Почему 100 лет в электропоездах применяли не самый лучший двигатель энерголикбез

[Admin]

Почему 100 лет в электропоездах применяли не самый лучший двигатель энерголикбез

Установлен мировой рекорд скорости, начало 20 века, 1903 год. Два электровоза на огромной скорости проносятся по испытательному участку. Это Siemens и AEG.

И они имеют очень необычную конструкцию. Они питаются трехфазным током от трех проводов. Эти локомотивы движения приводил самый современный на то время трехфазный асинхронный электродвигатель, который изобрели буквально пару лет назад.

Но что такое случилось после этого эксперимента? Что эту скорость поезда смогли повторить через несколько десятков лет. А самый современный, мощный и надежный двигатель, асинхронный, практически на сто лет уступил место в поездах двигателям постоянного тока. С вами Мальков Александр, Энерголегиез, и я раскрою сегодня тайну электродвигателей.

Чтобы понять некоторые ключевые моменты, я чуть-чуть приоткрою дверь в тайну. Сегодня будут не только красивые картинки, но и немножко формулы графиков. Их поймет любой, кто учился в школе.

Итак, мы видим зависимость. Мы видим, что у электродвигателя наблюдается интересная картина. Максимальный кпд находится в районе максимальной мощности.

А номинальный кпд, он практически как и максимальный, в районе номинальной мощности. Что такое номинальная мощность, кстати? Это длительная мощность, которую может развивать двигатель, сохраняя все свои параметры, не перегружаясь, не перегреваясь, и не теряя быстрый ресурс. Возникает вопрос, а причем здесь вообще кпд? А при том, что когда были изобретены электродвигатели, и наши поезда, трамваи, троллейбусы поставили на электротягу, было решено использовать ресурс их на полную.

А не так, как в паровозах, извиняюсь, кпд, у которых там единицы процентов. И поэтому для электротяги выгодно, чтобы электродвигатель работал с постоянной мощностью, в районе наивысшего кпд. Потому что тягать поезда нужно на долгие расстояния, постоянно и потребляется большое количество энергии.

Там двигатели очень мощные. Приоткрываю еще одну дверь тайны. Почему современный мощный асинхронный электродвигатель, про который я рассказал в двух видео, и эти видео стали бестселлерами, ссылка в подсказке и в описании, почему этот крутой двигатель, без всяких счеток, колец, коллекторов, искрения, с очень простой конструкцией ротора и статора, не пошел в серию.

Суть еще в его жестком характере, а именно жесткой механической характеристике. Что такое механическая характеристика двигателя? Это зависимость частоты вращения ротора от тормозного момента, который мы прилагаем к нему, то есть от нагрузки. Так вот, наш асинхронный двигатель на рабочей части своей механической характеристики, вы видите сейчас ее на экране, он довольно жесткий парень.

То есть он держит частоту вращения, когда его давят, душат, то есть тормозят. А вот электроприводу поездов, тяговому приводу, такое не надо. Потому что электроприводу поездов нужна немножко другая характеристика.

Давайте посмотрим на тяговую характеристику для транспорта. И мы видим вот такую хитрую кривую. Это участок гипергболы с двумя ограничениями.

Одно ограничение по частоте вращения, когда уже привод и двигатель может разрушиться. Второе по моменту, когда слишком большой момент уже не нужен, момент вращения. И на то время был прямо идеальный парень под эти нужды.

Двигатель постоянного тока классического исполнения с последовательным возбуждением. Что значит с последовательным возбуждением? Это значит, что обмотка возбуждения, обмотка статора, которая создает магнитный поток, она включена последовательно с обмоткой якоря. То есть та, которая находится на роторе, вращается который.

И вот вместе, когда они так включены последовательно, мы подаем на них напряжение, через них идет ток, дальше мы подводим нагрузку. Мы видим, что механическая характеристика такого двигателя является собой вот такую кривую. Ничего не напоминает? Да она просто совпадает с тяговой характеристикой.

То есть тяговая характеристика это искусственная, под нужды электротяги. А у двигателя постоянного тока естественная механическая характеристика получилась вот такой интересной формы. А еще двигателем постоянного тока легко управлять с помощью реостатов.

