Содержание:
Прежде чем рассматривать принцип действия синхронного двигателя, необходимо помнить, что это электрическая машина, работающая на переменном токе, у которой ротор вращается с частотой, которая равна частоте вращения магнитного поля в воздушной прослойке.
Синхронный двигатель состоит из основных частей – якоря и индуктора. Обычно, его исполнение сделано таким образом, что якорь расположен на статоре, а индуктор – на роторе, отделенном воздушной прослойкой. Данные агрегаты обладают высоким коэффициентом мощности. Существенным плюсом является возможность их использования в сетях с любым напряжением.
Устройство синхронного двигателя
Конструкция синхронного двигателя состоит из двух основных частей – статора и ротора. Статор является неподвижной частью агрегата, а ротор – подвижной. В состав якоря входят одна или несколько обмоток переменного тока.
При работе двигателя токи, поступающие в якорь, приводят к вращению магнитного поля, пересекающегося с полем индуктора и преобразующего энергию. Поле якоря носит другое название – поле реакции якоря.
В генераторе такое поле создается с помощью индуктора.
В состав индуктора входят электромагниты постоянного тока, называемые полюсами. Во всех синхронных электродвигателях индукторы бывают двух конструкций – явнополюсная и не явнополюсная, отличающиеся расположением полюсов. Конструкция статора включает в себя корпус и сердечник, в состав которого входят двух- и трехфазные обмотки. Сами обмотки могут быть распределенными и сосредоточенными.
Чтобы уменьшить магнитное сопротивление и улучшить прохождение магнитного потока, используются ферромагнитные сердечники, расположенные в роторе и статоре, для изготовления которых используется электротехническая сталь. Она обладает интересными свойствами, например, повышенным содержанием кремния, с целью повышения ее электрического сопротивления и уменьшения вихревых токов.
Каждый синхронный электродвигатель обладает важным параметром – электромагнитным моментом. Он возникает в том случае, когда магнитный поток ротора начинает взаимодействовать с вращающимся магнитным полем. Данное поле образуется под влиянием трехфазного тока, протекающего по обмотке якоря.
В режиме холостого хода происходит совпадение осей магнитных полей ротора и статора.
Поэтому электромагнитные силы, возникающие между их полюсами, принимают радиальное направление и значение электромагнитного момента агрегата становится равным нулю.
При переходе устройства в двигательный режим, на ротор начинает воздействовать внешние нагрузочный момент, приложенный к валу. В результате, происходит смещение ротора на величину определенного угла против направления вращения.
Подобное электромагнитное взаимодействие между ротором и статором приводит к созданию электромагнитных сил, направленных в сторону вращения. Таким образом, действие вращающегося электромагнитного момента стремится к преодолению действия внешнего момента. Максимальное значение электромагнитного момента образует угол 90 градусов, при расположении полюсов ротора между осями полюсов статора.
Если значение нагрузочного момента, приложенного к валу двигателя, превысит максимальный электромагнитный момент, в этом случае двигатель остановится под влиянием внешнего момента. Из-за этого в неподвижном двигателе по обмотке якоря будет проходить очень высокий ток. Данный режим является аварийным, он представляет собой выпадение из синхронизма и на практике не должен допускаться.
Как работает синхронный двигатель
Принцип действия синхронного двигателя основывается на взаимном влиянии магнитных полей якоря и полюсов индуктора.
При обращенной конструкции агрегата расположение якоря и индуктора выполнено наоборот, то есть, первый расположен на роторе, а другой – на статоре.
Такой вариант используют криогенные синхронные машины, у которых в состав обмоток возбуждения входят материалы со свойствами сверхпроводимости.
При запуске двигателя его разгоняют до частоты близкой к той, с которой в зазоре вращается магнитное поле. Только после этого он переходит в синхронный режим. В данной ситуации происходит пересечение магнитных полей якоря и индуктора. Этот момент получил название входа в синхронизацию.
При разгоне используется состояние асинхронного режима, когда происходит замыкание обмоток индуктора с помощью реостата или короткозамкнутым путем, подобно асинхронным машинам.
Для того, чтобы осуществлять запуск в таком режиме, ротор оснащается короткозамкнутой обмоткой, которая одновременно является успокоительной обмоткой, способной устранить раскачивание ротора во время синхронизации.
После того, как скорость становится близко к номинальной, в индуктор подается постоянный ток.
Таким образом, синхронный двигатель это не только двигатель, но и своеобразный генератор, поскольку у них одинаковое конструктивное исполнение. Схема работы двигателя будет следующей.
Обмотка якоря подключается к трехфазному переменному току, а к обмотке возбуждения от постороннего источника подается постоянный ток. Вращающееся магнитное поле, созданное трехфазной обмоткой и поле, созданное обмоткой возбуждения, взаимодействуют между собой.
Это вызывает появление электромагнитного момента, приводящего ротор во вращающееся состояние.
Для двигателей, где установлены постоянные магниты, применяются специальные внешние разгонные двигатели. В отличие от асинхронных устройств, разгон ротора в синхронном двигателе должен достигнуть частоты вращения магнитного поля.
Это связано с подачей в обмотку ротора тока из постороннего источника, а не индуцируется в нем под действием магнитного поля статора, следовательно, на него не влияет частота вращения вала. В результате, синхронный двигатель переменного тока приобретает постоянную частоту вращения ротора вне зависимости от нагрузки.
Специфический принцип работы этих устройств оказал влияние на их пуск и регулировку частоты вращения.
Схема запуска двигателя и его регулировка
У синхронных двигателей отсутствует начальный пусковой момент. При подключении якорной обмотки к источнику переменного тока, электромагнитный момент дважды изменить свое направление за один период изменения тока. Это происходит, когда ротор находится в неподвижном состоянии, а в обмотке возбуждения протекает постоянный ток.
Таким образом, величина среднего момента в течение одного периода будет иметь нулевое значение. Чтобы увидеть, как работает синхронный двигатель при пуске, нужно выполнить разгон его ротора под действием внешнего момента до вращения с частотой, приближенной к синхронной.
