Научный журнал
Современные наукоемкие технологии
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,969

ОБЗОР ВЕНТИЛЬНО-РЕАКТИВНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Ретракция публикации произведена на основании протокола Комиссии по публикационной этике журнала "Современные наукоемкие технологии" №1 от 10.08.17г. на основании выявления неправомерного заимствования в недопустимом объеме информации, размещенной в сети Интернет http://www.kaskod.ru/produkt/motorsrm/srm_article02/, а также диссертации Бакланова Дмитрия Александровича "Регулируемый электропривод сельскохозяйственных механизмов на основе вентильно-индукторных двигателей" 05.20.02 Москва 2006
Саввинов П.В. 1 Семёнов А.С. 1
1 Политехнический институт, филиал ФГАОУ ВПО «Северо-Восточный федеральный университет им. М.К. Аммосова»
ого двигателя при одиночной коммутации фаз // Электротехника. 2003. № 7. С. 45–51.
2. Кузнецов В.А., Садовский Л.А., Виноградов В.Л., Лопатин В.В. Особенности расчета индукторных двигателей для вентильного электропривода // Электротехника. – 1998. № 6. С.35–43.
3. Саввинов П.В., Рушкин Е.И., Семёнов А.С. Внедрение частотно-регулируемых электроприводов как метод энергосбережения на горных предприятиях // Достижения и перспективы естественных и технических наук: Материалы II Междунар. научно-практической конференции. – Ставрополь: Логос, 2012. – 159 с. – С. 60-63.
4. Семёнов А.С. Перспективы внедрения вентильных электроприводов в горной промышленности / Научная дискуссия: вопросы технических наук // материалы II междунар. заочной научно-практической конференции (12 сентября 2012 г.) – М.: Изд-во «Международный центр науки и образования», 2012. – С. 52-56.
5. Шабаев В.А. Анализ критериев технико-экономического оптимума применения вентильно-индукторных двигателей // Электротехника. 2008. № 4. С.44–51.
6. Шипулин В.С., Пак А.Л., Семёнов А.С. Моделирование режима пуска электродвигателя погрузочно-доставочных машин применительно к рудникам по добыче алмазосодержащих пород // Приволжский научный вестник. 2012. № 11 (15). С. 17-23.

Подавляющая часть мировой энергоструктуры основана на использовании электроэнергии, как наиболее универсальном виде энергии, поэтому сегодня все государства стремятся использовать технологии и оборудование, которые позволяют снизить затраты при производстве, передаче и потреблении электроэнергии, что в свою очередь снижает себестоимость производства товаров, увеличивая их конкурентоспособность с товарами других стран. Известно, что сбереженный 1 кВтч электроэнергии в большинстве случаев гораздо дешевле того же кВт/часа, произведенного на вновь построенном источнике энергии.

Кроме этого, в сознании людей и на бытовом уровне и на уровне руководителей фирм и государств в последнее время происходят заметные изменения в сторону стремления улучшить экологическую обстановку на земном шаре, что обусловило существенное ужесточение экологических требований к энергетическим технологиям и оборудованию. Если в ближайшее время штрафы за использование неэффективных технологий и оборудования будут превышать стоимость высокоэффективного оборудования, то это даст мощный экономический толчок в производстве и применении последнего.

