Система электропитания постоянного тока

Переменный или постоянный: «война токов» продолжается

В конце XIX – начале XX века между специалистами-электротехниками развернулась самая настоящая «война токов». Основная конкуренция проходила между двумя направлениями систем генерации, электроснабжения и электропотребления: постоянным током (англ. Direct Current – DC) и переменным (англ. Alternating Current – AC). В итоге предпочтение было отдано трёхфазным цепям переменного тока. Подсчитав объёмы капитальных затрат на создание систем электроснабжения, промышленники выбрали, казалось бы, самый оптимальный вариант. Но удастся ли переменному току удержать лидерство в современных условиях? Сегодня в ряде областей наблюдается развитие технологий и продвижение проектов на постоянном токе.

Области применения постоянного тока

Линии электропередачи низкого напряжения

В рамках финской программы «Интеллектуальные сети и рынок энергии» в Технологическом университете Лаппеенранты разработан проект системы электроснабжения и связи LVDC (англ. Low voltage direct current). Он предназначается для загородных посёлков с малым числом потребителей и линиями электроснабжения большой протяжённости.

Проект предусматривает замену дорогих традиционных трёхфазных распределительных сетей переменного напряжения 20/0,4 кВ на кабельные подземные линии LVDC (±0,75 кВ). Прокладка кабеля на глубине более 1,5 м минимизирует зоны отчуждения и не создаёт ограничений для ведения сельскохозяйственных работ. Такое решение существенно уменьшает стоимость сети и её зависимость от погодных катаклизмов. Каждое здание и сооружение будет подключаться к сети постоянного тока через преобразователи, согласующие напряжение LVDC с напряжением, необходимым потребителю.

Энергоснабжение локальных объектов, микро- и мини-сети постоянного напряжения

Сегодня для обеспечения повышения энергоэффективности всё чаще предлагаются проекты микросетей постоянного напряжения внутри здания (или нескольких зданий) и на локальной территории. На входе таких сетей установлен высокоэффективный преобразователь, превращающий переменное напряжение распределительных линий в постоянное.

Современные локальные сети постоянного напряжения имеют ряд преимуществ, среди которых необходимо отметить следующие:

• общее преобразование из переменного напряжения в постоянное для всех нагрузок уменьшает потери на 10-20%;
• эффективное интегрирование возобновляемых источников электроэнергии, являющихся также источниками постоянного напряжения (солнечные батареи, небольшие ветряные турбины, топливные элементы и др.);
• простое согласование перечисленных источников постоянного напряжения, не требующих взаимной синхронизации;
• эффективное управление графиками нагрузки (включая накопление электрической энергии в периоды избыточной генерации и выдачу в периоды дефицита);
• повышенная электробезопасность сетей постоянного тока.

Транспорт

Не так давно была разработана энергосистема постоянного тока для крупного морского судна гражданского назначения – многоцелевого танкера для обслуживания нефтяных платформ, построенного в Норвегии. Традиционно в судах с электротягой происходит многократное преобразование переменного тока в постоянный для питания винто-рулевых колонок и гребных винтов, на которые приходится более 80% всего электропотребления. Это приводит к большим потерям энергии, снижению общего КПД, а также негативному влиянию на окружающую среду. Компания АББ, лидер в производстве силового оборудования и технологий для электроэнергетики и автоматизации, разработала проект, в котором электроэнергия распределяется через единую цепь постоянного тока. «С помощью нашего решения суда смогут максимально эффективно использовать свои возможности по энергосбережению с применением дополнительных источников постоянного тока, таких как солнечные батареи, топливные ячейки или аккумуляторы, подключенные напрямую к судовой сети постоянного тока», – рассказывает Вели-Матти Рейникала, руководитель подразделения «Автоматизация процессов» компании АББ.

В сравнении с системами на переменном токе спроектированная энергосистема имеет следующие преимущества:

• расход топлива на 20% ниже;
• за счёт отсутствия силовых низкочастотных трансформаторов суммарный вес и объём электрооборудования уменьшен на 30%;
• высвобождается место для размещения оборудования, груза и экипажа, то есть улучшена компоновочная схема танкера.

Управляемый электропривод

Постоянное напряжение широко применяется для обеспечения эффективного регулирования скорости электродвигателей.

С каждым годом управляемый электропривод всё больше проникает в те сферы, в которых раньше считалось достаточным применение обычного неуправляемого привода. Специалисты уверены, что сочетание инвертор плюс асинхронный (или вентильный) электродвигатель в ближайшем будущем будет всё больше теснить традиционные типы приводов. А для такого инверторного привода питание постоянным напряжением является естественным и наиболее эффективным.