Сам запуск агрегата может производиться разными способами:
- В первом случае используется схема асинхронного включения, основой которой служит глухо подключенный возбудитель. Данный способ применяется при статическом моменте нагрузки ниже 0,4, когда отсутствует падение напряжения. Сопротивление разряда замыкается в обмотке возбуждения, за счет чего исключаются перебои с возбуждением обмотки во время впуска, поскольку незначительная скорость вращения ротора приводит к перенапряжению. Когда скорость становится близкой к синхронной, контактор реагирует на это изменение, в результате происходит переключение обмотки возбуждения из разрядного сопротивления непосредственно на якорь возбудителя.
- Во втором варианте пуска используется тиристорный возбудитель. Этот способ считается более надежным из-за высокого КПД. Управление возбуждением значительно облегчается. Подача возбуждение осуществляется автоматически с помощью электромагнитного реле.
Различия синхронных и асинхронных двигателей
Все электродвигатели переменного тока по принципу действия могут быть асинхронными и синхронными. В первом случае вращение ротора будет медленнее, по сравнению с магнитным полем, а во втором – вращение ротора и магнитного поля происходит с одинаковой скоростью.
В асинхронном двигателе вращающееся переменное магнитное поле создается обмотками, закрепленными на статоре. Концы этих обмоток выведены в общую клеммную коробку. Во избежание перегрева на валу двигателя устанавливается вентилятор. Ротор выполнен из металлических стержней, замкнутых с двух сторон между собой. Он представляет единое целое с валом и получил название короткозамкнутого ротора.
Вращение магнитного поля происходит под действием постоянной смены полюсов. Соответственно, в обмотках изменяется направление тока. На скорость вращения вала оказывает влияние количество полюсов магнитного поля.
Синхронный электродвигатель конструктивно отличается от асинхронных агрегатов. Здесь вращение ротора и магнитного поля происходит с одинаковой скоростью.
Напряжение на ротор для зарядки обмоток подается с помощью щеток, а не индуцируется действием переменного магнитного поля.
Направление тока в обмотках изменяется одновременно с направлением магнитного поля, поэтому вал синхронного двигателя всегда вращается в одну сторону.
Источник: https://electric-220.ru/news/princip_dejstvija_sinkhronnogo_dvigatelja/2013-12-05-465
Вентильный двигатель: устройство и принцип работы. Синхронный и асинхронный двигатель :
Перевод электродвигателей с коллекторного узла управления на полупроводниковые устройства контроля позволил оптимизировать силовые агрегаты. Модернизация затронула и мощностные параметры, и конструкционные характеристики.
Наиболее выраженным отличием стало уменьшение габаритов, что позволило использовать такие агрегаты в небольших по размерам приборах и установках. Типичным примером реализации бесколлекторного привода является вентильный двигатель, работающий в условиях постоянного тока.
Он обеспечивает существенные технико-экономические преимущества в процессе эксплуатации, но не избавлен и от недостатков.
Конструкция и устройство двигателя
Техническая инфраструктура формируется двумя сегментами – непосредственно механикой и управляющим комплексом. С точки зрения конструкционного устройства агрегат во многом похож на традиционное наполнение электромеханических роторных двигателей. Соответственно, в состав электромотора входят ротор, статор и обмотка.
Причем статор представляет собой набор из отдельных изолированных листов, выполненных из стального сплава. В процессе работы они способствуют понижению вихревых токов. В нем как раз и находится обмотка, которая может иметь разное количество фаз. Начинка элемента образована стальным сердечником, а обмотка представляет собой медные волокна.
Для защиты применяется корпус, на поверхности которого также предусматриваются средства физического крепления.
Что касается ротора, то он сформирован постоянными магнитами. В зависимости от модификации, он может иметь до шестнадцати пар чередующихся полюсов. Прежде для изготовления роторов применялись ферритовые магниты, что было обусловлено их ценовой доступностью.
Сегодня же на первый план выходят эксплуатационные характеристики вентильного двигателя – в частности крутящий момент, который варьируется от 1 до 70 Нм. Пропускная же частота в среднем находится в пределах 2-4 тыс. оборотов.
Для достижения таких показателей требуется магнит с высокой степенью индукции, поэтому производители перешли на использование редкоземельных сплавов. Такие магниты не просто дают более высокую производительность, но и обладают меньшими размерами.
Отчасти и этот переход способствовал оптимизации габаритов вентильного электродвигателя. Отдельно стоит рассмотреть компоненты управляющего сегмента.
Система управления
Если электромеханическая часть состоит преимущественно из трех компонентов, в числе которых ротор, статор и несущая конструкция в виде корпуса, то управляющая инфраструктура более сегментирована – количество элементов может достигать нескольких десятков. Другое дело, что их можно поделить на виды. В единственном числе будет представлен только инвертор. Он отвечает за функции коммутации, осуществляя подключение и переключение фаз. Основные же задачи контроля с подачей сигналов выполняют датчики. Главным из них является детектор положения ротора. Кроме этого, в состав управляющего блока вводится и система регуляции сигналов. Это узел с ключами, посредством которого реализуется связь датчиков и электромеханической начинки.
Информацию о позиции ротора обрабатывает микропроцессор. Внешне интерфейс этого блока представляет собой панель управления. На приеме она работает с сигналами широтно-импульсной модуляции (ШИМ-сигнал). Если предусматривается подача низковольтных сигналов, то в управляющем блоке устанавливается и транзисторный мост.
Он преобразует сигнал в силовое напряжение, которое в дальнейшем подается на электродвигатель. Наличие датчиков с системой обработки импульсов как раз и отличает управление вентильным двигателем от средств контроля щеточно-коллекторных агрегатов.
Другое дело, что возможность внедрения электронной аппаратуры с датчиками допускается и в коллекторных машинах наряду с механическими системами управления.
Принцип работы
Вентильный электродвигатель в процессе работы создает индукцию магнитных полюсов через ротор. На фоне генерации электромагнитного воздействия формируется сопротивление. Иными словами, активизируется функция ротора, после чего он передает крутящий момент целевому агрегату.
В условиях переменной скорости магнетизм может быть оптимизирован для более производительной работы с реверсом. Опять же, датчик положения ротора сообщает данные для регуляции в соответствии с фазами напряжения.
Гибкость и оперативность настройки параметров ротора и количества фаз позволяет эффективнее регулировать работу механизма. Весь цикл демонстрирует процесс преобразования электроэнергии в физическую мощь (механическая энергия), которую вырабатывает генератор.
