Вентильно-индукторный электропривод: современное состояние и перспективы развития - Рынок Электротехники, 2, 2007 г
Главный журнал электротехнической отрасли
Отраслевые порталы и журналы
издательской группы Индастриал Медиа:
Кабельные лотки перфорированные и глухие, лотки лестничные, кабельные стойки и полки, короба блочные по ценам производителя. http://www.asd-e.ru
Муфты кабельные соединительные, концевые, переходные от 1кВ до 10 кВ. http://www.ctahdapt.ru
Электростанции в труднодоступных районах! Проект и монтаж. Опыт 44 года! http://niimestprom-comp.ru
Однофазные (СЭО, СЭБ), трехфазные (ПСЧ, СЭТ), одно- и многотарифные, многофункциональные, коммуникаторы GSM, модемы http://www.nzif.ru
Производство всех видов корпусов для электрощитового оборудования: ШСР, КВРУ, КЩО-70, ЩМП, ЩУРн, ЩУ, КШУ, КЩЭ, ЩРн и др. http://www.asd-e.ru
Рынок Электротехники , 2, 2007 г. Вентильно-индукторный электропривод: современное состояние и перспективы развития Электрические приводы потребляют более половины всей производимой в мире электроэнергии и постоянно расширяют сферу своего применения. Все известные типы электрических машин, составляющих основу электроприводов, были изобретены еще в XIX веке, но к середине XX века широкое распространение получили только те, которые могли подключаться непосредственно к питающей сети. Это традиционные коллекторные двигатели постоянного тока, асинхронные и синхронные двигатели. Достижения в силовой и управляющей электронике привели к созданию в конце XX века надежных статических электрических преобразователей, обеспечивающих возможность плавного регулирования выходных координат электропривода и получения требуемого по технологии режима движения. Это радикально изменило возможности традиционного массового электропривода с асинхронными двигателями с короткозамкнутым ротором по оптимизации режимов работы, экономии электроэнергии и других ресурсов. Одновременно возникла целая гамма новых электроприводов с различными типами электромеханических преобразователей. Среди них особенно выделяется один - вентильно-индукторный (ВИП) или (в англоязычной литературе) - Switched Reluctance Drive ( SRD). Михаил Бычков, профессор, доктор технических наук, кафедра автоматизированного электропривода МЭИ В начале 80-х годов прошлого века в иностранной научно-технической информации появились материалы о новом типе электрической машины - SRM (Switched Reluctance Motor) и электрического привода на ее основе - SRD (SR Drive). 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. д. (рис. 1). По состоянию на 05.05.2007 в базе данных находится 15 848 записей, из которых 8679 патентов. Источником данных являются более 6500 исследований в расположенных по всему миру 1188 фирмах и институтах. В чем причины интереса, проявляемого к этому типу привода многими всемирно известными фирмами? В чем его достоинства и недостатки по сравнению с традиционными электроприводами? Каковы реальные достижения в его исследованиях, разработках и практическом применении за прошедшие 30 лет? Какие проблемы остались нерешенными и каковы дальнейшие перспективы? Попытаемся хотя бы кратко ответить на эти вопросы. На первый взгляд, ничего нового в принципе действия и конструкции вентильно-индукторной машины (ВИМ) не было, поскольку фактически все совпадало с одним из вариантов шагового двигателя (ШД) - реактивным (рис. 2). В отличие от большинства традиционных машин этот двигатель имеет магнитную систему с 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. При этом зубцовые пары для соседней фазы оказываются в частично рассогласованном положении, т. е. подготовлены к тому, чтобы при ее включении и отключении предыдущей повернуть ротор на угол шага, равный разности полюсных делений статора и ротора: , где ZR и ZS - число зубцов соответственно ротора и статора. Для показанной на рис. 2 конфигурации Последовательное переключение фаз позволяет повернуть ротор на заданное число шагов. Вопросы теории и практики дискретного электропривода с шаговыми двигателями детально рассмотрены в [1]. Этот тип двигателя (как, впрочем, и все остальные электрические машины) был изобретен еще в XIX веке, впервые практически применен в 20-х годах прошлого века и начал широко применяться с начала 60-х в периферийный устройствах ЭВМ (приводы считывающих головок дисководов, принтеры, графопостроители) и в так называемых приборных системах, требующих относительно небольшой мощности (от долей до сотен Вт), но достаточно высокой точности позиционирования. Для повышения точности разработчики ШД стремились уменьшить значение