Синхронный и асинхронный электродвигатели: какой лучше?

Краткий экскурс в историю.

«Противостояние» синхронных и асинхронных электродвигателей началось ещё в середине XX века. В то время во главе «команды синхронных», выступал так называемый электродвигатель постоянного тока, он же «коллекторный», он же простейший «член семьи» синхронных электрических машин. Почему «простейший»? Из-за того, что у него, в отличие от современного синхронного электродвигателя, встроена примитивная система управления — коллектор. Эта важная деталь помогла достичь главного: создать простую и дешевую синхронную машину, которую можно питать непосредственно от источника постоянного тока. Однако, недостатков у коллекторных электродвигателей оказалось гораздо больше, чем преимуществ: ограниченный ресурс работы и низкая надёжность, а также конструктивное ограничение количества полюсов не позволяло наращивать крутящий момент.

Именно на волне борьбы с проблемным коллектором в 80-90х годах прошлого века и стали набирать популярность бесколлекторные асинхронные электродвигатели. Несмотря на то, что технологически «асинхронник» оказалось сделать сложнее, а КПД и крутящий момент существенно уступают аналогичным синхронным электродвигателям, «асинхронники» начали быстро вытеснять коллекторные электромоторы. У бесколлекторных синхронных электродвигателей тогда ещё не было шансов, так как для их изготовления и качественного управления ещё не существовало доступной технологической и элементной базы. Из-за этого до сих пор у некоторых специалистов и представителей старшего поколения  сохранилось устойчивое предубеждение, что синхронные электродвигатели — это очень дорого и сложно. До тех пор, пока не были созданы доступные цифровые системы и новые алгоритмы управления, одним из основных недостатков синхронных электродвигателей считалось отсутствие возможности управлять их оборотами.

Сегодняшний день.

За последние 5-10 лет перспективы для синхронных электрических машин кардинально улучшились и расширились! При начавшимся переходе к 6-му Технологическому Укладу становятся всё более доступными и массовыми новые производственные технологии, такие как: металлопласты и теплопроводные композиты, порошковая металлургия и 3D-печать и т.п. Во много раз подешевели и улучшили свои характеристики силовые полупроводники, специализированные микроконтроллеры и прочая электронная элементная база. Разработаны новые оригинальные решения, позволяющие в несколько раз увеличить удельные силовые характеристики электрических машин. Благодаря бурному развитию современных частотных преобразователей с цифровыми системами управления, синхронными электродвигателями стало легко управлять. Точная управляемость всеми силовыми характеристиками синхронных приводов во всём рабочем диапазоне оборотов и высокая экономичность, как при разгоне, так и на холостом ходу, стали дополнительными важными преимуществами относительно «асинхронников». Из-за своих конструктивных особенностей асинхронные электродвигатели неэффективны на холостом ходу и малых оборотах, непрерывно расходуя энергию на возбуждение ротора и требуя сверх-токов для разгона, которые превышают номинальные значения в 4-5 раз! Для сравнения, синхронные электродвигатели развивают номинальный крутящий момент во всём рабочем диапазоне оборотов при номинальном токе. Меньший рабочий ток позволяет, в частности, использовать аккумуляторы с большей удельной ёмкостью.

Более высокие КПД и крутящий момент при относительно малых рабочих токах и хорошей управляемости позволяют синхронным электродвигателям успешно вытеснять асинхронные во всех типах электротранспорта: наземном, воздушном и водном. Из таких передовых отраслей, как робототехника, мехатроника и авиастроение асинхронные электродвигатели уже вытеснены синхронными практически полностью.

Примером реализации огромного потенциала бесколлекторных синхронных электроприводов является новое поколение современных синхронных машин серий AW, EM, AEM, iEM и sEM. Данные синхронные электрические машины показывают впечатляющие удельные силовые характеристики, которые в 5-10 раз превосходят традиционные «асинхронники», позволяя переходить от распространённых систем «асинхронный мотор с редуктором» на прямой (безредукторный) электропривод.

За последние пол-века конструкция и технология производства асинхронных электродвигателей была настолько хорошо отработана и оптимизирована, что какие-либо дальнейшие усовершенствования или улучшения их электрических параметров, даже с использованием современных программно-вычислительных средств, уже не позволяют рассчитывать на ощутимое сокращение столь большого отставания от современных синхронных электродвигателей по удельным силовым характеристикам. Максимум, что сейчас обеспечивают такие усовершенствования «асинхронников» — это улучшение параметров всего на 20-30%. Для соответствия таким важным требованиям 6-го Технологического Уклада, как минимизация материалоёмкости, высокая экономичность и точная управляемость этого улучшения недостаточно, особенно на фоне высоких характеристик, которые демонстрируют  современные синхронные электрические машины.