Причем если резко отсоединить агрегат от сети, то преобразуемая в данный момент энергия будет возвращена статору.
Важным условием поддержания достаточной производительности является стабильность двигателя. Критерием оценки этой характеристики будет его плавность, достигаемая понижением пульсаций. Для этого нужно знать вектор вращения потока статора, чтобы он был синхронен с функцией ротора.
Координация разных потоков вращения как раз и достигается взаимодействием датчиков и коммутатора, которым управляются вентильные двигатели. Принцип работы этой связки позволяет с высокой точностью определять, к какой фазе нужно подключать ротор, определяя также оси.
В нужной последовательности панель управления через микропроцессор попеременно подключает и отключает разные фазы.
Особенности синхронных моделей
Вышеописанный принцип работы как раз иллюстрирует работу синхронного двигателя. То есть в нем реализуется взаимодействие полюсов индуктора и статорного магнитного поля. Но и в таких системах могут быть свои различия.
Например, и синхронный, и асинхронный двигатель могут оснащаться электромагнитами. В случае с синхронными агрегатами такого типа ток будет направляться на ротор, минуя контакт щетка-кольцо. Постоянные же магниты применяются в двигателях, базирующихся на жестких дисках.
Также существуют и обращенные конструкции. В них якорные потоки находятся на роторе, а индукция – на статоре.
Для включения синхронного двигателя требуется высокий разгон по частоте, чтобы появилась возможность подстройки вращения двух функциональных компонентов. В конструкциях, где индуктор находится на статоре, поле ротора остается неподвижным относительно якоря.
И напротив, если устройство предполагает обратную конструкцию, то «ввод в синхронизацию» будет осуществляться через ожидание статора.
Момент ожидания зависит от того, с какой нагрузкой работает вентильный двигатель, и какая частота является оптимальной для активизации его индуктора.
Особенности асинхронных агрегатов
В асинхронных двигателях ротор не вращается в противоположном направлении. Его нельзя назвать обратным синхронному агрегату с точки зрения взаимодействия магнитных потоков ротора и статора.
И синхронный, и асинхронный двигатель предполагают следование одного поля за другим. Другое дело, что во втором случае ротор, к примеру, может быть «догоняющим».
Он следует за генерацией индукционного момента.
В стандартной конструкции статор генерирует электромагнитное поле, заставляя через определенное время вращаться и ротор. Принципиальным отличием между двумя типами двигателей является и то, что индуктор не является генератором возбуждения магнитного поля ротора.
Поэтому вентильный электродвигатель асинхронного типа может автономно заставлять вращаться ротор с определенной частотой от обмотки статора. Это вовсе не значит, что два механизма работают отдельно, но их функции не так тесно взаимосвязаны, как в случае с синхронными двигателями. Это же касается и скорости. Например, если в синхронном агрегате будет частота вращения на 3000 об.
/мин для индуктора и ротора, то асинхронный принцип работы для того же ротора может снизить эту величину до 2910 об./мин.
Вентильно-индукторный двигатель
Можно сказать, что все вентильные электромоторы являются индукторными. В той или иной степени принцип индукции закладывается в синхронный и асинхронный агрегаты. Но есть также модели, в которых индукция способствует самонамагничиванию. Иначе эту машину можно назвать самовозбуждающейся. В традиционном исполнении вентильно-индукторный двигатель этого типа имеет простую конструкцию, питается от однополярных импульсов тока и работает с теми же датчиками ротора. Однако из-за нюансов энергоснабжения его нельзя подключать напрямую к сети. В итоге требуется введение в инфраструктуру специальных преобразователей.
С другой стороны, в данной конструкции присутствуют практически все достоинства синхронных агрегатов. Самым явным из них является широкий спектр частот вращения. Например, вентильно-реактивный двигатель с возможностью самовозбуждения способен выдавать порядка 100 тыс. оборотов. Это уже быстроходные электродвигатели, для которых используются комплектующие высокой степени прочности.
Разновидности агрегатов по количеству фаз
Простейшее исполнение такого электродвигателя – это однофазные агрегаты, которые предусматривают минимальное количество контактов между электронной аппаратурой и механикой. Соответственно, отсюда вытекают и слабые места конструкции, среди которых ограничения в положении ротора и сильные пульсации.
Двухфазные модели способны формировать воздушный зазор, а также при определенных условиях обеспечивать асимметрию полюсов. Опять же, такие машины грешат высокой степенью пульсации, однако их можно использовать в тех случаях, когда связка статора с обмоткой является обязательным условием.
Трехфазный вентильный двигатель характеризуется сочетанием невысокой скорости, но хорошей силовой отдачей. Поэтому его чаще используют как в сборке бытовых приборов, так и в изготовлении промышленной техники.
Также существуют четырех- и шестифазные модели вентильных электромоторов, но это уже сегменты специализированных установок, которые дорого стоят и обладают крупными габаритами.
Преимущества электродвигателей
Благодаря конструкционной оптимизации вентильная силовая техника обеспечивает множество эксплуатационных преимуществ. В их числе стоит отметить быстродействие, гибкость в настройке, точность определения позиции ротора (с помощью датчика), широкие возможности технической подстройки и т.д.
При скромных энергозатратах можно получить высокую силовую отдачу. Что еще важно, вентильный электродвигатель задействует небольшой ресурс механического действия, а это благоприятно сказывается и на его сроке эксплуатации.
Низкий уровень термического воздействия на элементную базу обуславливает отсутствие перегревов, поэтому детали лишь в редких случаях требуют замены по причине износа.
Недостатки электродвигателя
Специалисты отмечают два основных минуса таких электродвигателей. В первую очередь это сложность конструкции. Не механической части, а именно электронной основы, которая обеспечивает управление мотором.
Применение микропроцессоров, датчиков, инверторов и сопутствующей электротехнической фурнитуры требует соответствующего подхода к обеспечению надежности работы компонентов системы. Таким образом, повышается и стоимость обслуживания техники.
Вместе с этим, отмечается и дороговизна магнитов, на которых базируется вентильный двигатель даже в простых однофазных исполнениях. На практике пользователи стараются заменять недешевые элементы и расходники, вместе с этим упрощая и систему управления.
