Разработка и исследование энергосберегающего электропривода на базе гистерезисного двигателя с питанием от однофазной сети

Бытовая техника является сферой, широко использующей электропривод (ЭП). Многие бытовые приборы работают круглосуточно, в современных городах бытовая техника потребляет десятки мегаватт часов электроэнергии. В Европе в 1995 году введена классификация энергопотребления бытовой техники. Наиболее экономичным приборам присваивается класс А, наименее эффективным — G. К 2000 году около 20% продаваемых в Европе холодильников имело класс энергопотребления А, а в отдельных странах эта цифра достигала значения 50%. В связи с этим были введены дополнительные классы А+ и А++. При этом класс энергопотребления бытового прибора является важным фактором при принятии решения о покупке. Затраты на электроэнергию для бытового холодильника класса А++ на 40% ниже, чем аналогичные затраты для класса А. Однако, стоимость техники класса А++ примерно на столько же выше. В 2006 году в Каталонии начал действовать план реновации бытовых приборов, в рамках которого покупателям выплачивали субсидии на покупку бытовой техники с высокой энергетической эффективностью. В 2007 году в Бразилии стартовала программа по замене холодильников, в результате которой жители пригородов и неблагополучных районов получают энергосберегающие холодильники бесплатно. Недавно в США заработала программа поддержания спроса на бытовую технику: те, кто приобретает более эффективную крупную бытовую технику в обмен на старую получают субсидию в размере от $ 50 до $ 200 [78].

В настоящее время в России действует Федеральный закон от 23 ноября 2009 г. № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации», направленный, в том числе, на энергосбережение и повышение эффективности использования электроэнергии, потребляемой в быту.

Наиболее энергоёмким прибором бытовой техники является холодильник, на их долю приходится в среднем 33% электропотребления в домашнем хозяйстве. Поэтому производители уделяют холодильному оборудованию большое внимание. Например, компания BASF производит пластик, снижающий теплопроводность корпуса холодильника. Используется раздельное управление холодильным и морозильным отделениями. Компрессор производители стараются сделать наиболее мощным и при этом экономичным. Экономичность компрессора напрямую зависит от экономичности ЭП в его составе. Поэтому экономичность ЭП становится фактором определяющим конкурентоспособность бытового прибора в условиях современного рынка.

Многие зарубежные фирмы, такие как Samsung Electronics, LG Electronics, Siemens AG ведут разработки экономичных ЭП для использования в бытовой технике.

Помимо экономичности, к современным бытовым ЭП предъявляются требования по обеспечению простоты их конструкции, высокой надёжности в течение срока эксплуатации, низкого уровня шума, надёжной работы при питании от однофазной сети. Синхронный гистерезисный двигатель (СГД) при работе в режиме перевозбуждения потенциально способен отвечать всем перечисленным требованиям. Поэтому исследование возможностей создания ЭП для бытовой техники на основе СГД и поиск технического облика такого ЭП является актуальной проблемой.

До недавнего времени СГД находил широкое применение в маломощном электроприводе: гироскопических приборах, газовых центрифугах[4,8]. Новые разработки показали перспективы СГД для применения в мощных электроприводах инерционных механизмов[ 10,14,22]. Во всех приведённых выше случаях привод на основе СГД выполнялся многодвигательным при питании от преобразователя напряжения через блоки импульсного намагничивания. Однофазный СГД практически не использовался в промышленности. Его применение ограничено маломощными электроприводами, работающими без использования режима перевозбуждения. Исследования однофазных приводов на основе СГД проводились лишь в нескольких работах: [27, 28, 45, 63] и также не затрагивали работу двигателя в режиме перевозбуждения. Полученные в них результаты не позволяют оценить возможности применения однофазного электропривода на основе СГД в современных приборах. В связи с этим цель настоящей работы состоит в оценке возможности применения СГД в электроприводе при однофазном питании.

