Меню

Вентильно реактивный двигатель мощность

Вентильные реактивные электродвигатели / генераторы (Switched Reluctance Motors / Generators)

Современный уровень развития регулируемых электроприводов в значительной степени определяется достижениями в области силовой полупроводниковой техники: созданием IGBT и MOSFET транзисторов для коммутации силовых электрических цепей. Это позволило специально для систем электропривода создать электрическую машину нового типа c электронной коммутацией фазных обмоток якоря и получившую название SRM (ближайший перевод на русский язык — машина с модуляцией магнитной проводимости). В качестве рабочего термина нами используется вентильный реактивный электродвигатель (ВРД) / генератор (ВРГ) или вентильный реактивный индукторный электродвигатель / генератор.

ВРД следует отличать от синхронного реактивного электродвигателя (СРД), который работает при синусоидально изменяющихся напряжениях, подаваемых на фазы его обмотки якоря без обратной связи по положению ротора, при этом СРД обладает низким КПД.

Электрическая машина типа ВРД устроена проще, чем традиционные машины переменного тока — синхронная и асинхронная, она более технологична и менее материалоемка, что создает предпосылки для достижения высоких показателей надежности, экономичности, низкой стоимости и стойкости ее к воздействиям окружающей среды. Впервые в системе управляемого электропривода удается сбалансировать показатели эффективности электронной управляющей части и электромеханического преобразователя машины.

Появление и развитие электроприводов нового типа означает конец эры коллекторных электрических машин, применение которых в разрабатываемых системах электропривода становится анахронизмом. Даже асинхронная машина, повсеместное распространение которой было обусловлено простотой конструкции и надежностью, уступает по этим параметрам ВРД.

Рис. 1. Структурная схема управлением

Конструктивно электропривод состоит из микропроцессорного блока управления, электронного коммутатора и электромеханического преобразователя (ЭМП). Электромеханический преобразователь обеспечивает преобразование электрической энергии, поступающей от электронного коммутатора, в механическую или осуществляет обратное преобразование механической энергии в электрическую. Микропроцессорный блок управления формирует сигналы коммутатора, который генерирует импульсное напряжение питания ЭМП в зависимости от сигналов, поступающих от датчика положения ротора ЭМП. Возможен вариант без датчика положения ротора, в этом случае положение ротора определяется по величине индуктивности обмоток статора.

Отличительную основу ЭМП составляют магнитопроводы статора и ротора с явно выраженными полюсами, выполненные в виде пакетов из листового магнитомягкого материала. Катушки обмотки якоря расположены на полюсах магнитопровода статора. Катушки, находящиеся на противоположных полюсах, соединены попарно последовательно и образуют фазные секции обмотки якоря. На рис. 2 в качестве примеров показаны ЭМП с шестью (рис. 2а) и восемью (рис. 2б) полюсами на статоре и четырьмя и шестью полюсами на роторе соответственно.

В зависимости от назначения электродвигателя / генератора и предъявляемых к нему в связи с этим требований, количество полюсов на статоре и на роторе может изменяться. В некоторых случаях на полюсах магнитопровода статора могут быть сделаны дополнительные зубцы. Обмотка якоря, в приведенных на рисунке примерах ЭМП, трехфазная (рис.2а) и четырехфазная (рис.2б). Количество полюсов статора и ротора, число фаз обмотки якоря может изменяться в зависимости от назначения электродвигателя / генератора. Подбором чисел полюсов статора и ротора может быть получен вращающий момент существенно больший по сравнению с электрическими машинами других типов.

Рис. 2а
Рис. 2б
Рис. 2. Обмотка якоря трехфазная и четырехфазная

Очевидная конструктивная простота является основным достоинством электромеханического преобразователя ВРД, что позволяет существенно снизить затраты при его изготовлении и обеспечить очень высокую надежность работы электродвигателя / генератора. В качестве примера на рисунках 3, 4, 5 показаны основные части нескольких вариантов ЭМП вентильных реактивных электродвигателей и генераторов.

