НОВЫЕ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ

Виноградов Константин Михайлович

к.т.н., доцент ЮУрГУ, г. Челябинск

Е-mail: kasoft@mail.ru

При поддержке Совета по Грантам при Президенте РФ для государственной поддержки молодых ученых кандидатов наук.

Совершенствование технологии производства повышает требования к современному регулируемому электроприводу. Эти требования: большая перегрузочная способность, расширенный диапазон регулирования скорости (до 103–104), высокие динамические характеристики, интенсивное использование активных материалов, малые потери при простоте конструкции электрической машины, – могут быть обеспечены только в рамках системного подхода к разработке вентильного электропривода. При этом должны повышаться технологичность изготовления машины и исключаться затраты на дефицитные материалы, а качество регулировочных и энергетических характеристик электропривода должно повышаться. Всем вышеназванным требованиям удовлетворяет электропривод с синхронной реактивной машиной независимого возбуждения (СРМНВ). Если при конструировании электроустановки обратить большее внимание на новые типы электрических машин и в комплексе “преобразователь – двигатель” проектировать не преобразователь под традиционный двигатель с синусоидальным напряжением на статоре, а попытаться учесть особенности совместной работы электрической машины с источником питания, то можно добиться хороших результатов. Особое место в этом ряду занимают синхронные реактивные машины с независимым возбуждением (СРМНВ), которые характеризуются крайней простотой конструкции, не содержащим обмоток ротором, высоким КПД, большими удельными и перегрузочными моментами.

К синхронным реактивным машинам проявляется повышенный интерес из-за простоты их конструкции и технологичности изготовления. В электрических машинах, имеющих традиционный “гладкий” статор и распределенную трехфазную обмотку, обычно стремятся увеличить отношение величины продольной индуктивности машины к поперечной. Это достигается или специальной формой штампа пакета ротора или продольной его шихтовкой [1; 2]. В явнополюсной синхронной машине роль обмотки  возбуждения может выполнить и обмотка, размещенная в пазах статора, если, во-первых, ее витки находятся напротив межполюсного промежутка ротора и, во-вторых, эта обмотка имеет полный шаг.

В электродвигателе одни и те же катушки обмотки статора поочерёдно выполняют роль то рабочих обмоток, то обмоток возбуждения. Если электрическая машина предназначена для работы в генераторном режиме, ключи коммутатора, подключенного к рабочим обмоткам, работают в режиме естественной коммутации. Поэтому можно разделить цепи рабочих обмоток, которые не требуют искусственной коммутации вентилей и, следовательно, могут быть подключены к неуправляемому выпрямителю, и цепи обмоток возбуждения, которые подключаются на выход управляемого преобразователя. Тем самым удаётся снизить габарит последнего. Наибольший выигрыш наблюдается в электромеханических установках, имеющих малое напряжение, например, 12 или 28 В (бортовая сеть летательных аппаратов, автомобилей, тракторов, вездеходов).

Экспериментальные исследования позволили уточнить физику работы синхронной реактивной машины независимого возбуждения и сравнить её характеристики с другими электрическими машинами. Опытные исследования проводились на ряде электрических машин, отличающихся числом пар полюсов, номинальной мощностью. Результаты эксперимента показали, что рассматриваемый вариант реактивной машины с независимым возбуждением с учётом пульсаций лишь немного (примерно на 10%) уступает синхронному двигателю с обмоткой возбуждения на роторе. Каких-либо признаков ограничения  (насыщения) величины момента от тока вследствие насыщения при больших перегрузках не наблюдалось, что следует признать большим преимуществом рассматриваемого электропривода при работе с механизмами, характеризующимися большими перегрузками по моменту. Экспериментальное сопоставление удельных силовых показателей асинхронного двигателя и СРМНВ при равных линейный нагрузках статора показало, что во втором варианте двигатель развивает момент примерно на 20% больше, чем асинхронный двигатель [4].

В [5] указывается на ещё большие (до 68 %) превышения величины номинального момента синхронной реактивной машины по сравнению с асинхронным двигателем, однако этот результат достигался преднамеренным увеличением линейной нагрузки статора и удлинением его пазов, чтобы в конечном итоге сравнить две машины с равными суммарными (в обмотках статора и ротора) потерями в меди.