элементарного шага. Этого удалось добиться увеличением числа зубцов ротора до нескольких десятков и размещением таких же мелких зубцов на полюсах статора (рис. 3). Кроме того, несколько усложнилась конструкция ротора - два пакета имеют сдвиг зубцов на половину зубцового деления, а между ними размещается постоянный магнит, намагниченный в осевом направлении. Благодаря этому удалось уменьшить угол шага до 1,8, что соответствует 200 шагам на один оборот вала. Некоторые прецизионные ШД обеспечивают 500 или 1000 шагов за один оборот. Дальнейшее повышение точности было достигнуто уже средствами управления ШД - применением так называемого электрического дробления шага. Суть такого управления, называемого также микрошаговым, заключается в следующем. При одновременном возбуждении двух соседних фаз ротор фиксируется в положении, промежуточном между двумя согласованными положениями, число шагов увеличивается вдвое. Если в соседние фазы подавать разные по значению токи, то теоретически можно зафиксировать ротор в любом заданном положении. В реальных ШД с микрошаговым управлением точность ограничивается вариациями момента нагрузки, технологическими погрешностями изготовления и сборки деталей. Кроме того, имеются ограничения на частоту вращения и ускорение, которые частично устраняются за счет усложнения алгоритмов управления - программируемого разгона/торможения, компенсации момента нагрузки. Поскольку мощность ШД невелика, то при их работе вопросы эффективности электромеханического преобразования энергии отходят на второй план, а основное внимание уделяется точности воспроизведения заданных траекторий движения. Для достижения высоких динамических показателей ШД проектируются с максимальным отношением развиваемого момента к моменту инерции, но удельные показатели мощности на единицу общего объема и массы двигателя также имеют второстепенное значение. ВИП можно считать силовой версией ШД, но он должен обеспечивать режим непрерывного вращения, а его оптимальная конструкция не может быть получена просто пропорциональным увеличением размеров ШД. Создателем SRD принято считать профессора П.Лоуренсона. Основываясь на накопленном к тому времени опыте разработки и эксплуатации шагового электропривода, он первым перешел к освоению его силовой версии. Предпосылкой к этому служили разработка и освоение массового производства мощных полупроводниковых транзисторов, способных в ключевом режиме коммутировать токи в десятки, а теперь и в сотни ампер, при напряжении в сотни вольт. Кроме того, стремительно росли возможности микропроцессорных систем управления, снимая ограничения на сложность реализуемых алгоритмов. В совокупности это привело к освоению производства статических преобразователей частоты с высокими удельными и энергетическими показателями и массовому переходу от нерегулируемого к частотно-регулируемому электроприводу на базе традиционных асинхронных (АД) и синхронных двигателей (СД). Какие же потенциальные преимущества ВИП по сравнению с ПЧ-АД привлекли внимание исследователей и разработчиков? Начнем с очевидного. 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 произ-водству, 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, поскольку сила притяжения ферромагнитного якоря в электромагните не зависит от направления тока в катушке, фазы ВИМ питаются однополярными импульсами тока, что позволяет выбрать более надежную конфигурацию силовой схемы в сравнении с преобразователем частоты для асинхронного электропривода. Применение схемы несимметричного моста устраняет принципиальную возможность возникновения сквозных коротких замыканий в плече инвертора, не требует введения так называемого мертвого времени и компенсации его влияния на форму выходного напряжения, характерного для типовой трехфазной мостовой схемы инвертора, формирующего синусоидальные напряжения и токи за счет высокочастотной широтно-импульсной модуляции (ШИМ) интервалов работы силовых ключей. Питание фаз ВИМ прямоугольными импульсами напряжения устраняет необходимость в ШИМ, что уменьшает динамические потери в силовых транзисторах, улучшает условия их охлаждения, увеличивает КПД статического преобразователя. В-третьих, по мнению ряда авторов, основанном как на теоретических расчетах, так и на сравнении конкретных образцов двигателей, ВИП по основным массогабаритным и энергетическим показателям не уступает и даже превосходит частотно-регулируемый асинхронный привод. Это утверждение у скептиков вызывает наибольшее недоверие, поскольку их доводы основываются на известном факте, что синхронные реактивные