Меню

Вентильно индукторный двигатель мощности

Вентильно-индукторный привод — перспективное направление развития современного регулируемого электропривода

Д.т.н. В.Ф.Козаченко, профессор кафедры АЭП НИУ «МЭИ», генеральный директор ООО НПФ «Вектор»; к.т.н. А.М. Русаков, с.н.с. кафедры ЭКАО НИУ «МЭИ»; д.э.н. А.В. Сорокин, генеральный директор, к.т.н. Ю.И. Кочанов, заместитель генерального директора, А.А. Ионов, начальник отдела НТР, к.т.н. Д.В. Тарасов, советник генерального директора по НТР, ООО «Центртехкомплект», г. Москва

Вентильно-индукторный электропривод

В начале 80-х гг. прошлого века в иностранной научно-технической литературе появились материалы о новом типе электрической машины с переменным магнитным сопротивлением (по западной классификации — SRM, «Switched Reluctance Motor») и электрического привода на ее основе — SRD (SR Drive), претендующего стать конкурентом традиционным регулируемым электроприводам.

В отечественной литературе он получил акроним ВИП — вентильно-индукторный привод. С тех пор до конца столетия лавинообразно нарастало количество докладов на эту тему на различных конференциях, статей в журналах, постоянно росло число институтов и фирм, участвующих в разработке различных проектов в области SRD-технологии. Показательно, что с 1998 г. функционирует специальный сайт www.brivit.com, который предлагает доступ к специализированной базе данных, охватывающей практически все издаваемые за рубежом работы по SRD, включая труды конференций, статьи, диссертации, патенты и т.п.

Строго говоря, термин «новый» к вентильноиндукторному электроприводу может быть применен только условно: на самом деле это очень старый, может быть, самый старый тип электропривода. Конструкция двигателя имеет магнитную систему с явно выраженной двойной зубчатостью, причем число зубцов на статоре и роторе различно. Благодаря этому при протекании тока по катушкам одной фазы, находящимся на диаметрально расположенных зубцах статора, ближайшие зубцы ротора притягиваются к зубцам возбужденной фазы, и ротор поворачивается в так называемое согласованное положение. Последовательное переключение фаз позволяет повернуть ротор на заданное число шагов. Двигатели представляют собой индукторные машины с самовозбуждением (за счет постоянной составляющей тока статора), т.е. магнитное поле создается рабочими катушками полюсов статора, получающего питание от нереверсивного инвертора.

Какие же потенциальные преимущества ВИП привлекли внимание исследователей и разработчиков? Во-первых, это предельно простая, технологичная, дешевая и надежная конструкция собственно двигателя. В нем отсутствуют существенно усложняющие технологию производства постоянные магниты, цена которых иногда составляет до половины цены всего электропривода. Отсутствует операция заливки ротора, неизбежная при производстве асинхронных двигателей. Обмотки (катушки) статора хорошо приспособлены к машинному производству, проста сборка и, что важно при массовых применениях, разборка для ремонта или утилизации. Пропитка осуществляется только собственно катушек, а не статора в целом, как у других типов машин, что также снижает долю технологических затрат. Во-вторых, по мнению ряда авторов, основанном как на теоретических расчетах, так и на сравнении конкретных образцов двигателей, ВИП по массогабаритным и энергетическим показателям не уступает и даже превосходит частотно-регулируемый асинхронный привод.

В России развитие вентильно-индукторного электропривода было начато по инициативе профессора Н.Ф. Ильинского в 1995 г., под руководством которого в МЭИ проводились систематические исследования и разработки традиционных ВИП, соответствующих мировому опыту (SRD).

Наряду с SRD в России более 10 лет развивается электропривод на базе вентильно-индукторных машин с независимым электромагнитным возбуждением, содержащих дополнительную обмотку возбуждения на статоре, создающую магнитное поле. Это направление вентильно-индукторного электропривода (ВИП) осталось либо вне поля зрения разработчиков за рубежом, либо хорошо засекречено. Зарубежных публикаций об этом электроприводе нет.

