Инженерные находки - управленцам
Футуристический электромобиль Tesla Cybertruck, о котором впервые было объявлено в 2019 году, появится в широкой продаже в начале 2024-го. Вы думаете, Tesla бросила конкурентам смелый вызов в автомобильном дизайне? Ничего подобного. Настоящий вызов касается организации производства.
Ради экономии
Обычно корпусные элементы традиционных закруглённых форм на автопредприятиях изготавливаются штамповкой деталей из мягкого листового железа, которое необходимо надёжно защищать от коррозии. Мало того, что покраска в несколько слоёв и сушка занимают значительное время, это ещё технологически сложные и экологически небезопасные операции. Альтернативное же производство элементов корпуса из углеродных композитных материалов имеет другие неприятные особенности.
Компания Tesla производит корпуса Cybertruck из нержавеющей бронестали. Именно поэтому все выпущенные с завода пикапы будут иметь одинаковый матовый серебристый цвет. Необычные формы приданы авто не для того, чтобы поразить публику его футуристическим видом. Такой дизайн позволяет собрать кузов с хорошей аэродинамикой из элементов, при изготовлении которых число простых операций по отрезке и сгибанию жёсткого металлического листа сведено к минимуму, а покраска исключена.
Компания Tesla в Cybertruck увеличила напряжение бортовой электросети с 12 до 48 В, что позволило кардинально сократить расход меди при производстве. Пикап обещает быть надёжным и долговечным. Хотелось бы найти столь же эффективные решения в электроэнергетике.
Ротор на ободе
При переводе авиации на электричество наметился замечательный прорыв. Компания Duxion Motors из Ньюфаундленда (Канада) разработала, изготовила и испытала эффективный двигатель eJet, обладающий чрезвычайно высокой удельной массовой тягой.
Традиционно вращающий момент от ротора электромотора через вал передаётся на вентилятор. Конструкторы Duxion Motors перевернули эту парадигму. В двигателе eJet вращающий момент создаётся на ободе вентилятора, где закреплены постоянные магниты. Вращающее усилие приложено не к основанию, а к концам лопастей, что позволило кардинально снизить требования к их прочности (читай: облегчить и удешевить их). Поскольку ротор электромотора был физически объединён с вентилятором, удалось резко уменьшить длину и массу используемого вала. Конструкция допускает применение одного или нескольких вентиляторов.
Компания уже получила заказы на поставку двигателей eJet с тягой около четырёх тонн для перспективных региональных самолётов с гибридными энергоустановками.
(Иллюстрация: Duxion Motor)
Мы привели этот пример, чтобы ещё раз напомнить о тенденции, которая уже не первый год ярко проявляется в нашей отрасли. Речь идёт о расширении сферы распределённой энергетики, обладающей неоспоримыми преимуществами в сравнении с энергетикой централизованной. При выработке электроэнергии на местах её потребления высвобождаются ресурсы, которые иначе пришлось бы тратить при многочисленных преобразованиях напряжения на повышающих и понижающих подстанциях, а также при передаче энергии на большие расстояния по магистральным и распределительным сетям.
Децентрализация энергетики - это естественная тенденция её развития, вызванная необходимостью повышать эффективность в использовании топлива, оборудования, материалов, земель и труда рабочих. И эта тенденция сегодня усиливается новыми факторами.
С разгоном монетарной инфляции цены электроэнергии идут вверх, а с ними усиливается и стремление предпринимателей (особенно в энергоёмких отраслях) перейти на собственную генерацию. Исторически сложившаяся в нашей стране система перекрёстного субсидирования, при которой промышленность доплачивает за население (особенно сельское), в результате вызывает многочисленные споры. Официально заявлено, что перекрёстное субсидирование - это проявление социальной ответственности по отношению к малоимущим и другим незащищённым слоям населения. По моему мнению, с распространением индивидуального майнинга криптовалют становится трудно вычленить из общей массы тех бедствующих граждан, которых действительно стоило бы поддержать пониженными энерготарифами.
