Вентильный реактивный электродвигатель
Эта статья или раздел нуждается в переработке. |
Вентильный реактивный электродвигатель (ВРД) — бесколлекторная синхронная машина, на обмотки статора которой подаются импульсы напряжения управляемой частоты, создающие вращающееся магнитное поле. Также известен под названием вентильно-индукторный двигатель[1][2], а устоявшийся англоязычный термин Switched Reluctance Motor (SRM)[3][4]. Вращающий момент возникает за счёт стремления ротора к положению, при котором магнитный поток статора проходит по оси ротора, изготовленного из магнитомягкого материала, с наименьшим магнитным сопротивлением. Стоит различать данную электрическую машину и вентильно-индукторный двигатель с независимым возбуждением[5], а также синхронный реактивный электродвигатель[6] (synchronous reluctance motor[7][8]), принцип формирования электрического момента и способ управления для которых иной.
Достоинства
правитьВ разделе не хватает ссылок на источники (см. рекомендации по поиску). |
Вентильные реактивные электродвигатели/генераторы имеют следующие достоинства:
- Простая конструкция
Ротор и статор выполнены в виде пакетов листового магнитомягкого материала. На роторе ВРД отсутствуют обмотки и постоянные магниты. Фазные обмотки находятся только на статоре. Для уменьшения трудоёмкости изготовления катушек обмотки статора могут изготавливаться отдельно, а затем надеваться на полюсы статора.
- Высокая ремонтопригодность
Простота обмотки статора повышает ремонтопригодность ВРД/ВРГ, так как для ремонта достаточно сменить вышедшую из строя катушку.
- Отсутствие механического коммутатора
Управление электромеханическим преобразователем электропривода/генератора осуществляется с помощью высокоэффективных силовых полупроводниковых элементов — IGBT или MOSFET (HEXFET) транзисторов, надёжность которых существенно превышает надёжность механических деталей — коллекторов, щёток.
- Отсутствие постоянных магнитов
ВРД/ВРГ 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 надёжность, 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 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.
- Малое количество меди
На изготовление ВРД/ВРГ требуется в среднем в 2-3 раза меньше меди, чем для коллекторного электродвигателя такой же мощности, и в 1,3 раза меньше меди, чем для асинхронного электродвигателя.
- Tепловыделение происходит в основном только на статоре, при этом легко обеспечивается герметичная конструкция, воздушное или водяное охлаждение
В рабочем режиме не требуется охлаждение ротора. Для охлаждения ВРД/ВРГ достаточно использовать наружную поверхность статора.
- Высокие массогабаритные характеристики
В большинстве случаев ВРД/ВРГ может быть выполнен с полым ротором. Толщина спинки ротора при этом должна быть не менее половины ширины полюса. Подбором количества полюсов статора и ротора могут быть оптимизированы массогабаритные характеристики электродвигателя/генератора, его мощность при заданном моменте и диапазоне частоты вращения.
- Низкая трудоёмкость
Простота конструкции ВРД/ВРГ снижает трудоёмкость 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. Трудоёмкие и сложные в технологическом отношении операции, например изготовление коллектора и щёток коллекторного электродвигателя или заливка клетки ротора асинхронного двигателя, здесь отсутствуют. По предварительным оценкам трудоёмкость изготовления ЭМП вентильного реактивного электродвигателя составляет на 70 % меньше трудоёмкости изготовления коллекторного и на 40 % меньше трудоёмкости изготовления асинхронного электродвигателя.
- Гибкость компоновки
Простота обмотки статора и отсутствие обмотки и магнитов на роторе обеспечивает ВРД/ВРГ высокую гибкость компоновки. Конструкция электродвигателя/генератора может быть плоской, вытянутой, обращённой, секторной, линейной. Для выпуска целого типоряда электродвигателей/генераторов 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 облегчённых и, напротив, тяжёлых 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.
- Высокая надёжность
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 остаётся 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/ВРГ 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 %.