Вводя сопротивление в эту цепь, мы будем управлять моментом, то есть силой тяги. Просто идеальное сочетание для тех времен. Таким образом решили, чтобы делать проще, делаем контактную сеть на напряжении полтора киловольта, полторы тысячи вольт, ставим двигатели постоянного тока с последовательным возбуждением, а еще комбинируем их по схеме.

Включаем сами двигатели в последовательную цепочку, либо в последовательно параллельные цепи. Таким образом набираем всю нашу тяговую силу. Время не стояло на месте, росла экономика, росли расстояния, повышалась длина составов.

Нужно было ездить на большие расстояния и полтора киловольта постоянного тока не обеспечивала этих нужд. Электрификация контактной сети шагнула в три киловольта и затем готова была шагнуть в 6 киловольт, но инженеры понимали, на постоянном токе дальше пригорода не уедешь. На большие расстояния нужен переменный ток.

И вот тут возникли разные ветви и течения, каким образом электрифицировать железную дорогу на переменном токе. Одна из ветвей это использовать машинный преобразователь. Берем ставим двигатель переменного тока, подключаем к контактной сети переменного тока, он будет крутить вал генератора постоянного тока, то есть механическое преобразование.

Система двигатель-генератор. Громоздка, но кое-где применялась. Не самое эффективное и не самое лучшее.

В 1902 году появляются первые ртутные выпрямители, а вот к 1920 и позже годам эти ртутные выпрямители достигли таких мощностей, что ими можно было выпрямлять серьезные токи. И эти ртутные выпрямители, посмотрите как они очень интересные и монструозно выглядят, стали на службу электротранспорту. Мы имеем контактную сеть переменного тока, дальше идет выпрямление и двигатели постоянного тока.

Вроде бы все хорошо. Чуть позже в шестидесятые появятся полупроводники, потом эти полупроводники станут силовыми и можно будет сделать выпрямление на полупроводниках. Но не будем забегать вперед, об этом я расскажу позже, а теперь еще одна интересная ветвь.

В Германии, в Швейцарии решили сделать так. Меняем контактную сеть на переменный ток, а двигателя оставляем постоянного тока, ведь коллекторные двигатели постоянного тока могут работать на переменном, потому что подавая переменный ток, несмотря на то, что он бегает туда-сюда, мы имеем изменение направления этого тока как в якоре, так и в обмотке возбуждения. И двигатель продолжает работать как будто на постоянном токе.

Высокая частота для этих целей не подошла на то время, поэтому Германия, Швейцария и еще Дания, там несколько стран рядом, решают сделать частоту 16,2 Гц. 16,7 Гц для питания железной дороги. И вы не поверите, в Германии до сих пор железная дорога питается на частоте 16,7 Гц.

Я сделал про это большое видео несколько лет назад, и оно уже набрало миллионы просмотров. Ссылка, как обычно, в подсказке и в описании. Заходите, посмотрите.

Это целая специальная энергосистема железной дороги, со своими электростанциями, подстанциями, преобразователями и все на 16 Гц. Был в прошлом году в Германии, подснял даже эти опоры лэп. Мне было приятно увидеть их вживую.

Итак, продолжаем. Значит еще одна ветвь, это снизить частоту и питать двигатели постоянного тока на низкой частоте переменного тока. Даже в США с этим поэкспериментировали, но там частота была 25 Гц.

Тем не менее, во всех остальных странах в мире более-менее устанавливается к 50-м годам стандарт 25 кВ 50 Гц. Стандарт контактной сети железных дорог. При таком высоком напряжении питать двигатели коллекторные постоянного тока уже невозможно.

Даже если мы снизим напряжение, частота довольно высокая. Для существующих двигателей коллекторных она не подходила. Нужно было что-то придумывать.



Вслед за 50-ми приходит 60-е и появляются первые однооперационные теристоры, которые можно открывать. Это электронный ключ. У нас есть вывод-управляющий, с помощью которого этот огромный силовой электронный ключ открывается и пропускает ток в одном направлении.

А вот закрывается он только когда ток пропадает. Даже на таких теристорах смогли организовать выпрямление и схема управления электровозами выглядела следующим образом. От контактной сети поступает 25 кВ 50 Гц, снижаем через главный трансформатор, дальше выпрямляем, дальше управляем этим напряжением и подаем на тяговый двигатель.

