Современное состояние и перспективы развития вентильно-индукторного электропривода

Аннотация

В этой статье дан анализ современного состояния и перспектив дальнейшего развития ВИП. Также была рассмотрена структурная и электрическая схема ВИП. В заключительной части статьи приведены примеры применения технологии ВИП в различных отраслях.

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) [1].

Вентильно-индукторный электропривод, представленный в 80-е годы XX 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 представляет собой достаточно сложную электромехатронную систему, структурная схема которой приведена на Рисунке 1 [2]. 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. Электрическая схема ВИП приведена на Рисунке 2 [3].

В некоторых версиях ВИП имеется датчик положения ротора, связанный с блоком управления.

Принципиальные отличия ВИП от электроприводов других типов заключаются в конструкции (Рисунок 3) [4] 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:

1. предельная простота и технологичность конструкции при любом числе полюсов и фаз;
2. отсутствие операции заливки беличьей клетки ротора или оснащения ротора дорогостоящими и нетехнологичными постоянными магнитами;
3. холодный ротор, не несущий обмоток, и, как следствие, холодные подшипники;
4. высокотехнологичные, изготавливаемые на станке, катушки и обмотки статора;
5. упрощение операции пропитки: пропитываются только катушки статора, а не весь статор, как в асинхронных машинах;
6. высокая ремонтопригодность - простая замена катушек;
7. простая утилизация - разделение железа и меди;
8. 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 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 [5].

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

Наиболее целесообразно использовать ВИД в качестве электропривода механизмов, в которых по условиям работы требуется осуществление регулирования в широком диапазоне частоты вращения [6]. Примером здесь могут быть электроприводы станков с числовым программным управлением и промышленных роботов. Эффективность использования ВИД существенно повышается, если необходимость регулирования частоты вращения сочетается с тяжелыми условиями работы, как это имеет место быть в электроприводах для металлургии, горнодобывающей промышленности и подвижного состава электрического транспорта. В промышленности есть большой класс устройств и механизмов, использующих нерегулируемый электропривод, где энергетическая эффективность существенно возрастает при использовании регулируемого электропривода. К таким устройствам, прежде всего, относятся компрессоры, насосы и вентиляторы. Использование здесь ВИД является весьма перспективным. Не менее перспективно применение ВИД в бытовой технике: стиральных машинах, пылесосах, кухонных комбайнах и электроинструментах. ВИД представляет собой относительно новый тип электромеханического преобразователя энергии, поэтому его продвижение на рынке происходит достаточно медленно. Однако уже сейчас многие электротехнические фирмы мира либо рассматривают возможность серийного выпуска ВИД, либо уже производят его.

Фирма Switched Reluctance Drives Ltd. (SRDL, Harrogate, Великобритания; c 1994 r. - 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 7,5-22 кВт, a 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 ВИП. 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.

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.

Завершая краткий обзор современного состояния разработок ВИП и переходя к оценке перспектив, необходимо упомянуть о некоторых проблемах не технического, а скорее экономического плана. 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.

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. 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.

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 [7]. Может быть, все закончится тогда, когда будет решена задача, которую достаточно четко можно сформулировать уже сегодня: оценить предельные возможности ВИП и сравнить их с показателями альтернативных вариантов регулируемых электроприводов. Только сделать это необходимо и в теоретическом, и в практическом плане.

Лптература:

1. Кузнецов В.А., Кузьмичёв В.А. Вентильно-индукторные двигатели. - M.: Изд-вл МЭИ, 2003 г.
2. https://sixttwos.appspot.com/shema-upravleniya-ventilno-induktomym-dvigatelem.html.
3. http://powergroup.com.ua/3_9_ventilno-induktomiy_elektroprivod.
4. http://elmech.mpei.ac.ru/books/edu/SRD/Chapterl .htinl.
5. Бычков М.Г. Элементы теории вентильно-индукторного электропривода // Электричество № 8, 1997 г.
6. Дискретный электропривод с шаговыми двигателями / Под общей ред. М. Г. Чиликина. -M.: Энергия, 1971 г.
7. Ильинский Н.Ф. Перспективы применения вентильно-индукторного электропривода в современных технологиях. Электротехника, №2, 1997 г.