Электротехника

Электротехника (от электро... и техника), отрасль науки и техники, связанная с применением электрических и магнитных явлений для преобразования энергии, получения и изменения химического состава веществ, производства и обработки материалов, передачи информации, охватывающая вопросы получения, преобразования и использования электрической энергии в практической деятельности человека.

  Историческая справка. Возникновению Э. предшествовал длительный период накопления знаний об электричестве и магнетизме, в течение которого были сделаны лишь отдельные попытки применения электричества в медицине, а также для передачи сигналов. В 17—18 вв.(века) исследованию природы электрических явлений были посвящены труды М. В. Ломоносова. Т. В. Рихмана, Б. Франклина, Ш. О. Кулона, П. Дивиша и др. Для становления Э. решающее значение имело появление первого источника непрерывного тока — вольтова столба (А. Вольта, 1800), а затем более совершенных гальванических элементов, что позволило в 1-й трети 19 в. провести многочисленные исследования химических, тепловых, световых и магнитных явлений, вызываемых электрическим током (труды В. В. Петрова, X. К. Эрстеда, Д. Ф. Араго, М. Фарадея, Дж. Генри, А. М. Ампера, Г. С. Ома и др.). В этот период были заложены основы электродинамики, открыт важнейший закон электрической цепи — Ома закон. Среди попыток практического использования результатов этих достижений наиболее значительными были работы в телеграфии (электромагнитный телеграф П. Л. Шиллинга, 1832), в военном деле (гальваноударные морские мины Б. С. Якоби, 1840-е гг.), в области электрических измерений (индикатор электрического тока, т. н. мультипликатор, австрийского учёного И. К. Швейгера, 1820). Открытие электромагнитной индукции (1831—32) предопределило появление электрических машин — двигателей и генераторов. Поскольку все первые потребители электроэнергии использовали постоянный ток (как наиболее изученный), первые электрические машины были постоянного тока машинами. Исторически электродвигатели стали создаваться раньше электромашинных генераторов, т. к. в 1-й трети 19 в. гальванические элементы как источники тока к большей или меньшей мере удовлетворяли требованиям практики. Период совершенствования конструкции электродвигателя — от лабораторных приборов, демонстрировавших возможность превращения электрической энергии в механическую (установка Фарадея, 1821), до машин промышленного типа — охватывает приблизительно 50 лет. В первых электродвигателях подвижная часть совершала возвратно-поступательное или качательное движение, а момент на валу двигателя был пульсирующим (например, в двигателе Генри). Начиная с середины 30-х гг. 19 в. стали строиться двигатели с вращающимся якорем. Таким электродвигателем, получившим практическое применение, был двигатель, разработанный Якоби (1834--38). Испытание этого двигателя, приводившего в движение «электрический бот», показало, с одной стороны, принципиальную возможность его практического применения, а с другой — необходимость создания более экономичного по сравнению с гальваническими элементами источника электроэнергии. Таким источником стал электромашинный генератор, прообразом которого была униполярная машина Фарадея (1831). Первыми практически пригодными электромашинными генераторами были магнитоэлектрические генераторы, в которых магнитное поле создавалось постоянными магнитами, а якорями служили массивные индуктивные катушки (Якоби, 1842). В 1851 немецкий учёный В. Зинстеден предложил заменить постоянные магниты электромагнитами, катушки которых питались от самостоятельных магнитоэлектрических генераторов. Дальнейшее совершенствование конструкции электромашинного генератора связано с использованием для возбуждения обмотки электромагнита тока самого генератора. Такие генераторы с самовозбуждением были предложены почти одновременно датским учёным С. Хиортом (1854), английскими инженерами К. и С. Варли (1867), Л. Йедликом, Ч. Уитстоном, Э. В. Сименсом. Промышленное производство генераторов было начато в 1870 в Париже после того, как З. Т. Грамм впервые применил в генераторе с самовозбуждением кольцевой шихтованный якорь, принципиальная конструкция которого была предложена для электродвигателя в 1860 А. Пачинотти. Генератор Грамма работал не только в генераторном, но и в двигательном режиме, что положило начало практическому внедрению принципа обратимости электрических машин (открытому Э. X. Ленцем, 1832—38) и позволило значительно расширить область использования электрических машин. Последующее совершенствование машин постоянного тока шло по пути улучшения их конструктивных элементов — замена кольцевого якоря барабанным (Ф. Хёфнер-Альтенек, 1873), усовершенствование шихтованных якорей (американский изобретатель Х. Максим, 1880), введение компенсационной обмотки (1884), дополнительных полюсов (1885) и др. К 80-м гг. 19 в. электрические машины постоянного тока приобрели основные конструктивные черты современных машин. Их совершенствованию способствовало открытие закона о направлении индукционных токов (см. Ленца правило), обнаружение и исследование противоэдс (Якоби, 1840) и реакции якоря (Ленц, 1847), разработка методов расчёта электрических цепей (Г. Р. Кирхгоф, 1847) и магнитных цепей (английский учёный Дж. Гопкинсон, нач. 80-х гг.), изучение магнитных свойств железа (А. Г. Столетов, 1871) и др. К концу 70-х гг. относятся работы Дж. К. Максвелла, сформулировавшего уравнения (см. Максвелла уравнения), являющиеся основой современного учения об электромагнитном поле.

