В чем преимущество синхронных двигателей

Управление синхронным двигателем с постоянными магнитами преобразователем частоты Danfoss

Синхронные двигатели с постоянными магнитами или магнитоэлектрические машины не имеют обмоток возбуждения на роторе. Вращение осуществляется за счет взаимодействия магнитных полей обмоток статора и постоянных магнитов, размещенных на роторе электрической машины.

Синхронные машины с постоянными магнитами совмещают простоту конструкции двигателей переменного тока и возможности управления ДПТ. Они обладают следующими преимуществами:

• Высокий к.п.д. во всем диапазоне частот вращения ротора, в том числе, и на пониженных скоростях.
• Простота конструкции и отсутствие потерь на возбуждение.
• Невысокая инерция при значительном моменте.
• Небольшие габариты. Например, асинхронная машина аналогичной мощности и класса энергоэффективности в 2 раза больше синхронного двигателя.
• Поддержание момента на валу, независимо от скорости вращения ротора.

Синхронные двигатели с постоянными магнитами выпускают малой и средней мощности. Их широко применяют в системах автоматики, оборудовании с высокими требованиями к стабильности частоты вращения.

К недостаткам синхронных машин относятся необходимость применения дополнительного оборудования для пуска и входа в синхронный режим, возможность размагничивания ротора при высоких температурах, необходимость установки датчиков обратной связи. Появление частотных преобразователей и современных материалов для магнитов позволило решить эти проблемы.

Конструкция электрических машин синхронного типа с постоянными магнитами

СДПМ состоит из подвижной (ротора) и неподвижной (статора) части. Исполнение ротора различается:

• По установке магнитов. Они могут размещаться на поверхности (SPMSM ) и внутри (IPMSM) вращающегося узла. Роторы со встроенными магнитами применяются в двигателях, работающих при значительной нагрузке на валу и высоких скоростях. Стоимость таких роторов существенно выше.
• По конструкции (явнополюсные и неявнополюсные роторы). Последние имеют равную индуктивность по осям горизонтальной плоскости. Роторы с явновыраженными полюсами имеют разное отношение индуктивности.

Постоянные магниты изготавливают из ферритов, сплавов редкоземельных металлов и других материалов с высокой коэрцитивной силой.

Статор синхронных электрических машин состоит из сердечника, набранного из листов электротехнической стали, и двух- или трехфазной обмотки. Различают статоры с распределенной и сосредоточенной обмоткой. Первая имеет различное положения витков в магнитном поле. Витки в сосредоточенных обмотках имеют одинаковое положение.

Сосредоточенная обмотка:

Распределенная обмотка:

Принцип работы синхронного двигателя

Принцип работы синхронных машин основан на законе Ампера. Вращающий момент появляется при взаимодействии поля ротора, образуемого постоянными магнитами, и магнитного поля обмоток статора. Синхронный двигатель не может запуститься при прямом включении в сеть. Для этого применяют:

• Запуск при помощи дополнительного двигателя. Для этого вал СДПМ соединяют с валом другой электрической машины. Такой способ дорог и практически не применяется.
• Пуск в асинхронном режиме. Роторы таких электродвигателей имеют короткозамкнутую обмотку типа “ беличья клетка”. При этом пуск происходит в асинхронном режиме. После входа в синхронизм, стержневая обмотка ротора отключается.
• Запуск при помощи частотного преобразователя. При этом ПЧ включается в цепь обмотки статора и подает на них напряжение плавно увеличивающейся частоты.

Управление синхронным двигателем с постоянными магнитами

Управление синхронными машинами осуществляется при помощи частотных преобразователей и сервоконтроллеров. Существует насколько принципов управления СДПМ. Выбор схемы осуществляется исходя из требований к электроприводу и экономической целесообразности. Наиболее распространенные схемы реализации управления синхронным электроприводом:

Скалярное

Такая схема отличатся простотой и дешевизной. При низких скоростях вращения и переменной нагрузке на валу, такой метод не подходит. При превышении нагрузки предельного момента силы на валу, электрическая машина выходит из синхронного режима и становится неуправляемой.

