История разработки ЧС2

[EM]

Тут дело не только в эксплуатации дело. С производством коллектора надо еще ооочень хорошо справиться.

Ну, я, собственно, коллекторный узел и имел ввиду. Он сложен и в изготовлении, и в эксплуатации.

[silron]

Тут дело не только в эксплуатации дело. С производством коллектора надо еще ооочень хорошо справиться.

Ну, я, собственно, коллекторный узел и имел ввиду. Он сложен и в изготовлении, и в эксплуатации.

Но это еще не все. Мощность машины постоянного тока ограничивается величиной линейной токовой нагрузки в частности из-за ограничений по коммутации https://vunivere.ru/work71833/page3
 У машины переменного тока возможно в тех же габаритных размерах реализовать бОльшие значения линейной токовой нагрузки. Кроме того, часть полезного объема активной зоны тягового двигателя из-за особенностей компоновки занять коллектором. Отсутствие коллектора позволяет увеличить длину активной зоны ТЭД и, как следствие, реализовать большую мощность.

[EM]

Конечно,  всё это так. Я просто писал коротко, не раскрывая все аспекты превосходства асинхронников перед коллекторными машинами. Вы делаете это более подробно.

[VSergN]

silron, Андрей! Замечательный экскурс в процесс производства электродвигателей! Познавательно и наглядно!

...все аспекты превосходства асинхронников перед коллекторными машинами.

Однако, вот какая "загогулина" получается: на протяжении 100 лет локомотивы (в т.ч. и тепловозы с электропередачей) приводятся в движение именно коллекторными двигателями! И это при всей трудоёмкости, дороговизне их изготовления и при всех прочих их недостатках! Даже не обращаясь к физике, простая логика подсказывает, что выбор именно коллекторных двигателей сделан неспростА.
Помимо недостатков у коллекторных двигателей также есть и существенные преимущества, которые в своё время и стали решающим фактором в их пользу. Некоторые из этих преимуществ мы уже упоминали выше.

[EM]

Однако, вот какая "загогулина" получается: на протяжении 100 лет локомотивы (в т.ч. и тепловозы с электропередачей) приводятся в движение именно коллекторными двигателями! И это при всей трудоёмкости, дороговизне их изготовления и при всех прочих их недостатках! Даже не обращаясь к физике, простая логика подсказывает, что выбор именно коллекторных двигателей сделан неспростА.

Чем был обусловлен выбор этого типа электродвигателей в качестве тяговых, подробно написал и я, и другие участники. Могу повторить: имевшийся практически до конца прошлого века уровень развития силовой электроники не позволял удовлетворительно решать задачу регулирования скорости вращения мощных асинхронных двигателей. При этом использование их в приводах вспомогательных машин электровозов (где зачастую достаточно 2-3 фиксированных скоростей вращения) началось гораздо раньше, чем в качестве ТЭДов.

[ailcat]

EM,
но вы очень зря обобщаете.

1.
Коллекторный двигатель (сериесного возбуждения) - единственный из существующих, у которого нет провала мощности крутящего момента на малых оборотах.
Асинхронные двигатели вошли в тяговый привод не потому, что в 80-х научились управлять частотой (это умели еще в 1920-х годах) - а лишь благодаря тому, что разработка теории векторного управления и появление силовой микроэлектроники, способной его реализовать - позволили уменьшить этот самый провал до приемлемых величин.
(да, у "асинхронников", особенно с короткозамкнутым ротором - столь любимых тяговиками в силу некоторых причин - падение момента может привести даже к "опрокидыванию" двигателя - т.е. его переходу в генераторный режим несмотря на наличие питающего напряжения).
Современное векторное управление (в несколько извращенном виде) доступно и для коллекторных моторов, что резко повышает их КПД и снижает износ.