  Наряду с электромашинными генераторами продолжали совершенствоваться химические источники тока. Значительным шагом в этом направлении было изобретение свинцового аккумулятора (французский физик Г. Планте, 1859). Усовершенствованная конструкция этого аккумулятора к 80-м гг. уже имела все основные элементы современных аккумуляторов.

  Создание надёжных источников тока сделало возможным удовлетворение возросших потребностей в электрической энергии для практических целей. Дальнейшее развитие Э. связано с возникновением электротехнической промышленности и массовым распространением электрического освещения, которое в 50—70-х гг. 19 в. заменило газовое. Идея применения электрической энергии для освещения была высказана Петровым в 1802 после открытия дуги электрической. Первыми электрическими источниками света были разнообразные дуговые угольные лампы, среди которых наиболее дешёвой и простой была «свеча Яблочкова» (П. Н. Яблочков, 1876). В 1870—75 А. Н. Лодыгин разработал несколько типов ламп накаливания, усовершенствованных позднее Т. А. Эдисоном и получивших преимущественное распространение к 90 м гг. 19 в. Достижения в создании и применении электрических источников света оказали существенное влияние на становление и развитие светотехники. С распространением электрического освещения связано создание электроэнергетических систем. Уже в первых осветительных устройствах Яблочкова имелись все основные элементы энергосистем: первичный двигатель, генератор, линия электропередачи, трансформатор, приёмник энергии.

  Начало применению электроэнергии для технологических целей положили ещё работы Якоби (1838), предложившего использовать электрический ток для получения металлических копий и для нанесения металлических покрытий (см. Гальванотехника).

  Но расширение области практического использования электрической энергии стало возможно лишь в 70—80-е гг. 19 в. с решением проблемы передачи электроэнергии на расстояние. В 1874 Ф. А. Пироцкий пришёл к выводу об экономической целесообразности производства электроэнергии в местах, где имеются дешёвые топливные или гидроэнергетические ресурсы, с последующей передачей её к потребителю. В 1880—81 Д. А. Лачинов и М. Депре независимо друг от друга предложили для уменьшения потерь электроэнергии в линии электропередачи (ЛЭП) использовать ток высокого напряжения. Первая линия электропередачи на постоянном токе была построена Депре в 1882 между городами Мисбахом и Мюнхеном (длина линии 57 км, напряжение в ней 1.5—2 кв). Однако попытки осуществить электропередачу на постоянном токе оказались неэффективными, т. к., с одной стороны, технические возможности получения постоянного тока высокого напряжения были ограничены, а с другой — было затруднено его потребление. Поэтому наряду с использованием для передачи электроэнергии постоянного тока велись работы по применению в тех же целях однофазного переменного тока, напряжение которого можно было изменять (повышать и понижать) с помощью однофазного трансформатора. Создание промышленного типа такого трансформатора (О. Блати, М. Дери, К. Циперновский, 1885, и др.) по существу решило проблему передачи электроэнергии. Однако широкое распространение однофазного переменного тока в промышленности было невозможно из-за того, что однофазные электродвигатели не удовлетворяли требованиям промышленного электропривода, и поэтому применение однофазного переменного тока ограничивалось лишь установками электрического освещения.