Векторное

Векторное управление синхронным двигателем с постоянными магнитами реализуется 3 способами:

• Полеориентированное управление с датчиком положения. Первая схема позволяет осуществлять плавное регулирование частоты вращения и момента на валу, а также задавать точное положение ротора. В качестве датчиков применяются оптические, магнитные и магниторезистивные устройства, синусно-косинусные вращающиеся трансформаторы, индуктивные энкодеры и другие устройства. Такие схемы требуют наличия контроллеров и точной настройки. Их стоимость достаточно высока. Применять схемы векторного управления имеет смысл только в претенциозных электроприводах высокоточных станков, дозаторов и т.д.
• Полеориентированное управление синхронными машинами без датчика обратной связи. Принцип определения угла поворота ротора при таком методе основан на генерации электродвигателем противо ЭДС при вращении. Вычисление ее величины позволяет определить положение ротора в стационарной системе координат. Управление без датчика не подходит при невысоких скоростях вращения, так как величина обратной ЭДС слишком мала и не превышает уровень обычных электромагнитных шумов. Кроме того, при неподвижном роторе противо ЭДС не генерируется вовсе. Схема без датчика позволяет изменять характеристики электропривода СДПМ с явнополюсным ротором. При использовании синхронных машин другого типа диапазон регулировки сильно снижается. Для этой схемы необходим процессорный управляющий блок.
• Прямое управление моментом. Такая схема обеспечивает хорошие динамические характеристики электропривода и широкий диапазон регулировки. Ограничивают ее применение значительная погрешность определения положения ротора и высокие пульсации тока статора и момента на валу. Кроме того, прямое управление создает высокую вычислительную нагрузку, для таких схем требуется мощное процессорное устройство.

Трапециидальное управление

Такая схема применяется для вентильных двигателей. Конструкция таких машин ничем не отличаются от СДПМ. Главная их особенность – принцип питания. На обмотки статора ВД подается трапециевидное напряжение. Переключение по фазам осуществляется в зависимости от угла поворота ротора.

Схемы управления ВД также бывают с датчиком и без них. В качестве устройства, обеспечивающего обратную связь, обычно используются датчики Холла. Чем больше их количество, тем точнее определяется угол поворота. Например, 3 датчика Холла позволяют определить положение ротора с точностью ±300. Бездатчиковые системы управления определяют положения по заранее известным функциям. Такие схемы применяются для решения несложных задач.

Основные направления развития контроллеров и преобразователей частоты Danfoss для СДПМ

Синхронные электродвигатели с постоянными магнитами превосходят машины постоянного тока по возможности и точности управления. Они позволяют реализовать множество схем и алгоритмов. Ведущие производители электротехники для приводов, в том числе, компания Danfoss разработали несколько линеек контроллеров и преобразователей частоты для электродвигателей такого типа. Ведутся дальнейшие разработки в следующих направлениях:

• Повышения точности отработки управляющего сигнала. Возможности изменять подсинхронные скорости вращения, определять границы динамических режимов, осуществлять регулирование во всем допустимом диапазоне.
• Снижения энергопотребления. Разрабатываются алгоритмы, оптимизирующие потребляемую СДПМ мощность путем подачи размагничивающих токов.
• Увеличения стабильности момента на малых оборотах путем устранения пульсаций.
• Упрощения алгоритмов управления, что позволит применять более дешевые контроллеры и ПЧ.
• Уменьшения количество датчиков. Безэнкодерный электропривод более надежен, однако, более чувствителен к разбросу характеристик.
• Уменьшения чувствительности привода к помехам. При усилении противо ЭДС на низких оборотах в полеориентированных схемах управления без датчика обратной связи, возрастает чувствительность к помехам.
• Создания контроллеров для использования СДПМ в качестве серводвигателей в сложных динамических системах с высокими требованиями к точности отработки команд.

Компания Danfoss может предложить технические решения управления синхронными двигателями с постоянными магнитами, отвечающими современным требованиям к электроприводу.

Каковы преимущества и недостатки синхронного двигателя по сравнению с асинхронным

Электромагнитный момент синхронного двигателя. Пуск синхронных двигателей.

