Перспективы развития мехатронных систем с синхронно-гистерезисными электрическими машинами

УДК 62-83: 621.313.392

А.Г. Гарганеев, Д.А. Падалко, А.В. Черватюк

Перспективы развития мехатронных систем с синхронно-гистерезисными электрическими машинами

На основе теории гистерезисного преобразования энергии и свойств магнитных материалов типа Fe-Cr-Co и Fe-Co-V анализируется перспективность применения в электрических машинах мехатронных систем материала типа Fe-Cr-Co. Приведены примеры мехатронных систем с импульсным намагничиванием материала ротора.

Ключевые слова: электрическая машина, полупроводниковый преобразователь, инвертор, постоянный магнит.

Интенсификация научно-технического прогресса предопределяет широкое применение в различных сферах человеческой жизни постоянных магнитов. Магнитные материалы на основе редкоземельных металлов в большой степени определяют развитие энергетики и энергосберегающих технологий, экологически чистых видов транспорта и модернизации традиционных его видов, а также бытовой техники, медицины и т.п. [1]. По различным экспертным оценкам, основной рост объёмов потребления магнитов на основе структуры Nd-Fe-B во многом будет определяться потребностями производителей электромашинных генераторов и электродвигателей.

Производство редкоземельных постоянных магнитов на основе сплавов системы Nd-Fe-B в мире является одной из наиболее динамично развивающихся отраслей промышленности. С момента освоения их промышленного выпуска (1987 г.) темпы среднегодового прироста объёмов их производства до 2000 г. составляли не менее 30%. Планируемые объёмы выпуска до 2020 г. приведены на рис. 1 [2]. В этой связи становится актуальным не только развитие отечественного производства магнитов на основе структур, в частности Nd-Fe-B и SmnCom, но и поиск альтернативных путей создания эффективных мехатронных систем (МС) с электрическими машинами на основе иных магнитотвердых материалов.

350

300

250

200

150

100

50

о

Потребление высококачественных магнитов тонн

Потребление высококачественных магнитов млн долларов

jjP

1800

X

I

р 1600

1—

1400

1200

1000

800

600

400

200

0

cvV

ЧУ

Рис. 1. Динамика роста мирового выпуска постоянных магнитов

Постановка задачи. При всей своей привлекательности «традиционные» постоянные магниты имеют и ряд недостатков, основными из которых являются:

1) высокая стоимость (особенно для структур Smn ^т);

2) зависимость от иностранного производителя;

3) низкая механическая прочность и проблемы механической обработки;

4) старение;

5) возможность размагничивания при высоких температурах (низкая точка Кюри);

6) критичность к влаге (особенно для структур Nd-Fe-B);

7) сложность организации защит электродвигателя и генератора от короткого замыкания, прежде всего ввиду большого запаса электромагнитной энергии во вращающемся роторе (индукторе). В аварийных ситуациях «неисчезаемый» запас электромагнитной энергии ротора потенциально опасен;

8) проблемы применения во взрывоопасных средах ввиду потенциального запаса электромагнитной энергии в индукторе;

9) сложность технологического оборудования при сборке или ремонте электрических машин ввиду больших механических усилий, вызываемых взаимодействием магнитов с металлическими частями машины;

10) сложность управления электрической машиной по магнитной составляющей тока при скоростях выше синхронной.

Определенной альтернативой применению в МС постоянных магнитов вышеуказанных структур являются магнитотвердые материалы «гистерезисного типа». До настоящего времени гистере-зисные электрические машины (ГМ) применялись в специальных технологиях: разделение изотопов урана (газовые ультрацентрифуги) и гироскопическая техника инерциальных систем навигации. Однако замечательные свойства гистерезисного материала позволяют создавать синхронные машины с «естественным» пусковым моментом, а применение режима «перевозбуждения» приближает эти машины по энергетическим показателям к машинам с постоянными магнитами. Область применения таких электрических машин может быть чрезвычайно обширной: от бытовой техники до промышленного применения. Из наиболее известных до настоящего времени структур следует отметить структуру типа Fe-Co-V («викаллой»), впрочем, недостатком которого является наличие дорогостоящего ванадия. Таким образом, задачей данной статьи является выявление техникоэкономических аспектов применения ГМ с магнитными материалами, альтернативными викаллою.