Бытовая электротехника и электроника

Практически вся современная бытовая техника питается переменным напряжением. Однако почти в каждом современном электроприборе происходит преобразование переменного входного напряжения в постоянное. И именно последнее используется электронными схемами.

Очевидно, что у постоянного тока множество преимуществ перед переменным. Но всё же у такого способа питания оборудования есть целый ряд особенностей, которые необходимо учитывать при разработке топологии электрических цепей и при выборе защитных и коммутационных устройств.

Особенности цепей постоянного тока

1. Направление тока

Электрический ток, называемый «постоянным», имеет неизменные во времени значение и направление. Если рассматривать постоянный ток как прохождение элементарных электрических зарядов через определённую точку, то значение заряда (Q), протекающего через эту точку (а вернее, через поперечное сечение проводника) за единицу времени, будет неизменным.

В системах постоянного тока относительное направление тока имеет особую важность, поэтому необходимо присоединение нагрузки со строгим соблюдением полярности. Ошибки неотвратимо приводят к тяжёлым аварийным процессам. Например, если аккумуляторная батарея будет подключена к источнику с неправильной полярностью, произойдет её перегрев с дальнейшим закипанием электролита и последующим возможным разрушением ее корпуса, которое обычно носит взрывной характер. При питании обратной полярностью серьёзные повреждения могут так же возникнуть и во многих электронных цепях.

К полярности чувствительно не только электротехническое оборудование, но и аппараты защиты и коммутации, устанавливающиеся в распределительных щитах. Обычно для того, чтобы избежать ошибок при монтаже электросети, производители наносят на переднюю панель аппаратов специальную маркировку. «Надо понимать, что работа монтажника достаточно однообразна: в день они собирают десятки однотипных схем. Так что от неточностей, связанных с невнимательностью, не застрахованы даже профессионалы. Случается, что коммутационные аппараты подключают неправильно. В итоге подача напряжения на распределительный щит может закончиться возгоранием», – рассказывает Илья Лёшин, начальник измерительной лаборатории компании «Центроэлектромонтаж».

Описанная специалистом проблема была актуальна для постоянного тока в течение многих десятилетий. Но в последнее время на рынке появились устройства, не чувствительные к полярности приложенного напряжения благодаря особым конструкторским решениям. «Использование подобных аппаратов избавляет от множества проблем, – комментирует Алексей Кокорин, менеджер по группе изделий компании АББ, лидера в производстве силового оборудования и технологий для электроэнергетики и автоматизации. – Так, например, за счёт симметричной конструкции полюса выключатели-разъединители серии OTDC производства АББ не чувствительны к полярности приложенного напряжения. Их можно монтировать внутри щита как вертикально, так и горизонтально, подвод питания осуществляется сверху либо снизу».

2. Электрическая дуга

Одной из проблем, связанных с использованием аппаратов и переменного, и постоянного тока, является электрическая дуга. Она возникает между размыкающимися контактами из-за ионизации воздушного пространства между ними.

В выключателе переменного тока гашение дуги происходит при переходе значения переменного тока через ноль. После исчезновения разряда, во избежание его повторного появления, необходимо восстановить электрическую прочность воздушного дугового промежутка. Сделать это можно либо за счёт «принудительной» рекомбинации ионов и электронов, либо с помощью вывода из контактного промежутка заряженных частиц.

В цепях постоянного тока процесс происходит несколько иначе. В общем случае параметры дуги зависят от характеристик цепи, значения тока, а также параметров самой среды: температуры, давления, состава воздуха и т.п. Существует набор условий, при которых электрическая дуга при размыкании контактов в цепи постоянного тока может устойчиво гореть длительное время. Таким образом, для её гашения необходимо так изменить параметры процесса, чтобы не существовало точки устойчивого горения.

В аппаратах низкого напряжения применяется два решения: открытый разрыв и щелевые дугогасительные камеры. В первом случае дуга растягивается, допустим, с помощью электродинамических сил, одновременно охлаждаясь воздухом (способ применяется для токов до 5 кА и напряжений до 500 В). Во втором – дуга при помощи магнитного поля растягивается и попадает в узкую камеру, где охлаждается (применяется для токов до 90 кА).