Электромагнитный момент. Электромагнитный момент в синхронном двигателе возникает в результате взаимодействия магнитного потока ротора (потока возбуждения Фв) с вращающимся магнитным полем, создаваемым трехфазным током, протекающим по обмотке якоря (потоком якоря Фв). При холостом ходе машины оси магнитных полей статора и ротора совпадают (рис. 292,а). Поэтому электромагнитные силы I, возникающие между «полюсами» статора и полюсами ротора, направлены радиально (рис. 292, б) и электромагнитный момент машины равен нулю. При работе машины в двигательном режиме (рис. 292, в и г) ее ротор под действием приложенного к валу внешнего нагрузочного момента Мвн смещается на некоторый угол 0 против направления вращения. В этом случае в результате электромагнитного взаимодействия между ротором и статором создаются электромагнитные силы I, направленные по направлению вращения, т. е. образуется вращающий электромагнитный момент М, который стремится преодолеть действие внешнего момента Мвн. Максимум момента Мmax

соответствует углу ? = 90°, когда оси полюсов ротора расположены между осями «полюсов» статора.

Если нагрузочный момент Мвн, приложенный к валу электродвигателя, станет больше Мmax, то двигатель под действием внешнего момента Мвн останавливается; при этом по обмотке якоря неподвижного двигателя будет протекать очень большой ток. Этот режим называется выпаданием из синхронизма, он является аварийным и не должен допускаться.

При работе машины в генераторном режиме (рис. 292, д и е) ротор под действием приложенного к валу внешнего момента Мвн смещается на угол ? по направлению вращения. При этом создаются электромагнитные силы, направленные против вращения, т. е. образуется тормозной электромагнитный момент М. Таким образом, при изменении значения и направления внешнего момента на валу ротора Мвн изменяется лишь угол ? между осями полей статора и ротора, в то время как в асинхронной машине в этом случае изменяется частота вращения ротора.

Пуск в ход и регулирование частоты вращения. Синхронный двигатель не имеет начального пускового момента. Если подключить обмотку якоря к сети переменного тока, когда ротор неподвижен, а по обмотке возбуждения проходит постоянный ток, то за один период изменения тока электромагнитный момент будет дважды менять свое направление, т. е. средний момент за период будет равен нулю. Следовательно, для пуска в ход синхронного двигателя необходимо разогнать его ротор с помощью внешнего момента до частоты вращения, близкой к синхронной. Для этой цели применяют метод асинхронного пуска. Синхронный двигатель пускают в ход как асинхронный, для чего его снабжают специальной короткозамкнутой пусковой обмоткой 3 (рис. 293). В полюсные наконечники ротора 2 синхронного двигателя закладывают медные или латунные стержни, замкнутые накоротко двумя торцовыми кольцами. Пусковая обмотка выполнена подобно беличьей клетке асинхронной машины, но занимает лишь часть окружности ротора. В некоторых двигателях специальная короткозамкнутая обмотка

Угловая и механическая характеристики синхронного двигателя

Каковы преимущества и недостатки синхронного двигателя по сравнению с асинхронным

Обмотки статора обоих двигателей получают питание от сети трехфазного переменного тока. Для питания обмотки возбуждения синхронного двигателя требуется, кроме того, источник электрической энергии постоянного тока, правда, относительно небольшой мощности.

Асинхронный пуск синхронных двигателей несколько сложнее пуска асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором. В отношении пусковых свойств асинхронные двигатели с фазным ротором имеют весьма существенные преимущества перед синхронными двигателями.

Частота вращения синхронных двигателей остается постоянной при изменении нагрузки, тогда как у асинхронных двигателей даже при их работе на естественной характеристике она несколько изменяется.

Асинхронные двигатели дают возможность регулировать частоту вращения различными способами. Использование некоторых из этих способов для регулирования частоты вращения синхронных двигателей в принципе невозможно, а некоторых связано с большими конструктивными и эксплуатационными трудностями. Учитывая это, следует иметь в виду, что синхронные двигатели относятся к двигателям с нерегулируемой частотой вращения.

Воздействуя на ток возбуждения синхронного двигателя, можно в широких пределах изменять его коэффициент мощности. Можно, в частности, заставить синхронный двигатель работать с cos φ = 1, а также с опережающим током. Последнее может быть использовано для улучшения коэффициента мощности других потребителей, питающихся от той же сети. В отличие от этого асинхронный двигатель представлет собой активно-индуктивную нагрузку и имеет всегда

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Преимущество — синхронный двигатель

Преимущество синхронных двигателей особенно сказывается при непосредственном соединении двигателя с приводным механизмом при малой скорости его вращения. [2]

Преимущества синхронных двигателей : способность компенсировать реактивную мощность с меньшими затратами ( чем у асинхронных в сочетании с конденсаторной батареей); повышение перегрузочной способности и устойчивости благодаря применению автоматического регулирования возбуждения с форсировкой возбуждения при снижении напряжения в сети ниже 85 %; более высокий КПД, чем у асинхронных электродвигателей. [3]

