Metadyna
Metadyna to maszyna elektryczna prądu stałego z dwiema parami szczotek . Może być używany jako wzmacniacz lub transformator obrotowy . Jest podobny do trzeciego dynama szczotkowego , ale ma dodatkowe uzwojenia regulatora lub „wariatora”. Jest również podobny do amplidyny , z tą różnicą, że ta ostatnia ma uzwojenie kompensacyjne, które całkowicie przeciwdziała wpływowi strumienia wytwarzanego przez prąd obciążenia . Opis techniczny to „maszyna prądu stałego o różnych polach przeznaczona do wykorzystania twornika ”. Metadyna może przekształcić wejście o stałym napięciu w wyjście o stałym natężeniu i zmiennym napięciu.
Historia
Słowo metadyne pochodzi od greckich słów oznaczających nawrócenie władzy. Chociaż uważa się, że nazwa została ukuta przez Josepha Maximusa Pestariniego ( włoski Giuseppe Massimo Pestarini) w artykule, który przedłożył na Międzynarodowy Konkurs Montefiore w Liège w Belgii w 1928 r., typ maszyny, który opisał, był znany od czasów 1880 Pierwszy znany brytyjski patent dla generatora prądu stałego z polem krzyżowym uzyskał AI Gravier z Paryża w 1882 r., a dwa kolejne patenty uzyskał E. Rosenberg w 1904 i 1907 r. Rosenberg został później głównym inżynierem elektrykiem w Metropolitan- Vickers , a jego maszyna wytwarzała pole poprzeczne, zwierając dodatkowy zestaw szczotek. M. Osnos przyjrzał się praktycznym rozwiązaniom kilku takich maszyn w 1907 r. Iw tym samym roku Felton i Guilleaume uzyskali brytyjski patent numer 26 607, w którym opisano uzwojenia pomocnicze, uzwojenia twornika i wiele komutatorów, chociaż wszystko w dość ogólnych warunkach. Wskazał również, że można je wykorzystać do przekształcenia stałego napięcia w stały prąd. Inne patenty uzyskali przed 1910 rokiem Mather & Platt , Brown Boverei i Bruce Peebles .
Pestarini pracował nad rozwojem teorii takich maszyn w latach 1922-1930, chociaż koncentrował się raczej na ich charakterystyce statycznej niż dynamicznej. W 1930 r. Wniósł trzy artykuły na ten temat do Revue Générale de l'Electricité , które zawierały kilka praktycznych zastosowań. Głównym z nich było wykorzystanie wyjścia stałoprądowego do sterowania silnikami trakcyjnymi w pojazdach elektrycznych i obsługi dźwigów, w obszarach, w których miał pewne praktyczne doświadczenie, po próbach we współpracy z Alsthom Firma we Francji. W 1930 roku odbył podróż do Wielkiej Brytanii, a firma Metropolitan-Vickers przyjęła jego pomysły i opracowała działający system. W przeciwieństwie do rozwiązania Rosenberga, Pestarini, który później został profesorem w Institute Electrotechnico Nazionale Galileo Ferraris w Turynie , podłączył dodatkowe szczotki do zewnętrznego zasilania w celu wytworzenia metadyny transformatora. Maszyna pracowała jako wzmacniacz napięcia do prądu, ponieważ strumień generowany przez prąd do obciążenia przeciwstawiał się strumieniowi w obwodzie sterującym. Prace rozwojowe w Metropolitan-Vickers w latach trzydziestych XX wieku prowadził Arnold Tustin , a firma posiadała brytyjskie patenty na Metadyne.
Pestarini odwiedził również Stany Zjednoczone w 1930 r., Chociaż nie ma wzmianki o używanym tam systemie. Inżynierowie General Electric , kierowani przez Ernsta Alexandersona , byli zainteresowani, ale zmodyfikowali projekt, dodając uzwojenie kompensacyjne, które przeciwdziałało efektowi strumienia wytwarzanego przez prąd obciążenia. To zmieniło maszynę ze wzmacniacza napięcia na prąd we wzmacniacz napięcia na napięcie, a nowy wariant nazwali Amplidyne . Koszty rozwoju zostały w dużej mierze sfinansowane z kontraktów marynarki wojennej Stanów Zjednoczonych na opracowanie stabilizatorów pionowych, które zostały wykorzystane do poprawy celowania i strzelania z dział na statkach. W tym samym okresie firma Macfarlane Engineering Company z siedzibą w Glasgow opracowała niezależnie wariant maszyny do pola krzyżowego, którą nazwali Magnicon .