2.
Асинхронный многоскоростной двигатель с фазным ротором, компенсирующими обмотками малых скоростей и компенсацией паразитного магнитного поля - конструктивно намного сложнее тягового коллекторного двигателя (видимо, поэтому их и нет на электровозах - хотя на IORE в конструкции моторов использованы многие наработки именно по ним). И еще они требуют гораздо более тщательного и трудоемкого, хотя и более редкого, обслуживания (что приближает стоимость жизненного цикла к стоимости такового у коллекторных моторов).
Да и наибольшую сложность при эксплуатации в коллекторном двигателе создают продукты горения дуги на коллекторе (нет, не сам коллектор - а именно та зола, которая остается от горения щеток, и как наждачка стирающая коллектор в десятки раз быстрее, чем при бездуговой коммутации) - от чего полностью избавиться невозможно, но уменьшать эффект уже давно научились (гыг! да здравствуют косые пластины коллектора!).

3.
На текущий момент стоимость жизненного цикла тягового электропривода (не моторов, а всего комплекса - то есть включая силовую часть системы управления) для асинхронных двигателей выше, чем для коллекторных - как в Европе (с её дорогой рабочей силой), так и у нас (с дешевым трудом "коллекторочистильщиков").
Так что скорее его выбор определен не столько преимуществами, сколько "модностью" темы (в том числе и увеличением пропускной способности депо, занимающихся обслуживанием экипажной части локомотивов - что может быть аргументом в стесненных условиях европейских городов)...

[VeschiiOleg]

Коллекторный двигатель (сериесного возбуждения) - единственный из существующих, у которого нет провала мощности крутящего момента на малых оборотах.

Да, "жесткая" хар-ка зависимости крутящего момента от напряжения - есть линейная зависимость от 0 до максимума. У асинхронника рабочий режим начинается с определенного напряжения, ниже которого мощность не реализуется полностью. Т.е. нелинейная зависимость. В пределах рабочего напряжения частота вращения зависит от частоты питающего напряжения. Менять конечно её научились в 20х гг, но для малоточных цепей (т.е не применительно к частоте питающей сети).

[EM]

на протяжении 100 лет локомотивы (в т.ч. и тепловозы с электропередачей) приводятся в движение именно коллекторными двигателями

И,  тем не менее, в качестве тяговых генераторов и приводов вспомогательных машин на мощных тепловозах уже несколько десятилетий назад от коллекторных машин отказались в пользу синхронных и асинхронных. Именно в силу тех их преимуществ, о которых здесь говорилось.

[ailcat]

У асинхронника рабочий режим начинается с определенного напряжения, ниже которого мощность не реализуется полностью.

Не напряжения - скольжения. Которое вполне можно выразить как зависимость от частоты вращения. А как раз управление напряжением - вынужденная мера, чтоб перебалансировать магнитную систему двигателя под фактическую частоту вращения (чем и занимается векторное управление двигателем). // Не, я точно не хотел пересказывать полторы дюжины страниц формул в двух строках 

Менять конечно её научились в 20х гг, но для малоточных цепей

12 МВт - малоточная цепь? А ведь стан с регулировкой скорости в диапазоне 1:12 на асинхронных моторах - был введен в эксплуатацию еще в 1928-29 годах. А в 1936 году был введен стан с регулировкой скорости 1:30 (что очень круто для "асинхронников" даже сейчас) с мощностью главного привода более 30 МВт (правда, там для управления асинхронниками применялись вспомогательные синхронные машины, но сути это не меняет)...

[EM]

Не напряжения - скольжения. Которое вполне можно выразить как зависимость от частоты вращения. А как раз управление напряжением - вынужденная мера, чтоб перебалансировать магнитную систему двигателя под фактическую частоту вращения (чем и занимается векторное управление двигателем).

Верно. И, тем не менее, "провал" тяги на малых скоростях вращения не явился для асинхронников непреодолимым препятствием. В оттличие от дизелей, которых так и не смогли "обучить" развивать тягу сразу при пуске и поэтому наличие дорогой и сложной передачи (электической либо гидравлической) до сих пор является неотъемлемой частью любого тепловоза.