Для достижения указанной цели в работе поставлены и решены следующие основные задачи:

1. Проведено сравнение различных видов самозапускающихся электродвигателей (ЭД) и определение потенциальных возможностей СГД в их ряду.

2. Разработано математическое описание процессов в СГД, определена применимость этого описания для моделирования процессов в СГД, работающем в несимметричных режимах.

3. Исследованы возможности создания экономичного конденсаторного ЭП на основе СГД при различных схемах исполнения конденсаторного гистерезисного ЭП.

4. Создан и исследован макетный образец экономичного конденсаторного ЭП на основе СГД.

5. Разработаны перспективные схемы конденсаторного гистерезисного ЭП. Для решения поставленных в работе задач использовались следующие методы:

— теория электромагнитных процессов в синхронных и асинхронных режимах работы СГД и регулирования намагниченности материала его ротора;

— математическая модель магнитного состояния ротора СГД;

— теория конденсаторных ЭД;

— методы численного моделирования, применённые в пакетах МаШСаё и МаИаЬ;

— методы исследования устойчивости работы СГД при переключении питающего напряжения.

Обоснованность и достоверность научных положений и выводов подтверждена результатами экспериментальных исследований созданных макетных образцов однофазного гистерезисного ЭП. Получен акт, подтверждающий высокую эффективность созданных образцов ЭП, от компании Samsung Electronics, по заданию которой выполнялись исследования.

Научная новизна работы заключается в следующем:

— предложена совокупность способов достижения режима перевозбуждения конденсаторного СГД, обеспечивающих повышение энергетической эффективности его работы;

— экспериментально обнаружен и исследован эффект самоподмагничивания СГД при несимметричном питании, который не проявляется в других типах двигателей работающих в аналогичных режимахпредложены новые схемы однофазного гистерезисного ЭП, обеспечивающие повышение его энергетических показателей;

— обоснована возможность создания конкурентоспособного конденсаторного гистерезисного ЭП для бытовой техники.

Основные практические результаты работы заключаются в следующем:

— создан макетный образец СГД, позволяющий исследовать различные схемы исполнения гистерезисного ЭП;

— подтверждены высокие энергетические характеристики гистерезисного ЭП, превосходящие характеристики широко применяемых конденсаторных асинхронных электроприводов;

— обоснована возможность применения конденсаторных СГД в бытовой технике.

Основные результаты работы обсуждались на заседаниях кафедры ЭКАО МЭИ, на конференциях (международные конференции студентов и аспирантов, доклады по программе «У.М.Н.И.К.»), технических совещаниях с Заказчиком работ (Samsung Electronics).

По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ, получено 4 патента на полезные модели и изобретения.

В первой главе рассмотрены области применения СГД, приведены их характеристики и требования к ЭП, в которых они используются, проведён сравнительный анализ известных типов самозапускающихся двигателей: асинхронного (АД), синхронного реактивного (СРД), синхронного с постоянными магнитами (СД11М) и СГД, направленный на определение возможностей СГД для применения в бытовой технике по сравнению с другими типами двигателей. В результате анализа обоснована перспективность применения СГД в экономичных ЭП бытовой техники. Также рассмотрены структуры однофазного ЭП, применяемые в настоящее время, определено, что большинство современных однофазных ЭП имеют переменную структуру для обеспечения оптимальных показателей в пусковом и рабочем режимах.

Во второй главе анализируются методы математического моделирования СГД. Приводится разработанная модель качественной оценки магнитных процессов в СГД. Приведены результаты исследования процессов, происходящих в несимметричном СГД при входе в синхронизм из которых следует, что состояние ротора в рабочем режиме однозначно определяется максимальным значением напряжённости, приложенным к ротору при входе в синхронизм. Оно не изменяется в зависимости от запуска к запуску.