Преимущества синхронных двигателей , в силу которых их чаще применяют там, где раньше применяли асинхронные, следующие: способность синхронных двигателей компенсировать реактивную мощность с меньшими затратами, чем асинхронных в сочетании с конденсаторной батареей; повышение перегрузочной способности и устойчивости синхронных двигателей благодаря применению автоматического регулирования возбуждения ( АРВ) с форсировкой возбуждения при снижении напряжения в сети ниже 85 % t / ном; более высокий КПД, чем у асинхронных электродвигателей. [4]

Преимуществом синхронных двигателей является наличие у этих двигателей абсолютно жесткой скоростной характеристики — их угловая скорость строго пропор — чциональна частоте питающей сети. [5]

Одним из преимуществ синхронного двигателя перед асинхронным является способность синхронного двигателя работать при заданном как отстающем, так и опережающем коэффициенте мощности. [6]

Это мероприятие оправдывается преимуществами синхронных двигателей перед асинхронными; синхронные двигатели могут отдавать в сеть реактивную мощность, работая с механической нагрузкой при опережающем коэффициенте мощности. [7]

Это мероприятие оправдывается преимуществами синхронных двигателей перед асинхронными и, в частности, тем, что синхронные двигатели не потребляют реактивную мощность и могут отдавать в сеть реактивную мощность, работая с механической нагрузкой при опережающем коэффициенте мощности. [8]

Тем не менее, преимущество синхронных двигателей настолько велико, что при Ря 200 — г — 300 кВт их целесообразно применять всюду, где не требуется частых пусков и остановок и регулирования скорости вращения ( двигатель-генераторы, мощные насосы, вентиляторы, компрессоры, мельницы, дробилки и пр. [9]

Тем не менее, преимущество синхронных двигателей настолько велико, что при Ри 200 — f — 300 кВт их целесообразно применять всюду, где не требуется частых пусков и остановок и регулирования скорости вращения ( двигатель-генераторы, мощные насосы, вентиляторы, компрессоры, мельницы, дробилки и пр. [10]

Особого внимания заслуживает сочетание регулировочных возможностей вариатора-редуктора с преимуществами синхронного двигателя , что дает возможность создания регулируемого привода скважинной насосной установки с хорошими технико-экономическими показателями. [12]

Увеличением тока возбуждения можно иногда скомпенсировать уменьшение момента двигателя, вызванное снижением напряжения сети. В этом заключается одно из преимуществ синхронного двигателя перед асинхронным. [13]

Увеличивая ток возбуждения, можно иногда скомпенсировать уменьшение момента двигателя, вызванное снижением напряжения сети. В этом заключается одно из преимуществ синхронного двигателя перед асинхронным. [14]

Увеличением тока возбуждения можно также иногда скомпенсировать уменьшение момента двигателя, вызванное снижением напряжения сети. В этом заключается одно из преимуществ синхронного двигателя перед асинх р онным. [15]

Специальные синхронные машины. Влияние конструкции машин на характеристики Текст научной статьи по специальности « Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Мащенков С.Е., Юрковец Н.В.

Область применения синхронных машин . Характерные особенности современного электромашиностроения. Преимущества синхронных двигателей. Изучены технико-экономические показатели сверхмощных синхронных машин .

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Мащенков С.Е., Юрковец Н.В.

CHARACTERISTICS OF THE SYNCHRONOUS CAR. INFLUENCE OF CAR CONSTRUCTION ON CAR CHARACTERISTICS

The scope of use of the synchronous car. The unique characteristics of the electric machine industry. The advantages of the synchronous motor. The information gathered provides an insight into the technical economic index of the synchronous car.

Текст научной работы на тему «Специальные синхронные машины. Влияние конструкции машин на характеристики»

Секция ««Техническая эксплуатация электросистем и авионики»

СПЕЦИАЛЬНЫЕ СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ. ВЛИЯНИЕ КОНСТРУКЦИИ МАШИН

С. Е. Мащенков Научный руководитель — Н. В. Юрковец

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева

Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

Область применения синхронных машин. Характерные особенности современного электромашиностроения. Преимущества синхронных двигателей. Изучены технико-экономические показатели сверхмощных синхронных машин.

