Введение. Производство и потребление электрической энергии непре­рывно возрастает

Производство и потребление электрической энергии непре­рывно возрастает. Производство растет главным образом за счет строительства тепловых электростанций с установкой на них крупных энергетических блоков. Продолжается развитие энергети­че­ской системы, дальних линий электропере­дачи переменного тока напряжением 750–1150 тыс. В.

Электрическая энергия обладает большим преимуществом по срав­нению с другими видами энергии: ее можно передавать на большие расстояния, удобно распределять между потребителями, сравнительно просто и с высоким КПД преобразовывать в другие виды энергии. Процессом преобразования электрической энергии легко управлять и при этом автоматически получать необходимые характеристики пре­образованной энергии.

В происходящем научно-техническом прогрессе важная роль при­надлежит электрификации промышленности, транспорта, сельского хозяйства и быта. Развитие электрификации требует широкого при­менения и совершенствования разнообразного электротехнического оборудования. Одним из основных видов этого оборудования явля­ются электрические машины.

Преобразование механической энергии в электрическую в настоя­щее время осуществляется с помощью электрических генераторов.

Генераторы приводятся во вращение приводными двигателями, такими, например, как паровые, гидравлические и газовые турбины, двигатели внутреннего сгорания и др. Как правило, электростанции удалены от места потребления электрической энергии на значительные расстояния и связываются с потребителями и между собой линиями передачи высокого напряжения 500–800 кВ. Напряжение генераторов обычно невелико, поэтому для эффективной передачи электрической энергии на большие расстояния устанавливаются преобразователи электрической энергии - трансформаторы. После передачи электрической энергии в район потребления производится распределение ее линиями напряжением 6 000, 3 000, 500, 380 и 220 В. Понижение напряжения (чаще всего в несколько ступеней) производится также с помощью трансформаторов.

Трансформатор является электромагнитным аппаратом, не име­­ющим вращающихся частей. Преобразование энергии в трансформаторах и во вращающихся машинах происходит по одним и тем же законам электротехники, поэтому рабочие процессы в тех и других устройствах имеют много общего и изучение их производится в общем курсе электрических машин и трансформаторов.

Около 70 % всей электрической энергии на месте потребления
преобразуется в механическую энергию с помощью электродвигателей, предназначенных для электропривода различных машин и механизмов. Практическая возможность и технико-экономическая целесообразность изготовления электродвигателей небольшой мощности позволяют создать одиночный электропривод, при котором облегчается подвод механической энергии к станкам, особенно при большой площади цеха. Одним из современных способов использования механической энергии является многодвигательный привод. Ряд звеньев этой сложной машины приводится в движение отдельными электродвигателями. В некоторых случаях рабочее звено и двигатель объединяются таким образом, что промежуточное звено исключается, а вращающаяся часть машины является продолжением ротора электродвигателя.

Применение электрических машин и трансформаторов в народном хозяйстве не ограничивается перечисленными областями. В системах автоматического управления и регулирования электрические машины часто используются для получения информации
о состоянии системы или для преобразования сигнала управления. В качестве элементов схем автоматики применяются специальные электрические машины: усилители – для усиления электрического сигнала; тахогенераторы – для получения электрической информациио скорости вращения вала; вращающиеся трансформаторы – для получения электрического сигнала, пропорционального углу поворота вала или тригонометрической функции этого угла; сельсины для согласованного поворота (вращения) двух или нескольких валов; управляемые двигатели – для преобразования электрического сигнала в механическую энергию; шаговые двигатели –
для преобразования сигнала в поворот вала на фиксированный угол.

Одним из законов, лежащих в основе работы электрических машин и трансформаторов, является закон электромагнитной индукции, открытый Фарадеем в 1831 г. Вслед за этим открытием, уже в 1832 г., были выполнены первые модели электрических генераторов постоянного тока, а в 1834 г. член Петербургской Академии наук Б. С. Якоби построил первый электродвигатель для работы от гальванических элементов. Первоначально развивались электрические машины постоянного тока магнитоэлектрического типа, т. е. с возбуждением от постоянных магнитов, а затем, начиная с 1860 г., с электромагнитным возбуждением. Уже к середине 80-х гг. прошлого века машина приобрела все основные черты современной конструкции. По мере увеличения потребления электроэнергии и расширения ее применения стала развиваться наряду с системой постоянного тока система переменного однофазного тока. В 1878 г. П. И. Яблочков осуществил первую установку однофазного тока для электроснабжения изобретенных им «свечей Яблочкова». В этой установке он применил индукционную катушку с разомкнутой магнитной цепью и двумя электрически не связанными обмотками, которая представляла собой трансформатор. Свойства трансформаторов были быстро оценены и в 1885 г. инженеры Дери, Блати и Циперновский (ферма Ганц в Будапеште) получили патенты на ряд конструкций однофазных трансформаторов с замкнутым сердечником из изолированной стальной проволоки.

