Синхронный двигатель с постоянными магнитами: устройство, работа, характеристики

Конструктивное решение

Как и любая электрическая станция, синхронные двигатели (СД) представляют собой преобразователи, преобразующие электроэнергию в механическую работу. Они также относятся к обратимым механизмам и могут работать в генераторном режиме. В этом случае электрооборудование не является движущей силой движущихся частей промышленных или технических установок, а выступает источником электроэнергии. Ярким примером такого применения могут служить гидро- или турбогенераторы.

Как и асинхронные двигатели, СД работают от источника переменного тока и имеют два основных рабочих узла — статор и ротор. Первый имеет полностью идентичную конструкцию, является неподвижным элементом устройства и известен также как индуктор или индукторное колесо. Его основные компоненты:

• корпус с расположенной на нем коробкой для электрических соединений;
• шариковые подшипники, предназначенные для поддержки блока ротора;
• опорные элементы подшипников;
• вентилятор, обеспечивающий отвод тепла при работе электростанции;
• защитный кожух, отделяющий вращающийся вентилятор от кожуха.

Стальной корпус индуктора имеет цилиндрическую форму, может быть сборным или изготавливаться из отдельных элементов. Во внутренней части находится стальной сердечник, набранный из отдельных полос толщиной ок. 0,5 мм. Все пластины хорошо изолированы друг от друга. Наружные полосы имеют специальные пазы, в которых размещены фазные электрические цепи (обмотки).

Конструкция (монолитная или сборная) зависит от габаритных размеров и, следовательно, мощности электродвигателя. Статоры малых механизмов выполнены в виде сборного изделия, более мощные агрегаты имеют сборную конструкцию. Такое решение продиктовано трудностями производства, транспортировки, монтажа и ремонта. Катушки индуктивности также могут иметь различную схему обмотки, в том числе распределенную или сосредоточенную.

Второй функциональный узел — ротор — имеет индивидуальные конструктивные особенности, вращается и является непосредственным средством передачи механической энергии на приводимые в движение рабочие органы. Его еще называют якорем. Именно конструкция блока ротора отличает синхронные и асинхронные электроприводы. В зависимости от нагрузки, которую приходится воспринимать УР, и, соответственно, параметров мощности роторный механизм, имеющий в составе сердечник, конструируется по-разному. Может быть:

• синхронный двигатель с постоянными магнитами (СДПМ) на якорном блоке, обеспечивающий магнитоэлектрическое возбуждение;
• электрическая машина с электромагнитами, осуществляющими электромагнитное возбуждение.

Первый вариант предназначен для маломощных электростанций, второй – для электрических устройств, рассчитанных на большие нагрузки.

Постоянные магниты изготавливаются из магнитотвердых материалов (прецизионных сплавов) с высокой остаточной магнитной индукцией. Их характерной особенностью является способность сохранять состояние намагниченности в течение длительного времени. Магнитотвердые изделия бывают различных форм и являются самостоятельными источниками (не потребляющими энергию) магнитного поля. По способу установки магнитов СД подразделяются на электродвигатели с поверхностным и встроенным расположением магнитных элементов.

Электромагниты, как следует из названия, связаны с электрическим током. Это устройство состоит из ферромагнитного сердечника и обмотки, которая при срабатывании инициирует возникновение магнитного потока вокруг сердечника. Назначение любого электромагнита — инициировать подвижную часть магнитопровода. В качестве такого инструмента выступает якорь, передающий механические усилия на рабочие узлы оборудования.

Особенности синхронного реактивного электродвигателя

Преимущества:

Простая и надежная конструкция ротора: ротор простой конструкции, состоящий из тонкой электротехнической стали, без магнитов и короткозамкнутых обмоток.

Слабый нагрев: поскольку в роторе отсутствуют токи, он не нагревается при работе, что увеличивает срок службы электродвигателя.

Нет магнитов: окончательная цена электродвигателя снижена, так как в производстве не используются редкоземельные металлы. При отсутствии магнитных сил техническое обслуживание и уход за электродвигателем упрощается.

Низкий момент инерции ротора: поскольку на роторе нет обмоток и магнитов, он ниже, а значит, электродвигатель быстрее набирает обороты и экономит электроэнергию.

Возможность регулирования скорости: поскольку для работы синхронного реактивного двигателя требуется преобразователь частоты, можно регулировать скорость вращения реактивного двигателя в широком диапазоне скоростей.

Ошибка: Контроль частоты

Для работы требуется преобразователь частоты.

