БЕЗРЕДУКТОРНЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД АНТЕНН РЛС
Тактико-технические характеристики современных РЛС подразумевают сложные алгоритмы обзора пространства и высокую точность реализации данных алгоритмов, что, в свою очередь, предъявляет жесткие требования к системам приводов вращения антенн РЛС.
Главной задачей электропривода антенны является исполнение любого заданного алгоритма вращения и позиционирования антенны в условиях резко меняющейся нагрузки. Этой нагрузкой является ветер (переменный воздушный поток), скорость которого может достигать 30 м/с и более. При этом система электропривода должна обеспечивать заданную скорость, позиционную точность и оставаться долговечной, эффективной и безопасной.
Учитывая вышесказанное, можно сформулировать следующие требования к современному электроприводу РЛС:
Современные технические подходы дают возможность исключения из состава привода механической части, в качестве которой традиционно использовался редуктор. При этом антенна может жестко устанавливаться прямо на ротор специализированного низкоскоростного высокомоментного электродвигателя. Такое безредукторное построение обеспечивает механическую жесткость системы и точность управления, одновременно повышая надежность и экономичность эксплуатации электропривода.
Исключив редуктор, можно условно разделить систему на три основные части:
В настоящее время в изделиях ЛЭМЗ в азимутальных и угломестных приводах антенн применяются специальные безредукторные двигатели переменного тока, как синхронные с постоянными магнитами на роторе, так и асинхронные. Они выполняются с большим числом пар полюсов (16…56), большим диаметром и малой осевой длиной магнитопровода. Данный подход к выбору исполнительного электродвигателя имеет ряд преимуществ:
На наш взгляд, очень интересным и необычным является асинхронный дугостаторный двигатель производства АО «НПО «ЛЭМЗ» (рис. 1).
Данный двигатель состоит из восьми дугообразных взаимозаменяемых независимых индукторов (рис. 2), каждый из которых является разомкнутым статором, и одного общего ротора, на который устанавливается антенна. Суммарное тяговое усилие двигателя складывается из усилий каждого отдельного индуктора.
В штатном режиме работы используется лишь одна четверка индукторов, в то время как вторая четверка находится в «горячем резерве». При выходе одного из работающих индукторов из строя, система управления на ходу, без перерыва во вращении, автоматически включает индукторы горячего резерва, обеспечивая тем самым бесперебойную работу РЛС. Кроме того, резервная группа индукторов плавно вводится в работу при увеличении ветровой нагрузки выше критической, вдвое увеличивая тем самым допустимую общую мощность электродвигателя.
В силовой части электроприводов АО «НПО «ЛЭМЗ» используется трехфазный импульсный инвертор на силовых IGBT-транзисторах. Он имеет два исполнения по выходной мощности — до 11 кВт (рис. 3) и до 30 кВт (рис. 4).
Система управления электропривода разработки ЛЭМЗ имеетвозможность конфигурированиядля управления как синхронным,так и асинхронным электродвигателем. Используемое в ней векторное регулирование позволяетне только обеспечивать высокоточную реализацию заданных алгоритмов вращения при воздействии переменной нагрузки, но ивысокую энергоэффективность.
Управление электроприводомможет осуществляться в двух режимах — местном и дистанционном. В дистанционном режимеинформация передается по последовательному каналу связи,позволяя задавать скорость вращения и позицию антенны, как вручном режиме, так и с формированием любого длительного алгоритма обзора. По тому же каналусистема управления верхнегоуровня получает всю необходимую информацию о режимах работы электропривода.
На рис. 3 показан двухканальный блок управления электроприводом. В ряде изделий ЛЭМЗданный блок используется дляуправления двумя синхроннымидвигателями — азимутальным иугломестным. В других изделиях этот блок используется дляуправления азимутальным асинхронным дугостаторным электродвигателем. В этом случае первый канал блока предназначендля штатного режима работы, авторой канал — для «горячего»резервирования и режима работы с перегрузкой.
Данные по скорости и точности позиционирования антенны изделия ДМРЛ-С (рис. 5), раскрывающие потенциал и уникальность разработанного электропривода, представлены в табл. 1. График на рис. 6, снятый во времяработы изделия ДМРЛ-С, иллюстрирует режим позиционирования по углу места при одновре менном вращении по азимуту.