Исходя из того, что СРМНВ по функциональным и конструктивным признакам подобна наиболее распространенным типам электрических машин, была предложена методика её электромагнитного расчета с использованием современных типовых расчетов серийных электрических машин традиционных типов [1; 3]. Выбор главных геометрических размеров рекомендуется проводить, как в обычных асинхронных машинах. Силовая обмотка рассчитывается по аналогии с машинами постоянного тока. Обмотка якоря выполняется с полным шагом. Расчет зубцовой зоны выполняется по аналогии с машинами переменного тока. Полюс ротора рассчитывается по аналогии с полюсом ротора синхронной явнополюсной машины, особенностью СРМНВ в этом случае является равномерный воздушный зазор вдоль полюсной дуги. Расчет магнитной цепи при холостом ходе проводится по аналогии с машинами переменного тока, при этом учитывается отсутствие в СРМНВ обмотки на роторе. Реакция якоря под нагрузкой и МДС обмотки возбуждения рассчитываются по методике, принятой для машин постоянного тока [3].

Электроприводы с СРМНВ требуют датчиков положения ротора, но схемы управления получаются такие же простые, как в электроприводах постоянного тока.

Возможность реализации больших перегрузочных моментов, эффективное использование активных материалов при простой системе управления делает электропривод с СРМНВ серьезным конкурентом лучшим традиционным регулируемым электроприводам переменного тока. По мере развития и совершенствования полупроводниковой элементной базы сфера применения этого электропривода будет расширяться.

При работе СРМНВ в генераторном режиме полезно отметить ряд преимуществ. Массивный ротор, обеспечивая достаточные жёсткость и механическую прочность, позволяет иметь угловые скорости вращения в десятки тысяч оборотов в минуту. Автономные установки для производства электроэнергии, как правило, эксплуатируются в тяжелых условиях, поэтому бесконтактное исполнение генератора является часто не только желательным, но обязательным условием конструирования. Известны разные варианты конструкции электрических генераторов для автономной сети.   Обычно питание бортовой сети транспортных средств осуществляется от параллельно включенных аккумуляторной батареи и генератора постоянного тока, который приводится во вращение от двигателя внутреннего сгорания. В качестве основного источника электроэнергии применяются коллекторные генераторы постоянного тока, а также вентильные генераторы, имеющие ротор с постоянными магнитами. Наличие щеточно-коллекторного узла является главным недостатком коллекторных генераторов и приводит к снижению срока службы генератора, меньшей надежности, неблагоприятным массогабаритным характеристикам. Генераторы с постоянными магнитами характеризуются сложной технологией изготовления, нестабильностью параметров, повышенной мощностью устройств стабилизации выходного напряжения, большой стоимостью. Цепи рабочих обмоток в СРМНВ могут быть выполнены как по общеизвестной трехфазной мостовой схеме, так и по схеме «звезда – обратная звезда» с уравнительным реактором. Хотя второй вариант и приводит к некоторому увеличению обмоточной меди, но при том же числе вентилей, что и в мостовой схеме, позволяет получить двойной выпрямленный ток при в два раза меньшем суммарном падении напряжения на вентилях выпрямительной схемы, что актуально для электроэнергетических установок, имеющих малое напряжение бортовой сети. Цепи возбуждения могут быть выполнены так же, как типовые схемы силовых цепей вентильно-индукторных двигателей.

Простота конструкции обеспечивает высокую технологичность изготовления электрической машины, бесконтактное исполнение в сочетании с «холодным» не содержащим обмоток ротором повышает надежность работы подшипников и всей машины, возможность выполнить ротор массивным (т.е. полюса ротора и вал из одной цельной заготовки) существенно повышают его прочность и поперечную жесткость, что позволяет получать высокие угловые скорости и большие перегрузки по моменту.

Список литературы:

1.            Вольдек А.И. Электрические машины: Учебник для вузов. – Л.: Энергия, 1974. – 840 с.

2.            Кононенко Е.В. Синхронные реактивные машины. – М.: Энергия, 1970.

3.            Проектирование электрических машин: Учеб. для вузов / И.П. Копылов, Б.К. Клоков, В.П. Морозкин, Б.Ф. Токарев; Под ред. И.П. Копылова. – 3-е изд., испр. и доп. – М.: Высш. шк., 2002. – 757 с.

4.            Электропривод с синхронным реактивным двигателем независимого возбуждения / Ю.С. Усынин, Н.Д. Монюшко, М.А. Григорьев, Г.В. Караваев // Вестник ЮУрГУ. – 2001. – № 4 (04). – Серия «ЭНЕРГЕТИКА», Выпуск 1. – С. 70 – 76.

5.            Law J.D., Chertok A., Lipo T.A. Design and Performance of Field Regulated Reluctance Mashine // IEEE Trans. on  Industry Applications. 1994,  № 5. – р. 1185–1193.