Краткая история развития электромеханики

Начало развития теории и практики электромеханических преобразований относится к 1820-м годам.

В 1820 г. Ганс Христиан Эрстед опубликовал работу “Опыты, касающиеся действия электрического конфликта на магнитную стрелку”, в которой описал действие тока на электромагнит, а Доменик Франсуа Араго установил, что проводник, по которому протекает ток, приобретает магнитные свойства. В том же году Жан Батист Био и Феликс Савар установили взаимодействие тока и магнитного поля.

В 1821 г. Майкл Фарадей открыл явление вращения проводника с током вокруг полюса постоянного магнита.

В 1824 г. Араго обнаружил, что при вращении медного диска над магнитной стрелкой последняя увлекается в сторону вращения диска. Это явление получило объяснение только после открытия электромагнитной индукции (1931 г.).

В 1825 г. Вильям Стерджен изобрел магнит с железным сердечником, что дало возможность получения более сильных магнитных полей.

В 1827 г. Ом опубликовал свой закон.

В 1931 г. Фарадей, проведя тысячи опытов, показал возможность ”превращения магнетизма в электричество”, открыв закон электромагнитной индукции.

В 1833 г. академик Э.Х. Ленц сформулировал принцип обратимости электрических машин, а в 1838 г. доказал это экспериментально. Такие же выводы в 1847 г. сделал Б.С.Якоби.

В 1834 г. Б.С.Якоби построил электрический двигатель вращательного движения, а в 1842 г. – первый в России электрический генератор с постоянными магнитами.

В период 1830-х…1870-х годов были сделаны четыре фундаментальные изобретения:

1. Применение электромагнитов вместо постоянных магнитов. В 1833 г. на такую возможность указал Уильям Риччи, а затем Вильгельм Иозеф Зинстеден в 1851 г., венгерский физик Аньош Иедлик в 1856 г. и англичанин Уайльд в 1863 г. После этого началось практическое применение обмоток возбуждения.

2. Открытие в 1851 г. датчанином Сёреном Хиортом принципа самовозбуждения генераторов постоянного тока. Это открытие не было оценено и получило применение с 1866 г. благодаря Уайльду, и английским телеграфным инженерам Карнелию и Самюелю Верлей, которые в 1866 г. запатентовали самовозбуждающийся генератор. Все перечисленные изобретатели предлагали генераторы с последовательным возбуждением, что вообще не очень удобно.

В 1867 г. англичанин Чарльз Уитстон и немецкий ученый Вернер Сименс предложили генератор с параллельным самовозбуждением. Такой генератор хотя вначале не имел успеха, но благодаря энергии Сименса он стал поворотным пунктом истории электромашиностроения и к началу 80-х гг. вытеснил генераторы с последовательным возбуждением.

3. Изобретение кольцевого якоря с замкнутой спиральной обмоткой – Антонио Пачинотти в 1860 г. и Зеноб (Зиновий) Теофил Грамм в 1870 г. Грамм существенно усовершенствовал коллектор, расположив его горизонтально (до этого коллекторы были торцевые). Грамм же указал на возможность применения на кольцевом якоре со спиральной обмоткой многополюсной магнитной системы.

4. Мероприятия для борьбы с вихревыми токами в железе якоря. Впервые в 1849 г. Зинстеден сделал кольцевой якорь из проволоки, однако это изобретение не оценили и продолжали строить машины с массивным якорем. Отход от этой практики начался с 1871 г., когда Грамм получил патент на кольцевой якорь из проволоки. Обоснование необходимости шихтовки якоря было сделано в 1878 г. Чарльзом Френсисом Брешом. В 1880 г. Томас Алва Эдисон предложил выполнять якоря из листов железа. В 1883 г. Крег предложил применять и шихтованные полюса.

Важное значение для развития электротехники имело создание П.Н. Яблочковым силового трансформатора с двумя отдельными обмотками. В 1885 г. венгерские электротехники О. Блати, М. Дэри и К. Циперновский создали кольцевой, броневой и стержневой трансформаторы, имеющие высокие технико-экономические показатели. Они и ввели термин “трансформатор”.