«Часто эффективность работы дугогасительных механизмов, в которых задействованы магнитные или электродинамические силы, зависит от величины самого тока. При высоких значениях они справляются со своей задачей, но в некоторых случаях магнитных сил недостаточно, чтобы растянуть дугу до требуемой длины. Поэтому иногда аппараты дополняются, к примеру, постоянными магнитами, позволяющими расширить рабочий диапазон токов», – поясняет Алексей Кокорин (АББ). Схема, описанная специалистом, используется в аппаратах серии OTDC, где установлена дугогасительная решётка новой конструкции с удлинёнными пластинами специальной формы. В процессе гашения дуга изгибается в пространстве и растягивается. В то же время для увеличения падения напряжения на ней применяется принцип деионной решётки. Чтобы такой дугогасительный механизм эффективно работал как при низком, так и при высоком напряжении, в него были интегрированы дополнительные постоянные магниты. Их силы поля достаточно, чтобы перемещать дугу к решётке, даже если значения тока малы.

3. Размер защитных аппаратов должен быть минимальным

Цепи постоянного тока чаще всего применяются именно там, где важна компактность оборудования. «Габариты важны практически во всех отраслях, поскольку любое оборудование занимает дефицитные площади. Кроме того, есть сферы, где важен каждый кубический сантиметр: например, транспорт. При разработке оборудования наша компания уделяет его размерам особое внимание. Например, выключатели нагрузки серии OTDC работают с током 100-250 А при напряжении до 1000 В, имея при этом всего два полюса. Обычно для таких цепей применяются четырёхполюсные автоматические выключатели, имеющие почти в три раза большие габариты. Так как аппараты не чувствительны к полярности, дополнительную экономию места можно обеспечить за счёт удобного варианта размещения модулей в монтажном блоке (вертикально или горизонтально) как на шине, так и без нее, или благодаря более эргономичной подводке питания», – говорит Алексей Кокорин (АББ).

Хотя ещё полвека назад считалось, что постоянный ток окончательно сдал свои позиции, сегодня в рамках разговоров о повышении энергоэффективности систем электроснабжения всё чаще на повестке дня появляются проекты по строительству сетей DC. Переход промышленности на потребление постоянного тока потребует в первую очередь обновления оборудования и перестройки сложившейся культуры использования энергии. А правильный подбор коммутационной и защитной аппаратуры для цепей постоянного тока – первый шаг к использованию всех преимуществ подобных сетей.

Метки: Алексей Кокорин, война токов, защитные аппараты, Илья Лешин, компания АББ, ЛЭП низкого напряжения, переменный ток, постоянный ток, электрическая дуга, электропривод

Каковы преимущества и недостатки переменного и постоянного тока?

Преимущество постоянного тока — что именно на нём работает вся электроника. От зарядки для мобилы и кончая телевизором и компьютером. Даже для источников света в некоторых случаях — например, кинопроектор, даже домашний, — лучше постоянный ток, потому что при постоянном токе исключается мерцание ламп. Поэтому практически любое бытовое устройство начинается с выпрямителя и стабилизатора.

Преимушество переменношго тока вытекает из недостатка постоянного: меньше потери при передаче энергии на большие расстояния.

Для снижения потерь энергии в линиях электропередачи её выгоднее передавать на высоком напряжении (потому что передавать надо мощность, а она равна U*I; чем больше U, нем меньший I нужен для той же Р, а чем меньше ток — тем меньше потери на данном сопротивлении линии передачи). Но преобразовать постоянный ток одного напряжения в постоянный, но другого, более высокого, крайне сложно. Это можно, причём даже традиционными средствами (электромотор + генератор), но сложно и сопровождается дополнительными потерями. Поэтому линии передачи переменного тока куда проще, надёжнее и поэтому выгоднее, даже чисто по деньгам, а не только по киловаттам, чем ЛЭП постоянного тока.

Именно поэтому — из-за существенно более простых и более экономичных линий передачи — переменный ток и стал доминирующим. В истории противостояние между Т. Эдисоном, сторонником постоянного тока, и Н. Теслой, пионером и апологетом переменного, извесрно как «война токов». Выиграл её в итоге Тесла.

>русский автоматизированный параметрический электропривод яловеги

Рисунки к патенту РФ 2262791

Изобретение относится к электроприводам, а точнее к параметрическим электроприводам, частота вращения вала которых регулируется по напряжению, и к дизель-генераторным регулируемым приводам.

Предлагаемый автоматизированный параметрический электропривод может быть использован в качестве привода для роторного бурения, для измерения расхода жидкости в трубопроводах большого диаметра, для регулирования подачи насосов в магистральных трубопроводах нефти и воды и в качестве приводов различного назначения, где требуется обеспечить большую глубину регулирования при высоком пусковом моменте.

