Открыть список
Как стать автором
Обновить

Комментарии 62

Сезон дипломов на хабре открыт.
Это лучше чем 100500 пост о новых иконках в айфонах, тем более работа проделана большая, такую установку собрать — не в носу колупаться.
Да это не дипломная — это просто было интересно, как с точки зрения механики, а потом задался вопрос может в этом будет толк? До диплома в Политехе мне, дай бог, еще 2 года.
До диплома в Политехе мне, дай бог, еще 2 года.

в Политехе мне, дай бог
в Политехе, дай бог.
Политехе бог

Очень странно смотрятся эти два слова в одном предложении
НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
Камон, а слова такие как «спасибо» = спаси бог — не смущают? Говоря «дай бог» или там «слава богу» никто не имеет в виду бога и вообще не думает о нем, это просто фигура речи, слово-паразит, если угодно.
Я правильно понимаю, что энергия рекуперируется в механическое вращение статора, а не в электрический ток?

Если это так, то в стальной статор (вы ведь из магнитомягкой стали статор делаете, правильно) много энергии не запасешь, слишком у стали мала удельная прочность.
Это скорее технический вопрос, технология есть, применение найдётся, да и с материалами чего только не делают.
Да нет вроде, вон на графике же в вольтах.
За счет того что в статоре были постоянные магниты рекуперировалась электрическая энергия.
Хоспаде, чего только не придумают, чтобы делом не заниматься.

Давайте закон сохранения энергии вспомним, и еще заодно классную детскую книжку Н. В. Гулиа «В поисках «энергетической капсулы».

Так вот, суть вашего изобретения состоит в том, чтобы энергию вращающегося маховика рекуперировать во вращение массивного статора, по сути же — еще одного маховика и постепенно разрядить его на резистор нагрузки. То, что на нем магниты там, или обмотка, дела не меняет — это всего лишь трансмиссия, не добавляющая в энергоемкостные характеристики ровно ничего.

Энергоемкость маховичного накопителя зависит от его геометрии, массы (точнее — момента инерции, это аналог массы для вращающегося тела) и, самое главное, от предела прочности материала, из которого он изготовлен (при некоторой угловой скорости его, понятное дело, разорвет нахрен центробежной силой).

Так вот, парадоксальным образом, при идеальной геометрии такого маховика (его еще называют равнопрочным диском), удельная энергоемкость такой штуки зависит от одного параметра: удельной прочности материала. И электротехническая сталь (а ведь из нее сделан статор с целью замыкания магнитного потока) в этом смысле — не самый лучше вариант. Березовое полено и то большей удельной прочностью обладает.

И так, для справки, чтобы представлять порядок величин, посчитайте характеристики маховика, который должен своим вращением вмещать 600 КДж (это примерно столько надо в маховик вкачать энергии, чтобы авто массой 1.5 т снизило скорость с 110 до 30 км/ч).
Я читал, что механическое торможение в электродвигателях, там где используют рекуперацию, происходит уже при низких оборотах двигателя, а при высоких происходит как правило известное, рекуперативное.
Можно повысить момент трения для вращения статора, чтобы частота его вращение не превышала, какого-то определенного порога. Момент трения можно повысить не только сугубо механическим способом, но опять же электромагнитым, т.е. чтобы статор вращал вал генератора.
+к предыдущему моему комменту, еще не стоит забывать про момент инерции статора, большой момент инерции не даст большую частоту его вращения, маленький наоборот.
Если я правильно понимаю предложенный механизм, тут, скорее, более важен момент запасённый статором, а следовательно имеет значение, в первую очередь, его масса и геометрия.

Могу и ошибаться, в вопросах рекуперации не до конца пока разобрался.
Да, Вы правильно поняли. Масса и геометрия статора — это его момент инерции, если, к примеру, момент инерции статора будет слишком большим, то статор не сможет вращаться. Но еще важен, момент трения, который позволяет вращаться статору, то есть трение в подшипниках, трение о воздух и т.д… А какая частота вращения статора зависит еще от того, какова была частота вращения ротора и его момент инерции вместе с валом была до торможения, чем эти параметры больше тем больше будет частота вращения статора, т.е. и следственно энергии.
А какую нагрузку вы подключаете к двигателю в генераторном режиме? Резистор?
Да, на один канал осциллографа подсоединялись резисторы, это для расчета тока, а на другой резисторы не подсоединялись, там измерялось напряжение.
А какой характер имела нагрузка, в которую отдавалась рекуперированная мощность? Ведь вход осциллографа имеет высокое сопротивление, он практически не потребляет мощности. Токоизмерительный резистор тоже рассеивает очень мало. Куда уходила у вас основная энергия?
Токоизмерительные резисторы имели мощность в сумме около 440 вт.
«Имели мощность» — это в смысле на них рассеивалась такая мощность?

