CC BY
377
Литература
1. Алиев Т.М. Автоматический контроль и диагностика скважинных штанговых насосных установок / Т.М. Алиев, А.А. Тер-Хачатуров. М.: Недра, 1988. 232 с
2. Белов И.Г. Исследование работы глубинных насосов динамографом / И.Г. Белов. М.: Гос. науч.-техн. изд-во нефтяной и горно-топливной лит., 1960. 428 с.
3. Гуськова И А. Использование коррелирующих коэффициентов при расчете параметров работы подземного оборудования / И.А Гуськова, Э.М. Артыкаева // Динамика нелинейных дискретных систем (ДНДС - 2009): материалы УШ Всерос. науч.-техн. конф. Чебоксары: Изд-во Чуваш. ун-та, 2009. С. 98-100.
4. Тахаутдинов Ш.Ф. Обработка практических динамограмм на ПЭВМ / Ш.Ф. Тахаутдинов, Р.Г. Фархуллин, Р.Х. Муслимов, Э.И. Сулейманов. Альметьевск: Изд-во Казан. ун-та, 1996. 68 с.
5. Мухаметзянов А.К. Добыча нефти штанговыми насосами / А.К. Мухаметзянов, И.Н. Чернышев, А.И. Липерт С.Б. Ишемгужин. М.: Недра, 1993. 350 с.
6. Чаронов В.Я. Средства автоматизации технологических установок нефтегазодобывающих предприятий / В.Я. Чаронов, М.И. Альтшуллер, В.С. Генин, А.Г. Иванов и др.; под ред. В.С. Генина. Чебоксары: Изд-во «Офисная полиграфия», 2002. 272 с.
АРТЫКАЕВА ЭЛЬМИРА МИДХАТОВНА - аспирантка кафедры электромеханики и технологии электротехнического производства, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары (elmira_midhatovn@mail.ru).
ARTYKAEVA ELMIRA MIDHATOVNA - post-graduate student of Electromechanics and Electrotechnical Production Technology Chair, Chuvash State University, Russia, Cheboksary.
УДК 621.313.315
А.А. АФАНАСЬЕВ, В.А. НЕСТЕРИН, В.М. НИКИТИН, Р.А. РОМАНОВ
МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ВЕНТИЛЬНЫЕ ДВИГАТЕЛИ В ЭЛЕКТРОПРИВОДАХ ПРОИЗВОДСТВА ЗАО «ЧЭАЗ»
Ключевые слова: вентильные двигатели, постоянные магниты, резольверы, векторное управление. Рассмотрены преимущества и достоинства наиболее современных бесконтактных электромеханических преобразователей энергии — вентильных электродвигателей с возбуждением от редкоземельных постоянных магнитов (ВДПМ) типа железо-неодим-бор. Проведено сравнение серийных образцов ВДПМ отечественного производства с лучшими зарубежными аналогами. Рекомендованы наиболее перспективные области применения этих электродвигателей и электроприводов на их основе.
A.A. AFANASYEV, V.A. NESTERIN, V.M. NIKITIN, R.A. ROMANOV BRUSHLESS MOTORS IN ELECTRIC DRIVES OF MANUFACTURE JSC «ChEAZ»
Key words: brushless motors, constant magnets, resolvers, field-oriented control.
In article advantages and deficiencies of the most modern contactless electromechanical converters of energy — selfcontrolled synchronous motors with excitation from rare-earth constant magnets (SSMCM) type iron-neodim-pine forest are considered. Comparison of serial samples SSMCM of a domestic production with the best foreign analogues is resulted. The most perspective scopes of these electric motors and electric drives on their basis are recommended.
За последние десятилетия вентильные двигатели с постоянными магнитами (ВДПМ) и электроприводы на их основе заняли прочное положение в производственных программах ведущих зарубежных электромашиностроительных компаний («Сименс», «Бош Рексрот», «Дженерал Электрик», «Ан-сальдо», «Фанук» и др.). В большинстве каталогов готовой продукции этих компаний вентильные двигатели с редкоземельными постоянными магнитами представлены на первом месте.
