Особенности электропривода

В состав регулируемого электропривода привода входят три основные системы:

  • Вентильный электродвигатель с возбуждением от постоянных магнитов - ВЭДПМ
  • Система питания
  • Система управления.

Основным элементом привода, обуславливающим его отличительные функциональные показатели, определяющие конкурентоспособность продукта, является ВЭДПМ.

ВЭДПМ представляют собой электрическую машину, в которой поле возбуждения создается сильными постоянными магнитами, размещенными на роторе, а коммутация фаз статорной обмотки осуществляется с помощью полупроводниковых устройств в соответствии с положением ротора относительно статора. Подобный тип машин позволяет обеспечивать постоянство электромагнитного момента, хорошие энергетические показатели и гибкие регулировочные характеристики при сохранении высокой эффективности.

Как правило, ВЭДПМ имеет в своем составе статор с магнитопроводом, в пазах которого уложена многофазная обмотка, равномерно распределенная по окружности, и ротор с магнитной многополюсной системой, состоящей из чередующихся ферромагнитных полюсов и блоков с постоянными магнитами, как показано на рисунке 1.

 

 

Рис.1.ВЭДПМ: поперечное сечение

 

Рис.2. ВЭДПМ: Осциллограммы тока и напряжения фазы,
где Т – период, Т = 60/(p×n)

Взаимодействие магнитного потока ротора с токовым слоем, образованным токами, протекающими по обмотке статора, обеспечивает создание электромагнитного тангенциального момента. Величина момента зависит от взаимного положения полюса ротора и токового слоя статора. Имеется оптимальное взаимное положение токового слоя и полюса ротора, при котором величина электромагнитного момента имеет (при заданной величине тока) максимальное значение. По мере движения ротора происходит перемещение полюсов ротора по окружности расточки машины. Для сохранения оптимального положения токового слоя статора относительно полюсов ротора проводится коммутация фаз, то есть отключение фазы, сбегающей с полюса, и включение фазы, набегающей на полюс, причем это переключение происходит синхронно с движением ротора. Это позволяет обеспечить неизменное положение токового слоя относительно полюса ротора (с точностью до одного пазового деления), соответствующее условию работы с максимальным моментом.

Определение требуемых моментов коммутации осуществляется с помощью датчика положения ротора, встроенного в электродвигатель. Возможна работа и без датчика положения ротора с использованием фазового анализа напряжения на обмотках машины.

Многие узлы вентильного двигателя, такие как статор, барабан ротора, корпус с торцевыми подшипниковыми щитами, система охлаждения, практически не отличаются по конструкции и технологии изготовления от аналогичных узлов серийно производимых в настоящее время синхронных и асинхронных двигателей.

Основным принципиальным конструктивным отличием ВЭДПМ от серийно производимых асинхронных и синхронных двигателей является наличие на роторе постоянных магнитов, конкретные геометрические конфигурации магнитных цепей машины, алгоритмы работы системы питания двигателя.

Системы питания и управления ВЭДПМ по своему составу и принципу работы практически не отличается от преобразователей частоты, серийно выпускаемых для питания асинхронных и синхронных двигателей. Функция системы питания (СП) ВЭДПМ заключается в преобразовании питающего напряжения постоянного или переменного тока, в переменный ток или напряжение, необходимые для питания фазных обмоток ВЭДПМ.

Устройство современных СП ВЭДПМ базируется, как правило, на принципе двойного преобразования энергии, позволяющего наиболее полно удовлетворить требования ВЭДПМ.

Принцип двойного преобразования энергии заключается в преобразовании питающего напряжения промышленной частоты с помощью сетевых управляемых или неуправляемых выпрямителей в постоянные напряжение или ток, их сглаживание с помощью индуктивного, емкостного или комбинированного индуктивно-емкостного фильтров, и последующего их преобразования с помощью инверторов тока или напряжения в переменные ток или напряжение, при этом форма напряжения или тока, а также его частота, определяются требованиями со стороны фазной обмотки ВЭДПМ.

Необходимо отметить, что такое построение СП позволяет получить на ее выходе напряжение или ток с частотой, которая может существенно превышать частоту питающей сети. В случае, если выходная частота напряжений или тока преобразователя не должна превосходить частоту напряжения питающей сети, СП могут строиться и на принципе прямого преобразования питающего напряжения.

Конкретный принцип построения и тип системы питания в каждом конкретном случае определяется совокупностью характеристик ВЭДПМ и технических требований, предъявляемых к ЭП в целом.

Особенностью проектирования регулируемых приводов на основе ВЭДПМ, выполняемого нашей компанией, является комплексный подход к проектированию как двигателя, так и системы питания и управления, что обеспечивает оптимальное взаимное согласование их параметров и режимов работы. Это позволяет повысить эффективность привода в целом.

Основные достоинства электроприводов на основе вентильных электрических машин с постоянными магнитами по сравнению с серийно изготавливаемыми электроприводами на базе синхронных и асинхронных двигателей:

  • - Повышенные значения КПД, в связи с отсутствием потерь в системе возбуждения
  • - Плавные пусковые характеристики без каких-либо возмущений в сети (см. рисунки 3а, 3б)
  • - Возможность 100% регулировки по оборотам
  • - Сохранение высоких значений КПД при глубокой регулировке по мощности и оборотам (см. рисунки 4а,4б)
  • - Повышенные удельные показатели по сравнению с используемыми синхронными и асинхронными двигателями (см. рисунок 5)
  • - Отсутствие подвода электроэнергии к ротору (исключаются скользящие контакты системы возбуждения);
  • - Пониженные уровни шума и вибрации.

Сравнительные характеристики вентильных двигателей с постоянными магнитами (ВДПМ), асинхронных двигателей (АД) и асинхронных двигателей с устройством плавного пуска (АД с УПП)

 

 

 

Рис.3а. Пусковые характеристики электроприводов: пусковой ток

 

 

Рис.3б. Пусковые характеристики электроприводов: полная потребляемая мощность

 

 

Рис.4а. Коэффициент полезного действия ВЭДПМ и привода на его основе

 

 

Рис.4б. Коэффициент полезного действия ВЭДПМ и привода на его основе

 

Рис.5. Сравнительные характеристики ВЭДПМ и синхронного двигателя мощностью 14 МВт

Russian (CIS)English (United Kingdom)
Разработка и продвижение Интернет-агентство "Peller Media"