Тогда у вас получаются не токоизмерительные резисторы, а нагрузка в виде резисторов.

А вы не пробовали подключать к генератору другую нагрузку, не резистивную? Например, конденсатор, аккумулятор? Ведь потребителем мощности при рекуперации обычно является не резистор. А от характера нагрузки существенно зависит мощность, отдаваемая генератором.
Нет не пробовал, мне интересно сколько электроэнергии получалось, я думаю, что раз электроэнергия идет, то уже дело электроники это во вторую очередь. Но есть что сделать в электронике.

image

Это график энергии рекуперации при механическом торможениях, там где 2.5 больше получается, график напряжения меняет полярность, и чтобы использовать там где в минусовую зону уходит, думаю нужно брать переключатель полярности, если нам нужен постоянный ток. А также, думаю, можно электроникой для дальнейших испытаний подыскивать оптимальное время вращения статора перед механическим торможением.
У вас есть детали, которые тормозятся механическим (фрикционным) тормозом? Но ведь это перевод энергии в тепло. Этот момент принципиально ограничивает кпд вашей схемы, а также приводит к необходимости как-то избавляться от тепла.

Ну и резистивная нагрузка — это все-таки нереалистично. Энергия от рекуперации обычно отдается нагрузкам, имеющим емкостной характер (батареи конденсаторов), источникам напряжения или тока (аккумуляторы, электрическая сеть).
Фрикционное здесь есть, но перед этим энергия, которая могла бы использоваться, запасается во вращение статора, т.е. статор выступает здесь как такой маховик с постоянными магнитами или обмоткой.

Про второе, тут считали сколько электроэнергии получается, электроэнергия идет, ее можно куда-нибудь запитывать. Да, надо дальше продолжать, и приближать к реалиям. Статья написана, чтобы может дать энергию проекту, если он действительно интересен. Возможностей у меня нет, чтобы делать опытный образец для реального устройства, может у кого-то они есть.
Я считаю, что вам следовало бы четко отделить нагрузку от измерительных схем. Не исключено, что ваши расчеты и оптимизация окажутся далекими от оптимума в случае подключения реалистичной (т.е. нерезистивной) нагрузки.

В случае же подключения в качестве нагрузки специальной электрической схемы («активной нагрузки»), возможно, отпала бы и необходимость в механических усложнениях. Например: если подать на двигатель постоянного тока напряжение противоположной полярности — то он начнет не ускорять, а тормозить ротор. При этом источник напряжения будет совершать отрицательную работу, т.е. забирать энергию вращения. При правильно спроектированном источнике эту энергию можно почти полностью извлечь в полезном виде.
Эта проблема решается уже давно — есть такой класс устройств как корректоры коэффициента мощности, они позволяют конденсаторам и прочей электронике максимально прикидываться резистором для генератора. Заодно они позволяют расширить диапазон входных напряжений и вытягивать с генератора по максимуму.
Тут дело в другом. Резистивная нагрузка, скорее всего, неоптимальна для рекуперации. Если же сделать конвертор, оптимальный для рекуперации — то возможно, отпадет и нужда в таких механических сложностях, как вращающийся статор.
Так этим корректор и занимается. Представляет себя эквивалентным резистивным элементом чтобы отобрать мощности с источника ровно столько сколько потребует нагрузка на его выходе. Изменяется нагрузка или входное напряжение — изменяется и эквивалентное сопротивление.
Вопрос: зачем? Зачем притворяться резистором, если другой характер нагрузки позволит снять больше мощности с генератора?