  В 70—80-е гг. 19 в. электроэнергию начали использовать в технологических процессах: при получении алюминия, меди, цинка, высококачественных сталей: для резки и сварки металлов; упрочнения деталей при термической обработке и т. д. В 1878 Сименс создал промышленную конструкцию электроплавильной печи. Методы дуговой электросварки были предложены Н. Н. Бенардосом (1885) и Н. Г. Славяновым (1891).

  К концу 70-х гг. относятся также первые попытки использования электроэнергии на транспорте, когда Пироцкий провёл испытания вагона, на котором был установлен электрический тяговый двигатель. В 1879 Сименс построил опытную электрическую дорогу в Берлине. В 80-е гг. трамвайные линии были открыты во многих городах Западной Европы, а затем в Америке (США). В России первый трамвай был пущен в Киеве в 1892. В 90-е гг. электрическая тяга была применена и на подземных железных дорогах (в 1890 в Лондонском метрополитене, в 1896 — в Будапештском), а затем на магистральных железных дорогах.

  В конце 19 в. промышленное использование электроэнергии превратилось в важнейшую комплексную технико-экономическую проблему — наряду с экономичной электропередачей необходимо было иметь электродвигатель, удовлетворяющий требованиям электропривода. Решение этой проблемы стало возможным после создания многофазных, в частности трёхфазных, систем (см. Трёхфазная цепь) переменного тока. Над этой проблемой работали многие инженеры и учёные (Н. Тесла, американский учёный Ч. Брэдли, немецкий инженер Ф. Хазельвандер и др.), но комплексное решение предложил в конце 80-х гг. М. О. Доливо-Добровольский, который разработал ряд промышленных конструкций трёхфазных асинхронных двигателей, трёхфазных трансформаторов, и в 1891 построил трёхфазную линию электропередачи Лауфен — Франкфурт (длина линии 170 км).

  Современное состояние Э. Практическое применение трёхфазных систем положило начало современному этапу развития Э., который характеризуется растущей электрификацией промышленности, сельского хозяйства, транспорта, сферы быта и др. Увеличение потребления электроэнергии обусловило строительство мощных электростанций, электрических сетей, создание новых и расширение действующих электроэнергетических систем. Строительство мощных ЛЭП высокого напряжения привело к разработке разнообразного высоковольтною оборудования, электроизоляционных материалов, средств электроизмерительной и преобразовательной техники и т. д., а также стимулировало улучшение конструкций электрических машин и аппаратов, разработку методов анализа процессов в цепях переменного тока (работы Ч. П. Штейнмеца и др.). Совершенствование электротехнических устройств способствовало формированию таких научных дисциплин, как высоких напряжений техники, теория электрических цепей, теория электрических машин, электропривод и др. Успехи Э. оказали существенное влияние на развитие радиотехники и электроники, телемеханики и автоматики, а также вычислительной техники и кибернетики.