В третьей главе приводятся результаты экспериментальных исследований различных структур конденсаторного гистерезисного ЭП. Были проведены две серии испытаний. В первой исследовалось влияние ёмкости фазосдвигающего конденсатора на форму механической характеристики СГД и энергетические показатели в рабочем режиме. Полученные результаты подтвердили ожидаемые высокие характеристики конденсаторного СГД. Во второй серии испытаний исследовались различные схемы включения конденсаторного СГД. Для исследования схем с различными числами витков в фазах и различным числом фаз был изготовлен специальный макетный образец СГД. В результате определены наиболее оптимальные схемы подключения СГД в однофазную сеть.

В четвёртой главе рассматриваются варианты реализации системы ЭП на базе СГД и проводится сопоставление разработанных их образцов с асинхронными однофазными ЭП. Предложены три структуры однофазного гистерезисного ЭП, определены условия их применения. Проведённый сравнительный анализ показал, что СГД при том же использовании активных материалов, что и прототип АД фирмы Samsung имеет более высокие энергетические показатели, это обуславливается отсутствием потерь скольжения и затрат мощности на возбуждение двигателя. Полученные в работе результаты позволяют сделать вывод о том, что применение СГД в однофазных ЭП приборов бытовой техники перспективно.

4.5. Выводы по главе.

1. Разработана и изготовлена система однофазного гистерезисного электропривода, обеспечивающая энергетические показатели на одном уровне с системой привода на базе трёхфазного СГД. Данная система обеспечивает работу гистерезисного привода с КПД на 7% большим, чем КПД энергосберегающего асинхронного двигателя.

2. Исследована упрощённая структура электропривода, не содержащая вольтодобавку, показано, что при этом энергетические характеристики не ухудшаются. То есть данная схема может применяться в электроприводах, не предъявляющих требований к времени разгона механизма до рабочей скорости.

3. Разработана схема, в которой перевозбуждение СГД достигается за счёт переключения обмоток двигателя, что позволяет не только упростить систему, но и снизить её стоимость за счёт исключения дополнительной пусковой ёмкости. На данном этапе схема может применяться для привода механизма с подключением нагрузки при рабочей скорости.

4. При сравнении с общепромышленными однофазными асинхронными электроприводами разработанные системы привода на базе СГД обеспечивают более высокие энергетические характеристики и кратность пускового момента. Это показывает принципиальную возможность использования однофазных приводов на базе СГД в бытовой технике.

Заключение

.

1. В результате сравнительного анализа самозапускающихся ЭД выявлены преимущества СГД: технологичная конструкция ротора СГД, его высокие энергетические характеристики, надёжность и стабильность ввода в синхронный режим нагрузки с большой инерционностью и меньший уровень шума по сравнению с другими ЭД, обладающими самозапуском. Дополнительно, использование стандартных схем с переменной структурой ЭП позволяет вводить СГД в режим перевозбуждения, существенно увеличивая его энергетические показатели. Вследствие перечисленных преимуществ СГД является конкурентоспособным ЭД для однофазного ЭП бытовой техники.

2. С помощью разработанного математического описания магнитного состояния ротора СГД при несимметричных режимах питания показано, что магнитное состояние ротора СГД формируется при входе в синхронизм. При этом оно определяется максимальным значением напряженности внешнего поля и практически не зависит от промежуточных его значений, таким образом, магнитное состояние ротора СГД не изменяется от запуска к запуску.

3. При экспериментальных исследованиях показан ранее неизвестный эффект самоподмагничивания СГД при несимметричном питании. Благодаря проявлению этого эффекта снижение энергетических характеристик СГД в несимметричном режиме работы происходит в меньшей степени, чем снижение аналогичных характеристик АД.

4. Разработаны и испытаны образцы однофазного конденсаторного ЭП на базе СГД, превосходящие по своим энергетическим характеристикам ЭП на базе АД. Также испытанные схемы обеспечивают больший пусковой момент, по сравнению с асинхронным ЭП.

5. Таким образом, в результате исследований доказана перспективность применения однофазного гистерезисного ЭП в бытовой технике.