Межрегиональное перекрёстное субсидирование чревато другими проблемами. Когда для ускоренного развития отдельных территорий приходится увеличивать стоимость электроэнергии в целом по стране, возникают эффекты общего экономического торможения. А ведь недорогая электроэнергия - это и конкурентное преимущество, и двигатель развития российской экономики.
Быстрый - значит неуязвимый
Надёжность системы ограничивается характеристиками её самых слабых звеньев. В импульсных преобразователях напряжения это электролитические конденсаторы. Электролит в них со временем высыхает или разлагается, выделяя газ. Ёмкость падает, в цепях появляются пульсации, питаемое от преобразователя электронное оборудование начинает сбоить. Стандартный выход из такой ситуации (замена конденсаторов на новые) не всегда применим. В случаях бортовых систем и оборудования на удалённых территориях ремонт зачастую проблематичен.
Мы уже как-то рассказывали читателям, что в Технологическом институте Карлсруэ (Германия) инженеры создали необычный импульсный блок питания. В нём используются только высоконадёжные плёночные конденсаторы. В сравнении с электролитическими они имеют в разы большие размеры и при этом всё же не обеспечивают требуемое сглаживание пульсаций после сетевого выпрямителя. Проблема решается не числом микрофарад, а «умением». В блоке применён оригинальный алгоритм управления силовыми транзисторами и установлен быстродействующий микропроцессор, который сто раз в секунду (при каждом переходе напряжения электрической сети через ноль) видоизменяет управляющий сигнал. Срок службы такого преобразователя напряжения увеличен втрое относительно стандартного. Разработчики отмечают, что без интеллектуальной начинки подобное решение было бы невозможным.
конденсаторов (Фото: Технологический институт Карлсруэ)
Немецкие инженеры наглядно показали нам, как быстрое управление позволяет компенсировать ограниченную функциональность энергонакопительных элементов. Вероятно, похожие решения можно применить и в электрических сетях для повышения их устойчивости к скачкам энергопотребления, девиациям частоты и другим возмущениям.
Сети шагают впереди
Следующий пример - из истории информационных технологий. В нынешнем году отмечалось пятидесятилетие технологии Ethernet. Способ проводного объединения компьютеров в сеть, придуманный в далёком 1973-м, актуален и по сей день: оптоволоконные и беспроводные сети его лишь дополнили, расширили и улучшили.
Пятьдесят лет назад сотрудник лаборатории Xerox PARC (Palo Alto Research Center) Роберт Меткалф предложил простое техническое решение на основе толстого коаксиального кабеля. Все компьютеры одноранговой сети были параллельно подключены к одной закольцованной (для надёжности) линии передачи данных. Любая машина могла в любой момент послать в неё пакет данных, предназначенный для любой другой машины. В случае наложения нескольких пакетов друг на друга компьютеры повторяли отправку информации через случайные интервалы времени. Поначалу скорость передачи информации в пакетах была равна 2,94 мегабита в секунду, а к 1980 году её увеличили до 10 мегабит в секунду.
Не напоминают ли читателю компьютеры, подключённые к одному кольцу Ethernet, потребителей электроэнергии на общем фидере электрической сети? Любопытно, что впоследствии архитектура Ethernet была существенно доработана. Коаксиальный кабель уступил место витой паре, а общее кольцевое соединение компьютеров друг с другом было заменено на их отдельные соединения с сетевыми коммутаторами и маршрутизаторами.
Таким образом, в эволюции вычислительных сетей ярко проявилась тенденция к выделению линий ради повышения надёжности и скорости передачи информации. Отметим, что компьютерные сетевые устройства имеют собственные процессоры и память, средства самодиагностики и восстановления. Недаром эти технологии сегодня внедряются в умных электрических сетях. Последние надёжнее работают и быстрее восстанавливаются после аварий, чем обычные электрические сети.
Читайте другие наши материалы