Теоретические основы применения мехатронных систем с гистерезисными машинами на основе материала Fe-Cr-Co. Особенность ГМ состоит не только в природе образования момента, предусматривающего работу в синхронных и асинхронных режимах, но и в том, что магнитная «податливость» материала ротора делает ее полностью управляемой. Полная управляемость (помимо регулирования напряжения и частоты) достигается периодическим импульсным намагничиванием, позволяющим регулировать намагниченность материала ротора по амплитуде и фазе относительно синхронной системы координат. При этом на напряжение питания U машины накладывают редкие импульсы с частотой /и, фазой аи, длительностью ?и и амплитудой ии (рис. 2). Импульсы создают дополнительное намагничивание материала ротора, не только приближая коэффициент мощности машины, близкий к единице, но и эффективно демпфируя угловые колебания ротора [4].

При скольжении машины (например, в режиме запуска) такое регулирование является «квазисин-хронным», поскольку ротор в промежутках времени между импульсами намагничивания работает на участках угловых характеристик. Дополнительно следует отметить, что гистерезисная машина с инерционным ротором может работать при сверхнизких положительных или отрицательных скольжениях. В принципе, ГМ может работать и без импульсов, однако при этом ее энергетические характеристики невысоки.

Разработано много способов и устройств дополнительного намагничивания ГМ, которые могут применяться в сочетании как с обычной сетью, так и в составе инверторных электроприводов.

Теория гистерезисных электроприводов разработана в ряде работ [8]. Однако представляет теоретический и практический интерес также применение ГМ в автономных системах генерирования электроэнергии (СГЭЭ) на основе режима самовозбуждения [9]. В качестве примера на рис. 3 представлена схема мехатронной СГЭЭ переменного тока. Согласно представленной схеме полупроводниковый преобразователь (ПП) образует необходимый уровень реактивного тока, поддерживающий процесс самовозбуждения в диапазоне регулирования. Для синхронно-гистерезисного генератора (СГГ) в ПП дополнительно предусмотрено наличие устройства импульсного подмагничивания ротора, как это используется у синхронно-гистерезисных двигателей (СГД). При возникновении ава-

ничивания гистерезисной машины

рийных ситуаций, приводящих к перегрузке СГЭЭ, процесс самогенерации прекращается («срыв генерации») с принудительным управляемым размагничиванием материала ротора, не приводя к катастрофическим последствиям.

ю вр п Перспективным магнитотвердым

материалом с высоким уровнем механических свойств, как альтернатива викаллою, может стать, а фактически уже и является, сплав системы Бе-Сг-Со, о котором впервые было заявлено в 1936 г. В. Кёстером [10]. Поскольку в послевоенное время активно велись работы по внедрению в промышленное производство сплавов типа «алнико», потенциальные возможности магнитотвёрдых материалов структуры Бе-Сг-Со отошли на второй план. В 1971 г. в Японии были получены сплавы системы Бе-Сг-Со, содержащие 23-25% кобальта, 30-35% хрома с максимальным энергетическим произведением (ВН)макс. > 40 кДж/м3 при остаточной индукции Вг > 1,1 Тл и коэрцитивной силе Н > 62 кА/м, т.е. были получены постоянные магниты, по своим магнитным свойствам близкие к магнитам из наиболее широко используемого в технике сплава ЮНДК24 или Алнико 5. Также было сообщено, что сплавы Бе-Сг-Со являются пластичными, в частности, поддаются обработке давлением и режущим инструментом [11].

Как показывает литературный обзор [12, 13], современные новые российские промышленные сплавы 25Х15КА и 22Х15КА в зависимости от режима термической обработки заменяют не только все применяемые ранее промышленные сплавы для гистерезисных машин, но и обладают достоинствами, которые обеспечивают им неоспоримые конкурентные преимущества перед ними.