Широко известны дизель-генераторные электроприводы с исполнительными (тяговыми) электродвигателями постоянного тока на скоростных железнодорожных локомотивах, большегрузных самосвалах и других транспортных средствах (см. учебное пособие «Электрические машины», ч.2, авторы Д.Э.Брускин, А.Е.Зорохович, В.С.Хвостов, М., «Высшая школа», 1987 г. стр.293).

Дизель-генераторные электроприводы содержат первичный двигатель, как правило дизель, сопряженный с синхронным генератором переменного тока, полупроводниковый выпрямитель, исполнительный «компаундсериес», тяговый электродвигатель постоянного тока или блок коммутации, если от одного генератора питание подключается к нескольким исполнительным двигателям.

Для этих приводов в процессе эксплуатации, особенно в тяжелых климатических условиях Приполярья проблему составляет щеточно-коллекторный узел, при переохлаждении щетки крошится, выходя из строя, а при перегреве распухают и застревают в ярме.

На транспорте при высоких линейных скоростях между коллектором и щеткой возникает «круговой огонь» даже для платино-угольных щеток.

Шины большого поперечного сечения в статоре являются причиной перегрева исполнительного двигателя и низкого КПД, особенно в процессе трогания транспортного средства и движения с малыми скоростями.

Пожаробезопасность двигателей постоянного тока достигается сложными защитными конструкциями, что существенно повышает удельную массу звеньев, сопряженных с первичным двигателем.

Энергетический КПД звеньев, сопряженных с первичным двигателем, находится в пределах 15-20%.

Диапазон регулирования частоты вращения вала электродвигателя составляет 1:5. Более низкая частота вращения не допускается «круговым огнем» коллектора. На низких оборотах у тягового двигателя мал вращающий момент и тяговая сила.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому результату является автоматизированный параметрический электропривод, разработанный «ВНИИЭлектропривод» и Московским опытным заводом «Агрегат» (см. технический паспорт на Комплектный параметрический электропривод типа КПЭ-5.5-850-1Р44УХЛЗ ИЖТП.654223.003-12ПС, 1988 г.).

Комплектный автоматизированный параметрический электропривод содержит исполнительный электродвигатель переменного тока с короткозамкнутым ротором и статором, обмотки которого имеют три вывода для подключения к трехфазному источнику питания.

Вал исполнительного электродвигателя механически связан с валом рабочей машины, имеющей магистрали рабочего тела.

Автоматизированный параметрический электропривод выполнен на базе тиристорных устройств управления и асинхронного двигателя с параметрическим управлением (КПЭ) в виде трехфазного асинхронного электродвигателя, ротор которого выполнен в виде «каленой трубы» с высоким омическим сопротивлением или шихтованным с шинами с высоким омическим сопротивлением. Электродвигатель снабжен дополнительно независимым вентилятором для охлаждения его от чрезмерного перегрева.

Например, двигатель КПЭ-5,5, мощностью 5,5 кВт имеет привод вентилятора принудительного охлаждения, мощностью 0,25 кВт. Технические характеристики, содержащиеся в паспорте КПЭ, приводятся в таблице 1.

КПД двигателей в процессе регулирования не превышает 8%, а ток холостого хода 24 А, что при пуске достигает 168 А.

Масса электродвигателя, как видно из таблицы 1, равна 160 кг.

Таблица 1 Основные технические данные комплектных параметрических электроприводов
Тип привода	Диапазон регулирования частоты вращения	При номинальной частоте вращения
		мощность Р Н	коэффициент мощности cos Н	масса
	мин-1	кВт	—	кг
КПЭ-4-1350-1Р44УХЛЗ	135…1350	4,0	0,40	80
КПЭ-5,5-1350-		5,5	0,45	160
КПЭ-7,5-1350		7,5	0,50	200
КПЭ-11-1350		11,0	0,50	200

Тип привода	Диапазон регулирования частоты вращения	При номинальной частоте вращения
		мощность Р Н	коэффициент мощности cos H	масса
	мин-1	кВт	—	кг
КПЭ-15-1350-		15,0	0,50	300
КПЭ-18,5-1350-		18,5	0,50	350
КПЭ-2,5-850-1Р44-УХЛЗ	85…850	2,5	0,50	80
КПЭ-5,5-850-		5,5	0,47	100
КПЭ-7,5-850		7,5	0,49	200
КПЗ-10-850		10,0	0,45	300
КПЭ-13-850		13,0	0,50	350

Для всех приводов ошибка по управляющему и возмущающему воздействию не более 10%, максимальная величина перерегулирования не более 20%.

Наиболее существенными недостатками известного привода являются низкие энергетические показатели (КПД, cos ) и интенсивный нагрев исполнительного электродвигателя.

