Тема 1.3. Перспективные регулируемые электродвигатели

В условиях переменной нагрузки и необходимости регулирования частоты вращения конкурентоспособными являются вентильные двигатели.

Вентильный двигатель (ВД) — это синхронный двигатель с вентильным преобразователем, работающий по принципу частотного регулирования с самосинхронизацией, суть которого заключается в управлении вектором магнитного поля якоря в зависимости от положения ротора. Вентильные двигатели (в англоязычной литературе BLDC или PMSM) ещё называют бесколлекторными двигателями постоянного тока, потому что питается такой двигатель от постоянного напряжения, а коллектор заменен вентильным преобразователем (автономным инвертором).

Принцип работы ВД основан на том, что вентильный преобразователь коммутирует обмотки якоря ВД так, чтобы вектор магнитного поля якоря был приблизительно ортогонален вектору магнитного поля ротора. С помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ) вентильный преобразователь управляет током, протекающим через обмотку якоря ВД, т.е. вектором магнитного поля якоря, и таким образом регулируется момент, действующий на ротор ВД. Знак у угла между векторами определяет направление момента действующего на ротор.

Коммутация фаз якоря производится так, что поток возбуждения ротора — Ф₀ поддерживается постоянным относительно потока якоря. В результате взаимодействия потока якоря и потока индуктора создаётся вращающий момент M, который стремится развернуть ротор так, чтобы потоки якоря и возбуждения совпали, но при повороте ротора под действием датчика положения ротора (ДПР) происходит переключение обмоток и поток якоря поворачивается в сторону вращения ротора.

В двигательном режиме работы МДС статора опережает МДС ротора на угол 90°, который поддерживается с помощью ДПР. В тормозном режиме МДС статора отстаёт от МДС ротора, угол 90° так же поддерживается с помощью ДПР.

В последнее время, этот тип двигателей быстро приобретает области применения во многих отраслях промышленности. Находит применение в различных сферах: от бытового электрооборудования до рельсового транспорта.

ВД с электронными системами управления объединяют в себе лучшие качества бесконтактных двигателей и двигателей постоянного тока:

- Широкий диапазон изменения частоты вращения;

- Бесконтактность и отсутствие узлов, требующих техобслуживания;

- Возможность использования во взрывоопасной и агрессивной среде;

- Большая перегрузочная способность по моменту;

- Высокие энергетические показатели (КПД более 90 %).

Перспективны также в отдельных областях также вентильно – индукторные двигатели

Вентильно–индукторный двигатель – это относительно новый тип электромеханического преобразователя энергии, который сочетает в себе свойства и электрической машины, и интегрированной системы регулируемого электропривода.Как всякий электродвигатель, он обеспечивает преобразование электрической энергии, которая поступает от питающей сети, в механическую энергию, передаваемую в нагрузку. Как система регулируемого электропривода, ВИД дает возможность осуществлять управление этим процессом в соответствии с особенностями конкретной нагрузки: регулировать частоту вращения, момент, мощность и так далее.

В состав ВИД входят: индукторная машина (ИМ), преобразователь частоты, система управления и датчик положения ротора. Функциональное назначение этих элементов ВИД: преобразователь частоты обеспечивает питание фаз ИМ однополярными импульсами напряжения прямоугольной формы; ИМ осуществляет электромеханическое преобразование энергии, система управления в соответствии с заложенным в нее алгоритмом и сигналами обратной связи, поступающими от датчика положения ротора, управляет данным процессом.

По своей структуре ВИД ничем не отличается от классической системы регулируемого электропривода. Именно поэтому он и обладает всеми ее свойствами. Однако в отличие от регулируемого электропривода, например с асинхронным двигателем, она принципиально неспособна работать без преобразователя частоты и системы управления. Преобразователь частоты и система управления являются неотъемлемыми частями ИМ, необходимыми для осуществления электромеханического преобразования энергии. Т.о. совокупность структурных элементов является не только системой регулируемого электропривода, но и электромеханическим преобразователем энергии.

Рис. 1.5. Поперечное сечение 4^х–фазной ИМ конфигурации 8/6.

На рис.1.5, для примера, приведено поперечное сечение 4^х–фазной ИМ конфигурации 8/6. При обозначении конфигурации ИМ первая цифра указывает число полюсов статора, вторая – ротора. При обозначении конфигурации ИМ первая цифра указывает число полюсов статора, вторая – ротора. Машина может иметь различные конструктивные исполнения.

Анализ рис. 1.5 показывает, что ИМ имеет следующие конструктивные особенности.

– Сердечники статора и ротора имеют явнополюсную структуру.

– Число полюсов относительно невелико. При этом число полюсов статора больше числа полюсов ротора.

– Сердечники статора и ротора выполняются шихтованными.

