Вентильно-индукторный привод - перспективное направление развития современного регулируемого электропривода

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

В начале 80-х гг. прошлого века в иностранной научно-технической литературе появились материалы о новом типе электрической машины с переменным магнитным сопротивлением (по западной классификации - SRM, «Switched Reluctance Motor») и электрического привода на ее основе - SRD (SR Drive), претендующего стать конкурентом традиционным регулируемым электроприводам.

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.п.

Строго говоря, термин «новый» к вентильно-индукторному электроприводу может быть применен только условно: на самом деле это очень старый, может быть, самый старый тип электропривода. Конструкция двигателя имеет магнитную систему с явно выраженной 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. Последовательное переключение фаз позволяет повернуть ротор на заданное число шагов. Двигатели представляют собой индукторные машины с самовозбуждением (за счет постоянной составляющей тока статора), т.е. магнитное поле создается рабочими катушками полюсов статора, получающего питание от нереверсивного инвертора.

Какие же потенциальные преимущества ВИП привлекли внимание исследователей и разработчиков? 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 производству, 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, по мнению ряда авторов, основанном как на теоретических расчетах, так и на сравнении конкретных образцов двигателей, ВИП по массогабаритным и энергетическим показателям не уступает и даже превосходит частотно-регулируемый асинхронный привод.

В России развитие вентильно-индукторного электропривода было начато по инициативе профессора Н.Ф. Ильинского в 1995 г., под руководством которого в МЭИ проводились систематические исследования и разработки традиционных ВИП, соответствующих мировому опыту (SRD).

Наряду с SRD в России более 10 лет развивается электропривод на базе вентильно-индукторных машин с независимым электромагнитным возбуждением, содержащих дополнительную обмотку возбуждения на статоре, создающую магнитное поле. Это направление вентильно-индукторного электропривода (ВИП) осталось либо вне поля зрения разработчиков за рубежом, либо хорошо засекречено. Зарубежных публикаций об этом электроприводе нет.

Авторы поставили перед собой задачу создания исполнительных двигателей нового типа, лишенных недостатков SRD. При этом в качестве прототипа были выбраны синхронные индукторные генераторы с электромагнитным возбуждением. Идея индукторного генератора была высказана еще П.Н. Яблочковым; в конце XIX в. индукторный генератор был создан и более века используется, как одна из наиболее простых и надежных машин для экстремальных условий работы: в военной технике, на железнодорожном и морском транспорте, малой нетрадиционной энергетике. Конструкция такой машины была принципиально переработана в направлении обеспечения многосекционности и независимости отдельных секций друг от друга в электрическом и электромагнитном отношении. Разработан и запатентован новый тип электрической машины - мощный секционируемый синхронный индукторный двигатель с независимым возбуждением, пригодный для широкодиапазонного, качественного управления скоростью и моментом.

Была создана теория проектирования синхронных индукторных двигателей, теория управления этими машинами, образцы интеллектуальных широко-регулируемых электроприводов с векторным управлением, обладающих свойством бесперебойности работы. Разработанный электропривод подробно рассмотрен ниже.

Рис. 1

вентильный индукторный привод многофазный

Комплектный электропривод строится на базе новой, технологичной конструкции бесколлекторного синхронного электродвигателя с секционированной многофазной обмоткой статора, обмоткой возбуждения на статоре и пассивным многопакетным ротором. Разработана теория прямого цифрового векторного управления моментом и скоростью с использованием силовых преобразователей по числу секций двигателя, каждый из которых имеет встроенный высокопроизводительный контроллер на сигнальном процессоре с функцией прямого цифрового управления силовыми ключами и сопряжения с датчиками.

Данный вентильно-индукторный электропривод имеет секционированную структуру, позволяющую питаться от нескольких независимых источников энергии, что полностью исключает вероятность критической просадки технологических параметров и позволяет выйти на качественно новый уровень надежности объектов непрерывного производства. 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 увеличением нагрузки на оставшиеся фазы, если имеется надлежащий запас по допустимым токам фаз и силовых ключей.

Привод имеет возможность гибкого формирования любых механических характеристик с точным поддержанием скорости, момента или мощности с адаптацией под конкретный технологический процесс, что позволяет в несколько раз уменьшить установленную мощность привода и его стоимость по сравнению с традиционными решениями. Структура привода позволяет легко наращивать мощность на базе типовых узлов.

