Энергетический агрегат с бесконтактным электродвигателем и модульными источниками энергии в аварийно-спасательной технике

УДК 614.8:338

В.С. Федорук к.в.н.

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ АГРЕГАТ С БЕСКОНТАКТНЫМ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕМ И МОДУЛЬНЫМИ ИСТОЧНИКАМИ ЭНЕРГИИ В АВАРИЙНО-СПАСАТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКЕ

V. Fedoruk

THE POWER AGREGATE WITH THE CONTACTLESS ELECTRIC MOTOR AND MODULAR ENERGY SOURCES IN FAILURE-RESCUE TECHNIQUE

Описана опытно-конструкторская разработка испытания и использования бесконтактных электродвигателей в аварийно-спасательной технике и инструментах.

Experimental-construction work of standing and use of the contactless electric motors in failure-rescue technics

and tools is described.

Одним из путей решения проблем повышения надежности аварийно-спасательной техники и аварийно-спасательного инструмента, особенно электрического, является увеличение работоспособности применяемых в этой технике электродвигателей.

Надежность в электротехнике обеспечивается за счет миниммума или отсутствия электрических контактов, а в электромеханике — отсутствием скользящих электрических контактов. Для того, чтобы электродвигатели были бесконтактными, необходимо, чтобы у них не было коллектора, т.е. они должны быть асинхронными.

Самое простое, надежное и недорогое, что есть в электромеханике — это асинхронные машины с короткозамкнутым ротором. Однако наиболее распространенная промышленная частота 50 Гц может обеспечить вращение ротора со скоростью не более 3000 оборотов в минуту.

Для получения более высокой скорости вращения можно использовать однофазные коллекторные двигатели, которые могут вращаться со скоростью до 30000 оборотов в минуту и более. Инструменты с коллекторными двигателями питаются от промышленной сети с частотой тока 50 Гц. Однако их ресурс, как правило, не превышает 1000 часов из-за быстрого износа щеточно-коллекторного узла со скользящими контактами. Коллекторные двигатели «боятся» влаги, пыли, инея. Из-за постоянного искрообразо-вания они неприменимы во взрывоопасной среде, особенно при проведении аварийно-спасательных работ, что может привести к человеческим жертвам.

Для спасателей, часто работающих в сложных климатических условиях, более рациональным будет применение более легких и в то же время более мощных электрических машин — с повышенной частотой тока.

Как известно, частота вращения ротора асин-

хронного двигателя прямо пропорциональна частоте электрического тока. Поэтому для увеличения частоты вращения ротора с 3000 до 24000 оборотов в минуту частоту тока, питающего двигатель с короткозамкнутым ротором, необходимо также увеличить с 50 Гц до 400 Гц.

До недавнего времени в нашей стране, как и в большинстве развитых стран, треть всего электрического инструмента была оснащена 3-х фазными электродвигателями повышенной частоты тока, как правило, 200 Гц, реже — 400 Гц. Для них, естественно, производились и источники энергии повышенной частоты — генераторы и преобразователи повышенной частоты. В 90-е годы прошлого века все постсоветское пространство оказалось без производства источников и инструментов повышенной частоты тока. Образовавшаяся ниша вскоре была заполнена коллекторным электроинструментом, чаще всего зарубежного производства. Во многих отраслях такая замена не была полноценной, тем более для МЧС и, прежде всего, по надежности: ресурс коллекторных двигателей на порядок ниже, чем асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором.

Надежность техники — понятие комплексное, и поэтому нужно, чтобы не только инструменты, но и источник тока был бесконтактным. Легче всего это сделать, воспользовавшись принципом обратимости электрических машин с помощью асинхронной машины.

Если в асинхронной машине (двигателе, например) вращать вал с короткозамкнутым ротором, а к статорной обмотке подключить конденсаторную батарею, то можно добиться, что при определенной скорости вращения асинхронная машина возбудится и будет выдавать на общие с конденсаторной батареей зажимы переменный ток. Это будет уже асинхронный генератор переменного тока с конденсаторным возбуждением (АГКВ), а если асинхронная машина имеет не два, а более полюсов на своей статорной

Научно-технические разработки

Научно-технические разработки

обмотке, то переменный ток будет повышенной частоты. Например, для получения тока повышенной частоты 200 Гц в асинхронной машине необходимо 8 пар полюсов.

