Синхронные машины переменного тока: §86. Назначение и принцип действия синхронной машины

§86. Назначение и принцип действия синхронной машины

Назначение. Синхронные машины используют в качестве генераторов и двигателей. Синхронные генераторы вырабатывают электрическую энергию трехфазного тока. Почти все генераторы переменного тока, устанавливаемые на больших и малых электрических станциях, являются синхронными. Мощность этих генераторов может быть самая различная, начиная от нескольких киловольт-ампер (на передвижных электростанциях) и кончая несколькими сотнями тысяч киловольт-ампер (на мощных центральных электростанциях). В Советском Союзе создан самый большой в мире синхронный генератор мощностью 1200 тыс. кВ*А. Синхронные двигатели используют, главным образом, для мощных электрических приводов. Синхронные генераторы применяют на тепловозах с электрической передачей переменно-постоянного тока. На этих тепловозах напряжение, полученное от синхронного генератора, выпрямляется полупроводниковыми преобразователями и подается на тяговые двигатели постоянного тока.

Принцип действия. На статоре 2 синхронной машины располагается трехфазная обмотка 1 (рис. 283,а), а на роторе 4 — полюсы (электромагниты) с обмоткой, питаемой постоянным током через контактные кольца 3 и щетки. Обмотка 5 полюсов, создающая магнитный поток возбуждения машины, называется обмоткой

Рис. 283. Электромагнитная схема синхронной машины (а), и схемы ее включения (б и в): 1—трехфазная обмотка статора; 2— ротор; 3— обмотка возбуждения; 4, 5 — обмотки якоря

возбуждения. Статор синхронной машины ничем не отличается от статора асинхронной машины; его обмотка имеет три (в двухполюсной машине), шесть (в четырехполюсной) или большее число катушек, сдвинутых одна относительно другой на соответствующие углы (120° или 60° и т. д.). При вращении ротора 4 с некоторой частотой n поток возбуждения пересекает проводники обмотки статора и индуцирует в ее фазах переменную э. д. с. Е₁, изменяющуюся с частотой

f₁ = pn/60 (86)

Благодаря тому что обмотки трех фаз синхронного генератора сдвинуты в пространстве на угол 120°, индуцируемые в них э. д. с. будут сдвинуты одна относительно другой по фазе на 1/3 периода. Если к обмотке статора подключить какую-либо нагрузку, то протекающий по этой обмотке трехфазный ток создает вращающееся магнитное поле, частота вращения которого

n₁ = 60f₁/p (87)

Из формул (86) и (87) следует, что n = n₁, т. е. ротор вращается с той же частотой, что и магнитное поле статора. По этой причине рассматриваемая машина называется синхронной. В такой машине результирующий магнитный поток Ф_рез создается совместным действием магнитодвижущих сил обмотки возбуждения и обмотки статора и вращается в пространстве с той же частотой вращения, что и ротор.

В синхронной машине обмотка 1 (рис. 283,б), в которой индуцируется э. д. с. и протекает ток нагрузки, называется обмоткой якоря, а часть машины, на которой расположена обмотка возбуждения,— индуктором. Следовательно, в машине, выполненной по схеме, показанной на рис. 283, статор является якорем, а ротор — индуктором. С точки зрения принципа действия и теории работы машины безразлично — вращается якорь или индуктор, поэтому в некоторых случаях применяют синхронные машины с обращенной электромагнитной схемой: у них обмотка якоря, к которой подключается нагрузка, располагается на роторе, а обмотка возбуждения, питаемая постоянным током,— на статоре.

Обмотка якоря обычно имеет семь выводов: от начал А, В, С и концов X, Y, Z фаз и от нулевой точки 0. Это дает возможность соединять фазы и подключать к ним нагрузку по различным схемам: «звезда», «звезда с нулевым проводом» и «треугольник».

Таким образом, синхронная машина имеет следующие особенности: ротор машины, работающей как в двигательном, так и в генераторном режимах, вращается с постоянной частотой вращения, равной частоте вращения вращающегося магнитного поля, т. е. n = n1; в обмотке ротора э. д. с. не индуцируется, а магнитное поле создается постоянным током, подводимым от внешнего источника, или постоянными магнитами.

Синхронные генераторы тепловозов с электропередачей переменно-постоянного тока имеют две обмотки якоря 6 и 7 (рис. 283, в), фазы которых OA и О’А’, ОВ и О’В’ и ОС и О’С’ сдвинуты на 30°. Выводы обмоток якоря подключены к полупроводниковому выпрямителю. В результате сдвига фаз обмоток якоря существенно уменьшается пульсация напряжения и тока на выходе выпрямителя, что улучшает работу тяговых двигателей постоянного тока (см. главу III).

Возбуждение синхронной машины. В качестве источника постоянного тока для питания обмотки возбуждения 1 синхронной машины может служить генератор постоянного тока 4 (возбудитель), установленный на валу ротора синхронной машины (рис. 284, а), или полупроводниковый выпрямитель 5, присоединенный к обмотке якоря 2 (рис. 284,б). Питание обмотки возбуждения от полупроводникового выпрямителя все более широко применяется как в двигателях и генераторах небольшой и средней мощности, так и в мощных турбо- и гидрогенераторах. Регули-

Рис. 284. Схемы питания обмотки возбуждения от возбудителя (а) и от полупроводникового выпрямителя (б)

рование тока возбуждения осуществляется вручную регулировочным реостатом 3, включенным в цепь обмотки возбуждения, или автоматически специальными регуляторами. Мощность, необходимая для возбуждения, составляет 0,3—3 % мощности синхронной машины, поэтому возбудитель или выпрямитель имеет малые размеры по сравнению с синхронной машиной.

Синхронные машины: возбуждение, устройство, принцип работы

Автор Фома Бахтин На чтение 3 мин. Просмотров 3.6k. Опубликовано 10 марта
Обновлено 19 ноября

Синхронными машинами называют устройства частота вращения ротора, в которых она всегда равна или же кратна аналогичному показателю магнитного поля внутри воздушного зазора, которое создается за счет тока проходящего по якорной обмотке. В основе работы данного типа машин лежит принцип электромагнитной индукции.

Возбуждение синхронных машин

Возбуждение синхронных машин может производиться за счет электромагнитного воздействия или же постоянного магнита. В случае с электромагнитным возбуждением применяется специальный генератор постоянного тока, который и питает обмотку, в связи со своей основной функцией данное устройство получило название возбудитель. Стоит отметить, что система возбуждения также делится на два вида по способу воздействия – прямой и косвенный. Прямой метод возбуждения подразумевает, что вал синхронной машины напрямую соединен механическим способом с ротором возбудителя. Косвенный же метод предполагает, что для того чтобы заставить ротор вращаться используется другой двигатель, например асинхронная электромашина.

Наибольшее распространение сегодня получил именно прямой метод возбуждения. Однако в тех случаях, когда предполагается работа системы возбуждения с мощными синхронными электромашинами применяют генераторы независимого возбуждения, на обмотку которых ток подается с другого источника постоянного тока, называемого подвозбудителем. Несмотря на всю громоздкость, данная система позволяет добиться большей стабильности в работе, а также более тонкой настройки характеристик.

Устройство синхронной машины

У синхронной электрической машины существует две основных составляющих части: индуктор (ротор) и якорь (статор). Самой оптимальной и потому распространенной на сегодняшний день является схема, когда якорь располагают на статоре, в то время как индуктор располагается на роторе. Обязательным условием для функционирования механизма является наличие между этими двумя частями воздушной прослойки. Якорь в данном случае представляет собой неподвижную часть устройства (статор). Он может состоять как из одной, так и из нескольких обмоток, в зависимости от необходимой мощности магнитного поля, которое он должен создавать. Сердечник статора, как правило, набирается из отдельных тонких листов электротехнической стали.

Индуктор в синхронных электрических машинах представляет собой электромагнит, при этом концы его обмотки выводятся непосредственно на контактные кольца на валу. Во время работы индуктор возбуждается постоянным током, благодаря которому ротор и создает электромагнитное поле, взаимодействующее с магнитным полем якоря. Таким образом, благодаря постоянному току, возбуждающему индуктор, достигается постоянная частота вращения магнитного поля внутри синхронной машины.

Принцип действия синхронных машин

В основе принципа работы синхронной машины лежит взаимодействие двух типов магнитных полей. Одно из этих полей образуется якорем, другое же возникает вокруг возбуждаемого постоянным током электромагнита – индуктора. Непосредственно после выхода на рабочую мощность магнитное поле создаваемое статором и вращающееся внутри воздушной прослойки, сцепляется с магнитными полями на полюсах индуктора. Таким образом, для того чтобы синхронная машина достигла рабочей частоты вращения, требуется определенное время на ее разгон. После того как машина разгоняется до необходимой частоты, на индуктор подается питание от источника постоянного тока.

Синхронные машины переменного тока.

22.Образование вращающегося магнитного поля при двухфазной и трёхфазной системе.

Магнитное поле двухфазной и
трехфазной обмотки.

Рассмотрим вращающееся магнитное
поле трехфазной обмотки машины переменного
тока.

На статоре расположены три катушки,
оси которых сдвинуты взаимно на углы
120°. Каждая катушка для наглядности
изображена состоящей из одного витка,
находящегося в двух пазах (впадинах)
статора.

В действительности катушки имеют
большое число витков. Буквами А, В, С
обозначены начала катушек, X Y, Z — концы
их. Катушки соединены звездой, т. е. концы
X, Y, Z соединяются между собой, образуя
общую нейтраль, а начала А, В, С подключаются
к трехфазной сети переменного тока.
Катушки могут соединяться и треугольником.

По катушкам протекают синусоидальные
токи с одинаковым амплитудами Im и
частотой щ = 2рf, фазы которых смещены на
1/3 периода.

Токи, протекающие в катушках,
возбуждают переменные магнитные поля,
магнитные линии которых будут пронизывать
катушки в направлении, перпендикулярном
их плоскостям. Следовательно, средняя
магнитная линия или ось магнитного
поля, создаваемого катушкой А — X, будет
направлена под углом 90° к плоскости
этой катушки.

Направления магнитных полей всех
трех катушек показаны векторами ВА, ВВ
и ВС, сдвинутыми один относительное
другого также на 120°.

Условимся считать положительными
направления токов в катушках от начала
к концу обмотки каждой фазы.

При этом в проводниках статора,
подключенных к начальным точкам А, В,
С, токи, принятые положительными, будут
направлены на зрителя, а в проводниках,
подключенных к конечными точкам X, Y и
Z,- от зрителя.

Положительным направлениям токов
будут соответствовать положительные
направления магнитных полей, показанные
на том же рисунке и определяемые по
правилу буравчика.

Не касаясь количественной стороны
явления, определим сначала направления
магнитного поля, созданного трехфазной
обмоткой для различных моментов времени.

В момент t= 0 ток в катушке А — X равен
нулю, в катушке В — Y отрицателен, в катушке
С -Z положителен. Следовательно, в этот
момент тока в проводниках А и X нет, в
проводниках С и Z он имеет положительное
направление, а в проводниках B и Y —
отрицательное направление.

Назначение машин переменного тока.

Синхронные машины – это
бесколлекторные машины переменного
тока, имеющие синхронную частоту вращения
ротора, т. е. у них частота вращения
ротора равна частоте вращения магнитного
поля статора. В промышленности и на
железнодорожном транспорте синхронные
машины используют в основном как
генераторы; их устанавливают на мощных
тепловых, гидравлических и атомных
электростанциях, а также на тепловозах,
автомобилях, самолётах. В первом случае
мощностью до 1200 МВт, во втором – до 4400
кВт. В зависимости от типа привода
различают турбогенераторы, гидрогенераторы
и дизель-генераторы. Синхронные машины
также используются и в качестве
электродвигателей при мощности 100 кВт
и выше для приводов насосов, компрессоров,
вентиляторов и других механизмов.

Работа синхронной машины основана
на явлении электромагнитной индукции
и заключается в преобразовании
механической энергии в электрическую
энергию переменного тока (генераторы)
или электрической энергии переменного
тока в механическую (двигатели), т. е.
синхронная машина обладает обратимостью.

Синхронная машина состоит из
неподвижной части – статора,
в пазах которого расположена многофазная
(как правило, трёхфазная) обмотка и
вращающейся части – ротора с обмоткой
возбуждения, питаемой от источника
постоянного тока (возбудителя) через
контактные кольца и щётки. Синхронная
машина может работать автономно в
качестве генератора, питающего
подключенную к ней нагрузку, или
параллельно с сетью, к которой присоединены
другие генераторы. При работе параллельно
с сетью она может отдавать или потреблять
электрическую энергию, т. е. работать
генератором или двигателем. При
подключении обмотки статора к сети с
напряжением U1 и частотой f1 проходящий
по обмотке ток создаёт вращающееся
магнитное поле, частота вращения которого

n1 = 60×f1/p.

В результате взаимодействия этого
поля с током возбуждения Iв, проходящим
по обмотке ротора, создаётся электромагнитный
момент М, который при работе машины в
двигательном режиме является вращающим,
а при работе в генераторном режиме –
тормозным. В установившемся режиме
ротор неподвижен относительно магнитного
поля и вращается с частотой вращения
n1 = n2, где n2 — частота вращения ротора.
Таким образом, в установившемся режиме
ротор машины постоянного тока вращается
с постоянной частотой, равной частоте
вращающегося магнитного поля.

1 — сердечник статора, собранный
из листовой электротехнической стали,
2 — трехфазная обмотка статора, включаемая
в сеть переменного тока, 3 — сердечник
ротора, 4 — фазная обмотка ротора, 5 —
контактные кольца для соединения с
пусковым или регулировочным реостатом,
6 — короткозамкнутая обмотка ротора.

Синхронный электродвигатель принцип работы — Всё о электрике

Устройство синхронного двигателя

Все электродвигатели построены на одном и том же принципе взаимодействия магнитных полей. Катушка с сердечником из ферромагнитного материала оказывает заметное механическое воздействие на другую аналогичную катушку. Разноименные полюсы соленоидов притягиваются, а одноименные — отталкиваются.

Поэтому в двигателе должно быть пространственное перемещение полюсов магнитного поля, создаваемое одной его частью. А другая часть движка создает свои полюсы и откликается вращением на пространственное перемещение полюсов. Она может содержать как постоянные магниты, так и катушки с сердечником. Далее расскажем о том, как магнитные поля функционируют в синхронных двигателях, а также предоставим другую информацию об этих машинах.