В системе управления реализована адаптация параметров к длине траектории. Благодаря этому найден компромисс между скоростью перемещения и точностью позиционирования, что является показателем гибкости настройки управления.
Времятоковая защита двигателя, защита по ошибке скорости, защита от снижения изоляции цепей двигателя, защита отперегрева двигателя, защита отошибочного задания позиции —это лишь некоторые защиты, используемые в электроприводахАО «НПО «ЛЭМЗ» для безопаснойи безаварийной работы.
Таким образом, на нашем предприятии разработан и выпускается безредукторный электропривод, отвечающий всем требованиям применения в антеннах современных РЛС.
В настоящее время ведутся работы по унификации его узлов и импортозамещению некоторых еще используемых в нем зарубежных элементов.
М.В. Кошелев
АО «НПО «ЛЭМЗ»
Москва, 127411, Дмитровское шоссе, 110
Безредукторные приводы что это
С 90-х годов прошлого века в мире, а затем и в России все большее применение находят безредукторные лифтовые механизмы. Смысл состоит в отказе от громоздкого редуктора и перемещение кабины лифта только за счет вращения шкива, наглухо посаженного на вал двигателя. Изменение скорости вращения происходит за счет применения частотного преобразователя, точность движения и остановки обеспечивается энкодером и различными датчиками.
В России в качестве безредукторных лебедок наиболее часто используются асинхронные двигатели. Это тихоходные двигатели (60-200 об/мин) с большим крутящим моментом (от 200 Нм). Система преобразования частоты с обратной связью по положению и скорости, а так же контроль веса кабины приводит к плавному ходу и точной остановке.
Широкое применение асинхронных двигателей объясняется их достоинствами по сравнению с другими типами электродвигателей: конструктивной простотой и, как следствие, высокой надёжностью и невысокой стоимостью.
Практика показывает, что они надежно работают и экономически оправданы в лифтах большой грузоподъемности (от 1500 кг) и в высотных зданиях. К недостаткам их использования можно отнести ошибки при возврате системы управления в состояние равновесия после воздействия обратной связи и стабильность работы модели управления двигателем при низких оборотах. Это создает определенные сложности при настройках частотных преобразователей и комфорте лифта в целом. Специалисты пытаются решить эту проблему путем совершенствования алгоритма и математической модели управления двигателем в частотном преобразовании.
Такие двигатели начали производиться за пределами РФ. Наряду с американскими и европейскими активно продвигаются электродвигатели из Китая. Принцип действия синхронного двигателя в том, что магнитное поле катушек ротора, создаваемое при помощи постоянных магнитов, сцеплено с вихревым полем обмоток статора, в отличие от АД, где вращательный момент на короткозамкнутый ротор типа «беличье колесо» передается за счет того, что вихревое поле обмоток статора опережает поле ротора, создавая «скольжение».
В РФ производство лифтовых лебедок с синхронными двигателями налажено в компании«Европейские подъёмные машины».
Лебедка лифтовая типа ЛЛ. Конструкция представляет собой неподвижно закрепленный статор, вокруг которого вращается ротор с постоянными магнитами и наглухо закрепленным к нему КВШ. Ротор в то же время является тормозным барабаном.
Габариты лебедки ЛЛ 01001 грузоподъемностью до 1000 кг ширина 670 мм, высота 748 мм, глубина меньше 400 мм. Монтируются лифтовые лебедки такого типа непосредственно в шахте лифта и не требует отдельного помещения.
Институт «НИПТИЭМ», входящий в электротехнический концерн «РУСЭЛПРОМ» разработал и производит семейство лебедок КИАТ-ЛПП с использованием синхронного малооборотного двигателя так же своей разработки.
Для регулировки частоты вращения применяется частотный преобразователь производства фирмы KEB. Грузоподъемность лифтов производства института «НИПТИЭМ» до 1000 кг, скорость движения лифтовой кабины до 2 м/с.
Плюсы редукторных лифтовых лебедок
Минусы редукторных лифтовых лебедок
Плюсы безредукторных лебедок
Минусы безредукторных лебедок
Особенности заказа безредукторных лифтов.