[gidra]

to Олег:

По порядку.
Вы нарисовали картинку сглаживания шим напряжения конденсатором. Прекрасно. Частота, Вы сами написали низкая. Пусть 100 Гц. Замечательно. Постоянная времени фильтра тогда, по Вашим рисункам получается, ну так примерно 5 мс. Теперь посчитайте, какой ёмкости  "маленький" конденсатор тогда нужен? Даже, в случае если учитывать в постоянной только сопротивление обмотки. Только, вообще то, тут прежде всего надо учитывать выходное сопротивление ключа, который коммутирует напряжение. А оно, даже по сравнению с обмоткой весьма маленькое. Особенно, в случае полевых транзисторов- так, пара десятых долей Ома. По сравнению с ним, сопротивление обмотки при рассчёте постоянной фильтра можно просто не учитывать, тем более, что заряжается ёмкость от ключа, а не от двигателя. Таким образом, Ваша "маленькая" ёмкость раздуется до нехилых величин.

Дальше, по поводу "неумного предположения". Это не предположение, а анализ Ваших картинок. Я конечно понимаю, сам не художник, но есть некоторые моменты, которые Ваше непонимание выдают с головой. Прежде всего- на нижней картинке при незименном входном сигнале чёрные графики (и пунктирный и сплошной) имеют ярко выраженный излом. Его там в принципе не может быть- экспонента должна быть плавной, без изломов и ассимптотически стремиться к предельному значению. Следующее- экспонента сначала быстро нарастает (или спадает, в зависимости от направления), а с течением времени скорость её изменения уменьшается. На верхней картинке у Вас по окончании " пачки" чёрные линии меют выпуклость совсем в другую сторону... Как бы, косячки далеко не безобидные...

Теперь про разницу в уровне напряжений в больших и маленьких паузах на осциллограмме 3.... В больших паузах уровень соответствует противо-ЭДС, точнее, разницы междупротиво-ЭДС и ЭДС самоиндукции, последняя со временем сходит на нет и остаётся только противо-эдс. В маленьких паузах-нет. Там и намёка на это нет. Тем более, что не может противо-эдс резко с трёх Вольт до миллиВольтов опуститься- её величина при постоянном потоке возбуждения зависит только от скорости вращения якоря. Думайте дальше.

[VeschiiOleg]

Частота, Вы сами написали низкая. Пусть 100 Гц.

Частота пачки. Частота импульсов 20-40кГц. Я все корректно написал в посте, Вы невнимательно читаете.

Прежде всего- на нижней картинке при незименном входном сигнале чёрные графики (и пунктирный и сплошной) имеют ярко выраженный излом.

Именно так. Экспонента (спад тока) присутствует только на участках после окончания каждого импульса  (до начала следующего импульса) и по окончанию пачки до следующей пачки. Отмечу что между пачками спад продолжается не до нуля, а до напряжения противо-ЭДС. На плоской части импульсов спада нет. Об этом я тоже написал в посте. Выпуклость на левых и правых картинках одинаковая - восходящая кривая имеет выпуклость вверх, спадающая вниз. Просто для данного масштаба "радиус"  (подчеркиваю, что в кавычках) большой и кривые похожи на прямые. 

В маленьких паузах-нет

Уточните тогда что понимается Вами под маленькой паузой. Если Вы имеете в виду паузу между импульсами частоты 40кГц, то как видно из вышеприведенных мной рисунков, напряжение не успевает спасть до нуля, и именно за счет этого происходит "запоминание" напряжения. Если импульсы будут очень короткими (т.е очень большая скавжность), то тогда напряжение успеет упасть до нуля и двигатель остановится.  Об этом я тоже написал выше.

[VeschiiOleg]

Картинка, поясняющая процесс при очень коротких импульсах в пачке. При этом действующее напряжение практически равно нулю. Это соответствует началу движения или остановке. Картинка нарисована под предыдущими, в одном масштабе. Пауза между ВЧ-импульсами здесь больше и экспоненту видно лучше.