Наличие мощного привода вентилятора принудительного охлаждения в качестве дополнительных обязательных систем защиты от перегрева, имеющих большие массы и габариты, увеличивает габаритно-весовые характеристики, усложняет систему охлаждения и конструкцию в целом.

Использование тиристорных устройств типа ТСУ отрицательно сказывается на надежности.

Не менее существенным недостатком известного электропривода является ограниченность диапазона регулирования частоты вращения вала исполнительного электродвигателя, особенно на низких оборотах. Это ограничение вызвано возможным «опрокидыванием» асинхронного двигателя в связи с резким падением момента на его валу и значительным ростом тока в обмотках статора, что может привести к возгоранию, если не сработает защита.

В основу изобретения положена задача создания автоматизированного параметрического электропривода с усовершенствованной механической характеристикой исполнительного электродвигателя за счет устранения зоны неустойчивой работы и увеличения пускового момента на его валу, что позволяет в режиме нагрузок, резко отличающихся от номинальных (разгоны, торможения, работа на пониженных оборотах, реверсирование), и при падении напряжения питания на исполнительном электродвигателе более чем на 30% от номинального обеспечить широкий диапазон регулирования частоты вращения вала (от 0 об/мин до синхронной частоты) при сохранении высокого энергетического КПД, обеспечение любой мощности привода, вплоть до МВт, и высоких энергосберегающих свойств.

Это достигается тем, что в электроприводе, названном автоматизированный параметрический электропривод Яловеги (РПЭЯ), содержащем по меньшей мере один исполнительный электродвигатель переменного тока с короткозамкнутым ротором и статором, обмотки которого имеют три вывода для подключения к трехфазному источнику питания, при этом вал исполнительного электродвигателя механически связан с валом рабочей машины, согласно изобретению, в качестве трехфазного источника питания использован трехфазный генератор, три вывода которого электрически связаны с тремя выводами обмоток исполнительного электродвигателя, вал трехфазного генератора механически связан с валом первичного двигателя, например дизеля или электродвигателя, а обмотки индуктора генератора через автоматизированную систему электрически связаны по меньшей меньшей мере с одним датчиком параметра, установленным на соответствующем объекте регулирования, при этом автоматизированная система содержит выпрямитель, выполненный с возможностью изменения параметров постоянного тока от управляющего сигнала, выход которого подключен к выводам обмоток индуктора, устройство сравнения, формирующее управляющий сигнал, выход которого соединен со входом выпрямителя, а входы — с задатчиком и датчиком регулируемого параметра, который установлен на объекте регулирования.

В качестве исполнительного электродвигателя для минимизации себестоимости и существенного улучшения свойств по сравнению с асинхронным или компаундированным сериесным электродвигателем постоянного тока используется металлоконструкция стандартного трехфазного асинхронного электродвигателя, в статорных пазах которого расположены две независимые обмотки, одна из которых соединена по схеме звезда, другая по схеме треугольник, по известной схеме РПЭЯ (патент USA №5559385 от 24.09.1996 г.).

В качестве источника питания используют стандартный трехфазный синхронный генератор, управляемый автоматизированной системой с полупроводниковым выпрямителем на выходе, который питает (постоянным током) индуктор генератора через контактные кольца. Датчиком регулируемого параметра служит, например, тахогенератор, связанный непосредственно с валом исполнительного электродвигателя.

В качестве первичного двигателя могут быть: регулируемый РПЭЯ, питаемый от трехфазной сети, дизельный двигатель или двигатель иной категории.

Возможны различные варианты выполнения РПЭЯ, например датчик регулируемого параметра может быть установлен на исполнительном двигателе и механически связан с его валом для регистрации частоты вращения.

Кроме того, датчик регулируемого параметра может быть установлен на рабочей машине и механически связан с ее валом. Возможен вариант выполнения, когда вал трехфазного генератора механически связан с валом дизеля, снабженного средством регулирования частоты его вращения, а датчик параметра установлен на исполнительном двигателе и выполнен в виде датчика тока обмоток его статора.

Целесообразно при использовании нескольких исполнительных электродвигателей переменного тока в случае группового привода, например при пуске и частичном отключении в стационарном движении, выводы трехфазного генератора электрически связаны с выводами обмоток электродвигателей через блок коммутации.

Датчик регулируемого параметра может быть установлен на магистрали рабочего тела рабочей машины для контроля таких параметров рабочего тела как, например, давление, температура, вязкость, газонасыщенность.

