Разработка синхронной реактивной машины с высокими удельными показателями для промышленных электроприводов

С каждым годом спрос на энергоэффективный привод растет. Это обуславливается не только экологическими нормами, но и сложным технологическим процессом, включающим в себя модернизацию и совершенствование оборудования. Также необходимо отметить, что при использовании энергоэффективного оборудования увеличивается и производительность всего технологического процесса. Так, в работе [1] рассмотрено использование многоуровневого преобразователя частоты для обеспечения бесперебойной работы объектов, относящихся к категории критически важных. В результате выявлено повышение надежности работоспособности электромеханического преобразователя в случае выхода из строя одной фазной обмотки. Следующим примером использования энергоэффективного привода является использование синхронного реактивного двигателя с независимым возбуждением в промышленном электрическом тракторе ДЭТ-400 [2]. Выбор представленной электрической машины обусловлен особенностью конструкции. На роторе отсутствуют обмотка и постоянные магниты, что позволяет повысить в несколько раз перегрузочную способность машины. СРМНВ имеет многофазную статорную обмотку, позволяющую увеличить надежность работы двигателя в случае отказа одной из фаз. Ввиду наличия многофазной статорной обмотки снижаются пульсации электромаг- нитного момента. Таким образом, исследования и разработка энергоэффективных приводов и энергоустановок являются достаточно востребованным направлением.

Главным фактором использования энергоэф-фективого электропривода являются массогабаритные показатели. Для определения оптимальной конструкции электрического двигателя необходимо воспользоваться несколькими этапами аппарата математической статистики. Так, для примера, факторный анализ включает в себя регрессионный анализ и оценку достоверности на основании критерия Стьюдента, что позволяет объяснить влияние особенностей конструктивного исполнения электромеханических преобразователей. На базе представленного на рис. 1 объема данных можно описать зависимость номинальных параметров мощности и момента двигателя.

Электропривод в гребных установках

Главным исполнительным механизмом у любого судна является судовой движетель, служащий для движения судна с заданной скоростью. В качестве гидроэнергетической установки гребной установки используется два типа исполнения: ГЭУ «Азипод» и ГЭУ с применением винторулевой колонки. И если мощность второго вариант ГЭУ ограничена механической прочностью ввиду наличия большого количества механических передач, то вариант ГЭУ «Азипод» данной проблемы

Рис. 1. Совокупность технических данных относительных магнитных потерь электрических машин в зависимости от номинального момента

Fig. 1. The totality of technical data of relative magnetic losses of electrical machines depending on the rated torque

не имеет [3]. Особенность данного ГЭУ заключается в размещении в герметичной гондоле приводного гребного электродвигателя, напрямую соединенного с гребным винтом. Таким образом, система «Азипод» позволяет обеспечить высокую манёвренность судна. Однако при необходимости увеличения мощности приводного двигателя прямопропорционально увеличивается число приводных гондол с движетелями, либо мощность самого электродвигателя. Последний вариант может привести к высоким нагрузкам на движетельный модуль судна ввиду больших нагрузок в процессе эксплуатации судна и, как следствие, к преждевременной или даже аварийной поломке модуля.

Таким образом, главная задача модернизации гребного электропривода заключается в увеличении его мощности с учетом сохранения или уменьшения массогабаритных параметров.

Выбор электродвигателя

Особенность работы гребного электродвигателя заключается в его механической характеристике. Она основывается на рабочих характеристиках, снимаемых при номинальной осадке судна и движении в спокойной воде, а также швартовной, при которой момент сопротивления винта достигает максимума. К этому добавляется частый реверс судна. Однако данный реверс резко отличается от реверса гребного двигателя.

Рис. 2. Нагрузочная характеристика гребной установки Fig. 2. Load characteristics of the propulsion plant

На рис. 2 представлена нагрузочная характеристика работы гребного привода в зависимости от режима работы. Так, кривая 3 показывает: чтобы достичь уменьшения скорости судна, необходимо остановить гребной винт и удержать его в неподвижном состоянии. При этом на него воздействую силы, стремящиеся привести винт в движение (встречное течение, инерционный ход судна). В этот момент приводной двигатель должен выдерживать переменный момент на всем промежутке останова судна.