До сих пор речь шла о надежности комплекса «источник — нагрузка». Нет необходимости доказывать, что надежность — важнейшее, но не единственное требование к источнику и потребителю электроэнергии. Другие требования — автономность и мобильность — настолько понятны, что нет смысла их специально рассматривать. Что же касается требования к модульности, появившегося в силовой электроэнергетике сравнительно недавно, то его рассмотрим более детально.

В АГЗ МЧС России научной группой проблем оснащения и ведения аварийно-спасательных работ кафедры аварийно-спасательных работ при участии завода «Элис» (Москва) был создан опытный образец аварийно-спасательной машины «АСМ-концепт» на базе УАЗ-3741 (рис.1). «АСМ-концепт» успешно прошла испытания, ее возможности были продемонстрированы специалистам Государственного центрального аэромобильного спасательного отряда МЧС России, ГУ ГОиЧС и ПСС г.Москвы и на выставке «Средства спасения — 2000» (ЦПКО «Сокольники», Москва).

«АСМ-концепт» имела в своем составе пять источников энергии, четыре из которых имели привод от двигателя автомобиля через коробку отбора мощности:

-универсальный асинхронный генератор повышенной частоты тока 200 Гц со сваркой током до 150 А и тремя выходными напряжениями для питания электроинструмента: трехфазного 36/42 В и 135 В и однофазного 220 В;

-генератор повышенной частоты тока 400 Гц со сваркой током до 300 А и трехфазной линией питания инструмента с напряжением 220 В;

-пневматический компрессор с производительностью воздуха 600 л/мин и ресивером ёмкостью 120 л;

-гидронасос для питания аварийно-спасательного инструмента - домкратов, кусачек, разжимов и т.д.

Автономно, без запуска двигателя, работал инвертор-преобразователь постоянного тока напряжением 24 В, получаемого от двух аккумуляторных

батарей, в переменный ток частотой 50 Гц напряжением 220 В.

«АСМ-концепт» по своим возможностям заменяла несколько специальных спасательных автомобилей и получила высокую оценку специалистов.

В последующие годы, в процессе опытной эксплуатации «АСМ-концепт», не только подтвердились отмеченные достоинства, но и были сформулированы некоторые дополнительные требования. В частности, при работе автомобиля на месте при использовании ограниченного набора источников энергии был отмечен низкий коэффициент использования мощности автомобильного двигателя и, как следствие, высокий расход топлива.

Одновременно, при загрузке на величину 50% и более, возникал перегрев двигателя, что потребовало ввести дополнительные средства охлаждения.

Логическим продолжением этой темы в 2005 году в порядке инициативы, а в 2006-07 гг. в рамках академической НИОКР «Энергетическое обеспечение аварийно-спасательных работ мобильными источниками питания» стало создание самоходного энергетического агрегата «СЭА-концепт» (рис.2).

Рис. 1. Аварийно-спасательная машина «АСМ-концепт»

Рис. 2. Самоходный энергетический агрегат «СЭА-концепт» с модулем АГКВ-4

Дополнительное развитие эта тема получила в соответствии с приказом МЧС от 2.06.2006 г. №282 «О разработках в области развития авиационно-спасательных технологий мобильного контейнерного комплекса для авиационного мониторинга, предупреждения чрезвычайных ситуаций и проведения поисковых работ на базе вертолета Ми-8 МТ (Ми-8 МТВ)».

Суть этой работы — создание легкого самоходного агрегата со сменными модульными источниками и потребителями вторичной энергии - электро-, гидро-, пневмоинструментами и др., по универсальности применения не уступающего аварийно-спасательному автомобилю, а по удельным показателям (соотношение мощности и массы) значительно его превосходящего.

Конструктивно «СЭА-концепт» представляет собой 4-х колесную рамную тележку, на которой установлен двигатель внутреннего сгорания«Бриггс энд Стреттон» («В & S») мощностью 13 л.с. От двигателя

через двухступенчатый редуктор вращение передается на передние колеса, что обеспечивает автономность и мобильность агрегата. Для начала и прекращения движения используется натяжной ролик, регулирующий степень натяжения клинового ремня, соединяющего трехручьевой ведущий шкив двигателя со шкивом редуктора. Редуктор обеспечивает две скорости вперед ( 5 и 18 км/ч) , одну назад (4 км/ч) и вращение вала вторичного источника энергии - сменного модуля (электрогенератора, пневмокомпрессора, гидропомпы и т.п.). Шкивы вторичных источников энергии (модулей) должны иметь диаметр, соответствующий номинальному числу оборотов конкретного модуля.