Pestarini złożył patent na maszynę metadynową we Francji 14 stycznia 1932 r., A pod koniec roku, 23 grudnia, złożył go w Urzędzie Patentowym Stanów Zjednoczonych. Patent amerykański został przyznany 30 stycznia 1934 r. Drugi patent amerykański na ulepszoną maszynę złożył w listopadzie 1946 r., Który został przyznany 10 czerwca 1952 r.
Operacja
Diagram przedstawia trzy układy maszyny metadynowej. We wszystkich przypadkach dla przejrzystości pominięto uzwojenia kompensacyjne. Pierwszy układ przedstawia jednocyklową maszynę do pola krzyżowego. W normalnej maszynie prądu stałego efekt prądu wzbudzenia generuje strumień (A1), który z kolei generuje strumień kwadraturowy, który jest prostopadły do strumienia wzbudzającego. Poprzez połączenie szczotek kwadraturowych razem, w tworniku wytwarzany jest prąd, a wytwarzany przez niego strumień (A2) jest ponownie prostopadły do osi kwadratury, co powoduje reakcję twornika, która jest bezpośrednio przeciwna do pierwotnego wzbudzenia. Ta cecha jest fundamentalna dla maszyny i nie zależy od jej kierunku obrotów. Gdy reakcja twornika jest częściowo kompensowana przez uzwojenie kompensacyjne, nieskompensowana część reakcji twornika działa w ten sposób. Wraz ze wzrostem prądu wyjściowego tłumi efekt wzbudzenia, aż do osiągnięcia stanu, w którym wzbudzenie jest wystarczające do utrzymania prądu. Jakikolwiek dalszy wzrost wyeliminowałby strumień, który podtrzymuje jego działanie, a prąd jest utrzymywany niezależnie od rezystancji obciążenia lub wytworzonej przez nie wstecznej siły elektromotorycznej. Maszyna działa zatem jako generator prądu stałego, w którym prąd jest proporcjonalny do wzbudzenia.
Drugi schemat pokazuje maszynę bez uzwojenia wzbudzenia, ale zamiast tego do szczotek kwadraturowych podłączone jest stałe napięcie. Daje to strumień podobny do strumienia wytwarzanego przez obrót twornika w strumieniu wzbudzenia w pierwszym przykładzie. Działanie maszyny jest zatem bardzo podobne, z prądem wyjściowym rosnącym do momentu, gdy wytwarzany przez nią strumień prawie przeciwdziała strumieniowi generowanemu przez przyłożone napięcie. Tustin wykazał, że moc wejściowa i wyjściowa są takie same, więc maszyna przekształca wejście o stałym napięciu w wyjście o stałym natężeniu. Podobnie jak w przypadku generatora metadyny, transformator Metadyne może być częściowo skompensowany i będzie nadal działał jako urządzenie stałoprądowe, dopóki kompensacja nie przekroczy 97 procent.
Trzeci schemat przedstawia metadynę podłączoną do dwóch oddzielnych silników, a ten układ był często używany do sterowania silnikami trakcyjnymi w pociągach elektrycznych. Łączenie ich w ten sposób zmniejsza efektywne obciążenie Metadyne i umożliwia zainstalowanie mniejszej maszyny. Metadyne działa jako „wzmacniacz pozytywny lub negatywny”. Jeśli Vcc jest napięciem zasilania, a V2 jest napięciem wyjściowym Metadyne, to całkowite napięcie na obciążeniu może wahać się od 0 do 2·Vcc, ponieważ V2 waha się między −Vcc a +Vcc. Chociaż system jest podatny na niezrównoważenie prądów w dwóch połówkach obciążenia, można to skorygować poprzez zastosowanie dodatkowych uzwojeń szeregowych, które działają jak dodatkowa rezystancja obwodu.