Таким образом, работа электродвигателя гребного привода считается тяжелой. В случае режима работы ледокола нагрузочная диаграмма представляет собой переменную характеристику: частый реверс, остановы, заклинивания винта. Соответственно, выбор электрического двигателя производится более тщательно – привод должен иметь высокую перегрузочную способность.

С представленными задачами эффективно может справиться синхронный реактивный двигатель. Очевидными преимуществами являются простая конструкция, отсутствие на роторе обмотки возбуждения и постоянных магнитов, что позволяет повысить надежность двигателя. Преимущества «холодного» ротора представляют собой возможность работы с моментом на валу 1 : 10, при этом сохраняя высокие динамические показатели, без обязательного охлаждения. Перегрузочная способность представленного вида двигателей выше, чем у асинхронного двигателя или двигателя постоянного тока. Также необходимо отметить простую конструкцию статора СРД. Статор представляет собой точную копию статора асинхронного двигателя, что во много раз упрощает конструкцию двигателя, а также его эксплуатацию [4].

Судить о работе синхронной реактивной машины можно из представленных ниже формул:

V_d = ^Ldⁱd + ^L^d^LD ;

^d=Lqiq+L^qLQ;

т = в

3p(V_dl q -V q i d )

.

При создании обмоткой статора магнитного поля возникает момент двигателя. Его вектор направлен так, чтобы в каждый промежуток времени сопротивление магнитного поля в роторе было минимально. Таким образом, он воздействует на ротор электродвигателя, вследствие чего возникает момент вращения. Значение момента прямо зависит от разницы продольной и поперечной индуктивности ротора – чем она больше, тем выше амплитуда момента.

Использование ВТСП-элементов

Использование энергоэффективного привода не решает в полном объеме проблему массогабаритных показателей. Этот вопрос можно решить с помощью использования электропривода, спроектированного с помощью сверхпроводниковых

Савостеенко Н.В., Максимов Н.М., Благов М.С., Посаднов А.Е.

элементов. Явным преимуществом данного двигателя является высокая выходная мощность при малых массогабаритных показателях, высокий коэффициент мощности и КПД. Недостатком является система охлаждения, необходимая для корректной работы сверхпроводников. Необходимо отметить, что для различных сверхпроводящих материалов требуется разная температура охлаждения. В случае использования электропривода на ВТСП-элементах на ледоходе исполнение криогенной установки должно быть простое, т. е. в качестве охлаждающего вещества должен выступать жидкий азот (77 К), так как для его создания не требуется дополнительных установок и резервуаров с жидким гелием, водородом или неоном. Для создания жидкого азота требуется доступ к воздуху из окружающей среды. Таким образом, при проектировании электропривода на ВТСП-элементах могут выступать материалы на основе иттриевых керамик (YBCO) и композитных висмутовых керамик (BSCCO), имеющие хорошие электромагнитные свойства при охлаждении жидким азотом [5].

Существует несколько типов конструктивного исполнения ВТСП-элементов в электродвигателе. Основными из них являются:

• •    электрические двигатели с ВТСП-элементами в обмотках статора;

• •    электрические двигатели с ВТСП-элементами в обмотках ротора.

Применение ВТСП-элементов в статорной обмотке позволит повысить токовую нагрузку, уменьшить потери в статорной обмотке и индуктивных сопротивлений, а также повысить коэффициент полезного действия машины. Первый случай исполнения электропривода неактуален, так как в синхронной реактивной машине отсутствует обмотка на роторе [6].

Таким образом, для дальнейших исследований необходимо спроектировать синхронный реактивный двигатель с использованием высокотемпературных сверхпроводников в пазах статора с охлаждением статора жидким азотом.

Моделирование электродвигателя

Создание опытной модели синхронной реактивной машины с высокотемпературными сверхпроводящими элементами необходимо для изуче- ния электромагнитных явлений, протекающих в железе, а также изучить угловые характеристики машины, дать оценку целесообразности использования ВТСП-элементов.