Конструктивные особенности

Синхронный двигатель содержит

• часть конструкции, в которой создается перемещающееся магнитное поле, называемую статором;
• часть двигателя, которая вращается от воздействия магнитного поля, называемую ротором;
• провод, соединяющий движок с источником питания, который сравнивают с якорной цепью корабля. Чтобы указать на ту часть двигателя, которая присоединена к проводу, ее называют якорем. В рассматриваемой машине питающий провод присоединен к статору. Следовательно, это якорь.

Чем больше витков содержат взаимодействующие катушки, тем меньший ток потребуется для эффективной работы движка. Но сила тока — это не самая сложная проблема. Главное — создать пространственное перемещение магнитного поля, что весьма непросто.

По этой причине синхронный двигатель появился только после того, как заработал первый генератор. Его создал в 1891 г. М.О. Доливо-Добровольский. Обратимость электрических машин позволяет использовать их и генераторами, и двигателями. Обратима и синхронная машина. Но для движков существуют определенные конструктивные ограничения, которых нет у генераторов.

Принцип работы

Для получения направления вращения статор двигателя должен содержать как минимум две катушки. Только в такой конструкции можно создать направленное перемещение магнитного поля. Это определяет устройство и принцип работы многих электродвигателей, питаемых от сети. Для нормальной работы синхронной машины, если это генератор, статор может содержать только одну катушку и быть источником ЭДС. Его ротор вращается принудительно. При этом, независимо от направления вращения, на клеммах статора появится переменное напряжение.

Но если такой генератор используется как двигатель, направление вращения его ротора может быть в обе стороны.

Оно будет определяться

• либо положением ротора в момент подачи напряжения на клеммы статора;
• либо принудительно направлением стартового вращения.

Конструкцию большинства электрических машин в основном определяет система электроснабжения, с которой они связаны. В наши дни первичными источниками ЭДС являются трехфазные генераторы. Эти машины создают трехфазное напряжение. Оно позволяет непосредственно получать перемещающееся магнитное поле. Без него синхронные двигатели переменного тока не могут работать, так же, как и асинхронные движки.

Для этого используются три или две фазы, питающие обмотки статора движка. Устройство синхронного двигателя должно соответствовать схеме электропитания. Наилучший результат получается при трехфазной конструкции статора. В этом случае магнитное поле получается вращающимся. По этой причине трехфазный синхронный двигатель является наиболее эффективным, если его сравнивать с аналогами, но при меньшем числе фаз.

Электромагнитные процессы и вращение

Намагниченный ротор тянется за полем статора и поэтому вращается синхронно с ним. В этом и состоит принцип действия синхронного двигателя. Магнитный поток в теле ротора в основном определяет крутящий момент на вале движка. Чем больше магнитный поток, тем больше крутящий момент. При этом независимо от нагрузки на вал (в определенных пределах) его скорость вращения не изменяется. Меняется только взаимное положение полей статора и ротора, но не скорости вращения.

По мере увеличения нагрузки на вал полюсы ротора оказываются все больше позади поля статора. Число n оборотов в минуту ротора рассматриваемого двигателя зависит от того, сколько пар полюсов p у статора. Если он запитан переменным напряжением с частотой f , используется формула

В результате изменения положения ротора под нагрузкой уменьшается магнитный поток в сердечнике статора. Вследствие этого ток статора увеличивается и компенсирует уменьшение магнитного потока, противодействуя нагрузке на вале движка. Аналогичные процессы происходят в нагружаемом трансформаторе. Полюсы статора и ротора все больше удаляются друг от друга по мере увеличения нагрузки. Но частота оборотов остается неизменной до определенного момента.

Как только электромагнитные параметры конструкции статора оказываются меньше некоторого предельного значения, ротор останавливается. Время до полной остановки определяет привод, использующий синхронный электродвигатель. Конструкция ротора без специальных технических решений не позволяет получить крутящий момент за счет скольжения, как в асинхронном двигателе. То же самое получится, когда синхронные двигатели запускаются — скольжение отсутствует.

Но конструкция, в которой много пар полюсов и медленное вращение ротора, может быть исключением. На самостоятельный пуск движка влияет масса ротора и скорость перемещения поля статора мимо ротора. Обычно сила их взаимодействия может преодолеть инерцию ротора. Но после принудительной раскрутки тем или иным способом. Только при этих стартовых условиях возможна работа синхронного двигателя. Начальная скорость для входа в синхронизм обычно близка к параметрам вращающегося магнитного поля статора.

Разновидности движков

Конструкция ротора и принцип действия синхронной машины-двигателя напрямую связана

• с мощностью, которую надо создать на его вале,
• необходимой для этого величиной магнитного потока,
• параметрами напряжения питания статора.

Устройство синхронных машин небольшой мощности получается более простым при изготовлении магнитного ротора из специальных материалов. Так же применяется явно полюсный ротор с малой начальной намагниченностью. В результате получаются конструкции с постоянными магнитами, а также гистерезисные и синхронные реактивные двигатели. На статор этих движков подается переменное напряжение. Число фаз и частота соответствуют конструкции двигателя. В однофазных движках может быть использован конденсатор, через который подключается одна из двух обмоток статора. Но может быть применена схема из показанных далее вариантов.

Гистерезисный движок похож на синхронный реактивный двигатель. Эти синхронные машины переменного тока характеризует одинаковый принцип действия. Его определяет магнитное поле статора, намагничивающее ротор. Гистерезисный движок и синхронный реактивный электродвигатель своей надежностью не уступают асинхронным двигателям. Однако роторы этих синхронных машин всегда бывают существенно дороже роторов асинхронных движков.

С целью получения максимального силового взаимодействия и больших по величине крутящих моментов в роторе используется принцип электромагнита. При этом его называют индуктором с обмоткой возбуждения. Для ее питания применяется постоянное напряжение, которое подается на щетки. Они расположены на статоре и скользят по кольцам, установленным на роторе. Через эту пару скользящих контактов течет постоянный ток возбуждения.

Такое классическое устройство синхронной машины существует и в наши дни, но преимущественно в наиболее мощных моделях. Для запуска движков обычно используются конструктивные решения со скольжением магнитных полей, характерные для асинхронных двигателей. При наличии индуктора для этого достаточно накоротко замкнуть щетки. В синхронных электрических машинах движки без щеток в роторе делаются с пусковыми обмотками типа беличьей клетки. Могут быть иные конструктивные решения для асинхронного старта.

Важной особенностью рассматриваемых двигателей, питаемых переменным напряжением, является их польза при работе без механической нагрузки или при ее небольшой величине. В таком режиме работы при небольшом возбуждении реактивная мощность из сети потребляется, а при значительном — отдается в сеть. Тем самым увеличивается эффективность электроснабжения. Для этой цели делаются специальные движки, называемые синхронными компенсаторами.

Развитие полупроводниковых приборов позволило создавать вращающееся магнитное поле путем преобразования постоянного напряжения. Очевидно то, что такое техническое решение расширило возможности управления электрическими двигателями. Регулирование частоты питающего напряжения и бесконтактный индуктор — это главные достижения полупроводниковых моделей. Но при этом существуют ограничения, определяемые возможностями электронных ключей.

По этой причине наиболее мощные из всех существующих движков по-прежнему являются трехфазными индукторными конструкциями со щетками и кольцами.

Принцип действия синхронного двигателя

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.

Что такое синхронный двигатель и где он используется

Синхронные электродвигатели (СД) не так распространены, как асинхронные с короткозамкнутым ротором. Но используются там, где нужен большой крутящий момент и в процессе работы будут происходить частые перегрузки. Также такой тип двигателей используются там, где нужна большая мощность, чтобы приводить в движение механизмы, благодаря высокому коэффициенту мощности и возможности улучшать коэффициент мощности сети, что существенно снизит затраты на электроэнергию и нагрузку на линии. Что такое синхронный двигатель, где он используется и какие у него плюсы минусы мы рассмотрим в этой статье.

Определение и принцип действия

Если говорить простым языком, то синхронным называют электродвигатель, у которого скорость вращения ротора (вала) совпадает со скоростью вращения магнитного поля статора.

Кратко рассмотрим принцип действия такого электродвигателя — он основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля статора, которое обычно создаётся трёхфазным переменным током и постоянного магнитного поля ротора.

Постоянное магнитное поле ротора создаётся за счет обмотки возбуждения или постоянных магнитов. Ток в обмотках статора создаёт вращающееся магнитное поле, тогда как ротор в рабочем режиме представляет собой постоянный магнит, его полюса устремляются к противоположным полюсам магнитного поля статора. В результате ротор вращается синхронно с полем статора, что и является его основной особенностью.

Напомним, что у асинхронного электродвигателя скорость вращения МП статора и скорость вращения ротора отличаются на величину скольжения, а его механическая характеристика «горбатая» с пиком при критическом скольжении (ниже его номинальной скорости вращения).

Скорость, с которой вращается магнитное поле статора, может быть вычислена по следующему уравнению:

f – частота тока в обмотке, Гц, p – количество пар полюсов.

Соответственно по этой же формуле определяется скорость вращения вала синхронного двигателя.

Большинство электродвигателей переменного тока, используемых на производстве, выполнены без постоянных магнитов, а с обмоткой возбуждения, тогда как маломощные синхронные двигатели переменного тока выполняются с постоянными магнитами на роторе.

Ток к обмотке возбуждения подводится за счет колец и щеточного узла. В отличие от коллекторного электродвигателя, где для передачи тока вращающейся катушке используется коллектор (набор продольно расположенных пластин), на синхронном установлены кольца поперек одного из концов статора.

Источником постоянного тока возбуждения в настоящее время являются тиристорные возбудители, часто называемые «ВТЕ» (по названию одной из серий таких устройств отечественного производства). Ранее использовалась система возбуждения «генератор-двигатель», когда на одном валу с двигателем устанавливали генератор (он же возбудитель), который через резисторы подавал ток в обмотку возбуждения.

Ротор почти всех синхронных двигателей постоянного тока выполняется без обмотки возбуждения, а с постоянными магнитами, они хоть и похожи по принципу действия на СД переменного тока, но по способу подключения и управления ими очень сильно отличаются от классических трёхфазных машин.

Одной из основных характеристик электродвигателя является механическая характеристика. Она у синхронных электродвигателей приближена к прямой горизонтальной линии. Это значит, что нагрузка на валу не влияет на его обороты (пока не достигнет какой-то критической величины).

Это достигается именно благодаря возбуждению постоянным током, поэтому синхронный электродвигатель отлично поддерживает постоянные обороты при изменяющихся нагрузках, перегрузках и при просадках напряжения (до определенного предела).

Ниже вы видите условное обозначение на схеме синхронной машины.

Конструкция ротора

Как и любой другой, синхронный электродвигатель состоит из двух основных частей:

• Статор. В нём расположены обмотки. Его еще называют якорем.
• Ротор. На нём устанавливают постоянные магниты или обмотку возбуждения. Его также называют индуктором, из-за его предназначения — создавать магнитное поле).

Для подачи тока в обмотку возбуждения на роторе устанавливают 2 кольца (так как возбуждение постоянным током, на одно из них подают «+», а на другое «—»). Щетки закреплены на щеткодержателе.

Роторы у синхронных электродвигателей переменного тока бывают двух типов, в зависимости от назначения:

1. Явнополюсные. Четко видны полюса (катушки). Используют при малых скоростях и большом числе полюсов.
2. Неявнополюсные – выглядит как круглая болванка, в прорези на которой уложены провода обмоток. Используют при больших скоростях вращения (3000, 1500 об/мин) и малом числе полюсов.

Пуск синхронного двигателя

Особенностью этого вида электрических машин является то, что его нельзя просто подключить к сети и ожидать его запуска. Кроме того, что для работы СД нужен не только источник тока возбуждения, у него и достаточно сложная схема пуска.

Запуск происходит как у асинхронного двигателя, а для создания пускового момента кроме обмотки возбуждения на роторе размещают и дополнительную короткозамкнутую обмотку «беличью клетку». Её еще называют «демпфирующей» обмоткой, потому что она повышает устойчивость при резких перегрузках.

Ток возбуждения в обмотке ротора при пуске отсутствует, а когда он разгоняется до подсинхронной скорости (на 3-5% меньше синхронной), подаётся ток возбуждения, после чего он и ток статора совершает колебания, двигатель входит в синхронизм и выходит на рабочий режим.

Для ограничения пусковых токов мощных машин иногда уменьшают напряжение на зажимах обмоток статора, подключив последовательно автотрансформатор или резисторы.

Пока синхронная машина запускается в асинхронном режиме к обмотке возбуждения подключаются резисторы, сопротивление которых превышает сопротивление самой обмотки в 5 — 10 раз. Это нужно чтобы пульсирующий магнитный поток, возникающий под действием токов, наводимых в обмотке при пуске, не замедлял разгон, а также чтобы не повредить обмотки из-за индуцируемыми в ней ЭДС.

Видов таких машин очень много, выше была описана конструкция синхронного электродвигателя переменного тока с обмотками возбуждения, как самого распространенного на производстве. Есть и другие типы, такие как:

• Синхронные двигатели с постоянными магнитами. Это различные электродвигатели, такие как PMSM – permanent magnet synchronous motor, BLDC – Brushless Direct Current и прочие. Отличия, между которыми, состоят в способе управления и форме тока (синусоидальная или трапецивиденая). Их еще называют бесколлекторными или бесщеточными двигателями. Используются в станках, радиоуправляемых моделях, электроинструменте и т.д. Они работают не напрямую от постоянного тока, а через специальный преобразователь.
• Шаговые двигатели — синхронные бесщеточные двигатели, у которых ротор точно удерживает заданное положение, их используют для позиционирование рабочего инструмента в ЧПУ станках и для управления различными элементами автоматических систем (например, положение дроссельной заслонки в автомобиле). Состоят из статора, в этом случае на нём расположены обмотки возбуждения, и ротора, который выполнен из магнито-мягкого или магнито-твёрдого материала. Конструктивно очень похожи на предыдущие типы.
• Реактивные.
• Гистерезисные.
• Реактивно-гистерезисные.

Последние три типа СД также не имеют щеток, они работают за счет особой конструкции ротора. У реактивных СД различают три их конструкции: поперечно-расслоенный ротор, ротор с явновыраженными полюсами и аксиально-расслоенный ротор. Объяснение принципа их работы достаточно сложно, и займет большой объём, поэтому мы опустим его. Такие электродвигатели на практике вы, скорее всего, встретите нечасто. В основном это маломощные машины, используемые в автоматике.

Сфера применения

Синхронные двигатели стоят дороже чем асинхронные, к тому же требуют дополнительного источника постоянного тока возбуждения – это отчасти снижает ширину области применения этого вида электрических машин. Однако, синхронные электродвигатели используют для привода механизмов, где возможны перегрузки и требуется точное поддерживание стабильных оборотов.

