История электротехники

Коллектив авторов

СССР в течение пяти лет успел залечить глубокие раны, нанесенные фашистской Германией нашей стране, и начиная с 1950 г. приступил к составлению и реализации новых планов ускоренного развития экономики. В этих планах электрификация страны приобрела еще большее значение, поскольку географические особенности распределения источников энергетического сырья и гидроресурсов обусловливали необходимость передачи больших потоков электроэнергии из восточных районов СССР на запад и строительства гидроэлектрических станций по всей стране. Неудивительно, что в этой обстановке Г.М. Кржижановский вторично возглавил работы по их научному обеспечению и привлек к решению этих проблем новых ученых, среди которых следует отметить М.П. Костенко (электрические машины), Л.Р. Неймана (теоретическая электротехника), В.И. Попкова (электрофизические проблемы высоких напряжений), Д.А. Завалишина (преобразовательная техника). Особенно интенсивно развивались области ТЭ, обеспечивающие создание теории, методов расчета и проектирования новых электрических машин и двигателей, измерительных приборов и электротехнического, особенно высоковольтного, оборудования. (М.П. Костенко, И.А.

Глебов, Н.Н. Шереметьевский, Р.Л. Лютер, А.Г Иосифьян, Я.Б. Данилевич, Г.Н. Петров, А.И. Вольдек, В.В. Домбровский, В.И. Радин, И.З. Богуславский, И.П. Копылов, А.В. Иванов-Смоленский, А.А. Бальчитис и др.). При строительстве протяженных ЛЭП особое место в ТЭ заняли проблемы, связанные с созданием в СССР в 1970–1990 гг. сверх- и ультравысоковольтных ЛЭП переменного тока напряжением 750–1150 кВ и постоянного тока напряжением 800–1500 кВ (В.И. Попков, Н.Н. Тиходеев, Г.Н. Александров, В.П. Фотин, И.М. Бортник и др.) и сопутствующей высоковольтной аппаратуры, в частности ограничителей перенапряжения (А.А. Торосян, М.М. Карапетян в филиале ВЭИ в г. Ереване). Для разработки, испытания и производства высоковольтной аппаратуры для этих ЛЭП потребовались более точные методы расчета электрических полей, конструкций проводов для ограничения потерь на корону и новых моделей короны, специальные физические модели отдельных элементов ЛЭП и методы их ускоренных испытаний. В.И. Попков, Н.Н. Тиходеев, К.С. Демирчян, Г.Н. Александров, В.П. Фотин, И.М. Бортник и возглавляемые ими научные коллективы внесли большой вклад в решение проблем ТЭ, связанных с научным обеспечением этих разработок. Особо следует отметить теорию и практику реализации ускоренных испытаний высоковольтной изоляции, предложенные школой Н.Н. Тиходеева, М.В. Костенко, Г.С. Кучинского в Ленинграде. Эти работы, связанные с непрерывной диагностикой состояния изоляции, внесли большой вклад в теорию и практику диагностики электротехнического оборудования. Следует также отметить работы А.В. Миткевича в области создания стабильных магнитных систем электроизмерительных приборов, и особенно в области теории и практики их ускорения испытаний.

Выше было отмечено, что в ТЭ развитие методов исследования электромагнитных процессов увязывалось с возможностями вычислительных устройств. Ограниченность возможностей аналитических и численных методов расчета для количественного анализа процессов в электротехнических устройствах и энергосистемах потребовала разработки теории и методов физического и математического моделирования этих систем. В этой связи в послевоенные годы для получения численных данных исключительную роль стали играть аналоговые и физические модели устройств и такие модели энергосистем, которые дали возможность воспроизводить не только статические, но и динамические режимы их работы.