Магнитотвёрдые сплавы системы Бе-Сг-Со по сравнению с викаллоем содержат в 3-5 раз меньше кобальта и примерно в 2,5-3 раза дешевле его. Путём подбора соответствующей термообработки им можно придать магнитные свойства, не уступающие свойствам викаллоя. По уровню полей (2-30 кА/м), например, сплав 25Х15КА, имеющий высокие гистерезисные свойства, может заменить все существующие гистерезисные материалы. Результаты применения сплава 25Х15КА в девяти типоразмерах гистерезисных двигателей, где он заменил сплав викаллой, показали, что электромеханические характеристики двигателей улучшаются на 10-30%, при этом трудозатраты при механической обработке и сборке роторов, а также брак по термообработке уменьшаются в 3 раза (!) [12].

По данным [11-13] опытные испытания роторов из сплава 25Х15КА в электродвигателях постоянного тока ДПМ-35 взамен роторов из ЮНДК24, проведенные в ОАО «Псковэлектромаш», показали, что без ухудшения качества двигателя себестоимость изготовления снижается на 20-25%.

Примеры реализации мехатронных систем на основе гистерезисных машин и устройств импульсного намагничивания. Известно довольно много схем гистерезисных МС с устройствами импульсного намагничивания (УИН), отличающихся вариантами соединения основного и импульсного источников. При проектировании конкретных УИН необходимо таким образом выбирать алгоритмы управления ими, чтобы, выполняя задачу повышения энергетических показателей МС, не внести дополнительных возмущений по моменту и скорости машины, если это не требуется по каким-либо другим соображениям.

На рис. 4 представлена одна из схем, позволяющая производить форсированный пуск СГД с последующим перевозбуждением или, в принципе, формировать импульсы напряжения на двигателе в процессе его работы [14]. УИН выполнено в виде трехфазного трансформатора ТУ. Первичная обмотка 1 имеет отпайки, к которым может подключаться либо двигатель, либо напряжение сети. Кон -цы фаз первичной и вторичной обмоток трансформатора подключены соответственно через выпря-

Рис. 3. Мехатронная СГЭЭ переменного тока с гистерезисным генератором

мители VD\ и VD2 к бесконтактным тиристорным ключам VS1, VS2. При подключении СГД к отпайкам первичной обмотки его запуск происходит при включенном тиристоре VS2 и выключенном VS1. При этом СГД подключен на полное напряжение сети, а трансформатор работает в режиме трансформатора тока. При окончании запуска тиристор VS1 включается, а тиристор VS2 выключается, напряжение на двигателе резко снижается, так как оно определяется работой трансформатора в режиме понижающего автотрансформатора.

В случае если напряжение сети подведено к отпайкам первичной обмотки, а СГД подключен к сетевым контактам, пуск производится при включенном тиристоре VS1 и выключенном тиристоре VS2, а трансформатор работает в качестве повышающего автотрансформатора. По окончании пуска происходит обратное переключение тиристорных ключей, и напряжение на СГД понижается примерно до напряжения сети. В принципе, алгоритм переключения тиристорных ключей может реализовывать и импульсный режим намагничивания СГД. Схему можно рекомендовать при питании СГД непосредственно от промышленной сети.

Рис. 4. Устройство намагничивания СГД с автотрансформатором

Рисунок 5 иллюстрирует схему МС на основе нулевого инвертора напряжения, используемого в качестве вольтодобавки [15]. При отсутствии импульса намагничивания полупроводниковые ключи S1 и S2 замкнуты, а ключ S3 разомкнут и трансформатор 5 работает как трансформатор тока закороченной вторичной обмоткой. При формировании импульса намагничивания посредством схем управления 3 и 4 периодически замыкается полупроводниковый ключ S3 и размыкается один из ключей S1 или S2. Таким образом, на выходной обмотке трансформатора 5 образуется двуполярное выходное импульсное напряжение, которое суммируется с напряжением питания СГД, поступающим от сети. При этом нет одностороннего подмагничива-

ния статора СГД. Импульсы намагничивания формируются по фазе и длительности в блоке 2, синхронизируясь с напряжением сети через датчики блока 1. Достоинство данной схемы состоит в том, что при вероятном выходе из строя полупроводниковых ключей УИН не нарушается целостность фазных проводников СГД.