Рис. 3
Рис. 4
Рис. 5
Основные части нескольких вариантов ЭМП вентильных реактивных электродвигателей и генераторов

На рис.6 приведена механическая характеристика ЭМП в режиме с ограничением тока. Естественная механическая характеристика ЭМП при постоянном питающем напряжении аналогична такой же характеристике коллекторного электродвигателя постоянного тока с последовательным возбуждением.

Рис. 6. Механическая характеристика ЭМП в режиме с ограничением тока

Особенности электромеханического преобразования энергии в вентильном электродвигателе с переключаемой магнитной проводимостью заключаются в несинусоидальности токов и магнитных потоков в ЭМП и нелинейной зависимости между ними. Эти особенности не позволяют использовать методы, широко применяемые для анализа и синтеза электрических машин переменного тока традиционного конструктивного исполнения. Анализ и синтез ЭМП необходимо осуществлять с непременным учетом дискретности цикла электромеханического преобразования энергии и существенной нелинейной зависимости между токами в фазах и создаваемыми ими магнитными потоками в комплексе «электронный коммутатор — ЭМП».

Для проектирования ЭМП используется современный подход, включающий расчет магнитного поля в нелинейной постановке задачи. При этом учитываются реальные параметры материалов и особенности геометрии устройства. На рис. 7 показаны результаты расчета магнитного поля, представляющие зависимость потокосцепления фазной обмотки от угла поворота ротора и протекающего в ней тока.

Рис. 7. Результаты расчета магнитного поля

Электронный блок управления электродвигателя / генератора представляет собой цифровую систему управления на базе нового поколения 16-разрядных микроконтроллеров производительностью до 40 млн. операций в секунду. Цифровая система управления позволяет резко сократить количество используемых компонентов, увеличить надежность и функциональность системы, уменьшить габаритные размеры электронного блока и его стоимость.

На рис. 8 показан блок электроники для электродвигателей / генераторов мощностью до 8 кВт. (Габариты 170х125х30 мм.)

Рис. 8. Блок электроники для электродвигателей / генераторов мощностью до 8 кВт

Цифровой синтез сигналов, поступающих с электронного коммутатора на ЭМП, осуществляется программно с помощью микропроцессорного блока управления. Программный синтез сигналов позволяет оперативно изменять частоту, форму и амплитуду выходных импульсов в зависимости от состояния датчиков электропривода / генератора, а также обеспечивает оперативное управление режимами его работы.

Читайте также:  Регулятор мощности полевой транзистор

Микроконтроллер формирует основные управляющие сигналы, которые поступают на 3- или 4-фазный драйвер, обеспечивающий управление силовыми транзисторами электронного коммутатора. Конфигурация блока питания может быть изменена в зависимости от типа и величины напряжения питания, что позволяет на базе одного блока создавать электроприводы и генераторы различного назначения. При низковольтном напряжении питания (5 — 200 В) в блоке коммутатора используются MOSFET-транзисторы, а при высоковольтном (200 В и более) — IGBT-транзисторы. Применение современных мощных IGBT-транзисторов позволяет создавать электронные коммутаторы мощностью 5000 кВт и более, обеспечивая высокие энергетические и весогабаритные характеристики вентильным реактивным электроприводам / генераторам.

Основная управляющая программа контроллера хранится во Flash-памяти объемом до 256 Кбайт и может быть легко изменена через последовательный интерфейс RS232, что позволяет оперативно изменять основные характеристики и алгоритм работы стартера / генератора в процессе настройки или во время его эксплуатации.

Наличие микропроцессора в системе управления ВРД обеспечивает следующие режимы его работы:

  • регулирование оборотов в широких пределах и стабилизацию их на заданном уровне;
  • коррекцию естественно падающей механической характеристики ВРД для оптимизации параметров электропривода с тяговой, вентиляторной, крановой, экскаваторной и другими типами нагрузок;
  • разгон и торможение с необходимым ускорением;
  • пуск электропривода без превышения пусковых токов над номинальными, с предварительным выбором люфта редуктора;
  • рекуперацию энергии при торможении;
  • реверсирование;
  • самоторможение для исключения вращения нагруженного электропривода;
  • шаговый режим работы;
  • питание от сетей постоянного и переменного (однофазного и 3 фазного) напряжения; для генератора — стабилизацию и формирование выходного напряжения;
  • выдачу на дисплей текущих параметров электродвигателя / генератора и любой информации, поступающей с периферийных датчиков;
  • прием и выдачу команд и информации как в аналоговом, так и в цифровом виде;
  • дистанционное изменение параметров электропривода / генератора и алгоритма его работы;