Кстати, если эквивалентное сопротивление меняется при изменении напряжения на входе — то это уже не резистивный характер нагрузки получается, а более сложный, нелинейный. У резистора ток пропорционален напряжению, и никак иначе.
Он пропорционален. Такой регулятор подстраивает своё эквивалентное сопротивление чтобы обеспечить требуемую мощность. А иначе как? меньше сопротивление — перебор по мощности, куда лишнюю девать? больше сопротивление — недобор по мощности.

С обычным резистором плохо — на больших оборотах слишком много сжигает лишнего электричества, а на малых — не добирает. Специальная схема же подстраивает своё сопротивление таким образом чтобы всегда с источника брать ровно столько МОЩНОСТИ сколько требует нагрузка. При всем при этом характер нагрузки на источник мощности всегда остается резистивным линейным т.е. всегда(за вычетом крайних случаев когда физически сложно обеспечить соотношение — например при U=1В и потребляемой мощности в 1кВт) соблюдается соотношение R=U/I.
Если с обычным резистором плохо, как вы правильно пояснили — то повторяю, зачем нагрузка должна имитировать резистор? Это же нелогично и нерационально.

Нагрузка должна быть такой, чтобы обеспечить максимальный (в заданных пределах) отбор мощности от генератора. Это единственное требование. Пропорциональность тока напряжению не нужна. Поэтому зачем усложнять схему, пытаясь обеспечить такую пропорциональность?

Такой регулятор подстраивает своё эквивалентное сопротивление

Если «эквивалентное сопротивление подстраивается регулятором» — то такая нагрузка, строго говоря, не является резистивной, потому что не соответствует определению резистивной нагрузки. У резистивной нагрузки ток зависит от напряжения по закону I=k*U, где k — постоянная, равная эквивалентному сопротивлению R. Если k подвержено изменениям (при работе регулятора) — то о каком сопротивлении может идти речь? Построив экспериментально зависимость U=f(I), вы не сможете подобрать параметры такой прямой, которая была бы удовлетворительно близка к экспериментальным точкам.

Кроме резистивных, емкостных, индуктивных нагрузок бывают еще нагрузки вида «CP» — постоянная мощность; «CI» — источник тока (ток нагрузки не зависит от напряжения), CV — источник напряжения (напряжение на нагрузке не зависит от тока) и более сложные, с нелинейной зависимостью тока от напряжения. Всего лишь нужно подобрать оптимум для конкретного применения. Скорее всего это будет «CP» для постоянства отбираемой мощности, или «CV» — для постоянства тормозящей силы; могут быть какие-то комбинированные варианты. Так как ток переменный — то придется еще заботиться о фазовых сдвигах; о соотношении среднего уровня напряжения и тока к пиковым уровням и т.д. Непаханое поле для оптимизации. Но стремиться обеспечить линейную зависимость U=k*I здесь совершенно не нужно.
Так или иначе, эта схема должна прикидываться именно резистивной нагрузкой т.к. емкостной и индуктивный характер тут не прокатят.
Применяют вообще такие корректоры мощности для увеличения так называемого коэффициента мощности, который впрочем имеет смысл с пульсирующим током. И вот побочный эффект корректора мощности — выравнивание нагрузки на источник тока — подстраивает он своё эквивалентное сопротивление достаточно плавно чтобы нельзя было говорить о его нелинейности.

Спасибо, кэп. Разве не ясно вам было из моих сообщений, что мне известно о существовании корректоров мощности и о задачах, которые они решают? Уводите только обсуждение в оффтопик.

Да, вы правы в том, что у схемы рекуперации могут быть общие идеи с конструкцией корректора мощности. Но не более того. Слишком разные ставятся задачи.

достаточно плавно чтобы нельзя было говорить о его нелинейности

Только на коротких масштабах времени (порядка одного-нескольких периодов входного переменного напряжения). На больших масштабах времени, как правило, такой корректор представляет из себя нагрузку типа «CP» (постоянная мощность). При падении входного напряжения растет амплитуда входного тока так, чтобы сохранилась средняя мощность, потребляемая от сети. Нагзука типа «CP» и резистивная — это совершенно разные вещи.

