21_Book_2_part_21

 

Вернуться к оглавлению книги 2.

 

 

Взгляд с другого ракурса.

 

 

 

Глава 21. Многофазные системы. Часть 1.

 Вторая редакция.

Вопросы для рассмотрения:

 

1. Упущенная на заре электротехники возможность, или тщательно «забытая» практика конца 19 – начала 20 века, которой занимался Н. Тесла? Его знаменитый автомобиль.

2. Многофазные локальные электромеханические системы – база для разработки НЭГ.

3. Силовой АЦП в 19 веке – могло ли такое быть?

 

 

 

Раздел 1. Введение в тему.

 

Начнем с простейшей - «железной» логики:

 

1. Однофазная электрическая цепь с протекающим в ней постоянным током не несет в себе информации о своей природе.
2. Однофазная электрическая цепь с протекающим в ней переменным током несет в себе информацию о принципе получения тока – вращение индуктора относительно обмотки(ок) статора (синусоидальная форма кривой тока – производная вращения) и о частоте вращения ротора.
3. Двухфазная электрическая цепь с протекающими в ней переменными токами несет в себе информацию о принципе получения тока (см. п. 2), о конструкции генератора (две самостоятельные силовые обмотки, разнесенные на 180 градусов в пространстве статора генератора) и о частоте вращения ротора. Двухфазные электрические цепи в чистом виде не практике не используются, т.к. это связано с почти двукратными материальными затратами на организацию таких цепей и систем без какого-либо прагматического выигрыша. Однако в электротехнике, для решения чисто локальных задач они искусственным путем организуются, например, для обеспечения возможности создания крутящего момента в однофазных асинхронных двигателях.
4. Трехфазная электрическая цепь с протекающими в ней переменными токами несет в себе информацию о принципе получения тока (Cм. п. 2), о конструкции генератора (три самостоятельные силовые обмотки, разнесенные на 120 градусов в пространстве статора генератора), о направлении и частоте вращения  ротора генератора. Трехфазные электрические цепи и устройства нашли широчайшее применение в технике, т.к. при малых материальных затратах позволили решить практически все стоявшие перед электротехникой задачи.
5. Многофазная (более трех фаз) электрическая цепь с протекающими в ней переменными токами  несет информацию о принципе получения тока (Cм. п. 2), о конструкции генератора (много самостоятельных силовых обмоток), о направлении вращения ротора генератора. И все… С общепринятой точки зрения многофазные системы – это непозволительная роскошь не дающая никаких выигрышей на практике по сравнению с трехфазными. Поэтому в широкой практике их нет.  Многофазные системы используются только для решения чисто локальных задач, где конечный результат важнее материальных затрат.

 

Раздел 2. Другая логика.

 

 

Анализ вышеизложенных пяти пунктов с точки зрения изложенной в Главе 20, дает основания для следующих обобщающих выводов:

 

 

1. Трехфазные электрические цепи – это частный случай многофазных электрических цепей (и иже с ними). Удобные и максимально адаптированные к потребностям пользователей. Имеющие широчайшую сферу применения.

Вместе с тем они - есть вырожденный вариант многофазных электрических цепей, затмивший дешевизной своего прародителя. Т.е. неблагодарный опустившийся потомок родителя имеющего благородные корни.

2. Многофазные (в т.ч. трехфазные) цепи с протекающими в них  переменными токами несут в себе информацию только о текущем положении (мгновенное положение) роторов генераторов, по которому можно однозначно определить ориентацию силовых магнитных линий ротора генератора (только генератора – в моторах нет вращающегося магнитного поля, есть только вращающееся поле сил магнитной природы).
3. Вне поля зрения (точнее - на задворках) электротехники до сих пор остаются многофазные цепи и системы с протекающими в них постоянными коммутируемыми токами, вследствие сложности, объемности, материало и ресурсо-емкости.
4. Аналогично вне поля зрения электротехники до сих пор остаются многофазные цепи и системы с протекающими в них переменными коммутируемыми токами, вследствие сложности, объемности, материало и ресурсо-емкости.