В мировой энергоструктуре подавляющая часть произведенной электроэнергии используется электрическими двигателями различного типа. Наиболее распространенные из них — асинхронные двигатели переменного тока. Эти двигатели достаточно просты в изготовлении, дешевы, используют энергию переменного тока без дополнительных преобразовательных устройств, имеют достаточно высокий КПД при номинальных мощностях. Их можно эффективно использовать при постоянной нагрузке близкой к номинальной. Но в мировой структуре потребления электроэнергии использование электродвигателей в таком режиме составляет не более 10 %. Остальные режимы требуют от электродвигателей работы с изменяемой нагрузкой, часто в очень широких пределах. И в этих режимах использование асинхронных электродвигателей без специальных преобразователей оказывается самой неэффективной и затратной. Именно поэтому в последние годы очень бурно развивается производство специальных электронных преобразователей, позволяющих эффективно использовать электроэнергию в асинхронных двигателях в более широком диапазоне нагрузок. Из-за сложностей взаимоотношений асинхронных двигателей с преобразователями последние получаются очень сложными, нередко очень дорогими, а попытка еще расширить диапазон нагрузок с высоким КПД приводит к еще большему усложнению преобразователей, т. е. к их удорожанию и снижению надежности.

Вентильно-реактивные двигатели, являясь, по сути, силовой техникой импульсного типа, идеально стыкуются с электронной цифровой идеологией систем управления, поэтому электронные блоки управления этих двигателей получаются гораздо проще, более компактны и при серийности гораздо меньшей серийности производства асинхронных электродвигателей, очень дешевы. Производство электромеханических преобразователей оказывается дешевле даже производства асинхронных двигателей (на роторе нет обмоток, в статорной обмотке используется меди на 40–50 % меньше), технология изготовления проще.

Ротор и статор выполнены в виде пакетов листового магнитомягкого материала. На роторе ВРД отсутствуют обмотки и постоянные магниты. Фазные обмотки находятся только на статоре.

Простота обмотки якоря повышает ремонтопригодность ВРД/ВРГ, т.к. для ремонта достаточно сменить вышедшую из строя катушку.

Управление электромеханическим преобразователем электропривода осуществляется с помощью высокоэффективных силовых полупроводниковых элементов – IGBT или MOSFET (HEXFET) транзисторов, надежность которых существенно превышает надежность любых механических деталей, например: коллекторов, щеток, подшипников.

ВРД не содержит постоянных магнитов ни на роторе, ни на статоре, при этом он успешно конкурирует по характеристикам с вентильными электрическими двигателями с постоянными магнитами (ВЭДПМ). В среднем, при одинаковых электрических и весогабаритных характеристиках ВРД/ВРГ имеет в 4 раза меньшую стоимость, значительно большую надежность, более широкий диапазон частот вращения, более широкий диапазон рабочих температур. Конструктивно, по сравнению с ВЭДПМ, ВРД/ВРГ не имеет ограничения по мощности (практически, мощность ВЭДПМ ограничивается пределом около 20-40 кВт). ВЭДПМ требуют защиты от металлической пыли, боятся перегрева и сильных электромагнитных полей, в случае короткого замыкания обмотки превращаются в самовозгорающуюся систему. Вентильные реактивные электродвигатели/генераторы свободны от всех этих недостатков.

На изготовление ВРД требуется в среднем 2-3 раза меньше меди, чем для коллекторного электродвигателя такой же мощности, и в 1,3 раза меньше меди, чем для асинхронного электродвигателя.

Тепловыделение происходит в основном только на статоре, при этом легко обеспечивается герметичная конструкция, воздушное или водяное охлаждение

Простота конструкции ВРД снижает трудоемкость его изготовления. В сущности, его можно изготовить даже на не специализирующемся в области электромашиностроения промышленном предприятии. Для серийного производства ВРД/ВРГ требуется обычное механическое оборудование – штампы для изготовления шихтованных сердечников статора и ротора, токарные и фрезерные станки для обработки валов и корпусных деталей. Трудоемкие и сложные в технологическом отношении операции, например изготовление коллектора и щеток коллекторного электродвигателя или заливка клетки ротора асинхронного двигателя, здесь отсутствуют. По предварительным оценкам трудоемкость изготовления ЭМП вентильного реактивного электродвигателя составляет на 70 % меньше трудоемкости изготовления коллекторного и на 40 % меньше трудоемкости изготовления асинхронного электродвигателя.

