ИННОВАЦИОННЫЕ РЕШЕНИЯ ОБЪЕДИНЕНИЯ НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ ООО «СПЕЦИАЛЬНЫЕ ПРОЕКТЫ МАШИНОСТРОЕНИЯ» В КОМПЛЕКТНОМ ТЯГОВОМ ЭЛЕКТРОПРИВОДЕ

ВЕНТИЛЬНЫЙ ИНДУКТОРНЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ С НЕЗАВИСИМОЙ ОБМОТКОЙ ВОЗБУЖДЕНИЯ

 

Существует несколько основных типов электрических машин, которые можно использовать в тяговом электроприводе. Если не касаться устаревшего
коллекторного двигателя постоянного тока из-за проблем, присущих ему, то можно выделить четыре основных типа:
— асинхронный (АД);
— синхронный с постоянными магнитами (СДПМ);
— вентильно-индукторный (ВИД);
— индукторный с независимым возбуждением (ИМ НВ).

АСИНХРОННЫЙ (АД)
Преимущества:
— Отработанная структура векторного управления.
— Уже находится на стадии массового внедрения в системах электродвижения.
— Отработанные надежные силовые преобразователи – ПЧ.
— При отказе датчика положения ротора возможна работа в режиме скалярного управления.
Недостатки:
— Небольшой диапазон регулирования скорости в зоне ослабления поля (до 1:2).
— Необходимость зависимого управления током намагничивания в функции скорости и момента для повышения энергоэффективности.
— Низкий КПД в широком диапазоне.
— Сложность отвода потерь (тепла) от короткозамкнутого ротора;
— Проблемы проектирования как высокоскоростных, так и низкоскоростных двигателей (прямого без редукторного привода).
— Низкая перегрузочная способность по моменту.
Основной общепромышленный привод. Активно применяется в тяге: электровозы, автомобили (Тесла).
Хорошо подходит для колесного и ЖД транспорта, так как имеется возможность работать в режиме постоянства выходной мощности в достаточно широком
диапазоне скоростей. При этом диапазон постоянства мощности существенно уже, чем у ВИД и ИМ НВ.
Примерно 1/3 потерь выделяется в роторе машины их нужно отводить.
В автомобилях Тесла было реализовано запатентованное решение в виде полого стаканообразного ротора, которое позволяет сделать эффективный
теплоотвод тосолом, однако данное решение ограничивает свободу конструктивного размещения машины в установке, увеличивает габариты.
Данный тип привода имеет несколько большую установленную мощность преобразователя (20-30% по току) по сравнению с СДПМ и ИМ НВ.

Синхронный с постоянными магнитами (СДПМ)
Преимущества:
— Высокий КПД.
— Отработанная структура векторного управления.
— Высокая перегрузочная способность по моменту, до 5 и более.
— Возможность создания обращенных конструкций.
Недостатки и проблемы:
— Высокая стоимость, монополизм производителей постоянных магнитов.
— Технологическая сложность сборки/разборки, возрастающая с ростом мощности.
— Низкая ударная стойкость;
— Зависимость свойств постоянных магнитов от температуры;
— Необходимость искусственного (сложно реализуемого) ослабления поля в зоне работы с постоянной мощностью – управление током по оси d
(размагничивания ПМ).
— Ограниченный диапазон работы в зоне ослабления поля – до 1:2.
— Завышенная мощность силового преобразователя.
Категорически не подходит для колесных транспортных средств и ЖД транспорта за счет очень малой зоны работы с постоянством мощности (отношение
максимальной скорости к номинальной не более 1,5-2). По этой причине применяется только в городских автобусах (Siemens, ограничение скорости 50 км/ч),
но не в рейсовых.
Точнее подходит только в совокупности с коробкой передач.
Необходимо также учитывать, что такая машина имеет особенности.
Из-за наличия постоянных магнитов (нельзя погасить поле) двигатель при вращении становится генератором. В случае отказа двигателя или его силового
преобразователя во избежание пожара (вследствие наведенной обратной ЭДС) требуется затормозить и зафиксировать вал движителя механически, или
расцепить вал и электродвигатель.
Кроме того, сборку и разборку двигателя можно осуществлять только в заводских условиях с применением специального оборудования из-за большой силы,
возникающей между постоянными магнитами и статором машины.
Считается, что данный тип двигателя имеет наибольшую удельную мощность, так как применение постоянных магнитов снижает долю активных частей (железа
и меди) цепей возбуждения примерно на 20-40%, однако сильное взаимодействие между постоянными магнитами и статором требует значительного усиления
конструкции двигателя, что в большинстве случаев не позволяет сократить массу двигателя.
Кроме того, некорректно сравнивать непосредственно двигатели. Необходимо сравнивать эффективность привода в целом, т.е. с учетом массы и габаритов
силовых преобразователей, системы охлаждения и т.п.