При этом чаще всего используются в области больших мощностей — сотен киловатт и единиц мегаватт, и, при этом, пуск и остановка происходят достаточно редко, то есть машины работают круглосуточно долгое время. Такое применение обусловлено тем, что синхронные машины работают с cosФи приближенном к 1, и могут выдавать реактивную мощность в сеть, в результате чего улучшается коэффициент мощности сети и снижается её потребление, что важно для предприятий.

Преимущества и недостатки

Если говорить простыми словами, то у любой электрической машины есть свои плюсы и минусы. У синхронного двигателя положительными сторонами является:

1. Работа с cosФи=1, благодаря возбуждению постоянным током, соответственно они не потребляют реактивной мощности из сети.
2. При работе, с перевозбуждением отдают реактивную мощность в сеть, улучшая коэффициент мощности сети, падение напряжения и потери в ней и повышается КМ генераторов электростанциях.
3. Максимальный момент, развиваемый на валу СД, пропорционален U, а у АД — U² (квадратичная зависимость от напряжения). Это значит, что у СД хорошая нагрузочная способность и устойчивость работы, которые сохраняются при просадке напряжения в сети.
4. В следствие всего этого скорость вращения стабильна при перегрузках и просадках, в пределах перегрузочной способности, особенно при повышении тока возбуждения.

Однако существенным недостатком синхронного двигателя является то, что его конструкция сложнее, чем у асинхронных с КЗ-ротором, нужен возбудитель, без которого он не сможет работать. Всё это приводит к большей стоимости по сравнению с асинхронными машинами и сложностями в обслуживании и эксплуатации.

Пожалуй, на этом достоинства и недостатки синхронных электродвигателей заканчиваются. В этой статье мы постарались кратко изложить общие сведения о синхронных электродвигателях. Если у вас есть чем дополнить материал – пишите в комментариях.

{SOURCE}

Двигатель постоянного тока асинхронный или синхронный. Типы электродвигателей и принципы работы

Электродвигатель переменного тока

Электродвигатели разной мощности (750 Вт, 25 Вт, к CD-плееру, к игрушке, к дисководу)

Электрический двигатель
— это, электрическая машина , в которой электрическая энергия преобразуется в механическую, побочным эффектом является выделение тепла.

Классификация электродвигателей

• Двигатель постоянного тока
  постоянным током ;
  • Коллекторные двигатели постоянного тока. Разновидности:
  • Бесколлекторные двигатели постоянного тока (вентильные двигатели) с электронным переключателем тока;

• Двигатель переменного тока
  — электрический двигатель, питание которого осуществляется переменным током , имеет две разновидности:
  • Синхронный электродвигатель — электродвигатель переменного тока, ротор которого вращается синхронно с магнитным полем питающего напряжения;
  • Асинхронный электродвигатель — электродвигатель переменного тока, в котором частота вращения ротора отличается от частоты вращающего магнитного поля, создаваемого питающим напряжением.

• Однофазные — запускаются вручную, или имеют пусковую обмотку, или имеют фазосдвигающую цепь
• Многофазные

• Шаговые двигатели — Электродвигатели, которые имеют конечное число положений ротора. Заданное положение ротора фиксируется подачей питания на соответствующие обмотки. Переход в другое положение осуществляется путём снятия напряжения питания с одних обмоток и передачи его на другие.

• Вентильные двигатели — Электродвигатели, выполненные в виде замкнутой системы с использованием датчика положения ротора (ДПР), системы управления (преобразователя координат) и силового полупроводникового преобразователя (инвертора).

• Универсальный коллекторный двигатель (УКД) — коллекторный электродвигатель, который может работать и на постоянном токе и на переменном токе.

Из-за связи с низкой частотой сети (50 Герц) асинхронные и синхронные двигатели имеют больший вес и размеры, чем коллекторный двигатель постоянного тока и универсальный коллекторный двигатель той же мощности. При применении выпрямителя и инвертора с частотой значительно большей 50 Гц вес и размеры асинхронных и синхронных двигателей приближаются к весу и размерам коллекторного двигателя постоянного тока и универсального коллекторного двигателя той же мощности.

Синхронный двигатель с датчиком положения ротора и инвертором является электронным аналогом коллекторного двигателя постоянного тока.

История.

Принцип преобразования электрической энергии в механическую энергию электромагнитным полем был продемонстрирован британским учёным Майклом Фарадеем в 1821 и состоял из свободно висящего провода, окунающегося в пул ртути. Постоянный магнит был установлен в середине пула ртути. Когда через провод пропускался ток, провод вращался вокруг магнита, показывая, что ток вызывал циклическое магнитное поле вокруг провода. Этот двигатель часто демонстрируется в школьных классах физики, вместо токсичной ртути используют рассол. Это — самый простой вид из класса электрических двигателей. Последующим усовершенствованием является Колесо Барлова. Оно было демонстрационным устройством, непригодным в практ

Машины переменного тока: устройство, принцип работы, применение

Электрические машины выполняют ответственную функцию преобразования энергии в рабочих механизмах и генераторных станциях. Такие устройства находят свое место в разных областях, снабжая исполнительные органы достаточным силовым потенциалом. Одну из самых востребованных систем данного типа представляют машины переменного тока (МПТ), которые имеют несколько разновидностей и отличий внутри своего класса.

Общие сведения об МПТ

Сегмент МПТ или электромеханических преобразователей можно условно разделить на однофазные и трехфазные системы. Также на базовом уровне выделяют асинхронные, синхронные и коллекторные устройства, при этом общий принцип действия и конструкционное исполнение у них имеет много схожего. Данная классификация машин переменного тока носит условный характер, поскольку современные станции электромеханического преобразования частично задействуют рабочие процессы от каждой группы устройств.

Как правило, в основе МПТ находится статор и ротор, между которыми предусматривается воздушный зазор. Опять же, независимо от типа машины, рабочий цикл строится на вращении магнитного поля. Но если в синхронной установке движение ротора соответствует направлению силового поля, то в асинхронной машине ротор может двигаться в другом направлении и с разными частотами. Это различие обуславливает и особенности применения машин. Так, если синхронные могут выступать и в качестве генератора, и как электромеханический двигатель, то асинхронные в основном используют как двигатели.

Что касается количества фаз, то выделяют одно- и многофазные системы. Причем, с точки зрения практического использования, заслуживают внимание представители второй категории. Это по большей части трехфазные машины переменного тока, в которых функцию энергоносителя как раз выполняет магнитное поле. Однофазные же устройства ввиду эксплуатационной непрактичности и крупных размеров постепенно выходят из практики применения, хотя в некоторых сферах решающим фактором их выбора является низкая стоимость.

Отличия от машин постоянного тока

Принципиальная конструкционная разница заключается в расположении обмотки. В системах переменного тока она охватывает статор, а в машинах постоянного тока – ротор. В обеих группах электродвигатели различаются по типу возбуждения тока – смешанные, параллельные и последовательные. Сегодня машины переменного и постоянного тока используются в промышленности, сельском хозяйстве и в бытовой сфере, однако первый вариант более привлекателен по своим эксплуатационным качествам. Генераторы и двигатели переменного тока выигрывают за счет более технологичной конструкции, надежности и высокой энергетической отдачи.

Применение устройств, работающих на постоянном токе, распространено в сферах, где на первый план выходят требования к точности регулирования рабочих параметров. Это могут быть тяговые механизмы транспорта, обрабатывающие станки и сложные измерительные приборы. В плане производительности машины постоянного и переменного тока имеют высокий КПД, но с разными возможностями технико-конструкционной подстройки под конкретные условия применения. Работа с постоянным током дает больше возможностей для управления частотой вращения, что важно при обслуживании серводвигателей и шаговых моторов.

Устройство асинхронной МПТ

Для технической основы данного устройства в виде ротора и статора используется листовая сталь, которую перед сборкой покрывают изоляционным масляно-канифольным слоем с обеих сторон. В машинах малой мощности сердечник может выполняться из электрической стали без дополнительного покрытия, поскольку изолятором в данном случае выступает естественный оксидный слой на металлической поверхности. Статор фиксируется в корпусе, а ротор на валу. В асинхронных машинах переменного тока большой мощности сердечник ротора может крепиться и на ободе корпуса втулкой, насаженной на вал. Непосредственно вал должен вращаться на подшипниковых щитах, которые также фиксируются к основе корпуса.

Внешние поверхности ротора и внутренние поверхности статора изначально обеспечиваются пазами для размещения проводников обмотки. У статора машин переменного тока обмотка чаще выполняется трехфазной и подключается к соответствующей сети на 380 В. Ее также называют первичной. Аналогично выполняется и обмотка ротора, окончания которой обычно формируют соединение в конфигурации звезды. Предусматриваются и контактные кольца, через которые дополнительно может подключаться реостат для регулировки или трехфазный пусковой элемент.

Важно отметить и параметры воздушного зазора, который выполняет функцию демпферной зоны, снижающей шум, вибрации и нагрев при работе устройства. Чем габаритнее машина, тем больше должен быть зазор. Его величина может варьироваться от одного до нескольких миллиметров. Если конструкционно невозможно оставить достаточно места для воздушной зоны, то предусматривается система дополнительного охлаждения установки.

Принцип работы асинхронной МПТ

Трехфазную обмотку в данном случае подключают к симметричной сети с трехфазным напряжением, в результате чего в воздушном зазоре формируется магнитное поле. Относительно обмотки якоря принимаются специальные меры для достижения гармонического пространственного распределения поля для демпферного зазора, что образует систему вращающихся магнитных полюсов. Согласно принципу действия машины переменного тока, на каждом полюсе формируется магнитный поток, который пересекает контуры обмотки, тем самым провоцируя генерацию электродвижущей силы. В трехфазной обмотке индуцируется трехфазный ток, обеспечивающий вращающий момент двигателя. На фоне взаимодействия тока ротора с магнитными потоками происходит формирование электромагнитной силы на проводниках.

Если ротор под действием внешней силы приводится в движение, направление которого соответствует направлению потоков магнитного поля машины переменного тока, то ротор начнет обгонять темпы вращения поля. Это происходит в тех случаях, когда частота вращения статора превосходит номинальную синхронную частоту. В то же время будет изменено направление движения электромагнитных сил. Таким образом формируется тормозящий момент с обратным действием. Данный принцип работы позволяет использовать машину и в качестве генератора, работающего в режиме отдачи активной мощности в сеть.

Устройство и принцип действия синхронных МПТ

В части исполнения и расположения статора синхронная машина похожа на асинхронную. Обмотка называется якорем и выполняется с тем же количеством полюсов, как и в предыдущем случае. У ротора предусматривается обмотка возбуждения, энергетическое снабжение которой обеспечивают контактные кольца и щетки, подключенные к источнику постоянного тока. Под источником подразумевается маломощный генератор-возбудитель, устанавливаемый на одном валу. В синхронной машине переменного тока обмотка выполняет функцию генератора первичного магнитного поля. В процессе проектирования конструкторы стремятся создавать условия для того, чтобы индукционное распределение поля возбуждения на поверхностях статора было как можно ближе к синусоидальному.

При повышенных нагрузках обмотка статора формирует магнитное поле с вращением в направлении ротора с аналогичной частотой. Таким образом образуется единое поле вращения, при котором поле статора будет оказывать воздействие на ротор. Данное устройство машин переменного тока позволяет их использовать как электродвигатели, если изначально обеспечивается подводка трехфазного тока к синхронной обмотке. Такие системы создают условия для координированного вращения ротора с частотой, соответствующей полю статора.

Явнополюсные и неявнополюсные синхронные машины

Главным отличием явнополюсных систем является присутствие в конструкции выступающих полюсов, которые крепятся к специальным выступам вала. В типовых механизмах фиксация выполняется с помощью Т-образных хвостовых крепежей к ободу крестовины или валу через втулку. В устройстве машин переменного тока малой мощности эта же задача может решаться болтовыми соединениями. В качестве материала обмотки используется полосовая медь, которую наматывают на ребро, изолируя специальными прокладками. В наконечниках с полюсами в пазах размещаются стержни обмотки для пуска. В этом случае применяется материал с высоким удельным сопротивлением наподобие латуни. Контуры обмотки по торцам приваривают к короткозамыкающим элементам, образуя общие кольца для короткого замыкания. Явнополюсные машины с силовым потенциалом на 10-12 кВт могут выполняться в так называемой обращенной конструкции, когда якорь вращается, а полюса индуктора сохраняют неподвижное состояние.

У неявнополюсных машин конструкция базируется на цилиндрическом роторе, выполняемом из стальной поковки. В роторе присутствуют пазы для формирования обмотки возбуждения, полюса которой рассчитываются на высокие частоты вращения. Однако применение такой обмотки в электрических машинах с переменным током большой мощности невозможно из-за высокой степени износа ротора в жестких условиях эксплуатации. По этой причине даже в установках средней мощности для роторов применяют высокопрочные компоненты из цельных поковок на основе хромоникельмолибденовых или хромоникелевых сталей. В соответствии с техническими требованиями к прочности, максимальный диаметр рабочей части у ротора неявнополюсной синхронной машины не может быть выше 125 см. Это объясняет необычный форм-фактор ротора с удлиненным корпусом, хотя и по данному параметру есть ограничения, связанные с увеличением вибраций у слишком длинных элементов. Предельная длина ротора составляет 8,5 м. К неявнополюсным агрегатам, которые используются в промышленности, можно отнести различные турбогенераторы. С их помощью, в частности, связывают рабочие моменты паровых турбин с тепловыми энергостанциями.

Особенности вертикальных гидрогенераторов

Отдельный класс явнополюсных синхронных МПТ, обеспеченных вертикальным валом. Такие установки подключаются к гидравлическим турбинам и подбираются под мощности обслуживаемых потоков по частоте вращения. Большинство машин переменного тока данного типа являются тихоходными, но при этом имеют большое количество полюсов. Среди ответственных рабочих компонентов вертикального гидрогенератора можно отметить упорный подшипник и подпятник, на который приходится нагрузка от вращающихся частей движка. На подпятник, в частности, накладывается и давление от потоков воды, которая действует на турбинные лопасти. Кроме того, для остановки вращения предусматривается тормоз, а в рабочей структуре также присутствуют направляющие подшипники, воспринимающие радиальные усилия.

