Первые электромеханотронные преобразователи

Александр Микеров,
д. т. н., проф. каф.
систем автоматического управления
СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

В предыдущей статье этого цикла [1] были рассмотрены первые мехатронные устройства для управления механическим движением — тяговый электропривод Сименса и система генератор-двигатель Вард Леонарда, — которые были чисто электромеханическими. Появление в начале ХХ в. газоразрядных и электровакуумных приборов позволило управлять механическим движением уже с помощью электроники. Кроме того, электроника помогла решать задачи регулирования генераторов и избавления электрических машин от ненадежного щеточно-коллекторного узла. По современным представлениям [2, 3, 4], функциональное объединение электрической машины (двигателя или генератора) с электронными приборами для ее управления называется электромеханотронным преобразователем (ЭМТП).

Первые ЭМТП для регулирования генератора постоянного тока были описаны в 1920 г. в книге знаменитого ученого, специалиста в электровакуумной технике из Южной Африки Хендрика ван дер Бейла (Hendrik van der Bijl) (рис. 1) [5]. Он родился во времена англо-бурской войны в семье преуспевающего торговца в столице Претория, где и получил бакалаврское образование.

Рис. 1. Хендрик ван дер Бейл (1887–1948)

Бейл продолжил обучение в Лейпцигском университете, был удостоен докторской степени по физике и занялся исследованиями в новой тогда науке электронике. В 1913 г. выдающийся американский физик Роберт Милликен (Robert Millikan) пригласил его в США в компанию Western Electric для исследования и внедрения в дальнюю телефонную связь первого электровакуумного триода, изобретенного в 1907 г. Ли де Форестом (Lee De Forest) и названного им аудионом. Бейл создал несколько уникальных конструкций усилительных триодов и обосновал возможность их применения и в измерительной технике и электрических машинах. В 1920 г. он вернулся в Южную Африку, где внес огромный вклад в развитие электротехнической и сталелитейной промышленности, а также в высшее образование (на посту ректора Преторианского университета).

Схема регулирования напряжения генератора постоянного тока Бейла показана на рис. 2 [5]. Заданное выходное напряжение, снимаемое с обмотки якоря ОЯ, расположенной на роторе, пропорционально напряжению на его обмотке возбуждения ОВ на статоре, которая включена последовательно с аудионом АУ, содержащим подогревный катод К (от батареи БК), анод А и сетку С.

Рис. 2. Генератор регулируемого напряжения

Для работы аудиона (как и обычного вакуумного триода) в режиме усиления необходимо наличие отрицательного (относительно катода) сеточного смещения, что и обеспечивается потенциометром РВ [6]. Повышение по какой-то причине выходного напряжения обусловит увеличение тока через аудион и, следовательно, сделает сеточное напряжение более отрицательным, что приведет к уменьшению тока через аудион и напряжения на обмотке возбуждения, обеспечивая тем самым возврат к заданному выходному напряжению.

Для регулирования тока генератора (рис. 3) в цепь его якоря ОЯ вводится потенциометр РЯ, напряжение с которого подается на сетку С через батарею отрицательного сеточного смещения БС.

Рис. 3. Генератор регулируемого тока

При повышении по какой-либо причине выходного тока генератора напряжение, снимаемое с резистора РЯ относительно катода К, становится более отрицательным, что уменьшает ток аудиона АУ и, следовательно, напряжение возбуждения, приводящее к уменьшению выходного тока генератора.

На практике коэффициент усиления по мощности генератора постоянного тока не превышает 100 [1], поэтому при мощности электровакуумного прибора в единицы ватт мощность управляемого генератора или электродвигателя не может быть более 100 Вт. Это привело к использованию вместо аудиона более мощных газоразрядных приборов [7–9, 10, 11], первым среди которых стал неуправляемый ртутно-дуговой вентиль, созданный американским изобретателем Питером Купер-Хьюиттом (Peter Cooper Hewitt) в 1901 г. [7]. За ним последовали управляемые приборы — тиратрон, созданный в компании General Electric в 1914 г. выдающимся американским физиком, лауреатом Нобелевской премии Ирвингом Ленгмюром (Irving Langmuir), имевшим докторскую степень Геттингенского университета, и игнитрон, изобретенный в 1931 г. в компании Westinghouse американским инженером-электриком Иосифом Слепяном (Joseph Slepian) из семьи еврейских эмигрантов из России, получившим докторскую степень Гарвардского университета [7, 9, 10].