Вентильно индукторный  (ВИД)

Switch Reluctance Drive в ряде отечественных источников с середины 1990-ых годов стал называться вентильным индукторным двигателем, что внесло
терминологическую путаницу. Корректнее его называть вентильный двигатель с переменным магнитным сопротивлением.
Преимущества:
— Простая и технологичная конструкция.
— Получаемая естественным путем тяговая характеристика, близкая к оптимальной.
— Высокая перегрузочная способность по моменту, до 4-5.
— Возможность создания обращенных конструкций, легко встраиваемых в колеса.
Недостатки и проблемы:
— Однополярное питание фаз, как следствие — многофазная конструкция машины для уменьшения пульсаций момента (5,6,7 фаз), завышенная (примерно вдвое
по отношению к ВИД с независимой ОВ) габаритная мощность инвертора.
— Невозможность реализации полноценного векторного управления скоростью и моментом.
— Необходимость управления углом коммутации по расчетным зависимостям углов коммутации (включения/выключения) от скорости.
— Сложность реализации тормозных режимов.
Это один из двигателей, чья характеристика (по крайне мере так считается) идеально подходит для транспортных применений, т.е. близка к гиперболической
(прогрессивной).
Он действительно может быть выполнен в меньших габаритах, чем аналогичный асинхронный двигатель, но силовой преобразователь имеет в 2 раза больше
элементов, и токовая нагрузка выше, чем в классических трехфазных машинах, где обмотки соединены в звезду (итог — очень большой, переразмеренный
преобразователь).
Кроме того, невозможно организовать полноценное векторное управление, следовательно, момент такого двигателя можно контролировать лишь косвенно.

Индукторный с независимым возбуждением

Преимущества:
— Отсутствие скользящего контакта в машине.
— Высокая технологичность — меньшая стоимость по сравнению с вентильным электродвигателем (ВД) с постоянными магнитами (ПМ).
— Высокая надежность. Устойчивость к ударным и вибрационным воздействиям.
— Расширенный диапазон регулирования в режиме постоянной мощности (1:17) за счет возможности ослабления поля (двух зонное регулирование скорости).
— Высокая перегрузочная способность по моменту, до 4-5 и более.
— Минимизация потерь в пассивном роторе (отсутствие перемагничивания ротора). Все тепло выделяется на статоре.
— Полноценное векторное управление моментом и скоростью. Возможно создание ТД с без датчиковым управлением.
— Использование стандартного трехфазного инвертора в управляющем преобразователе. Существенное снижение габаритной мощности преобразователя по
сравнению с ВД с ПМ и ВИД с самовозбуждением (SRD).
— Возможность конструктивной интеграции секции тягового двигателя с преобразователем, системой управления и системой жидкостного охлаждения
(создание унифицированных мехатронных модулей).
— Возможность секционирования двигателя и преобразователя для повышения надежности.
Представляет собой гибрид вентильно-индукторного двигателя и синхронной машины с независимым возбуждением. Имеет математическое описание
синхронной машины.
Простая конструкция. Не содержит на роторе ни обмотки, ни магнитов.
Потери в стали ротора незначительны в силу малой амплитуды переменной составляющей магнитной индукции и однополярного магнитного потока в зубцах
ротора. Это способствует малому тепловыделению на роторе и облегчению отвода тепла от машины в целом, что актуально для больших и закрытых
электрических машин.
Кроме того, это позволяет проектировать электрическую машину с большими электромагнитными нагрузками, что при прочих равных условиях снижает
её размеры.
Машина хорошо управляема, регулируется непосредственно момент.
Постоянство мощности поддерживается в широком диапазоне скоростей (более 6 к 1, а программно до 17 к 1).
Машина может быть секционирована (несколько статорных обмоток на один ротор) для увеличения надежности и увеличения мощности. Возможность
многосекционного исполнения фазной обмотки позволяет решить задачи резервирования и бесперебойности работы привода, а также позволяет применять
в составе электропривода преобразователи меньшей единичной мощности при их независимом питании каждой секции.