Выбор производителя. Лифт – сложное и дорогостоящее оборудование. При выборе надо обратить внимание на опыт (срок существования предприятия), наличие разрешительной документации (лицензии, сертификаты). Узнайте о гарантии на лифт и наличии сервисной службы именно по этому лифту у вас в городе или, хотя бы, в регионе. Если фирма-производитель (поставщик) предоставляет услуги шеф-монтажа, когда опытные специалисты если и не монтируют оборудование, то, все оборудование будет смонтировано и отлажено правильно в соответствии с инструкциями завода. У завода-изготовителя может быть опросный лист для заказа его продукции, в котором запрашиваются строительные чертежи, план шахты, развертку стен шахты с указанием вида крепления закладных элементов, план машинного помещения с указанием осей шахты, кабины, и т.д.
Определитесь с бюджетом. Лифты одной линейки и у одного производителя могут различаться по цене в зависимости от комплектации и дополнительных функций.. Необходимо помнить, что покупная стоимость лифта с асинхронным двигателем в качестве привода и частотным регулированием ниже, чем у лифта с приводом от СДПМ. Самый бюджетный вариант – с редукторной лебедкой.
Выбор и заказ безредукторной лебедки лучше всего поручить специалисту, непосредственно обслуживающему лифт. Как и в любой системе замена одной детали может повлечь за собой изменение всей установки. Рассмотрим особенности заказа безредукторных (БР) приводов, лежащие на поверхности.
Расположение привода. Расположение может быть в отдельном помещении, может быть в шахте лифта и размещено сверху, снизу, сбоку. Если лифтовая лебедка принципиально другая, то встает проблема переделки креплений всей системы подвеса, направление движения канатов, кабины, противовеса. Нет нужды упоминать, что на всю конструкцию необходима будет документация, ее согласование и защита перед соответствующими надзорными органами.
Выбор самой лифтовой лебедки. Грузоподъемность должна быть в соответствии с требованиями к пассажиропотоку, высоте здания и др, что приведет к вопросу о габаритах лифтовой кабины. Скорость движения, задаваемая лебедкой, будет зависеть от высоты подъема и пожеланий заказчика. Грузоподъемность и скорость повлияют на выбор тросов, которые изменят канатоведущий шкив. На рынке имеется весьма обширное предложение лифтовых безредукторных лебедок (БРЛ). Крупные производители лифтов разрабатывают и выпускают лифтовые лебедки для своих нужд и нужд более мелких производителей лифтов. В России имеется ряд заводов, выпускающих безредукторные лебедки на уровне зарубежных.
Мельницы и безредукторные приводы: большие, очень большие, самые большие
Маартен ван де Вейфейкен, менеджер по продажам систем приводов, Центр перспективных технологий по обогащению полезных ископаемых, ABB Switzerland Ltd. (Швейцария)
Безредукторный двигатель (который также называют «опоясывающим» или «кольцевым» двигателем) представляет собой очень большой синхронный электромотор. Полюса двигателя монтируются непосредственно на опорном фланце кожуха мельницы, таким образом, корпус мельницы становится ротором. Затем мельницу «оборачивают» статором безредукторного двигателя. Такая передовая концепция позволяет исключить из конструкции все критические механические компоненты, которые присущи традиционной системе привода мельницы: зубчатый венец, ведущую шестерню, редуктор, механическую или пневматическую муфту, вал и подшипники двигателя. Отсутствие таких компонентов значительно повышает КПД и эксплуатационную готовность мельницы. Электропитание безредукторного электродвигателя от циклоконвертера позволяет оператору легко регулировать рабочую скорость мельницы. Первый в мире безредукторный привод для мельницы – Gearless Mill Drive (GMD) – установила в 1969 году компания ABB (в то время носящая название BBC – Brown Boveri & Cie). Безредукторный привод мощностью 6.4 МВт приводил в действие 16-футовую (диаметром 4.87 м) цементную мельницу в Гавре (Франция), которая и сейчас, спустя 40 лет, все еще находится в эксплуатации.
