Вентильные двигатели с постоянными магнитами в системах судового электропривода: состояние и перспективы

В статье рассматриваются основные тенденции развития конструкций, силовых полупроводниковых схем и систем управления перспективных вентильных электромеханических преобразователей — вентильных двигателей с постоянными магнитами для судового электропривода и средств автоматики. Представлен вариант их реализации в регулируемом электроприводе. Объектом исследования является вентильная электромеханическая система, включающая синхронную машину с магнитоэлектрическим возбуждением, охваченную позиционной обратной связью через зависимый управляемый вентильный коммутатор, предметом — конструкции, схема силовой части, системы управления, алгоритм функционирования и характеристики. Целью исследований является оценка эксплуатационных особенностей, свойств и возможностей внедрения вентильных двигателей с постоянными магнитами в качестве судовых электроприводных систем малой и средней мощности. Результаты исследований и разработок воплощены в опытно-промышленных образцах. Для систем судового электропривода разработан вариант с микропроцессорным управлением. Коммутатор собран на транзисторных ключах, обеспечивающих высокую надежность и повышающих функциональные возможности системы управления. Сформирована минимально необходимая система логических переменных, обеспечивающая реализацию рациональных законов коммутации и регулирования частоты вращения. Представлены эксплуатационные характеристики при различных опережающих углах включения вентилей коммутатора. Наличие полюсных башмаков на полюсах вносит существенные особенности в закономерности их изменения. В выводах сформулированы основные преимущества и особенности предложенных в работе конструктивных и схемных решений. Отмечается, что вентильные двигатели с возбуждением от постоянных магнитов являются наиболее перспективными в плане интеграции электромеханического преобразователя в регулируемый судовой электропривод диапазона малых и средних мощностей. Двигатели такого типа конструктивно просты и надежны, имеют жесткие естественные механические характеристики, не требуют затрат энергии на возбуждение, обладают большой перегрузочной способностью и высоким быстродействием в переходных процессах, их отличительной особенностью является высокий удельный момент. 

1. Никифоров Б. В. Развитие систем электропривода подводных лодок / Б. В. Никифоров// Судостроение. — 1999. — № 5 (726). — С. 23–25.

2. Богданов А. Н. Современные и перспективные алгоритмы управления гребными синхронными электродвигателями / А. Н. Богданов, А. И. Ивановский, П. В. Адамович // Вестник Крыловского государственного научного центра. — 2017. — № 4 (382). — С. 103–112. DOI: 10.24937/2542-2324-2017- 4-382-103-112.

3. Геча В. Я. К вопросу о предельной энергоэффективности асинхронных машин и двигателей с постоянными магнитами / В. Я. Геча [и др.] // МКЭЭЭ 2018: тр. XVII Междунар. конф. «Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты». 24–28 сентября 2018 г. — М.: Изд-во «Знак», 2018. — С. 158–161.

4. Жуков В. П. Высокомоментные вентильные электродвигатели серии 5 ДВМ / В. П. Жуков, В. А. Нестерин // Электротехника. — 2000. — № 6. — С. 19–21.

5. Волокитина Е. В. Новая серия отечественных вентильных электродвигателей для универсальных технологических роботов / Е. В. Волокитина [и др.] // Электротехника. — 2011. — № 7. — С. 13–16.

6. Ишутинов В. В. Применение методов оптимизации при проектировании вентильных электродвигателей с постоянными магнитами для специальных электроприводов на ОАО «Лепсе» / В. В. Ишутинов // Электротехника. — 2014. — № 4. — С. 46–50. DOI: 10.3103/S1068371214040075.

7. Бабицкий Д. Ю. Выбор магнитных систем роторов синхронных двигателей с постоянными магнитами с повышенными удельными характеристиками / Д. Ю. Бабицкий [и др.] // МКЭЭЭ 2020: тр. XVII Междунар. конф. «Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты». 27 сентября — 1 октября 2022 г. — М.: Изд-во «Знак», 2022. — С. 90–94.

8. Кан С. В. Исследование влияния ширины и попарного сдвига постоянных магнитов на момент вентильного двигателя / С. В. Кан, С. А. Пахомин // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. — 2021. — Т. 64. — № 4–5. — С. 20–23. DOI: 10.17213/0136-3360-2021-4-5-20-23.

9. SINAMICS medium voltage drives — the optimal drive for every application // Siemens official website [Электронный ресурс]. — Режим доступа: https://www.industry.siemens.com/drives/global/en/converter/mv-drives/ Pages/medium-voltage-соnverters.aspx (дата обращения: 01.03.2023).

10. ABB Permanent magnet motors [Электронный ресурс]. — Режим доступа: https://new.abb.com/ motors-generators/iec-low-voltage-motors/process-performance-motors/permanent-magnet-motors (дата обращения: 01.03.2023).

11. Wang G. Position sensorless permanent magnet synchronous machine drives — A review / G. Wang, M. Valla, J. Solsona // IEEE Transactions on Industrial Electronics. — 2019. — Vol. 67. — Is. 7. — Pp. 5830–5842. DOI: 10.1109/TIE.2019.2955409.

12. Lee J. Pulse Width Modulation Methods for Minimizing Commutation Torque Ripples in Low Inductance Brushless DC Motor Drives / J. Lee, G. C. Lim, J. I. Ha // IEEE Transactions on Industrial Electronics. — 2022. — Vol. 70. — Is. 5. — Pp. 4537–4547. DOI: 10.1109/TIE.2022.3189104.

13. Высоцкий В. Е. Математическое моделирование и оптимальное проектирование вентильных электрических машин / В. Е. Высоцкий, Ю. В. Зубков, П. В. Тулупов. — М.: Энергоатомиздат, 2007. — 340 с.