В 1886 г. братья Джон и Эдвард Гопкинсон обосновали метод расчета магнитных цепей электрической машины, распространив закон Ома на магнитные цепи. Этот год считается годом зарождения научной теории электрических машин постоянного тока.

В 1889 г. выдающийся русский электротехник М.О. Доливо-Добровольский предложил трехфазную систему переменных токов и в этом же году построил первый трехфазный трансформатор и первый трехфазный асинхронный двигатель мощностью 180 Вт.

В 1891 г. Энгельберт Арнольд, преподававший в Рижском политехническом институте, создал теорию обмоток электрических машин, положив конец “кустарщине” в этом вопросе. Арнольд также вывел формулу, связывающую геометрические размеры электрической машины с ее мощностью и скоростью. В 1899 г. Энгельберт Арнольд и Густав Мие разработали теорию коммутации для машин постоянного тока.

Первые электрические трамваи появились в Европе в 1881 г., а в России в 1892 г. В 1890 г. переведен на электрическую тягу Лондонский метрополитен, начинаются попытки электрификации сначала пригородных, а затем и магистральных железных дорог. В 1899 г. паровая турбина была впервые соединена с турбогенератором мощностью 1 МВт. Началось внедрение электричества во все отрасли промышленности и электрические машины прочно вошли во все сферы жизни.

В ХХ веке процесс шел по пути углубления теории и методов расчета электрических машин постоянного и переменного тока, развития методов их исследования, улучшения качества применяемых материалов, повышения единичной мощности, снижения удельной материалоемкости. Параллельно с этим развивалась теория электромеханического преобразования энергии, изучались возможности и регулировочные свойства электродвигателей.

В области применения регулируемых электроприводов постоянного тока начинает применяться электропривод с управляемым преобразователем переменного тока в постоянный. На первых порах этот преобразователь был электромеханическим: первичный двигатель переменного тока (трехфазный асинхронный или синхронный) вращал генератор постоянного тока. В отечественной технической литературе такая система получила названии Г-Д (генератор-двигатель). Позже с развитием компонентов статических преобразователей и компонентов силовой электроники внедрение получили ртутные выпрямители (в 1930-х годах), а затем тиристорные преобразователи (в 1960-х годах). Система тиристорный преобразователь – двигатель постоянного тока вплоть до конца ХХ века была преобладающим техническим решением автоматизированного электропривода.

Создание в начале 1980-х годов полностью управляемого полупроводникового прибора – IGBT транзистора (запатентован фирмой International Rectifier в 1983 г.) привело к вытеснению электроприводов постоянного тока электроприводами переменного тока по системе преобразователь частоты – асинхронный короткозамкнутый двигатель. Предпосылками этому явились простота конструкции, высокая надежность и высокие эксплуатационные характеристики асинхронного двигателя, изобретенного Доливо-Добровольским еще в конце XIX века.

Вместе с развитием электропривода появилась необходимость подготовки специалистов для его проектирования, обслуживания, монтажа и наладки, а также для решения теоретических и практических проблем, связанных с электрификацией машин, механизмов и установок. В нашей стране трудами профессоров С.А. Ринкевича и В.К. Попова создается фундаментальная теория электропривода. В 1925 г. профессор С.А. Ринкевич издает двухтомный труд “Электрическое распределение механической энергии”. Эта работа положила начало оформлению электропривода как одного из направлений электротехники.

В 1928-1932 гг. профессор В.К. Попов издает фундаментальный трехтомный труд “Применение электродвигателей в промышленности”. После Великой отечественной войны появляются учебники по электроприводу Д.П. Морозова, профессора А.Т. Голована.

В 1956 и 1963 г.г. двумя изданиями выходит классический учебник “Основы электропривода”, написанный профессорами В.П. Андреевым и Ю.А. Сабининым. В 1995 г. Ю.А. Сабинин и профессор С.А. Ковчин издают еще один учебник, учитывающий современное состояние техники и теории электропривода. Во 2-ой половине ХХ века профессора М.Г. Чиликин, А.С. Сандлер, В.И. Ключев порознь и вместе написали более 10 учебников по электроприводу (“Общий курс электропривода”, “Теория электропривода”, “Теория автоматизированного электропривода”).

Сегодня в Российской Федерации специалистов – электромехаников готовят около 90 высших технических учебных заведений.