Полвека уже прошло, а синхронный двигатель еще пока не появляется в электричках, в электровозах и в мотор-вагонах. Вроде бы уже переменный ток, вроде бы уже теристоры, но еще рано. К 1980-м годам начинают появляться ГТО-теристоры.

K-turn-off, то есть запираемые, двухоперационные. Их можно как открывать с помощью управляющего электрода, так и закрывать. И вот здесь происходит возвращение джедая.

Первое возвращение. В разных странах, во Франции, в Советском Союзе, в Германии начинаются первые опыты с асинхронным тяговым электроприводом, с применением ATET, асинхронного тягового электродвигателя. И принцип управления таким электровозом вы видите сейчас на схеме.

Снимая напряжение с контактной сети, оно поступает на главный трансформатор. Далее выпрямители, звено постоянного тока и вот эти вот самые интересные блоки АИН автономные инверторы напряжения. А вам ничего не напоминает эта схема? А помните, я делал видео про частотные преобразователи? Да, обычные частотники, которые управляют скоростью вращения, моментом и всем остальным асинхронных двигателей.

Так вот посмотрите внимательно на схему электровоза. Это тот же частотник. У него есть выпрямление, шина постоянного тока и дальше инвертирование с нужной частотой фазой для управления моментом вращения и частотой вращения.

Но не только появление двух операционных тиристоров и силовых транзисторов стало смещать строна двигателей постоянного тока в тяговом приводе. Он сам себя начал изжевать по одному очень интересному показателю. Причина не только в этом узле, который называется коллектор, но и в нем тоже.

Когда вращается двигатель, он очень сильно искрит. Эти искры пожароопасны. Но искры опасны не только в двигателях, они точно также опасны в вашем доме.

И сейчас буквально за две минуты я вам расскажу, как уберечь свой дом от искр электричества в ваших розетках. Чим сделал три в одном. Посмотрите, здесь есть c10 автомат, 30 миллиамперное узо тип А и еще защита от дуги.

Проверим по всем трем параметрам на отключение его как автомат, как узо и как защита от дуги. У меня есть все три лабораторные установки. Поехали проверять.

Самая последняя будет с искрением. И первая проверка на ток короткого замыкания перегрузки. Он должен отключиться от тока короткого замыкания от 50 до 100 ампер и при перегрузке при 25,5 амперах до 1 минуты.

Поехали проверять на ток короткого замыкания. Подаем напряжение, включаем автомат, начинаем набор тока до того, как он отключится. Это должно произойти от 50 до 100 ампер.

27 это означает 54 ампера. Отлично. В самом начале характеристики.

Хороший результат. А теперь 25,5 ампера и он должен до минуты отключить. Сбрасываем на базу и начинаем поднимать до 25,5.

25,4 идеально. Теперь ставим ограничение, длительный режим, измерение времени и от итогового времени отнимем полторы секунды. Это по условиям измерения этого прибора.

16,5 секунд. Отличное время. До минуты он должен был отключиться.

А теперь мы продолжим интересное испытание его как УЗО и как защита от искрения. Снизу у него вход, сверху выход. Это четко написано на аппарате.

Для этого аппарат это критично, перепутывать нельзя. Будем проверять ток срабатывания для этого 30 мА УЗО тип А. Поехали проверять. 24 мА хороший результат.

А теперь пробуем кривую сделать из импульсов постоянного тока, ведь это УЗО тип А и поэтому оно должно реагировать на импульсы. Вот импульсы с углом 0. Пробуем. 20 мА вкладывается в параметры от 15 до 30.

А теперь проверяем время. Включаем. Сейчас время должно быть до 300 миллисекунд.

48 миллисекунд. Переворачиваем нашу фазу на 180 градусов и проверяем еще раз. 38 миллисекунд вкладывается в параметр до 300 миллисекунд.

Как УЗО тип А данный агрегат прошел испытание. Испытываем это устройство как устройство защиты от дугового пробоя. Для этого мы его подключили к сети.

Выходит провод через искровой промежуток, через нагрузку тостер и возвращается обратно в УЗДП. То есть вот он путь тока. Вот она цепь.

И в этой цепи будет искра. И эта искра должна быть фактором срабатывания этого устройства. Как будто мыши перегрызли.