 

 

Теперь сделаем неочевидный главный вывод, вытекающий из скрытых от первого взгляда нюансов:

 

 

Из этого вывода выделим слово «коммутируемые». Это значит, что затраты на коммутацию (а коммутация – это информационная ипостась, позволяющая реализовывать любой алгоритм) можно сделать исчезающе малыми.

При этом создать в пространстве многофазной электрической машины псевдовращающееся (дискретно меняющее угловое положение) настоящее магнитное поле (с присутствующими в нем настоящими магнитными линиями). А это уже кое-что, т.е. даже не кое-что, а база для создания индукции, и далее, по логике – база для настоящего НЭГ (дадим ему предварительное название – СУПЕРНЭГ) и для электромоторов с КПД>>1,0.

Кстати, многофазный электромотор-генератор работающий на экспоненциальных токах уже был нами рассмотрен в

Главе 7 «Тайм-машины».

 

На данный момент мы имеем все теоретические предпосылки для конструкторской реализации локальных многофазных электрических систем с КПД>>1,0.

Этим и займемся…

Попутно будем решать частные непринципиальные проблемы, которые гарантированно будут возникать в процессе разработки.

 

Первая тема: Мотор для автомобиля Н. Тесла.

Вторая тема: Многофазно/трехфазный электрогенератор СУПЕРНЭГ.

Третья тема: Способы усиления динамики изменения напряженности магнитного поля.

 

Раздел 3. Мотор для автомобиля Н. Тесла.

 

В этом разделе мы рассмотрим конструкцию компактной локальной многофазной электромеханической системы, которая легко могла быть реализована в конце 19 – начале 20 веков, на том уровне электротехники. Эта система может использоваться как не имеющий ограничения по КПД преобразователь энергии постоянного тока в механическую мощность, т.е. как электромотор, работающий от аккумулятора, сетевого источника питания или гальванических элементов, причем необходимых ему только в момент запуска. Способный развивать огромную механическую мощность, и работать в таком режиме до тех пор, пока запускающий аккумулятор не использует весь свой ресурс по циклам разряд-заряд, т.е. до полного своего физического старения. Своевременная замена аккумулятора гарантирует практически неограниченное время работы описываемого электромотора.

Система, абсолютно беспроблемно адаптируется (в части касающейся устройств коммутации) под современный уровень электро-радиотехники.

 

Система состоит из четырех (трех) функционально различных, но взаимосвязанных устройств:

 

1. Первое: Источник постоянного тока (аккумулятор, гальванический элемент или сетевой источник питания). На схемах и рисунках название СИП (Силовой Источник Питания).
2. Второе: Устройство управления (коллектор с механическим приводом или электронный блок управления электронными токовыми ключами). На схемах и рисунках название МК  (Механический Коллектор) и ЭУУ (Электронное Управляющее Устройство).
3. Третье: Матрица управляемых токовых ключей (только для варианта с использованием электроники). На схемах и рисунках название МЭК (Матрица Управляемых Ключей).
4. Четвертое: Многофазный преобразователь энергии вращающегося магнитного поля в механическую мощность (энергию). Это собственно двигатель. На схемах и рисунках название МФСС (МногоФазная Силовая Система).

 

Начнем с варианта, который можно было реализовать век назад.

 

Главный узел – многофазный преобразователь энергии псевдовращающегося магнитного поля в механическую мощность изображен на Рис. 1.

 

 

Рис. 1. Схема устройства многофазного электромотора с одноплечим ротором.

 

Это кольцевой статор с 32-мя (в данном материале рассматривается вариант с 32 секторами, только потому, что удобно рисовать,  на самом деле башмаков и обмоток может быть произвольное количество – до сотни) плотно расположенными на нем башмаками фазных обмоток. Обмотки нумерованы с 1 по 32. Выводы 1*, 2*, 3* и т.д. – условно – начало намотки. Выводы 1, 2, 3 и т.д. – условно – конец намотки.

