Вернуться к оглавлению книги 2.
Взгляд с другого ракурса.
Глава 23. Многофазные системы. Часть 2.
ПСЕВДОНЭГ.
Раздел 1. Введение в тему.
Рисунки 11 и 12 уже знакомы вам по главе №21. На них изображены схемы (механическая и электрическая) мечты любого мало-мальски работоспособного человека, в любой точке земного шара и за его пределами – электрогенератора НЭГ (в предлагаемом для рассмотрения материале его название СУПЕРНЭГ).
Скажу сразу: Реализация идеи СУПЕРНЭГ – задача на порядок более сложная, чем конструирование многофазного электромотора.
Причина кроется в следующем:
Ротору электромотора практически безразлично, от какой силы он ощущает воздействие, приводящее его во вращение – от вращающегося (плавно или дискретно) поля механических сил имеющих вращающиеся (плавно или дискретно) родительские силовые линии, или не имеющих последних.
Для электрогенератора приемлем только вариант с вращающимся (плавно) магнитным полем.
Мы же пока научились получать только дискретно вращающееся магнитное поле. А это две «большие разницы»: плавно вращающееся магнитное поле (с точки зрения математики – интегрируемое), и дискретно вращающееся магнитное поле (с точки зрения математики – неинтегрируемое). Ведь известно, что энергия – это интеграл мощности по времени. Так что перед нами во весь рост стоит проблема интегрируемости дискретно вращающегося магнитного поля. Кстати фразу «дискретно вращающееся» можно рассматривать как зародыш термина «плавно вращающееся»). И это обнадеживает.
Нам придется пройти через промежуточные стадии, где более подробно будут рассмотрены электрические и магнитные явления в многофазных силовых системах электродвигателейи генераторов.
Далее, на основе приобретенных знаний, мы сконструируем ПСЕВДОНЭГ – промежуточный вариант между подвижной и неподвижной конструкциями электрогенераторов. И лишь после этого вернемся к конструкции изображенной на рисунках 11 и 12.
Начнем с конкретизации условий необходимых для формирования дискретно вращающегося магнитного поля.
Сначала, коснемся классического элемента создающего плавно вращающееся магнитное поле при наличии соответствующего механического привода. Это, как известно либо соленоид, либо постоянный магнит.
Глава 21 дает нам право добавить еще и многофазные силовые системы (МФСС) имеющие электронные или электромеханические устройства управления (дискретное вращение).
В пространстве МФСС в разные моменты времени должны формироваться поля расположения магнитные силовых линий, идентичные полям соленоида или постоянного магнита в такие же моменты времени. Для этого диаметрально противоположные обмотки статора должны быть включены синфазно (по магнитному полю) - что бы ближние торцы их башмаков имели разные магнитные полюса. Тогда их магнитные силовые линии будут создавать суммарную картину расположения, аналогичную картине от постоянного магнита или соленоида (см. Рис.13) в аналогичный момент времени. На этом рисунке показаны силовые линии от двух диаметрально противоположных обмоток включенных синфазно по магнитному полю, в присутствие замкнутого общего магнитопровода.
Видно, что при такой конфигурации не теряется ни одна силовая линия от обоих включенных обмоток, кроме той малой части силовых линий, которые «теряются» в воздушных зазорах и неоднородностях (в конечном итоге они замыкаются на противоположный полюс обмотки породившей их, т.е. в обход основного - важного для нас «технологического» пути). Но поскольку их мало, обращать на них внимание не обязательно.
Теперь о коммутации токов на фазные обмотки МФСС:
Включение диаметрально противоположных обмоток синфазно по магнитному полю (противофазно по току), в силу конфигурации их расположения, сильно усложняет устройство и алгоритм работы ЭУУ – требуется двуполярная коммутация каждой обмотки в течение цикла обегания 360 градусов. А это означает, что для обеспечения такой коммутации в 32 фазной системе нужно иметь от 64 до 128 электронных ключей. Причем разных полярностей коммутации.