Но такие меры сами по себе требуют определенных ресурсов, не говоря о том, что снижается эффективность двигателя.
Заключение
Концепция использования электроники в составе традиционных роторных двигателей не всегда оправдывается в процессе эксплуатации. Связано это со сферами применения такого оснащения. Чаще всего это традиционные области производства, где совсем не обязательно подключение электронных систем управления. Инновационная начинка заставляет пересматривать производственные циклы, точечно модернизируя технологические процессы. К тому же стоимость двигателя, которая варьируется от 15 до 20 тыс. руб., не добавляет привлекательности этой продукции. Обычные аналоги на контроллерах с электромеханическими реле обходятся дешевле, не говоря о том, что их легче интегрировать в процессе сборки продукции.
И все же появляются направления, в которых высоко ценится именно полупроводниковое управление с датчиками роторов. Как правило, это высокотехнологичное оборудование, выпуском которого занимаются крупные компании. Причем на выходе они предоставляют продукцию разного уровня, в том числе и для бытового применения.
Источник: https://www.syl.ru/article/334155/ventilnyiy-dvigatel-ustroystvo-i-printsip-rabotyi-sinhronnyiy-i-asinhronnyiy-dvigatel
Вентильный двигатель: принцип работы синхронного и асинхронного
Синхронные и асинхронные вентильные двигатели постоянного тока широко применяются в различных сферах промышленного производства. В рамках этой статьи мы подробно рассмотрим их устройство и принцип работы.
Принцип работы
Вентильный бесколлекторный двигатель ВМЭД, ДВУ является одним из видов электрического двигателя, который индуцирует непостоянные магнитные полюса на ферромагнитном роторе. Крутящий момент создается за счет магнитного сопротивления.
Фото — Бесколлекторный вентильный двигатель
Вентильные двигатели бывают трех типов:
- Синхронный;
- Асинхронный;
- Индукторный.
Конструкция вентильно-реактивного двигателя (ВРД) включает в себя две фазные обмотки, установленные вокруг диаметрально противоположных полюсов статора. При подаче питания ротор движется в соответствии с полюсами статора, благодаря чему, сопротивление магнитного поля сводится к минимуму. В основе работы вентильно индукторного двигателя используется тот же принцип.
Фото — Вентильный двигатель
В высокоэффективной переменной скорости привода магнетизм двигателя оптимизирован для работы с реверсом. Информация о положении ротора используется для управления фазы подачи напряжения.
Благодаря этому обеспечивается непрерывный крутящий момент и высокая эффективность. Сигналы накладываются на угловую ненасыщенную фазу индуктивности, при этом ее максимальная величина соответствует минимальному сопротивлению полюса.
Положительный момент производится только при углах, когда индуктивность градиента также является положительной.
Для защиты электроники от высоких вольт-секунд фазный ток на низких скоростях необходимо ограничивать. Как правило, это достигается за счет гистерезиса тока. Для контроля процесса используются специальные датчики.
Фото — Схема вентильного двигателя
На более высоких скоростях ток ограничен. Чтобы оптимизировать производительность, управляющее напряжение одиночного импульса используют с заранее выровненным углом.
Траектория реактивной энергии наглядно иллюстрирует механизм ее преобразования.
Мощностная область представляет собой питание, которое преобразуется в механическую энергию (или она уже была преобразована генератором).
При резком отключении питания остаточная или избыточная энергия возвращается к статору. Минимальное влияние магнитного поля на работу двигателя является его основным отличием от аналогичных устройств.
Преимущества вентильного двигателя:
- Благодаря небольшому магнитному сопротивлению минимизируются потери энергии;
- Высокие показатели безопасности (возможность работы при пиковых нагрузках);
- Широкий диапазон скоростей;
- Мягкое переключение скоростей.
К числу недостатков автоматизированных вентильных электродвигателей можно причислить:
- Высокий уровень шума;
- Сложно управление;
- Относительно высокая стоимость, по сравнению с аналогичными устройствами.
Видео: из чего состоят вентильные двигатели
Конструкция
Тяговый вентильный двигатель (каталог Интерскол, Lenze, Борец для УЭЦН, ЭЦН) состоит из датчиков, которые указывают на положение ротора машины синхронного типа.
Совокупность этих механизмов называется электромеханической частью двигателя. Управляющая часть устройства включает в себя микроконтроллер и силовой мост.
Блок управления двигателем относится к логистическому неконструктивному участку системы.
Фото — Вентильный индукторный двигатель
Механическая часть устройства представляет собой синхронный привод, собранный из изолированных стальных листов. Такая конструкция способствует уменьшению вихревых токов, образующихся в обмотке и роторе.
Для нормальной работы прибора используются датчики Холла. Если в вентильном двигателе нет индикаторных приспособлений, сигналы поступают напрямую к магнитной установке. Этими же устройствами контролируется режим реверса.
Это необходимо для того, чтобы при погружении двигатель не остановился, а также дает возможность дистанционно контролировать его работу и менять установки.
Данная функция необходима при добыче нефти, угля, газа и буровых работах.
Фото — Принцип работы погружного двигателя
Шаговый микропроцессор обрабатывает все данные о положении ротора, согласно настройкам которого, контролируются ШИМ-сигналы. Нужно отметить, что при низком уровне данных сигналов, потребуется их усиление. Для этой цели используются специальные приборы, работающие по принципу микротрансформаторов.
Технические параметры:
| Марка, тип | Крутящий момент, Нм | Длина, мм | Максимально допустимая частота, мин-1 | Вес, кг |
| ДМВ 55 | 0,05; 1 | 61 | 420; 1800 | 0,4 |
| 5 ДВМ 55 | 0,23; 0,47; 0,7; 1,3 | 218 | 2000; 3000; 4000; 6000 | 4,5 |
| 5 ДВМ 155 | 2,3; 3,5; 4,7; 7 | 342 | 2000; 3000; 4000; 6000 | 13 |
| 5 ДВМ 165 | 10; 13; 17; 23 | 536 | 1000; 2000; 3000; 4000 | 67 |
| 5 ДВМ 215 | 23; 35; 47; 70 | 637 | 1000; 2000; 3000; 4000 | 28 |
Фото — Параметры вентильных двигателей
- Расчет двигателей производится по следующим формулам:
- Формула равновесия фаз: IRΣ+ EΣ= U
- Сумма ЭДС — E1= Emsin(∂+∂0), амплитуда ЭДС — Em= ko1pФw1Ω = (ko1pФN1Ω) / 2
- Обозначение угла коммутации двигателя:
- Ua = -Uq*sin0
- Ub = Uq*cos0
Виды устройства
Вентильные двигатели могут работать от переменного или постоянного тока. Помимо этого, их принято делить на следующие виды:
- Однофазное устройство. Это простейшие вентильные двигатели с наименьшим количеством связей между машиной и электроникой. К числу недостатков однофазных устройств следует отнести: пульсации, высокий крутящий момент, а также невозможность запуска на всех угловых положениях. Однофазные двигатели нашли широкое применение в машинах, где требуется высокая скорость.