Для связи с внешними компьютерными системами, активными пультами управления или для обеспечения параллельной работы и синхронизации нескольких электроприводов / генераторов в блоке управления может использоваться сетевой CAN-интерфейс (международный стандарт CAN 2.0 CiA-301). CAN (Controller Area Network) — сетевой интерфейс разработан фирмами «BOSСH» и «INTEL» для построения распределенных встраиваемых мультипроцессорных систем реального времени бортового и промышленного назначения. CAN обеспечивает надежную работу системы даже в условиях сильных электромагнитных помех. На рисунке 9 показано подключение нескольких электродвигателей к CAN-сети.

Рис. 9. Подключение нескольких электродвигателей к CAN-сети

CAN сеть обеспечивает эффективный обмен информацией между электронными блоками электродвигателей, а также обмен между пультом или несколькими пультами и каждым электродвигателем. Высокая скорость передачи (до 1Мбит/сек), гибкая система задания приоритетов CAN устройств позволяет передавать по сети синхросигналы или команды с критическим временем выполнения. На рис. 10 приведен пример организации следящей системы с использованием CAN-сети.

Источник



Энергосберегающее оборудование на основе вентильно-реактивных технологий

ОТ РЕДАКЦИИ: Применение вентильно-реактивных двигателей вместо асинхронных в качестве приводов насосов и вентиляторов (требующих работы на разных скоростных режимах) позволяет экономить 30-40% электроэнергии, при этом установка частотно-регулируемого привода (ЧРП) уже не требуется. Данная технология проходит рассмотрение в НП «Энергоэффективный город». По результатам работы планируется вынести данную технологию на рассмотрение Координационного совета Президиума Генерального Совета Всероссийской политической партии «ЕДИНАЯ РОССИЯ» по вопросам энергосбережения и повышения энергетической эффективности с целью изучения возможности применения в муниципальных образованиях и доведения до уровня типового энергоэффективного решения.

Энергосберегающее оборудование на основе вентильно-реактивных технологий

Ю.А. Миронов, заместитель главного инженера по новым изделиям и технологиям ООО «Свободинский электромеханический завод» дочернего предприятия ОАО «Электроагрегат», м. Свобода Курской обл.

Введение

Сегодня во всем мире и в России особенно очень остро стоит вопрос экономии энергоресурсов, так как доступность хорошо освоенных невозобновляемых природных топлив имеет ограничение во времени. Хорошо известно, что сбереженный 1 кВт ч электроэнергии в большинстве случаев гораздо дешевле того же кВтчаса, произведенного на вновь построенном источнике энергии.

Подавляющая часть мировой энергоструктуры основана на использовании электроэнергии, как наиболее универсальном виде энергии, поэтому сегодня все государства стремятся использовать технологии и оборудование, которые позволяют снизить затраты при производстве, передаче и потреблении электроэнергии, что в свою очередь снижает себестоимость производства товаров, увеличивая их конкурентоспособность с товарами других стран.

Кроме этого, в сознании людей и на бытовом уровне и на уровне руководителей фирм и государств в последнее время происходят заметные изменения в сторону стремления улучшить экологическую обстановку на земном шаре, что обусловило существенное ужесточение экологических требований к энергетическим технологиям и оборудованию. Если в ближайшее время штрафы за использование неэффективных технологий и оборудования будут превышать стоимость высокоэффективного оборудования, то это даст мощный экономический толчок в производстве и применении последнего.