При использовании механического коллектора, эта задача решается проще. Механическому коллектору безразлично, какой полярности он коммутирует напряжение (ток). Вместе с тем, и в нем нужно иметь 64 (два синхронных коллектора по 32 направления) направления коммутации, плюс двуполярный СИП. Или, при однополярном СИП, 32 х 2 + 4 (переброс полярности) = 68 направлений.
Для достижения максимального эффекта нам нужно «вкачивать» в псевдовращающееся магнитное поле (задать ему определенный энергетический уровень) как можно больше силовых магнитных линий.
Это первое требование. Кстати, требование, которое в одной из последующих глав мы подвергнем основательному и не беспочвенному сомнению.
Требование второе – закон изменения количества силовых линий магнитного поля при псевдовращении должен быть близким к синусу (точнее - близким к косинусу). Это вопрос тоже в теме будущей главы.
Требование третье – скорость изменения количества силовых линий должна быть максимально достижимой, но не противоречащей здравому смыслу.
Требование четвертое - форма магнитного поля создаваемого диаметрально противоположными обмотками в магнитопроводе вторичных обмоток (трехфазных) должна быть похожа на форму создаваемую постоянным магнитом или соленоидом.
Как видно из этого списка, почти все требования находятся в противоречиях друг с другом. Но это только на первый взгляд. На самом деле все конфликтные нюансы можно утрясти, и при этом получится, что все они будут работать на одну цель, причем дружно, умножая друг друга своим присутствием.
Раздел 2. ПСЕВДОНЭГ в общих чертах.
Пока же мы будем рассматривать самый простейший вариант ПСЕВДОНЭГ. В нем присутствуют элементы, рассмотренных в предыдущих главах, механических и электромеханических устройств, в новой конфигурации и с новыми взаимодействиями.
Схема устройства ПСЕВДОНЭГ показана на Рис. 14.
В левой части изображен поперечный вид-разрез-рентген, в правой – продольный разрез.
ПСЕВДОНЭГ состоит из двух цельных магнитопроводов: многофазного и трехфазного. Они схожи по форме (толстое кольцо с внешними радиальными прямоугольными длинными лучами (лучи – они же башмаки обмоток), загнутыми в одну сторону под углом 90 градусов), только многофазный имеет N узких лучей (N – количество фаз), а трехфазный – три широких луча (каждый луч занимает сектор близкий к 120 градусам).
Примечание: Изготовление многофазного магнитопровода, с точки зрения технологии, особых загвоздок не имеет. А вот трехфазному сделать необходимую форму затруднительно. Возможный простейший вариант – делать каждый трехфазный башмак разрезным (по радиусу) и далее в процессе изгибания формировать требуемую дугообразную форму в секторе 120 градусов.
На каждом луче-башмаке многофазного магнитопровода находится своя обмотка возбуждения запитываемая от силового источника питания (СИП) через соответствующие электронные ключи (МЭК) управляемые электронным устройством управления (ЭУУ).
На каждом луче-башмаке трехфазного магнитопровода находится силовая обмотка своей фазы, напряжение с которой подается в силовую ЛЭП и далее в нагрузку.
Между торцами загнутых башмаков многофазного (светло-серый цвет на рисунке) и трехфазного (темно-серый цвет) магнитопроводов находится свободно вращающийся немагнитопроводный дисковый ротор синхронизатора. Сам синхронизатор представляет собой два коммутационных магнитопровода дугообразной формы и достаточной толщины/ширины расположенные в теле ротора в секторах 90 -120 градусов напротив друг друга (на рисунке выделены красным цветом). Окончательную, наиболее эффективную форму этих магнитопроводов можно определить лишь экспериментальным путем.
Так из соображения создания наибольшей плавной скорости изменения коммутируемого магнитного потока вытекает, что наиболее подходяща конфигурация в виде серпов. Возможна и другая.
Эти магнитопроводы находятся на радиусе расположения центров многофазных и трехфазных башмаков.
