Характеристики синхронного реактивного двигателя

Современные синхронные реактивные двигатели

Принцип работы синхронного реактивного двигателя

В синхронных реактивных электродвигателях принцип создания момента вращения ротора несколько отличается от асинхронных и традиционных синхронных двигателей. Здесь решающая роль отводится самому сердечнику ротора.

Ротор реактивного синхронного двигателя не имеет обмоток, даже короткозамкнутой обмотки на нем нет. Вместо этого сердечник ротора сделан сильно неоднородным по магнитной проводимости: магнитная проводимость вдоль ротора отличается от магнитной проводимости поперек. Благодаря такому необычному подходу отпадает необходимость как в обмотках ротора, так и в постоянных магнитах на нем.

Что касается статора, то обмотка статора реактивного синхронного двигателя может быть сосредоточенной либо распределенной, при этом сердечник статора и корпус остаются обычными. Вся особенность — в сильно неоднородном сердечнике ротора.

Для реактивных синхронных двигателей характерны три основных типа роторов: поперечно-расслоенный ротор, ротор с явновыраженными полюсами и аксиально-расслоенный ротор.

Физика процесса следующая. Переменный ток подается на обмотки статора, и создает вокруг ротора вращающееся магнитное поле, которое максимально в воздушном зазоре между статором и ротором. Момент вращения получается благодаря тому, что ротор все время пытается повернуться так, чтобы магнитное сопротивление для формируемого статором магнитного потока оказалось бы минимальным.

Максимальный момент вращения оказывается прямо пропорциональным разнице между продольной и поперечной индуктивностями, и чем больше эта разница, тем большим получается вращающий момент ротора.

Для понимания данного принципа обратимся к рисунку. Анизотропный объект 1 обладает различной магнитной проводимостью по осям a и b. При этом изотропный объект 2 обладает одинаковой магнитной проводимостью по всем направлениям. Приложенное к объекту 1 магнитное поле порождает момент вращения когда угол между осью b и линиями магнитной индукции B не равен нулю. Когда неравный нулю угол существует, объект 1 станет искажать приложенное магнитное поле B, и направление искажения будет совпадать с осью a объекта 1.

Синусоидальное магнитное поле, создаваемое в синхронном реактивном двигателе обмоткой статора, вращается с определенной синхронной угловой частотой, и следовательно всегда будет иметь место момент вращения, стремящийся вернуть систему в состояние с наименьшим значением полной потенциальной энергии.

То есть момент вращения будет все время стремиться уменьшить искажение магнитного поля статора в направлении оси a, путем уменьшения угла между линиями индукции B и осью b. Так, если управление двигателем направлено на сохранение постоянства этого угла, то и механическая энергия постоянно будет получаться из электромагнитной.

Таким образом, ток обмотки статора обеспечивает намагничивание с существованием вращающего момента, направленного на устранение искаженности поля, и управляя фазой тока в соответствии с положением ротора во вращающейся системе координат (в соответствии со значением угла искажений), получается управление моментом синхронного реактивного электродвигателя.

Синхронные реактивные электродвигатели сегодня

Ведущие мировые производители электродвигателей на сегодняшний день проявляют особый интерес к синхронным реактивным электродвигателям, хотя запатентованы первые версии были еще в конце 19 века. Дело в том, что КПД синхронных реактивных электродвигателей принципиально значительно превышает КПД популярных асинхронных электродвигателей, не говоря уже об удельной мощности.

Потери энергии в роторе отсутствуют, а ведь обычно процентов 30 потерь приходится именно на ротор. Так повышается и срок службы электродвигателя — снижается вредный нагрев. Масса синхронного реактивного электродвигателя и его габариты на 20% меньше чем у асинхронного той же мощности.