Эпоху в развитии всех областей электроэнергетики и, в частности, электромашиностроения, составила разработка М. О. Доливо-Добровольским системы трехфазного тока. Большой заслугой Доливо-Добровольского явилось изобретение им в 1889 г. трехфазного асинхронного двигателя, а также разработка ряда элементов передачи энергии трехфазного тока на большое расстояние. Это дало возможность уже в 1891 г. на Международной электротехнической выставке во Франкфурте-на-Майне осуществить первую установку трехфазного тока. Она состояла из генератора мощностью 200 кВтна электростанции в Лауффене (на расстоянии 170 км
от выставки), трехфазной линии передачи напряжением 15 кВ, двух понижающих подстанций на территории выставки, одна из которых подводила энергию к трехфазному асинхронному двигателю мощностью 75 кВт.

К началу текущего столетия система трехфазного тока получила всеобщее признание и начала широко и быстро развиваться.
С этого времени электроэнергетика развивается комплексно. Тем не менее успехи электромашиностроения в значительной мере определяют дальнейший технический прогресс.

Важное значение для электромашиностроения в целом имело изобретение в 1901 г. так называемой электротехнической стали, содержащей кремний. Применение этой стали позволило значительно снизить массу и размеры машин и трансформаторов без ухудшения их эксплуатационных характеристик. Дальнейшее улуч­шение материалов для магнитопровода привело к созданию холоднокатаной текстурированной стали, которая по сравнению с горячекатаной сталью имеет лучшие характеристики в направлении проката.

В области производства электроэнергии новая ступень развития связана с установкой на электростанциях в начале XX в. синхронных генераторов, непосредственно соединенных с высо­ко­ско­ростными паровыми турбинами. Основные звенья этого разви­тия – повышение надежности работы турбоагрегатов, увеличение их мощ­ности, совершенствование системы охлаждения. Важным этапом было применение водорода в качестве охлаждающего агента:
с 1928 г. - для синхронных компенсаторов и с 1937 г. - для генераторов большой мощности. Такие машины выполнялись закрытыми с поверхностным охлаждением обмоток, а также сердечников статора и ротора водоро­дом при небольшом избыточном давлении.
В настоящее время для крупных двух- и четырехполюсных синхронных генераторов приме­няется непосредственное охлаждение проводников обмотки ротора водородом и обмотки статора водой при сохранении поверхностного охлаждения водородом сердечника ротора.

Параллельно шло развитие многополюсных синхронных генера­торов, приводимых во вращение гидравлическими турбинами. Уве­личение мощности генераторов достигалось совершенствованием кон­струкции и улучшением охлаждения. Современные наиболее мощные ге­нераторы имеют непосредственное охлаждение обмотки статора водой.

Для развития трансформаторов наибольшее значение имели: устройство маслорасширителей (начиная с 10-х гг. XX столетия) и применение материалов с улучшенными свойст­вами. В связи с уве­личением протяженности линий передачи были созданы грозоупорные трансформаторы, а расширение области приме­нения электроэнергии привело к разработке специальных типов трансформаторов.

В области потребления электроэнергии главную роль играет электродвигатель. С начала 90-х гг. XIX в. в промыш­ленности широко применяется изобретенный М. О. Доливо-Добро­вольским трех­фазный асинхронный бесколлекторный двигатель, за­тем – в начале XX в. – были разработаны асинхрон­ные коллекторные двигатели и, наконец, примерно с 1916 г. – син­хронный двигатель.

В дальнейшем происходило увеличение верхнего предела и умень­шение нижнего предела мощности электродвигателей. В настоящее время построены электродвигатели, мощность которых измеряется десятками тысяч киловатт и микроваттами.

Внедрение электропривода в промышленности, сельском хозяй­стве, на транспорте и в обслуживании быта привело к созданию разнообразных специализированных двигателей как по характери­стикам, так и по конструктивному оформлению.

Происходящий научно-технический прогресс характеризуется внедрением механизации и автоматизации во все сферы человеческой деятельности и широким применением специальных электрических машин малой мощности. Для этой цели были разработаны и изготов­ляются как электродвигатели, так и различные электромашинные элементы автоматических устройств.

К электрическим микромашинам общепромышленного назначе­ния обычно предъявляются такие же требования, как и к электрическим машинам средней и большой мощности, причем одним из основных является требование таких энергетических показателей, как КПД. Иногда при массо­вом производстве требование этих энергетических показателей несколько снижается, так как более жестко ставится требование технологичности конструкции. К двигателям группы общепромыш­ленного применения часто не предъявляется повышенных требо­ваний в отношении габаритов, массы, надежности, так как эти свойства обычно приобретаются благодаря применению высоко­качественных материалов, усложнения технологии, увеличения трудоемкости, а следовательно, и стоимости машин, что не всегда приемлемо для потребителей.