Энергетика: настоящее и будущее - Электрификация промышленности

Электрификация промышленности СССР
Электрическая энергия произвела подлинный технический переворот в промышленном производстве.
До появления электроэнергии машины и механизмы приводились в движение паром, гидравлической энергией, ветром и мускульной силой.
Однако указанные источники энергии не обладали всеми качествами электричества: делимостью, простотой передачи ее от источника генерирования к потребителю.
Электрификация промышленного производства обеспечила не только замену устаревших машин и механизмов, но, что не менее важно, обусловила появление новых механизмов, более производительных. Электрифицированные машины имеют большие скорости, вытесняют ручной труд, совершенствуют процесс обработки деталей и т. д.
Чтобы полностью понять роль электрической энергии в промышленности, необходимо проследить весь путь ее развития и совершенствования. Все это последовательно изложено в разделе электрификации промышленности.
Подлинная электрификация промышленности в нашей стране стала возможной после взятия пролетариатом власти и развития экономики на плановых началах. В известном ленинском плане ГОЭЛРО предусматривалась широкая и всесторонняя электрификация всех отраслей промышленности, внедрение электрической энергии в силовые процессы, заменяющие труд человека и повышающие его производительность.
Современное капиталистическое производство широко электрифицировано, однако в силу своего анархического характера капитализм не может полностью и всесторонне, по единому плану, использовать преимущества электрической энергии.
Электрическая энергия открыла новые перспективы концентрации производства, которая была использована для еще большей эксплуатации рабочих и получения невиданно высоких прибылей.
На частнокапиталистических предприятиях переход на электропривод в силовых процессах осуществляется не с целью облегчения труда, а с целью получения большей прибыли: на электропривод переводят те механизмы, которые после их электрификации высвобождают наиболее квалифицированный труд.
В странах социализма электрификация, проводимая по единому народнохозяйственному плану, комплексно и гармонично решает задачи и повышения производительности труда, и замены тяжелых физических работ электрифицированной машиной, и оздоровления условий работы трудящихся.
Программа электрификации промышленности в Советском Союзе в первую очередь предусматривала электрификацию тех отраслей, где ранее применялся тяжелый физический труд или были вредные условия для рабочих. Поэтому не случайно то, что уровень электрификации силового привода в топливной, химической, металлургической и других отраслях опережает уровень электрификации промышленности. Это хорошо видно из следующих данных (табл. 2).

Таблица 2
Уровень электрификации силового привода в некоторых отраслях промышленности (в %)

В Советском Союзе происходит прогрессивное вытеснение электрифицированной машиной менее эффективных орудий труда. Этот процесс отчетливо виден в опережающих темпах роста электровооруженности по сравнению с ростом энерговооруженности. Так, электровооруженность труда возросла в 1975 г. в 53 раза по сравнению с 1913 г., тогда как энерговооруженность за этот же период возросла только в 33 раза *.
Электрификация машин и механизмов стала возможной после того, как были изобретены электродвигатели постоянного и особенно трехфазного переменного тока. Появление этих электродвигателей (электромоторов) открыло перед электрификацией неисчерпаемые возможности по совершенствованию механических процессов, а перед промышленностью — неограниченные перспективы развития.
Скоро стало ясным, что электродвигатель постоянного тока из-за сложности его изготовления, обслуживания и дороговизны не мог быть универсальным в техническом перевооружении промышленности. Эту роль выполнил электродвигатель трехфазного переменного тока. По простоте своей конструкции и легкости обслуживания этот электродвигатель как приводной механизм не имел себе равных. Вместе с тем электродвигатель переменного тока был надежен и обладал высоким КПД.
В результате синхронный электродвигатель трехфазного переменного тока занял господствующее положение в электрификации силовых процессов (за исключением некоторых специфических производств, где применяются электромоторы других типов).
Интересно проследить, как совершенствовался сам электродвигатель.
В первый период развития электропривод копировал старую схему группового привода прежних машин, в которых к общему валу через трансмиссии присоединялись остальные станки или механизмы. При этой схеме силового привода между электромотором, обладающим высоким КПД, и рабочим механизмом, на котором (или с помощью которого) рабочий производил продукцию, находилась длинная передаточная цепочка, в которой бесполезно тратилась энергия и терялись преимущества электродвигателя.

