Электроприводы постоянного тока

Переход от нерегулируемого электропривода в массовых агрегатах (насосы, вентиляторы, ком­прессоры, транспортеры, конвейеры и т.п.) к ре­гулируемому стал очевидной и преобладающей тенденцией в 80-е годы ХХ в.

Преимущества регулируемого электроприво­да: повышение качества обслуживаемого техно­логического процесса, экономия электроэнергии до 30 % (в насосах и вентиляторах – до 50 %), сни­жение износа механического оборудования за счет «мягкой» динамики и пр. – были, разумеет­ся, известны специалистам и ранее, однако его широкое коммерческое применение сдержива­лось отсутствием необходимой элементной базы.

Практически единственным регулируемым был электропривод постоянного тока, который использовался в тех­нологиях, неосуществимых без электрического регулирования координат (металлургические аг­регаты, привод подачи станков, агрегаты бумаж­ного производства и т.п.). Для абсолютного большинства массовых общепромышленных агре­гатов электропривод посто­янного тока был экономически нерационален; в этой сфере преобладал (составлял более 95 %) не­регулируемый электропривод на основе асинх­ронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором.

В 60-е годы ХХ в. с появлением транзисторов разви­тие получил электропривод с шаговыми двигате­лями, однако специфика элементной базы того времени позволяла применять его лишь в области малых мощностей – в приборных и им подобных системах.

Радикальные изменения начались в 80-е годы: осознание необходимости в регулируемом элект­роприводе вызвало разработку техниче­ских средств, необходимых для его коммерчески оправданного осуществления, – силовых полно­стью управляемых ключей (транзисторов) и эф­фективных средств управления ими.

Успехи сило­вой и информационной электроники, громадные инвестиции в эту сферу в зарубежных странах оказали революционное влияние, в первую оче­редь, на массовый асинхронный электропривод: на рынке появились доступные и весьма эффек­тивные преобразователи частоты для работы с короткозамкнутыми асинхронными электродви­гателями массовых серий.

Асинхрон­ный электропривод

Процесс перехода к регулируемому асинхрон­ному электроприводу сопровождался на практи­ке рядом трудностей, характерных для появления новой техники. Трудности были связаны как с появлением на рынке безответственных произво­дителей новых преобразователей частоты, так и с неквалифицированным применением преобразо­вателей в конкретных установках. Современные преобразователи частоты – весьма сложные и наукоемкие устройства высоких технологий – оказывались дискредитированными, когда за их изготовление брались фирмы, не имеющие необ­ходимой научной базы и опыта. Были и другие примеры, когда хорошие устройства использова­лись без достаточного обоснованя, и не давали ожи­даемого эффекта.

Другим более серьезным препятствием широ­кому внедрению частотно-регулируемого элект­ропривода была и остается сравнительно высо­кая стоимость преобразователей частоты (около 100 долл./кВт в диапазоне мощностей 10 –  50 кВт), что приводило и приводит к желанию заменить преобразователь частоты более дешевым устройством.

Так, для насосов, работа­ющих в продолжительном режиме, предлагалось использовать тиристорный регулятор напряже­ния. Очевидное препятствие для использования тиристорного регулятора – резкое сниже­ние допустимого момента с уменьшением скорости – компенсировалось за­вышением в 2 – 2,5 раза установленной мощности дви­гателя, повышенным номинальным скольжением (увеличенным сопротивлением беличьей клетки двигателя), принудительным отводом тепла. Де­тальный сопоставительный теоретический анализ, а затем и практика показали несостоятель­ность таких решений.

Следует подчеркнуть, что тиристорные регу­ляторы напряжения, широко используемые в ми­ровой практике для управления переходными процессами, – очень полезные устройства, к со­жалению, незаслуженно мало применяемые для этой цели в России. Ошибочной была попытка использовать эти устройства лишь для регулиро­вания скорости в продолжительном режиме.