Мельница SAG размером 12.19Ѕ12.19 м на руднике Янакоча (Перу)
Тенденции развития конструкций мельниц самоизмельчения и частичного самоизмельчения В середине 1980-х годов безредукторные приводы появились на рынке оборудования для обогащения полезных ископаемых в качестве мощных и надёжных приводных систем для мельниц частичного самоизмельчения (SAG mills). Диаметр первых мельниц SAG составлял около 32 футов (9.75 м), а позднее был увеличен до 34, 36, 38 и 40 футов (12.19 м). Вместе с этим увеличивался и объём мельницы. Диаметр типичной мельницы частичного самоизмельчения – значительно больше её длины. Однако, такая мельница компании Newmont на руднике «Янакоча» (Перу) выполнена одноступенчатой (т.к. шаровая мельница после мельницы SAG не установлена) с диаметром 9.75 м, равным длине мельницы, и безредукторным приводом компании ABB мощностью 16.5 МВт.
Недавно, в рамках проекта Aitik 36, компания Boliden установила в заполярной части Швеции две мельницы диаметром 11.58 м, и довольно внушительной длиной – по 13.72 м. Они имеют самый большой в мире объём и представляют собой мельницы самоизмельчения (AG mills), т.е. без шаровой загрузки. Эти два гиганта приводятся в действие безредукторными приводами компании ABB мощностью 22.5 МВт каждый.
Один из двух приводов GMD мощностью 22.5 МВт для мельницы самоизмельчения размерами 11.58Ѕ13.72 м в проекте Aitik 36 (Швеция)
Тем не менее, похоже, что это совсем не предел. Компания ABB изготовила и в 2010 г. поставила безредукторный привод мощностью 28 МВт для мельницы диаметром 12.19 м частичного самоизмельчения в проект «Торомочо» компании Minera Chinalco Perú S.A. Это не только самый большой, но и самый первый безредукторный привод, установленный в Андах на высоте 4600 м над уровнем моря. Несколькими месяцами ранее, тоже в 2010 г., для другого проекта компания ABB получила заказ на поставку еще одного безредукторного привода мощностью 28 МВт – для мельницы частичного самоизмельчения такого же размера.
Кроме того, недавно компания ABB выиграла конкурс на разработку безредукторного привода мощностью 28 МВт для первой в мире мельницы SAG диаметром 12.80 м – для проекта «Минас Конга» (Перу) по добыче оксидной медно-золотой руды. В стадии разработки находится множество проектов безредукторных приводов для мельниц частичного самоизмельчения диаметром 12.19 м с вводом их в эксплуатацию в ближайший месяц, а также несколько проектов для мельниц такого же типа, но диаметром 12.80 м. В настоящее время компания ABB уже разработала безредукторные приводы номинальной мощностью до 35 МВт для мельниц частичного самоизмельчения диаметром 13.41 м.
Тенденции развития шаровых мельниц
По мере того, как увеличиваются размеры мельниц частичного самоизмельчения, растут параметры и шаровых мельниц (Ball mills). В конце 1990-х годов зарождается тенденция к применению безредукторного привода на этих, более крупных, мельницах, а также к его использованию для регулирования скорости. Безредукторные приводы быстро переместились с 20-футовых (диаметром
6.1 м) шаровых мельниц на 24- и 25-футовые, а затем и на 26-футовые (диаметром 7.92 м) мельницы. В начале 2010 года компания ABB ввела в эксплуатацию в Чили первые безредукторные приводы для двух шаровых мельниц (диаметром 8.23 м), каждый номинальной мощностью 18.6 МВт. Тем не менее, в проекте «Торомочо» эти пределы были вновь подняты двумя безредукторными приводами мощностью 22 МВт для двух шаровых мельниц (диаметром 8.53 м). Ещё для одного из проектов недавно получен заказ на поставку двух безредукторных приводов мощностью 22 МВт – для шаровых мельниц диаметром 8.53 м.
