Удельные массогабаритные показатели электроприводов

Введение. Неоспоримо, что с целью экономии электроэнергии полезно увеличивать КПД электроустановки или улучшать удельные массогабаритные показатели электропривода. Вместе с тем при переходе к практической реализации этого условия взгляд на решение задачи очень усложняется. Возможны различные технические варианты относительно типов двигателей, системы управления, преобразователей мощности и т. д. Каждое техническое решение должно быть доказано с точки зрения величины стоимости и подчиняться некоторым новым стандартам [1– 4].

КПД и удельный вращающий момент. Прежде чем обсудить каждое конкретное решение, сформулируем некоторые общие моменты [5–8]. КПД двигателя определяется отношением выходной (механической мощности) к входной электрической мощности [5]:

ωВ n = Pl1 ЮВ + /М

M = М(шв). (1)

В уравнении (1) КПД η представлен как функция скорости вала ωВ, вращающего момента M и суммарных потерь мощности P. Вращающий момент M, в свою очередь, зависит от скорости ωВ, уменьшаясь, когда увеличивается скорость. Поэтому прежде чем сравнивать эффективность двух типов двигателей, надо зафиксировать ско- рость вала. Следует также помнить на практике, что необходимо оптимизировать систему в целом, а не только двигатель, поэтому первым шагом в улучшении эффективности конкретной системы следует считать правильность принятой скорости вала.

В тех случаях, когда номинальная величина скорости ω_Н задана техническими условиями, максимум эффективности работы электропривода, оцениваемой величиной КПД, эквивалентен максимуму вращающего момента M при допустимой величине рассеиваемой мощности ^М/р. Рассеивание мощности приблизительно может быть выражено величиной, пропорциональной внешней поверхности двигателя 2 • и • R • l, где l представляет активную длину двигателя, а коэффициент k_t соответствует удельному рассеиванию мощности (Ватт/м²), что отражено в уравнении:

P = k_t-2-n-R-l . (2)

В зависимости от принятого способа охлаждения (естественное, обдув, водяное и т.д.) максимальная величина k t определяется через допустимое превышение температуры. Как только R и l установлены, может быть определен активный объем двигателя. Таким образом, выбор k_t имеет отношение как к активному объему двигателя и • R² • l, так и к допустимому рассеиванию P, на что указывает следующее уравнение:

р = 22к

V R

При увеличении R вращающий момент увеличивается очень быстро [8]. По сравнению с прототипом, который соответствует исходным параметрам (к ^ ₀, R_o, Р_о, М_о), тот же вращающий момент М может быть получен при более низком к (например, 0,5 • к_£о), что достигается небольшим приращением внешнего радиуса (например, 1,15 • R_o). Следовательно, потери мощности снижаются почти на 60 %, тогда как КПД повышается согласно уравнению (1). При этом удельный момент (вращающий момент/объем) уменьшается в этом случае почти на 75 %. В итоге при заданном вращающем моменте и скорости лучший КПД может получаться простым снижением удельного вращающего момента. На практике таким путем (увеличенными затратами на медь и железо) идти неэкономично: следует помнить, что в этом случае больше энергии затрачено, например, в производственном процессе. По этой причине пренебрегать величиной удельного вращающего момента не следует, надо ценить этот показатель.

Второе важное следствие – сравнение разных двигателей по КПД должно выполняться при равных внешних размерах, в противном случае могут быть получены неправильные результаты. С другой стороны, только выбором ^М/р можно улучшить как вращающийся момент, так и КПД.

Бесконтактный синхронный двигатель с постоянными магнитами. Этот тип двигателя появился в начале 80-х на рынке сервоприводов. В отличие от двигателя постоянного тока он обычно именовался бесконтактным двигателем постоянного тока. Наиболее часто встречается конструкция двигателя, когда постоянные магниты размещаются на поверхности ротора.

В быстродействующих электроприводах наиболее часто используются два способа управления: векторное управление с синусоидальной ЭДС и скалярное управление с трапециевидной ЭДС. В обоих случаях требуется коммутируемый инвертор. Наиболее заметно преимущества бесщеточного двигателя проявляются при идеальном питании, каким является векторное токовое управление. Кратные трем гармоники допускаются в распределении фазовых обмоток и в кривой индукции в воздушном зазоре. Их присутствие увеличивает первую гармонику в кривой магнитного потока. Реализация нужной формы фазного тока может быть достигнута в полупроводниковых преобразователях, предложенных в [9–11].

Магниты на поверхности ротора размещены, как показано схематически на рис. 1. Отсутствие потерь на возбуждение, относительная свобода их расположения на роторе способствуют повышению отношения ^М/р .

Рис. 1. Схематический разрез бесконтактного синхронного двигателя с постоянными магнитами (см. [5])

Анализ основных компонентов состояния электромагнитной системы двигателя с целью достижения оптимума КПД и удельного момента можно выполнить, пользуясь следующими соотношениями [5]:

n-r-l-N mdpl

V3 • р

Bpi=^Bp:(

М ^^ р • ^md • ^sq, где Tmd - потокосцепление, пропорциональное максимальной магнитной индукции воздушного зазора Bpl (первой гармоники);

• N - число витков на фазу;

• r - радиус зазора;

• р - число пар полюсов.

На рис. 1 показан схематический разрез бесконтактного синхронного двигателя с постоянными магнитами. Магнитная индукция воздушного зазора B p зависит от типа B_T и длины магнитов l_m (изменение МДС в железе учтено).

С другой стороны, так как редкоземельные магниты очень дорогие, их объем должен быть ограничен. Следовательно, в фиксированном объеме магнита длина магнита l_m становится функцией радиуса ротора г. Отношение внутреннего диаметра к внешнему определяется коэффициентом

r

X = R.

Потокосцепление ^_md будет функцией х

^ md ⁽X) = X • B p ⁽X).           (6)

Мощность рассеяния Р включает тепловые потери и потери в стали сердечника

P-P_fe = 2 •« , •&;

R s = A;\x).                (7)

Сопротивление фазы Rs обратно пропорционально площади паза 5.

С другой стороны, потери в стали сердечника Р ^ _е могут быть определены по формуле:

P ^e (x) = Ь(ю) • В² • V S ( x ), (8) где Ь(ю) - коэффициент, который представляет собой «потери/объем» при индукции 1 Тл и зависит от электрической скорости ю = р • ю В . Номинальный ток i_sg зависит от % через потери в сердечнике и площадь паза:

i sg = jp-P_/ e (x)^VA s (%) . (9)

Из (6) и (9) вращающий момент является функцией x , оптимальная величина которого дает максимальный вращающийся момент и, следовательно, КПД.

В [5] качестве примера рассчитаны зависимости от параметра x величины момента двигателя при следующих условиях: угловой скорости вала ю В = 2000 об/мин, частоте на статоре 50 Гц, потерях в железе 2,5 Ватт/кг, удельной мощности рассеивания к = 4000 Ватт/м² при температурном перегреве 100 °С, естественном охлаждении двигателя, материале магнитов NdFeB . Эти зависимости представлены на рис. 2. Кривые рис. 2 имеют максимумы, которые зависят от числа пар полюсов. Лучшие результаты у автора достигнуты при р = 3 и р = 4.

Рис. 2. Зависимость величины момента двигателя от x при ы В = 2000 об / мин, материал магнитов NdFeB

Асинхронный электропривод . Современный асинхронный электропривод – это система, построенная по схеме «Преобразователь частоты инверторного типа – асинхронный двигатель». Для обеспечения широкого диапазона регулирования используется векторное управление координатами. В современных электроприводах зависимость момента от тока статора является приближённо одинаковой во всём диапазоне уставок задания скорости. Совершенствование конструкции асинхронных электрических машин идёт по пути адаптации асинхронных двигателей к преобразователю частоты [4]. В последнее время улучшать удельные показатели асинхронных электроприводов становится сложнее. Эти показатели достигаются за счет улучшенных характеристик электроизоляционных материалов.

Рассмотрим выражение для электромагнитного момента асинхронного двигателя, работающего в оптимальной точке (при номинальных напряжении, частоте и нагрузке) [8]:

M = l5 D2 A5 B5 кв коб, где l5, Da - габаритные размеры активных материалов; A5, B5 - электромагнитные нагрузки; kВ – коэффициент формы поля.

В этом уравнении обмоточный коэффициент k_об вводится для того, чтобы учесть укорочение шага обмотки и её распределение. Укорочение шага и распределение обмотки позволяют снизить влияние высших гармоник, которые, как известно, в трёхфазной машине с синусоидальным возбуждением не создают электромагнитного момента. С другой стороны, укорочение и распределение обмотки приводит к снижению основной гармоники, что и учитывается обмоточным коэффициентом. В серийных асинхронных двигателях он лежит в диапазоне 0,9…0,95. Таким образом, обмоточный коэффициент показывает, насколько снижается электромагнитный момент по сравнению с m -фазной машиной, в которой ток, протекающий по обмоткам, был бы несинусоидальным, а число фаз стремилось бы к бесконечности. Таким образом, обмоточный коэффициент – это плата за «синусоидальное возбуждение» [1–3, 8].

Дальнейшее улучшение предельных возможностей асинхронного электропривода связано с улучшением конструкции машины, позволяющим ещё в большей степени снизить влияние высших гармоник за счёт увеличения электромагнитных нагрузок.

Синхронная реактивная машина независимого возбуждения (СРМНВ). Для анализа предельных возможностей электропривода с СРМНВ [12–16] на первом этапе предположим, что машина имеет бесконечное число фаз. В этом случае СРМНВ аналогична обращённой машине постоянного тока. Так же, как и в электроприводе постоянного тока, по обмоткам статора нет необходимости пропускать синусоидальный ток. В отличие от машин переменного тока с синусоидальным возбуждением, в электроприводе с СРМНВ гармонические составляющие поля возбуждения взаимодействуют и создают полезный момент. Причина этого явления заключается в постоянстве угла момента. По оценкам [8, 17], высшие гармоники увеличивают развиваемый момент примерно на 23 %. Эта цифра показывает реальные резервные возможности нового типа электропривода.

Полезно дать физическое обоснование факту больших перегрузочных моментов рассматриваемого электродвигателя. С этой целью рассмотрим картину магнитных полей в машине постоянного тока и СРМНВ.

Возможность независимого управления потоком возбуждения позволяет получать в электроприводе предельные перегрузочные моменты, превышающие значения 5–6 номиналов [16].

Бесконечное число фаз двигателя потребует усложнения схемы силовых цепей полупроводникового преобразователя. Переход к конечному числу фаз электрической машины приводит к пульсациям электромагнитного момента. Чтобы учесть влияние пульсаций на величину момента, в [1, 3] установлена зависимость схем силовых цепей от числа фаз.

Параметрическая оптимизация электроприводов с синхронной реактивной машиной независимого возбуждения, которая включала в себя выбор оптимального соотношения геометрических размеров машины, схем силовых цепей [2], позволяет улучшить массогабаритные показатели на 10– 15 %.

При синтезе законов управления приходится учитывать, что оптимальная форма линейной плотности поверхностного тока имеет прямоугольную форму. В случае многофазной схемы система управления электроприводом может рассматриваться как многоканальная система управления, аналогичная электроприводу постоянного тока [19–23].

Рассмотренные преимущества могут быть получены при использовании возможностей систем автоматики, которые достигнуты в последнее время [24–27].

Заключение. Обзор технической литературы показал, что за счет учета совместной работы полупроводникового преобразователя и электрической машины удается улучшить удельные массогабаритные показатели на (10–20) %.

С другой стороны, если проектировать электрическую машину совместно с полупроводниковым преобразователем и отказаться от синусоидального возбуждения, можно также улучшить удельные показатели. Например, в электроприводе с синхронной реактивной машиной независимого возбуждения в многофазной схеме оптимальной оказывается прямоугольная форма тока.

Рассмотренные в статье электроприводы могут быть рекомендованы для объектов с тяжелыми с сверхтяжелыми условиями эксплуатации, где актуальны высокие перегрузочные моменты и улучшенные удельные показатели [21].

Существуют технологические объекты производственных механизмов с умеренными показателями регулирования, где электроприводы с СРМНВ могут успешно эксплуатироваться [28, 29].