Простота обмотки якоря и отсутствие обмотки и магнитов на роторе обеспечивает ВРД/ВРГ высокую гибкость компоновки. Конструкция электродвигателя может быть плоской, вытянутой, обращенной, секторной, линейной. Для выпуска целого ряда электродвигателей с различной мощностью можно использовать один и тот же комплект штампов для вырубки ротора и статора, поскольку для увеличения мощности достаточно увеличить соответственно длину набора ротора и статора. Не составляет труда изготовление машины с расположением статора как снаружи ротора, так и наоборот, а также встраивание электроники в корпус машины. Изменение коэффициента электромагнитной редукции позволяет создавать машины для облегченных и, напротив, тяжелых условий работы, включая моментные двигатели. Для привода некоторых рабочих машин выгоднее иметь линейные электродвигатели с возвратно-поступательным перемещением зубцового штока (аналога ротора). В ряде случаев может быть использована давно известная, но неэффективная в случае асинхронного электродвигателя конструкция дугостаторной машины, статор которой охватывает доступную для размещения дугу окружности ротора, в качестве которого может использоваться вал с зубчатым колесом.

Простота конструкции обеспечивает ВРД/ВРГ более высокую безотказность, чем безотказность других типов электрических машин. Конструктивная и электрическая независимость фазных обмоток обеспечивает работоспособность ВРД даже в случае полного замыкания полюсной катушки одной из фаз. ВРГ остается работоспособным даже после выхода из строя одной или двух фаз.

Широкий диапазон частот вращения: от единиц до сотен тысяч об/мин. Электромагнитная редукция позволяет создавать малогабаритные “моментные” электродвигатели для приводов роботов, манипуляторов и других низкооборотных механизмов или низкооборотные высокоэффективные генераторы для ветровых или волновых электростанций. В то же время частота вращения быстроходных ВРД может превышать 100000 об/мин.

Высокий КПД в широком диапазоне частот вращения. Практически достижимый КПД вентильного реактивного электродвигателя/генератора мощностью 1 КВт может доходить до 90 % в диапазоне 5-10-кратной перестройки частоты вращения. КПД более мощных электрических машин может достигать 95-98 %.

Поскольку ВРД/ВРГ питается (возбуждается) однополярными импульсами, для управления ЭМП требуется простой электронный коммутатор. Управляя скважностью импульсов силовых транзисторов электронного коммутатора можно плавно изменять форму импульсов тока фазных обмоток электродвигателя или генератора.

Электронное управление электрическими и механическими характеристиками, режимом работы. Естественная механическая характеристика ВРД определяется реактивным принципом действия электрической машины и близка к гиперболической форме. Основное свойство такой характеристики – постоянство мощности на валу машины – оказывается чрезвычайно полезным для электроприводов с ограниченной мощностью источника, так как при этом легко реализуется условие его неперегружаемости. Применение замкнутой системы управления с обратными связями по скорости и нагрузке позволяет получить механические характеристики любой заданной формы, включая абсолютно жесткие (астатические), и не ведет к какому либо усложнению системы управления, так как ее процессор обладает большой избыточностью по числу входов и выходов, быстродействию и памяти. Фактически поле доступных механических характеристик непрерывным образом покрывает все четыре квадранта плоскости момент-скорость в пределах области ограничений конкретного электропривода.

Дорогостоящим в рассматриваемой системе электропривода можно считать электронный преобразователь, который является обязательным элементом всех современных регулируемых электроприводов. Однако, цены на изделия силовой электроники по мере развития масштабов производства имеют устойчивую тенденцию к снижению. Исключение из состава ВРД коммутационных аппаратов, для изготовления которых необходима непрерывно дорожающая медь, также способствует уменьшению стоимости.

Наконец, экономическая эффективность ВРД повышается также в результате существенно меньшего расхода электроэнергии, обусловленного высоким КПД электродвигателя и применением наиболее экономичных стратегий управления в динамических режимах работы.