ВРД часто путают с синхронным реактивным электродвигателем (СРД), обмотки якоря которого питаются синусоидально изменяющимися напряжениями без обратной связи по положению ротора. СРД имеет низкий КПД, который не превышает 50 % для маломощных электродвигателей и до 70 % для мощных электрических машин.
- Импульсный характер питания ЭМП обеспечивает удобную стыковку с современной цифровой электроникой
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/ВРГ 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 жёсткие (астатические), и не ведёт к существенному усложнению системы управления. Фактически поле доступных механических характеристик непрерывным образом покрывает все четыре квадранта плоскости момент-скорость в пределах области ограничений конкретного электропривода.
- Низкая стоимость электромеханического преобразователя
Стоимость ВРД оказывается самой низкой из всех известных конструкций электрических машин. 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/ВРГ 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.
Недостатки
правитьВентильные реактивные электродвигатели/генераторы имеют следующие недостатки[9]:
- низкий коэффициент мощности
Он обусловлен значительной величиной намагничивающей составляющей тока статора.
- низкий КПД при небольших мощностях
В реактивных двигателях мощностью в несколько десятков Вт КПД составляет 30-40 %, а в двигателях мощностью до 10 Вт — не превышает 10 %.
- по габаритам реактивные двигатели больше синхронных и асинхронных двигателей
Это объясняется низким КПД, малым и небольшой величиной реактивного момента.
См. также
правитьПримечания
править- ↑ Н.Ф. Ильинский. Вентильно-индукторный электропривод: проблемы и перспективы развития // Издательство МЭИ, 111250, Москва, Красноказарменная ул., д. 14. — 2007. Архивировано 28 сентября 2020 года.
- ↑ Алямкин Д. И. Разработка и исследование двухфазного вентильно-индукторного электропривода насосов грячего водоснабжени // МЭИ : диссертация. — 2011. Архивировано 27 марта 2022 года.
- ↑ Switched reluctance motor (англ.). Дата обращения: 1 апреля 2021. Архивировано 11 марта 2021 года.
- ↑ Jin-Woo Ahn, Ph.D. Switched Reluctance Motor // Kyungsung University Korea. Архивировано 2 марта 2022 года.
- ↑ Козаченко В. Ф., Остриров В. Н., Лашкевич М. М. Электротрансмиссия на базе вентильно-индукторного двигателя с независимым возбуждением // «Электротехника» : журнал. — 2014. — Февраль. Архивировано 5 февраля 2020 года.
- ↑ Синхронные реактивные двигатели перспективны во многих промышленных применениях (26 июля 2018). Дата обращения: 1 апреля 2021. Архивировано 18 января 2021 года.
- ↑ ABB. [https://www.smlgroup.ru/f/baldor_sinkhronnyye_dvigateli_nizkogo_napryazheniya.pdf Low voltage IE4 synchronous reluctance motor and drive package] (англ.). Каталог продукции ABB.
- ↑ C. M. Donaghy-Spargo. Synchronous Reluctance Motor Technology: Industrial Opportunities, Challenges and Future Direction (англ.) // Durham University. — 2016. Архивировано 14 апреля 2019 года.
- ↑ Кацман, 1979, с. 218—221.
Литература
править- Герасимов В. Г., Кузнецов Э. В., Николаева О. В. Электротехника и электроника. Кн. 2. Электромагнитные устройства и электрические машины. — М.: «Энергоатомиздат», 1997. — 288 с. — ISBN 5-283-05005-X.
- Кацман М. М., Юферов Ф. М. Электрические машины автоматических систем. — М.: «Высшая школа», 1979. — 261 с.
Ссылки
править- Основные достоинства вентильных реактивных электродвигателей / генераторов / ФГУП НИИАЭ «Вентильный индукторный двигатель с самоподмагничиванием (ВИМС)»
- Вентильный реактивный двигатель
- Математическая модель вентильного реактивного двигателя
- Особенности работы вентильного реактивного двигателя при питании от сети переменного тока (Автореферат магистерской диссертации)