Удельная мощность приводов GMD
Первые в мире две 40-футовые (12.19 м) мельницы частичного самоизмельчения имеют безредукторные приводы номинальной мощностью 20 и 21 МВт, соответственно. Но за последние три года несколько изготовленных безредукторных приводов для 40-футовых мельниц обозначили тенденцию увеличения мощности с 22 МВт до 28 МВт. Таким образом, увеличивается не только диаметр мельниц, но и их «удельная мощность», рассчитываемая как отношение мощности двигателя привода к диаметру мельницы (МВт/фут). Подобная тенденция наблюдается и в конструкциях шаровых мельниц. У первых 26-футовых (7.92 м) шаровых мельниц номинальная мощность привода составляла 15.5 МВт, а сегодня она находится уже в диапазоне от 16.4 до 17.5 МВт. На рис. 1 показана динамика удельной мощности приводов мельниц частичного самоизмельчения и шаровых мельниц за последние 15 лет, в течение которых компания ABB поставляла безредукторные приводы.
Увеличение удельной мощности оказывает значительное влияние на такие рабочие параметры проекта, как режим охлаждения безредукторного электродвигателя, или, как в проекте «Торомочо», режим эксплуатации в условиях высокогорья. Кроме того, этот фактор влияет и на механические параметры мельницы. Например, номинальная частота вращения мельницы, закладываемая в её проекте, обычно находится в диапазоне 74–78% от критической частоты её вращения. Она находится в прямой зависимости от диаметра мельницы, и это означает, что номинальные частоты вращения мельниц одинакового диаметра существенно не различаются. Следовательно, более высокие значения удельной мощности обеспечивают и более высокие удельные вращающие моменты у безредукторных приводов.
Мельницы в условиях высокогорья
Дополнительную техническую задачу ставит необходимость эксплуатации безредукторных приводов в условиях большой высоты над уровнем моря, т.е. в условиях высокогорья. Например, разреженный воздух высокогорья снижает эффективность охлаждения привода мельницы. Во избежание этого длина пути тока утечки должна быть увеличена, что в свою очередь требует привести в соответствие с этим систему изоляции обмоток. Компания ABB провела испытания полной непрерывной системы изоляции VPI (с пропиткой в вакууме под давлением) в гипобарической камере с имитацией давления на высоте 5000 м над уровнем моря. Высокогорье также влияет на работу персонала, участвующего в монтаже, вводе в эксплуатацию, собственно эксплуатации и техническом обслуживании мельниц. Сами по себе, разработка и изготовление очень больших безредукторных приводов представляет по-настоящему трудную техническую задачу, если учитывать всё вышеперечисленное при необходимости обеспечить соответствующие коэффициенты надёжности оборудования.
Компания ABB – единственный поставщик безредукторных приводов, предназначенных для работы в условиях высокогорья – выше 4000 м над уровнем моря.
Наряду с проектированием, изготовлением и монтажом, ряд сложных задач приходится решать при доставке безредукторного привода к месту его эксплуатации. Приводы GMD состоят из крупногабаритных и тяжелых деталей. Например, статор настолько велик, что для облегчения транспортировки его обычно разбирают на четыре секции. Например, один сегмент статора для безредукторного привода мельницы частичного самоизмельчения мощностью 28 МВт в проекте «Торомочо» имеет транспортные размеры
14.8b6.1b3.4 м и массу 130 т. После доставки на объект эти четыре части статора монтируют вокруг уже установленной мельницы. Становится понятной стремление размещать заводы по изготовлению безредукторных электродвигателей как можно ближе к портам. Вместе с тем, для проекта «Торомочо» дополнительную сложность для доставки крупногабаритного оборудования и составляющих элементов приводов создаёт множество мостов и тоннелей.
Другой аспект транспортной проблемы возник при доставке безредукторного привода мощностью 22 МВт для 40футовой (12.19 м) мельницы частичного самоизмельчения для проекта «Маунт-Миллиган» компании Terrane Metals (Канада). Доставка крупногабаритных и массивных деталей привода мельницы к месту монтажа, в 155 км к северо-западу от Принс-Джордж в центральной Британской Колумбии, была запланирована на зимний период, по промёрзшим грунтам дорог. Но даже в таких условиях из-за весовых ограничений статор пришлось разделить на пять частей. Это уже второй случай в практике доставки приводов, когда статор пришлось разделять на пять частей: ранее в 2010 году компания ABB успешно смонтировала и ввела в эксплуатацию безредукторный привод в Чили, статор которого также был разобран на пять частей.