В верхней части машины наряду с гидрогенератором могут размещаться вспомогательные агрегаты – например, возбудитель генератора и регулятор. К слову, последний представляет собой самостоятельную машину переменного тока с обмоткой и полюсами на постоянных магнитов. Данная установка обеспечивает питание двигателя для обеспечения функции автоматического регулятора. В больших вертикальных гидрогенераторах возбудитель может заменяться синхронным генератором, который вместе с возбудительными узлами и ртутными выпрямителями обеспечивает энергоснабжение силовых устройств, обслуживающих рабочий процесс основного гидрогенератора. Конфигурация машины с вертикальным валом также используется в качестве приводного механизма мощных гидравлических насосов.

Коллекторные МПТ

Наличие коллекторного узла в конструкции МПТ зачастую обуславливается необходимостью выполнения функции преобразования частоты вращения в электрической связи разночастотных цепей на обмотках ротора и статора. Это решение позволяет наделять устройство дополнительными эксплуатационными свойствами, в числе которых автоматическая регуляция рабочих параметров. Коллекторные машины переменного тока, которые подключаются к трехфазным сетям, получают по три щеточных пальца в каждом сегменте двойного полюсного деления. Соединение щеток между собой выполняется по параллельной схеме перемычками. В этом смысле коллекторные МПТ похожи на электродвигатели с постоянным током, но отличаются от них количеством применяемых щеток на полюсах. Помимо этого, статор в данной системе может иметь несколько дополнительных обмоток.

Замкнутая обмотка якоря при использовании коллектора с трехфазными щетками будет представлять собой трехфазную комплексную обмотку с соединением в виде треугольника. В процессе вращения якоря каждая фаза обмотки сохраняет неизменную позицию, однако секции поочередно переходят от одной фазы к другой. Если в коллекторной машине переменного тока используется шестифазный комплект щеток со сдвигом на 60° относительно друг друга, то формируется шестифазная обмотка с соединением по схеме многоугольника. На щетках многофазной машины с коллекторной группой частота тока определяется вращением магнитного потока по отношению к неподвижным щеткам. Направление вращения ротора может быть как встречным, так и согласованным.

Применение МПТ

Сегодня МПТ используются всюду, где в том или ином виде требуется генерация механической или электрической энергии. Крупные производительные агрегаты применяются в обслуживании инженерных систем, энергетических станций и подъемно-транспортных узлов, а маломощные – в обычной бытовой технике от вентиляторов до насосов. Но в обоих случаях назначение машин переменного тока сводится к выработке энергетического потенциала в достаточном объеме. Другое дело, что имеют принципиальное значение конструкционные отличия, реализация внутренней конфигурации статора и ротора, а также управляющая инфраструктура.

Хотя общее устройство МПТ на протяжении длительного времени сохраняет один и тот же набор функциональных компонентов, повышающиеся требования к эксплуатации таких систем заставляют разработчиков вносить дополнительные органы контроля и управления. На современном этапе технологического развития особенно в контексте применения машин переменного тока в производственной сфере эксплуатацию подобных двигателей и генераторов сложно представить без высокоточных средств регуляции рабочих параметров. Для этого используются самые разные способы управления – импульсный, частотный, реостатный и т.д. Внедрение автоматики в регулирующую инфраструктуру также является характерной чертой современной эксплуатации МПТ. Управляющая электроника подключается к силовой установке с одной стороны, а с другой – к программным контроллерам, которые по заданному алгоритму дают команды на установку конкретных параметров работы механизма.

Заключение

Генераторы тока и электродвигатели являются обязательным силовым компонентом в современной промышленности. За счет их функции работают станки, транспорт, коммуникационные установки и прочие электротехнические агрегаты и приборы, требующие энергоснабжения. При этом существует огромный массив видов и подвидов электрические машины переменного и постоянного тока, особенности и характеристики которых в итоге определяют нишу для их эксплуатации. К технико-эксплуатационным особенностям МПТ можно отнести более простое конструкционное устройство и относительно низкие требования к обслуживанию. С другой стороны, машины постоянного тока оказываются более привлекательным решением задач энергоснабжения в сложных ответственных системах питания. Отечественный производственный сегмент энергетического промышленного оборудования имеет огромный опыт в проектировании и выпуске электрических машин обоих типов. Крупные предприятия все больший упор делают на разработку индивидуальных решений с конструкционными и эксплуатационными особенностями. Отклонения от типовых проектов часто связаны с необходимостью подключения вспомогательных функциональных узлов и оборудования наподобие систем охлаждения, защитных средств от перегрева и сетевых колебаний, дополнительного и резервного питания. Кроме того, на часть конструкционных свойств электрических машин немалое влияние оказывает внешняя среда эксплуатации, что также учитывается на этапах проектирования и создания техники.

Что такое двигатель переменного тока? Определение и типы

Определение: Двигатель, преобразующий переменный ток в механическую энергию с помощью явления электромагнитной индукции, называется двигателем переменного тока. Этот двигатель приводится в действие переменным током. Статор и ротор — две наиболее важные части двигателей переменного тока. Статор — это неподвижная часть двигателя, а ротор — это вращающаяся часть двигателя. Двигатель переменного тока может быть однофазным или трехфазным.

Трехфазные двигатели переменного тока в основном используются в промышленности для преобразования большой мощности с электрической в ​​механическую.Для преобразования малой мощности в основном используются однофазные двигатели переменного тока. Однофазные двигатели переменного тока почти малы по размеру и обеспечивают широкий спектр услуг в доме, офисе, на предприятиях, на фабриках и т. Д. Почти все бытовые приборы например, холодильники, вентиляторы, стиральные машины, фены, миксеры и т. д. используют однофазный двигатель переменного тока.

Двигатели переменного тока в основном делятся на два типа. Это синхронный двигатель и асинхронный двигатель.

Синхронный двигатель

Двигатель, преобразующий электрическую мощность переменного тока в механическую энергию и работающий только с синхронной скоростью, известен как синхронный двигатель.

Принцип работы синхронного двигателя

Когда питание подается на синхронный двигатель, создается вращающееся поле. Это поле пытается увлечь за собой ротор, но не может этого сделать из-за инерции ротора. Следовательно, пусковой крутящий момент не создается. Таким образом, синхронный двигатель по своей сути не запускается автоматически.

Асинхронный двигатель или асинхронный двигатель

Машина, которая преобразует электрическую энергию переменного тока в механическую с помощью явления электромагнитной индукции, называемого асинхронным двигателем.Асинхронный двигатель в основном подразделяется на два типа: однофазный асинхронный двигатель и трехфазный асинхронный двигатель.

Принцип работы асинхронного двигателя

В индукционной машине обмотка якоря служит одновременно обмоткой якоря и обмоткой возбуждения. Когда обмотки статора подключены к питающему переменному току, в воздушном зазоре создается поток. Поток вращается с фиксированной скоростью, называемой синхронной скоростью. Этот вращающийся поток индуцирует напряжения в обмотке статора и ротора.Если цепь ротора замкнута, ток течет через обмотку ротора и реагирует с вращающимся потоком, создавая крутящий момент. В установившемся режиме ротор вращается со скоростью, очень близкой к синхронной.

Характеристики синхронных машин переменного тока

| Протокол

Синхронные двигатели

идеальны для приложений, требующих постоянной скорости вращения ротора, независимо от переменной нагрузки на валу, и почти повсеместно используются на электростанциях для регулирования частоты и напряжения.Синхронные машины состоят из внутреннего вращающегося сердечника, называемого ротором, и внешнего неподвижного кольца, называемого статором. Магнитное поле ротора фиксировано и создается с помощью постоянных магнитов или источника постоянного тока. В трехфазных синхронных двигателях ток течет к статору машины, и каждая фаза подключена к своему собственному набору обмоток статора. Это создает отдельное вращающееся магнитное поле, которое соответствует колебаниям тока питающей сети. Магнитные поля статора и ротора связаны или заблокированы, в результате чего ротор вращается со скоростью, точно такой же, как скорость вращения магнитного поля статора.Общая цель этого видео — представить трехфазные синхронные машины, продемонстрировать протоколы запуска и блокировки магнитных полей ротора и статора, а также проиллюстрировать протокол для определения влияния нагрузок двигателя на угол крутящего момента.

Чтобы преодолеть начальную инерцию до совмещения полей статора и ротора, трехфазная синхронная машина изначально работает как асинхронный двигатель. В этой процедуре вращающееся магнитное поле статора индуцирует ток в роторе с короткозамкнутым ротором, впоследствии создавая магнитное поле вокруг ротора и вызывая вращение.Как только скорость машины приближается к синхронной, на обмотку возбуждения подается постоянное напряжение. С этого момента электромагнитное возбуждение управляет магнитным полем ротора. При фиксированном магнитном поле ротора магнитные поля ротора и статора блокируются для достижения синхронизма ротора и статора. Следовательно, скорость синхронного двигателя регулируется скоростью вращения магнитного поля статора и не зависит от нагрузки. Хотя нагрузка на ротор не влияет на скорость вращения ротора в синхронном двигателе, она заставляет тягу ротора немного отставать от тяги статора.В то время как двигатель продолжает работать с синхронной скоростью, угловое смещение называется углом крутящего момента, который меньше при более низких нагрузках и больше при более высоких нагрузках. По мере увеличения механической нагрузки угол крутящего момента увеличивается до тех пор, пока угол не станет настолько большим, что ротор выйдет из синхронизма. Таким образом, эта высокая механическая нагрузка превышает предел, с которым может работать двигатель, и называется моментом пробоя. Теперь, когда были представлены синхронные двигатели, мы продемонстрируем процедуры запуска, синхронизации и определения характеристик.

Перед запуском синхронного двигателя проверьте источник питания постоянного тока, используемый для блокировки магнитных полей ротора и статора. Сначала замкните накоротко маломощный блок питания постоянного тока и включите его. Уменьшите ток в источнике питания до одной целой восемь десятых ампер, затем отключите питание и отключите цепь короткого замыкания. Испытание постоянным током измеряет сопротивление обмотки статора. Сначала подключите клеммы питания постоянного тока к портам 1 и 4 синхронного двигателя и включите питание. Затем запишите напряжение и ток постоянного тока на этих портах.Измените напряжение по мере необходимости, чтобы достичь предельного значения тока в одну целую восемь десятых ампера. Запишите напряжение, а затем выключите питание. Повторите измерения напряжения и тока, как описано для портов два и пять, а затем для портов три и шесть. Наконец, отключите источник постоянного тока, чтобы завершить проверку постоянного тока.

На следующем этапе протокола синхронная машина запускается в режиме асинхронного двигателя, а затем магнитные поля ротора и статора блокируются. Сначала убедитесь, что выключатель трехфазного разъединителя, выключатель синхронного двигателя и выключатель двигателя постоянного тока выключены.Затем убедитесь, что вариак установлен на нулевое выходное напряжение. При выключенном оборудовании подключите вариак к трехфазной розетке и подключите установку, как показано. Затем прикрепите небольшой кусок ленты к валу ротора синхронной машины переменного тока. Наконец, установите масштаб от 5 до 100 А токового пробника цифрового измерителя мощности. Теперь запустите двигатель, включив оборудование. Сначала убедитесь, что переключатель «Пуск-Работа» находится в положении «Пуск». Во-вторых, включите трехфазный выключатель.В-третьих, быстро увеличивайте вариационный выход, пока цифровой измеритель мощности не покажет около 115 вольт. Эти измерения соответствуют фазе A, фазному напряжению и току между фазой и нейтралью, поэтому измерение коэффициента мощности правильно отражает коэффициент мощности для каждой фазы. Затем измерьте крутящий момент двигателя в индукционном режиме. Наконец, измерьте скорость двигателя, используя технику стробоскопа. Для получения дополнительной информации об этой технике см. Видеофильм «DC Motors». После запуска машины и измерения начальных параметров она готова к синхронизации.Сначала включите источник питания постоянного тока на 125 вольт. Затем переведите переключатель «Пуск-Работа» в положение «Работа». Обратите внимание, как меняется звук машины. Когда магнитное поле ротора соединяется с вращающимся магнитным полем статора, звук машины становится более плавным. Когда магнитные поля ротора и статора заблокированы или синхронизированы, измерьте ток и напряжение якоря, мощность и коэффициент мощности. Затем измерьте напряжение возбуждения и ток на дисплее источника постоянного тока. Затем измерьте механические характеристики, крутящий момент и скорость.Наконец, выключите оборудование, начиная с источника питания постоянного тока. Затем переведите переключатель «Пуск-Работа» в положение «Пуск» и снова установите вариак на нулевой процентный выход. Наконец, выключите трехфазный выключатель.

Когда двигатель постоянного тока механически соединен с синхронной машиной для обеспечения механической нагрузки, угол крутящего момента в синхронном двигателе может быть изменен с помощью шунтирующего тока возбуждения в двигателе постоянного тока. Этот протокол исследует взаимосвязь между полевой нагрузкой двигателя и углом крутящего момента.При выключенном оборудовании подключите установку, как показано, и установите резистор нагрузки шунта на два кОм. Теперь включите оборудование, как описано ранее. Запишите электрические и механические параметры, как и раньше. Затем запишите угол крутящего момента с нагруженным шунтирующим полем. Для этого воспользуйтесь стробоскопом, чтобы визуально заморозить вал синхронного двигателя. Отрегулируйте частоту строба с помощью кнопки «курс», чтобы приблизительно соответствовать 1800 об / мин, синхронной скорости четырехтактной машины с частотой 60 Гц. Затем направьте стробоскоп на край вала двигателя и отрегулируйте «точную» головку до тех пор, пока вал не станет неподвижным. Сначала измерьте угол крутящего момента с RL, установленным на 200 Ом, и выключите S1 и S2.Затем повторите угловые измерения с нагруженным шунтирующим полем следующим образом. Включите S1 и измерьте разницу углов один, затем включите S2 и измерьте разницу углов два. Наконец, выключите S2, измените RL на 300 Ом и снова включите S2. Наконец, выключите оборудование, как описано ранее.

Сопротивление фазы постоянного тока оценивалось по результатам испытания на постоянном токе как отношение постоянного напряжения к постоянному току при приложении между фазным выводом и нейтралью. Фазное сопротивление способствует потерям в машине и вызывает падение напряжения на якоре.Сопротивление поля измерялось аналогичным образом путем подачи постоянного напряжения на обмотку возбуждения и измерения тока возбуждения. Сопротивление поля контролирует ток возбуждения. Напряжение поля можно изменять с фиксированным сопротивлением поля для изменения тока возбуждения. Наконец, угол крутящего момента стал больше с увеличением механической нагрузки, измененной за счет изменения тока шунтирующего поля в двигателе постоянного тока. Реальная мощность машины тогда связана с углом крутящего момента, как показано. Это говорит нам о том, что выходная мощность является максимальной, когда угол крутящего момента равен нулю.