  Один из важных разделов Э. — электромеханика охватывает вопросы преобразования энергии, практическое решение которых на широкой научной основе потребовало разработки специальных методов, связанных с анализом и описанием процессов, протекающих именно в электротехнических устройствах. Математическое описание таких процессов основано на решении уравнений Максвелла. При этом их дополняют уравнениями, описывающими конкретный процесс, или используют вариационные принципы механики. Так, на основе возможных перемещений принципа разработаны различные формализованные методы, среди которых наибольшее практическое применение при исследовании процессов, протекающих в электрических системах, машинах и аппаратах, находят методы: исключения уравнений с периодическими коэффициентами для взаимно перемещающихся цепей; выбора наиболее целесообразных систем обобщённых координат, анализа переходных процессов в электрических цепях; определения устойчивости работы нерегулируемых и регулируемых электрических машин, связанных линиями электропередачи, и др. Значительный вклад в развитие этих методов сделали А. А. Горев, П. С. Жданов, С. А. Лебедев, американский учёный Р. X. Парк, английские учёные О. Хевисайд, Г. Крон и др. Их труды легли в основу математической теории электрических машин и открыли возможность для применения сложного математического аппарата (тензорного исчисления, графов теории, теории матриц, операционного исчисления) при решении разнообразных прикладных задач, в частности связанных с изучением сложных электромеханических систем, переходных электромеханических и электромагнитных процессов, Использование тензорного исчисления привело к появлению такого приёма исследования, как диакоптика, при котором данные, характеризующие всю сложную систему (например, электрическую цепь, содержащую сотни и тысячи узлов и ветвей), можно получать, рассматривая поведение её отдельных частей. Особенно эффективным стало употребление формализованных методов в сочетании с машинным проектированием, являющимся одним из перспективных направлений при рассмотрении современных задач электромеханики (в частности, задач синтеза, решаемых на основе алгебры логики и теории направленных графов). Формализованные методы используют при исследовании многих проблемных задач Э., например таких, как изучение нелинейных цепей (а также возникающих в них гармонических и субгармонических колебаний), проводимое на основе методов анализа и синтеза, разработанных ранее для линейных цепей и трудах А. М. Ляпунова, Н. М. Крылова, Н. Н. Боголюбова, Л. И. Мандельштама, Н. Д. Папалекси, А. А. Андронова и др. Важное направление современной Э. — разработка теоретических и экспериментальных методов исследований, основывающихся на подобия теории, аналоговом и физическом моделировании, теории планирования эксперимента и позволяющих решать ряд принципиальных научно-технических проблем Э. К ним, в частности, относятся вопросы совершенствования существующих способов передачи электроэнергии и разработка новых. В круг этих вопросов входят: исследования процессов, протекающих в линиях электропередачи и преобразовательных устройствах; разработка и совершенствование управляемых элементов коммутационной аппаратуры; создание полупроводниковых преобразователей, способных эффективно работать в сочетании с электромеханическими устройствами (см. Преобразовательная техника), а также изучение возможности использования гиперпроводников и сверхпроводников в линиях электропередачи.

  Большое практическое значение имеет разработка способов оптимального управления сложными электроэнергетическими системами и повышения их надёжности. Решение этих задач основывается на использовании методов моделирования и вероятности теории. Необходимое условие для повышения устойчивости и надёжности работы электроэнергетических систем — создание мощных симметрирующих устройств, статических регуляторов и другой аппаратуры, обеспечивающей оптимальные режимы работы систем.

  Важные направления Э. — создание сложных электромагнитных полей с заданными свойствами, требующее разработки методов расчёта и моделирования электрических и магнитных полей в ферромагнитных, плазменных и других нелинейных и анизотропных средах, а также исследование и определение оптимальной конфигурации систем (в частности, сверхпроводящих), создающих сильные магнитные поля; разработка теории управления электромагнитными полями и методов синтеза систем, создающих эти поля.

  Значительный интерес представляет изучение импульсных полей высокой интенсивности (см. Импульсная техника высоких напряжении), в т. ч.(в том числе) разработка методов анализа взаимодействия таких полей с веществом, исследование тепловых и электродинамических процессов в электроэнергетических устройствах предельных параметров. Результаты этих работ находят применение при создании магнитопроводов для сверхмощных трансформаторов электрических и реакторов электрических.