Generator Rosenberga
Generator Rosenberga jest bardzo podobny do generatora Metadyne, zarówno pod względem budowy, jak i podłączenia elektrycznego. Na ogół nie ma uzwojenia kompensacyjnego, więc cała reakcja twornika przeciwstawia się początkowemu wzbudzeniu. Części obwodu magnetycznego zwykle nie są laminowane, co powoduje opóźnienia między wzbudzeniami i strumieniami, ale maszyny są używane w zastosowaniach, w których szybka reakcja nie jest niezbędna. Ich głównym zastosowaniem były pociągi, gdzie są napędzane osiami i używane do zapewniania oświetlenia i ładowania akumulatorów. Generator napędzany osią podlega zmiennym prędkościom i zmianom kierunku obrotów, ale charakterystyka maszyny pozwala na wytwarzanie użytecznej energii nawet przy bardzo niskich prędkościach. Przy niskich prędkościach napięcie wyjściowe rośnie proporcjonalnie do kwadratu prędkości, ale obwód magnetyczny szybko się nasyca, co powoduje znacznie mniejsze wzrosty wraz ze wzrostem prędkości. W przypadku stosowania w obwodach, które obejmują akumulatory ładowane z wyjścia, zwykle wymagany jest prostownik lub wyłącznik prądu wstecznego, aby zapobiec rozładowaniu akumulatorów przez generator przy bardzo niskich prędkościach lub podczas zatrzymywania się pociągu.
Magnicon
Magnicon, opracowany przez Macfarlane's w Szkocji, jest podobny do Metadyne, ale podczas gdy ten ostatni ma dwubiegunowe uzwojenie twornika, Magnicon ma czterobiegunowe uzwojenie okrążeniowe i jest czasami określany jako Metadyne z krótkim tonem uzwojenie twornika. Zostały one dostarczone do obsługi wciągników i wciągarek na statkach. Stojan Magnicona ma cztery występy biegunowe, rozmieszczone co 90 stopni, a jedna para z nich jest wzbudzona. Para szczotek, które znajdują się na tej samej osi co wzbudzone bieguny, ulega zwarciu, co powoduje duży prąd. Siła magnetomotoryczna (MMF) tego prądu oddziałuje na niewzbudzone bieguny, tworząc strumień roboczy (Φ) i napięcie wyjściowe. Podobnie jak w przypadku Metadyne o pełnym tonie, reakcja twornika prądu wyjściowego jest przesunięta w fazie o 90 stopni, a zatem przeciwstawia się pierwotnemu wzbudzeniu. Zaletą w stosunku do normalnej Metadyne jest to, że liczba cewek wzbudzających i kompensujących jest zmniejszona o połowę do dwóch na cykl, a krótszy skok cewek skutkuje mniejszym zwisem na końcach uzwojeń. Jednak konstrukcja tworzy prądy jałowe w tworniku, które powodują straty, aw większych maszynach, w których wymagane są interpole, każdy interpol musi być wyposażony w dwie cewki, po jednej dla każdego z obwodów szczotkowych. Tustin argumentował, że w przypadku mniejszych maszyn przewaga Magniconu nad Metadyne jest niewielka, aw przypadku większych maszyn, które wymagają zamontowania interpolów, przeprowadzono niewystarczającą analizę, aby dokonać oceny.
Używa
Metadyny były używane do kontrolowania celowania dużych dział i do kontroli prędkości w pociągach elektrycznych , w szczególności w londyńskim metrze O i P Stock . Zostały one wyparte przez półprzewodnikowe .