На сидении «СЭА-концепт» могут разместиться два спасателя. Кузов рассчитан на транспортировку двух модульных нагрузок и набора электроинструментов. Место для подключения модульных нагрузок устроено в передней части «СЭА-концепт» и представляет собой откидную площадку (рис.3) для источников вторичной энергии — генераторов переменного тока частотой 50 Гц или повышенной частоты (200 Гц и 400 Гц), помпы, компрессора и др. Привод источников энергии также осуществляется через клиноременную передачу.

Многофункциональность и стремление минимизировать весогабаритные характеристики системы «двигатель — нагрузка» предполагают модульность нагрузок. В «СЭА-концепт» двигатель внутреннего сгорания «В & S» имеет на выходном валу шкив, что позволяет получить с помощью клиноременной передачи любые обороты и соответственно подключить любые источники вторичной энергии, будь то пневматический компрессор (1200 об/мин), помпа (1500 - 3000 об/мин), сварочный генератор (4000 об/ мин). Замена одной нагрузки на другую занимает 1-2 минуты.

Транспортировка «СЭА-концепт» на большие расстояния довольно проста. Имея габариты 2300х800х800 мм и вес без нагрузок 200 кг, он может самостоятельно по трапу въехать в транспортное средство, например, вертолет или небольшой автомобиль-внедорожник. Следует отметить, что

с

Рис. 3. Откидная площадка «СЭА-концепт» для размещения модульных нагрузок

«СЭА-концепт» не рассчитан на самостоятельное перемещение по дорогам общего назначения на значительные расстояния.

«СЭА-концепт» — пионерный проект. Разработчику неизвестны не только серийные, но и выставочные аналоги, которые можно было бы принять за образец при сравнительных испытаниях. На этом основании лабораторные испытания «СЭА-концепт» можно квалифицировать как установочные.

Из сменных источников вторичной энергии, размещенных на «СЭА-концепт», в настоящее время наиболее испытан универсальный асинхронный генератор с конденсаторным возбуждением АГКВ-4 повышенной частоты тока 200 Гц.

Лавинообразный процесс возбуждения генератора происходит при достижении половины номинальных оборотов (т.е. « 1500 об/мин). Запас мощности генератора и приводного двигателя должен быть таким, чтобы при пуске значительных нагрузок (до 25% Рном), особенно с асинхронными двигателями, не происходило развозбуждение генератора. Это достигается избыточным насыщением магнитной цепи генератора за счет емкости конденсаторов возбуждения. Еще больше эта емкость должна быть при сварке.

Известны несколько способов автоматического регулирования емкости возбуждения асинхронного генератора в зависимости от величины и характера нагрузки. Однако для упрощения конструкции была принята схема ручного упреждающего форсирования возбуждения за счет подключения к базовой возбуждающей емкости добавочной регулирующей емкости.

В зависимости от величины рабочего напряжения АГКВ имеет различное устройство возбуждения. Для уменьшения величины и габаритов конденсаторов возбуждения напряжение обмотки возбуждения поднимают до величины, допустимой для выбранного типа конденсаторов, а нагрузку подключают или к отпайке обмотки возбуждения, или к другой, низковольтовой обмотке, называемой рабочей. Эта обмотка укладывается в те же пазы асинхронного генератора по одинаковой схеме — как правило, она называется «звезда с выведенной нулевой точкой». С целью увеличения выходной мощности генератора в этом случае возможно переключение со схемы «две звезды», когда обмотка возбуждения и рабочая обмотка работают параллельно, в схему «одна звезда», когда обе обмотки работают последовательно-согласно.

Это переключение выполняет коммутационный аппарат. Выпрямительный мост преобразует 3-х фазный переменный ток частотой 200 Гц напряжением 135 В в постоянный ток напряжением 220 В, а сварочный выпрямительный мост — 3-х фазный переменный ток частотой 200 Гц напряжением 36 В (или 42 В) в постоянный ток напряжением 60 В (или 75 В).

