Развој на асинхрониот мотор од Тесла до денес (2) | Милан Чундев и Слободан Мирчевски | МАКО СИГРЕ 2007 A1-03R – јавен домен

КУСА СОДРЖИНА
1 ВОВЕД
2 УСЛОВИ ПРИ ОТКРИТИЕТО НА АМ
3 ТЕСЛИНОТО ОТКРИТИЕ НА АСИНХРОНИОТ МОТОР
4 АКТУЕЛНИ СОСТОЈБИ ВО УПОТРЕБАТА НА АСИНХРОН МОТОР
4.1 Проектирање на асинхрон мотор
4.2 Примена на енергетска електроника
4.3 Системи на управување
5 ЗАКЛУЧОК
6 ЛИТЕРАТУРА

4 АКТУЕЛНИ СОСТОЈБИ ВО УПОТРЕБАТА НА АСИНХРОН МОТОР
4.1 Проектирање на асинхрон мотор

Од теоријата на електричните машини е познато дека секој асинхрон мотор се состои од пет взаемно зависни системи: електричен систем, магнетен систем, изолационен систем, разладен систем и механички систем. При проектирањето на асинхрониот мотор, потребно е да се изврши пресметка на карактеристичните големини на секој од овие системи, да се изврши избор на најсовремен материјал и да се изврши правилно димензионирање на елементите на поедините системи.

Кога Никола Тесла го открил асинхрониот мотор не биле познати принципите на проектирање на електричните машини. Се одело на производство на прототипови, по принципот на проба. Затоа машините биле гломазни, во почеток со 400 [kg/HP], за да понатаму масата се намалува, како што е прикажано во Табела 1, [3], [10], [11], [12].

Табела 1) Развој на асинхрон мотор AEG 4 kW, 2p=4, до 1954 според [3], до 2000 според [10]

Во триесетите години на минатиот век е развиена класичната теорија за проектирањето на електрични машини. Според неа се дефинираат три најзначајни специфични оптоварувања на асинхрониот мотор: специфичното електрично оптоварување дефинирано преку струјното оптоварување А (1-8) 10^4 [A/m], специфичното магнетно оптоварување дефинирано преку магнетната индукција во воздушниот зјај В (0,9-1,2) [T] и специфичното механичко оптоварување дефинирано преку брзината на вртење на роторот n (за 50 Hz според бројт чифтови полови 2р најчесто во дијапазон (250-3000) [1/min]). Напредокот во квалитетот на материјалите е евидентен. Ако првите динамо лимови имале загуби од 10 [W/kg] при индукција од 1 [Т], денес имаме помали вредности од 1 [W/kg]. Изолацијата значително напредува, така да денес вообичаена класа на изолација е „F“ (надтемпература 100 С). Поради високите прекинувачки фреквенции во инверторите, зголемените du/dt и di/dt напрегања се очекува премин кон класа на изолација „H“. Начините на ладење постојано се усовршуваат и се користат како начин за подигање на моќноста, [12].

Со развојот на комјутерите се развиваат многу нумерички методи во проектирањето на електричните машини: методот на конечни диференци (1970 година), методот на конечни елементи во дводимензионален простор (1980), методот на конечни елементи во тридимензионален простор (1990) со чија помош се врши уточнување на распределбата на магнетната индукција. Со примена на овие методи се врши правилно димензионирање на магнетното коло на машината [14].

Со развојот на денешните компјутери, се повеќе се користат и методи за оптимално проектирање на асинхроните мотори. Како еден од најчесто применуваните методи за оптимално проектирање е примената на стохастичкиот метод на генетски алгоритам. Во процесот на оптимирањето на асинхрониот мотор, стохастичките алгоритми работат со огромен број комбинации на параметри, при што, користејќи ги еволутивните принципи вршат селекција, односно елиминација на полоши и избор на подобри решенија. Генетскиот алгоритам се дефинира како компјутерски базирани рутини за оптимирање, кои ги поврзуваат еволутивното учење со генетските принципи вкрстување, селекција, мутација и повторување. При користењето на овој метод, најнапред е потребно да се избере целна функција. Се препорачува како целна функција да се избере коефициентот на полезно дејствие на моторот. Бидејќи проблемот на оптимално проектирање на асинхрониот мотор во овој случај претставува максимизирачки проблем, за таа цел неопходно е програмот на генетскиот алгоритам да биде дефиниран за определување на максимална вредност на коефициентот на полезно дејствие на асинхрониот мотор. Како во целната функција влегуваат сите параметри на асинхрониот мотор, потребно е да се дефинира и опсегот, односно долната и горната гранична вредност на секој од параметрите поединечно. Исто така потребно е да се определи бројот на генерации и бројот на хромозоми во една популација. При тоа бројот на генерации треба да е што е можно поголем со што точноста ќе биде поголема при оптималното проектирање на асинхрониот мотор. Со ова се зголемува енергетската ефикасност на моторот [14].

