ITC. Современное направление совершенствования электроприводов

Качественный скачок в направлении создания высокоэффективных приводов для различных машин и оборудования обозначен разработкой интеллектуальных электромеханических преобразователей энергии, которые одновременно осуществляют и преобразование энергии, и управление им.

Эти устройства представляют собой, с одной стороны, электрическую машину, а с другой – интегрированную систему регулируемого электропривода.

В определённом смысле такой электропривод отражает эволюционный ход развития электромеханики.

Отличительной особенностью таких электродвигателей является их роторы, в которых установлены постоянные магниты.

В асинхронных двигателях (АД) напряжение подаётся на обмотку статора, магнитное поле которого воздействует на короткозамкнутую обмотку ротора, индуцирует в ней ток, создающий свое магнитное поле. Взаимодействие этих магнитных полей обеспечивает вращение ротора двигателя.

В вентильных электродвигателях (ВД) с постоянными магнитами нет расхода мощности на передачу энергии ротору и соответствующих потерь, которые есть в короткозамкнутой обмотке роторов асинхронных электродвигателей, в связи с чем их КПД выше КПД асинхронных двигателей, а значения рабочих токов и токов холостого хода – ниже.

Вращение вентильного электродвигателя обеспечивается подачей напряжения на секции (фазы) обмотки статора по специальному алгоритму от станции управления с помощью полупроводникового коммутатора, управляемого сигналами, позволяющими выявить положение ротора по отношению к статору (положение магнитной оси ротора по отношению к эквивалентной магнитной оси статора).

Система управления вентильным электродвигателем представляет собой переключающее устройство, состоящее из полупроводниковых ключей, предназначенных для согласования коммутации фаз вентильного электродвигателя по сигналам, выявляющим это положение.

Производство таких электродвигателей начало интенсивно развиваться с семидесятых годов прошлого века. В соответствии с международной классификацией эти двигатели называются Синхронными Электродвигателями с Постоянными Магнитами (СДПМ) (Permanent Magnet Synchrronous Motor (PMSM). В России такие электродвигатели называются вентильными (ВД) (Selfcontrolled Synchronous Motor). Их особенностью является то, что система управления является неотъемлемой частью процесса преобразования энергии.

В отличие от регулируемого привода с асинхронным электродвигателем вентильный электродвигатель не является самодостаточным. Он не может работать без преобразователя частоты и системы управления. «Вентильные двигатели являются электромеханическими преобразователями энергии, которые 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, вентильный электродвигатель дает возможность осуществлять управление этим процессом в соответствии с особенностями конкретной нагрузки: регулировать частоту вращения, момент, мощность, что существенно повышает технологические возможности при эксплуатации оборудования.

Создание и широкое внедрение таких двигателей стало возможным с появлением на рынке высококоэрцитивных постоянных магнитов из сплавов редкоземельных металлов с относительно высокими удельными энергиями.

В России вентильные электроприводы и специализированные СДПМ производятся серийно с 1980–х гг. Однако ввиду дефицита магнитных материалов с высокими энергетическими показателями (индукция и коэрцитивная сила) и проблем, связанных с организацией производства относительно дешёвых систем управления, в те годы такие приводы выпускались, в основном, для нужд ВПК. Несмотря на очевидные преимущества СДПМ и положительный опыт их использования, в период принятия решения о целесообразности разработки вентильных приводов для погружных нефтяных насосов (середина 90–х), среди специалистов, занимающихся разработкой электроприводов общего назначения, не было однозначного мнения о целесообразности широкого использования СПДМ в общепромышленной технике. В качестве альтернативного решения задачи повышения энергоэффективности электрических приводов предлагался оптимизированный АД для работы в системе частотно–регулируемого привода.

Аргументы «против» СДПМ Аргументы «за» СДПМ
Повышение КПД частотно – регулируемых асинхронных приводов обеспечивают специальные АД , предназначенные для работы в системе частотно–регулируемых приводов. Асинхронные двигатели с повышенными энергетическими характеристиками сохраняют все недостатки, присущие асинхронным приводам.
Эксплуатация СДПМ возможна только при их постоянной работе от преобразователей частоты, которые увеличивают потери в приводе. СДПМ имеет существенно более высокие энергетические показатели по сравнению с асинхронным двигателем, в итоге КПД системы ПЧ–СДПМ выше, чем АД, работающим непосредственно от сети. СДПМ обеспечивают лучшие энергетические характеристики по сравнению с АД при широких диапазонах регулирования.
В случае выхода из строя элект¬ронного преобразователя частоты СДПМ не смогут работать от сети в аварийном режиме. СДПМ рассматривается как альтернатива АД с ПЧ. Эти АД также не способны в аварийном режиме работать не¬посредственно от сети.
Низкая механическая прочность и коррозионная стойкость наиболее распространённых магнитных материалов – сплава «Ниодим–железо – бор», значительная температурная зависимость высокоэнергетических постоянных магнитов ограничивает их применение. Современные конструкции роторов СДПМ с внутренним расположением магнитов надежно защищают их от механических повреждений и воздействия окружающей среды. Допустимо применение стабильных и высокотемпературных магнитов, например, на основе Sm–Co.
В СДПМ используются магниты из редкоземельных металлов, в основном, из неодима и самария, составляющих не менее 3–5% от общего количества активных частей. Их геологические запасы относительно незначительны, поэтому производство СДПМ ограничено временными рамками. Запасы неодима в земной коре составляют 0,0037%, а содержание меди – 0,0047%, что соизмеримо.

В СДПМ расход активных материалов (медь, электротехническая сталь), примерно, вдвое меньше, чем в АД, поэтому их запасов хватит на время, не меньшее, чем для производства энергоэффективных АД

В последние годы в России работы по созданию СДПМ интенсифицировались: проектированием и изготовлением таких двигателей занимаются ЗАО "Машиноаппарат» (г. Москва), ОАО «ЧЭАЗ» (г. Чебоксары), ОАО «КБ ПА», (г. Ковров), ЗАО «СЗЭМО», ( г. Санкт–Петербург), Новосибирский государственный технический университет, ОАО «НТЦ «Завод Ленинец», ОАО «Завод Электропульт», а также некоторые другие предприятия. Эти предприятия ведут разработки опытных образцов СДПМ и производят, в основном, серводвигатели небольшой мощности.

Несмотря на достигнутые результаты, дискуссии о перспективности СДПМ продолжаются, поэтому в России до настоящего времени нет серийного производства общепромышленных СДПМ средней и большой мощности (кроме погружных), в отличие от стран, в которых производятся такие двигатели мощностью до 2500 кВт с диапазоном частот вращения от 25 до 8000 об/мин (АВВ, Rexroth Bosch Group, SIEMENS, Baumuller, General Electric). Десятки зарубежных фирм производят СПДМ небольшой мощности (серводвигатели).

Увеличение объёмов использования СПДМ в мире не означает, что они в обозримом будущем полностью заменят асинхронные электродвигатели АД во всех машинах и оборудовании. Замена АД на СПДМ целесообразна, прежде всего, в оборудовании, в котором недостатки электроприводов на основе АД не позволяют обеспечить оптимальный режим технологического процесса. Анализ технических параметров СДПМ, выпускаемых ведущими зарубежными производителями, позволил определить нишу, в которой эти приводы имеют неоспоримые преимущества перед асинхронными двигателями с регулируемой частотой вращения:

  • более высокие значения КПД в широком интервале нагрузок и частот вращения;
  • высокая удельная мощность и моменты;
  • обеспечение регулирования частоты вращения в широком диапазоне (от 50 об/мин) с постоянным высоким моментом.