Недостатки используемых электродвигателей

В мировой энергоструктуре подавляющая часть произведенной электроэнергии используется электрическими двигателями различного типа. Наиболее распространенные из них — асинхронные двигатели переменного тока. Эти двигатели достаточно просты в изготовлении, дешевы, используют энергию переменного тока без дополнительных преобразовательных устройств, имеют достаточно высокий КПД при номинальных мощностях. Их можно эффективно использовать при постоянной нагрузке близкой к номинальной. В реалиях в мировой структуре потребления электроэнергии электродвигателями в таком режиме составляет не более 10%. Остальные режимы требуют от электродвигателей работы с изменяемой нагрузкой, часто в очень широких пределах. И в этих режимах использование асинхронных электродвигателей без специальных преобразователей оказывается самой неэффективной и затратной. Купили оборудование задешево — порадовались, разорились на эксплуатационных расходах — заплакали. Именно поэтому в последние годы очень бурно развивается производство специальных электронных преобразователей, позволяющих эффективно использовать электроэнергию в асинхронных двигателях в более широком диапазоне нагрузок. Из-за сложностей взаимоотношений асинхронных двигателей с преобразователями последние получаются очень сложными, нередко очень дорогими, а попытка еще расширить диапазон нагрузок с высоким КПД приводит к еще большему усложнению преобразователей, т.е. к их удорожанию и снижению надежности.

Читайте также:  Схема простого регулятора мощности симисторе

Более эффективно применять двигатели постоянного тока, но они достаточно сложны в изготовлении и поэтому дороги, требуют высокой квалификации при обслуживании, по этим причинам доля их использования составляет всего несколько процентов в общей массе электродвигателей.

Преимущества применения вентильно-реактивных двигателей

По мнению автора сегодня наиболее эффективно использовать электроэнергию позволяют электрические двигатели вентильного типа. Они бывают двух типов: вентильно-активные — с возбуждением от постоянных магнитов и вентильно-реактивные — с изменяемой магнитной проводимостью (без постоянных магнитов, за рубежом эта технология получила название SRM-технология). Эти двигатели имеют приблизительно одинаковую систему электронного управления и гораздо проще и дешевле, чем преобразователи для асинхронных двигателей.

Вентильно-активные двигатели имеют высокие удельные показатели, высокий КПД, среднюю сложность изготовления. В них используются высокоэнергетические магниты (неодим-железо-бор), которые и позволяют получать высокие удельные показатели. Но в последнее время наблюдается существенный рост цены на эти магниты. Это связано с тем, что основной поставщик на мировой рынок относительно дешевого неодима — КНР — начал достаточно резко сокращать экспорт редкоземельных элементов, в том числе и неодима. Это вызвано тем, что у КНР имеется две очень крупных государственных программы — разработка и производство электротранспорта и ветроэнергетика, в первой они используют тяговые вентильно-активные двигатели, а во второй — генераторы с возбуждением от постоянных магнитов. При выходе этих программ в ближайшее время на проектную мощность производства уровень добычи неодима будет едва покрывать собственные нужды КНР. Исходя из этого, можно сделать вывод, что в самое ближайшее время цена на неодимовые магниты будет очень и очень высока, либо они будут вообще недоступны. Вентильно-активные двигатели на других типах магнитов получаются либо очень дорогими (самарий-кобальт), либо имеют низкие удельные показатели.

Вентильно-реактивные двигатели (рис. 1), являясь, по сути, силовой техникой импульсного типа, идеально стыкуются с электронной цифровой идеологией систем управления, поэтому электронные блоки управления этих двигателей получаются гораздо проще (читай надежнее), более компактны и при серийности гораздо меньшей серийности производства асинхронных электродвигателей, очень дешевы. Производство электромеханических преобразователей оказывается дешевле даже производства асинхронных двигателей (на роторе нет обмоток, в статорной обмотке используется меди на 40-50% меньше), технология изготовления проще. Удельные показатели на серийной электротехнической стали чуть ниже удельных показателей вентильно-активных двигателей, но если освоить производство уже разработанных и у нас и за рубежом электротехнических сплавов с более высокими характеристиками, то вентильно-реактивные двигатели окажутся вне конкуренции.

Устройство вентильно-реактивных двигателей

Рис.1. Комплектный вентильно-реактивный привод мощностью 4 кВт с регулируемой частотой вращения
от 500 до 6000 об/мин. (предсерийная версия).