Синхронные машины широко используются в приложениях, требующих постоянной скорости на валу двигателя с очень жестким регулированием скорости. Синхронные генераторы с трехфазным ротором являются основным источником электроэнергии во всем мире. Чтобы подключить генератор на одном заводе к электрической сети, три фактора выходных напряжений генератора должны совпадать с параметрами сети, величиной, частотой и последовательностью фаз. В то время как автоматические синхронизаторы обычно используются на крупных электростанциях, простой метод ручной синхронизации демонстрируется в обучающем видео «Синхронизация синхронных машин переменного тока».«Синхронные двигатели часто используются для простых устройств, таких как шаровые мельницы. Шаровая мельница — это устройство, которое смешивает и измельчает материалы путем вращения цилиндра, содержащего маленькие металлические шарики. Удар шариков измельчает материалы, помещенные в цилиндр. часто используются для смешивания материалов, таких как краски, или для измельчения материалов, таких как растительное зерно.

Вы только что посмотрели введение Jove в описание характеристик синхронных машин переменного тока. Теперь вы должны понимать, как работают синхронные машины переменного тока, как запускать и синхронизировать машину , и распознавать влияние нагрузок двигателя на угол крутящего момента.Спасибо за просмотр.

Основное различие между синхронным и асинхронным двигателем

В чем разница между синхронным и асинхронным двигателем (асинхронным двигателем)

Электродвигатели — это машины, которые преобразуют электрическую энергию в механическую для выполнения механических операций. Эти двигатели могут быть предназначены для работы на переменном (AC) или постоянном (DC) токе. Двигатели переменного тока подразделяются на два типа; Синхронные двигатели и асинхронные двигатели.Оба они имеют некоторые общие черты, например, в своей конструкции, но они совершенно разные по работе и характеристикам.

Прежде чем перейти к списку различий между синхронным двигателем и асинхронным двигателем, мы собираемся обсудить их основы и то, как они работают. Для ясного объяснения вы можете знать разницу между однофазным и трехфазным источником питания, относящуюся к работе однофазных и трехфазных двигателей переменного тока.

Как работает двигатель переменного тока?

Как мы знаем из нашей предыдущей статьи «Различия между двигателями переменного и постоянного тока», двигатели постоянного тока работают по принципу магнитного поля, действующего на проводник с током, который испытывает механическую силу.Где статор генерирует статическое магнитное поле, а ротор, состоящий из нескольких обмоток, несет входной постоянный ток.

В двигателях переменного тока используется идея вращательного магнитного поля RMF. Статор состоит из нескольких обмоток, которые создают переменное магнитное поле при подаче входного переменного тока. Это магнитное поле вращается вокруг ротора.

Ротор, состоящий из обмоток или проводников с замкнутым контуром, пропускает ток либо посредством индукции, либо от внешнего источника тока, генерирующего собственное магнитное поле.Магнитное поле, создаваемое ротором, взаимодействует с вращающимся магнитным полем и начинает вращаться в его направлении.

Относительная разница между полем вращения статора и скоростью ротора называется скольжением. если скольжение двигателя равно нулю или ротор имеет ту же скорость вращения, что и поле вращения статора, двигатель называется синхронным двигателем переменного тока. если двигатель переменного тока имеет скольжение или существует разница между скоростью возбуждения статора и ротором, двигатель называется асинхронным двигателем.Чтобы узнать больше о различных типах двигателей, обратитесь к предыдущим сообщениям о двигателях BLDC (бесщеточный постоянного тока), шаговых двигателях и серводвигателях.

Связанные сообщения:

Синхронный двигатель

Как следует из названия, синхронный двигатель имеет ротор, который предназначен для вращения с той же скоростью, что и его вращающееся магнитное поле статора, называемое синхронной скоростью .

Статор создает вращающееся магнитное поле при подаче переменного тока.Ротор может быть спроектирован для создания собственного магнитного поля с использованием внешнего источника постоянного тока через контактные кольца или постоянного магнита .

Ротор предназначен для создания магнитных полюсов, равных полюсам статора или целых кратных полюсов. Когда статор и ротор находятся под напряжением, магнитное поле ротора блокируется с вращающимся магнитным полем статора, и он вращается с точной скоростью поля статора.

Из-за инерции синхронный двигатель не запускается сразу с синхронной скоростью (вращательное магнитное поле).Поэтому для обеспечения пускового момента используется дополнительная обмотка « демпферная обмотка ». Во время запуска он действует как асинхронный двигатель. Таким образом, предполагается, что синхронные двигатели не самозапускающиеся , им нужен дополнительный пусковой механизм.

Это может быть двигатель с отдельным возбуждением или без возбуждения, т.е. первый требует отдельного источника постоянного тока, возбуждает обмотки ротора и генерирует магнитное поле, в то время как последний описывает синхронный двигатель, ротор которого предназначен для намагничивания вращающимся магнитным полем статора. и вращается вместе с ним.

Ротор синхронного двигателя вращается с синхронной скоростью, которая зависит от частоты питания и полюсов обмоток статора. Следовательно, скорость двигателя не зависит от нагрузки. Чтобы изменять скорость синхронного двигателя, необходимо изменять частоту питания. Это достигается за счет использования частотно-регулируемого привода (VFD).

Связанные сообщения:

Асинхронный двигатель

Название асинхронного двигателя предполагает, что скорость ротора асинхронна со скоростью вращения магнитного поля статора.Точнее, ротор асинхронного двигателя вращается с относительно меньшей скоростью, чем статор RMF. Это связано с наличием проскальзывания между его скоростью статора и ротора.

Ротор асинхронного двигателя представляет собой короткозамкнутый ротор или ротор с обмоткой. Ротор с короткозамкнутым ротором построен с использованием тяжелых медных стержней, соединенных на конце с помощью токопроводящего кольца, которое электрически закорачивает их вместе. Ротор с обмоткой состоит из нескольких обмоток поверх многослойного стального сердечника.

Вращающееся магнитное поле статора вызывает индуцированный ток в роторе. Этот индуцированный ток течет внутри ротора, создавая собственное магнитное поле. Согласно закону Ленца, это поле ротора противодействует причине, которая его порождает, и пытается устранить ее, догоняя скорость статора RMF (синхронную скорость). При этом ротор вращается в направлении RMF статора. Асинхронный двигатель также известен как асинхронный двигатель , поскольку он работает по принципу индукции.

Асинхронный двигатель никогда не может работать на синхронной скорости, вместо этого она всегда ниже, чем синхронная скорость, и это зависит от скольжения двигателя. Причина в том, что индуцированный ток в роторе генерируется из-за разницы между полем статора и ротора. если в случае, если он работает с синхронной скоростью, это означает, что ротор магнитно заблокирован и между полем статора и ротора нет разницы. Следовательно, не будет магнитного потока, индуцирующего ток в роторе.Магнитный поток необходим для асинхронного двигателя, поэтому он должен работать с меньшей скоростью, чем его синхронная скорость.

Ротор с короткозамкнутым ротором имеет более простую конструкцию и позволяет наведенному току проходить через медные шины. Ротор с обмоткой позволяет пользователю изменять ток ротора во время его запуска, как это используется в «Пускателе двигателя». Дело в том, чтобы безопасно запустить двигатель, уменьшив огромный пусковой ток, потребляемый асинхронным двигателем. Обычно это делается путем последовательного подключения переменного резистора к обмоткам ротора через контактные кольца.

Скорость асинхронного двигателя зависит от скольжения двигателя, которое изменяется в зависимости от нагрузки и сопротивления ротора. Другими словами, скорость асинхронного двигателя может изменяться в зависимости от нагрузки или за счет изменения сопротивления ротора.

Связанное сообщение:

Различия между синхронным двигателем и асинхронным двигателем

В следующей таблице показаны ключевые различия между синхронным двигателем и асинхронным (индукционным) двигателем.

Синхронный двигатель	Асинхронный двигатель
Синхронный двигатель — это тип двигателя переменного тока, который работает с синхронной скоростью.	Асинхронный двигатель — это тип двигателя переменного тока, который работает на скорости ниже синхронной.
Он работает по принципу магнитной блокировки между полем ротора и статора.	Он работает по принципу электромагнитной индукции между статором и ротором.
Отсутствует скольжение, т.е. скольжение синхронного двигателя равно 0.	В асинхронном двигателе есть скольжение, и оно всегда больше 0.
Скорость двигателя зависит от частоты питания и количество полюсов статора. Н с = 120 f / P	Скорость двигателя зависит от нагрузки, сопротивления ротора и скольжения, с. она всегда меньше синхронной скорости. N = N с (1-с) N с
Скорость не меняется при изменении нагрузки, подключенной к двигателю.	Скорость меняется в зависимости от нагрузки двигателя.
Он не запускается автоматически и требует дополнительных обмоток для запуска двигателя.	Асинхронные двигатели самозапускаются и не требуют дополнительных механизмов.
Ротор требует дополнительного источника тока.	Ротор асинхронного двигателя не требует дополнительного питания.
Синхронному двигателю с независимым возбуждением требуется дополнительный источник постоянного тока для питания обмотки ротора.	Не требует дополнительных источников.
Также необходимы контактные кольца и щетки для подачи постоянного тока на обмотки ротора.	Для него не требуются контактные кольца, однако для управления скоростью можно использовать контактные кольца с намоткой.
Скорость двигателя регулируется только путем изменения частоты питания с помощью частотно-регулируемого привода.	Скорость двигателя можно регулировать с помощью переменного сопротивления ротора, а также с помощью устройств VFD.
Источник входного напряжения не изменяет скорость или крутящий момент синхронного двигателя.	Источник входного напряжения можно использовать для изменения крутящего момента и скорости двигателя.
Колебания основного напряжения питания не влияют на работу синхронного двигателя.	Колебания сетевого напряжения влияют на его скорость и работу.
Первоначальная стоимость выше, чем у асинхронного двигателя.	Асинхронные двигатели дешевле.
Операция сложная.	Операция проста и удобна для пользователя.
Если предлагают высокую эффективность и точность.	Они не так эффективны, как синхронный двигатель.
Может легко работать на очень низкой скорости с помощью частотно-регулируемого привода.	Работать на малой скорости довольно сложно.
Лучше всего работает на более низкой скорости, обычно ниже 300 об / мин.	Лучше всего подходит для работы на скорости выше 600 об / мин.
Может работать с запаздывающим, опережающим или единичным коэффициентом мощности, регулируя его возбуждение.	Асинхронный или асинхронный двигатель всегда работает с отстающим коэффициентом мощности.
Его также можно одновременно использовать для коррекции коэффициента мощности, используя его в качестве опережающего коэффициента мощности.	Его нельзя использовать для корректировки коэффициента мощности, а только для управления механическими нагрузками.
Поскольку он работает с постоянной скоростью, резкое изменение нагрузки вызовет колебания потребляемого тока.	В асинхронном двигателе такого явления нет.

Вывод этой статьи состоит в том, что синхронные двигатели эффективны, но дороже и используются для приложений со сверхнизкими оборотами, предлагая при этом функцию коррекции коэффициента мощности. С другой стороны, асинхронные двигатели используются для высоких оборотов с регулируемой скоростью, при этом они недороги и просты в эксплуатации.

Связанное сообщение об электрических двигателях.

Приводы синхронных машин с постоянными магнитами | IntechOpen

1. Введение

Электродвигатели — это электромеханические машины, которые используются для преобразования электрической энергии в механическую. Основными категориями двигателей переменного тока являются асинхронные и синхронные двигатели. Асинхронные двигатели называются машинами с одиночным возбуждением, то есть обмотки статора подключены к источнику переменного тока, тогда как ротор не имеет связи со статором или каким-либо другим источником питания.Мощность передается от статора к ротору только за счет взаимной индукции, из-за чего асинхронные двигатели называются асинхронными машинами.

Синхронным двигателям требуется питание переменного тока для обмоток статора и постоянного тока для обмоток ротора. Скорость двигателя определяется частотой питания переменного тока и числом полюсов синхронного двигателя, ротор вращается со скоростью вращающегося поля статора с синхронной скоростью, которая является постоянной. Изменения механической нагрузки в пределах номинальных значений машины не влияют на синхронную скорость двигателя [1].

Одним из типов синхронных двигателей является PMSM. PMSM состоит из обычных трехфазных обмоток в статоре и постоянных магнитов в роторе. Назначение обмоток возбуждения в традиционной синхронной машине достигается постоянными магнитами в PMSM. Обычная синхронная машина требует питания переменного и постоянного тока, тогда как для работы PMSM требуется только источник переменного тока. Одним из самых больших преимуществ PMSM по сравнению с его аналогом является устранение источника постоянного тока для возбуждения поля, как описано в [2].

Развитие PMSM произошло благодаря изобретению новых магнитных материалов и редкоземельных материалов. PMSM дает множество преимуществ при проектировании новейших систем управления движением. Энергоэффективные PMSM разработаны из-за наличия материалов постоянных магнитов с высокой плотностью магнитного потока.

В синхронных двигателях ротор вращается со скоростью вращающегося поля статора. Скорость вращающегося поля статора называется синхронной скоростью. Синхронную скорость ( ωs ) можно определить по частоте входного питания статора ( fs ) и количеству пар полюсов статора ( p ).Статор трехфазного синхронного двигателя состоит из распределенной синусоидальной трехфазной обмотки, тогда как ротор состоит из того же количества пар полюсов p , что и статор, возбуждаемый постоянными магнитами или отдельным источником питания постоянного тока, как указано в [3] .

Когда синхронная машина возбуждается трехфазным источником переменного тока, в статоре возникает магнитное поле, вращающееся с синхронной скоростью. Синхронная скорость этого вращающегося магнитного поля показана уравнением. (1).

N = 120fs / PrpmE1

где N, синхронная скорость, fs , частота переменного тока в Гц; П , количество полюсов; p , пары полюсов и это определяется как ( P /2).

2. Типы PMSM

PMSM классифицируются в зависимости от направления потока поля следующим образом:

1. Радиальное поле

2. Осевое поле

В радиальном поле направление потока вдоль радиус машины. Чаще всего используются двигатели с радиальным полем на постоянных магнитах. В осевом поле направление потока параллельно валу ротора. Двигатели с осевым полем на постоянных магнитах в настоящее время используются во множестве многочисленных приложений из-за их более высокой плотности мощности и быстрого ускорения.

Постоянные магниты могут быть размещены на роторе PMSM различными способами, как описано в [3, 4]. На рисунках 1 и 2 показаны постоянные магниты, установленные на поверхности внешней периферии пластин ротора. Этот тип конструкции обеспечивает самую высокую плотность потока в воздушном зазоре, но имеет недостаток, заключающийся в более низкой структурной целостности и механической прочности. Машины с таким расположением магнитов известны как PMSM для поверхностного монтажа.