Первый коммерческий вентиль, выпущенный компанией General Electric в 1902 г., включал ртутный катод К, два анода А и поджигающий электрод П, заключенные в стеклянную колбу КС (рис. 4) [7]. При высоком положительном напряжении на аноде и подаче кратковременного положительного импульса на поджигающий электрод происходит ионизация паров ртути с фиолетовым свечением и возникает устойчивая электрическая дуга, проводящая анодный ток. Выключение вентиля возможно лишь при снижении анодного напряжения или смене его знака.

Рис. 4. Вентиль Купера-Хьюитта

Наличие двух анодов позволяет обеспечить двухполупериодное выпрямление питающего напряжения на входе трансформатора ТР, как показано на рис. 5, где поджигающий электрод П запитан через стартовый резистор Р, а двигатель постоянного тока (ДПТ) включен между катодом и средней точкой трансформатора [8].

Рис. 5. ДПТ с питанием от сети переменного тока

После 1911 г. ртутно-дуговые выпрямители стали широко применяться в двигателях 100 кВт, в том числе для трамвая и на железной дороге [7, 9]. Однако они были непригодны для мобильных устройств, поскольку работали только в вертикальном положении при отсутствии толчков и вибраций, а также требовали защиты от пробоя и не могли обеспечить регулирование выходного напряжения. Этих недостатков были лишены тиратроны (рис. 6), включающие подогревный катод К, анод А и управляющую сетку С и помещенные в стеклянный баллон Б, который наполнен парами ртути или инертного газа [7, 10].

Рис. 6. Тиратрон

При отсутствии сеточного напряжения электроны, излучаемые катодом за счет термоэлектронной эмиссии, ионизируют молекулы газа, создавая светящуюся плазму, хорошо проводящую электрический ток при высоком положительном анодном напряжении. Однако при небольшом отрицательном напряжении на сетке относительно катода анодный ток прекращается. Тиратрон также выключается при смене полярности анодного напряжения.

Коммерческое производство тиратронов началось в 1928 г. На рис. 7 показан пример двухполупериодного выпрямителя на тиратронах Т1 и Т2 для питания ДПТ. Трансформатор ТР1 подключен к питающей сети, а на трансформатор ТР2 подается напряжение контроля сетки [10]. Точкой в условном обозначении отмечается газоразрядный вакуумный прибор. Такие выпрямители стали применяться сначала в бесщеточной системе возбуждения синхронных генераторов (1929 г.), а затем, в 1930-х гг., для питания электродвигателей от сети переменного тока, например для электропривода станков [2, 9].

Рис. 7. ДПТ c тиратронным выпрямителем

Однако рассмотренные на рис. 5 и 7 ЭМТП не обеспечивают изменение величины выходного напряжения, а следовательно, и скорости электродвигателя. Для превращения выпрямителя на газоразрядных приборах в управляемый был предложен так называемый фазовый метод управления. В 1903 г. сотрудник Купера-Хьюитта Перси Томас (Percy Thomas) запатентовал выпрямитель с ртутно-дуговой лампой, в котором изменение выходного напряжения достигалось за счет введения задержки в момент поджигания лампы [9]. Концепция метода для двухполупериодного выпрямителя поясняется рис. 8, где средний ток анода (1) I_ср при активной нагрузке изменяется по величине в зависимости от времени задержки T поджига лампы (2).

Рис. 8. Фазовое управление

Применительно к тиратронному выпрямителю (рис. 7) изменение времени T задержки поджига достигается сдвигом фазы напряжения контроля относительно питающего, как показано на рис. 9, где красным отмечено питающее напряжение, а синим — напряжение контроля. Если в положительный полупериод напряжения на аноде тиратрона напряжение контроля на сетке отрицательно, то тиратрон будет выключен на время задержки T до момента, когда напряжение на сетке станет положительным — тогда тиратрон зажжется.