Авторы поставили перед собой задачу создания исполнительных двигателей нового типа, лишенных недостатков SRD. При этом в качестве прототипа были выбраны синхронные индукторные генераторы с электромагнитным возбуждением. Идея индукторного генератора была высказана еще П.Н. Яблочковым; в конце XIX в. индукторный генератор был создан и более века используется, как одна из наиболее простых и надежных машин для экстремальных условий работы: в военной технике, на железнодорожном и морском транспорте, малой нетрадиционной энергетике. Конструкция такой машины была принципиально переработана в направлении обеспечения многосекционности и независимости отдельных секций друг от друга в электрическом и электромагнитном отношении. Разработан и запатентован новый тип электрической машины — мощный секционируемый синхронный индукторный двигатель с независимым возбуждением, пригодный для широкодиапазонного, качественного управления скоростью и моментом.

Была создана теория проектирования синхронных индукторных двигателей, теория управления этими машинами, образцы интеллектуальных широко-регулируемых электроприводов с векторным управлением, обладающих свойством бесперебойности работы. Разработанный электропривод подробно рассмотрен ниже.

Читайте также:  Мощность 1 светодиода сколько ватт

Комплектный электропривод строится на базе новой, технологичной конструкции бесколлекторного синхронного электродвигателя с секционированной многофазной обмоткой статора, обмоткой возбуждения на статоре и пассивным многопакетным ротором. Разработана теория прямого цифрового векторного управления моментом и скоростью с использованием силовых преобразователей по числу секций двигателя, каждый из которых имеет встроенный высокопроизводительный контроллер на сигнальном процессоре с функцией прямого цифрового управления силовыми ключами и сопряжения с датчиками.

Данный вентильно-индукторный электропривод имеет секционированную структуру, позволяющую питаться от нескольких независимых источников энергии, что полностью исключает вероятность критической просадки технологических параметров и позволяет выйти на качественно новый уровень надежности объектов непрерывного производства. Отсутствие магнитной связи между фазами ВИП позволяет работать каждой фазе независимо от других. Отключение одной и даже нескольких фаз приводит только к пропорциональному снижению выходной мощности и возрастанию пульсаций момента, но сохраняет привод в рабочем состоянии. Потеря мощности частично может быть компенсирована увеличением нагрузки на оставшиеся фазы, если имеется надлежащий запас по допустимым токам фаз и силовых ключей.

Привод имеет возможность гибкого формирования любых механических характеристик с точным поддержанием скорости, момента или мощности с адаптацией под конкретный технологический процесс, что позволяет в несколько раз уменьшить установленную мощность привода и его стоимость по сравнению с традиционными решениями. Структура привода позволяет легко наращивать мощность на базе типовых узлов.

Разработка отличается следующими важнейшими преимуществами.

1. Бесперебойность работы, живучесть, достигаемая данным приводом за счет одновременной работы секций машины от различных электрических вводов.

2. Высокая надежность в виду отсутствия коллектора (бесконтактность).

3. Простота и технологичность конструкции.

4. Адаптация к самым современным цифровым методам управления — возможность создания векторной системы управления с качественным поддержанием электромагнитного момента и скорости.

5. Структура машины позволяет реализовать перспективные методы бездатчикового векторного управления с наблюдателями состояния и отказаться от самого ненадежного элемента в рассматриваемом электромеханическом комплексе — от датчика положения ротора.

6. Высокие энергетические показатели двигателя — КПД более 98%, коэффициент мощности 1, обеспечиваемые за счет полноценного векторного управления машиной с автоматической минимизацией тока статора при любой нагрузке и скорости вращения.

7. Расширение зоны регулирования скорости двигателя вверх в 3-5 раз за счет дополнительного контура управления возбуждением.

8. Универсальность и гибкость в формировании любых требуемых механических характеристик привода.

9. Возможность использовать стандартные, разработанные для асинхронного электропривода, преобразователи частоты, лишь прошивая в них специализированное программное обеспечение.

10. Возможность гибкого наращивания мощности путем увеличения количества секций двигателя и использования стандартных модулей системы управления и силовых преобразователей.