* Энерговооруженность труда — количество электрической и механической энергии, потребленной в среднем на одного промышленного рабочего. Электровооруженность — количество только электроэнергии, потребленной в среднем на одного промышленного рабочего.       

 С целью повышения экономичности использования электродвигателя в промышленности в первые же десятилетия после внедрения электроэнергии наметился новый путь ее использования—переход на индивидуальный привод. Новая схема электропривода приближала электродвигатель к рабочему механизму. Непосредственное соединение электромотора с одной или несколькими рабочими машинами (одиночный или групповой привод) внесло коренное изменение в производственный процесс. Резко возросла экономическая эффективность электропривода и повысилась общая экономика промышленного производства.
Одним из главных преимуществ индивидуального привода перед трансмиссионным является большая экономия энергии, расходуемой в силовом процессе производства. И хотя потери в электромоторах при одиночном приводе увеличились по сравнению с групповым почти в 2 раза, так как коэффициент полезного действия крупных электромоторов значительно выше мелких, в целом энергия, затраченная на полезную работу при индивидуальном приводе, увеличилась в 2,3 раза по сравнению с групповым.
При установлении на каждой рабочей машине или механизме собственного электродвигателя создаются все условия для наивыгоднейшего режима работы, конструкция машин не обусловливается постоянством оборотов трансмиссии. Индивидуальный электропривод упрощает всю кинематику механической части рабочего механизма.
Следует также отметить, что в индивидуальном приводе резко сокращаются потери на холостые хода. Потери в групповом приводе неизбежны, и достигают больших величин из-за разновременной остановки или неравномерности загрузки рабочих машин. Потери холостого хода имеют большое экономическое значение, так как, например, в токарных станках при их загрузке на 25—30% удельный расход электроэнергии (на единицу работы) возрастает почти в 2 раза. Следовательно, за счет больших холостых ходов при групповом приводе возрастают удельные расходы электроэнергии и увеличиваются издержки производства. Следующим этапом совершенствования электропривода был переход на индивидуальную схему соединения электромотора с механизмами. Такая схема электропривода обеспечивалась беспредельной дробимостью мощности электродвигателя с сохранением высокого внутреннего КПД. Переход на индивидуальный привод был экономически выгоден, так как станки или агрегаты имеют различные мощности, скорости и характеристики. В этих условиях электропривод позволил резко упростить механическую передачу мощности внутри самой машины за счет ликвидации многоступенчатых, цилиндрических, конических и других механических передач. В результате появились так называемые многоприводные станки и механизмы, в которых потери на механическую передачу мощности были сведены к минимуму и за этот счет производительность агрегата резко возрастала, соответственно улучшались и экономические показатели электрифицированных машин и механизмов.
В советской промышленности многодвигательный привод начал внедряться с 1930 г. заводом ХЭМЗ, который разработал сложный многодвигательный привод для отбельного агрегата, а затем для бумагоделательной машины.
Многодвигательный привод не только улучшает внутренний КПД машин или агрегата, но и повышает производительность труда. Внедрение многодвигательного привода в прядильных машинах, когда на каждую рогульку устанавливается отдельный электродвигатель, повышает производительность труда примерно на 70%.
Переход в промышленности на массовое, поточное производство обусловил создание высокопроизводительных однооперационных станков с индивидуальным электроприводом. Подобные станки с большой точностью обработки и высокой часовой производительностью могли быть созданы только на основе применения электромотора в качестве двигателя.
Дальнейшие конструкторские разработки с использованием электромотора привели к созданию механизмов, где сам электродвигатель является частью рабочего механизма. На этой основе были, например, созданы рабочие инструменты (электропила, электродрель, электрорубанок и т. д.).
В бумажной и металлургической промышленности электропривод произвел подлинную техническую революцию. Особенно эффективным здесь оказалась схема генератор—электродвигатель. Схема состоит из генератора, который вырабатывает электроэнергию, и любого количества электродвигателей, использующих указанную электроэнергию.
Таким образом, генератор обеспечивает синхронность работы всех присоединенных к нему электромоторов, дает возможность изменять направление вращения и число оборотов.
Значение схемы генератор—двигатель и электрического вала можно отчетливо видеть на примере совершенствования бумагоделательных машин. До применения электропривода бумагоделательные машины развивали скорость до 60 м/мин при ширине бумажного полотна (газетная бумага) 1,89 м. Современные бумагоделательные машины имеют скорость 600— 900 м/мин при ширине бумаги до 9 м*. Наиболее крупные бумагоделательные машины имеют более 50 индивидуальных электроприводов общей мощностью свыше 5 тыс. кВт.