Рисунок 1.

Поверхностный постоянный магнит.

Рисунок 2.

Постоянный магнит поверхностной вставки.

Еще один тип размещения постоянных магнитов в роторе — это встраивание постоянных магнитов внутрь пластин ротора. Этот тип конструкции машины обычно называется внутренним PMSM и показан на рисунках 3 и 4.

Рисунок 3.

Внутренний постоянный магнит.

Рисунок 4.

Внутренний постоянный магнит с ориентацией по окружности.

Разработать такую ​​конструкцию сложнее, чем роторы с постоянными магнитами для поверхностного монтажа или встроенного магнита.Встраиваемая конструкция ротора с постоянными магнитами имеет преимущества как поверхностных, так и внутренних устройств ротора с постоянными магнитами за счет более простой конструкции и механической прочности, с высоким соотношением квадратурной и прямой индуктивностей, соответственно.

Поверхностный PMSM с радиальным потоком обычно применяется в приложениях, требующих работы на низкой скорости. Эти машины имеют преимущество высокой удельной мощности по сравнению с другими типами PMSM. Внутренние PMSM используются для приложений, требующих высокой скорости.

Принцип работы идентичен для всех типов СДПМ, независимо от типа установки постоянных магнитов в ротор.

Важным значением типа установки постоянных магнитов на ротор является изменение значений индуктивности прямой и квадратурной осей, что объясняется ниже. Первичный путь потока через ротор с постоянными магнитами — прямая ось. Индуктивность статора при измерении в положении постоянных магнитов, выровненных с обмоткой статора, называется индуктивностью прямой оси.Индуктивность квадратурной оси измеряется путем поворота магнитов из уже выровненного положения (прямая ось) на 90 °, в этом положении железо (межполярная область ротора) видит поток статора. Плотность магнитного потока материалов постоянного магнита в настоящее время высока, а его проницаемость почти равна проницаемости воздуха, так что воздушный зазор между ротором и статором PMSM можно рассматривать как увеличение толщины постоянного магнита. Сопротивление прямой оси всегда больше, чем сопротивление квадратурной оси, так как действительный воздушный зазор прямой оси в несколько раз больше, чем реальный воздушный зазор, наблюдаемый квадратурной осью.

Значение такого неравномерного сопротивления состоит в том, что индуктивность прямой оси больше, чем индуктивность квадратурной оси, и это показано в формуле. (2).

Ld> LqE2

, где L _d — индуктивность вдоль прямой оси магнита, а L _q — индуктивность вдоль оси в квадратуре к оси магнита.

3. Моделирование PMSM

Для правильного моделирования и анализа системы необходимо полное моделирование модели привода.Ось двигателя была разработана с использованием теории системы отсчета ротора d-q, как показано на рисунке 5, как показано [5]. В любой конкретный момент времени t опорная ось ротора составляет угол θ _r с фиксированной осью статора, а вращающийся статор mmf создает угол α с осью d ротора. Видно, что в любой момент времени t статор mmf вращается с той же скоростью, что и ось ротора.

Рисунок 5.

Ось двигателя.

Необходимые допущения получены для моделирования PMSM без демпферных обмоток.

1. Насыщенность не учитывается.

2. Индуцированная ЭДС имеет синусоидальную природу.

3. Гистерезисные потери и потери на вихревые токи незначительны.

4. Нет динамики тока возбуждения.

Уравнения напряжения из модели задаются как λfE6

Подставляя уравнение.(5) и уравнение. (6) в уравнение. (3) и уравнение. (4)

Vq = Rsiq + ωrLdid + λf + ρLdidE7

Vd = Rsid − ωrLqiq + ρLdid + λfE8

Обработка уравнения. (7) и уравнение. (8) в матричной форме:

VqVd = Rs + ρLqωrLd − ωrLqRs + ρLdiqid + ωrλfρλfE9

Развиваемый крутящий момент двигателя определяется как:

Te = 32P2λdiq − λqidE10

, Теоретическое уравнение крутящего момента

TL + Bωm + JdωmdtE11

Решение для механической скорости ротора из уравнения. (11)

ωm = ∫Te − TL − BωmJdtE12

и

ωm = ωr2PE13

В приведенных выше уравнениях ω _r — электрическая скорость ротора, ω _m — механическая скорость ротора.

3.1 Преобразование Парка и динамическое моделирование d-q

Динамическое моделирование d-q системы используется для исследования двигателя в переходном состоянии, а также в условиях устойчивого состояния. Это достигается преобразованием трех фазных напряжений и токов в переменные оси dqo с помощью преобразования Паркса [4].

Преобразование переменных фазных напряжений V _abc в V _dqo переменные на оси системы отсчета ротора показаны в уравнениях:

VqVdVo = 23cosθrsinθr1 / 2cosθr − 120sinθr − 1201 / 2cosθr + 120sinθ2Vr + 120sinθ2Va + 1201 Vdqoto Vabc

VaVbVc = 23cosθrcosθr − 120cosθr + 120sinθrsinθr − 120sinθr + 120111VqVdVoE15

3.2 Эквивалентная схема PMSM

Эквивалентная схема необходима для правильного моделирования и проектирования двигателя. Это достигается и выводится из моделирования двигателя d-q с использованием уравнений напряжения статора. Исходя из предположения, поток оси d ротора представлен источником постоянного тока, который описывается следующим уравнением:

λf = LdmifE16

, где λ _f , магнитная связь поля; L _dm , индуктивность намагничивания по оси d; i _f , эквивалентный ток поля постоянного магнита.

На рисунке 6 показана эквивалентная схема PMSM без демпферных обмоток.

Рисунок 6.

Эквивалентная схема ПМСМ без демпферных обмоток.

4. Система привода синхронного двигателя с постоянными магнитами

Привод двигателя по существу состоит из четырех основных компонентов, таких как PMSM, инвертор, главный блок управления и датчик положения. Соединения компонентов показаны на рисунке 7.

Рисунок 7.

Компоненты привода синхронного двигателя с постоянными магнитами.

4.1 Инвертор

Для переменной частоты и величины инверторы источника напряжения — это устройства, которые преобразуют постоянный уровень постоянного напряжения в переменное переменное напряжение. Как указано в функции, эти инверторы обычно используются в приводах с регулируемой скоростью.

На рисунке 8 показан инвертор источника напряжения с напряжением питания В постоянного тока и шестью переключателями. Частота переменного напряжения может быть переменной или постоянной в зависимости от приложений [2, 6].

Рисунок 8.

Инвертор источника напряжения с питанием постоянного тока и нагрузкой (PMSM).

Трехфазные инверторы состоят из источника постоянного напряжения и шести переключателей включения / выключения питания, подключенных к модулю PMSM, как показано на рисунке 8. Выбор переключателей инвертора должен производиться с особой тщательностью, исходя из требований эксплуатации, номинальных характеристик и области применения. На рынке доступно несколько устройств, в том числе тиристоры, биполярные переходные транзисторы (BJT), полевые МОП-транзисторы (MOSFET), биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) и тиристоры отключения затвора (GTO).Было сделано предположение, что полевые МОП-транзисторы и IGBT-транзисторы являются предпочтительными в отрасли из-за их преимуществ, заключающихся в том, что стробирование МОП обеспечивает высокий коэффициент усиления мощности и преимущества управления. MOSFET считается универсальным устройством включения / выключения питания для приложений с низким энергопотреблением и низким напряжением, тогда как IGBT широко применяется в приложениях для приводов двигателей и других приложениях в диапазоне низкой и средней мощности. Силовые устройства, используемые в двигателях двигателей, требуют наличия индуктивного пути тока двигателя, обеспечиваемого встречно-параллельными диодами, когда переключатель выключен.

5. Методы управления PMSM

Многие методы, основанные как на конструкции двигателя, так и на методах управления, были предложены в литературе для уменьшения пульсаций крутящего момента в PMSM (рисунок 9).

Рисунок 9.

Классификация различных методов контроля.

5.1 Скалярное управление

Одним из способов управления двигателями переменного тока для приложений с регулируемой скоростью является скалярное управление без обратной связи, которое представляет собой наиболее популярную стратегию управления двигателями переменного тока с короткозамкнутым ротором.В настоящее время он используется в приложениях, где нет необходимости знать информацию об угловой скорости. Он подходит для широкого диапазона приводов, поскольку обеспечивает надежность за счет снижения динамических характеристик. Типичные области применения — приводы насосов и вентиляторов, а также недорогие приводы. Основная идея этого метода — невнимательное изменение частоты питающего напряжения от характеристики вала (положение, угловая скорость). Величина напряжения питания изменяется в соответствии с частотой в постоянном соотношении.В этом случае двигатель находится в состоянии, когда магнитный поток представляет собой номинальное значение, а двигатель не является ни избыточным, ни недостаточным возбуждением. Основное преимущество этого простого метода — работа в бессенсорном режиме, потому что алгоритм управления не требует информации об угловой скорости или фактическом положении ротора. Напротив, существенными недостатками являются зависимость скорости от момента внешней нагрузки, в основном для PMSM, и снижение динамических характеристик.

5.2 Векторное управление

Векторное управление PMSM позволяет раздельное управление как магнитным потоком, так и крутящим моментом с обратной связью, тем самым достигая структуры управления, аналогичной структуре управления отдельно возбужденной машины постоянного тока, как обсуждалось в [7].

5.2.1 Прямое управление крутящим моментом (DTC)

DTC — это одна из высокопроизводительных стратегий управления для управления машиной переменного тока. В приводах DTC потокосцепление и электромагнитный крутящий момент регулируются напрямую и независимо путем выбора оптимальных режимов переключения инвертора. Чтобы получить более быстрый выходной крутящий момент, низкую частоту переключения инвертора и низкие потери на гармоники в модели, делается выбор, чтобы ограничить потокосцепления и ошибки электромагнитного крутящего момента в пределах соответствующих диапазонов гистерезиса потока и крутящего момента.Требуемые оптимальные векторы переключения могут быть выбраны с помощью справочной таблицы вектора оптимального напряжения переключения. Это может быть получено с помощью простых физических соображений, включая положение вектора пространства статора и магнитной связи, доступные векторы переключения и требуемую магнитную связь крутящего момента.

5.2.2 Управление с ориентацией на поле (FOC) PMSM

Для управления двигателями с постоянными магнитами используется метод FOC для синхронного двигателя, который оценивается как двигатель постоянного тока. Обмотки статора двигателя питаются от инвертора, который генерирует схему переменного напряжения переменной частоты.Вместо независимого управления частотой инвертора частота и фаза выходной волны контролируются с помощью датчика положения.

FOC был изобретен в начале 1970-х годов и демонстрирует, что асинхронный двигатель или синхронный двигатель можно управлять, как двигателем постоянного тока с независимым возбуждением, посредством ориентации mmf статора или вектора тока по отношению к потоку ротора для достижения желаемой цели. . Чтобы двигатель вел себя как двигатель постоянного тока, системе управления необходимо знать положение мгновенного магнитного потока ротора или положение ротора двигателя с постоянными магнитами.Для этого нужен резольвер или абсолютный оптический кодировщик. Зная положение, можно рассчитать трехфазные токи. Его расчет с использованием текущей матрицы зависит от желаемого управления. Некоторые варианты управления — постоянный крутящий момент и ослабление магнитного потока. Эти возможности основаны на физических ограничениях двигателя и инвертора. Предел устанавливается номинальной скоростью двигателя, при которой заканчивается работа с постоянным крутящим моментом и начинается ослабление магнитного потока, как показано на рисунке 10, как показано в [7].Из литературы было обнаружено, что лучший контроль для PMSM, позволяющий заставить его вести себя как двигатель постоянного тока с использованием управления развязкой, известен как векторное управление или управление, ориентированное на поле. Компоненты крутящего момента магнитного потока и токов в двигателе разделяются векторным управлением через возбуждение его статора.

Рисунок 10.

Зависимость крутящего момента в установившемся состоянии от скорости.

Из динамической модели PMSM выводится векторное управление.

Принимая линейные токи в качестве входных сигналов,

ia = Imsinωrt + αE17

ib = Imsinωrt + α − 2π3E18

ic = Imsinωrt + α + 2π3E19

Запись приведенного выше уравнения.(17) к формуле. (19) в матричной форме:

iaibic = cosωrt + αcosωrt + α − 2π3cosωrt + α + 2π3ImE20

, где α — угол между полем ротора и вектором тока статора, ω r — скорость электрического ротора.

Используя преобразование Парка, токи, полученные в предыдущем цикле, преобразуются в ось системы отсчета ротора со скоростью вращения ротора ω r . Поскольку α фиксировано для данного момента нагрузки, токи по осям q и d фиксированы в системе отсчета ротора.Эти постоянные значения аналогичны токам якоря и возбуждения в машине постоянного тока с независимым возбуждением. Ток оси q явно эквивалентен току якоря машины постоянного тока. Ток оси d является током возбуждения, но не полностью. Это только частичный ток возбуждения; другая часть вносится эквивалентным источником тока, представляющим поле постоянного магнита. Таким образом, ток по оси q известен как составляющая, создающая крутящий момент, а ток по оси d называется составляющей, создающей магнитный поток, для токов статора.

Подставляя уравнение. (20) в уравнении. (14) и получение i _d и i _q в терминах I _m следующим образом:

iqid = ImsinαcosαE21

Используя уравнение. (3), уравнение. (4), уравнение. (10) и уравнение. (21) уравнение электромагнитного момента получается следующим образом:

Te = 32.P212Ld − LqIm2sin2α + λfImsinαE22

, где L _d и L _q — синхронные индуктивности по осям d и q. Каждый из двух членов уравнения имеет полезную физическую интерпретацию.Первый член крутящего момента «магнита» не зависит от i _d , но прямо пропорционален составляющей тока статора i _q . Напротив, второй член реактивного крутящего момента пропорционален произведению составляющих тока i _d и i _q и разнице значений индуктивности.

Как уравнение. (22) показывает, что крутящий момент зависит от типа ротора и его индуктивностей L _d , L _q и от постоянных магнитов, установленных на роторе.Невыступающие PMSM имеют магниты, установленные на поверхности на роторе, и член сопротивления исчезает, поскольку L _q равно L _d . Напротив, когда постоянные магниты установлены внутри, в электромагнитном крутящем моменте больше преобладает составляющая сопротивления, и выступ ротора вызывает разницу в L _q и L _d .