11. Переход с уровня питания 6, 10 кВ на питание 0,4 кВ, что позволяет размещать силовые шкафы на минимальном удалении от исполнительных механизмов, непосредственно в машинном зале без необходимости выделения или строительства специального помещения для них.

Как следует из изложенного, вентильно-индукторный электропривод по ряду показателей превосходит другие типы электропривода и имеет в силу этого хорошие перспективы широкого использования. Вместе с тем его фактическое применение далеко не соответствует возможностям. Однако пройдена основная и, может быть, самая трудная часть пути: найдены, обоснованы и проверены основные технические решения, устраняющие главные препятствия в развитии ВИП; создана и проверена экспериментально методика проектирования ВИП; наработан и испытан программный продукт, оптимизирующий алгоритмы работы системы управления ВИП. Все это позволяет уверенно перейти к стадии инновационных проектов с применением ВИП в различных областях.

Благоприятные функциональные особенности и регулировочные свойства ВИП — большие моменты при низких скоростях, гибкое управление скоростью, простая реализация тормозных режимов вплоть до нулевой скорости делают этот привод весьма привлекательным для широкого класса применений.

На сегодняшний день совместное сотрудничество ряда отечественных фирм позволило наладить выпуск комплектных многосекционных вентильно-индукторных электроприводов с независимым возбуждением на мощности 315, 400, 630 и 1250 кВт, предназначенных для бесперебойной работы механизмов районных тепловых станций г. Москвы: сетевых насосов, вентиляторов и дымососов. Данные механизмы являются особо ответственными, отключение которых даже на несколько секунд вызывает отключение котла тепловой станции и нарушение теплоснабжения.

Приводы имеют высокий уровень надежности и уникальную отказоустойчивость благодаря секционированию двигателя и его работе одновременно от двух независимых вводов питающего напряжения, а также благодаря модульному построению управляющей части и силовых преобразователей и реализации уникальной системы бездатчикового векторного управления (диапазон регулирования скорости до 75:1). Данный электропривод обеспечивает безостановочную работу ответственных механизмов РТС при отключениях электропитания по одному из двух вводов сети и отказах в любой части электронного преобразователя.

Читайте также:  Что не учитывается при расчете фактической производственной мощности цеха

Первый опытный образец электропривода ВИП-630 был испытан на РТС «Коломенская» (фото 1), где сейчас он находится в эксплуатации. На базе данной разработки впоследствии был выпущен ряд приводов различной мощности для РТС «Пенягино» (фото 2), РТС «Отрадное» (фото 3) и РТС «Жулебино», которые все являются объектами ОАО «МОЭК» (г. Москва). Ведутся проектные работы по оснащению такими же электроприводами других теплостанций ОАО «МОЭК». Кроме этого, продолжается разработка и проектирование новых и модернизированных ВИП-315, 400, 630, 800, 1250 кВт на меньшие скорости.

печатьраспечатать | скачать бесплатно Вентильно-индукторный привод — перспективное направление развития современного регулируемого электропривода, В.Ф.Козаченко, А.М. Русаков, А.В. Сорокин, Ю.И. Кочанов, А.А. Ионов, Д.В. Тарасов, Источник: Журнал «Новости теплоснабжения» №11 (135) 2011 г. www.ntsn.ru/11_2011.html ,
www.ntsn.ru/11_2011.html

Источник



Вентильный двигатель: конструкция, принцип работы, классификация

Постоянное совершенствование технологий и развитие точного электрооборудования приводит к созданию новых и преобразованию старых устройств. Такому совершенствованию подвергаются и электрические машины, которые неоднократно преобразовывались для получения точного позиционирования. При массовом внедрении полупроводниковых приборов появилась возможность заменить классические щетки на p-n переходы, в результате чего был создан вентильный двигатель.

Конструкция и принцип работы

Конструктивно вентильный агрегат представляет собой разновидность синхронного двигателя.

В его состав входят:

  • Ротор, как правило, из магнитного материала, реагирующий на воздействие электромагнитного поля.
  • Статор, включающий в себя фазы обмоток, намотанные в катушки станину и диэлектрическую прокладку.
  • Измерительные датчики (чаще всего Холла), позволяющие определить положение вращения вала.
  • Микропроцессорный блок, формирующий импульсы, их форму, задающие частоту вращения ротора, сравнивающий показания датчиков и подаваемого переменного тока на фазные обмотки.