двигатели традиционной конструкции имеют низкие энергетические и удельные показатели. Однако и сторонники ВИП в основном приводят только результаты сравнения, но не дают детального анализа причин получаемых преимуществ. Большое разнообразие структур магнитной системы ВИМ (различные отношения ZS/ZR - базовые варианты 6/4, 8/6, 10/8 и др., а также их мультипликация 12/8, 16/12 ...), возможность варьирования в достаточно широких пределах соотношений главных размеров машины, размеров и формы зубцов, различные способы коммутации фаз делают этот привод хорошо применимым как в низко- (сотни об/мин), так и высокооборотных (десятки тысяч об/мин) версиях. Благоприятные функциональные особенности и регулировочные свойства ВИП - большие моменты при низких скоростях, гибкое управление скоростью, простая реализация тормозных режимов вплоть до нулевой скорости и т. п. - делают этот привод весьма привлекательным для широкого класса применений. Наконец, ВИП имеет уникальную устойчивость к отказам отдельных элементов. Ни одна из традиционных электрических машин не может работать (по крайней мере, долго) с оборванной или закороченной фазой, поскольку в них существуют сильные магнитные связи между фазами статора, а отклонения от кругового вращающегося магнитного поля вызывают резкую асимметрию и возрастание токов в работающих фазах. 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 за счет увеличения нагрузки на оставшиеся фазы, если имеется надлежащий запас по допустимым токам фаз и силовых ключей. Выход из строя одного из силовых транзисторов в плече типового инвертора вызывает сквозное короткое замыкание источника питания, защитой от которого может быть только отключение привода. Поскольку в ВИП используется несимметричная мостовая схема, в плечах которой включены транзистор и диод, при отказе любого из них токовая защита по току источника может заблокировать работу неисправной фазы через отключение оставшегося работоспособным ключа, а ВИП будет продолжать работать. Информацию о разработках конкретных ВИП можно разделить на три категории: Прототипы и лабораторные установки для исследования собственно ВИП и его компонентов. Их чрезвычайно много, практически в каждой научной статье есть краткое упоминание об оборудовании, на котором осуществлялась экспериментальная проверка полученных результатов. Разработки для конкретных применений. Это информация о реализованных проектах с указанием конкретных технических характеристик установки и ее привода, но из контекста не всегда ясно, ориентирован ли результат на дальнейшее продвижение как товарная продукция или это единичные применения. Выпускаемая серийно продукция. Это информация о конкретных приводах или отдельных их компонентах, выпускаемых (или готовящихся к выпуску) как самостоятельный продукт, или об использовании ВИП в готовых изделиях, присутствующих на рынке. Опуская информацию о лабораторных установках, приведем некоторые примеры серийной продукции и конкретных применений. Фирма Switched Reluctance Drives Ltd. (SRDL, Harrogate, Великобритания; с 1994г. - 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 000об/мин (рис. 4). Привод SRDrive® 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 7,5-22 кВт, 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 (рис. 5) 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 (рис. 6). 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. В кухонном комбайне Smallfry нового поколения использован компактный привод, разработанный по технологии SR Drive® для бытовой техники (рис. 7). 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 (рис. 8) применены ВИП, произведенные по лицензии SRDL. Они позволяют точно согласовать потребляемую мощность с потреблением сжатого воздуха. Использована двухфазная машина с четырьмя катушками на статоре. Полевые испытания показывают увеличение среднего значения КПД и экономию эксплуатационных затрат более чем на 25% по сравнению с обычными воздушными компрессорами той же самой мощности, использующими ПЧ-АД. Двигатели Infin-A-Tek (рис. 9) 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 (по оценкам - примерно в 4 раза) 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. В качестве датчика положения используется оптопара. Работая совместно с бельгийской компанией Green Propulsion, которая специализируется в разработке прототипов более чистых транспортных средств, SRDrives создала два двигателя-генератора для трансмиссии гибридного типа, позволяющей снизить выделения углерода в транспортных средствах типа автобусов и мусоросборщиков. В параллельно-последовательной гибридной схеме (рис. 10(а), рис. 10(б)) двигатель-генераторы мощностью 50 и 160 кВт работают совместно с дизельным двигателем объемом 2,5 литра (уменьшенным против 7,5 литров в обычном автобусе). 