* Скорость выхода и формирования непрерывной бумажной полосы па наиболее совершенных машинах равняется скорости поезда, при этом толщина газетной бумаги не превышает 400 мк.

Такое же значение схема генератор—двигатель имеет и для прокатных станов в металлургии.
Как известно, прокатный стан состоит из многих механизмов, которые должны работать в едином ритме, иначе невозможно обеспечить непрерывную прокатку металла.
Таким образом, применение схемы генератор—двигатель и осуществление привода на принципе электрического вала позволили завершить охват электроприводом силовых процессов в производстве. По указанной схеме и принципу переведены на электропривод такие сложные агрегаты, как прокатные станы, шахтные подъемники и скоростные лифты высотных зданий, скиповые подъемы доменных печей, бумагоделательные и газетные машины, экскаваторы и сложные станки.
Внедрение прогрессивной схемы «электрический вал» резко улучшило экономические показатели электрификации основных процессов и подняло качество продукции.
В процессе развития электропривода происходили его совершенствование и модернизация. Как уже указывалось, почти во всех производственных силовых процессах электропривод должен обеспечивать переменную скорость, а в некоторых — реверсивность движения. Этому требованию отвечают электродвигатели постоянного тока. Электродвигатели переменного тока, не обладая этим качеством, имеют большое преимущество по простоте конструкции и высокой экономичности. Немаловажное значение имеет также и то, что эти электродвигатели применимы к любым электросетям, несущим переменный ток.
С целью удешевления многодвигательного электропривода постоянного тока советские конструкторы предложили заменить генератор постоянного тока на более экономичную схему — с применением ртутных, а впоследствии кремниевых выпрямителей.
В 1935 г. Всесоюзный электротехнический институт разработал схему электропривода с выпрямительным тиратронным устройством, затем в 1939 г. эта схема была усовершенствована с выпрямительным агрегатам в виде тиратрона, или ртутного выпрямителя.
В данное время с появлением полупроводниковой техники выпрямители из полупроводников играют огромную роль в дальнейшем совершенствовании электропривода, работающего по схеме электрического вала.
Особенно широкое распространение полупроводниковые преобразователи получили в электролитических процессах получения алюминия, титана, никеля, электролитической меди и т. п. Полупроводниковые преобразователи в больших масштабах внедряются в металлургии (прокатные станы), электровозах и многих других процессах, где требуется постоянный ток, регулирование или реверсивность хода.
Замена генераторов постоянного тока ртутными и особенно полупроводниковыми преобразователями существенно повысила экономические преимущества системы преобразования переменного электрического тока в постоянный (и обратно).
Электрификация силовых процессов и гибкость электропривода дали возможность промышленности перейти на агрегатные и автоматизированные станки, а затем на автоматические поточные линии. Особенно широкое распространение указанные агрегаты получили в нашей стране. Удельный вес агрегатных и специализированных станков в общем их производстве в СССР превысил 40 %,
Автоматические поточные линии являются прообразом предприятий будущего, где отсутствует ручной или физический труд рабочего с заменой его разновидностью умственного труда. Эти линии обеспечивают механизацию всего процесса, начиная от обработки сырых материалов до маркировки и упаковки готового изделия или продукта. Роль рабочего при работе автоматической линии заключается в наблюдении, контроле и управлении производственным процессом.
Автоматические поточные линии — это производственный процесс коммунистического общества, и не случайно, что первая поточная линия была осуществлена в СССР на Волгоградском тракторном заводе еще в 1939 г.
Если выразить технический прогресс в силовых процессах производства в общем, синтезированном показателе, то это будет выражаться в экономическом эффекте.
Улучшение экономических показателей в производстве за счет электрификации машин и механизмов происходит путем значительного повышения производительности труда, ускорения процессов и улучшения качества выпускаемой продукции.