Читайте также:  Двигатель ф23а какое масло лить

Возобновленный интерес к синхронным реактивным электродвигателям в наши дни связан прежде всего с широкими возможностями современного компьютерного моделирования, позволяющими находить наиболее эффективные версии конструкций роторов и статоров — научные исследования получаются более продуктивными, и КПД современных версий синхронных реактивных двигателей уже достигает 98%, в то время как для асинхронных версий КПД традиционно не превышает 90%.

Синхронные реактивные двигатели изготавливают сегодня на базе асинхронных, и при тех же габаритах и установочно-присоединительных размерах получается более высокий КПД, достигается более высокая удельная мощность.

Преимущества и недостатки

Набранный из тонколистовой электротехнической стали, ротор реактивного синхронного двигателя имеет простую и надежную конструкцию без короткозамкнутой обмотки и без магнитов, поэтому в роторе исключены токи вызывающие вредный нагрев, — срок службы повышается, а отсутствие магнитов удешевляет себестоимость продукта, включая до минимума сниженные затраты на техобслуживание.

Благодаря сравнительной легкости ротора, его собственный момент инерции низок, поэтому двигатель быстрее разгоняется до номинальных оборотов, что приводит к экономии электроэнергии.

Частотный преобразователь в качестве регулятора скорости делает управление двигателем очень гибким в широком диапазоне рабочих скоростей. Что касается недостатков, то он всего один: потребность в преобразователе частоты.

Применение преобразователя частоты с активной коррекцией коэффициента мощности позволяет добиться максимального коэффициента мощности системы, что очень важно на любом современном производстве.

Источник

Особенности, устройство и принцип работы синхронного двигателя простым языком

Электродвигатели прочно закрепились в качестве важнейших составляющих большинства приборов, ежедневно используемых человеком. Одним из видов электрических машин для вращения рабочего органа является синхронный электродвигатель. Особенности устройства и принцип работы синхронного двигателя, мы рассмотрим далее.

Устройство

Конструктивно любой синхронный агрегат представляет собой статор и ротор, объединенные в одном корпусе. Статорная обмотка наматывается в пазы неподвижного магнитопровода, собранного из ферромагнитного материала. Конструкция ротора может включать в себя обмотку, смонтированную на железном каркасе, или постоянный магнит, установленный на валу. Задача и одного, и второго – создать магнитный поток, взаимодействующий с электромагнитным полем статора.

Принцип работы

На основании п.53 ГОСТ 27471-87 понятие синхронного двигателя подразумевает бесконтактную машину, работающую на переменном токе. У которой в установившемся режиме отношение частоты вращения ротора к частоте тока в обмотках якоря не зависит от величины нагрузки при номинальной работе.

С практической стороны это выглядит следующим образом:

  • на обмотки статора, также называемого якорем, подается трехфазное напряжение;
  • по мере нарастания амплитуды синусоиды в одной фазе, будет пропорционально увеличиваться ток и электромагнитное поле, создаваемое вокруг обмотки;
  • в виду того, что синусоида нарастает во всех трех фазах двигателя поочередно, пик максимального электромагнитного поля будет смещаться от одной обмотки к другой по часовой стрелке;
  • магнитное поле ротора (индуктора) поочередно притягивается собственными полюсами к противоположному по знаку вектору поля статора.

В результате такого взаимодействия возникает поступательное вращение вала синхронного двигателя вокруг своей оси. Так как в индукторе постоянно присутствуют сформированные независимым источником силовые линии, частота его вращения полностью соответствует частоте напряжения, подаваемого в обмотки якоря. Возникает синхронизм в двигателе.

Типы синхронных двигателей

В целом синхронные двигатели подразделяются на несколько категорий, в зависимости от их конструктивных особенностей.

Так, для получения потока возбуждения используют:

  • обмотку на роторе – для обеспечения электромагнитного взаимодействия на обмотку подается питание от стороннего источника;
  • магнитный ротор – вспомогательное магнитное поле ротора создается постоянными магнитами, установленными на нем;
  • реактивный ротор – форма магнитопровода индуктора выполнена таким образом, что силовые линии якоря преломляются до получения синхронного вращения.
Читайте также:  Что делать если двигатель не вписан в птс

В зависимости от конструкции ротора, выделяют явнополюсный и неявнополюсный синхронный двигатель.