Рис. 5. Реализация МС с УИН на основе нулевого инвертора в фазе СГД

Источник постоянного тока может быть как дополнительным, так и основным - от звена постоянного тока автономного инвертора, поскольку может иметь общую точку с общей шиной постоянного тока статического преобразователя. Кроме того, такой УИН способен работать с любым основным источником питания - автономными инверторами напряжения или тока, генератором или промышленной сетью. Схема может быть рекомендована для питания СГД, входящих в состав инерциаль-ных систем навигации, а также многодвигательных электроприводов ультрацентрифуг или веретен.

На рис. 6 представлены варианты реализации бестрансформаторных схем импульсного намагничивания на выходе основного источника - автономного инвертора или сети [5]. Схема, представленная на рис. 6, а, формирует импульс намагничивания при размыкании полупроводникового ключа 52 и замыкании ключа 51. Недостатком схемы является необходимость пропускания импульсного тока через основной источник. От этого недостатка свободна схема, представленная на рис. 6, б. В момент формирования импульса намагничивания полупроводниковые ключи 51, 52 отключают основной источник питания, и ток импульсного источника замыкается только через фазы СГД.

Рис. 6. Бестрансформаторные варианты схем УИН на выходе инвертора

Схема на рис. 6, в является фактически частным случаем предыдущей схемы. Общим недостатком схем на рис. 5 и 6 является наличие большого количества полупроводниковых ключей в цепях питания СГД. На рис. 6, г представлен вариант практической реализации схемы рис. 6, в. УИН содержит последовательный полупроводниковый ключ переменного тока, выполненный на тиристоре ¥5 и диодах ¥01, ¥02. В качестве импульсного источника применен конденсатор С с цепью заряда Я2, ¥03. Работа транзисторного ключа УТ синхронизирована с работой ключей инвертора И. В исходном состоянии транзисторный ключ УТ выключен, ключ на тиристоре ¥5 и

диодах ¥01, ¥02 включен. При формировании импульса намагничивания включается транзистор УТ и выключается тиристор ¥5.

Рис. 7. УИН с дополнительным вольтодобавочным инвертором в цепи постоянного тока основного инвертора

На рис. 7 представлена схема МС с УИН в виде вольтодобавочного инвертора И1, расположенного в цепи постоянного тока основного инвертора И2 и способного выполнять функцию форсажа при запуске СГД. Схема формирует повышенное напряжение на входе основного инвертора при замыкании переключателя 5. Следует отметить, что в представленной схеме ввиду наличия компенсирующего конденсатора С на входе основного инвертора затруднено формирование узких импульсов намагничивания [5]. Схема может быть рекомендована для применения в МС, не требующих информации о положении ротора, например в электроприводах топливных насосов.

Если в инверторе реализуется закон широтно-импульсной модуляции (ШИМ) выходного напряжения, то, вводя задержку в работу ключей инвертора, т.е. «вырождая» на время номинальный алгоритм ШИМ, можно получить возрастание тока на интервале задержки. Таким образом также достигается режим перевозбуждения двигателя.

Заключение. Проведенный технико-экономический анализ показывает, что в ряде МС машины на основе материала Fe-Cr-Co способны заменить дорогостоящие электрические машины с материалом Nd-Fe-B. Разработчикам следует обратить пристальное внимание на изучение регулировочных свойств и эксплуатационных возможностей МС с электрическими машинами гистерезисного типа.

Литература

1. Савченко А.Г. Магниты Nd-Fe-B и перспективные технологии их производства // Научнопрактический семинар «Научно-технологическое обеспечение деятельности предприятий, институтов и фирм» // МИСиС. - М., 2003.- С. 510-545.

2. Применение РЗМ для производства постоянных магнитов [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://cniti-technomash.ru/assets/files/Doklad_konferencia_RZM.pdf, свободный (дата обращения: 11.05.2014).