Развал СССР привел к значительному отставанию отечественного электромашиностроения в данной области. Остался на территории Украины, а затем и прекратил выпуск ВДПМ Днепропетровский электромашиностроитель-
ный завод (ДЭМЗ). Для нужд станкостроения и робототехники он выпускал ВДПМ типа ДВУ на феррит-стронциевых магнитах. Двигатели имели фланцевое исполнение с диаметром 165 мм (7, 10, 13 Нм) и 215 мм (17, 23, 35 Нм).
Предпринимались попытки расширить диапазон серии до 70 Нм за счёт применения магнитов из материала неодим-железо-бор (серия ДВУ2М), однако из-за ограниченного сбыта производство ВДПМ на этом заводе в настоящее время практически полностью свернуто.
Выпуск ВДПМ в меньшем диапазоне моментов (0,23 7) Нм на диамет-
ре фланцев 85 и 115 мм (2 габарита по фланцу и 4 по длине) сохранялся в Чебоксарах в опытном производстве ВНИИР до 2001 г. Разработанная специалистами института серия ДВМ выпускалась на базе постоянных магнитов из материала самарий-кобальт до конца 1980-х годов. Эти двигатели с диаметром фланца 115 мм представляли собой бескорпусные машины, продольная жесткость которых обеспечивалась сварными швами по внешней поверхности магнитопровода и стяжными шпильками в углах листов статора. Как показал опыт эксплуатации, продольная жесткость такой конструкции оказалась недостаточной, особенно для двигателей с длиной пакета 140 мм.
Из-за отсутствия скоса пазов бескорпусные ВДПМ имели ещё и повышенный уровень пульсации момента. Двигатели с диаметром фланца 85 мм той же серии, благодаря литому алюминиевому корпусу, не имели этих недостатков.
Все машины серии 2ДВМ при необходимости оснащались магнитоэлектрическими тормозами, располагавшимися в переднем щите электродвигателя1, а со стороны заднего щита размещался комплексный датчиковый узел (фотоэлектрический датчик положения ротора и бесконтактный тахогенератор).
К началу XXI в. из-за низкого качества и, как следствие, низкого спроса на этот вид продукции ВНИИР также прекращает выпуск вентильных двигателей.
В 1995 г. Чебоксарский электроаппаратный завод (ныне ЗАО «ЧЭАЗ»), выпускавший комплектные электроприводы (в том числе и на базе ВДПМ), принимает решение освоить выпуск таких двигателей.
Авторами статьи совместно со специалистами ЗАО «ЧЭАЗ» была разработана новая серия отечественных ВД - 5ДВМ [1, 2]. В ней были исключены недостатки двигателей предыдущего поколения.
Все двигатели имеют корпусное исполнение, что значительно повысило их продольную жесткость.
В двигателях применили новые малогабаритные тормоза, расположив их на валу в пространстве под лобовыми частями обмоток статора.
Эти конструктивные решения позволили сократить осевую длину в исполнениях с тормозом, снизить их массу, получить экономию материалов и унифицировать передние щиты для тормозных и бестормозных исполнений двигателей.
В 5ДВМ применены более термостабильные отечественные постоянные магниты из материала неодим-железо-бор со специальными легирующими добавками, которые способствуют повышению коэрцитивной силы и сохранению работоспособности магнитов при нагреве их до +170°С и пятикратном от номинального кратковременном увеличении значения тока якоря. Применение новых магнитных материалов позволило уменьшить толщину магни-
1 Это приводило к некоторому увеличению осевой длины машины и ее массы.
тов в 1,5 раза и увеличить размер магнитного зазора. Это способствовало снижению расхода дорогостоящих магнитных материалов и улучшению удельных массогабаритных показателей серии машин.