А у автора статьи — чисто резистивная нагрузка, без всякой коммутации и регуляции. В этом я вижу недостаток его системы.
Такой электрической схемы, для сравнения, где больше, где меньше энергии получается исходя из какой конструкции двигателя я думаю достаточно, в этом и была цель работы — сравнить. Если использовать такую энергию, которая получается, то конечно, нужно дорабатывать электронику.
Нет, не достаточно. Дело в том, что количество энергии, которое вы отбираете от генератора, существенно зависит от характера подключенной нагрузки. И резистивная нагрузка, как было указано выше не только мной, далеко не оптимальный вариант.

Конечным потребителем энергии может быть и резистор, если речь идет об испытаниях. Но перед этим резистором должна быть электронная схема, преобразователь напряжения, которая будет обеспечивать оптимальный отбор энергии от генератора.
Условия для измерений, что для статичного статора что для вращающегося были одинаковы, то есть если мы изменяем характер нагрузки, следственно, изменяется соотношение кол-ва получаемой энергии. Там где меньше энергии (по вращению проводника в магнитном поле) откуда взяться больше?
Вся энергия исходно содержится во вращении ротора. Исходное количество энергии в обоих случаях одинаковое. Если у вас получилась разная энергия рекуперации в обоих случаях — значит ее часть была где-то потеряна. Например, в обмотках перешла в тепло. Вы выясняли точно, где выделяется в виде тепла недостающая энергия?

Ведь электрическая машина даже с неподвижным статором принципиально обратима на 100%. Теоретически возможно извлечь всю энергию вращения. У вас же получилось так, что во-первых извлекается не вся энергия, а во-вторых, больше энергии извлекается при добавлении в систему трущихся деталей (фрикционного тормоза)
В статичном статоре, потерянная энергия уходит в нагрев тормозов, а во вращающемся, переходит на вращение статора. По осциллограммам видно, что электроэнергии в режиме механического тормоза больше получается, можно посмотреть по клеткам, то что заштриховано — это режим механического торможения. До проведения измерений было понятно и видно, с вращающимся статором, что при механическом торможении ротора статор будет продолжать вращение, вокруг ротора, следственно вырабатывая электроэнергию, в статичном такого не получается, ротор, тормозится статор стоит.

Это осциллограмма энергии с вращающемся статором:
image
Это со статичным:
image

[То что заштриховано — это режим механического торможения]
В статичном статоре, потерянная энергия уходит в нагрев тормозов

Вопрос: зачем применять фрикционный тормоз вообще, нельзя ли полностью затормозить ротор электрическим способом, по крайней мере, до таких скоростей, после которых оставшаяся кинетическая энергия не окажется несущественной?
В книжках и нескольких статьях встречал подробное объяснение почему все-таки применяют механическое торможение, помню то что для полной и надежной остановки его включают в электромобилях, поездах, центрифугах. От себя добавлю, еще устройства и режимы бывают разные и механическое торможения может более требуемое там из-за своей быстроты срабатывания.
Тут такая штука, с неподвижным статором когда тормозим фрикционным тормозом то вся энергия уходит именно в него, а вот когда статор вращается — тормоз фактически останавливает только вал с колесом, а остальная энергия торможения уходит во вращение статора…
Так вот, а объяснение этому вы нашли? Почему удается извлечь больше энергии при намеренном внесении в систему необратимого элемента — тормоза? Куда девается энергия при отсутствии тормоза?
Не знаю, внимательно ли увидели коммент, который я с осцилограммами прикрепил. Там вначале я объяснение такое дал, тут повторю: в режиме со статичном статором, потерянная энергия уходит в нагрев тормозов, а во вращающемся, переходит на вращение статора. Чтобы у нас была электроэнергия нужно чтобы проводник вращался в магнитном поле. В случае с вращающимся статором, получается больше времени проводник вращается в магнитном поле.

Если убрать механическое торможение, энергии в режиме с вращающимся статором будет меньше, чем со статичным, поэтому время перед механическим торможением, должно быть оптимально малым. Уменьшение кол-ва энергии, здесь я думаю возникает из-за того, что проводник и линии магнитного поля будут стараться синхронизироваться.
Вы приводили осциллограммы в статье и потом дважды в комментах крупными картинками. Трудно было не заметить.