- Двухфазный двигатель. Этот мотор при работе активизирует воздушный зазор либо, при дополнительной настройке, создает асимметрию в полюсах ротора. Это устройство устанавливается в машинах, где критична связь статора с обмоткой. К числу недостатков следует отнести высокий крутящий момент и пульсации, которые могут привести к пагубным последствиям.
- Трехфазный двигатель. Этот дисковый двигатель используется для запуска и создания крутящего момента, не используя при этом большого количества фаз. Данный тип двигателей используется в различных отраслях производства, а иногда и в бытовых условиях. Это самая популярная конструкция из всех представленных. Альтернативные 3-фазные машины с четным числом полюсов являются лучшим решением для приборов, где необходимо сочетание высокой мощности и низкой скорости, например, в насосах. Недостатки трехфазных двигателей: высокий крутящий моментом и повышенный уровень шума.
- Устройства с четырьмя фазами. У этих двигателей существенно снижен крутящий момент и пульсации, но сфера применения устройств ограничена высокой стоимостью и большой мощностью.
К сожалению, разработать и создать своими руками рабочий погружной или многофазный вентильный двигатель практически невозможно, намного проще купить нужную модель. В разных городах России и Украины цена вентильных двигателей может значительно варьироваться. Нижняя ступень будет около 8000 тысяч рублей, верхняя может достигать 20 000, в зависимости от области действия и производителя
Во многих сферах производства используются вентильные двигатели, в частности, на нефтяных скважинах, буровых установках, приводобежных механизмах, системах охлаждения воздуха на химических предприятиях.
Источник: https://www.asutpp.ru/ventilnyj-dvigatel.html
Синхронный двигатель с постоянными магнитами
Дмитрий Левкин
Главное отличие между синхронным двигателем с постоянными магнитами (СДПМ) и асинхронным электродвигателем заключается в роторе.
Проведенные исследования1 показывают, что СДПМ имеет КПД примерно на 2% больше, чем высоко эффективный (IE3) асинхронный электродвигатель, при условии, что статор имеет одинаковую конструкцию, а для управления используется один и тот же частотный преобразователь.
При этом синхронные электродвигатели с постоянными магнитами по сравнению с другими электродвигателями обладают лучшими показателями: мощность/объем, момент/инерция и др.
Конструкции и типы синхронного электродвигателя с постоянными магнитами
Синхронный электродвигатель с постоянными магнитами, как и любой вращающийся электродвигатель, состоит из ротора и статора. Статор — неподвижная часть, ротор — вращающаяся часть.
Синхронный электродвигатель со встроенными постоянными магнитами
Обычно ротор располагается внутри статора электродвигателя, также существуют конструкции с внешним ротором — электродвигатели обращенного типа.
Конструкции синхронного двигателя с постоянными магнитами: слева — стандартная, справа обращенная.
Ротор состоит из постоянных магнитов. В качестве постоянных магнитов используются материалы с высокой коэрцитивной силой.
Электродвигатель с неявно выраженными полюсами имеет равную индуктивность по продольной и поперечной осям Ld = Lq, тогда как у электродвигателя с явно выраженными полюсами поперечная индуктивность не равна продольной Lq ≠ Ld.
Сечение роторов с разным отношением Ld/Lq. Черным обозначены магниты. На рисунке д, е представлены аксиально-расслоенные роторы, на рисунке в и з изображены роторы с барьерами.
Статор состоит из корпуса и сердечника с обмоткой. Наиболее распространены конструкции с двух- и трехфазной обмоткой.
-
В зависимости от конструкции статора синхронный двигатель с постоянными магнитами бывает:
- с распределенной обмоткой;
- с сосредоточенной обмоткой.
Распределенной называют такую обмотку, у которой число пазов на полюс и фазу Q = 2, 3,…., k.
Сосредоточенной называют такую обмотку, у которой число пазов на полюс и фазу Q = 1. При этом пазы расположены равномерно по окружности статора. Две катушки, образующие обмотку, можно соединить как последовательно, так и параллельно. Основной недостаток таких обмоток — невозможность влияния на форму кривой ЭДС [2].
-
Форма обратной ЭДСэлектродвигателя может быть:
- трапецеидальная;
- синусоидальная.
Форма кривой ЭДС в проводнике определяется кривой распределения магнитной индукции в зазоре по окружности статора.
Известно, что магнитная индукция в зазоре под явно выраженным полюсом ротора имеет трапециидальную форму. Такую же форму имеет и наводимая в проводнике ЭДС. Если необходимо создать синусоидальную ЭДС, то полюсным наконечникам придают такую форму, при которой кривая распределения индукции была бы близка к синусоидальной. Этому способствуют скосы полюсных наконечников ротора [2].
Принцип работы синхронного двигателя
Принцип действия синхронного электродвигателя основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля статора и постоянного магнитного поля ротора. Концепция вращающегося магнитного поля статора синхронного электродвигателя такая же, как и у трехфазного асинхронного электродвигателя.
Принцип работы синхронного двигателя основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля статора и постоянного магнитного поля ротора.
Вращающееся магнитное поле синхронного электродвигателя
Магнитное поле ротора, взаимодействуя с синхронным переменным током обмоток статора, согласно закону Ампера, создает крутящий момент, заставляя ротор вращаться (подробнее).
Постоянные магниты, расположенные на роторе СДПМ, создают постоянное магнитное поле. При синхронной скорости вращения ротора с полем статора, полюса ротора сцепляются с вращающимся магнитным полем статора. В связи с этим СДПМ не может сам запуститься при подключении его напрямую к сети трехфазного тока (частота тока в сети 50Гц).