Ключевые слова: авиация, синхронные машины, характеристики.

CHARACTERISTICS OF THE SYNCHRONOUS CAR. INFLUENCE OF CAR CONSTRUCTION ON CAR CHARACTERISTICS

S. E. Mashchenko Scientific supervisor — N. V. Yurkovets

Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: havok1994@mail.ru

The scope of use of the synchronous car. The unique characteristics of the electric machine industry. The advantages of the synchronous motor. The information gathered provides an insight into the technical economic index of the synchronous car.

Keywords: aviation, synchronous machine characteristics.

Синхронные машины используют главным образом в качестве источников энергии переменного тока, их устанавливают на тепловых, гидравлических и атомных электростанциях. Синхронные машины применяются также в качестве двигателей, наибольшее распространение получили трехфазные генераторы и двигатели. Для генерирования и потребления реактивной мощности с целью улучшения коэффициента мощности сети и регулирования ее напряжения применяют синхронные компенсаторы.

Характерной особенностью современного электромашиностроения является существенное повышение номинальной мощности синхронных машин за счет увеличения их электромагнитных нагрузок, усовершенствования конструкции, повышения эффективности системы охлаждения [1].

Применение сверхмощных синхронных машин, с одной стороны, обеспечивает весьма высокие технико-экономические показатели, а с другой стороны, требует применения новых решений для их пуска в ход, поскольку традиционный метод пуска в режиме асинхронного двигателя для таких машин либо невозможен вообще, либо его реализация связана с существенным ухудшением показателей машин. Асинхронный пуск в ряде случаев недопустим по условиям термической устойчивости ротора, а также по воздействию пусковых токов на питающую сеть.

Синхронные двигатели в силу ряда преимуществ находят все более широкое применение для привода различных механизмов, не требующих частых пусков. Синхронные двигатели могут применятся для центробежных и поршневых насосов и компрессоров, воздуходувок, шаровых и мукомольных мельниц, прокатных станов, а также для электроприводов с ударной нагрузкой. В последнее время синхронные двигатели стали применятся и для механизмов, требующих регулирования скорости [2].

Главное преимущество синхронных двигателей, например, перед асинхронными заключается в том, что путем изменения тока возбуждения можно изменять величину реактивной мощности.

Актуальные проблемы авиации и космонавтики — 2015. Том 1

В зависимости от величины тока возбуждения реактивная мощность может выдаваться в сеть (при перевозбуждении) и потребляться из сети (при недовозбуждении). Синхронные двигатели обычно выполняются для работы с опережающим коэффициентом мощности, т. е. для выдачи реактивной мощности в сеть.

Исключительно полезной является возможность автоматического регулирования тока возбуждения синхронного двигателя. Автоматическое регулирование возбуждения является одним из весьма эффективных способов повышения устойчивости синхронных двигателей, создает благоприятные условия для их прямого пуска и самозапуска.

Внедрение на электростанциях и предприятиях энергосистем синхронных машин со всё возрастающей единичной мощностью особенно остро поставило проблему их пуска в режиме двигателя. Наиболее перспективным способом пуска синхронной машины, как с точки зрения эксплуатации питающей сети, так и самой машины является частотный способ пуска от статического преобразователя частоты.

Частотный пуск синхронной машины проходит плавно, без особых термических и электродинамических перегрузок, без перегрузок питающего трансформатора, а следовательно, без ухудшения качества электроэнергии, что в конечном итоге приведёт к экономическому эффекту. И хотя этот способ пуска синхронной машины уже нашёл практическое применение, в теоретическом плане он ещё исследован недостаточно [3].

В последние годы почти во всех случаях практики применяется так называемый асинхронный пуск в ход. Синхронный двигатель при этом пускается как асинхронный. Чаше для понижения напряжения при пуске используется автотрансформатор или реактор (реактивная катушка).

Основное преимущества синхронного двигателя, его высокий cos ф. Это преимущество приводит не только к повышению использования всей электрической установки, но и к уменьшению размеров синхронного двигателя по сравнению с асинхронным.

1. Кислицин А. Л. Синхронные машины. Ульяновск: УлГТУ, 2000. 108 с.

2. Забудский Е. И. Электрические машины. Ч. 3. Синхронные машины. МГАУ, 2008. 195 с.

3. Шакарян Ю. Г. Асинхронизированные синхронные машины // Энергоатомиздат, 1984. 192 с.