– Обмотка статора – сосредоточенная катушечная. Она может быть одно- или многофазной.

– Фаза ИМ, как правило, состоит из двух катушек, расположенных на диаметрально противоположных полюсах статора.

– Катушки фазы могут быть соединены в электрическом отношении параллельно или последовательно; в магнитном – согласно или встречно.

– Обмотка на роторе ИМ отсутствует.

Конструктивно ИМ, преобразователь частоты и система управления в ВИД могут быть выполнены раздельно. При этом в процессе работы они могут находиться на достаточно большом удалении друг от друга.

В последние время в мире наблюдается устойчивая тенденция выполнения преобразователя частоты и двигателя в системе регулируемого электропривода в одном корпусе. Такое конструктивное исполнение в англоязычной литературе получило название combimaster, что на русский язык может быть переведено как электропривод интегрального исполнения.

В ВИД интегральное исполнение преобразователя частоты и ИМ является более выгодным по сравнению с частотно–управляемым асинхронным приводом. Дело в том, что в отличие от асинхронной, фазы индукторной машины электрически не связаны между собой. Таким образом, если для соединения 3^х–фазного асинхронного двигателя с преобразователем частоты требуется три провода, то для 3^х–фазной индукторной машины – шесть. Очевидно, что увеличение числа фаз ведет к увеличению числа соединительных проводов. Следовательно, использование интегрального исполнения ВИД позволяет существенно снизить расход соединительных проводов или кабелей.

ВИД является и электрической машиной, и интегрированной системой регулируемого привода. Он представляет собой органическое единство ИМ, преобразователя частоты и микропроцессорной системы управления. Поэтому все его достоинства и недостатки можно разделить на две группы:

– обусловленные ИМ;

– обусловленные преобразователем частоты и системой управления;

Достоинства обусловленные ИМ:

– простота и технологичность конструкции ИМ;

– низкая себестоимость;

– высокая надежность;

– высокая ремонтопригодность;

– низкие потери в роторе;

– минимальные температурные эффекты;

– низкий момент инерции;

– возможность работы на больших частотах вращения;

– возможность работы в агрессивных средах;

– высокая степень утилизации.

Недостатки обусловленные ИМ:

– высокий уровень шумов и вибраций;

– плохое использование стали;

– работа возможна только совместно с преобразователем частоты;

– значительные отходы при штамповке;

Достоинства обусловленные вентильным преобразователем:

– возможность оптимального управления процессом электромеханического преобразования энергии для конкретного нагрузочного устройства;

– высокие массо-габаритные и энергетические характеристики.

Недостатки обусловленные вентильным преобразователем:

– пониженная электросовместимость с сетью из-за высокого содержания высших гармоник в токах обмоток.

Наиболее целесообразно использовать ВИД в качестве электропривода механизмов, в которых по условиям работы требуется осуществление регулирования в широком диапазоне частоты вращения. Примером здесь могут быть электроприводы станков с числовым программным управлением и промышленных роботов.

Эффективность использования ВИД существенно повышается, если необходимость регулирования частоты вращения сочетается с тяжелыми условиями работы, как это имеет место быть в электроприводах для металлургии, горнодобывающей промышленности и подвижного состава электрического транспорта.

В промышленности есть большой класс устройств и механизмов, использующих нерегулируемый электропривод, где энергетическая эффективность существенно возрастает при использовании регулируемого электропривода. К ним относятся компрессоры, насосы и вентиляторы. Применение ВИД здесь является весьма перспективным.

Не менее перспективно применение ВИД в бытовой технике: стиральных машинах, пылесосах, кухонных комбайнах.

ВИД представляет собой относительно новый тип электромеханического преобразователя энергии. Поэтому его продвижение на рынке происходит достаточно медленно. Однако уже сейчас многие электротехнические фирмы мира либо рассматривают возможность серийного выпуска ВИД либо уже производят его. Так, например;

– английская фирма Allenwest изготавливает общепромышленные электроприводы мощностью 7,5–22 кВт;

– фирма Jeffery Diamond выпускает электроприводы мощностью 35–200 кВт для горно–добывающей промышленности;

– американская фирма Magna Physics серийно производит электроприводы мощностью 10–1500 Вт;

– итальянская фирма Sicme Motor совместно с SRDL выпускает серию приводов RELU–SPEED мощностью 9–140 кВт с частотой вращения 3000 об/мин;

– Emerson Electric C^o ежедневно выпускает 2000 стиральных машин, в которых используются эти двигатели;

– АМС совместно с NEC/Densai (Япония) выпускает вентильно-индукторные двигатели для электрического транспорта.

За последние десять лет тем доля применения ВИД в регулируемом электроприводе возросла в восемь раз и достигла 8%. По всей видимости, эта цифра будет расти.

Дата добавления: 2014-11-18