Kontrola trakcji
We wczesnych latach trzydziestych londyńskie metro było świadome rozwoju sprzętu metadyne, który miał miejsce w Metropolitan-Vickers, oraz potencjału hamowania regeneracyjnego , jaki zapewniał. Dlatego zanim zdecydowali się na niewypróbowany system, zbudowali pociąg testowy, przekształcając sześć wagonów pierwotnie zbudowanych w latach 1904-1907 dla Kolei Metropolitalnej . Prace wykonano w Acton Works w 1934 r. Ponieważ pojedyncza jednostka metadynowa mogła służyć do sterowania czterema silnikami, a każdy samochód miał dwa silniki, uformowano je w jednostki dwuczłonowe z kabiną kierowcy na zewnętrznych końcach. Łącząc ze sobą jednostki, można było przeprowadzić próby pociągu dwuczłonowego, czteroczłonowego i sześcioczłonowego. Jednostka metadyny ważyła około 3 ton i składała się z trzech maszyn wirujących, wzbudnicy, regulatora i właściwej maszyny metadyny, które były ze sobą połączone mechanicznie. Elektrycznie zasilanie trakcyjne było doprowadzane do maszyny, a moc wyjściowa zasilała silniki, bez konieczności stosowania oporów rozruchowych.
Pociąg testowy kursował przez większą część 1935 i 1936 roku i był wypróbowywany na prawie wszystkich zelektryfikowanych torach linii Metropolitan i District . Gdy koncepcja okazała się niezawodna, pociąg był również używany w obsłudze pasażerów. Oprócz hamowania rekuperacyjnego przyspieszenie okazało się szczególnie płynne. Kiedy podjęto decyzję o przystąpieniu do nowego systemu na taborze O i P, pociąg testowy został zdemontowany, a wyposażenie zostało zamontowane w trzech lokomotywach akumulatorowych zbudowanych przez Gloucester Railway Carriage and Wagon Company , które były częścią partii dziewięciu pojazdów dostarczonych w latach 1936-1938. Sprzęt był szczególnie odpowiedni do lokomotyw akumulatorowych, ponieważ brak oporów rozruchowych zmniejszał ilość energii traconej podczas częstego ruszania i zatrzymywania. Przy niskich prędkościach konwencjonalne systemy sterowania często się przegrzewały, ale lokomotywy wyposażone w metadynę mogły bez problemu ciągnąć pociągi o wadze 100 ton na duże odległości z prędkością zaledwie 3 mil na godzinę (4,8 km / h). Jednak złożoność wyposażenia i trudność w utrzymaniu maszyny metadynowej spowodowały, że lokomotywy nie były wystarczająco wykorzystywane i zostały wycofane na złom w 1977 roku.
Główna seria produkcyjna O Stock składała się z 116 samochodów, które zostały uformowane w 58 jednostek dwuczłonowych. Próby rozpoczęły się od formacji czterech samochodów na linii District między High Street Kensington i Putney Bridge we wrześniu 1937 r., A formacja sześciu samochodów rozpoczęła pracę na linii Hammersmith w styczniu 1938 r. Wystąpiły pewne problemy techniczne, spowodowane wymaganiami stawianymi układowi zasilania, gdy ruszał pociąg złożony z sześciu wagonów, oraz ilością mocy, jaką taki pociąg próbował zwrócić do systemu, gdy zastosowano hamulce regeneracyjne . Zostało to częściowo złagodzone poprzez zamówienie kolejnych 58 przyczep i przekształcenie każdej jednostki dwuczłonowej w jednostkę trzysamochodową poprzez wstawienie przyczepy do formacji. Następnie zamówiono partię P Stock, aby zastąpić pociągi na linii Metropolitan. Chociaż jednostki O i P Stock można było łączyć ze sobą, w szczególności jednostki metadynowe nie były takie same i nie można ich było wymieniać między wersjami. Na początku lat pięćdziesiątych XX wieku było to poważną wadą, kiedy nastąpiła seria awarii, które wymagały gruntownych napraw. Podjęto decyzję o usunięciu sprzętu i zastąpieniu go systemem Pneumatic Cam Motor (PCM), wykorzystującym zapasowe kontrolery z kolby lamp z 1938 roku. Pierwszy przerobiony pociąg wszedł do służby 31 marca 1955 r., A tabor został przemianowany na CO / CP Stock, ponieważ zawierał samochody z obu partii. Cały sprzęt metadyne został następnie wymieniony.