По режиму работы могут использоваться в качестве электродвигателя, генератора или синхронного компенсатора.

Режимы работы

На практике, каждая электрическая машина может применяться в различных режимах работы:

  • Режим двигателя – агрегат функционирует по принципу преобразования электрической энергии в механическую. Напряжение подается на выводы якоря и преобразуется во вращательное усилие на роторе.
  • Генераторный режим – в этом случае вал двигателя вращается за счет турбины или другого объекта, а с выводов якоря снимается сгенерированное напряжение.
  • Синхронный компенсатор – электродвигатель включается в распределительную сеть на холостом ходу. При этом повышается коэффициент мощности системы за счет потребления реактивной мощности.

P.S. Больше других деталей о синхронном двигателе , а также о том чем он отличается от асинхронного двигателя смотрите в видео:

Источник

Синхронный реактивный двигатель

Возможно, название этой статьи кого-то наведёт на мысль, что речь пойдёт об электрическом реактивном двигателе для космических кораблей. Однако всё гораздо прозаичнее: СРД — это один из видов синхронных электродвигателей, и слово «реактивный» в его наименовании означает не вид тяги, а принцип приведения ротора во вращение. Более точно его описывает англоязычное название synchronous reluctance machine (одно из значений слова reluctance — «магнитное сопротивление»).

Известно множество разновидностей электрических двигателей, включая асинхронные (АД), синхронные (СД), шаговые, двигатели постоянного тока. Все они представляют собой электромеханические преобразователи, то есть преобразователи электрической энергии в механическую.

А теперь представьте себе АД с максимально простой конструкцией ротора — это и будет СРД. Подобные электрические машины появились несколько десятилетий назад, но только недавно привлекли внимание производителей двигателей, а также инжиниринговых компаний по всему миру.

Если раньше в электроприводе важно было обеспечить должный крутящий момент или оптимальный размер оборудования, то теперь на первый план вышла энергоэффективность. В СРД реактивная сила возникает в результате изменения магнитного сопротивления, и их производители ради повышения энергоэффективности применили роторные элементы специальной конструкции, управляющие силовыми линиями магнитного поля.

ПРИНЦИП ПРОСТ

Согласно определению, содержащемуся в ГОСТе от 1987 года, СРД — это синхронная машина, вращающий момент которой обусловлен неравенством магнитных проводимостей по разным осям ротора, не имеющего обмоток возбуждения или постоянных магнитов. В данном случае под осями понимаются линии симметрии ротора на его поперечном разрезе (см. схему).

Переменный ток, проходящий по обмоткам статора, создаёт в воздушном зазоре внутри электродвигателя вращающееся магнитное поле. Крутящий момент возникает, поскольку ротор пытается линию с наименьшей магнитной проводимостью (ось d) совместить с вектором приложенного к нему поля, чтобы минимизировать сопротивление в магнитной цепи. Иными словами, вращающееся магнитное поле статора увлекает за собой ротор. Глядя на схему как на векторную диаграмму, можно сказать, что величина магнитного потока статора отражается на оси d, тогда как электрический ток, отвечающий за вращающий момент, — на оси q.

Конструкторы подобных роторов обеспечили различие между магнитными сопротивлениями по разным осям за счёт воздушных зазоров. Значение вращающего момента здесь прямо пропорционально разнице индуктивностей обмоток статора, ориентированных вдоль осей d и q.

ПО ПУТИ К СОВЕРШЕНСТВУ

СРД прошли впечатляющий эволюционный путь. Первые образцы развивали меньший вращающий момент, чем синхронные машины с обмоткой возбуждения, а также имели невысокие КПД и коэффициент мощности. Это объяснялось тем, что возбуждение обуславливалось реактивной составляющей тока, которая имела большую величину. Для пуска таких двигателей применяли демпфирующую короткозамкнутую обмотку, переводя их на время пуска в асинхронный режим.