Давайте проверять. Замыкаем нашу цепь. Включаем нагрузку и начинаем искрить.

Вы заметили? Сработало УЗДП очень быстро. Теперь мы его включим и посмотрим, как заморгает наш индикатор. Красный, синий, красный, синий.

Это как раз сигнализирует защита от искры. Мы только начали искрить, а он уже сработал. Пробуем еще раз.

Включаем наш аппарат, замыкаем цепь, включаем нагрузку и пробуем искрить. Сразу же, при малейшей искре, сработка от дугового пробоя. Итак, мы выяснили, что наш трехкомпонентный комбайн, в котором есть автомат, УЗО и УЗДП, работает отлично по всем трем компонентам.

Работает как автомат С10, как УЗО тип А на 30 мА и как УЗДП защита от дуги. Срабатывает, сигнализирует, показывает все четко в пределах по всем приборам. Он сам себя начал изжевать по одному очень интересному показателю.

Давайте посмотрим, как двигатель соединялся с колесами. Первая вариация двигатель прямо на оси. Либо ось колес это ось двигателя.

Прямой привод, так сказать, без всяких редукторов. Но вся эта масса двигателя опирается на ось и становится необресоренной массой. Большая нагрузка на ось, а двигатели очень тяжелые.

Под тону весят и нагрузка на пути ограничена. И пошло развитие двух систем крепления. Опорно-осевая и опорно-рамная.

Когда двигатель полностью или частично опирается на ось, либо на раму. Когда он частично опирается на ось, то можно установить редуктор и основным передачи вращающего момента на колеса была зубчатая передача с помощью редуктора зубчатых шестерен. Однако, если двигатель устанавливается на раму, где он полностью становится обресоренным, и к этому времени наш большой выросший огромный двигатель постоянного тока уже не помещался в тележку.

Его предельная мощность, которую смогли достичь это 1000 киловатт. 1050. Двигатели постоянного тока исчерпали ресурс по наращиванию мощности из-за массогабаритных показателей.

То есть они не могли расти больше, потому что не помещались. И сейчас вы видите на картинке последний из магикан. Электровоз мощностью 8400 мегаватт, в котором стояли 8 двигателей по 1050 киловатт.

Это был предел по массогабаритным показателям. Дальше некуда. А жизнь, энергетика и промышленность, железная дорога, требовали от двигателей больших мощностей.

И в Германии в 1979 году был построен прототип электровоза DB класс 120, первого серийного локомотива с трехфазным асинхронным тяговым электродвигателем и терристорным инвертором. Советский союз не отступал. В 1980 появился советский электровоз ВЛ-80А751, который содержал макетную секцию с асинхронным электроприводом.

Давайте посмотрим на схему советского электровоза. Мы видим контактную сеть, главный трансформатор, снова же выпрямитель четырехквадрантный, а дальше снова же звено постоянного тока и автономный инвертор напряжения. Вот он, частотник, который управляет асинхронным двигателем.

И тяговые двигатели асинхронные, без коллекторов, без искрения. Но в электротранспорте не принято схему управления тяговым двигателем называть частотником. Такое управление называют фазовое.

Это примерно что в лоб, что по обу. В промышленности мы привыкли называть такие преобразователи частотными преобразователями, а в железной дороге полная аналогия частотника называется управление по напряжению и по фазе. И развитие тяговых электроприводов 90-е пошло прям взрывным путем.

Если мы сто лет двигались по пологой кривой, то потом у нас все полетело вверх. Потому что за ГТО-терристорами, как я сказал, появились ИГБТ-транзисторы, а после них силовые MOSFET, полевые МОП-транзисторы, металлокислополупроводник, ну то есть кремний. А с начала 2010-х появляются силовые модули на широкозонных полупроводниках, так называемых сигмосфетах.

Полевой металлоксидный транзистор с полупроводником на основе карбидокремния. Они стали более быстрыми, более высокотемпературными и позволили сделать еще более эффективное управление, то есть делать практически идеальную синусоиду по частоте по фазе, нужную для каждой фазы асинхронного двигателя. И венец творения уже наших дней, уже 2020-х, это синхронные моторы с постоянными магнитами.