Пример конструкции вентильного двигателя приведен на рисунке ниже:

Конструкция вентильного двигателя

Рис. 1. Конструкция вентильного двигателя

Принцип работы вентильного двигателя заключается в четком позиционировании постоянных магнитов на роторе по отношению к формируемому пику электромагнитного импульса на фазных электрических обмотках. При движении магнитов датчики воспринимают информацию об их положении в пространстве и меняют пропускную способность реактивных вентильных преобразователей, что позволяет валу вращаться дальше. Таким образом, управление вращением осуществляется без использования скользящего контакта, поэтому данная категория электрических машин относится к категории бесколлекторных электродвигателей.

Статор

Конструкция статора вентильного двигателя

Рис. 2. Конструкция статора вентильного двигателя

Конструктивно статор мало чем отличается от классических моделей синхронных и асинхронных двигателей. Это металлический цельнолитой или наборной магнитопровод, в пазах которого укладываются фазные провода. Количество обмоток якоря определяется числом подключаемых фаз и периодичностью их чередования. Чем чаще уложены обмотки статора, тем точнее контролируется вращение вентильного электродвигателя.

Полюса статора также могут характеризоваться смещением на строго определенный угол, как и его обмотки. По количеству фаз коммутации вентильные двигатели бывают двух-, трех-, четырех- и шестифазными.

Ротор

В зависимости от конструкции ротора бесконтактные двигатели могут иметь внутрироторное и внешнероторное исполнение.

Внешнероторные и внутрироторные модели

Рис. 3. Внешнероторные и внутрироторные модели

Количество пар полюсов также может отличаться, но уже без каких-либо привязок к обмоткам, как правило, этот параметр варьируется от двух до шестнадцати с парным шагом.

В более старых моделях для бесколлекторных двигателей использовались постоянные магниты из ферритовых сплавов. Которые отличались доступностью и относительно более низкой себестоимостью, но имели слишком низкие показатели индукции. Однако с постепенным развитием технологий, на смену им пришли магнитные элементы из редкоземельных металлов. Этот вариант обладает более точным позиционированием, но и стоит он дороже.

Вентильный двигатель с внешним ротором

Рис. 4. Вентильный двигатель с внешним ротором

Датчик положения ротора

В синхронных электродвигателях датчик необходим для осуществления обратной связи с положением вала механического устройства. В зависимости от принципа действия могут применяться датчики:

Датчик положения ротора

  • Фотоэлектрического принципа действия;
  • Трансформаторного;
  • Индуктивного;
  • На эффекте Холла.

Рис. 5. Датчик положения ротора

Наиболее распространенными вариантами для практической реализации стали фотоэлектрические датчики и датчики с эффектом Холла. Они обладают большей точностью и меньше запаздывают при передаче данных в канале связи. Датчики привязываются к определенным маркерам на валу и реагируют на их прохождение.

Читайте также:  Автомобили снабженные двигателями мощностью

Система управления

В состав блока управления, как правило, входит микроконтроллер и электронный ключ для подключения к двух- или трехфазным обмоткам двигателя. Микроконтроллер или микропроцессор необходим для обработки получаемых с датчиков сигналов и последующего преобразования синусоидальной коммутации в более удобную форму сигнала. Электрические преобразователи выполняется на базе полупроводниковых транзисторов, соединенных по мостовой схеме. Они производят широтно-импульсную модуляцию питающего напряжения в соответствии с заданным режимом работы.

Электронный ключ вентильного двигателя

Рис. 6. Электронный ключ вентильного двигателя

Классификация

По типу питания вентильные электрические машины подразделяются на электродвигатели постоянного и переменного тока.

По способу взаимодействия магнитного поля статора и ротора встречаются синхронные, асинхронные и индукторные аппараты.