Разработка отличается следующими важнейшими преимуществами.

1. Бесперебойность работы, живучесть, достигаемая данным приводом за счет одновременной работы секций машины от различных электрических вводов.

2. Высокая надежность в виду отсутствия коллектора (бесконтактность).

3. Простота и технологичность конструкции.

4. Адаптация к самым современным цифровым методам управления - возможность создания векторной системы управления с качественным поддержанием электромагнитного момента и скорости.

5. Структура машины позволяет реализовать перспективные методы бездатчикового векторного управления с наблюдателями состояния и отказаться от самого ненадежного элемента в рассматриваемом электромеханическом комплексе - от датчика положения ротора.

6. Высокие энергетические показатели двигателя - КПД более 98%, коэффициент мощности 1, обеспечиваемые за счет полноценного векторного управления машиной с автоматической минимизацией тока статора при любой нагрузке и скорости вращения.

7. Расширение зоны регулирования скорости двигателя вверх в 3-5 раз за счет дополнительного контура управления возбуждением.

8. Универсальность и гибкость в формировании любых требуемых механических характеристик привода.

9. Возможность использовать стандартные, разработанные для асинхронного электропривода, преобразователи частоты, лишь прошивая в них специализированное программное обеспечение.

10. Возможность гибкого наращивания мощности путем увеличения количества секций двигателя и использования стандартных модулей системы управления и силовых преобразователей.

11. Переход с уровня питания 6, 10 кВ на питание 0,4 кВ, что позволяет размещать силовые шкафы на минимальном удалении от исполнительных механизмов, непосредственно в машинном зале без необходимости выделения или строительства специального помещения для них.

Как следует из изложенного, вентильно-индукторный электропривод по ряду показателей превосходит другие типы электропривода и имеет в силу этого хорошие перспективы широкого использования. Вместе с тем его фактическое применение далеко не соответствует возможностям. Однако пройдена основная и, может быть, самая трудная часть пути: найдены, обоснованы и проверены основные технические решения, устраняющие главные препятствия в развитии ВИП; создана и проверена экспериментально методика проектирования ВИП; наработан и испытан программный продукт, оптимизирующий алгоритмы работы системы управления ВИП. Все это позволяет уверенно перейти к стадии инновационных проектов с применением ВИП в различных областях.

Благоприятные функциональные особенности и регулировочные свойства ВИП - большие моменты при низких скоростях, гибкое управление скоростью, простая реализация тормозных режимов вплоть до нулевой скорости делают этот привод весьма привлекательным для широкого класса применений.

Рис. 2

Опыт разработки и применения ВИП

На сегодняшний день совместное сотрудничество ряда отечественных фирм позволило наладить выпуск комплектных многосекционных вентильно-индукторных электроприводов с независимым возбуждением на мощности 315, 400, 630 и 1250 кВт, предназначенных для бесперебойной работы механизмов районных тепловых станций г. Москвы: сетевых насосов, вентиляторов и дымососов. Данные механизмы являются особо ответственными, отключение которых даже на несколько секунд вызывает отключение котла тепловой станции и нарушение теплоснабжения.

Рис. 3

Приводы имеют высокий уровень надежности и уникальную отказоустойчивость благодаря секционированию двигателя и его работе одновременно от двух независимых вводов питающего напряжения, а также благодаря модульному построению управляющей части и силовых преобразователей и реализации уникальной системы бездатчикового векторного управления (диапазон регулирования скорости до 75:1). Данный электропривод обеспечивает безостановочную работу ответственных механизмов РТС при отключениях электропитания по одному из двух вводов сети и отказах в любой части электронного преобразователя.

Первый опытный образец электропривода ВИП-630 был испытан на РТС «Коломенская» (фото 1), где сейчас он находится в эксплуатации. На базе данной разработки впоследствии был выпущен ряд приводов различной мощности для РТС «Пенягино» (фото 2), РТС «Отрадное» (фото 3) и РТС «Жулебино», которые все являются объектами ОАО «МОЭК» (г. Москва). Ведутся проектные работы по оснащению такими же электроприводами других теплостанций ОАО «МОЭК». Кроме этого, продолжается разработка и проектирование новых и модернизированных ВИП-315, 400, 630, 800, 1250 кВт на меньшие скорости.

Размещено на Allbest.ru