История электротехники - Коллектив авторов

Самые мощные установки для низкочастотного индукционного нагрева работают на частоте 50 Гц. Они наиболее просты функционально, не требуют преобразовательных устройств, так как работают от промышленной сети, и нуждаются лишь в средствах пуска, защиты и регулирования мощности.

Мощные низкочастотные преобразователи для нагрева массивных слитков и поковок работают на частотах от единиц до десятков герц. Они выполняются на основе тиристорных непосредственных преобразователей частоты по трехфазно-однофазной схеме с циклическим изменением угла регулирования и раздельным управлением группами вентилей для формирования положительной и отрицательной полуволн тока. Низкие частоты обусловливают воздействие на большие массы металла, а следовательно, требуют больших мощностей (до тысяч киловатт).

В области повышенных частот (от 500 Гц до 1–2 кГц) использовались преобразователи на игнитронах и экситронах производства ВЭИ с сеточным управлением (мощностью до 1000 кВт). Для улучшения условий работы преобразовательного оборудования практиковалось объединение нескольких преобразователей в так называемую преобразовательную станцию, которая в меньшей степени была подвержена воздействию технологической неравномерности энергии, потребляемой несколькими индукторами. После освоения промышленного выпуска тиристоров с улучшенными свойствами, в частности Таллиннского электротехнического завода, высокочастотные преобразователи выпускались на большие мощности по классическим схемам инверторов тока, а также по схемам с удвоением выходной частоты (рис. 11.10).

Преобразователи повышенной частоты разрабатывались в лаборатории высокочастотной электротехники ЛЭТИ — Ленинградского электротехнического института и во ВНИИТВЧ — Институте токов высокой частоты им. В.В. Вологдина. Мощные преобразователи выполнялись как по классическим схемам инверторов тока, так и по схемам с умножением частоты. Разработчики шли двумя путями при решении вопроса об увеличении мощности: использование параллельного и последовательного соединения вентилей для повышения параметров эквивалентного вентиля, а также разработка схем с возможностью параллельной работы преобразователей, имеющих общую нагрузку. Разработка мощных отечественных преобразователей повышенной частоты выполнена А.С. Васильевым, А.Е. Слухоцким. А.В. Донским и Г.В. Ивенским [11.31, 11.32].

В области высоких частот (десятки килогерц и выше) получение значительных мощностей (десятки и сотни киловатт) было возможно только при использовании ламповых генераторов. На частотах 60–400 кГц и мощности до 100 кВт генераторы выполнялись по одной из разновидностей трехточечных схем. Для улучшения энергетических показателей лампы работали в режиме с сеточными токами в классе С. Проблема расчета и наладки таких генераторов усложнялась тем, что нагрузка существенно изменялась в ходе процесса разогрева деталей, что вызывало изменение параметров контура.

Термообработка полупроводниковых материалов, в частности плавка кремния и нагрев диэлектриков, осуществляется на частотах единицы — десятки мегагерц, а единичная мощность генераторов составляет единицы — десятки киловатт, поэтому эта область применения до настоящего времени остается за ламповыми генераторами.

11.4. ИНФОРМАЦИОННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

Разработка информационных средств производилась структурами, для которых промышленные устройства были побочным продуктом, основные лежали в оборонной сфере. Это затрудняет восстановление исторических данных о творцах новой техники в этой сфере и местах их деятельности.

Поэтому представляется целесообразным выделить группу наиболее фундаментальных идей и способов преобразования информации, получивших всеобщее широкое признание, и проследить развитие средств для реализации этих идей.

Электронные средства обработки информации нашли наибольший спрос и развивались наиболее интенсивно в технике связи, вычислительной технике, автоматике и управлении. Областью применения и сферой человеческой деятельности, которая стимулировала развитие информационной техники и поставляла как заказы, так и средства их выполнения, стала оборонная промышленность.