Управление синхронным двигателем с постоянными магнитами
Для работы синхронного двигателя с постоянными магнитами обязательно требуется система управления, например, частотный преобразователь или сервопривод.
При этом существует большое количество способов управления реализуемых системами контроля. Выбор оптимального способа управления, главным образом, зависит от задачи, которая ставится перед электроприводом.
Основные методы управления синхронным электродвигателем с постоянными магнитами приведены в таблице ниже.
Управление Преимущества Недостатки Синусоидальное Скалярное Векторное Полеориентированное управление С датчиком положения Без датчика положения Прямое управление моментом Трапециидальное Без обратной связи С обратной связью С датчиком положения (датчиками Холла) Без датчика| Простая схема управления | Управление не оптимально, не подходит для задач, где нагрузка меняется, возможна потеря управляемости |
| Плавная и точная установка положения ротора и скорости вращения двигателя, большой диапазон регулирования | Требуется датчик положения ротора и мощный микроконтроллер системы управления |
| Не требуется датчик положения ротора. Плавная и точная установка положения ротора и скорости вращения двигателя, большой диапазон регулирования, но меньше, чем с датчиком положения | Бездатчиковое полеориентированное управление во всем диапазоне скоростей возможно только для СДПМ с ротором с явно выраженными полюсами, требуется мощная система управления |
| Простая схема управления, хорошие динамические характеристики, большой диапазон регулирования, не требуется датчик положения ротора | Высокие пульсации момента и тока |
| Простая схема управления | Управление не оптимально, не подходит для задач, где нагрузка меняется, возможна потеря управляемости |
| Простая схема управления | Требуются датчики Холла. Имеются пульсации момента. Предназначен для управления СДПМ с трапециидальной обратной ЭДС, при управлении СДПМ с синусоидальной обратной ЭДС средний момент ниже на 5%. |
| Требуется более мощная система управления | Не подходит для работы на низких оборотах. Имеются пульсации момента. Предназначен для управления СДПМ с трапециидальной обратной ЭДС, при управлении СДПМ с синусоидальной обратной ЭДС средний момент ниже на 5%. |
Популярные способы управления синхронным двигателем с постоянными магнитами
Для решения несложных задач обычно используется трапециидальное управление по датчикам Холла (например — компьютерные вентиляторы). Для решения задач, которые требуют максимальных характеристик от электропривода, обычно выбирается полеориентированное управление.
Трапециидальное управление
Одним из простейших методов управления синхронным двигателем с постоянными магнитами является — трапецеидальное управление. Трапециидальное управление применяется для управления СДПМ с трапециидальной обратной ЭДС.
При этом этот метод позволяет также управлять СДПМ с синусоидальной обратной ЭДС, но тогда средний момент электропривода будет ниже на 5%, а пульсации момента составят 14% от максимального значения.
Существует трапециидальное управление без обратной связи и с обратной связью по положению ротора.
Управление без обратной связи не оптимально и может привести к выходу СДПМ из синхронизма, т.е. к потери управляемости.
-
Управление с обратной связьюможно разделить на:
- трапециидальное управление по датчику положения (обычно — по датчикам Холла);
- трапециидальное управление без датчика (бездатчиковое трапециидальное управление).
В качестве датчика положения ротора при трапециидальном управлении трехфазного СДПМ обычно используются три датчика Холла встроенные в электродвигатель, которые позволяют определить угол с точностью ±30 градусов. При таком управление вектор тока статора принимает только шесть положений на один электрический период, в результате чего на выходе имеются пульсации момента.
Трапециидальное управление по датчикам Холла
Полеориентированное управление
Полеориентированное управление позволяет плавно, точно и независимо управлять скоростью и моментом бесщеточного электродвигателя. Для работы алгоритма полеориентированного управления требуется знать положение ротора бесщеточного электродвигателя.
-
Существует два способа определения положения ротора:
- по датчику положения;
- без датчика — посредством вычисления угла системой управления в реальном времени на основе имеющейся информации.
Полеориентированное управление СДПМ по датчику положения
-
В качестве датчика угла используются следующие типы датчиков:
- индуктивные: синусно-косинусный вращающийся трансформатор (СКВТ), редуктосин, индуктосин и др.;
- оптические;
- магнитные: магниторезистивные датчики.
Полеориентированное управление синхронным двигателем с постоянными магнитами по датчику положения ротора
Полеориентированное управление СДПМ без датчика положения
Благодаря бурному развитию микропроцессоров с 1970-х годов начали разрабатываться бездатчиковые векторные методы управления бесщеточными электродвигателями переменного тока. Первые бездатчиковые методы определения угла были основаны на свойстве электродвигателя генерировать обратную ЭДС во время вращения.
Обратная ЭДС двигателя содержит в себе информацию о положении ротора, поэтому вычислив величину обратной ЭДС в стационарной системе координат можно рассчитать положение ротора.
Но, когда ротор не подвижен, обратная ЭДС отсутствует, а на низких оборотах обратная ЭДС имеет маленькую амплитуду, которую сложно отличить от шума, поэтому данный метод не подходит для определения положения ротора двигателя на низких оборотах.
-
Существует два распространенных варианта запуска СДПМ:
- запуск скалярным методом — запуск по заранее определенной характеристики зависимости напряжения от частоты. Но скалярное управление сильно ограничивает возможности системы управления и параметры электропривода в целом;
- метод наложения высокочастотного сигнала – работает только с СДПМ у которого ротор имеет явно выраженные полюса.
Полеориентированное управление синхронным двигателем с постоянными магнитами без датчика положения ротора со скалярным запуском
На текущий момент бездатчиковое полеориентированное управление СДПМ во всем диапазоне скоростей возможно только для двигателей с ротором с явно выраженными полюсами.
Источник: https://engineering-solutions.ru/motorcontrol/pmsm/
Вентильные двигатели
Конференция завершена Эта статья набрала 0 голосов У данной статьи нет дипломов 
Вентильные двигатели
В последнее время стали популярными вентильные двигатели, которые успешно применяют в разных областях производства: на буровых установках, системах охлаждения в химической промышленности, нефтяных скважинах, приводах игрушек, транспорта, в бытовой технике. В отличие от машин постоянного тока, наличие щеточного аппарата в которых снижает их эффективность, беспроводные вентильные двигатели управляются электроникой. Они надежны и долговечны.