В двух словах об устройстве вентильно-реактивных двигателей. Ротор двигателя представляет собой простую болванку из шихтованной электротехнической стали с явно выраженными прямоугольными полюсами на двух подшипниках. Статор имеет вид шихтованного пакета электротехнической стали тоже с явно выраженными прямоугольными полюсами, на которых размещены концентрированные обмотки медного провода, соединенные между собой по определенной схеме. Эти обмотки попеременно выполняют функцию и обмотки возбуждения и силовой обмотки. Управляет работой двигателя электронный цифровой блок управления, который по сигналам датчика положения ротора при помощи вентилей (силовые транзисторы IGBT или MOSFET) подает ток, необходимый в данный момент для поддержания заданной частоты вращения ротора, на группы катушек статора в определенной последовательности. Необходимо отметить, что уже разработаны, испытаны и успешно выпускаются вентильно-реактивные двигатели с бездатчиковым управлением. Такая конструкция и такая система управления позволяют иметь этим двигателям высокий КПД в очень широком диапазоне изменения частоты вращения. Так ВРД мощностью 4 кВт потребляет при холостом ходе всего 4% мощности от номинала.

Рис. 2. Строительный инструмент для сверления
отверстий в стенах зданий и сооружений
(мощность 10 кВт, вес 25 кг)

Так как почти все тепловыделение в этих двигателях происходит на статоре, а ротор охлаждения не требует, то эти двигатели можно производить со степенью защиты от IP54 и выше, а также с жидкостным охлаждением.

К несомненным достоинствам ВРД можно отнести и то, что для внешней переменной сети электропитания он является практически на 100% активной нагрузкой и освобождает сеть от бесполезной перекачки реактивной энергии из сети в двигатель и наоборот.

Современные высококачественные электронные элементы, выпускаемые мировой промышленностью, позволяют обеспечивать безотказный срок работы электронного блока в течение 100 тыс. часов и более.

Если отказаться от механических подшипников, а перейти на электромагнитные подвесы, а такие разработки уже есть, то ВРД для потребителя становится необслуживаемым механизмом на весь немаленький срок службы.

Область применения

Теперь поговорим об областях применения. Сразу же оговорюсь, что ВРД выгодно применять вместо любых ныне выпускаемых электродвигателей, за исключением режимов работ с постоянной номинальной нагрузкой, где пока выгоднее использовать асинхронные двигатели и то только тогда, когда не предъявляются особые требования к массо-габаритным показателям.

Читайте также:  Мощность газовой колонки electrolux

ВРД выгодно с точки зрения энергосбережения применять совместно с самыми массовыми механизмами, выпускаемыми промышленностью — насосами, компрессорами и вентиляторами, которые очень редко работают с постоянной номинальной нагрузкой. В этой области применения экономия электроэнергии может достигать 20-60% от номинала. А если ВРД применять с новейшими насосами и компрессорами на основе российского механизма «Эпикол» и российской роторно-вихревой технологии, то экономия может существенно увеличиться.

Далее не менее массовый выпуск в промышленности имеют мотор-редукторы. Вместо них можно предложить управляемые мотор-редукторы на основе ВРД и новейших российских редукторов с эксцентриково-циклоидальным зацеплением, имеющий более высокий КПД и гораздо меньшие массо-габаритные показатели. Это приведет не только к снижению энергопотребления этими механизмами, но и снижению затрат энергии и материалов при их производстве. В этой части следует особо отметить применение управляемых мотор-редукторов в электромобилестроении. Известно, что автомобили, построенные по идеологии полного привода самые безопасные из всех авто. Но существующая в настоящее время на автомобилях механическая передача энергии на каждое колесо не может обеспечить полную независимость поведения каждого колеса, а вот гибриды с электрической трансмиссией и независимым приводом на каждое колесо (управляемый мотор-редуктор) могут обеспечить не только высокую экономичность при передаче энергии, но и абсолютную независимость управления каждым колесом автомобиля, что существенно повышает безопасность транспортного средства при движении. Возможность изготовления высокооборотных ВРД с жидкостным охлаждением в комбинации с новыми редукторами может сделать их вне конкуренции в электромобилестроении.

