Вентильно-индукторный электропривод: современное состояние и перспективы развития

     Фирма Switched Reluctance Drives Ltd. (SRDL, Harrogate, Великобритания; с 1994 г. - подразделение компании Emerson Electric) является пионером в практическом использовании технологии ВИП. По ее лицензиям ряд производителей выпускают продукцию, демонстрирующую универсальность и эксплуатационную гибкость концепции ВИП.

     В 2000 г. биомедицинская компания Beckman Instruments Inc. применила ВИП по лицензии SRDL в своих лабораторных центрифугах Avanti серий J & JE на скорость до 30 000 об/мин. Привод SR Drive® развивает вдвое больший по сравнению со стандартным приводом момент, что вдвое сокращает времена разгона и торможения, увеличивая тем самым производительность установки (высокопроизводительная центрифуга может сепарировать объем в 6 литров за меньшее время, чем обычная центрифуга успевает обработать 3 литра). 

     По  лицензии компании SRDL английская фирма Allenwest выпускает общепромышленные электроприводы 7,5-22кВт, а Jeffrey Diamond - электроприводы 35-300 кВт для шахт и других отраслей  с тяжелыми условиями работы.

     В 1998 г. фирмой  British Jeffrey Diamond на шахте Maltby Colliery для регулируемого ленточного конвейера длиной 2,3 км установлены.  Их основное достоинство - способность обеспечить полностью регулируемый и контролируемый темп ускорения. Это приводит к очень плавному пуску, снижающему растяжение и износ лент. Система имеет три различных режима транспортировки с ограничением момента в каждом из них. Впервые ВИП типа Diamond Drive мощностью 35 кВт был установлен под землей в 1992 г. на угольной шахте Kellingley Colliery также для регулируемого привода ленточного конвейера, заменив гидравлический мотор. В настоящее время в действии находятся такие системы мощностью до 300 кВт. Diamond Drive мощностью 180 кВт используется также в металлургии на установках продольной резки полосы.

     Emerson Electric совместно с фирмой Maytag разработана стиральная машина Neptune. Применение ВИП с управляющим устройством обеспечивает значительную экономию воды и энергии, гибкость функционирования и исключительную надежность. Повышенная до 800 об/мин скорость отжима обеспечивает удаление воды на 30% больше, чем в стандартной машине, что на 25... 30% сокращает время отжима. Однако такие скорости могут вызвать повышенные вибрации, поэтому в конструкции предусмотрены специальные средства для распределения белья и демпфирования колебаний. В дополнение к этому используется коррекция заданной скорости по сигналу акселерометра.

     Воздушные компрессоры являются одним из первых промышленных применений ВИП. CompAir Ltd. и Broomwade совместно производят винтовые компрессоры в диапазоне мощностей 1...300 кВт. В винтовых воздушных компрессорах с регулируемой скоростью L45SR,  L75SR,  L120SR применены ВИП, произведенные по лицензии SRDL. Они позволяют точно согласовать потребляемую мощность с потреблением сжатого воздуха. Использована двухфазная машина с четырьмя катушками на статоре.

     Двигатели Infin-A-Tek фирмы Ametek Lamb  - крупнейшего производителя мотор-вентиляторов для систем уборки помещений - нашли промышленное применение в пневматических системах, транспортирующих пластмассовые окатыши от склада до формовочных машин в компании Conair. Двигатели Infin-A-Tek заменяют серии универсальных коллекторных двигателей. Главная мотивация этого - более длительный срок службы и отсутствие эмиссии угольной пыли. Кроме того, ВИП имеет приблизительно ту же стоимость и выполнен в пределах той же конфигурации пространства, что и существующее изделие. Привод имеет двухфазную конструкцию с двумя транзисторами IGBT на каждую фазу.

     Работая совместно с бельгийской компанией Green Propulsion, которая специализируется в разработке прототипов более чистых транспортных средств, SR Drives создала два двигателя-генератора для трансмиссии гибридного типа, позволяющей снизить выделения углерода в транспортных средствах типа автобусов и мусоросборщиков. В «параллельно-последовательной» гибридной схеме двигатель-генераторы мощностью 50 и 160 кВт работают совместно с дизельным двигателем объемом 2,5 литра. Эта комбинация питается от легких литиево-полимерных батарей с малыми потерями и позволяет транспортному средству плавно переключаться между чисто электрическим режимом работы и гибридным режимом, что предполагает максимальную эффективность. Она устраняет также потребность в основной коробке передач. SRD-технология была выбрана из-за высокого КПД в широком диапазоне действия и исключительно широкого диапазона скоростей, в котором можно получить номинальную мощность, что особенно необходимо в системе без коробки передач. Кроме того, отсутствие магнитов в реактивном двигателе-генераторе устраняет возникновение неконтролируемого генераторного режима. При испытаниях гибридная система Green Propulsion достигла снижения эмиссии СО2 более чем на 40% и экономии топлива более чем на 30% в сравнении с обычным дизельным транспортным средством. Эта экономия происходит частично из-за увеличенной топливной экономичности гибридной трансмиссии и частично из-за способности транспортного средства брать энергию от обычного электрического источника во время зарядного цикла.