Все элементы конструкции, в том числе СИП, ЭУУ и МЭК, кроме ротора синхронизатора, жестко закреплены в немагнитопроводном теле корпуса ПСЕВДОНЭГ. Ротор синхронизатора может свободно вращаться в подшипниках закрепленных в теле корпуса. Корпусные детали выделены желтым цветом.
При вращении ротора синхронизатора под действием механических сил магнитной природы, возникающих при прохождении тока через соответствующие обмотки, его магнитопроводы, постоянно находясь в области максимальной концентрации магнитных силовых линий, замыкают своими дугообразными магнитопроводами эти силовые линии на башмаки трехфазного магнитопровода. В обмотках трехфазного магнитопровода, соответственно за счет индукции возникает ток.
Траектория прохождения магнитных силовых линий – замкнутый контур по очертаниям магнитопроводов (включая коммутационные магнитопроводы синхронизатора) на правой части рисунка.
Раздел 3. Работа ПСЕВДОНЭГ.
При рассмотрении работы ПСЕВДОНЭГ в динамике сразу определимся с рядом важнейших обстоятельств, без которых работа устройства будет либо неэффективной, либо вообще невозможной.
- Синфазное включение обмоток по магнитному полю.
- Метод суммирования магнитных потоков от нескольких обмоток (2 группы по 8).
- Рабочие частоты разных магнитопроводов.
Для того, что бы создать в трехфазном магнитопроводе суммарное псевдовращающееся магнитное поле максимальной энергонапряженности, аналогичное вращающемуся магнитному полю соленоида или постоянного магнита (в соответствующие моменты времени) мы применим несколько, работающих на этот тезис факторов.
Прежде всего, будем включать диаметрально противоположные группы обмоток (2 группы по 8 обмоток) возбуждения синхронно и попарно синфазно по магнитному полю. На каждый такт коммутации эти группы будут перемещаться по подключению на угол 360/N градусов (мы рассматриваем конструкцию с N=32). При этом в любой перемещающейся (по включению) группе из восьми обмоток, всегда будут находиться шесть обмоток уже включенных, одна обмотка – лидерная - только, что включенная вместо уже выключенной, и одна обмотка замыкающая, которая будет выключена в следующий момент коммутации.
Обмотка-лидер это та, которая только, что создала свой пакет силовых линий. Она будет поддерживать его (находиться под током) в течение 8 периодов коммутации. Обмотке следующей за лидером (она была лидером в предыдущем такте коммутации) осталось поддерживать пакет своих силовых линий 7 тактов. Следующей обмотке – 6 тактов и т.д. вплоть до замыкающей с одним тактом. Т.е. каждая отдельная обмотка всегда включается на 8 тактов за полцикла. Первые полцикла с одним расположением магнитных полюсов, вторые полцикла – с другим. В итоге за один полный цикл шестнадцать раз.
Это алгоритм включения-выключения многофазных обмоток. Он легко трансформируется в алгоритм работы ЭУУ. Но эта область науки очень специфичная. Поэтому залазить в ее дебри мне не хочется. Скажу лишь следующее. Алгоритм хотя и объемный, но простейший, не имеющий никаких заумных колдобин, и поэтому посильный для любого мало-мальски квалифицированного электронщика.
Таким образом, мы будем иметь суммарное магнитное поле, всегда содержащее 16 одинаковых пакетов магнитных силовых линий, псевдовращение которого организовано за счет синхронного формирования новой пары пакетов при подключении очередных обмоток-лидеров и одновременного уничтожения пары пакетов при отключении очередных замыкающих обмоток. Начальная энергонапряженность суммарного псевдовращающегося поля по механическим силам магнитной природы в данном случае будет равна Woc = 16 у.е. Механических Сил (16 у.е. МС = 16 пакетов х Км, здесь Кс -коэффициент пропорциональности для механических сил).
В ПСЕВДОНЭГ потребление механической энергии минимально – только на вращение ненагруженного ротора-синхронизатора.
