Современный электропривод
Если информатика – мозг современных технологий, то электропривод – их мышцы, средство практического осуществления бесчисленного множества задач, связанных с направленным воздействием на материю в интересах человека.
Электропривод осуществляет управляемое электромеханическое преобразование энергии, используется практически во всех областях человеческой деятельности, где нужно движение, механическая работа, потребляет более 60% всей вырабатываемой электроэнергии.
За 150-летнюю историю развития электропривод претерпел радикальные изменения, прошел путь от примитивного группового (общий двигатель – много трансмиссий – простые рабочие агрегаты) до высокоинтеллектуального, встраиваемого в технологические машины и осуществляющего сложнейшие операции в условиях изменяющихся внешних воздействий. Особенно сильно электропривод изменился за последние 20–25 лет, и главной причиной этих изменений стали успехи силовой электроники. Появились транзисторы, переключающие с частотой десятки килогерц токи в сотни ампер, стали штатным элементом совершенные контроллеры на микропроцессорных средствах, позволяющие просто решать сложнейшие задачи управления.
Ушли в прошлое многочисленные технические решения, имевшие целью сделать как-то регулируемым неприспособленный для этого при имевшихся технических средствах асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором. Стали непривлекательными – дорого, громоздко – электроприводы с многоскоростными асинхронными двигателями, с двигателями с фазным ротором. Существенно сократилось производство – дорого, трудно обслуживать – электроприводов постоянного тока, в течение длительного времени практически не имевших конкурентов в классе регулируемого электропривода.
Основная, признанная во всем мире тенденция развития современного электропривода – распространение его на технологии, где абсолютно преобладал простейший нерегулируемый электропривод с асинхронными двигателями с короткозамкнутым ротором.
Победу над всеми конкурентами в классе регулируемого электропривода одержал частотно-регулируемый асинхронный электропривод с современными, ставшими возможными лишь в результате отмеченных выше событий (транзистор, микропроцессор) преобразователями частоты.
Сформировалась структура такого привода для широкого применения: сеть – неуправляемый выпрямитель – шины постоянного тока с конденсатором – инвертор напряжения на транзисторных модулях с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) – система управления на микропроцессорных средствах – асинхронный двигатель с к/з ротором.
Масса преобразователя частоты – около и менее 1 кг/кВт, совершенная защита, осуществляемая процессором, от всех аномальных режимов, диагностика состояния привода, управление цифровыми и аналоговыми сигналами, простое и удобное программирование работы, простая связь нескольких приводов, взаимодействующих в технологическом процессе – вот неполный перечень пользовательских качеств такого электропривода.
Сотни фирм во всем мире, включая Россию, производят преобразователи частоты. Их качество, вообще говоря, не одинаково: наряду с очень хорошими преобразователями, адаптированными к условиям применения и создаваемыми коллективами, имеющими научную школу, длительный опыт, репутацию на рынке товаров высоких технологий, можно встретить поделки дилетантов, гонящихся за модой, но не имеющих времени на по-настоящему серьезные разработки.
До настоящего времени, к сожалению, в России не действует независимая и объективная экспертиза новых изделий на рынке – преобразователей частоты, и пользователи вынуждены пользоваться известностью зарубежных брендов, зачастую даже не зная, что есть не менее, а иногда и более достойные изделия отечественной промышленности.
Частотно-регулируемый электропривод, пришедший в систему водоснабжения зданий взамен нерегулируемого, убедительно продемонстрировал возможности новой техники.
Насосные агрегаты, установленные повсеместно, работающие круглосуточно и потребляющие крайне нерационально громадное количество энергии, не были до последних лет удостоены внимания специалистов – электриков: не было острой нужды, поскольку энергия была дешевой, да и не было технических возможностей. Сейчас ситуация кардинально изменилась – возникла потребность, и подоспели технические средства – электронные преобразователи частоты. Опыт их использования показал, насколько совершеннее становится система, сколь велики здесь резервы энерго- и ресурсо-сбережения, и как эффективно и просто они могут быть реализованы.
Так, широкий натурный эксперимент, проведенный в 1994–97 гг. в МО «Лефортово», показал, что экономия электроэнергии составляет 50–60%, кроме того – это уже специфика отечественных систем водоснабжения – экономится до 20% воды и до 10% тепла.