Pomimo niedociągnięć, które doprowadziły do jego upadku, system metadyny wprowadzony w 1936 roku w pociągach O Stock był pierwszym na świecie, który zapewnił hamowanie regeneracyjne w elektrycznym zespole trakcyjnym. Przyspieszenie było płynniejsze niż w pociągu, który przełączał opory rozruchu, a podczas hamowania zespół metadyny zwracał moc na tory, z której w razie potrzeby mogły korzystać inne pociągi. Jednak warunki nie zawsze były idealne, a podstacje nie były tak naprawdę zaprojektowane do radzenia sobie z regeneracją, co oznaczało, że pociąg często przełączał się na hamowanie reostatyczne , gdzie moc została rozproszona w banku oporu. Poważnym mankamentem była też waga sprzętu.
Kontrola broni
W okresie bezpośrednio przed II wojną światową wzrosło zainteresowanie kontrolą broni mechanicznej, chociaż władze wojskowe obawiały się wprowadzenia złożonego systemu, który musiałby być utrzymywany w terenie. Jednak wraz ze wzrostem prędkości samolotów potrzeba umożliwienia reflektorom, działom przeciwlotniczym i podwójnym przeznaczeniu poruszania się coraz szybciej w celu śledzenia ich ruchu oznaczała, że niezbędna była jakaś forma wspomaganego sterowania. Inżynierowie stanęli przed problemem wykonania ciężkiego sprzętu, takiego jak działo na wózku montażowym, śledzenia sygnału wejściowego w płynny i dokładny sposób, z bardzo małym opóźnieniem między zmianami sygnału wejściowego a rzeczywistą pozycją działa uchwyt. Pistolet musiał być cały czas wycelowany w cel i poruszać się z odpowiednią prędkością, aby tak pozostało.
Operator-człowiek przewiduje błędy, a także może kompensować znane opóźnienia w działaniu systemu. Naśladowanie tego zachowania osiągnięto w przypadku sygnałów elektronicznych i układów elektromechanicznych małej mocy, ale sterowanie bronią odbywało się na zupełnie innej skali, z maszynami ważącymi tony i posiadającymi znaczną bezwładność, które musiały poruszać się z prędkością do 30 stopni na sekundę i przyspieszeniami 10 stopni na sekundę 2 . W 1937 roku Admiralicja złożyła zamówienie u Metropolitan Vickers na system sterowania ośmiolufowym działem Pom-Pom . Pestarini opracował podobny system dla włoskiej marynarki wojennej. Pierwotny projekt wykorzystywał pojedynczą Metadyne do dostarczania stałego prądu do tworników silników zamontowanych na kilku działach. Każdy z nich był następnie kontrolowany przez ręczną regulację prądu pola. Tustin, który wykonał większość prac projektowych, stwierdził, że system ma dużą stałą czasową ze względu na indukcyjność uzwojeń wzbudzenia. Aby poprawić jego reakcję, zasilał uzwojenia pola stałym prądem i używał częściowo skompensowanej Metadyny do sterowania prądem twornika każdego silnika. Tustin porównał kontrolę Warda Leonarda systemy, Metadynes i Amplidynes, i akceptował, że każdy ma swoje zalety, ale faworyzował Metadyne, z którymi miał kilkuletnie doświadczenie w stosowaniu ich w kontroli trakcji.
Zobacz też
Notatki
Bibliografia
- Bennett, Stuart (1993). Historia inżynierii sterowania 1930-1955 (seria 47 inżynierii sterowania IEE) . Piotra Pergrinusa. ISBN 978-0-85329-012-4 .
- Bruce, J Graeme (1970). Para do srebra . Zarząd Transportu w Londynie. ISBN 978-0-85329-012-4 .
- Bruce, J Graeme (1987). Konie robocze londyńskiego metra . Transport kapitałowy. ISBN 978-0-904711-87-5 .
- Duffy, MC (2000–2001). „Metadyna w trakcji kolejowej”. Transakcje Newcomen Society . 72 (2): 235–264. doi : 10.1080/03720187.2000.12023614 . S2CID 114688257 .
- Dummelowa, John (1949). Metropolitan-Vickers Electrical Co. Ltd. 1899 - 1949 . Metropolitan-Vickers. Zarchiwizowane od oryginału w dniu 4 marca 2016 r.
- Tustin, A. (1952). Maszyny prądu stałego do systemów sterowania . E. & FN Spon.