Внутри статора, через подшипники расположен одноплечий (на этом варианте проще усваивается тема) немагнитный (он может быть и магнитным – см. далее) ротор, с прикрепленным на ближнем к статору конце, ферромагнитным силовым элементом (кусок стали).

В качестве силового элемента может выступать и постоянный магнит. Но это тема для отдельного разговора, т.к. взаимодействия в этом случае будут более сложные.

Крутящий момент ротора снимается с силового вала.

 

 

На Рис. 2. показана принципиальная электрическая схема этого узла (МФСС – МногоФазная Силовая Система). 

Рис. 2. Электрическая схема многофазного электромотора.

 

Для обеспечения работоспособности МФСС обязательно необходим соответствующий коммутатор. Здесь для простоты, мы сначала рассмотрим обычный механический коллектор. В данной конструкции он двухгруппный: первая группа контактов (2 шт.) – обеспечивает подачу напряжения от Силового Источника Питания (СИП) – он неподвижен, к подвижному бегунку.

(контакт «Б» - (неподвижен) и кольцо – (вращается) электрически соединенное с бегунком «К»)

 

Рис. 3. Схема устройства 32-контактного механического коллектора.

 

Вторая группа контактов (бегунок «К» и 32 секторных контакта расположенных равномерно по периметру круглого неподвижного основания коллектора),  обеспечивает адресную и своевременную (последовательную, с 1 по 32 фазную обмотку) подачу напряжения от СИП. Схема устройства 32-контактного механического коллектора показана на Рис. 3. и Рис. 4. 

Рис. 4. Схема устройства дискового 32-контактного механического коллектора.

 

Электрическая схема 32-контактного механического коммутатора показана на Рис. 5.

Рис. 5. Электрическая схема 32-контактного механического коллектора.

 

На Рис. 6. показан умощненный (8 синхронных фаз) вариант многофазного электродвигателя с немагнитопроводящим ротором.

 

 

Рис. 6. Схема устройства многофазного электромотора с двуплечим немагнитопроводящим ротором и с восемью синхронными фазами.

 

Повышенная мощность обеспечивается восемью синхронно переключаемыми фазами (число их может быть и другим) – двумя группами по 4 обмотки, вместо одной по варианту Рис. 1. Преимущество – равномерное распределение сил относительно оси ротора.

 

Восемь обмоток совместно тянут два ферромагнитных силовых элемента. Соответственно примерно во столько же раз увеличивается величина крутящего момента. Но при этом в восемь раз увеличивается и величина потребляемой энергии (форсированный режим). Есть и плюс – более рационально используется внутренний объем мотора. Общий КПД (КПЭ) остается на прежнем уровне.

 

На Рис. 7 показан вариант двигателя с двуплечим магнитопроводящим ротором и с восемью синхронно включаемыми (две группы по 4 с попарно-диаметрально противофазно электрически (синфазно по магнитному полю) включенными обмотками. Такая компоновка и включение обеспечивают возможность формирования псевдовращающегося магнитного поля почти аналогичного настоящему (создаваемому вращающимся постоянным магнитом или соленоидом) в системе статор-ротор. Данный вариант пригодится нам при рассмотрении темы НЭГ.

 

 

Рис. 7. Схема устройства многофазного электромотора с двуплечим магнитопроводящим ротором и с восемью синхронными фазами, попарно-диаметрально включенными противофазно электрически (синфазно по магнитному полю).

 

Теперь, когда мы в общих чертах знаем устройство отдельных узлов локальных многофазных систем, мы можем перейти от механики на рисунках, к электротехническим и радиотехническим схемам, и далее рассуждать на уровне этих схем.