Технологично валы всех звеньев сочленять между собой посредством шарнирно — сдвоенной муфты, служащей одновременно виброударозащитным устройством.

В дальнейшем изобретение поясняется описанием конкретных примеров выполнения и прилагаемыми чертежами, на которых:

фиг.1 изображает условно функциональную схему автоматизированного параметрического электропривода согласно изобретению, в одном варианте выполнения;

фиг.2 — условно функциональную схему автоматизированного параметрического электропривода согласно изобретению, в другом варианте выполнения;

фиг.3 — показан внешний вид предложенного параметрического электродвигателя Яловеги (РПЭЯ) и его габариты по сравнению с известными конструктивными решениями.

Рассмотрим функциональную схему предложенного электропривода, изображенную на фиг.1, где рабочей машиной служит мощный центробежный насос 1 в составе транспортной магистрали нефти или иной жидкости, соединенный шарнирно-сдвоенной муфтой 2, имеющей двенадцать степеней подвижности, которая служит еще и виброударозащитным звеном (см. патент РФ №2155887). Она предназначена для передачи насосу 1 исполнительным электродвигателем 3 вращающего момента без искажения по форме и времени, нейтрализуя негативные воздействия сопряженных звеньев структурной схемы предлагаемого электропривода.

Вал исполнительного двигателя 3 соединен с тахогенератором 4 (датчиком регулируемого параметра) стандартной конструкции, который подает на устройство сравнения 5 сигнал обратной связи от вращения вала двигателя 3. На устройство сравнения 5 подается также сигнал Y от задатчика.

Электропривод снабжен первичным двигателем 6, вал которого через собственную шарнирно-сдвоенную муфту 7 механически связан с валом трехфазного генератора 8, три вывода которого электрически связаны с тремя выводами обмоток статора исполнительного двигателя 3.

В пазах статора исполнительного электродвигателя 3 переменного тока с короткозамкнутым ротором размещены две независимые трехфазные обмотки, одна из которых соединена по схеме треугольник, а вторая — по схеме звезда. Обмотки снабжены тремя выводами для подключения к трехфазному источнику питания, которым служит трехфазный генератор 8, выводы обмоток индуктора 9 которого соединены с выходами выпрямителя 10, выполненного в виде полупроводникового преобразователя тока, на вход которого поступает управляющий сигнал.

Входы устройства 5 сравнения, формирующего управляющий сигнал, соединены с задатчиком и датчиками регулируемого параметра, одним из которых является тахогенератор 4. Другие датчики 11 и 12 могут быть установлены на магистрали рабочего тела, в данном примере на транспортной магистрали жидкости, для контроля параметров этой жидкости, например, давления, температуры, вязкости, газонасыщенности и других параметров.

Кроме того, датчик регулируемого параметра может быть механически связан с валом насоса 1 для регистрации частоты его вращения (не показан).

Использование предлагаемого Автоматизированного Параметрического электропривода Яловеги имеет большое подмножество вариантов. Например, на фиг.2 показан вариант использования привода для роторного бурения, когда в качестве первичного двигателя 6 применен дизельный двигатель, вращающий генератор 8 и связанный с ним защитной муфтой 7. Контактные кольца индуктора 9 соединены, как и в предыдущей схеме фиг.1, с выпрямителем 10 автоматизированной системы управления. Обратная связь формируется с помощью тахогенератора 4, жестко соединенного с валом исполнительного двигателя 3, который приводит в действие стол 13, сквозь который проходит прямоугольная буровая штанга 14.

Эта система имеет высокий КПД по энергоносителю и обладает полной автономией энергоснабжения.

Кроме того, с помощью регулирования дизельного двигателя можно использовать частотный метод регулирования исполнительного электродвигателя.

При этом дизель снабжен средством регулирования частоты вращения вала, а датчик параметра установлен на исполнительном двигателе и выполнен в виде датчика тока обмоток его статора.

Автоматизированный Параметрический электропривод Яловеги функционирует следующим образом.

Первичный двигатель 6, например РПЭЯ, задает частоту вращения вала генератора 8, например 50 Гц. Задающий сигнал Y и сигнал от тахогенератора 4 в устройстве 5 формируют сигнал воздействия на усилитель полупроводникового преобразователя-выпрямителя 10, который формирует линейное напряжение постоянного тока в трех фазах синхронного генератора 8. Напряжение, приложенное к вводам обмоток исполнительного электродвигателя 3, определяет частоту вращения вала и колеса центробежного насоса 1. Управляющее воздействие устройства 5 сравнения от задатчика задает частоту вращения колеса насоса 1, начиная с наименьшего значения, например с двух оборотов в минуту. Плавно, в течение заданного интервала времени переходного процесса, например 10-20 мин, исполнительный электродвигатель 3 допускает любую заданную частоту вращения вала предельной и жестко регулируемой. Пятикратная перегрузка на валу РПЭЯ не изменяет заданную частоту вращения вала. РПЭЯ регулируется и по частоте тока. С помощью первичного двигателя 6 можно задать частоту тока генератора 8, в принципе 50-55-60-65 Гц, если позволяет механическая прочность насоса 1 и других вращающихся валов и их агрегатов.