Аналогично, начальная энергонапряженность суммарного псевдовращающегося поля по количеству силовых магнитных линий, будет равна Wom = 16 у.е. Магнитных Линий (16 у.е. МЛ = 16 пакетов х Км, здесь Км – коэффициент пропорциональности для магнитных силовых линий).
Конечная энергонапряженность Wem по магнитным силовым линиям будет равна произведению начальной энергонапряженности Wom на угловую скорость Ф (скорость вращения синхронизатора – она же «омега»), с соответствующим коэффициентом пропорциональности А, т.е.
Wem = (Wom) х (Ф) х А;
Примечание: Вообще, при 32 фазной системе может быть включено одновременно и другое количество первичных обмоток, т.е. не 16, а, например 14 или 20. Это произвол разработчика алгоритма и условий применения ПСЕВДОНЭГ.
Для получения выходной частоты 50 Гц в трехфазных обмотках, нужно, что бы циклы переключения многофазных обмоток повторялись 50 раз в секунду. На каждый цикл приходится 32 такта переключения. Следовательно, для работы ПСЕВДОНЭГ требуется ЭУУ, имеющее тактовую частоту 32 х 50 = 1610 Гц. Технологический задающий генератор может иметь любую, кратную величине 1610 Гц, частоту, лишь бы она обеспечивала правильное функционирование самого ЭУУ.
Для описываемого ПСЕВДОНЭГ (32 фазы) в качестве материала обоих магнитопроводов может применяться один и тот же материал (рабочая частота многофазной стороны мала и многофазный магнитопровод будет работать достаточно эффективно), например, электротехническая сталь.
Если же количество первичных обмоток будет в несколько раз больше, например, несколько сотен, то, вполне возможно, что для первичного магнитопровода придется подыскивать более эффективный материал, например феррит. А это уже другие технологии, другой уровень сложности, зато и другой, гораздо больший КПД (КПЭ).
Хотя есть и другое соображение: любая первичная обмотка все равно за один период находится под напряжением четверть периода одной полярности плюс четверть в отключенном состоянии, и четверть периода – другой полярности, плюс четверть в отключенном состоянии. Т.е. сами переключения производятся четырежды за период. Значит это частота 200 Гц. Следовательно, и при очень большом количестве первичных обмоток (фаз) обычная электротехническая сталь может быть вполне эффективной. Тем более, что затягивание фронтов импульсов токов подаваемых на первичные обмотки, (следствие слабых частотных свойств электротехнической стали) может благотворно отразиться на форме выходных синусоидальных трехфазных напряжений, т.к. суммарная огибающая изменения магнитного потока будет более плавной.
Электрическая схема ПСЕВДОНЭГ приведена на Рис. 12.
По электрической схеме (в части коммутаций) ПСЕВДОНЭГ и СУПЕРНЭГ одинаковы.
Фрагмент схемы с отображением отличий (механика) приведен на рис. 15.
ПСЕВДОНЭГ имеет механический синхронизатор-сумматор.
СУПЕРНЭГ не имеет ни одной подвижной детали кроме тумблера включения.
Принципиальная разница (по электрической части) между ними следующая:
ПСЕВДОНЭГ работает от прямоугольных импульсных токов подаваемых от простейшего СИП, имеющего одно постоянное напряжение.
СУПЕРНЭГ работает от импульсных токов сложной формы, и разного размаха напряжения, синтезируемых специальными формирователями из набора напряжений подаваемых от СИП.
Раздел 4. Вопрос о КПД (КПЭ).
Вопрос вопросов! Но формула все та же:
Числитель – снимаемая с вторичной обмотки максимальная мощность.
Знаменатель – все затраты на управление и формирование многофазных токов в первичных обмотках.
Явно напрашивающиеся методы и способы увеличения КПД (КПЭ) и мощности:
- Уход в ВЧ (2 способа).
- Использование как можно большего количества синхронно включенных фаз.
- Симбиоз с Е-двигателем (см. главу 7).
Неявные методы и способы увеличения КПД (КПЭ) и мощности мы рассмотрим в одной из следующих глав.