Все типоисполнения двигателей 5ДВМ имеют класс изоляции Б, снабжены датчиками температурной защиты (терморезисторами в лобовых частях обмотки), имеют встроенные бесконтактный тахогенератор и фотоэлектрический датчик положения ротора2 и обеспечивают среднюю наработку на отказ 10000 ч.
Средний уровень шума двигателей в режиме холостого хода не превышает 82 дБ, а для двигателей 5ДВМ115 и меньших габаритов - 72 дБ.
В табл. 1 и 2 представлены основные технические параметры отечественных и лучших зарубежных вентильных двигателей. Как видим, продукция отечественного производства по основным показателям оказывается вполне конкурентоспособной.
Таблица 1
Основные характеристики двигателей 5ДВМ
Тип двигателей Длительный момент в стопорном режиме, Нм Длина, мм Максимальная частота вращения, об/мин Масса, кг
ДВМ55 0,05; 1,0 61 420; 1800 0,4
5ДВМ85 0,23; 0,47; 0,7; 1,3 218 2000; 3000; 4000; 6000 4,5
5ДВМ115 2,3; 3,5; 4,7; 7 342 2000; 3000; 4000; 6000 13,1
5ДВМ165 10; 13; 17; 23 536 1000; 2000; 3000; 4000 28
5ДВМ215 23; 35; 47; 70 637 1000; 2000; 3000; 4000 67
Таблица 2
Основные характеристики двигателей 1FT6 компании Siemens
Тип двигателей Длительный момент М^, Нм Длина, мм Максимальная частота вращения, об/мин Масса, кг
1FT6 75 1,0; 2,0 260 до 6000 4,4
1FT6 100 2,5; 5,0 280 до 6000 8,3
1FT6 130 4,0; 6,0; 9,5 305 до 6000 12,5
1FT6 165 8; 13; 20; 27 345 до 4500 25,5
1FT6 215 27; 50; 70 470 до 3000 55,5
Промышленное освоение ВД потребовало разработки и организации производства таких сопутствующих изделий, как магнитоэлектрические и электромагнитные быстродействующие тормоза. Эти устройства находят и самостоятельное применение.
Подготовка производства ВДПМ потребовала разработки и изготовления специального технологического оборудования для импульсного намагничивания высокоэнергетических постоянных магнитов до состояния их технического насыщения, а также оборудования для входного контроля таких магнитов.
Используя опыт, накопленный в результате поставок 5ДВМ, и учитывая появление потребителей электроприводов с более высокими значениями момента и более жесткими требованиями к условиям эксплуатации, специалистами ЗАО ЧЭАЗ выполнена разработка новой серии двигателей 6ДВМ с диапазоном мо-
2 Исключение составляет 5ДВМ55, в котором отсутствует исполнение с тормозом, нет тахогенератора, а датчик положения ротора выполнен на магнито-чувствительных микросхемах.
ментов: 35, 70 100, 130 и 170 Нм. Четыре последних типономинала было решено выполнить на фланце с диаметром крепительных отверстий 300 мм.
Конструктивные изменения, принятые при создании 6ДВМ215 и 6ДВМ300, были направлены на уменьшение потерь в магнитопроводе и на расширение температурного диапазона, ограниченного в 5ДВМ электронными компонентами датчикового узла.
Снижение магнитных потерь достигалось применением более прочного и высокоомного изолирующего покрытия листов статорного железа методом гальванического азотирования; исключением технологической сварки при сборке пакетов статора; уменьшением числа полюсов в двигателях 6ДВМ300 для снижения частоты перемагничивания.
Модернизация датчикового узла проводилась совместно с разработкой электропривода и предусматривала замену фотоимпульсного датчика положения ротора с бесконтактным тахогенератором собственного изготовления на покупной бесконтактный синусно-косинусный вращающийся трансформатор (резольвер). Такая замена позволила полностью исключить электронные компоненты из конструкции двигателя и расширить допустимый по условиям эксплуатации температурный диапазон в сторону низких температур до минус 50°С.