После транспортировки, монтажа и сдачи в эксплуатацию мельница может начинать работу по измельчению руды. Однако, в отрасли хорошо известно о нескольких авариях различной степени серьезности, которые произошли несколько лет назад на больших безредукторных приводах.
Анализ этих аварий показал, что тяжесть последствия некоторых из них могла быть уменьшена при помощи регулярных инспекций и заблаговременных профилактических действий. Тем не менее, как реакция на прошлые аварии, компания ABB внесла ряд изменений в конструкцию, ужесточила процедуры проверки качества, пересмотрела процесс проектирования и разработала дополнительные защитные функции, что позволило создать более совершенную, с позиции технического обслуживания, систему безредукторного привода. Стремясь к повышению надёжности, эксплуатационной готовности и безаварийному функционированию мельничных приводов в течение всего срока службы, компания ABB предлагает всеохватывающую и хорошо организованную инфраструктуру обслуживания и технической сервисной поддержки. На протяжении всего жизненного цикла безредукторных приводов инженеры компании ABB готовы прийти на помощь при монтаже и вводе в эксплуатацию, при эксплуатации и обслуживании, а также при модернизации и модификации. Например, компания настоятельно рекомендует пользоваться подробными программами профилактического технического обслуживания для исключения любых аварийных простоев мельниц. Основой для сопровождения специалистами ABB каждого этапа жизненного цикла мельниц служат договора на техническое обслуживание, обучение персонала и технические консультации.
В проекте «Торомочо» сочетание высокой удельной мощности привода для надёжной эксплуатации мельницы в условиях высокогорья станет новым непревзойдённым рубежом в истории измельчения руд. Успех будет достигнут благодаря тщательному соблюдению всех возросших требований – от проектирования, изготовления и транспортировки до монтажа, ввода в эксплуатацию, эксплуатации и техническому обслуживанию. Смещение спроса горнодобывающих предприятий в сторону мельниц увеличенного диаметра с большей удельной мощностью, эксплуатационной готовностью и надёжностью будет и дальше способствовать творческим усилиям в области инноваций, технических разработок и методов обслуживания. Ключевыми факторами, стимулирующими эту тенденцию, служат истощение богатых залежей, возрастание объёмов переработки бедных руд, требования по увеличению общего КПД и эксплуатационной готовности, обеспечиваемые большими мельницами с безредукторными приводами. К чему это приведёт? Пока преобладает спрос на мельницы всё большего диаметра с ещё более высокой удельной мощностью, компания ABB продолжит расширять пределы возможного.
Безредукторные приводы что это
БЕЗРЕДУКТОРНЫЕ ПРИВОДЫ. ВЕЧНОЕ СТРЕМЛЕНИЕ К СОВЕРШЕНСТВУ
Иногда техническая система имеет ряд недостатков по своим тактико-техническим и экономическим показателям за счет наличия редуктора. Редуктор всегда предполагает определенный процент потерь передаваемой мощности за счет сил трения. Конечно, традиционным решением, применяемым уже около 200 лет для обеспечения низких частот вращения рабочих механизмов, является использование высокоскоростного двигателя с редуктором. Но всегда ли такое решение бывает единственно верным?
Почему без редуктора?
В 21 веке появилась возможность создать современную концепцию экономичного безредукторного привода. Новая концепция безредукторного привода исключает многие механические потери между двигателем и собственно рабочим агрегатом. За счет значительного сокращения энергозатрат безредукторный привод становится экономически привлекательным. По-видимому, дальнейшее развитие приводной техники будет связано именно с исключением механических передач, объединением электромеханических устройств с рабочими органами машины. Уже появились интегрированные конструкции: электрошпиндель, электронасос, мотор-колесо и другие. Введение электромеханических устройств, а затем и локальных систем управления непосредственно в конструкцию рабочих машин существенно упрощает последние, повышает их функциональные возможности и технические характеристики. Однако для массового внедрения безредукторного привода необходимо преодолеть ряд технических трудностей. Именно о них мы и будем говорить в нашей статье.