Перед учеными ставились все более сложные задачи теоретического характера, связанные с математическим описанием процессов в этих новых условиях. Например, с появлением линий передачи постоянного тока в качестве системообразующего элемента возникли теоретические проблемы описания и представления в математических моделях особенностей ЛЭП постоянного тока в ЕЭС СССР. Уникальными по решению этой проблемы являются исследования, проведенные Л.Р. Нейманом и его школой ТЭ на кафедре ТОЭ в Ленинградском политехническом институте и в Ленинградском отделе электроэнергетики Энергетического института им. Г.М. Кржижановского. Эти исследования привели не только к созданию моделей ЛЭП постоянного тока, но и новых методов расчета нелинейных цепей, содержащих элементы с кусочно-линейной характеристикой, каковыми могут быть представлены электрические и магнитные характеристики элементов многих современных электротехнических устройств, например систем на основе полупроводниковых вентилей для многочисленных устройств преобразования частоты.

Наряду с развитием методов расчета ТЭ, связанных с созданием сильноточных электротехнических устройств, появлялись методы, специфичные для слаботочных электротехнических устройств: новых средств автоматики, приборов, измерительных устройств и связи. Особое развитие получили устройства с электронными и полупроводниковыми приборами с дискретными системами управления. Появление этих приборов и их широкое распространение было обусловлено возможностью осуществить управление электромагнитными процессами. Это позволило создать большой класс устройств для усиления мощности, напряжения и тока, воздействующих на вход этих приборов.

В ТЭ появился большой раздел, посвященный созданию математических моделей таких приборов и специфических методов расчета процессов в устройствах, созданных на их основе. В их число вошла теория активных электрических цепей с зависимыми источниками и цепей с обратными связями. Особое значение приобрело использование этих приборов в радиотехнике, автоматике, информационной, вычислительной технике. Для расчета и конструирования устройств на основе таких приборов в ТЭ развился раздел теории и методов расчета цепей с активными и дискретными элементами.

Разделение теоретических методов в указанных выше технических направлениях, безусловно носит относительный характер, и по этой причине целесообразнее их отличать по характеру использования свойств ЭМП. В сильноточных электротехнических устройствах используется энергия ЭМП при условии возможности пренебрежения излучаемой энергией. В радиотехнике, наоборот, главное значение имеет способность устройства излучать энергию. В информационной технике главное значение имеет преобразование формы и характера передаваемых при помощи ЭМП порций энергии. Во всех этих областях имеются общие методы, что способствует взаимопроникновению знаний и более разностороннему и глубокому развитию ТЭ.

В ЕЭС сильноточные электронные и полупроводниковые приборы, главным образом тиристоры, нашли применение в области преобразования частоты. На их основе еще до Великой Отечественной войны были созданы выпрямители для преобразования переменного

тока промышленной частоты в постоянный для электролитического производства меди и алюминия. Характерно, что именно для решения проблемы повышения производства алюминия М.П. Костенко в части электрических машин и Л.Р. Нейман в 1942–1944 гг. на Чирчикском алюминиевом комбинате в Узбекистане разработали методы расчета процессов в машинно-вентильных системах, положив начало теории электрических машин и теории электрических цепей с преобразовательными устройствами. В эти же годы сформировалась Узбекская школа ТЭ, в создании которой помимо эвакуированных из Ленинграда названных выше ученых заметную роль сыграли Х.Ф. Фазылов (по методам расчета режимов в электроэнергетических системах), Г.Р. Рахимов (по исследованию влияния нелинейных элементов на режимы работы этих систем). Еще больший толчок развитию сильноточных полупроводниковых приборов и преобразовательной техники на их основе дала программа создания высоковольтных ЛЭП постоянного тока, начало реализации которой можно отнести к 1948–1950 гг. Научные разработки в рамках этой программы в Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе, НИИ постоянного тока в Ленинграде и ВЭИ им. Ленина в Москве положили начало созданию производства сильноточных полупроводниковых приборов в г. Саранске и опытного производства в ВЭИ уже к 1960 г. С точки зрения ТЭ значительными были дальнейшее развитие теории нелинейных электрических цепей с управляемыми нелинейными элементами с кусочно-линейными вольт-амперными характеристиками, методов решения некорректных задач в теории цепей, предложенных Л.Р. Нейманом, А.В. Поссе, С.Р. Глинтерником, П.А. Бутыриным и другими учениками школы ТЭ Л.Р. Неймана. Сложность решаемых задач этого типа при отсутствии соответствующих средств вычислений привели к разработке теории и созданию физических и аналоговых математических моделей таких цепей. Эти разработки явились составной частью развития методов физического моделирования ЕЭС, развитых М.П. Костенко, В.А. Вениковым и Л.Р. Нейманом в течение 1950–1960 гг.