Эффективность час­тотно-регулируемого электропривода очевидна в массовых применениях, в частности, в насосных станциях систем водоснабжения зданий. Их мониторинг в течение длите­льного времени показал, что экономится до 50 % электроэнергии, до 25 % воды за счет сокращения утечек и до 10 % тепла в системах горячего водо­снабжения.

Европейские специалисты считают, что про­гнозируемое увеличение установленной мощно­сти на 240 ТВт до 2010 г. будет примерно на 60 % (на 150 ТВт) покрыто за счет энергосбережения средствами частотно-регулируемого электропри­вода. Американские специалисты оценивают потребность в регулируемом электроприводе как 50 % от всех работающих электроприводов, хотя в настоящее время это всего лишь 5 – 10 %. Энергоаудит показывает, что дополнительные затраты окупаются в преде­лах одного года.

Вентильно-индукторный элект­ропривод (ВИП)

Стремительное развитие частотно-регулируе­мого асинхронного электропривода, практически полное вытеснение им электроприводов постоян­ного тока (их доля в классе регулируемого элект­ропривода уменьшилась примерно до 15 % в 2000 г.), появление усовершенствованных вер­сий (векторного управления, прямого управле­ния моментом и др.) вызывают естественный вопрос: могут ли быть конкуренты в сфере мас­совых технологических установок у столь успеш­но прогрессирующего технического решения? Анализ и опыт показывают: могут и уже есть. Это так называемый вентильно-индукторный привод (ВИП) или Switched Reluctance Drive (SRD) в английском языке.

Вентильно-индукторный электропривод, представленный в 80-е годы ХХ в. проф. П. Лоуренсоном (г. Лидс, Великобритания), является про­должением и развитием в силовом варианте раз­работанного ранее шагового электропривода и обязан своим появлением, как и частотно-регу­лируемый асинхронный электропривод, успехам силовой и информационной электроники.

ВИП состоит из электриче­ской машины, электрического преобразова­теля – коммутатора, получающего питание от неуправляемого выпрямителя  через конденса­тор, и блока управления, подающего управ­ляющие сигналы на транзисторы – ключи ком­мутатора. В некоторых версиях ВИП имеется датчик положения ротора, связанный с блоком управления.

Принципиальные отличия ВИП от электроприводов других типов заключаются в конструк­ции электрической машины (именно это отличие принципиально обеспечивает ВИП высокую кон­курентоспособность) и в блоке управления – микропроцессорном устройстве с весьма слож­ным программным обеспечением. Эти отличия в настоящее время ограничивают использование ВИП на практике.

Преимущества машины ВИП в сравнении с машинами любых других типов, в том числе с наиболее распространенными асинхронными ма­шинами, очевидны:

· предельная простота и технологичность кон­струкции при любом числе полюсов и фаз;

· отсут­ствие операции заливки беличьей клетки ротора или оснащения ротора дорогостоящими и нетех­нологичными постоянными магнитами;

· холодный ротор, не несущий обмоток, и, как следствие, холодные подшипники; основные по­тери выделяются в катушках статора и легче от­водятся;

· высокотехнологичные, изготавливаемые на станке катушки-обмотки статора;

· упрощение операции пропитки: пропитываются только ка­тушки статора, а не весь статор, как в асинхрон­ных машинах;

· высокая ремонтопригодность – простая заме­на катушек;

· простая утилизация – разделение железа и меди;

· стоимость производства (главное преимущество) примерно в три раза меньше, чем машин с постоянными магнитами, и в два раза меньше, чем асинхронных машин с короткозамкнутым ротором.

При несомненных достоинствах вентильно-индукторных машин обнаружились и некоторые недостатки: трудно обеспечить одинако­вые характеристики для всех зубцов при ве­сьма малом воздушном зазоре, центровку ротора и др.

Реализация эффективного бездатчикового управления, разуме­ется, требует применения современных микро­процессорных средств и весьма сложного про­граммного обеспечения. Все это, как отмечалось, является существенным барьером на пути широкого использования ВИП, хотя стремительное развитие информационной электроники и связан­ной с ней инфраструктуры позволяет надеяться, что этот барьер в недалеком будущем не будет казаться непреодолимым.