/25-1.gif)
Отсутствие редуктора позволяет не только расширить функциональные возможности привода, но и снизить номенклатуру выпускаемых модулей при одновременном увеличении их серийности. Отсутствие редуктора снижает, прежде всего, металло- и трудоемкость производства такого привода, уменьшает его износ, шум при работе, упрощает обслуживание. Однако основное преимущество безредукторных приводов – это возможность повышения точности за счет отсутствия люфтов, существенного уменьшения мертвого хода, повышения резонансной частоты, снижения моментов сухого трения и других нежелательных факторов, вносимых редуктором. Кроме того, отсутствие редуктора позволяет обеспечить длительное сканирование с высокой частотой, скачкообразные шаговые движения и другие специальные режимы работы, требующие от привода высоких ускорений и частых реверсов. Требование многофункциональности вытекает из расширения круга задач, решаемых современными приводами, что подкрепляется большой гибкостью управления от микропроцессоров и микро-ЭВМ. В качестве двигателя безредукторного привода обычно выбирается бесконтактная синхронная электрическая машина с обмоткой на статоре и постоянными магнитами на роторе. Бесконтактность предоставляет возможность функционирования в самых тяжелых условиях и режимах, а выбор синхронной машины обеспечивает лучшие энергетические и массогабаритные характеристики по сравнению с асинхронной.
Требование создания безредукторного привода привело к необходимости применения встраиваемой конструкции, т.е. элементы электромеханической части привода – синхронная машина и, при необходимости, датчик положения ротора – изготавливаются и поставляются в виде статора и ротора без вала. При этом двигатель выполняется тихоходным, чтобы частота вращения его была гораздо ниже обычных значений 1000-6000 об/мин, неприемлемых для большинства объектов управления. Для обеспечения работы в разнообразных условиях эксплуатации можно также использовать различные системы защиты и охлаждения (воздушного, жидкостного и т.д.), что при встраиваемой конструкции и выделении всего тепла в статоре двигателя не представляет чрезмерно сложной задачи. Синхронная электрическая машина с постоянными магнитами обладает наиболее широкими функциональными возможностями по сравнению с другими видами электрических машин. При питании обмоток статора системой синусоидальных напряжений с необходимым временным сдвигом имеет место режим синхронного двигателя. Если на обмотку статора подавать систему разнополярных или однополярных импульсов напряжения, двигатель становится шаговым. При наличии обратной связи по положению ротора двигатель превращается в бесколлекторный аналог двигателя постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов, сохраняя присущий последнему характер механических и регулировочных характеристик, широкий диапазон регулирования частоты вращения и т.д. Этот режим называют также режимом вентильного двигателя.
Очень важно, что имеется возможность изменять характеристики привода путем изменения его структуры, а также путем изменения формы фазных напряжений или переключения секций обмотки статора синхронной машины, т.е. осуществлять так называемое программирование параметров. С целью обеспечения максимально возможной статической добротности в роторах безредукторных электроприводов использованы высококоэрцитивные постоянные магниты, как правило, из магнитных материалов на основе редкоземельных элементов (самария или неодима). Существуют исполнения и с магнитными системами ротора из феррита стронция. Применение высококоэрцитивных магнитов решает также задачу обеспечения устойчивости электродвигателя к значительным перегрузкам по току и моменту и позволяет не предусматривать никаких специальных мер защиты их от размагничивания. Применение высококоэрцитивных постоянных магнитов также позволяет увеличить воздушный зазор между статором и ротором; это, во-первых, облегчает монтаж двигателя в механизм, а во-вторых, дает возможность при необходимости разместить в зазоре тонкостенный немагнитный экран, герметически разделяющий полости статора и ротора.
В настоящее время безредукторный электропривод находит все более широкое применение в следующих областях:
• в различных приводах авиационной техники и РЛС;
• в подводных аппаратах, работающих на глубине до 6000 м, в качестве гребных двигателей и двигателей приводов рулей;
• в приводах манипуляторов для робототехники;
• в системах управления лентопротяжными механизмами различного назначения;
• в криогенной технике (двигатели насосов для перекачки жидкого азота);
• в приводах мотор-колес электрифицированных транспортных средств;
• в различных аппаратах медицинского приборостроения (привод перфузионных и вихревых насосов, центрифуг и т.п.);
• в оборудовании для АЭС.