5.2.3 Моделирование синхронного двигателя с постоянными магнитами, приводимого в действие полевым управлением с использованием нечеткой логики управления с пространственно-векторной модуляцией для минимизации пульсаций крутящего момента

Одним из основных недостатков привода PMSM является возникающая пульсация крутящего момента, которую можно отнести к следующие источники:

1. взаимный крутящий момент, обусловленный взаимодействием поля ротора и токов статора;

2. реактивный момент, связанный с выступом ротора;

3. момент зубчатого зацепления из-за наличия пазов статора.

В этом разделе представлено применение управления с нечеткой логикой для уменьшения пульсации крутящего момента, связанного с полевым управлением, когда оно используется в управлении PMSM. FOC на основе SVPWM с управлением нечеткой логикой предлагается для эффективного выбора вектора напряжения статора для получения плавных характеристик крутящего момента. Существенными преимуществами пространственно-векторной модуляции являются простота микропроцессорной реализации. Кроме того, одним из преимуществ FOC является то, что он увеличивает эффективность, позволяя меньшим двигателям заменять более крупные без ущерба для крутящего момента и скорости.Еще одним преимуществом является то, что он обеспечивает более высокие динамические характеристики в случае приводов переменного тока с регулируемой скоростью и крутящим моментом.

Блок-схема предлагаемого ВОК с контроллером на основе нечеткой логики для привода PMSM показана на рисунке 11.

Рисунок 11.

Блок-схема PMSM, управляемого FOC, с использованием FLC с SVPWM.

Контроллер нечеткой логики (FLC) выполняет правило, основанное на получении входных данных, и выдает выходные данные путем дефаззификации. Входные данные — ошибка крутящего момента (e) и ошибка изменения крутящего момента (ce), а выход — предел крутящего момента (T *), что эквивалентно i _sqref .Затем проекции dq токов статора сравниваются с их эталонными значениями i _sqref и i _sdref = 0 (для получения максимального крутящего момента устанавливается равным нулю, если нет ослабления поля) и корректируются с помощью контроллеров тока PI. Выходы регулятора тока проходят через обратное преобразование Парка, и новый вектор напряжения статора подается на двигатель с использованием метода SVPWM.

5.2.3.1 Широтно-импульсная модуляция с пространственным вектором

ШИМ с пространственным вектором (SVPWM) относится к специальной методике определения последовательности переключения трех верхних силовых транзисторов инвертора трехфазного источника напряжения (VSI).Существует восемь возможных комбинаций включенного и выключенного состояний для трех верхних силовых транзисторов, которые определяют восемь конфигураций фазного напряжения. Этот метод ШИМ управляет двигателем на основе переключения векторов пространственного напряжения, благодаря чему получается приблизительное круговое вращающееся магнитное поле. Это приближает опорное напряжение Vref с помощью комбинации из восьми шаблонов переключения (V 0 _{-V 7} ). Векторы (V ₁ –V ₆ ) делят плоскость на шесть секторов (каждый сектор: 60 °).Vref создается двумя соседними ненулевыми векторами и двумя нулевыми векторами. Сектор переключения показан на рисунке 12, а в таблице 1 показан вектор переключения для инвертора.

Рисунок 12.

Переключение векторов и секторов.

12

C 906 906 906 906 906

9068

9068

постоянного тока + Vdc

Вектор	A +	B +	C +	A-	B-
V0 = {000}	ВЫКЛ	ВЫКЛ	ВЫКЛ	ВКЛ	ВКЛ	ВКЛ	0	0	0
V1 = {100685 ВЫКЛ	ВЫКЛ	ВЫКЛ	ВКЛ	ВКЛ	+ Vdc	0	−Vdc
V2 = {110}	ВКЛ	ВКЛ	ВЫКЛ	ВКЛ	ВЫКЛ	0	+ Vdc	−Vdc
V3 = {010}	ВЫКЛ	ВКЛ	ВЫКЛ	ВКЛ	ВЫКЛ	ВКЛ	-Vdc +
0
V4 = {011}	ВЫКЛ	ВКЛ	ВКЛ	ВКЛ	ВЫКЛ	ВЫКЛ	−Vdc	0
0	+ Vd }	ВЫКЛ	ВЫКЛ	ВКЛ	ВКЛ	ВКЛ	ВЫКЛ	0	−Vdc	+ Vdc
V6 = {101}	ВКЛ	ВКЛ	ВКЛ	ВКЛ. ВЫКЛ	ВКЛ	ВЫКЛ	+ Vdc	−Vdc	0
V7 = {111}	ВКЛ	ВКЛ	ВКЛ	ВЫКЛ	ВЫКЛ 0	ВЫКЛ 0 0	0

Таблица 1.

Векторы переключения для инвертора.

5.2.3.2 Настройка ПИ-регулятора

ПИ-регуляторы контура тока сравнивают фактический ток с опорным током и вырабатывают ток iq и id соответственно. Настройка PI выполняется методом проб и ошибок.

5.2.3.3 Контроллер нечеткой логики

Основная концепция FLC заключается в использовании экспертных знаний и опыта человека-оператора для разработки контроллера прикладного процесса, отношения ввода-вывода которого задаются набором правил нечеткого управления с использованием лингвистики. переменные вместо сложной динамической модели.

FLC сначала преобразует четкую ошибку и изменение переменных ошибок в нечеткие переменные, а затем преобразует их в лингвистические метки. Функции принадлежности связаны с каждой меткой, как показано на рисунке, которая состоит из двух входов и одного выхода. Входные данные — ошибка крутящего момента и ошибка изменения крутящего момента, а выход — предел крутящего момента. Система нечеткого вывода использует операторы «ЕСЛИ … ТО …», а соединители, представленные в операторе правила, представляют собой «ИЛИ» или «И» для создания необходимых правил принятия решений.

Лингвистические метки разделены на семь групп. Это: NB — отрицательный большой; НМ — отрицательная среда; NS — отрицательный малый; Z — ноль; PS — положительный малый; ПМ — положительная среда; ПБ — положительный большой. Каждый из входных и выходных данных содержит функции принадлежности со всеми этими семью лингвистиками.

На рисунке 13 показана ошибка скорости, на рисунке 14 показано изменение ошибки скорости, а на рисунке 15 показан предел крутящего момента.

Рисунок 13.

Вход ошибки крутящего момента в FLC.

Рисунок 14.

Изменение входного сигнала ошибки крутящего момента на FLC.

Рисунок 15.

Выход предельного момента FLC.

Отображение нечетких входов в требуемый выход выводится с помощью базы правил, как указано в таблице 2.

12

NB 9025 906

12

PB

909 909 NS

909 NM

909 PM

907 PM

909 PM

52.3.4 Результаты моделирования и обсуждение

Модель simulink FLC с FOC PMSM на основе SVPWM показана на рисунке 16, а модель генерации импульсов SVPWM показана на рисунке 17.

Рисунок 16.

Модель Simulink FLC с FOC PMSM на основе SVPWM.

Рисунок 17.

Модель Simulink для производства импульсов SVPWM.

FOC PMSM выполняется с использованием обычного контроллера PI и FLC с использованием методов SVPWM с использованием MATLAB версии R2009a, и результаты сравниваются с другими результатами, указанными в таблице 3.Параметры PMSM, использованные при моделировании, приведены в приложении.

e Δe	NB	NM	NS	Z	PS	PM
PM
	NB	NM	NM	NS	Z
NM	NB	NB	NB	NM	NS	Z	Z	NS	NS	Z	PS	PM
Z	NM	NM	NS	Z	PS	PS	NS	Z	PS	PS	PM	PB
PM	NS	Z	PS	PM	PM	PB	PB
PB	Z	PS	PM	PM	PB	PB	PB

Стратегии управления	Коэффициент пульсации крутящего момента (%)
Предлагаемый FLC с SVPWM	1,75
Mattavelli et al. [8]	3,8
Qian et al. [9]	3,9
Тарник и Мургас [10]	4
Хасаниен [11]	12

Таблица 3.

Сравнение стратегий управления в PMSM.

Пульсации крутящего момента можно рассчитать с помощью соотношения.

Коэффициент пульсации крутящего момента = размах крутящего момента Номинальный крутящий момент E23

Результаты моделирования показаны на рисунках 18-20.

Рисунок 18.

Выходной крутящий момент для PMSM на основе FOC с использованием FLC и SVPWM.

Рисунок 19.

Пульсации крутящего момента в PMSM на основе FOC с использованием FLC и SVPWM.

Рис. 20.

Динамический крутящий момент с использованием FLC с PMSM с полевым управлением на основе SVPWM.

Из рисунка 19 (кривая крутящего момента) следует, что пульсации крутящего момента колеблются от 7,91 Нм (минимум) до 8,05 Нм (максимум) для заданного эталонного крутящего момента 8 Нм.

Коэффициент пульсации крутящего момента (%) согласно уравнению. 23 определяется как = ((8,05–7,91) / 8) × 100 = 0,14 / 8 × 100 = 1,75.

Очевидно, что изменение крутящего момента, показанное в таблице 3, меньше в случае контроллеров с нечеткой логикой, и они могут достичь минимальной пульсации крутящего момента, чем другие методы управления. Было замечено, что обсуждаемая стратегия управления помогла снизить пульсации крутящего момента до 1.75%. Таким образом, при использовании контроллера на основе FLC пульсации полностью уменьшаются.

6. Дополнительные темы в приводах PMSM

6.1 Управление PMSM с датчиками положения ротора

Энкодеры, резольверы, датчики вихревых токов используются для определения положения ротора управления PMSM. Абсолютный энкодер имеет то преимущество, что он может сохранять информацию о местоположении в условиях отключения электроэнергии и в течение длительных периодов бездействия устройств. Он подходит для таких приложений, как управление потоком, перемещение крана и астрономические телескопы.Резольверы положения — это вращающиеся трансформаторы, в которых первичная обмотка размещена на роторе. Индуцированное напряжение на вторичной обмотке, смещенное на 90, будет другим, что зависит от угла вала ротора [12].

PMSM-регулятор с регулятором скорости и крутящего момента, в котором датчик углового положения ротора используется для получения обратной связи. Общая блок-схема представлена ​​на рисунке 21.

Рисунок 21.

Общая блок-схема управления PMSM с датчиком положения ротора.

PMSM-регулятор с регулятором скорости и крутящего момента, в котором датчик углового положения ротора используется для получения обратной связи.Общая блок-схема представлена ​​на рисунке 22.

Рисунок 22.

Схема управления СДПМ с датчиком углового положения [13].

6.2 Управление PMSM без датчиков положения

Схема управления для PMSM без датчиков, где информация о положении ротора используется в качестве обратной связи для контроллеров, представлена ​​на рисунке 23.

Рисунок 23.

Схема бессенсорного управления для PMSM.

Оценка магнитного потока статора используется для определения тока статора при прогнозируемом положении ротора.Ошибка в прогнозируемом положении ротора исправляется путем нахождения разницы между расчетным током статора и измеренным током [13].

6.2.1 Бездатчиковые схемы управления для PMSM

Трудности в оценке положения ротора по причинам: 1. скалярная оценка скорости и 2. начальное положение ротора неизвестно. Неизмеримые переменные PMSM оцениваются наблюдателями. Для приложений с нулевой скоростью считается подходящей метод отслеживания заметности, когда метод обратной ЭМП не работает на низкой скорости.Обычно для оценки положения ротора используются следующие методы: отслеживающий наблюдатель, отслеживающий фильтр состояния и вычисление арктангенса [14].

Наблюдатель скользящего режима, имеющий функцию переключения сигмовидной формы, эффективно подавляет колебания системы. Частота среза LPF настраивается на скорость ротора, так что скорость ротора становится регулируемой в реальном времени [15].

В системе векторного управления PMSM с пространственно-векторным инвертором источника напряжения PWM (SVPVM-VSI) реализовано одинарное шунтирующее измерение тока с помощью адаптивной системы эталонной модели (MRAS) для метода бессенсорного управления положением ротора [16].

Для оценки позиционной переменной PMSM: 1. Строится линейный наблюдатель Люенбергера 2. Предлагается контроллер PI-типа, основанный на LMI [17].

Для оценки положения ротора: 1. Дельта-сигма модуляция 2. Используется метод экстракционного фильтра CIC. Обнаружено, что в этой методике высокое отношение сигнал / шум [18].

Наблюдатель нейронной сети, используемый для оценки скорости / положения ротора в PMSM, где наблюдатель может отслеживать скорость вращения ротора в диапазоне низких скоростей с большей точностью [19].

Создается линеаризованная модель IPMSM, использующая FOC. Скорость ротора и фазовый ток модели оценивается расширенным фильтром Калмана (EKF) [20].

Предлагается новый SMO для достижения большей степени точности в оценке положения и скорости PMSM. Кроме того, наблюдатель сократил звенья фильтра и звенья фазовой компенсации, что позволило упростить традиционный SMO [21].

Создана упрощенная модель векторного управления PMSM с контроллером NNPID.Автоматическая настройка переменных может быть достигнута с помощью BP NNPID. Явление переброса устраняется в максимально возможной степени [22].

Возможность линеаризации обратной связи модели PMSM показана на примере нелинейной системы MIMO, а затем она была объединена с методом векторного управления. Для работы с нелинейной системой показано, что линеаризация с обратной связью является лучшим методом и имеет лучшие возможности управления [23].

Для оценки начального положения ротора предлагается стратегия запуска для преодоления недостатка управления на основе обратной ЭДС в нулевом и низком диапазонах скоростей.Контроллер на основе NN используется для управления током и скоростью FOC на основе обратной ЭДС PMSM. Улучшен динамический отклик ПМСМ открытого типа [24].

Модель IPMSM разработана на основе интеллектуального метода управления по принципу максимального крутящего момента на ампер (MTPA) для достижения характеристик динамического отклика для высокоточных сервосистем. Бесстойкий нечеткий контроллер предлагается с новым методом управления, который основан на использовании одного нейрона, который настраивает масштабный коэффициент выходного сигнала контроллера [25].

Для оценки положения ротора, скорости и сопротивления статора разработан взаимосвязанный наблюдатель скользящих режимов высшего порядка (HOSMO) для IPMSM [26].

Традиционное управление обратным шагом улучшено за счет добавления интегрального управления на каждом этапе стратегий отслеживания и регулирования. Это позволяет отбросить неопределенности и возмущения.

На сопротивление статора влияет случайное изменение температуры. Предлагается усовершенствованный метод компенсации сопротивления статора на основе переменного параметра PI.Путем построения математической модели прямого управления крутящим моментом (DTC) наблюдателя потока статора решается проблема ошибок, существующих в потоке статора [27].