Автоматизированный электропривод имеет большую глубину регулирования, имеет большой пусковой момент, поэтому является еще и энергосберегающей системой. Об этом свидетельствует большой энергетический КПД в процессе регулирования частоты вращения вала исполнительного электродвигателя. Энергетический КПД привода без учета объекта управления — центробежного насоса или иной категории нагрузки, в номинальном режиме равен 0,85. В примере использован РПЭЯ, полученный из асинхронного электродвигателя А4-400Х-4УЗ, мощностью 500 кВт, модернизированного по схеме РПЭЯ. В результате замены только обмотки статора повышена мощность на 30%, расход электротехнической стали снижен на 250 кг. Пусковой момент повышен в 4 раза. Следовательно, в процессе проектирования нет надобности завышать мощность двигателя в 2,5-3 раза, снижая КПД в 3 раза от максимального паспортного.

В изобретении предлагается использование защитной муфты ШСМ (патент РФ №2155887 от 10.09.2000 г.), продлевающей срок службы механизмов и машин вдвое.

Предложенный электропривод имеет диапазон регулирования частоты вращения вала от 0 об/мин до синхронной частоты, обладает высоким энергетическим КПД, большой мощностью, вплоть до МВт, высоким пусковым моментом, энергосберегающим свойством.

Кроме того, электропривод обладает высокой надежностью, минимальной удельной массой на кВт мощности и низкими эксплуатационными затратами. При технической реализации предложенного РПЭЯ можно использовать металлоконструкцию стандартного трехфазного электродвигателя с короткозамкнутым ротором.

Далее приведен сопоставительный анализ свойств предложенного РПЭЯ по сравнению с известными решениями:

— Регулируется по амплитуде напряжения при неизменной частоте тока, на глубину 1:2900, а известный двигатель постоянного тока, компаундированный сериес: 1:5. К тому же на пониженных оборотах снижает КПД и вращающий момент.

— РПЭЯ имеет благоприятную механическую характеристику: 2/3 верхней части от синхронной скорости — характеристика интегрирующего звена, остальная часть — тяговая с пусковым моментом в 3-4 раз больше, чем у асинхронного двигателя (АД). Испытания показали, что с обратной связью по частоте вращения исполнительного электродвигателя пятикратное изменение нагрузки не изменили заданного значения числа оборотов ни на одну единицу. Компаундированный сериесный тяговый электродвигатель вообще не допускает обратную связь.

— Предлагаемый параметрический электропривод в 5 и более раз эффективнее асинхронного нерегулируемого электропривода или тягового с компаундированным сериесным электродвигателем постоянного тока использует электрическую энергию от сети на длительном интервале времени (60 суток). Неоднократно проверялось путем прямых измерений.

— Пусковой ток у РПЭЯ в 2,5 раза меньше, чем у асинхронного, и значительно меньше, чем у компаундированного сериесного. Благодаря этому свойству надежность в процессе эксплуатации у РПЭЯ на порядок выше, чем у любого иного электродвигателя.

— Соединение валов звеньев у предлагаемого электропривода производится с помощью специальной муфты ШСМ (патент РФ №2155887), которая гасит взаимные толчки и вибрацию, передавая вращающий момент без механических помех. Увеличивает интервал времени между ремонтами.

— В отличие от электроприводов постоянного тока предлагаемый не генерирует мощных помех радиоприему и электронным системам на борту транспортного средства.

— Статор РПЭЯ монтируется более тонкими проводами, чем АД аналогичной мощности, однако пусковой момент имеет не меньше, чем у компаунд-сериесного тягового электродвигателя. В составе обмоток статора нет толстых шин, которые при полной нагрузке снижают энергетический КПД до 15% (Пуск).

— Параметрический электродвигатель Яловеги имеет себестоимость производства в 4-5 раз меньше, чем производство компаунд-сериесного тягового электродвигателя.