Читайте также:  Как обкатывать двигатель мотоцикла

Характеристики СРД резко повысились после появления специальных преобразователей частоты (ПЧ). В них питающее напряжение развязано от сети и заложен алгоритм пуска (управление током намагничивания Id статора и током статора, отвечающим за крутящий момент, — Iq), исключающий необходимость в асинхронном разгоне. Во время работы СРД программа контроллера ПЧ постоянно корректирует выходной ток, поддерживая наиболее благоприятные режимы. Положение ротора отслеживается без применения встроенных датчиков — по потребляемому двигателем току.

После внедрения ПЧ коэффициент мощности и КПД синхронных реактивных двигателей заметно увеличились, а конструкция ротора максимально упростилась. В целом можно сказать, что в силу своего принципа действия СРД имеет худший на 5-10% коэффициент мощности, чем АД, но зато на 5-8% выигрывает в КПД — как в номинальном режиме, так и при работе на пониженных скоростях во всём допустимом их диапазоне.

Статор СРД идентичен статору широко используемого асинхронного двигателя. Его обмотка может быть распределённой или сосредоточенной. А ротор представляет собой вал с болванкой из шихтованной стали — на нём вы не найдёте ни обмоток, ни постоянных магнитов. Роторы бывают трёх основных видов: аксиально расслоённые, поперечно расслоённые и с явно выраженными полюсами (см. рисунок).

ТИХОХОДЫ ПО ПРИРОДЕ

Отметим, что СРД демонстрируют высокие энергетические показатели тогда, когда магнитопровод работает в зоне насыщения. В случае повышенных оборотов контроллер должен уменьшить ток намагничивания Id, в результате чего заметно падает вращающий момент двигателя. А поскольку реактивный ток сохраняется на высоком уровне, резко снижается коэффициент мощности. Поэтому там, где требуются повышенные скорости работы, синхронные реактивные двигатели использовать не стоит.

Назовём достоинства СРД.
1. Простота и надёжность ротора, состоящего из тонколистовой электротехнической стали.
2. Низкий нагрев. Так как в роторе нет обмоток, через него не протекает активный ток. Это положительно сказывается на сроке жизни подшипников и на КПД. Поскольку снижаются потери на нагрев, номинальный ток двигателя может быть повышен, что позволяет получить (при той же мощности) более высокий (на 20-40%) вращающий момент, чем у АД.
3. Отсутствие магнитов. Таким образом, для производства двигателя не требуются редкоземельные металлы и, следовательно, его стоимость снижается.
4. Низкий момент инерции ротора, который представляет собой болванку без магнитов и обмоток.
5. Меньшие габариты по сравнению с АД при той же мощности.
6. Высокие КПД и cos(φ), достигаемые с помощью специализированного интеллектуального преобразователя частоты.
7. Абсолютно жёсткая механическая характеристика в разомкнутой системе. Это значит, что двигатель способен поддерживать скорость на заданном уровне с большой точностью до тех пор, пока вращающий момент не превысит максимального значения.

Недостатки же СРД таковы.
1. Пуск и работа возможны только с преобразователем частоты, который увеличивает стоимость системы и занимает место.
2. Падение эффективности на повышенных оборотах.

Синхронные реактивные двигатели перспективны для применения при разработке новых и модернизации старых систем электропривода. Больший КПД во всем диапазоне скоростей в сравнении с АД и СД с постоянными магнитами дает им преимущество при выборе двигателей для новых систем, соответствующих международным стандартам энергоэффективности IE4 и IE5. Благодаря простоте конструкции ротора и проверенной технологии изготовления статора такие двигатели найдут применение в насосных агрегатах и вентиляторах, а также в различных других системах с постоянным моментом вращения и регулированием скорости вниз от номинала.

Источник

Adblock
detector