В общем, мне не совсем понятен смысл применения механического (фрикционного) торможения в вашей системе вообще, и почему нельзя было до конца тормозить электрически. Да, известно, что электрическое торможение не всегда применимо (например, на малых скоростях); также иногда оно не развивает необходимых тормозных усилий, но в статье у вас не указываются причины, по которым применяется механический тормоз, поэтому невозможно и предложить способы решения этих проблем, чтобы отказаться от механического тормоза или максимально уменьшить его работу.

Ну да ладно. Не хочется просто распыляться на обсуждение сразу нескольких вопросов. Давайте все-таки вернемся к нагрузке генератора. Отвечу на ваш предыдущий вопрос: откуда может взяться дополнительная энергия рекуперации при применении оптимальной электрической нагрузки?

Рассмотрим начальное и конечное состояния вашей системы. Вначале вращается роток и маховик, а в конце все покоится. Таким образом, из системы ушла кинетическая энергия вращения ротора. Частично она перешла в тепло на фрикционном тормозе, частично была рекуперирована. Так вот, оптимизация нагрузки позволит изменить это соотношение в пользу рекуперации. Больше энергии будет возвращено, меньше — будет рассеяно на трении.

Электрическая мощность P=U*I. У вас U — неуправляемая величина, но электрическая схема может менять I. Если схема будет поддерживать I на постоянном максимально возможном (с учетом нагрева обмоток и т.д.) уровне — то получите максимальную мощность, отбираемую от генератора. При неизменном прижиме трущихся деталей в тормозе, у вас маховик быстрее остановится. Либо, уменьшив прижим тормоза, вы остановите маховик за то же время, получив из него больше энергии.
Это перпендикулярные вещи. Точно так же можно вставить туда реостат и постоянно его подстраивать. То что он подстраивается так чтобы отнимать определенную мощность не говорит что это НЕ РЕЗИСТОР.
Вообще да, в этом случае было бы замечательно иметь потребитель с сопротивлением близком к сопротивлению источника, чтобы по максимуму отбирать всю мощность с генератора. Сопротивление это будет стремиться к нулю(1 Ом, 0.1 Ом...).
Но реальность несколько иная… и она такова что отнять таким образом мощность с генератора можно только с КПД = 50% не очень обнадеживающе для рекуперации…
Точно так же можно вставить туда реостат и постоянно его подстраивать. То что он подстраивается так чтобы отнимать определенную мощность не говорит что это НЕ РЕЗИСТОР.

Но вольт-амперная характеристика такого подстраиваемого реостата окажется нелинейной, поэтому система «реостат-регулятор» с точки зрения своих характеристик резистором не является. Иначе и о транзисторе можно было бы сказать, что это резистор, сопротивление которого меняется в зависимости от приложенного напряжения.

Возможно, у нас с вами непонимание возникло из-за путаницы в терминах? Я предлагаю различать активную нагрузку (которая потребляет мощность) и резистивную (частный случай активной нагрузки с линейной вольт-амперной характеристикой).

потребитель с сопротивлением близком к сопротивлению источника, чтобы по максимуму отбирать

Вы верно заметили, в этом случае получается кпд 50%. Очевидно, максимум отбираемой мощности лучше ограничить не этим теоретическим пределом, а чем-нибудь пониже, чтобы получить лучше кпд.

Но опять же, не всегда можно ввести осмысленное понятие «сопротивление потребителя», например, в случае, если он является нелинейной системой. Лучше говорить о напряжениях и токах, о связанных с ними кпд; о теоретическом пределе отбираемой мощности, обусловленном сопротивлением обмоток.

Ну а в данной статье, похоже, о высоких кпд говорить вообще не приходится. Здесь применяется необратимый фрикционный тормоз, в котором львиная доля кинетической энергии переходит в тепло. Попытки реализовать в этом режиме какую-либо рекуперацию должны, с моей точки зрения, исходить из требуемых характеристик системы, таких как время торможения до полной остановки, тормозной момент, мощность генератора. Рекуперированная энергия будет тем больше, чем большая часть тормозной силы создается генератором, а не тормозом.
Ну почему же, сопротивление в цепи существует всегда когда имеется ток и напряжение, только в случае реактивных нагрузок оно может быть и отрицательным…

