одновременно идет преобразование энергии в электрическом и электромагнитном полях, еще нс нашли применения в промышленности. Создание таких электрических машин — одна из трудных проблем электромеханики.

Особенностью развития электромашиностроения в настоящий период является то, что дальнейшее наращивание выпуска электрических машин происходит с учетом жестких требований экономии материалов, электроэнергии и трудовых ресурсов. Первостепенная задача заключается в создании более экономичных, технологичных и менее металлоемких электрических машин. Сотни повседневных задач, связанных с повышением энергетических показателей, улучшением надежности, снижением шума и вибраций, созданием безотходной технологии, проектированием новых электрических машин, ежедневно решаются большой армией инженеров-электромехаников, обеспечивающих технический прогресс в электромашиностроении.