— Автоматизированный Параметрический электропривод для скоростного транспорта имеет массу в 5 раз меньше известных электроприводов. Пожаробезопасен и не имеет щеточно-коллекторных проблем в условиях Заполярья. На фиг.3 приведены фотографии двух КПЭ мощностью 5,5 кВт каждый (справа) и один двигатель РПЭ Яловеги (слева), мощностью 18 кВт и КПД 92%. Ниже на фото показана тиристорная система управления типа ТСУ с блоком коммутации.

— С целью минимизации себестоимости и получения существенного улучшения свойств исполнительного двигателя по сравнению с асинхронным или компаундированным сериесным электродвигателем постоянного тока используется полностью металлоконструкция асинхронного, трехфазного с короткозамкнутым ротором электродвигателя (АД).

Простейшая модернизация производится путем замены традиционной трехфазной обмотки статора на шестифазную обмотку РПЭЯ, включаемую в стандартную трехфазную сеть. Несколько более сложная модернизация предполагает формирование новой конструкции ротора, которая даст прибавку мощности 75%. Разработка РПЭЯ полностью по полной программе новой теории позволяет удвоить мощность без перегрева электродвигателя.

В таблице 2 показаны свойства АД мощностью 500 кВт, приобретенные им после простейшей модернизации по схеме РПЭЯ.

Предлагаемый Русский Автоматизированный Параметрический привод Яловеги преимущественно может быть применен в качестве привода для роторного бурения, для измерения расхода жидкости в трубопроводах большого диаметра (2 м и более), регулирования подачи насосов, например, в магистральных трубопроводах нефти и воды.

Тарирование крупного центробежного насоса с таким приводом можно производить на воде в лабораторных условиях до постановки в магистраль. Измерение расхода воды или особенно нефти в больших магистральных трубопроводах ранее известными методами индикации ведется с большой погрешностью, 10% и более.

Предлагаемый привод позволяет тарировать расход по частоте вращения вала с точностью до 1%. Кроме того, дозирование расхода нефти может быть произведено в пределах от 0 до максимального значения подачи насоса в любой точке.

Привод является универсальным и может найти применение в качестве приводов различного назначения, где требуется обеспечить большую глубину регулирования при высоком пусковом моменте.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Автоматизированный параметрический электропривод, содержащий по меньшей мере один исполнительный электродвигатель переменного тока с короткозамкнутым ротором и статором, обмотки которого имеют три вывода для подключения к трехфазному источнику питания, при этом вал исполнительного электродвигателя механически связан с валом рабочей машины, отличающийся тем, что в качестве трехфазного источника питания электропривод снабжен трехфазным генератором, три вывода которого электрически связаны с тремя выводами двух независимых обмоток исполнительного электродвигателя одна из которых соединена по схеме треугольник, а вторая по схеме звезда, вал трехфазного генератора механически связан с валом первичного двигателя, например дизеля или электродвигателя, а обмотки индуктора генератора через автоматизированную систему электрически связаны по меньшей мере с одним датчиком параметра, установленным на соответствующем объекте регулирования, при этом автоматизированная система содержит выпрямитель, выполненный с возможностью изменения параметров постоянного тока от управляющего сигнала, выход которого подключен к выводам обмоток индуктора, и устройство сравнения, формирующее управляющий сигнал, выход которого соединен со входом выпрямителя, а входы — с задатчиком и датчиком регулируемого параметра, который установлен на объекте регулирования.

2. Электропривод по п.1, отличающийся тем, что датчик регулируемого параметра установлен на исполнительном двигателе и механически связан с его валом для регистрации частоты вращения.

3. Электропривод по п.1, отличающийся тем, что датчик регулируемого параметра установлен на рабочей машине и механически связан с ее валом для регистрации частоты вращения.

4. Электропривод по п.1, отличающийся тем, что датчик регулируемого параметра установлен на магистрали рабочего тела рабочей машины для контроля параметра рабочего тела, например, давления, температуры, вязкости, газонасыщенности.

5. Электропривод по п.1, отличающийся тем, что вал трехфазного генератора механически связан с валом дизеля, снабженного средством регулирования частоты его вращения, а датчик параметра установлен на исполнительном двигателе и выполнен в виде датчика тока обмоток его статора.

6. Электропривод по п.1, отличающийся тем, что при использовании нескольких исполнительных электродвигателей переменного тока в случае группового привода, например, при пуске и частичном отключении в стационарном движении, выводы трехфазного генератора электрически связаны с выводами обмоток электродвигателей через блок коммутации.

7. Электропривод по любому из пп.2-6, отличающийся тем, что валы всех звеньев механически связаны между собой посредством шарнирно-сдвоенной муфты, являющейся виброударозащитным устройством.