В результате АГКВ-4 отличается от других источников электроэнергии следующим:

1. От него могут питаться электроэнергией:

а) три вида электроинструментов:

- трехфазные с частотой 200 Гц напряжением 42 В (инструменты строительного назначения, особо безопасные в электрическом отношении);

- трехфазные с частотой 200 Гц напряжением

Научно-технические разработки

Научно-технические разработки

135 В (инструменты ремонтно-сервисного назначения);

- однофазные коллекторные напряжением 220 В (обычно коллектор выполняет функцию механического выпрямителя, но в АГКВ-4 вырабатывается постоянное напряжение с коэффициентом пульсации менее 7%);

б) электросварка на постоянном токе до 150 А напряжением 75 В;

в) гидравлические инструменты (через электропривод гидронасоса).

2. Повышенной надежностью и ресурсом, так как отсутствуют скользящие электрические контакты.

3. Повышенной электробезопасностью, так как при попадании напряжения или нагрузки на корпус генератора он за сотые доли секунды автоматически отключается (развозбуждается) без использования каких-либо защитно-отключающих устройств.

В АГКВ-4 имеется возможность одновременного использования всех трех выходных напряжений, так как двигательная (индуктивная) нагрузка хорошо компенсируется емкостным возбуждением. Исключение составляет лишь случай использования сварки, когда все остальные нагрузки должны быть отключены.

Отличительной особенностью АГКВ-4 является и то, что он не боится перегрузки, так как обладает круто падающей внешней характеристикой

- в режиме перегрузки генератор развозбуждается, чем, кстати сказать, удобно пользоваться для интенсивного охлаждения генератора во время пауз при сварке, соединив накоротко держатель электродов и массовую клемму.

При испытаниях «СЭА-концепт», в качестве нагрузочного модуля применялся электрический генератор АГКВ-4 на четыре выходных напряжения. Цели испытания: определение мощности и температурных параметров в схеме «две звезды» и в схеме «одна звезда»; проверка эффекта стабилизации выходного напряжения и увеличения тока короткого замыкания (при сварке) за счет использования схем «две звезды» и «одна звезда»; оценка потребляемой мощности в режиме сварочных токов.

Основной (исходной) схемой испытаний была принята схема «две звезды», а затем осуществлялся переход на схему «одна звезда». Перегрев под номинальной нагрузкой составил: обмотки возбуждения

— 87,4 градуса, рабочей обмотки — 63,4 градуса.

Мощность, развиваемая генератором, полу-

чена от двигателя. В режиме номинальных токов мощность составила около 5 кВт (примерно 7 л.с.). В режиме сварочных токов мощность составила 9196 Вт (12,26 л.с.) в схеме «две звезды» и 12952 Вт (17,27 л.с.) в схеме «одна звезда».

Схемное переключение с «двух звезд» напряжений на «одну звезду» повышает жесткость внешней характеристики, способствует повышению максимального тока при сварке, разгружает совмещенную обмотку (обмотку возбуждения и рабочую обмотку) от индуктивных токов, однако ведет к перегрузке генератора и двигателя. Выходом может быть введение режима повторного включения, что характерно для сварочных аппаратов вообще или отказ от последовательного включения обмотки возбуждения и рабочей обмотки (режим «одна звезда»). Третий вариант — увеличение линейных размеров генератора (в случае АГКВ-4 рационально удлинение пакета статора и ротора), улучшение вентиляции генератора и увеличение мощности приводного двигателя.

В процессе разработки и испытаний были реализованы все три варианта. Пакет статора и ротора АГКВ-4 был увеличен в длину на 12 мм, мощность приводного двигателя — до 25 л.с., а время включения сварки на максимально возможный ток уменьшено на 50%.

Таким образом, повысить надежность автономной спасательной электротехники можно, отказавшись от применения коллекторных двигателей с частотой тока 50 Гц и приняв на вооружение асинхронные безколлекторные генераторы и электроинструменты повышенной частоты тока 200 Гц и 400 Гц.

Конструктивное исполнение самоходного энергетического агрегата «СЭА-концепт» со сменными модульными источниками энергии предполагает большие возможности его применения при проведении аварийно-спасательных работ. Специальной проработки, на наш взгляд, заслуживает идея передавать и трансформировать энергию вращения двигателя внутреннего сгорания через гидромуфты и гидротрансформаторы. Это позволит значительно упростить и одновременно улучшить привод самоходного шасси: исчезнет необходимость в устройстве сцепления и коробки передач, появится возможность плавного начала движения с места.

Макетный образец «СЭА-концепт» целесообразно дооснастить в будущем другими модульными нагрузками, например, пневмокомпрессором, гидронасосом и помпой и использовать в условиях реальной ЧС.