В развитии ТЭ большую роль сыграла организация выбора направлений и тематики научных исследований в области ТЭ с учетом перспектив развития производств и экономики страны. Организованные в рамках АН СССР научные советы, в частности по проблемам «Электрофизика, электроэнергетика и электротехника» (руководимый М.П. Костенко, затем В.И. Попковым и далее К.С. Демирчяном), «Использование сверхпроводимости в энергетике» (руководимый Г.Н. Петровым, затем Л.Р. Нейманом и впоследствии И.А. Глебовым и Н.А. Черноплековым), в рамках государственной организации фундаментальных исследований по комплексным планам развития перспективных научных исследований в АН СССР, вузах и отраслевых научно-исследовательских институтах определяли, организовывали и координировали целевые научные разработки наиболее важных, фундаментальных исследований. В рамках высшей школы аналогичную организационную роль играл научно-методический совет «Теоретические основы электротехники», первым председателем которого стал Л.Р. Нейман. Этот совет провел исключительно большую работу по организации методических и научных исследований на кафедрах ТОЭ страны, подготовки и переподготовки преподавательских кадров и кадров высшей квалификации.

4.5. ТЕОРИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ

Истоками теории электрических цепей в качестве раздела ТЭ в значительной мере являются технические задачи передачи и распространения энергии и анализ режимов в электрических цепях. В этом разделе теории наиболее остро встали проблемы создания математических моделей реальных устройств. Для относительно простых электрических цепей постоянного тока топология цепей и их эквивалентных схем совпадали и, таким образом, математические модели цепей

и эквивалентные им идеальные цепи, представленные в виде электрических схем, были тождественны. Но даже в этих простых моделях и эквивалентных им схемах нашли отражение принципы перехода от ЭМП с распределенными в пространстве и во времени векторами напряженностей электрического Е и магнитного Н полей к идеализированным цепям с сосредоточенными параметрами (R, L, С) и интегральными величинами (токи, напряжения, заряды и потоко-сцепления). Именно при расчете параметров эквивалентных схем наиболее полно выявилась неразрывная связь между задачами теории ЭМП и физическими и математическими проблемами создания математических моделей. Например, практика передачи сигналов при помощи азбуки Морзе показала существенное влияние длины линии связи на уровень сигнала. Особенно остро эта проблема встала при попытке осуществить трансатлантическую телеграфную связь в середине XIX в. Решению этой проблемы способствовало понимание физической природы этого явления, связанного с особенностями временных и пространственных изменений токов и напряжений линии, на основе которого и были сформулированы уравнения в частных производных, названные телеграфными или волновыми. Несмотря на то обстоятельство, что теория электрических цепей с распределенными параметрами в середине XIX в. родилась для решения специфических задач линий связи, понятия бегущих, отраженных, преломленных волн и волнового сопротивления в середине XX столетия вошли также в теорию четыреполюсников, электрических фильтров, цепных схем, формирующих формы сигналов цепей и др. Решение ряда задач, для которых была характерна необходимость более детального описания ЭМП в реальных устройствах, также было связано с формированием математических моделей в форме телеграфных уравнений. Методы решения таких уравнений были использованы для расчета волновых процессов в электрических машинах, трансформаторах, ЛЭП. Разработанный в ТЭ математический аппарат, методы и понятия для расчета распространения электромагнитной волны в цепях с распределенными параметрами дали возможность практически с одних и тех же позиций исследовать процессы и в миниатюрных слаботочных интегральных схемах и в охватывающей всю страну сильноточной ЕЭС.