О темпах развития электронных средств в информационной электронике говорят такие даты: первый транзистор появился в 1948 г.; с 1951 г. стало интенсивно развиваться производство электронных вычислительных машин на электронных лампах (их принято называть первым поколением ЭВМ), а с 1960 г. — ЭВМ второго поколения на транзисторах; в 1964 г. появляется новое — третье поколение ЭВМ на малых

и средних интегральных схемах; с некоторой условностью можно говорить о следующем — четвертом поколении ЭВМ, выполненном на больших интегральных схемах — БИС (1970 г.).

По-настоящему революционный сдвиг в схемотехнической микроэлектронике произошел в 1971 г., когда фирмой «Intel» был создан микропроцессор — большая интегральная схема, где на одном кристалле — чипе (от английского chip) методами интегральной технологии созданы все основные части ЭВМ: процессор, запоминающее устройство, порты ввода и вывода. Первый микропроцессор обрабатывал 4-разрядные двоичные слова и мог использоваться для программируемых (гибко перестраиваемых пользователем) устройств автоматизации. Степень интеграции быстро нарастает, в 1980 г. сверхбольшие интегральные схемы (СБИС) насчитывают до 3 млн. транзисторов на одном чипе — многослойном кристалле кремния.

В развитии промышленных средств будем опираться на общеизвестные классификации информационных устройств по видам сигналов (аналоговые, цифровые) и так называемым поколениям средств электроники и микроэлектроники. Следует отдавать себе отчет, что информационное направление промышленной электроники представляет лишь одну ветвь современных информационных средств.

Перечень устройств, которые исторически входили в сферу промышленных применений, включает:

аналоговые устройства: усилители низкой частоты, фазочувствительные ламповые и транзисторные схемы; аналоговые стабилизаторы напряжения и тока; схемы управления командо-аппаратами, реле, приводами исполнительных устройств;

ламповые и транзисторные импульсные и ключевые устройства;

аналогово-цифровые и цифроаналоговые преобразователи (АЦП и ЦАП);

средства отображения информации индивидуального и группового пользования;

средства управления и регулирования: аналоговые и цифровые регуляторы; логические управляющие устройства; цифровые автоматы; централизованные системы управления и контроля; автоматизированные системы управления;

управляющие ЭВМ; микропроцессоры и микропроцессорные средства управления;

промышленные микроконтроллеры; средства программирования, отладки, эмуляции, обучения персонала; системы автоматизированного проектирования средств автоматизации.

Последними на настоящий момент этапами развития микропроцессорных средств управления можно считать цифровую обработку сигналов в реальном времени с помощью цифровых сигнальных процессоров, использование экспертных оценок и принципов самообучения в управлении процессами. Одним из примеров применения нестрогих понятий для построения систем автоматического регулирования служит создание регуляторов на основе нечеткой логики. Элементная и аппаратная основа современных управляющих систем сделала огромный шаг навстречу потребителю — пользователю, заказчику.

11.4.1. ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ

Информационная электроника представляет собой совокупность аппаратных средств и алгоритмов (способов обработки и преобразования информации), выполняющих функции сбора, обработки, хранения, отображения информации и ее использования в задачах управления промышленными объектами и устройствами. За очень короткое (исторически) время функции информационных устройств промышленной электроники расширились и усложнились, элементная база претерпела изменения, которые принято характеризовать числом сменившихся поколений электронных приборов. Изменились конструкция и технологии изготовления, вклад средств электроники в технико-экономические показатели оборудования. С целью систематизации объектов описания и изучения предлагается хронологически-объектный подход: зарождение и первые шаги информационной электроники; первые применения в энергетике и машиностроении; направления развития информационной электроники.

Несмотря на многообразие функций, выполняемых информационной электроникой, она основана на ограниченном наборе фундаментальных технических идей. Значительная их часть известна с начала столетия, они используются в различных областях техники, упоминание о них можно найти в различных частях настоящей книги. Реализация этих идей в промышленных технических средствах преобразования информации существенно зависела от состояния и уровня технологии. В области информационной электроники наиболее распространенные преобразования информации включают: