Вентильный электропривод. Понятие, преимущества, виды, реализация.

Построение вентильных электроприводов регулируемой скорости на базе синхронных электрических машин с постоянными магнитами: наиболее распространенные виды вентильных электроприводов, принципы и особенности их функционирования, некоторые структуры силовых преобразователей электрической энергии, способы и алгоритмы «бездатчикового» управления.

Вентильный электропривод: от CD привода и принтера до робота и систем слежения и наведения в авиации и точной медицинской технике.

В самом общем случае вентильным можно назвать любой электропривод, в котором регулирование режима работы электродвигателя производится с помощью управляемых вентильных (полупроводниковых) преобразователей электрической энергии: выпрямителя, импульсного регулятора постоянного тока, преобразователя частоты. В более узком, общепринятом смысле вентильный электропривод (ВЭП) или вентильный двигатель (ВД) представляет собой электромеханотронную систему, в которой объединены синхронная электрическая машина, как правило, с возбуждением от постоянных магнитов (СДПМ) (см. рис.1 и 2), электронный коммутатор (инвертор), посредством которого осуществляется питание обмоток якоря машины, и система автоматического управления инвертором, оснащенная необходимыми измерительными устройствами (датчиками). Традиционно управление ключами инвертора ВЭП осуществляется в функции положения ротора синхронного двигателя. Благодаря своим высоким эксплуатационным характеристикам, СДПМ являются наиболее перспективными электрическими машинами в диапазоне малых и средних мощностей, особенно для моментных систем электропривода. СДПМ конструктивно просты, надежны, имеют абсолютно жесткие механические характеристики и не требуют затрат энергии на возбуждение. Эти качества электрической машины обуславливают применение ВД в промышленных системах автоматики, роботах и манипуляторах, приводах подач и главного движения металлорежущих станков, координатных устройствах, автоматических линиях по обработке различных материалов или сборке изделий, упаковочных и печатных машинах, принтерах и плоттерах, намоточных и лентопротяжных механизмах, прецизионных системах слежения и наведения, в авиационной и медицинской технике. ВД имеют свою "нишу" в тяговом электроприводе (электровоз ВЛ80ВР), приводах рулевого управления летательных и подводных аппаратов, электромеханических устройствах автомобилей (электромеханические усилители руля, стартер-генераторные устройства гибридных автомобилей, стеклоподъемники и др.), мотор-колесах аккумуляторных индивидуальных транспортных средствах (электровелосипеды, инвалидные коляски различных разработок), в бытовых устройствах (стиральная машина "Орь-Автомат", проигрыватели компакт-дисков).
Для изготовления ротора СДПМ могут использоваться ферритовые магниты. Они относительно дешевы, но обеспечивают невысокий уровень индукции магнитного поля. Поэтому в последние десятилетия предпочтение отдается высокоэнергетическим магнитам на основе сплавов редкоземельных металлов, обладающих большой коэрцитивной силой. Это позволяет значительно улучшить массогабаритные показатели ВЭП и получить более высокий вращающий момент в том же габарите статора двигателя. "Самарий-кобальт" (Sm-Co) и "неодим-железо-бор" (Nd-Fe-B) - наиболее распространенные материалы современных редкоземельных магнитов.

В настоящей статье обсуждается современное состояние теории и практики построения вентильных электроприводов регулируемой скорости на базе синхронных электрических машин с постоянными магнитами: наиболее распространенные виды вентильных электроприводов, принципы их построения и особенности функционирования, некоторые структуры силовых преобразователей электрической энергии (коммутаторов), основные способы и алгоритмы автоматического управления ВЭП при отсутствии на валу двигателя датчика положения ротора.

ПРЕИМУЩЕСТВА ВЕНТИЛЬНЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ

Постоянное удешевление магнитных материалов, а также ускоряющееся развитие аппаратной базы систем управления и устройств силовой электроники сделали возможным применение ВД в тех областях техники, где традиционно применялись только машины постоянного тока или специальные асинхронные двигатели.
Это объясняется целым рядом конструктивных и технико-эксплуатационных преимуществ СДПМ по сравнению с другими существующими типами электрических машин, к числу которых можно отнести следующие [1, 2]:
- бесконтактность и отсутствие узлов, требующих обслуживания.
Отсутствие у вентильных электродвигателей скользящих электрических контактов существенно повышает их ресурс и надежность по сравнению с электрическими машинами постоянного тока или асинхронными двигателями с фазным ротором, расширяет диапазон достижимых частот вращения. Обмотка якоря СДПМ может быть запитана более высоким номинальным напряжением, поэтому конструктивная постоянная момента Cm ВД существенно превышает аналогичную величину классических машин постоянного тока, что позволяет использовать при подключении ВЭП кабели меньшего сечения и преобразователи электрической энергии на меньшие токи;
- большая перегрузочная способность по моменту (кратковременно допустимый момент и ток СДПМ могут превышать номинальные значения в 5 и более раз);
- высокое быстродействие в переходных процессах по моменту;
- абсолютно жесткая механическая характеристика и практически неограниченный диапазон регулирования частоты вращения (1:10000 и более). Возможность регулирования частоты вращения как вниз от номинальной (с постоянством длительно допустимого и максимального моментов), так и вверх (с постоянством мощности);
- наилучшие энергетические показатели (КПД и коэффициент мощности). КПД вентильных двигателей превышает 90% и незначительно отклоняется от номинального при вариациях нагрузки, в то время как у серийных асинхронных двигателей мощностью до 10 кВт максимальный КПД составляет не более 87,5% и существенно зависит от момента. Так, уже при половинной нагрузке на валу он может упасть до 60-70%;
- минимальные токи холостого хода;
- минимальные массогабаритные показатели при прочих равных условиях.

Так как основные электрические и магнитные потери в роторе СДПМ отсутствуют, а современные редкоземельные постоянные магниты, например, на основе соединения "неодим-железо-бор" способны обеспечить максимальную индукцию в воздушном зазоре даже без концентрации потока на уровне асинхронных машин (до 0,8 Тл.), в СДПМ может быть значительно повышена линейная нагрузка при сохранении суммарных потерь в машине на постоянном уровне, что и объясняет более высокую электромеханическую эффективность вентильных двигателей по сравнению с другими типами бесконтактных электродвигателей переменного тока. Именно благодаря этим преимуществам ВД занимают ведущие позиции в каталогах продукции ведущих зарубежных электротехнических фирм - Siemens AG, General Electric, Bosch Rexroth AG, Ansaldo, Fanuc и др. В России вентильные электроприводы и специализированные СДПМ производятся серийно с 1980-х гг. Примерами тому являются комплектный электропривод ЭПБ1 и двигатели серий ДБМ, ДВ (ЗАО "Машиноаппарат", г. Москва).

В последние годы работы по созданию современных ВЭП вновь приобрели былую интенсивность. В частности, комплексом электротехнических предприятий, объединенным Чебоксарским электроаппаратным заводом (ОАО "ЧЭАЗ"), на базе электрических машин серий ДВФ и ДВМ спроектирована новая серия современных отечественных вентильных двигателей 5ДВМ, а также тяговый вентильный электродвигатель ВМЭД-01 мощностью 120 кВт для специальных транспортных средств (городской автотранспорт, электромобиль) и автомобилей [1]. В электрических машинах новой серии применены термостабильные отечественные постоянные магниты из материала "неодим-железо-бор" со специальными легирующими добавками, которые способствуют повышению коэрцитивной силы и сохранению свойств магнитов при нагреве до +170°С и пятикратной кратковременной перегрузке двигателя по моменту и току якоря.

Это обеспечивает снижение расхода дорогостоящих магнитных материалов и улучшению массогабаритных показателей машины. Проектированием и изготовлением ВД также занимаются: ОАО "КБ ПА", г. Ковров; лаборатория спецмашин (ЛСМ) ЗАО "СЗЭМО", г. Санкт-Петербург (дисковые СДПМ); конструкторское бюро мехатроники, г. Златоуст Челябинской области; отдел электромеханических систем воспроизведения движений (ОЭСВД) и лаборатория электромеханики Новосибирского государственного технического университета, а также многие другие предприятия.