Рис. 9. Сдвиг фаз при фазовом управлении

Регулирование сдвига фаз сначала было технически трудновыполнимой задачей, например в патенте Томаса для этого предлагалось сложное электромеханическое устройство [9]. В середине 1930-х гг. для этого стали использовать фазосдвигающие мосты, и на рис. 10 показан пример для случая однополупериодного выпрямителя [9–11]. Здесь обмотка якоря двигателя ОЯ питается от тиратрона Т, сетка которого подключена к фазосдвигающему мосту, содержащему вторичные обмотки трансформатора ТР, конденсатор С и переменный резистор R, регулирующий фазу сигнала контроля, а следовательно, и скорость двигателя. Обмотка возбуждения двигателя ОВ может быть запитана от неуправляемого тиратронного выпрямителя или кристаллического селенового диода Д, изобретенного в 1883 г. американским инженером Чарльзом Фритсом (Charles Fritts), а также медно-закисного элемента, который предложил американский физик Ларс Грондаль (Lars Grondahl) в 1926 г. [12].

Рис. 10. ДПТ регулируемой скорости

Форма выходного тока выпрямителя I при фазовом управлении (рис. 8) показывает, что, помимо регулируемого среднего значения, присутствуют и высшие гармоники, амплитуда которых может достичь 100% среднего значения, что вызовет дополнительный разогрев двигателя. Кроме того, резкие броски тока могут привести к пробою его обмотки. Все это справедливо и при распространенном в настоящее время методе управления широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). С другой стороны, двигатель постоянного тока является для управляющей электроники весьма сложной нагрузкой в виде не только активного, индуктивного и емкостного сопротивления, но и мощной противоЭДС. Все это делает ЭМТП отдельным видом мехатронного модуля, требующим специальных методов проектирования и испытаний. Дал ему название в 1986 г. профессор Электротехнического института имени В. И. Ульянова (сейчас — СПбГЭТУ «ЛЭТИ»), заслуженный деятель науки России, капитан 1-го ранга Юрий Павлович Коськин, определивший сущность самостоятельной науки электро­механотроника (рис. 11) [2, 3, 13].

Рис. 11. Юрий Павлович Коськин

Он окончил Высшее Военно-морское училище имени Дзержинского в Ленинграде, остался там на преподавательской работе и защитил докторскую диссертацию, затем перешел в ЛЭТИ, где заведовал кафедрой электрических машин, переименованной при нем в кафедру электромеханики и электромеханотроники.

Термин «электромеханотронный преобразователь», имеющий энергетическую и информационную подсистемы, был узаконен в ГОСТ Р 50369-92 [4]. С конца 1980-х гг. в Ленинграде неоднократно проводились семинары и конференции по электромеханотронике, включая международную конференцию в 1997 г. Электромеханотроника (называемая также электромехатроникой) и сегодня развивается в ряде университетов и исследовательских центров страны [2, 3]. Соверменные версии таких приборов можно посмотреть например здесь electrade.ru.

О создании ЭМТП, способных заменить электрические машины с щеточно-коллекторным узлом (вентильные двигатели и генераторы), а также регулируемые асинхронные двигатели, будет рассказано в следующих статьях.

• ЭМТП появились в начале ХХ в. в связи с необходимостью регулировать скорость двигателей и напряжение генераторов.
• Первые устройства для регулирования генератора с электровакуумным прибором (аудионом) были описаны в 1920 г. в книге Бейла.
• В 1901 г. Купер-Хьюитт создал мощный ртутно-дуговой вентиль для питания двигателя постоянного тока от сети переменного тока, однако этот выпрямитель был неуправляемым.
• Метод управления газоразрядными приборами, называемый фазовым, изобрел Томас в 1903 г., однако практическая реализация стала возможной лишь после создания тиратрона (1914 г.) и игнитрона (1931 г.).
• В 1986 г. Коськин предложил изучать взаимное влияние электромеханических и электронных компонентов ЭМТП в рамках самостоятельной науки электромеханотроники.