На производстве в машиностроении, энергетике, строительстве и металлургии используют синхронные двигатели. Они преобразуют электричество в механическую энергию. Их применяют, например, в угольных и цементных мельницах, насосных и вентиляционных установках, подъемно-транспортных машинах и конвейерах. Существующие регуляторы не обладают достаточным быстродействием. Ученые ПНИПУ предлагают заменить их на финитные, которые позволяют добиться более высоких показателей качества и оптимизировать производственные процессы.
Исследование опубликовано в журнале «Электротехника», №11 за 2023 год. Разработка проведена в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».
Электродвигатели состоят из двух главных элементов — ротора, вращающейся части двигателя, и неподвижного статора. Ротор находится внутри статора. При подаче напряжения возникает электромагнитное поле, которое приводит его в движение, запускает процесс преобразования энергии в действие. По принципу работы выделяют синхронные и асинхронные электродвигатели.
Асинхронные считаются надежными и долговечными, их поломки обычно возникают из-за износа деталей или короткого замыкания. Если это случается, то приходится останавливать производственный процесс, детали обходятся дорого, менять их на крупногабаритном двигателе сложно.
Синхронные двигатели с постоянными магнитами набирают популярность и могут эффективно работать в сочетании с насосами, компрессорами, дробилками, вентиляторами, конвейерными лентами, системами отопления и вентиляции. Их преимущества заметны в оборудовании, которое работает при динамических нагрузках или на низких скоростях. Применение таких двигателей сокращает износ деталей и простои из-за ремонта или техобслуживания.
Именно поэтому пермские политехники выбрали для исследования наиболее распространенный синхронный двигатель с постоянными магнитами. Ученые предлагают использовать финитные регуляторы (от фр. finit – «конец», «завершать»). Они помогают плавно и быстро отрегулировать параметр из начальной стадии в нужную конечную.
Финитные регуляторы по сравнению, например, с векторной системой управления, не требуют применения дорогостоящих аппаратов с большой вычислительной мощностью, которые увеличивают время внесения изменений в работу двигателя. Для некоторых технологических процессов требуется максимальное быстродействие. Это позволяет использовать такие регуляторы для станков ЧПУ (с числовым программным управлением), с помощью которых обрабатывают металлы, дерево и пластмассы.
Ученые ПНИПУ сравнили две этих системы управления двигателем и рассмотрели их основные характеристики: ток и напряжение статора (неподвижной части), скорость вращения и положение вала электродвигателя.
— Для выбранного синхронного двигателя с постоянными магнитами минимальное время, за которое регулируемый показатель перейдет из начального состояния в нужное, в векторной системе составило 0,66 секунды, a в системе управления с финитным регулятором — 0,33 секунды. То есть система с финитным регулятором вдвое быстрее, — рассказывает инженер кафедры микропроцессорных средств автоматизации Пермского Политеха Ростислав Юдин.
Ученые ПНИПУ предлагают использовать электродвигатели с финитным регулятором, потому что они эффективнее и могут применяться в технологических процессах, которые требуют максимального быстродействия. Это позволит предотвратить преждевременный износ деталей и повысить качество работы двигателя и уменьшить расход электроэнергии.
Для справки:
Пермский Политех стал обладателем гранта «Приоритет 2030» в 2021 году. Его размер составил 100 млн. рублей. «Приоритет 2030» является самой масштабной в истории России программой государственной поддержки и развития высших учебных заведений. Ее цель — формирование к 2030 году в России более 100 прогрессивных современных университетов, которые станут центрами научно-технологического и социально-экономического развития страны. Всего комиссия Минобрнауки РФ включила в программу «Приоритет 2030» 106 вузов из 49 городов страны, из них 60 % — региональные университеты.