  Теоретические и экспериментальные методы Э. нашли своё развитие в ряде др. отраслей науки и техники, связанных, в частности, с исследованием свойств вещества (полупроводников, плазмы), с разработкой и созданием средств ядерной и лазерной техники, изучением явлений микромира и жизнедеятельности живых организмов, освоением космического пространства.

  Достижения Э. используются во всех сферах практической деятельности человека — в промышленности, сельском хозяйстве, медицине, быту и т. д. Электротехническая промышленность выпускает машины и аппараты для производства, передачи, преобразования, распределения и потребления электроэнергии; разнообразную электротехническую аппаратуру и технологическое оборудование; электроизмерительные приборы и средства электросвязи: регулирующую, контролирующую и управляющую аппаратуру для систем автоматического управления; электробытовые приборы и машины, медицинское и научное оборудование и др.

  Научные учреждения и организации, периодические издания. Большую роль в развитии Э. играют международные организации: Международная электротехническая комиссия (МЭК), Международная конференция по большим системам (СИГРЭ), Международная конференция по применению вычислительных методов в электротехнике (ПИИСИСИ), Международная организация по электротехнике (Интерэлектро), Всемирная электротехническая конференция (ВЭлК). Активное участие в работе этих организаций принимают советские учёные. В СССР научные исследования по Э. проводятся во Всесоюзном электротехническом институте им. В, И. Ленина (ВЭИ, Москва), Государственном научно-исследовательском энергетическом институте им. Г. М. Кржижановского (ЭНИН, Москва), Всесоюзном НИИ(научно-исследовательский институт) электромеханики (ВНИИЭМ, Москва), Всесоюзном НИИ(научно-исследовательский институт) электропривода (ВНИИЭ, Москва), Всесоюзном НИИ(научно-исследовательский институт) источников тока (ВНИИТ, Москва), Московском энергетическом институте (МЭИ), Ленинградском электротехническом институте (ЛЭТИ), во Всесоюзном НИИ(научно-исследовательский институт) электромашиностроения (Ленинград), НИИ(научно-исследовательский институт) постоянного тока (НИИПТ, Ленинград), а также во многих научных центрах других городов Советского Союза.

  Вопросы Э. освещаются на страницах многочисленных периодических изданий. В СССР издаются общесоюзные журналы «Электричество», «Электротехника», «Электрические станции» и др.; за рубежом наиболее известны «EEI Bulletin» (N. Y., с 1933), «Energi International» (S. F., с 1963), «Revue de l’energie» (P., с 1949), «Electrical Review» (L., с 1872).

  Лит.: Основы электротехники, под ред. К. А. Круга, М. — Л., 1952; Крон Г., Применение тензорного анализа в электротехнике, пер, с англ.(английский), М — Л., 1955; История энергетической техники СССР. т. 1—2, М. — Л., 1957; История энергетической техники, 2 изд., М. — Л., 1960; Уайт Д., Вудсон Г., Электромеханическое преобразование энергии, пер.(перевод) с англ.(английский), М. — Л., 1964; Поливанов К. М., Теоретические основы электротехники, 2 изд., ч. 1, 3, М., 1972—75; Жуховицкий Б. Я., Негневицкий И. Б., Теоретические основы электротехники, ч. 2. М. — Л., 1965; Сешу С., Рид. М. Б., Линейные графы и электрические цепи, пер.(перевод) с англ.(английский), М., 1971; Мельников Н. А., матричный метод анализа электрических цепей, 2 изд., М., 1972; Нейман Л. Р., Демирчян К. С., Теоретические основы электротехники, 2 изд., т. 1—2. Л., 1975; Стеклов В. Ю., В. И. Ленин и электрификация, 2 изд., М., 1975; Веселовский О. Н., Шнейберг Я. А., Энергетическая техника и её развитие, М., 1976; Энергетика СССР в 1976—80 гг., под ред. А. М. Некрасова, М. Г. Первухина, М., 1977.

  В. А. Веников, Я. А. Шнейберг.