У схемы корректора сопротивление входное тоже вполне линейно, снаружи он выглядит как резистор — если зафиксировать обратную связь(ручку потенциометра) то он будет реагировать на входное напряжение не хуже чем обычный резистор, но благодаря обратной связи он постоянно плавно меняет свой номинал подстраиваясь под потребляемую нагрузкой мощность.
Ну почему же, сопротивление в цепи существует всегда когда имеется ток и напряжение, только в случае реактивных нагрузок оно может быть и отрицательным

Давайте определимся, что такое электрическое сопротивление и какой физический смысл оно имеет для таких объектов, в которых может возникать эдс или присутствуют нелинейные элементы, такие как транзисторы и диоды, или для схем, которые меняют свою структуру и параметры элементов в процессе работы?
Достаточно просто и эффективно. Срочно к применению на всех электромобилях!
Показывал наработки этой статьи одному профессору, с кафедры электрических машин, в Политехе, он тоже пожелал скорейшего внедрения, но конечно надо еще проверять это на реальной технике.
Тяжёлый вращающийся статор даст большие нагрузки на подшипники при одинаковой точности изготовления, чем статичный, как следствие возрастают цены самих деталей и обслуживания, к этому прибавьте разницу в размерах и в массе. Я жду испытаний в реальной технике, а пока… К сведению принято =)
Кстати, если Вы так далеко зашли в экспериментах, не пробовали включить механизм реверса для ротора? Собсна, одна энергия перетечёт в другую точно по таких же законам, но может КПД ещё чуть вырастет.
И ещё вопросик. Всё нагрузка при торможении прикладывается моментом на маховик?
Можно сказать что статор, тут в какой-то мере становится маховиком, только с постоянными магнитами или обмоткой.
Пока энергия со статора не рекуперируется в батареи, к повторному торможению машина не готова, как я понимаю? Сколько это займет?
Пока энергия со статора не рекуперируется, электродвигатель либо работает, в смысле ротор что-то вертит, либо идет обыкновенная рекуперация, с ротора. Здесь пока ясно что при механических торможениях будет больше, то есть раскрутил ротор выключил питание, сделал чтобы вращался статор, затормозил механически ротор, статор вращается. Время вращение статора перед механическим торможением вала, должно быть как можно меньше, но оптимальным чтобы он раскрутился.
Если, гипотетически, рассматривать полученную систему, ограничив ее статором и ротором, то, как я понял, в момент начала торможения происходит реверс относительного вращения статора и ротора с затухающей угловой скоростью. При этом двигатель переводится в режим генератора.
По сути, ваше решение заключается в том, что та энергия, которая в серийных системах уходит в тепло, у вас — возвращается (с некоторыми потерями) в виде электричества. Я правильно понял? Если так, то у меня есть вопросы. Точнее, вы сами для себя должны их поставить, если хотите, чтобы данная идея из разряда «просто интересно» перешла в разряд «ноу-хау».
1. Насколько данная система может изменить динамику торможения? Насколько быстро возможно переключение в режим торможения и обратно. Сравните с циклами «газ-тормоз» в современном транспорте. Возможно, подобный поход не годится для автомобилей, но вполне может быть применим к железнодорожному транспорту.
2. Какой будет экономический эффект? Применение подобной системы приведет к существенному удорожанию производства и эксплуатации. Но, в то же время, снизит затраты на энергоресурсы. Каков будет общий результат?
Я полагаю, что честные ответы на эти два вопроса, в прошлом, похоронили немало интересных идей. А как будет с вашей?
«По сути, ваше решение заключается в том, что та энергия, которая в серийных системах уходит в тепло, у вас — возвращается (с некоторыми потерями) в виде электричества»
Это не их решение, это уже существует десятки лет. На транспорте применяется (пусть и обычно с последующим переводом в тепло на реостатах). И такое решение не работает на низких скоростях. Как я понял, авторы предлагают «быстро» перевести вращение ротора (и соединённой с ним машинки) во вращение статора и уже не спеша переводить в электроэнергию, пока машинка стоит неподвижно на светофоре.
НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
Что Вы имеете ввиду под механизмом реверса для ротора?
Пропорционально раскидать работу силы инерции маховика на вращение и статора, и ротора для противоположно направленного вращения.
Вопрос снят, вкурил.
Японцы для этого обратно вариатор вернули в гибриды и электромобили.
Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.