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 (рис. 11). 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 SRDrive® 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 (рис. 12). 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 (7,3кВт против 2,3кВт) 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 (рис. 13) является ВИМ с частотой вращения 100 000об/мин, что в пять раз больше, чем у двигателя болида Формулы 1 (19 000об/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 1000г по сравнению с 1300г 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 1,5с, 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. Технология свободного от загрязнений электрического полета рассматривается во множестве программ Glenn Research Center NASA. Один из подходов состоит в осуществлении привода движущих вентиляторов или пропеллеров электродвигателями, питаемыми от топливных элементов, работающих на водороде. Для большого транспортного самолета обычные электродвигатели слишком тяжелы. Так как водородное топливо почти наверняка будет храниться в виде жидкости, приводной электродвигатель мог бы охлаждаться при температуре жидкого водорода этим топливом прежде, чем оно пойдет к топливным элементам. Обмотки двигателя могли бы быть сверхпроводящими или из обычных меди или алюминия с высокой степенью чистоты. При температуре жидкого водорода электрическое сопротивление чистых металлов может понижаться до 0,01 и даже менее их сопротивления при комнатной температуре. В обоих случаях в обмотках двигателя возможна намного более высокая плотность тока. Это приводит к более компактным двигателям, которые могут быть спроектированы на удельную мощность, превышающую более чем на порядок удельную мощность обычных больших двигателей. Чтобы поддерживать развитие криогенного моторо-строения, был разработан и встроен в криогенную установку доморощенный маленький двигатель (наружный диаметр - 7 дюймов) для работы в жидком азоте (рис. 14). ВИД может работать и при комнатной температуре, и в жидком азоте. При начальных испытаниях его использовали в двух вариантах: в жидком азоте при 11 000об/мин, при комнатной температуре при 16 000об/мин. Двигатель развивал мощность 10,6 кВт и момент 21 Ном. Работая только с собственной инерцией как нагрузкой, двигатель может ускоряться на холостом ходу от 500 до 8000 об/мин за 0,23с. Используемая при этом плотность тока 30A/мм2 недопустима при комнатной температуре в установившемся режиме (для комнатной температуры допустимая плотность тока 11A/мм2). Однако испытания в жидком азоте показали, что в установившемся режиме для катушек, специально сконструированных для хорошей теплопередачи, возможны максимальные плотности тока 100 A/мм2 (при 50%-ном рабочем цикле фазы). 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. Что же препятствует распространению ВИП, в чем заключаются проблемы его разработки и применения, каковы его недостатки и возможно ли их устранить? Сначала о недостатках. На первый взгляд, один из основных недостатков ВИМ заключается в том, что этот тип двигателя не может работать без электроники, его нельзя подключить непосредственно к источнику питания или промышленной сети. В недалеком прошлом это имело большое значение для обеспечения надежности работы привода, поскольку силовые транзисторы и электронные схемы систем управления уступали по показателям надежности электрическим машинам и были слабым местом в системе. Совершенствование технологии производства полупроводников, разработка IPM - силовых транзисторных модулей в интегральном исполнении с встроенными в корпус элементами системы управления (драйверами силовых ключей), переход к микропроцессорным системам управления позволили существенно увеличить интервал наработки на отказ электронной части привода и фактически устранили указанный недостаток. Этому способствовал также накопленный опыт массового применения систем ПЧ-АД (преобразователь частоты - асинхронный двигатель) взамен нерегулируемого привода. Вторым общепризнанным недостатком ВИП до недавнего времени был высокий уровень акустического шума и вибраций, вызываемых импульсами электромагнитных сил, действующих на зубцы статора и ротора, а также связанные с этим пульсации суммарного момента двигателя, ухудшающие функционирование привода на низких скоростях. В настоящее время и эта