Что такое вентильный двигатель
Вентильный двигатель (ВД) – это электродвигатель, в котором коллекторно- щеточный узел заменен бесконтактным полупроводниковым коммутатором, управляемым датчиком положения. ВД работают от сети постоянного тока [1].
Бесконтактный двигатель – это система регулируемого электропривода, состоящая из электродвигателя, вентильного преобразователя и блока электронного управления, который коммутирует обмотки статора в зависимости от положения ротора.
Микроконтроллер, выполняющий роль устройства управления, регулирует вектор магнитного поля статора, учитывая положение ротора. Коммутация прибора реализуется при помощи вентильного преобразователя.
Вентильные двигатели – электрические машины, в которых частота вращения вала не зависит от частоты в сети. Частота вращения регулируется изменением потока возбуждения и тока в якоре.
Преимущества вентильного двигателя
Вентильные двигатели имеют ряд достоинств [1]:
- потеря энергии минимальна вследствие небольшого магнитного сопротивления;
- высокий уровень безопасности даже при самых высоких нагрузках обеспечивается отсутствием контактных элементов, искрением при коммутации;
- широкий диапазон оборотов, мягкое переключение скоростей облегчает работу бытовых приборов и приводов в различных сферах производства;
- бесщеточные двигатели имеют высокие показатели КПД и мощности;
- отсутствие щеточного механизма не требует технического обслуживания, делает двигатель легче и компактнее;
- бесколлекторные электродвигатели могут использоваться в агрессивной и взрывоопасной среде, что расширяет область их применения;
- высокая точность работы и динамика повышает эффективность прибора;
- вентильные двигатели практически не создают радиопомех.
Недостатки
В то же время у вентильных двигателей есть и недостатки:
- высокий уровень шума;
- сложное управление инверторами;
- высокая цена.
Конструкция бесконтактного двигателя [2]
Чтобы разобраться в том, что собой представляет вентильный двигатель и как он работает, необходимо знать его устройство.
Состоит бесколлекторный двигатель из ротора с постоянными магнитами и статора с обмотками. Двигателем управляет электронный регулятор. Магнит, входящий в состав ротора, имеет разное количество пар чередующихся полюсов. Их число может составлять от 2 до 8.
Раньше роторы выпускались с ферритовыми магнитами, потому что стоимость их была невысока. Но из-за того, что у них малая магнитная индукция, их заменили. В настоящее время в роторе используют магниты, изготовленные из редкоземельных элементов, имеющих высокую магнитную индукцию.
Статор бесконтактного вентильного двигателя имеет традиционную конструкцию. Он состоит из корпуса, сердечника и обмотки, уложенной по его периметру. Корпус применяется для защиты двигателя.
Наиболее распространены трехфазные вентильные двигатели. Обмотка статора в них изготовлена из меди. Медный провод состоит из одной или нескольких изолированных жил.
Статор выполняется из нескольких листов шихтованной стали, сложенных вместе. Они снижают вихревые потоки. Количество зубьев статора должно быть кратно 3, потому что двигатель трехфазный.
Число зубьев может быть меньше или больше числу полюсов на роторе.
Обмотки на статоре соединены двумя способами: схемой «звезда» или «треугольник.» Схема «звезда» применяется для создания больших крутящихся моментов, а «треугольник» для больших скоростей вращения.
На статоре расположены датчики Холла таким образом, чтобы на них действовали магниты ротора. Угол между датчиками должен быть 120 градусов. Иногда датчики располагают снаружи двигателя. Датчики Холла определяют положение ротора, в зависимости от которого подается напряжение на соответствующие обмотки. В трехфазном двигателе используются 3 датчика.
Кроме датчиков Холла распространены фотоэлектрические. Фотоэлектрический датчик имеет три стационарных приемника, каждый из которых по очереди закрывается шторкой, двигающейся синхронно с ротором. Датчики фиксируют 6 положений ротора. Сигналы от датчиков преобразуются устройством управления в импульсы напряжения, которые воздействуют на силовые ключи.
Получается, что в каждую фазу работы двигателя включены два ключа, и к сети подключены последовательно две из трёх обмоток якоря. Обмотки якоря расположены на статоре со сдвигом на 120°, их начала и концы соединены так, что при переключении ключей создаётся вращающееся магнитное поле.
Фотоэлектрические датчики и датчики Холла не имеют инерционности, поэтому определяют положение ротора без запаздывания [3].
Силовые ключи в системе управления представлены тиристорами или транзисторами с изолированным затвором. Из силовых ключей собирается инвертор напряжения или инвертор тока. Управляет работой двигателя микроколлектор.
В вентильном двигателе находится также термодатчик. Он следит за тем, чтобы обмотки не перегревались. В состав термодатчика входят несколько последовательно соединенных позистора. Их сопротивление зависит от температуры: чем она выше, тем больше их сопротивление. Иногда в вентильном двигателе имеется тахогенератор для стабилизации скорости с большой точностью [3].
Принцип работы вентильного двигателя
Датчики указывают положение ротора машины. В зависимости от его положения устройство управления подает напряжение на обмотки статора. Контроллер двигателя подключает обмотки статора так, что направление поля от статора всегда перпендикулярно направлению поля ротора.
Благодаря широтно-импульсной модуляции микроконтроллер управляет током, проходящим через обмотки статора, а значит и величиной вектора магнитного поля статора. Так регулируется вращающийся момент, действующий на ротор. Коммутация происходит таким образом, что поток возбуждения ротора поддерживается постоянным относительно потока якоря [4].
В результате столкновения двух потоков-якоря статора и потока возбуждения ротора образуется вращающийся момент, который стремится повернуть ротор так, чтобы эти потоки совпали. Но при повороте ротора под воздействием датчика положения обмотки переключаются, и поток якоря поворачивается на следующий шаг.
Результирующий вектор тока сдвигается и остается неподвижным относительно потока ротора, в результате чего и возникает вращающийся момент на валу двигателя.