Основной итог исследований: вентильно-индукторный электропривод, несомнен­но, перспективен, трудности в его реализации преодолимы. Очевидны и препятствия к его ши­рокому использованию в сравнении с частот­но-регулируемым асинхронным электроприво­дом:

· первое и главное – асинхронный электро­привод может работать в нерегулируемом режи­ме без преобразователя частоты; ВИП этим каче­ством не обладает в принципе;

· второе – частот­но-регулируемый электропривод стал привыч­ным для громадного числа потребителей, пре­красно обеспечен элементной базой и качествен­ным программным продуктом; вентильно-индукторному электроприводу это только предстоит. Именно этим объясняется сравнительно неболь­шое число коммерческих применений: от­мечены лишь 16 фирм Японии, США, Велико­британии, Швеции, Италии, успешно использо­вавших ВИП в электрических транспортных средствах, стиральных машинах, насосах, комп­рессорах, кондиционерах, механизмах общепро­мышленного назначения.

Для ряда областей, в частности для электриче­ского транспорта с источником питания в виде батареи или сети постоянного тока, в генератор­ных установках и бытовой технике, ВИП облада­ет очевидными преимуществами и, по-видимому, в ближайшем будущем найдет здесь широкое применение.

Электроприводы с машинами, использую­щими постоянные магниты

Заметное место в современной практике зани­мают электроприводы с машинами, использую­щими постоянные магниты:

· синхронные;

· с бесконтакт­ными двигателями постоянного тока,

· с вентильны­ми двигателями и др.

Общий признак указанных электроприводов – небольшая мощность (до единиц киловатт) и относительно высокая стоимость, что связано с применением высококачественных постоянных магнитов на основе самария-кобаль­та и других редкоземельных металлов.

Отмечен­ные особенности, а также высокие технические показатели таких электроприводов определяют области их применения:

· металлорежущие станки;

· робототехнические комплексы;

· маломощные аг­регаты бытовой техники;

· легкие транспортные средства и т.п.

По-видимому, в ближайшем буду­щем сфера применения электроприводов, исполь­зующих постоянные магниты, не будет расширя­ться, и они не составят конкуренции асинхронно­му электроприводу в массовых общепромышлен­ных механизмах, а в легких транспортных средст­вах могут уступить позиции вентильно-индукторному электроприводу.

В таблице 1.3 приведены некоторые главные осо­бенности рассмотренных регулируемых электроприводов и характерные или перспектив­ные области их применения. Итак, электропривод с машинами постоянно­го тока, бывший до 80-х годов основным типом регулируемого электропривода, уступает пози­ции быстро прогрессирующему частотно-регули­руемому электроприводу.

Остается совсем не­много областей техники, в которых его примене­ние выгодно отличается от успешного конкурен­та:

· во-первых, это широко известная система «ге­нератор – двигатель» (Г – Д), все еще пользующаяся спросом у практиков благодаря легкости управ­ления координатами и отличному взаимодейст­вию с питающей сетью;

· во-вторых, это, к сожа­лению, менее известный многодвигательный электропривод «медленных» технологических линий, транспортирующих длинномерный мате­риал (нить, полосу, ленту, жилу кабеля и т.п.), об­рабатываемый с заданной скоростью и натяже­нием на каждом участке. Система «источник тока – двигатели постоянного тока», управляе­мые по цепям возбуждения, выгодно отлича­ется по показателю «цена/качество» от любых самых современных технических решений.

Частотно-регулируемый асинхронный элект­ропривод (ЭП), очевидно, будет продолжать совершен­ствоваться за счет разработки специальных дви­гателей, предназначенных для частотного регули­рования, за счет развития эффективных алгорит­мов векторного управления, прямого управления моментом и т.п., использования для связи с сетью управляемого «активного» выпрямителя, а также применения новых неисчерпаемых возможностей микропроцессорной техники и современных ин­формационных сетей для интеллектуализации электроприводов и более глубокой и полной ин­теграции их с технологическим оборудованием.

Таблица 1.3