Они появляются не только в тяговом транспорте, они появляются везде в электротранспорте. Например, мой электромобиль, на котором езжу я, там стоят уже синхронные моторы с постоянными магнитами. Чем отличаются синхронные от асинхронных? Еще раз вы можете посмотреть мое видео «Синхронные и асинхронные двигатели».

Ссылка в подсказке в описании, зайдите посмотрите, там все понятно рассказано. Много миллионов просмотров уже это видео и оно самое популярное на лекциях в вузах разных стран. Так вот синхронные моторы в сочетании с современными полупроводниками это венец творения тягового привода сегодня.

Скоростные электрички Китая, Японии, это все синхронные моторы. И раз я упомянул Китай, давайте заглянем немножко в китайскую железную дорогу. На сегодня Китай самый крупный производитель железнодорожной техники и электропоездов.

Когда-то он начинал с того, что опирался на иностранные технологии Советского Союза, США, Японии. А сейчас он взял лучшие из этих технологий, построил свою базу и развивает. Мощная сеть РНД-центров и Китай теперь впереди планеты всей.

Самые быстрые поезда электрические не в Японии, они в Китае. Я имел честь прокатиться на одном из таких поездов. Он шел с небольшой скоростью 350 километров в час, но вы знаете до захвата.

Помните я говорил, что двигатели постоянного тока уже не помещались в тележке? Двигатели асинхронные и синхронные, ну почти родные братья. Они стали легче, мощнее, они не искрят, их можно поставить больше, сделать мощные быстрые локомотивы, которые будут управляться с помощью силовой электроники. Так вот что стало сдерживающим фактором, почему 100 лет была гегемония двигателей постоянного тока и только через 100 лет мы начали внедрять асинхронники и синхронники.

Это развитие силовой электроники. Силовая электроника подтолкнула все в мире. Не только электропривод поездов.

Солнечные инверторы, гибридные инверторы, инверторы ветряных станций. Вся эта зеленая энергетика, там тоже везде силовая электроника. Железные дороги, промышленность, силовые транзисторы, все самое современное.

Именно они сейчас двигают энергетику, промышленность и все, что связано с внедрением электричества в жизнь человека. Вот такой небольшой экскурс в последние 100 лет. Появились первые поезда, разогнались, затормозились на целый век, а сейчас разгоняются по-новому.

И следующее видео из темы электротранспорт я могу сделать углублено уже в развитие контактной сети, либо, например, городского транспорта. Напишите в комментариях, какое следующее направление вам будет более интересно. А я объединю потом все видео про электротранспорт в отдельный плейлист, чтобы удобно было смотреть не только студентам транспортных вузов, но и всем остальным.

А чтобы вам было интересно смотреть следующие серии, дам небольшую затравочку. Посмотрите на этот трамвай. Этот трамвай идет по двум рельсам, а третий рельс у него снизу.

Где-то мы такое уже видели. Да, Сименс, конец 19 века использовали третий рельс. И не только они.

В США тоже система третьего рельса между двумя основными использовалась в конце 19 века. И вот наступают 2025 годы, и мы снова видим третий рельс. Срочно меняют контактную сеть на третий рельс.

Это система АПС компании Альстон. Очень хитрая. Контактный рельс разделен на 11-метровые участки.

Они между собой изолированы. И очень хитрым способом происходит коммутация. Только когда трамвай находится над этим рельсом, на нем появляется напряжение, и он осуществляет такосъем.

Система является безопасной. Пока трамваев нет, на третьем рельсе нет никакого напряжения. Ходи, собачки, котики, птички, кто угодно.

Ходите, ставьте две ноги на все рельсы, хоть три ноги ставьте. Ничего не произойдет. Вот такие современные технологии появляются сейчас в городском электротранспорте.

Я уверен, вам видео понравилось. Лучшей благодарностью для меня, как для автора, будет репост этого видео в ваши любимые соцсети. Огромный комментарий с вашими замечаниями, выводами, предложениями, ну а также лайк по желанию.

Кто бы не пропустить следующие выпуски Энерголюбез, обязательно подпишитесь на канал. А с вами был Мальков Александр, Энерголюбез, увидимся!

[СЦБот]

Эта тема была перенесена из раздела Комната совещаний.

Перенес: Admin. Держитесь и всего вам доброго.