РАСПРЕДЕЛЕННАЯ МИКРОПРОЦЕССОРНАЯ СИСТЕМА ВЕКТОРНОГО УПРАВЛЕНИЯ

В вентильных двигателях на базе ИМ НВ имеется канал непосредственного управления магнитным потоком посредством воздействия на ток в независимой
обмотке возбуждения, чего нет ни в асинхронной машине, ни в Switch Reluctance Drive (СРД). Мощность этого канала управления составляет, как правило,
не более 1 % от мощности электрической машины.
При организации управления током возбуждения в функции тока якоря получаем «псевдо» последовательное возбуждение.
Для тяговых применений двигатель последовательного возбуждения наиболее эффективен.
Конструкция ИМ НВ является достаточно простой. Многосекционное исполнение фазной обмотки способствует обеспечению синусоидальной формы потоков,
токов, МДС, напряжений, как следствие, приводит к меньшим дополнительным потерям и упрощает векторное управление, которое может быть реализовано
без применения явно выраженного датчика положения ротора.
В настоящее время уже разработана и апробирована экспериментальная система бездатчикового управления, позволяющая исключить датчик положения
ротора для увеличения надежности системы.
Принцип бездатчикового управления строится на анализе магнитной анизотропии электродвигателя, которая меняется при изменении положения
ротора. Например, инжекция высокочастотного сигнала в напряжение статора приводит к появлению высокочастотной составляющей тока,
годограф которого однозначно определяет положение ротора двигателя. Данное решение нельзя реализовать для АД.
В свете сложившейся ситуации с трансфером технологии и поставок импортных комплектующих для реализации систем управления нами уже освоен новейший
отечественный микроконтроллер NT32M4F1, разработанный в НИИЭТ г. Воронеж.
В декабре 2015 года планируется производство коммерческой партии.
Нашими специалистами на его базе разработаны контроллеры для управления силовыми преобразователями и электродвигателями полностью
на отечественной элементной базе, комплекс отладочных средств и библиотек математических и прикладных функций, реализованы системы векторного
управления тяговым электроприводом.
Они полностью заменяют контроллеры МК17.4 (Texas Instruments TMS320F2810 С28 150МГц), используемые в настоящее время в электромеханических
трансмиссиях транспортных средств
Образцы уже прошли успешные испытания.
Важно отметить, что применение отечественного контроллера в системе управления решает проблему импортозамещения.
Кроме того гарантированное отсутствие закладок решает и проблему противодействия применению средств РЭБ против нашей техники.
Силовые преобразователи:
Разработан преобразователь для раздельного управления двумя тяговыми индукторными электродвигателями независимого возбуждения.
Характеристики:
питание: силовое =900 В;
системы управления =24 В.
Электродвигатель с трехфазной развязанной обмоткой:
фазное напряжение до 660 В;
фазный ток до 350 А;
амплитуда тока до 600 А;
частота основной гармоники до 400 Гц;
номинальная мощность двигателя 140 кВт;
максимальная (кратковременная) мощность до 500 кВт;
ток возбуждения 13А.
масса блока на два тяговых двигателя 95 кг;
охлаждение жидкостное;
степень защищенности IP67.