Основное преимущество, которое пока ещё сохраняют асинхронные электродвигатели, благодаря созданным производственным мощностям в странах Азии и высокой конкуренции — это низкая цена. Однако, при достижении сопоставимых с асинхронными двигателями объёмов серийного производства, себестоимость синхронных электрических машин серий AW, EM, AEM, iEM и sEM неизбежно станет ниже аналогичных по мощности «асинхронников», потому что:

1) синхронные электрические машины серий AW, EM, AEM, iEM и sEM имеют в несколько раз (!) меньшие масса-габариты по сравнению с «асинхронниками» аналогичной мощности или крутящего момента, что означает пропорционально меньшую материалоёмкость серий AW, EM, AEM, iEM и sEM.

При этом, вопреки распространённым мифам, стоимость постоянных неодимовых магнитов на практике не превышает 30% от стоимости остальных материалов и комплектующих данных синхронных электрических машин, включая используемые современные композиты.

Указывая на постоянные магниты, как основной недостаток при производстве роторов современных высокомоментных электродвигателей, защитники асинхронных электродвигателей умалчивают про высокую трудоёмкость и сложность серийного производства статоров для асинхронных двигателей. Даже крупные специализированные предприятия, как правило, осуществляют серийную намотку и сборку статоров асинхронных электродвигателей только вручную, что ощутимо сказывается на их себестоимости!

2) В отличие от классических асинхронных и синхронных электрических машин, модели серий AW, EM, AEM, iEM и sEM обладают высокой технологичностью серийной сборки! Это достигается не только широким применением современных композитных материалов в конструкции статора и ротора, но и возможностью обеспечения полной автоматизации серийного производства с относительно небольшими капитальными вложениями в оборудование. Это позволяет не только снизить себестоимость, но и увеличить надёжность выпускаемой продукции.

Таким образом, по сравнению с асинхронными, электродвигатели серий EM, AEM, iEM и sEM имеют относительно более высокую стоимость композитного ротора из-за постоянных магнитов, но, при этом, обеспечивают более низкую себестоимость композитных статоров, благодаря высокой технологичности и автоматизации серийной сборки.

При столь очевидных преимуществах современных синхронных приводов любые попытки сдерживать их развитие страшилками про «размагничивающиеся магниты», «дороговизну», «труднодоступность» и т.п., вряд ли помогут адептам «асинхронников» удержать свои позиции на рынке современных сложных систем, особенно в условиях назревшей необходимости перевода целого ряда ключевых отраслей РФ с преобладающих технологических уровней 3-4-го Технологических Укладов сразу к 6-му Технологическому Укладу, минуя 5-й.

Исторические аналогии.

Если проводить исторические аналогии, то недавно начавшийся переход от асинхронных к синхронным электродвигателям можно сравнить по значимости с появлением застёжки «молния» в первой половине XX века или с переходом от аналоговых к цифровым устройствам в 80-х годах прошлого столетия.

Массовое использование этих прорывных технологий стало возможно только при смене технологических укладов, несмотря на то, что соответствующие изобретения появились ещё за несколько десятилетий до их успешного внедрения.

Застёжка «молния» была  запатентована в 1891 году, в начале 3-го Технологического Уклада («Эпоха стали»). После десятилетий гонений и множества неудачных попыток внедрения, серийное производство «молнии» и вытеснение шнуровки из многих отраслей стало возможно именно в разгар 4-го Технологического Уклада («Эпоха нефти»), начиная с 1923 года, когда достигнутый уровень промышленного производства позволил освоить новые производственные технологии.

Класс синхронных безредукторных электроприводов «Torque Motors» начал развиваться на Западе совсем недавно, примерно с 2012 года, что  как раз совпадает с началом перехода к 6-му Технологическому Укладу. Неизменно только одно: новые изобретения и технологии, как обычно, подвергаются ожесточённому противодействию со стороны тех игроков рынка, кто уже построил свой бизнес с использованием устаревших или уходящих технологий.

Ассоциация «аналог-цифра» возникла у нас в процессе компьютерного моделирования электрических машин EM, AEM, iEM и sEM, когда мы сравнили математические модели, описывающие синхронные и асинхронные электрические машины. Оказалось, что, в отличие от асинхронного двигателя, для описания синхронной электрической машины существует точная математическая модель. В то время, как для описания «асинхронников» приходится использовать только приблизительные, аппроксимированные модели. Отсюда и ассоциация с «аналогом» и «цифрой», двумя совершенно разными подходами, потребительскими свойствами и перспективами применения.