Помимо этого, в зависимости от числа задействованных фаз они разделяются на:

Четырехфазный вентильный двигатель

  • Однофазные – представляю собой наиболее простой вариант, где используется минимум линий передачи питающего напряжения от блока управления к его обмоткам. Однако в некоторых позиция существует трудность пуска такого вентильного двигателя под нагрузкой.
  • Двухфазные – обладают хорошей связью между обмоткой и статором. Но выдают довольно сильные пульсации, которые могут привести к негативным последствиям в работе.
  • Трехфазные – наиболее распространенные варианты, способные выдать плавный пуск и нормальный режим работы вентильного двигателя. Характеризуется четным количеством обмоток и хорошими тяговыми характеристиками. К его недостаткам относят лишь чрезмерный шум во время работы.
  • Четырехфазные – характеризуются минимальными пульсациями низким пусковым моментом. Но, в сравнении с другими моделями, они имеют высокую себестоимость, из-за чего применяются редко.

Рис. 7. Четырехфазный вентильный двигатель

Технические характеристики

При выборе конкретной модели важно определить ее соответствие месту установки, поэтому важно обращать внимание на следующие характеристики вентильных двигателей:

  • номинальное напряжение – определяет питающую величину, которая должна подаваться на вентильный двигатель для получения номинального усилия;
  • потребляемая мощность – характеристика электродвигателя, показывающая величину мощности, расходуемую на работу устройства;
  • КПД – показывает соотношение полезной работы, совершаемой вентильным двигателем к израсходованной мощности;
  • мощность на валу – полезная работа электрической машины, совершаемая за счет тягового усилия;
  • номинальная частота – определяет количество оборотов в минуту, которые вентильный двигатель может совершать в номинальном режиме работы;
  • диапазон регулировки частоты – показывает, в каких пределах можно изменять частоту оборотов вала для конкретной модели;
  • номинальный крутящий момент – определяет усилие, создаваемое на валу вентильного двигателя при оптимальных параметрах работы, также в параметрах может регламентироваться пусковой и максимальный момент;
  • коэффициент нагрузки – показывает, насколько снижается эффективность электрической машины, в зависимости от подъема над уровнем моря;
  • габаритные размеры и масса вентильного двигателя.

Преимущества и недостатки

В сравнении с другими типами электрических машин, вентильный двигатель имеет ряд качественных отличий, дающих ему как выгодное, превосходство, так и определенные недостатки.

К преимуществам вентильных двигателей относят:

  • Относительно небольшая величина магнитных потерь из-за отсутствия постоянно действующего поля, как в классических синхронных и асинхронных электродвигателях.
  • Обеспечивает безопасное вращение даже с максимальной нагрузкой, в отличии от коллекторных электродвигателей.
  • За счет встроенного преобразователя частоты коммутация вентильного преобразователя обеспечивает широкий спектр скоростей вращения, которые отличаются плавным переходом от одной к последующей.
  • Хорошая динамика работы и точность позиционирования, способная создать конкуренцию шаговым двигателям.
  • Относительно большая степень надежности и длительный срок эксплуатации без обслуживания за счет отсутствия скользящего контакта, в отличии от коллекторных двигателей.
  • Может применяться во взрывоопасной среде, в отличии от электродвигателей постоянного и переменного тока со щетками.

К недостаткам вентильных агрегатов следует отнести их высокую себестоимость, наличие дополнительных элементов, усложняющих последующую эксплуатацию. Также существенным минусом считается сложность управления и задания логики перемещения рабочих органов трехфазных бесколлекторных двигателей в соответствии с меняющимися факторами производственного процесса.

Применение

Вентильные двигатели применяются во всех сферах, где требуется регулировать скорость вращения рабочего элемента. Такие синхронные приводы имеют точное позиционирование и применяются для компьютерной техники, устройств привода, винчестера, куллеров обдува и т.д.

Вентильный двигатель в компьютере

Рис. 8. Вентильный двигатель в компьютере

Помимо этого он используется в робототехнике, строительстве спутников, летательных аппаратов. Для бытовой техники, в устройствах автомобилестроения, в медицинской сфере. Также нашел широкое применение в станочном оборудовании, горнодобывающих машинах, используется в компрессорных установках и насосных станциях.

Источник