Очень массовый выпуск имеет в промышленности электроинструмент. Здесь преимущества ВРД тоже явные, ведь они одинаково эффективно работают от сети переменного тока разных напряжений. В качестве примера могу привести такое явление. Летом прошлого года российская фирма «Каскод-Электро» совместно со своим шведским партнером представила на международной строительной выставке в США (Лас-Вегас) новый строительный инструмент для сверления различных отверстий в стенах зданий и сооружений, который вызвал настоящий шок у ведущих иностранных фирм, производящих подобное оборудование. Западные фирмачи долго не могли поверить, что привод и электронику к этому инструменту сделала российская фирма. Имея большую мощность и момент, этот инструмент имеет вес на порядок меньше ближайшего аналога — 25 кг вместо 250. Несмотря на внушительную мощность (10 кВт), электронный блок управления настолько миниатюрен, что встроен в сам привод. Общий вид инструмента показан на рис. 2.

Я коснулся только областей массового выпуска отдельных видов механизмов, где можно эффективно использовать ВРД. Есть еще целый ряд областей выгодного использования ВРД, где можно за счет применения ВРД обеспечить режимы энергосбережения, но малый объем статьи не позволяет остановиться на этом более подробно.

Особо хотел отметить применение SRM-технологии в генераторостроении. В последнее время в России появились разработки новейших роторных ДВС, имеющих очень низкие показатели удельного расхода топлива, гораздо меньшие массо-габаритные показатели по сравнению с традиционными ДВС и работающими на высоких оборотах. Для этих ДВС вентильно-реактивные генераторы идеально подходят для прямого безредукторного механического соединения. В результате может получиться достаточно мощный и малогабаритный источник электроэнергии с очень малым расходом топлива, который можно располагать в гибридных электроавтомобилях для выработки электроэнергии для движения автомобиля непосредственно на борту. На мой взгляд, пока не изобрели достаточно эффективных бортовых накопителей электроэнергии, эти источники могут существенно ускорить организацию массового производства гибридных автомобилей с электротрансмиссией. Да и появление легких высокоэффективных источников электроэнергии заинтересует не только электромобилестроителей, но и любые другие отрасли промышленности, да и частных потребителей тоже.

Заключение

В заключение хотелось бы отметить, что за рубежом достаточно явно поняли выгодность развития этой технологии и на ее доработку выделяются сотни миллионов долларов. В России, несмотря на полное отсутствие финансирования, эта технология развита не хуже, а в некоторых направлениях, лучше, чем в западных государствах. В частности ООО «Свободинский электромеханический завод» (дочернее предприятие ОАО «Электроагрегат») совместно со своим партнером ООО «Каскод-Электро» в течение нескольких последних лет занимались разработкой ВРД различной мощности для организации серийного производства их в России. Было разработано, изготовлено и испытано несколько опытных партий этих двигателей и параллельно готовилось их серийное производство. Все это делалось за свой счет. Сегодня производство вентильно-реактивных двигателей и генераторов мощностью 4 кВт в большей степени подготовлено. Вести дальнейшую работу в этом направлении мешает отсутствие финансирования. Предприятие с этим проектом участвовало в разных конкурсах различного уровня от местного до федерального, но результатов, кроме устной похвалы, эти конкурсы не принесли. В 2010 г. предприятие с этим проектом попало в Комплексную целевую программу перевооружения Российской армии, но это программа до сих пор находится на бесконечных согласованиях в Правительстве РФ и финансирование по ней до сих пор не осуществляется.

Я надеюсь, что эта статья в какой-то мере поможет найти в России потребителей оборудования, созданного по SRM-технологии. А еще я больше надеюсь на то, что государственные мужи смогут организовать в России все так, чтобы применение современных высокоэффективных энергосберегающих технологий и оборудования стало выгодным, раз уж мы тяготеем к капиталистическому образу жизни, где парадом командует выгода. А если в ближайшее время государственные мужи еще и станут руководствоваться и целесообразностью применения той или иной технологии, то я буду очень рад этому, да и не только я.

Источник