/25-2.gif)
Привод для самого малого транспорта
Безредукторный электропривод появился в 20 веке. Мотор-колесный привод применялся (и применяется) в электрическом транспорте (зарубежные разработки), и главным препятствием к его всеобщему внедрению был банальный дефицит свободного места в подкузовном пространстве транспортного средства. Есть примеры внедрения мотор-колеса и в отечественных разработках. Например, в БелАЗах все оси «обмоторены». Более близкий нам пример – это мотор-колесо для легкового автомобиля, разработанное в НГТУ (ранее – Новосибирский электротехнический институт). Мотор-колесо для небольшого электромобиля отличается встроенным трехфазным торцевым асинхронным электродвигателем. Технические данные электродвигателя следующие: мощность длительного режима (так называемая работа с крейсерской скоростью) 6 кВт, напряжение 54 В, частота питания длительного режима f=400 Гц (2р = 8), КПД в длительном режиме 0,9, коэффициент мощности cos j = 0,75, кратность максимального момента в режиме разгона Мmах/М = 7,6, что реализуемо только в торцевом варианте двигателя. Масса активных частей двигателя-колеса обычно около 15 кг. В конце 1970-х годов первые такие электроприводы были изготовлены АвтоВАЗом совместно с новосибирскими разработчиками из НЭТИ. Современные мотор-колеса, выпускаемые инновационными предприятиями («Инкар-М» при РКК «Энергия»), изготавливаются из композиционных материалов и легких сплавов и представляют из себя безредукторные электроприводы с вентильными высокомоментными двигателями. Такие электроприводы уже устанавливаются на городских электромобилях, электрических скутерах, грузовых тележках, электроприводных креслах-колясках. Мотор-колесо представляет собой бесконтактный электродвигатель, в котором вращается не ротор, а статор. Статор является и ободом колеса. Высокий КПД – характерный признак такого низкооборотного, но высокомоментного двигателя.
Отличительные особенности мотор-колеса:
— Безредукторный вентильный электродвигатель встроен в ступицу колеса;
— Высококоэрцитивные постоянные магниты на основе редких металлов;
— Высокий удельный момент;
— Применение композиционных материалов и сплавов.
…и для очень большого
В карьерных самосвалах БелАЗах в одно целое объединены электродвигатель, силовая передача, тормозное устройство и колесо. Так удалось уменьшить потери энергии при передаче и существенно увеличить тягу. Энергию на каждое мотор-колесо в БелАЗе дает генератор, вращаемый обычным двигателем внутреннего сгорания. Отличительной особенностью мощных БелАЗов является именно электропривод – дизель-генератор и индивидуальные электроприводы у колес.
Безредукторный привод уже начал задавать новую тенденцию в лифтостроении. Современная концепция безредукторного электропривода лифтов быстро ставится на вооружение ведущими мировыми производителями лифтов и подъемного оборудования. Регулирование частоты приводов, работающих на 3-фазном токе, позволяет экономично использовать безредукторную технологию в лифтах грузоподъемностью от 1000 до 2000 кг на скоростях от 1,6 до 3,0 м/с и высотой подъема до 180 м. Новые приводы лифтов занимают мало места, просты в обслуживании, высокоэффективны и потребляют мало энергии. Благодаря этому даже в случае недостаточного электроснабжения можно установить более мощные лифты, чем при использовании традиционной редукторной технологии. Надежность безредукторных приводов достигается путем использования высококачественных материалов и соблюдения жестких производственных допусков.
Во-первых, отсутствие редукторного узла обусловливает высокую надежность и, следовательно, больший срок эксплуатации. Во-вторых, управляемая скорость вращения мотор-колеса, что достигается с помощью программируемого микропроцессора или персонального компьютера, управляющих скоростью и направлением. Нельзя не отметить повышенную плавность хода за счет того, что отсутствие редуктора позволяет вращаться двигателю без дискретного шага с очень высокой точностью. Наконец, у нового электропривода за счет применения новых материалов практически абсолютно бесшумная работа.
А. В. Соловов, «Оборудование Разработки Технологии»