     Фирма LeTourneau, изготовитель полной гаммы колесных погрузчиков для угля, железной руды, меди и руды драгоценных металлов, использовала SR-технологии в новом  колесном погрузчике L-1350. L-1350 имеет высоту 6 м и длину более 16 м, весит около 180 т, а его ковш объемом 26 м3 вмещает до 38 т породы. Погрузчик приводится в движение четырьмя тяговыми двигателями SR Drive® типа B40 (по одному в каждом колесе через планетарный редуктор с передаточным отношением 141:1), питаемыми независимо от дизель-генератора. Каждый двигатель B40 имеет номинальную мощность 300 кВт, хотя по размерам сопоставим с традиционным двигателем 150 кВт. Все четыре двигателя могут работать в генераторном режиме, осуществляя электрическое торможение. По сравнению с обычным механическим приводом система улучшает тягу, минимизирует скольжение колес и значительно снижает расход топлива. Достоинства тягового ВИП LeTourneau были показаны во время более чем трехгодичных испытаний. Фактически постоянный момент при всех рабочих скоростях в сочетании с более широким, чем у двигателя постоянного тока, диапазоном скоростей дает более быструю реакцию на команды оператора. Интервал регламентного обслуживания увеличен с 500 до 20 000...30 000 часов, обслуживание состоит в замене двух подшипниковых опор.

     Генератор MorElectric фирмы Caterpillar® мощностью 7,3 кВт  разработан как прямая замена сегодняшних 12- или 24-вольтовых автомобильных  генераторов переменного тока. Имеет  КПД 79...83% против 40...60% у обычных автомобильных генераторов. Это приводит к более низкому расходу топлива и снижает паразитные нагрузки на двигатель. Генератор предназначен для увеличения энерговооруженности вспомогательных электрифицированных систем автомобиля. При примерно одинаковых габаритах новый генератор имеет в 3 раза большую мощность (7,3 кВт против 2,3 кВт) и 2-кратное увеличение срока службы. Используется водяное охлаждение через общий охладитель машины. Масса 22 кг (против 12 кг у стандартного генератора).

     В 1998 фирма Dyson начала продавать пылесос DC05 - изделие европейского типа - в  Японии. Он был маленьким, но недостаточно маленьким для японского рынка. В результате DC05 имел ограниченный успех. Японский рынок - огромный, поэтому  фирма хотела создать изделие, которое работало бы там и работало хорошо. Была поставлена задача разработать новое изделие специально для Японии и изготовить его за год. Двигатель Dyson Digital является ВИМ с частотой вращения 100 000 об/мин, что в пять раз больше, чем у двигателя болида «Формулы 1» (19 000 об/мин). Типичные двигатели пылесосов работают в диапазоне скоростей 30 000 и 40 000 об/мин. Двигатель имеет срок службы больше 1000 часов - важный факт с учетом того, что большинство двигателей пылесосов обычно живут 600 часов, изнашиваясь намного раньше остальных частей изделия. При массе 1000 г по сравнению с 1300 г для стандартного двигателя, Dyson Digital имеет хорошую удельную мощность на единицу массы. Вес ротора уменьшился на 50%, при этом масса этого вращающегося узла меньше 100 г. Встроенный контроллер обеспечивает плавный пуск, разгоняя двигатель до полной скорости за 1,5 с, что снижает пусковой ток и предотвращает перегорание предохранителей.

     Высокоэффективный электрический инструмент на основе ВИП разработан инженерами Elektrotechnisches Institut университета в Карлсруе в сотрудничестве с компанией WEKA Electric Tools. Рассматриваемый  инструмент - переносной сверлильный  станок, который используется в строительной промышленности для сверления отверстий диаметром до 350 мм в стенах и потолках. Новые свойства: прибор чрезвычайно мощный - он имеет мощность 3700 Вт. Из них 73%, а именно 2700 Вт используются для процесса сверления. Обычные сверлильные станки достигают мощности максимум 3000 Вт, из которых около 2100 Вт может использоваться для процесса сверления.

     Приведенные примеры свидетельствуют о чрезвычайно  широкой возможной сфере применений технологии ВИП, который еще не вышел  на массовый рынок, но находится очень близко к этой стадии.  За последние десять лет доля применения ВИД в регулируемом электроприводе возросла в восемь раз и достигла 8%. По всей видимости, эта цифра будет расти. 
 