В классическом варианте конструкции ротора с радиально намагниченными постоянными магнитами практически исключается влияние реакции якоря на поток возбуждения машины. Это объясняется тем, что относительная магнитная проницаемость РЗМ магнитов близка к единице и расчетный воздушный зазор можно принимать равным сумме реального воздушного зазора плюс толщина ПМ в радиальном направлении. Отсюда следует очень важное обстоятельство, известное всем проектировщикам ВДПМ: эти двигатели не боятся больших воздушных зазоров (зазор в двигателях 5ДВМ составляет 0,7-1 мм, что в 2-3 раза больше, чем в асинхронных двигателях такого же габарита).
Поэтому даже при максимальных значениях скорости и тока падение напряжения в индуктивностях рассеяния статорных обмоток таких ВДПМ незначительно. При этом положение вектора потокосцепления ¥ и фазных ЭДС в рабочих режимах практически определяется только угловым положением полюсной системы ротора относительно обмотки статора [2].
Эти изменения упростили зависимости между токами обмоток, угловым положением ротора и величиной электромагнитного момента.
Объединив полупроводниковый инвертор с синхронной машиной и установленным на её валу оптическим, магниточувствительным или каким-либо другим бесконтактным датчиком положения ротора, удалось создать более совершенный электромеханический преобразователь, чем коллекторная машина постоянного тока.
Для формирования электромагнитного момента в таком преобразователе используются в основном два алгоритма, отличающиеся формой представления ЭДС и формой задания тока в обмотках статора.
По первому алгоритму при постоянной скорости вращения предполагается трапециевидная форма фазной ЭДС в функции угла поворота ротора а и прямоугольная с длительностью 120 эл. градусов форма задания тока в фазах (рис. 1). По второму алгоритму ЭДС и задание тока в функции а представляют собой синусоидальные функции (режим векторного управления).
Рис. 1. К принципу действия электропривода по схеме бесколлекторного двигателя постоянного тока: РЭ - релейный элемент; ЛП - логический переключатель; Дт - датчики тока; ДПР - датчик положения ротора; 1зад , 1ос - сигналы задания и обратной связи по току
В первом алгоритме от датчика положения ротора (ДПР) требуется лишь выделять угловые интервалы, разрешающие протекание тока по фазам статора. Знаки и мгновенные значения токов на этих интервалах формируются в соответствии со значениями параметров обмоток ВД и, таким образом, автоматически определяют значение и направление электромагнитного момента. В таком варианте управления за один оборот ротора ДПР должен формировать 6р одинаковых интервалов (р-число пар полюсов двигателя).
На каждом угловом интервале ток в фазах формируется с помощью однофазного автономного инвертора, образованного с помощью двух из трёх диодно-транзисторных модулей (рис. 1). Показанная пунктиром третья фаза инвертора соответствует выключенному состоянию транзисторных ключей.
Следует заметить, что контроль токов фаз можно обеспечить с помощью лишь двух датчиков тока, ибо /3 = -(/^+/'2).
Если же форма индукции и фазных ЭДС за счёт принятых мер (скос пазов, укорочение шага и др.) практически синусоидальна, то реализуется второй принцип - векторного управления. Он позволяет «сгладить» скачки момента, обусловленные коммутацией токов фаз при первом способе.
По второму алгоритму требуется ДПР с более высокой разрешающей способностью. С его помощью, а также микропроцессорных средств управления и трёхфазного автономного инвертора в обмотках статора формируется трёхфазная система синусоидальных токов, жёстко синхронизированная с трёхфазной системой ЭДС машины.
Таким образом, обеспечивается ортогональность между вектором полного тока I и вектором потока Ф и, как следствие, оптимальная зависимость между током и моментом синхронной машины.
Помимо алгоритма управления величиной и знаком электромагнитного момента двигателя в электроприводе приходится решать и ряд других задач. Поясним это с помощью функциональной схемы на рис. 2.