Низкий коэффициент мощности: из-за того, что магнитный поток создается только за счет реактивного тока. Решается применением преобразователя частоты с коррекцией мощности.

Что потребуется для изготовления генератора

Счастливым обладателям асинхронного двигателя есть над чем задуматься. Несколько изменений, и перед вами настоящий генератор мощностью более 1 кВт. Этот генератор можно использовать как для постройки ветряка, так и в бытовых целях, подключив его вал, например, через ременную передачу к триммеру или бензопиле.

Итак, для преобразования асинхронного двигателя в генератор электрического тока в первую очередь необходимо:

1. Двигатель асинхронный четырехполюсный или другой, мощностью 750 Вт и более; 2. Можно использовать неодимовые магниты, как круглые, так и квадратные; 3. Эпоксидная смола и супер клей; 4. Скотч; 5. Прочный картон или бинт, который тщательно пропитывается эпоксидной смолой при подготовке шаблона для магнитов.

Ветряк на неодимовых магнитах. Кому интересно, могут прочитать. В этой конструкции для переделки не использовался асинхронный двигатель, все делалось самостоятельно, с использованием неодимовых магнитов, купить которые сегодня не составляет труда.

Основные виды и их отличия

Основной характерной особенностью синхронных машин является одинаковая частота вращения ротора и магнитное поле, создаваемое обмоткой статора. В зависимости от расположения роторного механизма электроприводы изготавливаются с якорем, расположенным внутри статора (электродвигатели стандартного типа) или с наружным исполнением (инверторные двигатели).

По конструкции якоря синхронные машины делятся на два типа:

• выступающий полюс — тихоходные двигатели с частотой вращения до 1000 об/мин;
• неявный полюс — быстроходный привод с оборотами порядка 3000 об/мин.

Отличие двух типов приводов заключается в разной конфигурации полюсов, что влияет на технические характеристики электродвигателей. Блок якоря с явно выраженными полюсами имеет магнитную цепь, прикрепленную к вращающемуся валу. К магнитопроводу присоединены полюса с обмоткой электрического возбуждения и полюсными наконечниками. Количество пар полюсов может быть разным и зависит от требуемой мощности устройства.

Обмотка возбуждения создает постоянное магнитное поле. Для подключения его к стационарной электрической цепи используются два металлических контактных кольца, закрепленных на валу якоря. К каждому из колец подключен один из выводов обмотки возбуждения. Электрические щетки крепятся к наружной поверхности контактных колец. При вращении вала элементы взаимодействуют друг с другом, в результате чего мощность передается на щетки.

СДПМ с неявным полюсным расположением обмотки ротора имеет цилиндрический магнитопровод (сердечник) с продольными канавками на поверхности. Обмотка возбуждения распределяется по пазам в сердечнике и при ее возбуждении создается постоянное магнитное поле. Контактные кольца и электрические щетки также используются для подключения обмотки к стационарной электрической цепи.

Характеристики индуктивности в двух вариантах построения якорного механизма имеют свои отличия. Двигатели с неявными полюсами характеризуются равными значениями индуктивности в продольном и поперечном направлениях. Для электростанций с ярко выраженными полюсами эти параметры другие.

Принцип действия и методы управления СДПМ

Принцип работы СДПМ не отличается от стандартных синхронных электрических машин. Вращение ротора осуществляется при соединении магнитного поля роторов с вращающимся магнитным полем, индуцируемым обмотками неподвижной части двигателя. Отличие заключается в поле вращающегося устройства, оно создается не обмотками, на которые подается постоянный ток, а постоянными магнитами. При этом проскальзывания ротора нет, скорость равна частоте оборотов магнитного поля статора.

СДПМ не может быть запущен прямым подключением к сети; для управления электрической машиной требуется преобразователь частоты или сервосистема. Рассмотрим основные способы управления приводами на базе синхронных двигателей с постоянными магнитами.

Существует 2 основных принципа управления электродвигателями этого типа: трапецеидальный (посредством переключения обмоток) и синусоидальный (ориентация по полюсам, прямое управление моментом).

Замена обмоток на СДПМ — самый простой способ. Благодаря простоте схемы этот метод активно используется в преобразователях частоты, где не требуется особо точного контроля. Существует два способа управления трапецией — с обратной связью и без нее. Последний способ практически не применяется в преобразователях частоты с переменной нагрузкой из-за потери управления.

Управление моментом и частотой с обратной связью реализуется с помощью датчиков положения вала или путем расчета угла поворота вала с использованием существующих функций. Такие схемы позволяют организовать достаточно точное управление, но имеют некоторые недостатки:

• Они требуют ввода от датчиков Холла в цепи или использования контроллеров с большей вычислительной мощностью.
• Не подходит, когда двигатель работает на низких оборотах.
• Не обеспечивать отсутствие пульсаций крутящего момента.