Основные характеристики вентильного двигателя
Существует несколько характеристик работы двигателя:
- режим работы. Он может быть длительным или кратковременным. При длительном режиме работы двигатель работает постоянно, не останавливается. Он устроен таким образом, что теплоотдача в среду больше, чем температура нагрева самого двигателя. Поэтому он не нагревается. Такой режим работы характерен для привода эскалатора, конвейера, вентиляции. Кратковременный режим работы предусматривает включение прибора на короткое время, за которое он не успевает нагреться до максимальной температуры. Затем его отключают, и температура, до которой он успел нагреться, снижается, аппарат остывает. Такой режим работы используется в бытовых приборах (фен, электробритва, лифт.);
- сопротивление обмотки двигателя. От этой характеристики зависит КПД двигателя. Чем ниже сопротивление в обмотке, тем выше КПД;
- максимальное рабочее напряжение. Оно представляет собой максимальное напряжение, которое может выдержать обмотка статора;
- максимальные обороты. Находят этот показатель, умножив максимальное напряжение на количество оборотов двигателя на один вольт без нагрузки на валу (Kv);
- максимальный ток. Данная характеристика обозначает наивысший показатель тока, допустимый в обмотке. Обычно указывают и время, в течение которого двигатель выдерживает максимальный ток. Максимальный ток зависит от температуры окружающей среды: чем ниже температура, тем выше данное время;
- максимальная мощность двигателя. Это мощность, которую может развить двигатель. Обычно указанный показатель устанавливается в течение нескольких секунд. Работая длительное время на максимальной мощности, двигатель может сильно перегреться и выйти из строя,
- номинальная мощность. Это мощность, при которой двигатель может работать в течение всего периода включения;
- угол опережения фазы (timing). Статор имеет некоторую индуктивность, которая тормозит рост тока в обмотке. Ток достигнет максимального значения в обмотке только через определенное время. Для компенсации задержки тока переключают фазы с опережением.
Классификация вентильных двигателей
Вентильные двигатели можно классифицировать по следующим признакам [5]:
- в зависимости от типа потребляемой энергии;
- по количеству фаз;
- по принципу работы.
В зависимости от типа потребляемой энергии различают два вида вентильных двигателей:
- бесконтактные двигатели постоянного тока. Они представляют собой машину постоянного тока с магнитоэлектрическим индуктором на роторе и обмоткой якоря на статоре. Вместо щеточно-коллекторного узла используется полупроводниковый коммутатор. Вращающийся момент возникает в процессе взаимодействия магнитных потоков ротора и статора. Фазные ЭДС вращения трапецеидальной формы;
- бесконтактные двигатели переменного тока. В них фазные ЭДС вращения синусоидальной формы. Именно такие машины в основном называют ВД.
Классифицировать их можно в зависимости от количества фаз в обмотке.
По такому принципу различают:
- однофазные двигатели. Это простейшее устройство, в котором связь между машиной и электроникой минимальна. Они применяются в основном в двигателях с высокой скоростью. У таких устройств масса недостатков: высокий вращающийся момент, пульсации, при некоторых положениях ротора запустить машину невозможно;
- двухфазные двигатели. Они используются в основном в механизмах, где необходима связь между обмотками и статором. Высокий момент вращения и сильные пульсации могут привести к негативным последствиям;
- трехфазные двигатели. Это самые востребованные двигатели. Они применяются на производстве и в быту, в транспорте. Трехфазные вентильные двигатели эксплуатируются в устройствах, требующих высокой мощности и небольшой скорости. У них четное количество полюсов. Этот двигатель используется для создания крутящего момента при малом количестве фаз. Недостатками таких двигателей считается повышенный показатель шума;
- четырехфазные двигатели применяются редко из-за их высокой стоимости. Они имеют пониженный момент вращения и минимальные пульсации.
Бесколлекторные двигатели подразделяются также по принципу работы [6]:
- Синхронные –наиболее популярные вентильные двигатели. Именно о них и шла речь выше в статье. Они называются так из-за одинакового (синхронного) вращения ротора с магнитным полем. Одним из представителей синхронных вентильных двигателей является реактивный. Роторы таких машин производят из тонколистной стали с пробитыми пазами таким образом, чтобы они намагничивались с одной стороны меньше, чем с другой. Стремление магнитного поля ротора соединится с вращающимся магнитным потоком статора и создает вращающийся момент. Снижение тепловых потерь в роторе увеличивает плотность мощности и повышает крутящийся момент.
- Асинхронные, Принцип регулирования скорости асинхронного двигателя в каскадных схемах заключается во введении в роторную цепь добавочной ЭДС (Едоб). Ток ротора в этом случае определяется разностью векторов ЭДС ротора (Е2) и добавочной (Едоб). В асинхронном двигателе ротор не вращается в противоположную сторону. Ротор следует за генерацией индукционного момента. Индуктор в таком двигателе не является генератором возбуждения магнитного поля ротора. Поэтому вентильный электродвигатель асинхронного типа может автономно заставлять вращаться ротор с определенной частотой от обмотки статора
- Индукторные. Это сочетание индукторной машины и вентильного преобразователя. Данный вид двигателя экономит электроэнергию почти в 2 раза, материалоемкость снижена в 1,7 раза. Вентильно-индукторный механизм применяется в приводах и устройствах на промышленных предприятиях. Основной принцип работы вентильного двигателя индукторного типа состоит в создании момента на его валу за счет взаимодействия ферромагнитных зубцов ротора с магнитным полем на катушках обмотки статора. Коммутация в катушках статора происходит за счет сигналов датчиков положения ротора.
Высокий показатель КПД, мощности, точность, безопасность, возможность использования в агрессивной среде позволяет интенсивно применять вентильные двигатели в современном мире, используя достижения науки и техники, микропроцессорной электроники, программных средств управления и производства высокоэнергетических постоянных магнитов.
Список литературы:
- «Вентильные электродвигатели», конспекты лекций Вятского государственного университета (ВятГУ). [Электронный ресурс] — Электрон. дан. —сайт «В универе» учебные материалы для студентов /Статьи в рубрике Электротехника/Специальные электрические машины,-2018- Режим доступа: https://vunivere.ru/work14943/page9 (дата обращения: 06.02.2018)
Источник: https://sibac.info/studconf/tech/lxv/107140
Загрузка...