 

Рис. 8. Электрическая схема многофазного электромотора, имеющего одноплечий ротор, с управлением от независимого механического коллектора.

 

На Рис. 8. показана электрическая схема многофазного электромотора имеющего одноплечий ротор и управление от независимого механического коллектора, т.е. электромотора показанного на Рис. 1.

Рис. 9. Электрическая  схема многофазного электромотора, имеющего двуплечий немагнитопроводящий ротор, с управлением от независимого механического коллектора, с восемью синхронными фазами.

 

 

На Рис. 9 показана электрическая схема многофазного электромотора имеющего двуплечий немагнитопроводящий ротор, и управление от  независимого механического коллектора, плюс умощнение за счет использования восьми синхронных фаз, т.е. электромотора показанного на Рис. 6. 

 

 

Рис. 10. Электрическая схема многофазного электромотора с коммутацией от электронной системы управления.

 

 

Рис. 10 возвращает нас в наше время. На дворе как-никак 21 век. Это схема для двигателя с немагнитопроводным ротором.

В приведенной схеме вместо механического коллектора используется Электронное Устройство Управления (ЭУУ), плюс добавлена Матрица Электронных Ключей (МЭК).

Такие нововведения обеспечивают сохранение функций ушедшего в прошлое механического коллектора, плюс дают широчайшую гибкость управления подачей напряжения на конкретные фазные обмотки МФСС.

ЭУУ – на базе микропроцессора (лучший вариант), или скажем, обычный кольцевой счетчик, работающий от регулируемого по частоте генератора прямоугольных импульсов (задатчика скорости вращения ротора), или делитель частоты плюс шифраторы – дешифраторы, плюс несколько переключателей. В общем, для любого электронщика, сделать такое устройство – задача двух–трех вечеров.

Теперь вы, уважаемый читатель, сопоставив все предложенные рисунки и схемы, легко разберетесь с описанными конструкциями, и после этого смело можете перейти на уровень рассмотрения конкретных конструкций двигателей чисто по электрическим схемам. Это удобнее и проще. Тем более, что во всех конструкциях двигателей на МФСС, узлы и устройства практически одинаковы.

 

  

Раздел 4. Описание принципа работы двигателей на МФСС.

 

Принцип работы многофазного электродвигателя очень и очень простой (См. Рис. 1):

Очередная, подключенная через контакты механического коллектора к СИП, обмотка, притягивает ферромагнитный элемент ротора к своему башмаку, и так 32 раза за один оборот коллектора. Соответственно, и ротор 32 раза скачками перебрасывается из одного углового положения в другое. В общем случае, при N штук обмоток – N раз перебрасываний. N раз перебрасываний – это 360 градусов поворота ротора (или, что аналогично – поворота механического (электронного)  коллектора). Т.е. ротор синхронно отслеживает положение бегунка коллектора.

Т.е. с какой бы угловой скоростью не вращался механический коллектор, с этой же самой скоростью будет вращаться и ротор двигателя.

Вот и все….

 

Раздел 5. Расшифровка принципа работы двигателей на МФСС.

 

 Вы спросите: «А где же те принципиальные тонкости, которые хотя бы декларативно, но обещают КПД (КПЭ) >> 1,0?».

 

Ответ на этот вопрос я уже написал в предыдущей фразе, перед словами «Вот и все…».

 

Еще раз напишу ее:

 

Т.е. с какой бы угловой скоростью не вращался механический коллектор, с этой же самой скоростью будет вращаться и ротор двигателя.

 

Потому, что эту фразу нужно расшифровать.

 

1. При любой скорости вращения коллектора (а соответственно и ротора двигателя) потребляемая мощность от СИП (силового источника питания) остается постоянной величиной (естественно в разумных рамках угловых скоростей). Она равняется произведению величины напряжения на величину тока. Обмотки МФСС подключаются коллектором к батарее последовательно во времени, а поскольку их параметры одинаковые то и ток через каждую из них одинаковый. А сколько раз за конкретный промежуток времени (например, за 1 секунду), каждая обмотка подключалась к СИП, сколько вообще было подключений, никакой роли не играет (ток в цепи коллектора всегда равен току через одну обмотку). Это первый фундаментальный посыл.