 
 
 

5. Достоинства и  недостатки ВИД.

      Достоинства ВД

      ВД  обладают основными достоинствами  КДПТ и АД и не имеют их недостатков. Часть достоинств ВД зависит от типа электрической машины, применяемой  в ВД. Достоинства ВД на базе синхронных машин с возбуждением от высококоэрцитивных постоянных магнитов Nd-Fe-B.

      1. Бесконтактность и отсутствие узлов, требующих обслуживания (нет щеточно-коллекторного узла и контактных колец). Это достоинство присуще также АД с короткозамкнутым ротором и отсутствует у КДПТ и АД с фазным ротором.

      1.1. Существенно повышается ресурс и надежность электропривода. Наработка на отказ составляет 10000 ч и более.

      1.2. Упрощается эксплуатация двигателя. У КДПТ изнашиваемость щеток при эксплуатации требует проверки их состояния и замены через определенное время.

      1.3. Появляется возможность использования ВД во взрывоопасной и агрессивной среде. Также отсутствуют все те недостатки, о которых было сказано в разделе КДПТ.

      2. Вентильная коммутация тока в обмотках допускает значительное напряжение между выводами — до нескольких тысяч вольт. Обычный механический коллектор удовлетворительно работает при напряжении между коллекторными пластинами не более 30—32 В.

      3. Широкие возможности по регулированию выходных показателей электропривода при относительной простоте реализации системы управления. Простота реализации различных видов механических характеристик, требуемых исполнительными механизмами.

      3.1. Обеспечивается широкий диапазон регулирования частоты вращения.

      3.2. Имеется возможность оптимизации режимов работы при изменении скорости и нагрузки. Это также способствует повышению ресурса электродвигателя и всего агрегата.

      4. Большая перегрузочная способность по моменту (кратковременно кратность максимального момента равна 5 и более).

      5. Высокие энергетические показатели (КПД и соsφ). У АД максимальный КПД составляет не более 86%.

      Высокий КПД обусловлен тем, что основные электрические и магнитные потери в роторе ВД с возбуждением от постоянных магнитов отсутствуют. Также мал  ток холостого хода. Высокий соsφ обеспечивается рациональным выбором угла включения фазы. А это может быть достигнуто путем соответствующей настройки датчика положения ротора или при векторном управлении.

      5.1. КПД вентильного двигателя мало меняется при изменении нагрузки и при колебаниях напряжения питающей сети. У АД КПД более существенно зависит от изменения нагрузки и напряжения питания (момент пропорционален напряжению в квадрате).

      5.2. Более низкий перегрев ВД по сравнению с АД при одинаковой мощности и одинаковых размерах. Перегрев в этом случае зависит от потерь, величина которых тем меньше, чем выше КПД и соsφ. Это увеличивает ресурс изоляционных материалов, а значит и срок службы электропривода в целом. Это позволяет электроприводу работать в нестандартных режимах с возможными перегрузками.

      5.3. Меньшие масса и габаритные размеры.

      Более высокий КПД и соsφ, то есть меньшие  потери, позволяют для фиксированной  мощности спроектировать двигатель  меньших размеров по сравнению с  АД. Это обеспечивается возможностью реализации более высоких значений линейной нагрузки и тех же значений индукций в воздушном зазоре (порядка 0,6-0,8 Тл) (при использовании высококоэрцитивных магнитов).

      6. Высокое быстродействие; точность позиционирования. Обусловлено малой массой, а значит малым моментом инерции ротора и большим пусковым моментом.

      7. Минимальное значение токов холостого хода. Отсутствует у АД, у которых он расходуется на проведение магнитного потока. Позволяет достаточно точно измерять нагрузку на привод (пропорциональную току) и оптимизировать режим работы.

      8. Линейность характеристик. Присуще КДПТ и отсутствует у АД.

      Недостатки  ВД

      1. В отличие от коллекторного ДПТ вентильный двигатель имеет мало секций в обмотке якоря, что приводит к наличию пульсаций в картине электромагнитного момента.

      Способы снижения пульсаций электромагнитного  момента:

      - использование многофазных ВД;

      - подбор формы фазных токов;

      - выбор рациональной геометрии  зубцовой зоны;

      - введение скоса пазов статора  или дискретного скоса на роторе.

      2. Наличие позиционной обратной связи и необходимость наличия специального датчика положения ротора. До недавнего времени этот недостаток препятствовал широкому распространению вентильных электроприводов в оборудовании, где электродвигатель и станция управления им находятся на значительном расстоянии или в оборудовании, которое подвергается значительным механическим воздействиям вибрационного и ударного характера. В настоящее время эта проблема решается при бездатчиковом способе управления вентильными электроприводами, когда информацию о положении ротора получают из сигнала по напряжению в фазных обмотках.