4.2 Примена на енергетска електроника

Развојот на асинхроните мотори со променлива брзина е снажно потикнат од енергетските преобразувачи на напон и фреквенција и истражувањата на технологијата на дискретните целосно управливи компоненти на моќност, интеграцијата на електричните кола и изработката на модули [13].

Во Табела 2 е претставени карактеристиките (врвен напон, максимална струја и прекинувачка фреквенција) на некои често употребувани енергетски полупроводнички компоненти – тиристор (SCR), брз тиристор, транзистор, MOSFET, IGBT, GTO [12], [13].

Табела 2) Карактеристики на енергетски полупроводнички компоненти

Од компонентите кои се наоѓаат во почетна фаза на развој, најголем предизвик за сите произведувачи претставуваат MCT тиристорите (MOS controlled thyristors). На пазарот се наоѓаат МСТ тиристори 600/1200 V, 60 А ефективна вредност. Перспективите на полупроводничките компоненти со нова генерација материјали (GaAs, SiC, дијамант) овде не се разгледуваат.

Во употреба се главно два вида енергетски преобразувачи на напон и фреквенција – индиректни (со еднонасочно меѓуколо) и директни. Се очекува стандардната топологија на индиректниот преобразувач да има широка примена во блиска иднина, поради најповолниот однос перформанси/цена. Примената е за различни апликации на едномоторни и повеќемоторни погони, со моќности од 10^2 – 10^7 [W], со исправувач во 6 или 12 пулсен режим на работа и излезна фреквенција најчесто во подрачјето 100-200 Hz. Oваа топологија не се очекува битно да се менува. На слика 4 e претставен преглед на присуството на пазарот на различните видови енергетски преобразувачи [13].

Треба да се одбележи дека развојот на погони со асинхрони мотори со променлива брзина е скапа инвестиција, која денес може да си ја дозволат само најразвиените. На пр., ABB дава податок дека во развојот на директна регулација на моментот (Direct Torque Control-DTC) биле вклучени над 100 човек/година инженерски кадар повеќе од 5 години.

4.3 Системи на управување

Управувањето на погонот со асинхрон мотор многу зависи од видот на работната машина и нејзината намена. Погоните најопшто може да се поделат за општа намена (кои се сса 90%), специјални погони (со високи перформанси) и за големи моќности во индустријата, производството на електрична енергија и влечата. Погоните за општа намена се едномоторни или повеќемоторни, користат преобразувачи на фреквенција со втиснат напон и имаат скаларно управување, нпр. за константен статички момент според законот U/f=const. Специјалните погони се употребуваат обично како едномоторни и се изведуваат со векторско управување. Погоните со големи моќности исто така воглавно имаат векторско управување. На Слика 5 е даден преглед на скаларното и векторското управување. Може да се забележи дека индустријата го има прифатено едноставното и економично скаларно управување за погоните со мали моќности и ниски перформанси. Од друга страна, векторското управување кое е овозможено со развојот на микропроцесорите и дигиталните сигнал процесори DSP засега е поретко применувано кај скапи погони со високи перформанси. Ова управување веќе ги надминува квалитетите на регулираниот погон со еднонасочен мотор со независна возбуда [12], [13].

Во управувањето на електромоторните погони неминовно, според барањата се вградуваат и различни адаптивни методи, како самоподесувачка регулација (selftuning regulation STR), системите со променлива структура (variable structure system VSS), модел на референтно адаптивно управување (model referencing adaptive control MRAC) и модели на робусно управување. Од неодамна и техниките на вештачката интелигенција – експертни системи (expert system), неизвесната (fuzzy) логика и вештачките невронски мрежи (artifical neural network ANN) се вградуваат и многу ветуваат за интелигентното адаптивно управување и естимација на погоните. Овој напредок се должи на микропроцесорската технологија, примената на специфични интегрирани кола (application specific integrated circuit ASIC) и примената на дигитални сигнални процесори (DSP).