проблема может считаться решенной, поскольку совершенствование методов анализа и проектирования ВИМ, применение специальных конструктивных решений в сочетании с более совершенными законами управления позволило сгладить фронты возмущающих импульсов, формировать требуемое значение суммарного момента за счет управляемого перераспределения токов во включаемой и отключаемой фазах, снизить чувствительность механической конструкции двигателя к возбуждающим колебаниям. Примером может служить информация о том, что упоминавшаяся ранее стиральная машина Neptune с ВИП имеет самый низкий уровень шума в сравнении с альтернативными вариантами на базе системы ПЧ-АД. В определенных условиях недостатком является большее, чем в обычных электроприводах, число проводников, соединяющих выводы фаз двигателя с силовым преобразователем и системой управления. Сокращение числа соединительных проводников в ВИП достигается применением так называемых бездатчиковых способов управления, заменяющих сигналы с датчика положения ротора их аналогами, получаемыми из сигналов тока и напряжения в фазах двигателя, и использованием специальных схем соединения фазных обмоток, объединяющих часть выводов неработающих одновременно фаз. Такие схемы соединения обмоток позволяют также уменьшить число используемых силовых ключей, правда, за счет большей загрузки по току части из них. Радикальным решением проблемы является применение интегрированных конструкций силового преобразователя с двигателем, которые находят свое применение и в обычных электроприводах. Упоминавшееся ранее достоинство ВИП в устойчивости к различного рода отклонениям и возмущениям, обозначаемое как робастность, может проявляться и как своеобразный недостаток. В силу указанного свойства даже плохо спроектированный или изготовленный ВИП всегда будет работать, но его потребительские свойства будут далеки от оптимальных, причем причина этого не будет явно видна. Польстившись на простоту конструкции и не вникая в особенности протекающих физических процессов, не уделив должного внимания предварительному математическому моделированию желаемых режимов работы, оптимизации конструкции и законов управления ВИП, пользователь получит негативный опыт в попытке применения новой техники. ботчиков традиционных электрических машин и регулируемых электроприводов возникает проблема радикального изменения методик расчетов, выбора параметров, используемого математического аппарата. В значительной степени это связано со специфическими электромеханическими свойствами ВИМ, вызванными наличием существенных нелинейностей, явно выраженной дискретностью работы фаз, отличием основополагающего принципа работы ВИМ от концепции взаимодействия проводников с током и вращающегося магнитного поля, что лежит в основе всех традиционных методик анализа и синтеза электрических машин. Приведем конкретный пример. Каждый машинист знает, что насыщение магнитной системы машины является негативным фактором, непроизводительно увеличивает ток в обмотке и ограничивает рост выходной мощности. Но для ВИМ локальное насыщение зоны перекрытия зубцов играет положительную роль, увеличивая эффективность электромеханического преобразования энергии, расширяя предел создаваемых моментов, улучшает удельные массогабаритные показатели. Рассмотрение даже на качественном уровне влияния указанных особенностей ВИП на его потребительские свойства потребует применения для анализа упрощенного математического описания электрических и магнитных цепей и детального рассмотрения электромагнитных процессов, протекающих на периоде коммутации одной фазы. Это выходит за рамки данной статьи и будет сделано в ее продолжении, посвященном алгоритмам и системам управления ВИП. Следует заметить, что проблема освоения и дальнейшего развития методик анализа и синтеза ВИП является скорее психологической, чем научно-технической, поскольку объем уже выполненных научных исследований, разработанных и испытанных опытных образцов, полученных теоретических и экспериментальных результатов столь велик, что позволяет найти необходимую информацию по практически любому вопросу. Достаточно детальный и систематизированный обзор проведенных исследований и основных полученных результатов содержится в [2]. Непосредственным инструментом исследований и разработок в области ВИП, например, может служить специализированное программное обеспечение PC-SRD, являющееся частью CAD SPEED SOFTWARE (www.speedlab.co.uk), разработанного в университете г. Глазго (Шотландия). Завершая краткий обзор современного состояния разработок ВИП и переходя к оценке