А В С О Вкл/Выкл
источников питания; К - контактор; БЗ - блок защит; УВ - управляемый выпрямитель;
Ьф, Сф - дроссели и конденсаторы силового фильтра; КС - ключ сброса энергии торможения;
Яб - балластные резисторы для рассеивания энергии торможения; ДТ и ДН - датчики тока и напряжения; БУ - блок управления; И - инвертор; ВД - вентильный двигатель, состоящий из синхронной машины (СМ) с возбуждением на роторе от постоянных магнитов и встроенными тормозом (Т), терморезистором (1°) и датчиковым узлом (ДУ)
Управляемый выпрямитель УВ на тиристорах вместе с контактором К, трёхфазным трансформатором тока ТТ и блоком БЗ выполняет функцию ограничителя тока заряда конденсаторов силового фильтра Сф в момент после замыкания контактора К. Вместе с ними он обеспечивает и защитное отключение электропривода от сети в аварийной ситуации, т.е. выполняет ещё и функцию защитного автомата.
Путём сравнения сигнала датчика напряжения ДН с напряжением из блока питания БВИП в блоке БЗ «выявляется» режим торможения ВД. В этом режиме инвертор И из потребителя энергии превращается в её источник, заряжаю-
щий конденсаторы Сф до напряжения выше выпрямленного напряжения сети. При повышении напряжения выше допустимого БЗ формирует сигнал для отпирания ключа сброса КС. Последний замыкает цепь разряда на балластный резистор Лб. Накопленная в Сф энергия торможения рассеивается в Лб.
Блок БУ обеспечивает управление транзисторным инвертором И, формируя с его помощью и сигналов датчиков тока ДТ1, ДТ2, ДТ3, а также сигналов датчико-вого узла ДУ в трёхфазной обмотке статора ВДПМ (СМ) токи либо прямоугольной формы (обеспечивая управление по принципу бесколлекторного двигателя постоянного тока), либо синусоидальной (по алгоритму векторного управления СМ).
Описанные функции и алгоритмы могут быть реализованы в блоках БЗ и БУ как аналоговыми, так и цифровыми средствами. Последний вариант в сегодняшних условиях предпочтительнее.
Алгоритм по принципу бесколлекторного двигателя постоянного тока может быть выполнен с помощью более грубого датчика положения ротора. В первых электроприводах с ВД использовались фотоимпульсные датчики предельно простой конструкции. Они формировали сигналы в виде угловых зон разрешения для протекания токов каждой из фаз обмотки двигателя. В машине постоянного тока подобную функцию выполняет щёточно-коллекторный узел. В электроприводе с ВД такая функция реализуется бесконтактным (бесколлекторным) способом.
Специалистами ЗАО «ЧЭАЗ» на базе 6ДВМ215 и 6ДВМ300 заканчивается разработка комплектных электроприводов типа ЭСД13. Эти электроприводы имеют климатическое исполнение О4, предназначены для наружной установки (под навесом) и могут эксплуатироваться при окружающей температуре ±50°С.
Как уже отмечалось выше, в вентильных двигателях 6ДВМ в качестве датчикового узла, с помощью которого обеспечивается формирование сигналов положения ротора и обратной связи по скорости, использован бесконтактный синусно-косинусный вращающийся трансформатор (резольвер). Разрешающая способность резольвера - 4096 дискрет на 1 оборот ротора.
Это техническое решение позволило полностью исключить электронные компоненты из конструкции 6ДВМ и обеспечить надёжную эксплуатацию таких двигателей в условиях наружной установки.
Выводы. 1. Вентильные электродвигатели с постоянными редкоземельными магнитами на роторе имеют ряд преимуществ перед другими типами бесконтактных электродвигателей и на сегодняшний момент по удельным массогабаритным и энергетическим показателям являются самыми лучшими электромеханическими преобразователями энергии.
2. С учетом относительно высокой стоимости ВДПМ их применение наиболее оправданно в ответственных областях техники: широко регулируемые привода подачи станков с ЧПУ; многокоординатные электроприводы промышленных роботов; регулируемые электроприводы военного применения в экстремальных условиях эксплуатации (авиационная и ракетная техника, радиолокация и т.д.).