Теперь уже сотни центральных тепловых пунктов, обеспечивающих водой и теплом здания, оборудованы частотно-регулируемым электроприводом. Процесс использования в этой сфере частотно-регулируемого электропривода будет продолжаться и расширяться, несмотря на препятствия, связанные с несовершенством организационных и экономических механизмов. В этом процессе, с учетом его масштабности, необходима высокая компетентность участников, чтобы объективно достижимый эффект не был бы дезавуирован недостаточно продуманными или просто неправильными, хотя и внешне привлекательными, техническими и экономическими решениями.
В этой связи уместно вспомнить еще об одном элементе развития современного электропривода – компьютерной поддержки технических решений. С сожалением можно констатировать, что у нас она как-то не привилась, хотя компьютеры есть повсеместно и хотя у наших коллег за рубежом они интенсивно используются как для продвижения новых товаров на рынок, так и для снижения вероятности принятия неверных или недостаточно эффективных решений.
В качестве примера первого направления можно привести самую заметную американскую программу экспертного типа Motor Master, разработка которой была инициирована в начале 90-х годов производителями энергоэффективных двигателей, имеющих повышенный на 1–5% номинальный КПД за счет увеличения массы и соответственно большей стоимости. Программа была выпущена в 1992 г. при поддержке Министерства энергетики США. Она содержала каталог новых двигателей и позволяла, что весьма существенно, оценить целесообразность их использования (срок окупаемости) вместо стандартных двигателей. Она рассылалась за небольшую плату (100 долларов) заинтересованным организациям и получила широкую известность в США.
Аналогичные программы, но для других объектов, связанных с электроприводом, были выполнены в начале 90-х годов при участии автора по заказу ряда европейских фирм, широко использовались ими для поднятия рейтинга и повышения деловой активности.
Примером второго направления может служить программа «Оценка экономической эффективности частотно-регулируемого электропривода насосов центральных тепловых пунктов», разработанная на основе обобщения полезного опыта и служащая для избежания ошибок при модернизации электропривода насосов ЦТП.
Примечательно, что интерес к таким прикладным компьютерным программам в России практически отсутствует.
Возможно, с этим косвенно связано отсутствие интереса к использованию частотно-регулируемого электропривода в системах вентиляции и воздушного отопления, заключающих громадные резервы энерго- и ресурсосбережения, к оценке правильности выбора мощности двигателей в многочисленных простых, но энергоемких электроприводах: нет удобной и несложной поддержки для решения этих вопросов.
Наряду с преобразователями частоты важным новым аппаратным средством, широко используемым за рубежом в асинхронном электроприводе являются «мягкие пускатели» (рис. 3) – простые тиристорные устройства, позволяющие контролировать пуск и останов привода за счет управления напряжением на зажимах двигателя, а также обеспечивающие энергосбережение посредством снижения напряжения на недогруженном двигателе, и ряд других свойств. Эти устройства выпускаются многими зарубежными фирмами и оказываются весьма полезными, особенно для работы с мощными асинхронными двигателями (десятки – сотни кВт), не нуждающимися в регулировании скорости, но имеющими шести-семикратные пусковые токи. Они есть сейчас и на нашем рынке, но почему-то мало используются.
Попытки, предпринимавшиеся в 90-е годы, приспособить эти регуляторы напряжения для регулирования скорости асинхронных двигателей, работающих в продолжительном режиме, например, в электроприводах насосов систем водоснабжения, естественно, оказались безуспешными – требовались двигатели завышенной в 2–3 раза мощности, с повышенным скольжением, мощными вентиляторами – наездниками для выдувания избыточного тепла и т. п.
Электропривод постоянного тока, который до начала 80-х годов был практически единственным регулируемым электроприводом и использовался везде, где без него нельзя было обойтись, сдает позиции: по зарубежным данным, сейчас на его долю приходится лишь около 15% всех регулируемых электроприводов. Правда, богатая история такого привода и особенно неоценимые достоинства главного его представителя – общеизвестной системы «генератор – двигатель» (рис. 4), по-видимому, еще долго будут заставлять практиков выбирать именно эту систему для многих применений при больших мощностях (сотни киловатт), двунаправленных потоках энергии и при желании избежать проблем с электромагнитной совместимостью, эмиссией помех и т. п. Представляется, что именно эта система, а не системы со статическими тиристорными преобразователями, продлит достойную жизнь мощным ответственным электроприводам постоянного тока.