 

2. Сила притяжения каждого электромагнита (обмотка плюс башмак) при протекании через него тока определенной величины одинакова в течение периода, пока по нему этот ток течет (за это время ферромагнитный элемент ротора, если нагрузка посильная, успевает полностью втянуться в магнитное поле этого электромагнита).

Примечание: Здесь мы не учитываем переходные процессы. Они будут уменьшать величину тока через катушки при очень больших угловых скоростях, когда длительность переходных процессов становится близкой к длительности протекания установившихся токов. Но методики расчета электрических цепей для того и существуют, что бы вгонять параметры цепей в требуемые рамки.

 

Так вот, мотор – это еще и механика. И ротор в нем это еще и рычаг. А у рычага есть параметр – плечо приложения силы. И сила эта – сила магнитного притяжения. Она, как мы прояснили выше – всегда одинакова, независимо от своего удаления от оси вращения ротора.

 

Значит, увеличивая рычаг (увеличивая радиус расположения башмаков обмоток и соответственно - радиус воздушного зазора между статором и ротором – см. главы 15, 18 и 19), мы будем увеличивать мощность, отдаваемую мотором в нагрузку, (при условии, что шаг между обмотками останется прежним - для сохранения той же эффективнсти работы системы электромагнит-ферромагнитный элемент (в конечном итоге это означает, что для увеличения рычага нужно увеличить количество обмоток). Соответственно для другого количества обмоток (для другого радиуса ротора) нужен и коллектор с таким же количеством коммутируемых направлений. При этом потребляемая за 1 секунду от СИП энергия (она же -  мощность) останется на прежнем уровне (См. п. 1). Это второй фундаментальный посыл.

 

Раздел 6. Обобщающие выводы.

 

 

1.      КПД (КПЭ) двигателей на основе МФСС увеличивается прямо пропорционально количеству башмаков-обмоток, т.е. прямо пропорционально количеству фаз. Количество фазных башмаков и обмоток определяют размер (в т.ч. радиус воздушного зазора между статором и ротором – это главный параметр) конкретного двигателя, и его мощность.

2.      КПД (КПЭ) двигателей на основе МФСС увеличивается прямо пропорционально угловой скорости вращения ротора, задаваемой управляющим устройством.

3.      Мощность, потребляемая двигателем на МФСС от СИП, остается всегда на одном уровне, вне зависимости от количества фаз и вне зависимости от угловой скорости вращения ротора.

4.      Мощность, потребляемая приводом механического коллектора (МК) или электронным устройством управления (ЭУУ) пренебрежимо мала по сравнению с мощностью потребляемой фазными обмотками от СИП. Поэтому МК или ЭУУ лучше запитывать от СИП.

5.      Механическая мощность, вырабатываемая двигателем много больше мощности потребления от СИП, поэтому часть ее можно через механоэлектрический обычный генератор направлять на подзарядку аккумуляторов СИП, или для самоподпитки. Оставшуюся часть использовать по прямому назначению, например, установить двигатель на автомобиль и кататься на нем пока смертельно не надоест.

 

Никола Тесла уже катался на подобном электромобиле. Может быть, и нам имеет смысл так покататься?

 

Раздел 7. СУПЕРНЭГ. Анонс.

 

Из-за дефицита времени даю только графические материалы. Описание и нюансы будут в одной из следующих глав.

 

 

 

 

Рис.11. Схема устройства ПМ «СУПЕРНЭГ».

 

 

 

Рис. 12. Электрическая схема генератора «СУПЕРНЭГ» - ПМ220108.

 

 

 

 

 

            Вернуться к оглавлению книги 2.