[gidra]

to Олег: действительно, частота у Вас указана по отношению к периоду следования пачки. А собственно, частоты импульсов исходной частоты не указано было совсем, хотя её то надо было указывать в первую очередь.
Но это особо не меняет ситуации- сотня-другая микрофарад - это далеко не нанофарады, которые обычно на модельных двигателях стоят.
И зачем у Вас один и тот же график два раза нарисован, никак не возьму в толк? Пунктиром и сплошной? И где кривая тока? Когда Вы говорите сигнал- это ток или напряжение? Уточняйте.
Экспонента присутствует (должна, по крайней мере) и при нарастании сигнала и при спаде. И горизонтальная плоская часть фильтрованного сигнала, на самом деле, не совсем горизонтальная- это очень пологий участок экспоненты, переход к которому не может происходить с изломом, как у Вас на втором рисунке.
По поводу последнего рисунка- да, примерно так и выглядит отфильтрованный сигнал при маленькой ширине, только начиная с некоторой длины импульса (не особо то большой, но это, конечно, от ряда параметров зависит) за время паузы выходной сигнал не будет спадать до 0, а будет некоторого заметного остаточного значение, и со следующего импульса сигнал вырастет сильнее, в след.паузе останется сигнал чуть больше, и т.д. В конце концов, после определённого количества импульсов сигнал будет колебаться вокруг некоторого значения. Ну это понятно и логично, только что из этого следует?

По поводу разницы в паузах- я спрашивал про конкретную реальную ситуацию, запечатлённую на осц. Никаких сглаживающих конденсаторов там нет, поэтому и остаточных напряжений нет - фронты достаточно вертикальные, на выводах дпт.  куда, по-Вашему деваются эдс-ы в маленьких паузах?

[VeschiiOleg]

частоты импульсов исходной частоты не указано было совсем,

Я говорил что это "частота заполнения пачки" (аналогия с несущей частотой при ЧМ или ФМ )

Но это особо не меняет ситуации- сотня-другая микрофарад - это далеко не нанофарады, которые обычно на модельных двигателях стоят.

Покажите, где написано про микрофарады??? Сотня другая микрофарад срежет эти импульсы в ноль. Емкость там - нанофарады (для 40кГц примерно 12нФ)

И зачем у Вас один и тот же график два раза нарисован, никак не возьму в толк? Пунктиром и сплошной?

Пунктир - процесс показывающий как обрабатывается каждый импульс, сплошная это то, что на обмотках. Вид у них разумеется одинаковый, только на обмотках уже нет ВЧ-импульсов и огибающая отражает действующее напряжение (пост. ток).

Когда Вы говорите сигнал- это ток или напряжение?

Про напряжение. Но ток выглядит так же. Про смещение по фазе на реактивности для упрощения говорить не будем.

Экспонента присутствует (должна, по крайней мере) и при нарастании сигнала и при спаде.

Именно так. Поэтому я написал выше, что при нарастании выгиб вверх идет. Впрочем это видно на всех картинках.

не совсем горизонтальная- это очень пологий участок экспоненты,

Там где плоская часть импульса - там спада нет вообще и нет экспоненты. Кончился импульс - пошел разряд, появилась экспонента.
На более узком импульсе нагляднее видно, что происходит.

время паузы выходной сигнал не будет спадать до 0, а будет некоторого заметного остаточного значение, и со следующего импульса сигнал вырастет сильнее, в след.паузе останется сигнал чуть больше, и т.д. В конце концов, после определённого количества импульсов сигнал будет колебаться вокруг некоторого значения. Ну это понятно и логично, только что из этого следует?

Именно так! Вот это значение напряжения, относительно которого сигнал будет колебаться после определенного кол-ва импульсов, - и есть выделенная постоянная составляющая или действующее значения напряжения, при данной скважности (или скорости). И именно это напряжение чувствует двигатель пост. тока.

фронты достаточно вертикальные,

А на самих обмотках уже нет никаких фронтов - там сигнал изображенный справа. Низкочастотный импульс с постоянной составляющей, пропорциональной скважности. Чем выше скорость, тем выше по амплитуде импульс. На максимальной скорости он почти равен напряжению пачки. А измерить противо-ЭДС можно только в паузе между пачками, потому что длительность паузы достаточно большая.

Рисунки наглядно все иллюстрируют,  даже словесных комментариев в принципе не требуется.