Исследование будет проводиться для двух систем ГЭУ:

• –    «Азипод»;

• –    винторулевая колонка.

Особенности работы каждой из ГЭУ рассмотрены выше. Из-за конструктивной особенности следует учесть, что гребной привод ГЭУ «Азипод» соединен напрямую с гребным винтом, а у ГЭУ с ВРК соединение осуществляется при помощи комплекса редукторов. Таким образом, необходимо разработать два вида машин, одна будет построена на 4 полюсах, чтобы иметь высокую номинальную скорость вращения, и вторая 8-полюсная машина, чтобы иметь сравнительно низкую частоту вращения, но при этом иметь высокий момент на валу двигателя.

Создание и расчет синхронной реактивной машины производится в программной среде математического моделирования Ansys Maxwell. Преимуществом данной программы является расчет электромагнитных процессов с помощью метода конечных элементов. Статор электрической машины выполнен, как в асинхронном электрическом двигателе. Для этого использован асинхронный двигатель типа D423-1250LC6 (см. таблицу).

Исследование СРМ будет проводиться с различными видами роторов. Как отмечалось ранее, в зависимости от конструкции и исполнения ротора зависят механические, электромеханические и угловые характеристики машины.

Задачи проведения математического проектирования и исследования математических моделей:

• –    исследование математических моделей без изменения конструкции и размеров статора, а также снятие угловых характеристик при подаче постоянного значения тока на обмотки статора;

• –    исследование проводится при различных конструкциях ротора СРМ.

Рассмотрим работу СРМ с 4-полюсным и 8-полюсным аксиальным ротором с ВТСП элементами. Сама машина и ее конструкция изображена на рис. 3. Угловые характеристики представлены на рис. 4, 5.

Параметры асинхронного двигателя D423-1250LC6 D423-1250LC6 asynchronous motor parameters

Параметр	D423-1250LC6
Номинальное напряжение, В	660
Номинальная мощность, кВт	1250
Номинальная частота, Гц	50
Номинальный ток, А	1335
Номинальный момент, кНм	12
Максимальный момент, кНм	36
Номинальная частота вращения, об/мин	992

Рис. 3. СРМ с 4-полюсным и 8-полюсным аксиальным ротором с ВТСП-элементами Fig. 3. SRM with 4-pole and 8-pole axial rotor with HTS elements

Рис. 4. Угловая характеристика машины с 4-полюсным ротором с ВТСП-элементами Fig. 4. Angular characteristic of a machine with a 4-pole explicit rotor with HTS elements

Рис. 5. Угловая характеристика машины 8-полюсным аксиальным ротором с ВТСП-элементами Fig. 5. Angular response of the machine with an 8-pole axial rotor with HTS elements

Максимальное значение развиваемого машиной момента на 40° положения ротора от начала движения вращения составляет 169,5 кНм (см. рис. 4).

Максимальное значение развиваемого машиной момента на 73° положения ротора от начала движения вращения составляет 113,7 кНм (см. рис. 5).

Заключение

В результате проведенных исследований и полученных данных сделаны следующие выводы по использованию синхронной реактивной машины на базе ВТСП-элементов.

• •    Лучшие энергетические показатели продемонстрировала синхронная реактивная машина с аксиальным ротором с высокотемпературными вставками в обоих случаях использования: в 4-полюсной и в 8-полюсной машине.

• •    Для реализации синхронной реактивной машины на базе ВТСП-элементов необходимо наличие постоянного притока охлаждающей жидкости к электроприводу. Если использовать ГЭУ системы «Азипод», появляется большая возможность уменьшить массогабаритные размеры конструкции гондолы гребного привода. Однако необходимо отметить, что при этом теряется маневренность системы в целом.

• •    Применяя в качестве ГЭУ систему на базе винторулевой колонки, можно также выиграть в случае массогабаритных показателей в сторону уменьшения пространства машинного отделения. Стоит отметить, маневренность судна сохраняется, так как ничего не ограничивает вращения винта на 360°. Однако, как говорилось выше, ГЭУ с ВТК имеют ограниченную выходную мощность ввиду наличия механического редуктора.