3. Гарганеев А.Г. Экспериментальное исследование режима скольжения синхронно-гистерезис-ного двигателя // Изв. вузов. Электромеханика. - 2002. - № 2.- С. 35-42.

4. Гарганеев А.Г. Мехатронные системы с синхронно-гистерезисными двигателями / А.Г. Гарганеев, С.В. Брованов, С.А. Харитонов. - Томск: Изд-во Том. политех. ун-та, 2012. - 227 с.

5. Делекторский Б.А. Управляемый гистерезисный привод / Б.А. Делекторский, В.Н. Тарасов. -М.: Энергоатомиздат, 1983. - 128 с.

6. Делекторский Б. А. Регулирование гистерезисного гиродвигателя в процессе запуска / Б.А. Делекторский, В.Н. Тарасов // Труды МЭИ. 1974. - Вып. 187. - С. 37-41.

7. Мастяев Н.З. Гистерезисные электродвигатели. Ч. I / Н.З. Мастяев, И.Н. Орлов. - М.: МЭИ, 1963. - 220 с.

8. Гарганеев А.Г. Режим скольжения в гистерезисном электроприводе // Изв. вузов. Электромеханика. - 1989. - № 5. - C. 95-98.

9. Garganeev A.G. Autonomous electric power generation system based on self-excited electrical machine / A.G. Garganeev, S.A. Kharitonov // Tekhnichna elektrodynamika. - 2013. - № 4. - Р. 56-58.

10. Ervens W. Chrom-Eisen-Cobalt-Werkstoffe: Neue Verformbare Dauermagnete // Techn. Mitt. Krupp Forsch. Berichte. - 1982. - B. 40, № 3. - Р 109-116.

11. Kaneko H. New Ductile Permanent Magnet of Fe-Cr-Co System / Н. Kaneko, M. Homma, K. Nakamura // AIP Conference Proceedings «Magnetism and Magnetic Materials». - 1971. - № 5. -P. 1088-1092.

12. Прецизионные сплавы: справочник под ред. Б.В. Молотилова. - 2-е изд., перераб. и доп. - М., Металлургия, 1983. - 439 с.

13. Сплавы для гистерезисных двигателей / Л.А. Кавалерова, И.А. Малько, И.М. Миляев и др. // Электронная промышленность. - 1987. - Вып. 6(164). - С. 40-42.

14. А.с. 179370 СССР, МКИ, НО2Р 1/00. Устройство для перевозбуждения гистерезисного электродвигателя / В. Л. Бунаков, С.Н. Стоборов (СССР). - № 927287/24-7; заявлено 28.10.64; опубл. 26.03.66. Бюл. № 5. - 3 с.

15. А.с. 1145443 СССР, МКИ4, НО2Р 7/36. Электропривод гироприбора / В.И. Авдзейко, А.Г. Гарганеев, А.С. Сухин и др. (СССР). - № 3649804/24-07; заявлено 06.010.83; опубл. 15.03.85. Бюл. № 10. - 7 с.

Гарганеев Александр Георгиевич

Д-р техн. наук, профессор, зав. каф. электротехнических комплексов и материалов Национального исследовательского Томского политехнического университета

Эл. почта: garganeev@rambler.ru

Падалко Дмитрий Андреевич

Аспирант каф. электротехнических комплексов и материалов НИТПУ Тел.:

Эл. почта: padalko.da@gmail.com

Черватюк Александр Владимирович

Магистрант каф. электротехнических комплексов и материалов НИТПУ Тел.:

Эл. почта: alexandrgs13@mail.ru

Garganeev A.G., Padalko D.A., Chervatyuk A.V.

Future Development of Hysteresis Synchronous Electrical Machine Mechatronic Systems

Based on the theory of hysteretic conversion of energy and magnetic material properties of Fe-Cr-Co and Fe-Co-V, it was concluded that the Fe-Cr-Co system materials are perspective to be applied in the electrical machines of mechatronic systems. Some examples of mechatronic systems with impulse excitation of rotor material are provided.

Keywords: Electrical machine, semiconductor converter, inverter, rectifier, magnetic materials.