Денес повеќе фирми произведуваат DSP за асинхрони мотори, но најпопуларни се Analog Devices со серијата ADMC-3xx и ADMC-401 и Texas Instruments со TMS320F243 и TMS320F241, базирани на контролерот од генерацијата TMS320Cxx. Други фирми (Hitachi H8/300, SH 1,2 серија, Motorola 68H908MR24, Mitsubishi M30624FG, ABB ICMC-IA613A итн.) произведуваат микроконтролери кои се интересни за примена во управувањето на наизменични електромоторни погони. Цената на DSP со фиксна точка, кои се наоѓаат на пазарот изнесува помалку од 5 USD.

Може да се заклучи дека различните производители нудат DSP со слични карактеристики. Ограничувањата се однесуваат на меморијата на чипот и перифериските можности.

5 ЗАКЛУЧОК

Асинхрониот мотор, слично како и тркалото, е изум за секогаш. Со времето на употреба
постојано се усовршува и шири во примената. Тесла го открил асинхрониот мотор и ги предвидел насоките за неговиот развој (има патенти и од подрачјата за изолација и ладење на електрични машини).

Асинхрониот мотор е редок пример каде еден пронаоѓач, Никола Тесла, од идеа (Грац 1875 година) дошол до реализација на сериско производство (Питсбург 1889). Но мора да се нагласи дека тој процес траел 15 – тина години.

Развојот на асинхрониот мотор е резултат на општиот технолошки прогрес, како тоа што се случува во автомобилската, авионската индустрија и сл. Резултатот е во намалување на габаритот, времето на изработка, со истовремено подигање на квалитетот на производот и зголемување на векот на употреба. Затоа асинхрониот мотор е убедливо најефтиниот мотор воопшто. Денес како императив во производството на асинхрониот мотор се наметнува енергетската ефикасност, бидејќи во погоните со асинхрони мотори во развиените земји се троши сса 40% од произведената електрична енергија.

Употребата на асинхрониот мотор денес е тесно поврзана со употребата на енергетската електроника и современите системи на управување. Така асинхрониот мотор ги шири подрачјата на примена и ги заменува еднонасочните мотори во погоните со променлива брзина на вртење. Поради тоа се неопходни подобрувања во неговата конструкција, употреба на квалитетни електрични и магнетни материјали, подигање на класата на изолација, поквалитетно ладење за мали брзини, користење лежишта за поширок дијапазон на брзини и сл.

6 ЛИТЕРАТУРА

[1] N. Tesla, My Inventions (Moji pronalasci), Školska knjiga, Zagreb, 1984.
[2] T. Bosanac, Pogovor (Moji pronalasci), Školska knjiga, Zagreb, 1984.
[3] A. Dolenc, Nikola Tesla i razvoj elektrotehnike jake struje, Elektrotehnički vesnik br. 9-10 (str.239-248), Ljubljana, 1956.
[4] Aleksandar Damjanović, Proslava stogodinjice rođenja Nikole Tesle, Elektrotehnički vesnik br. 9-10, str. 233-239, Ljubljana, 1956.
[5] B. Drury, The Control Techniques Drives and Controls Handbook, The Institution of Electrical Engineers, London, 2001.
[6] T. Kenjo, Electric Motors and their Controls, Oxford University Press, 1999.
[7] The U. S. Patents of Nikola Tesla (Freely available at the U. S. Patent and Trademark Office).
[8] V. Muljević, Nikola Tesla slavni izumitelj, Zagreb, 2000.
[9] John J. O Neill, Prodigal Genius, The Life of Nikola Tesla (извадоци), New York, 1944 (превод), Elektrotehni~ar br.1 (godina III), str. 4-11, 1949.
[10] N. Srb, Elektromotori (priručnik), Rade Končar, Zagreb, 1980.
[11] E. L. Owen, Evolution of Induction Motors – The Ever – Shrinking Motor, IEEE Industry Applications Magazine, January/February 1977.
[12] С. Мирчевски, З. Андонов, Актуелни состојби во електромоторните погони, 4 Советување Мако CIGRE, Охрид, 26-29 септември 2004.
[13] E. Lajoie- Mazenc, D. Pratmarty, Europrean Market of AC – adjustable speed drives, 93NR00071 EDF, 1993.
[14] M. Cundev, L. Petkovska, V. Stoilkov, Actual CAD Trends Based upon Postprocessing in 3 D FEM, 3as Jornadas Hispano – Lusas de Ingenieria Electrica, p.p. 391 – 397, Barcelona, Espania, 1993.

Кон првиот дел

Извор: МАКО СИГРЕ