6.2.2 Подавление пульсаций скорость-крутящий момент

Контроллер ILC реализован вместе с ПИ-регулятором скорости, чтобы минимизировать периодические колебания скорости. Когда алгоритм обучения реализован в частотной области, он показал лучшую производительность в минимизации колебаний скорости, чем реализация во временной области. Это связано с устранением фактора забывания (FF) в методе обучения во временной области [28].

Новый новый метод «Интеллектуальный датчик подшипника» реализуется путем изменения информации обратной связи, поступающей от датчика. Итеративное управление обучением (ILC) используется для устранения периодических ошибок для уменьшения колебаний скорости [29].

Предлагается новый метод «Мгновенное управление крутящим моментом» на основе контроллера нечеткой логики (FLC) с SVPWM для уменьшения пульсаций крутящего момента в PMSM. Результаты моделирования представлены в разделе 5.2.3 [30].

Для минимизации пульсаций крутящего момента PMSM предлагаются схемы мгновенного управления крутящим моментом, ориентированные на поле (a) ILC с гистерезисной широтно-импульсной модуляцией (HPWM), (b) ILC с SVPWM.Результаты моделирования показали, что ILC с SVPWM лучше контролирует пульсации крутящего момента [31].

Минимизация пульсаций крутящего момента PMSM достигается за счет использования нейронных сетей (NN). Традиционный метод векторного управления на основе ПИ-регулятора сравнивался с NN с прямой связью (FFNN). Моделирование показало, что регулятор NN имеет лучшее управление, чем регулятор PI [32].

6.2.3 Управление PMSM для конкретных приложений

В приложениях с высокой скоростью тяги диапазон скорости двигателя IPMSM расширяется за счет стратегии управления ослаблением магнитного потока с помощью одного регулятора тока, что приводит к устойчивой работе двигателя на высокой скорости [29].

Благодарности

Мы благодарны руководству и Школе электротехники и машиностроения Аддисс-Абебского научно-технического университета, Аддис-Абеба, Эфиопия, за их поддержку, поддержку и условия, предоставленные для работы с главой нашей книги.

5 A

901 901 901 901 901

Номинальная мощность	1 л.с.
Номинальный крутящий момент	8 Нм
Номинальное напряжение	300 В
68 Номинальный ток
Сопротивление статора	0,9585 Ом
Индуктивность L d	0,00525 H
Индуктивность L q
Кол-во полюсов	8
Момент инерции	0,0006329 кг м 2
Фактор трения	0,0003035 Нм / (рад / с)

c

900

частота кроссовера

i _d

ток оси d

L _dm

индуктивность намагничивания оси d

L _d

самоиндукция оси d

В _d

напряжение оси d

производный оператор

T _e

развивает электромагнитный момент

d

прямая или полярная ось

DTC

прямое управление крутящим моментом

ω _r

электрическая скорость

i _f

эквивалентный ток поля постоянного магнита

L _с

эквивалентная собственная индуктивность на фазу

λ _d

потокосцепление по оси d

λ _q

потокосцепление по оси q

λ _dm

потокосцепление из-за магнитов ротора, соединяющих статор

B

трение

FLC

контроллер нечеткой логики

J

инерция

k _i

интегральное усиление управления

T _L

номинальный крутящий момент

ω8 9015 номинальная скорость двигателя

T _м

крутящий момент двигателя

P

количество полюсов

I _м

пиковое значение питающего тока

λ _f

магнитная связь с постоянными магнитами или магнитная связь поля

k _p

пропорциональное усиление управления

i _q

Ток по оси q

L _qm

Индуктивность намагничивания по оси q

L _q

Самоиндуктивность по оси q

В _q

Напряжение оси q

q

квадратурная или межполярная ось

T _ref

эталонный крутящий момент двигателя

θ _r

положение ротора

ω _м

скорость ротора

L

самоиндуктивность

70002 лс индуктивность рассеяния статора

R _с

сопротивление статора

i _a , i _b , i _c

трехфазные токи

V _a , V _b , V _c

трехфазное напряжение

Синхронный двигатель

Синхронный электродвигатель — это двигатель переменного тока, отличающийся вращением ротора с катушками, пропускающими магниты с той же скоростью, что и переменный ток, и возникающим магнитным полем, которое его возбуждает.Другими словами, он имеет нулевое скольжение в обычных условиях эксплуатации. Сравните это с асинхронным двигателем, который должен проскальзывать, чтобы создавать крутящий момент.

Использует

Иногда синхронный двигатель используется не для управления нагрузкой, а для повышения коэффициента мощности в локальной сети, к которой он подключен. Это достигается за счет подачи реактивной мощности в сеть или потребления реактивной мощности из нее. В этом случае синхронный двигатель называется синхронным конденсатором.

На электростанциях почти всегда используются синхронные генераторы, потому что очень важно поддерживать постоянную частоту, на которой подключен генератор.

Приложения с низким энергопотреблением включают в себя позиционирующие машины, где требуется высокая точность, и приводы роботов.

Сетевые синхронные двигатели используются для электрических часов.

Преимущества

Синхронные двигатели имеют следующие преимущества по сравнению с несинхронными двигателями:
* Скорость не зависит от нагрузки при условии, что применяется соответствующий ток возбуждения.
* Точное управление скоростью и положением с помощью управления разомкнутым контуром, например. шаговые двигатели.
* Они будут удерживать свое положение при подаче постоянного тока как на статор, так и на обмотки ротора.
* Их коэффициент мощности можно отрегулировать до единицы, используя ток возбуждения, соответствующий нагрузке. Кроме того, «емкостной» коэффициент мощности (фаза тока, фаза напряжения, фаза напряжения) может быть получен путем небольшого увеличения этого тока, что может помочь достичь лучшей коррекции коэффициента мощности для всей установки.
* Их конструкция позволяет повысить электрический КПД, когда требуется низкая скорость (например, в шаровых мельницах и аналогичных устройствах).

Примеры

* Бесщеточный двигатель постоянного тока с постоянными магнитами.
* Шаговый двигатель.
* Медленный синхронный двигатель переменного тока.
* Коммутируемый реактивный двигатель.

См. Также

Фонд Викимедиа.
2010.

Wikizero — Синхронный двигатель

Миниатюрный синхронный двигатель, используемый в аналоговых часах.Ротор выполнен из постоянного магнита. Малый синхронный двигатель со встроенным понижающим редуктором от микроволновой печи

Синхронный электродвигатель представляет собой двигатель переменного тока, в котором в установившемся режиме ^[1] вращение вала синхронизируется с частотой питающего тока; период вращения в точности равен целому числу циклов переменного тока. Синхронные двигатели содержат многофазные электромагниты переменного тока на статоре двигателя, которые создают магнитное поле, которое вращается во времени с колебаниями сетевого тока.Ротор с постоянными магнитами или электромагнитами поворачивается синхронно с полем статора с той же скоростью и, как результат, обеспечивает второе синхронизированное вращающееся магнитное поле любого двигателя переменного тока. Синхронный двигатель называется с двойным питанием , если он снабжен многофазными электромагнитами переменного тока с независимым возбуждением как на роторе, так и на статоре.

Синхронный двигатель и асинхронный двигатель являются наиболее широко используемыми типами двигателей переменного тока. Разница между этими двумя типами заключается в том, что синхронный двигатель вращается со скоростью, привязанной к частоте сети, поскольку он не полагается на индукцию тока для создания магнитного поля ротора.Напротив, асинхронный двигатель требует скольжения : ротор должен вращаться немного медленнее, чем переменный ток, чтобы индуцировать ток в обмотке ротора. Малые синхронные двигатели используются в устройствах синхронизации, таких как синхронные часы, таймеры в приборах, магнитофонах и точных сервомеханизмах, в которых двигатель должен работать с точной скоростью; Точность скорости — это точность частоты линии электропередачи, которая тщательно контролируется в крупных взаимосвязанных сетевых системах.

Синхронные двигатели доступны в самовозбуждающихся субфракционных размерах лошадиных сил от ^[2] до промышленных размеров большой мощности. ^[1] В диапазоне дробной мощности большинство синхронных двигателей используется там, где требуется точная постоянная скорость. Эти машины обычно используются в аналоговых электрических часах, таймерах и других устройствах, где требуется точное время. В промышленных масштабах большой мощности синхронный двигатель выполняет две важные функции. Во-первых, это высокоэффективное средство преобразования энергии переменного тока в работу.Во-вторых, он может работать с опережающим или единичным коэффициентом мощности и тем самым обеспечивать коррекцию коэффициента мощности.

Синхронные двигатели подпадают под более общую категорию синхронных машин , которая также включает синхронный генератор. Действие генератора будет наблюдаться, если полюса поля «опережают результирующий поток воздушного зазора за счет поступательного движения первичного двигателя». Действие двигателя будет наблюдаться, если полюса поля «увлекаются за результирующим магнитным потоком в воздушном зазоре из-за тормозящего момента нагрузки вала». ^[1]

Существует два основных типа синхронных двигателей в зависимости от того, как намагничен ротор: без возбуждения и с возбуждением от постоянного тока . ^[3]

Двигатели без возбуждения [править]

Однофазный синхронный двигатель 60 Гц 1800 об / мин для телетайпов, тип ротора без возбуждения, выпускался с 1930 по 1955 год.

В двигателях без возбуждения ротор сделано из стали. На синхронной скорости он вращается синхронно с вращающимся магнитным полем статора, поэтому через него проходит почти постоянное магнитное поле.Внешнее поле статора намагничивает ротор, создавая магнитные полюса, необходимые для его вращения. Ротор изготовлен из стали с высокой удерживающей способностью, такой как кобальтовая сталь. Они произведены в конструкциях с постоянным магнитом, сопротивлением и гистерезисом: ^[4]

Электродвигатели сопротивления [править]

У них есть ротор, состоящий из твердой стальной отливки с выступающими (выступающими) зубчатыми полюсами. Обычно количество полюсов ротора меньше, чем количество полюсов статора, чтобы минимизировать пульсации крутящего момента и предотвратить одновременное выравнивание всех полюсов — положение, которое не может генерировать крутящий момент. ^{[2] [5]} Размер воздушного зазора в магнитной цепи и, следовательно, магнитное сопротивление минимальны, когда полюса выровнены с (вращающимся) магнитным полем статора, и увеличивается с увеличением угла между ними. Это создает крутящий момент, вынуждающий ротор выравниваться с ближайшим полюсом поля статора. Таким образом, при синхронной скорости ротор «заблокирован» относительно вращающегося поля статора. Это не может запустить двигатель, поэтому в полюса ротора обычно встроены обмотки с короткозамкнутым ротором, чтобы обеспечить крутящий момент ниже синхронной скорости.Машина запускается как асинхронный двигатель до тех пор, пока не достигнет синхронной скорости, когда ротор «втягивается» и фиксируется на поле вращающегося статора. ^[6]

Конструкции реактивных двигателей имеют номинальные характеристики от долевых лошадиных сил (несколько ватт) до примерно 22 кВт. Электродвигатели с очень маленьким реактивным сопротивлением имеют низкий крутящий момент и обычно используются для измерительных приборов. В многоцелевых двигателях с умеренным крутящим моментом используется конструкция с короткозамкнутым ротором и зубчатыми роторами. При использовании источника питания с регулируемой частотой все двигатели в системе привода могут управляться с одинаковой скоростью.Частота источника питания определяет рабочую скорость двигателя.

Двигатели с гистерезисом [править]

Они имеют прочный гладкий цилиндрический ротор, отлитый из кобальтовой стали с высокой коэрцитивной силой, магнитно «твердой». ^[5] Этот материал имеет широкую петлю гистерезиса (высокая коэрцитивная сила), что означает, что после намагничивания в заданном направлении ему требуется большое обратное магнитное поле для реверсирования намагниченности. Вращающееся поле статора заставляет каждый небольшой объем ротора испытывать обратное магнитное поле.Из-за гистерезиса фаза намагниченности отстает от фазы приложенного поля. В результате ось магнитного поля, индуцированного в роторе, отстает от оси поля статора на постоянный угол δ, создавая крутящий момент, когда ротор пытается «догнать» поле статора. Пока скорость ротора ниже синхронной, каждая частица ротора испытывает обратное магнитное поле с частотой «скольжения», которое вращает ее вокруг своей петли гистерезиса, заставляя поле ротора отставать и создавать крутящий момент.В роторе имеется 2-полюсная конструкция стержня с низким сопротивлением. ^[5] Когда ротор приближается к синхронной скорости и скольжение достигает нуля, это намагничивается и выравнивается с полем статора, заставляя ротор «блокироваться» с вращающимся полем статора.

Основным преимуществом гистерезисного двигателя является то, что, поскольку угол запаздывания δ не зависит от скорости, он развивает постоянный крутящий момент от запуска до синхронной скорости. Следовательно, он самозапускается и не требует индукционной обмотки для запуска, хотя во многих конструкциях действительно имеется структура проводящей обмотки с короткозамкнутым ротором, встроенная в ротор для обеспечения дополнительного крутящего момента при запуске. ^{[ необходима ссылка ]}

Двигатели с гистерезисом производятся с дробной мощностью в лошадиных силах, в основном как серводвигатели и синхронизирующие двигатели. Гистерезисные двигатели, более дорогие, чем реактивные, используются там, где требуется точная постоянная скорость. ^{[ необходима ссылка ]}

Двигатели с постоянными магнитами [править]

Синхронный двигатель с постоянными магнитами (PMSM) использует постоянные магниты, встроенные в стальной ротор для создания постоянного магнитного поля.Обмотки статора подключены к источнику переменного тока для создания вращающегося магнитного поля (как в асинхронном двигателе). При синхронной скорости полюса ротора сцепляются с вращающимся магнитным полем. Синхронные двигатели с постоянными магнитами аналогичны бесщеточным двигателям постоянного тока. Неодимовые магниты — наиболее часто используемые магниты в этих двигателях.

Двигатели с постоянными магнитами используются в качестве безредукторных двигателей лифтов с 2000 года. ^[7]

Для запуска большинства PMSM требуется частотно-регулируемый привод. ^{[8] [9] [10] [11] [12]} Тем не менее, некоторые включают в себя беличью клетку в роторе для запуска — они известны как линейный пуск или самозапускающиеся PMSM. . ^[13] Они обычно используются в качестве более эффективных заменителей асинхронных двигателей (из-за отсутствия проскальзывания), но их необходимо тщательно определять для приложения, чтобы гарантировать достижение синхронной скорости и способность системы выдерживать крутящий момент. пульсация при запуске.

Синхронные двигатели с постоянными магнитами в основном управляются с помощью прямого управления крутящим моментом ^[14] и

.