перспектив, необходимо упомянуть о некоторых проблемах не технического, а скорее экономического плана, сдерживающих его распространение. Уже существует огромное число установленных в различном оборудовании асинхронных двигателей и двигателей с постоянными магнитами. На разработку, практическую реализацию и поддержку эксплуатации систем с ПЧ израсходованы огромные финансовые средства, в результате чего это техническое решение фактически доведено до совершенства. При близких технических показателях ВИП и традиционных приводов в конечном счете решающим фактором является цена изделия. Затраты на разработку и освоение нового производства и относительно небольшой объем выпуска на начальных этапах производства увеличивают цены ВИП и снижают его конкурентоспособность по сравнению с оборудованием, уже имеющимся на рынке. Техническая база ВИП может в значительной степени использовать уже готовые детали и узлы обычных электрических машин, элементы управляющей и силовой электроники, что создает предпосылки для снижения цены готового изделия. Однако отсутствие IPM с требуемой конфигурацией внутренней схемы в виде несимметричного моста приводит к необходимости применения вместо одного двух типовых IPM, в которых не используется половина силовых ключей, или собирать силовую схему на дискретных компонентах. Такое решение резонно на этапе создания прототипов и опытных образцов, но неприемлемо при массовом производстве. В то же время нет никаких технических препятствий для производства интеллектуальных силовых модулей с нужной топологией. Просто производители силовых модулей не заинтересованы в этом, пока нет массового спроса на новые элементы, а есть постоянный спрос на освоенную продукцию. Единственным известным исключением является однофазный смарт-модуль SRM-SPM на 600 В, 50 А (тип FCAS50SN60), разработанный фирмой Fairchild semiconductor для применения в ВИП для бытовых пылесосов. Анализ известных применений ВИП и его электромеханических свойств позволяет предположить, что дальнейшее развитие в первую очередь найдут применения, где обычным двигателям трудно или невозможно обеспечить требуемые режимы. Прежде всего, это низкооборотные, но высокомоментные приводы, позволяющие в ряде случаев исключить механический редуктор, чем упростить конструкцию механизма, а также высокооборотные приводы в металлообработке, лабораторном оборудовании, бытовой технике. В первом случае эксплуатируется свойство ВИП - при простом токовом управлении создавать требуемый момент вплоть до нулевой скорости, во втором - предельно простая и прочная конструкция ротора, позволяющая выдерживать огромные механические напряжения, возникающие из-за центробежных сил на высоких скоростях. В [3, 4] приводятся мнения специалистов разных фирм по перспективам применения ВИП в различных отраслях. По мнению компании Baldor Electric, успешное применение ВИП чрезвычайно зависит от специфики его использования в различных отраслях техники. Применение ВИП в автомобильной отрасли находится на начальной стадии - утверждает представитель компании Dana Corp. г-н. Hickey. Как удачный пример упоминается стартер-генератор, который на 40% эффективнее существующих автомобильных генераторов переменного тока. Но есть и пессимистические оценки. Шведская фирма Emotron указывает на снижение интереса к ВИП. Пока не представлено ничего решительно нового, существующие асинхронные и бесконтактные двигатели постоянного тока с магнитами будут основными альтернативами для большинства пользователей . Компания также полагает, что некоторые сомнительные маркетинговые действия повредили образу ВИП. Интенсивный маркетинг с большими обещаниями некоторых игроков на рынке ВИП оставил многих потенциальных потребителей разочарованными и с недоверием к ВИП, что будет трудно преодолеть . Тем не менее Emotron видит ВИП-технологию и ее продукты как важную часть своего бизнеса в электроприводе, продолжает совершенствовать существующие и разрабатывать новые применения для OEM. Как дальше будет развиваться ВИП-технология, покажет время. В любой ситуации можно смело утверждать, что еще долгое время ВИП будет интересным объектом научных изысканий, предметом применения последних достижений в анализе и синтезе сложных электромеханических систем средствами компьютерного моделирования. Достижение абсолютного знания требует бесконечного времени... Может быть, все закончится тогда, когда будет решена задача, которую достаточно четко можно сформулировать уже сегодня: оценить предельные возможности ВИП и сравнить их с показател
Комментариев нет:
Отправить комментарий