3 Имеются ТУ на двигатели и электроприводы, уже ведутся поставки комплектных электроприводов с двигателями 6ДВМ215.
3. Проведено сравнение выполненной авторами разработки вентильных электродвигателей, освоенных отечественной промышленностью, и лучших зарубежных образцов: отечественные ВДПМ типа 5ДВМ по основным показателям не уступают зарубежным ВД фирмы «СИМЕНС».
Литература
1. Аракелян А.К. Вентильные электрические машины и регулируемый электропривод: в 2 кн. /
A.К. Аракелян, А.А. Афанасьев. М.: Энергоатомиздат, 1997.
2. Жуков В.П. Высокомоментные вентильные электродвигатели серии 5 ДВМ / В.П. Жуков,
B.А. Нестерин // Электротехника. 2000. № 6. С. 19-21.
АФАНАСЬЕВ АЛЕКСАНДР АЛЕКСАНДРОВИЧ - доктор технических наук, профессор, действительный член АЭН РФ, заведующий кафедрой управления и информатики в технических системах, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары (afan39@mail.ru).
AFANASYEV ALEXANDER ALEXANDROVICH - doctor of technical sciences, professor, member of PSN RF, Head of Management and Informatics in Technical Systems Chair, Chuvash State University, Russia, Cheboksary.
НЕСТЕРИН ВАЛЕРИЙ АЛЕКСЕЕВИЧ - доктор технических наук, профессор кафедры электромеханики, Чувашский государственный университет, член-корреспондент АЭН РФ, Россия, Чебоксары (nstrn41@rambler.ru).
NEStErIN VALERY ALEKSEEVICH - doctor of technical sciences, professor of Electromechanics Chair, Chuvash State University, member-correspondent of PSN RF, Russia, Cheboksary.
НИКИТИН ВЛАДИМИР МИХАЙЛОВИЧ - кандидат технических наук, заместитель начальника отдела электропривода и электрических машин, ЗАО «ЧЭАЗ», Россия, Чебоксары (afan39@mail.ru).
NIKITIN VLADIMIR MIKHAYLOVICH - candidate of technical sciences, Deputy Head of Electric and Electrical Machinery Company, JSC «ChEAZ», Russia, Cheboksary.
РОМАНОВ РОМАН АРТЕМЬЕВИЧ - аспирант кафедры электромеханики, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары (ragnum@mail.ru).
ROMANOV ROMAN ATREMYEVICH - post-graduate student of Electromechanics Chair, Chuvash State University, Russia, Cheboksary.
УДК 621.365
В.В. АФАНАСЬЕВ, В.Г. КОВАЛЕВ, В.А. ТАРАСОВ
АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЙ ГАЗИФИКАЦИИ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА
Ключевые слова: технологии газификации, твердое топливо, равновесный состав газа, электрохимическая газификация.
Рассмотрены технологии газификации твердого топлива, показаны преимущества газификации с применением электронагрева.
V.V. AFANASYEV, V.G. KOVALEV, V.A. TARASOV THE KNOW-HOWS OF A GASIFICATION OF SOLID FUEL
Key words: know-hows of a gasification, solid fuel, equilibrium composition of gas, electrochemical gasification.
The analysis of technologies of a gasification of solid fuel, the advantages of a gasification with applying of electroheating are rotined.
С истощением запасов нефти и природного газа актуальной становится задача разработки эффективных технологий комплексной безотходной переработки низкосортного твердого топлива. О важности данной проблемы свидетельствует то, что в Седьмой рамочной программе научно-технического сотрудничества стран ЕС (7РП) предусмотрен специальный раздел (ENERGY 2007.6.1.1) по технологии обогащения угля и производства энергии с нулевыми выбросами.
Все технологические процессы основаны на использовании энергии и материальных ресурсов. Потребность в энергоносителях и сырье непрерывно увели-