И еще одна структура многодвигательного электропривода, созданная, кстати, в нашей стране, – параметрический нерегулируемый источник тока – управляемые по цепям возбуждения двигатели постоянного тока (рис. 5), очень хорошо приспособленная для установок, транспортирующих длинномерные изделия (кабели, ленты, нити и т. п.), для специальных лебедок, намоточных устройств, нагрузочных агрегатов и т. п., возможно, будет успешно конкурировать с модными современными приводами.
Это обусловлено, во-первых, органически присущим этой системе свойством очень просто и эффективно управлять моментом (управляемый «источник момента») и, во-вторых, ее очень высокими энергетическими показателями. Правда, сегодня предпринимаются попытки заменить эту естественную для указанных технологий систему группой частотно-регулируемых электроприводов с векторным управлением. Получается сложно, технологически неэффективно, но зато – модно.
Из новых разработок, претендующих на широкое использование, можно назвать вентильно-индукторный электропривод. Это силовая версия одного из типов хорошо известного шагового электропривода. Его принципиальное отличие от большого числа уже разработанных и использующихся в станках роботов и т. п. электроприводов с постоянными магнитами, синхронных реактивных и других специальных электроприводов – предельная простота конструкции, невысокая стоимость и высокая надежность машины и системы в целом.
Принцип действия вентильно-индукторного двигателя – ближайшие зубцы пассивного зубчатого ротора притягиваются к возбужденным в данный момент электромагнитам – зубцам статора. Этот процесс непрерывно повторяется для других групп зубцов, что диктуется электронным коммутатором и удовлетворительно реализуется, как показывает опыт, лишь при очень тонком управлении ключами коммутатора. Именно это обстоятельство объясняет относительно медленный выход нового привода на широкий рынок: неумелые попытки приводят к вибрирующему, шумящему, плохо регулирующемуся устройству, часто разочаровывающему спешащих разработчиков. Вместе с тем преимущества нового электропривода делают его весьма заметным потенциальным конкурентом широко распространенного частотно-регулируемого асинхронного электропривода.
Чего можно ждать в ближайшем будущем?
Нерегулируемый (по скорости) электропривод, конечно, останется преобладающим типом привода. Не изменится и принципиальное техническое решение – асинхронный электродвигатель. Вместе с тем забота об энергосбережении заставит значительно более внимательно относиться к выбору мощности двигателя.
Появятся эффективные и доступные приемы энергоаудита, основанные на широком и целенаправленном использовании компьютерных средств, прикладных компьютерных программ, созданных специалистами.
Мощные и трудно пускаемые электроприводы будут значительно чаще, чем сейчас, снабжаться плавными пускателями, осуществляющими кроме того функцию энергосбережения при недогрузке двигателя, защиты от превышения напряжения, симметрирование фаз и т. п.
Основное отличие завтрашнего нерегулируемого по скорости асинхронного электропривода от используемого сегодня будет, несомненно, в широком, практически повсеместном использовании встроенных средств микроэлектроники для надежной защиты и диагностики состояния привода.
Продолжится процесс перехода к регулируемому электроприводу в многочисленных и разнообразных технологиях. В самых массовых применениях (насосы, вентиляторы, транспортеры, бытовая техника) преобладающую роль еще долго будет играть частотно-регулируемый асинхронный электропривод сложившейся к настоящему времени конфигурации. Отличие от современного будет в использовании асинхронных двигателей, специально приспособленных к работе с преобразователями частоты, в большей интеграции в силовом канале преобразователя и в совершенствовании процессорной части.
Уже сегодня используются инверторы, построенные на интеллектуальных силовых модулях IPM в виде моноблоков, где интегрированы шесть или семь мощных силовых транзисторов, цепи драйверов, все возможные виды защит. По желанию пользователя инверторы могут быть объединены с машиной, как уже сделали «Сименс» и «Данфосс».
В новых электроприводах наиболее радикально изменятся микропроцессорные средства управления за счет совершенствования внутренних процессов и более полной адаптации к изменяющимся внешним условиям.
Наряду с появлением на рынке все более совершенных элементов и систем электропривода должен появиться и новый товар – разнообразные прикладные компьютерные программы, поддерживающие рациональное использование новых технических средств и существенно облегчающие труд инженеров и лиц, принимающих решения.