Для более требовательного вождения используется ориентированное на поле рулевое управление. Способ позволяет плавно изменять скорость и крутящий момент вала СДПМ. Полеориентированное управление также реализуется на основе индуктивных, оптических, магниторезистивных датчиков положения или блока данных. В последнем случае положение оси рассчитывается по величине задней ЭДС.

Бездатчиковый метод подходит только для электрических машин с выступающими полюсами.

Полеориентированное управление используется в прецизионных электроприводах, требующих динамических параметров, метод позволяет регулировать скорость и момент в широком диапазоне. К недостаткам метода можно отнести относительно высокую стоимость реализации.

Методы управления СДПМ выбираются исходя из технических задач электростанции и экономической эффективности. Для оборудования с простыми алгоритмами работы обычно выбирают трапециевидное управление с датчиками обратной связи.

Приводные механизмы или устройства, работающие с переменной нагрузкой, с повышенными требованиями к точности, времени обработки управляющего сигнала, оснащаются СДПМ с полевым управлением.

Установка неодимовых магнитов на ротор

На завершающем этапе изготовления генератора из асинхронного двигателя необходимо установить на ротор неодимовые магниты, используя для этого заранее изготовленный шаблон, который разделен на четыре части (на полоски), как на картинках.

Затем на каждую из полос нужно уместить как можно больше неодимовых магнитов (чем больше, тем лучше). Далее по разметке в шаблоне делаются отверстия под магниты, после чего можно приступать к их закреплению, на эпоксидку или клей.

Что важно знать при установке неодимовых магнитов на ротор асинхронного двигателя? Очень важно, чтобы полосы чередовались с разной полярностью на магнитах. Простыми словами, на одну полоску ротора северным полюсом наклеиваются магниты, а на соседнюю полоску — южный. Всего через один должно получиться два, южный и северный полюса, если шаблон разделить на четыре полосы.

Преимущества приводов на базе СДПМ

Синхронные двигатели с постоянными магнитами обладают управляемостью электрических машин постоянного тока и простотой конструкции асинхронных двигателей. Замена СПД, традиционно используемых на ответственных станциях, на СПДМ позволяет:

• Сокращение времени, затрачиваемого на проектирование и разработку.
• Уменьшите габариты привода.
• Откажитесь от механических устройств контроля скорости и крутящего момента.
• Снизить потребность в запасных частях.
• Упрощение доступа к технологическому оборудованию.
• Снизить затраты на электроэнергию.

Применение синхронных энергоустановок с постоянными магнитами снижает износ производственных фондов, время простоя, связанное с техническим обслуживанием и ремонтом. Преимущества СДПМ особенно заметны в приводах ответственного оборудования, работающих при динамических нагрузках или на низких скоростях. Электрические машины этого типа значительно повышают технико-экономическую эффективность электростанций.

О демпфирующих обмотках

Некоторые СДПМ имеют так называемые демпфирующие обмотки, которые помогают стабилизировать СДПМ, особенно при скалярном управлении. Демпфирующие обмотки в основном подобны беличьей клетке ротора асинхронного двигателя. При необходимости демпфирующие обмотки в СДПМ создают асинхронный момент определенной величины, как в асинхронном двигателе, тем самым помогая СДПМ войти в синхронный режим. Когда СДПМ находится в синхронном режиме, ток на демпфирующие обмотки не подается, скольжение равно нулю и асинхронный момент не создается.

Как сделать своими руками?

Сделать электродвигатель своими руками возможно только при наличии знаний в области электротехники и некоторого опыта. Конструкция синхронной версии должна быть очень точной, чтобы исключить возникновение потерь и правильную работу системы.

После того, как мы знаем, как должен выглядеть дизайн, мы выполняем следующие работы:

1. Выходная ось создана или выбрана. Он не должен иметь отклонений или других дефектов. В противном случае возникающая нагрузка может привести к искривлению вала.
2. Наиболее популярны конструкции, когда обмотка отсутствует. На посадочное место вала установлен статор, который имеет постоянные магниты. На валу должно быть место для шпонки, чтобы вал не проворачивался под большой нагрузкой.
3. Ротор представлен сердечником с обмоткой. Самостоятельно сделать ротор довольно сложно. Как правило, он неподвижен, прикреплен к телу.
4. Между статором и ротором нет механической связи, иначе при вращении он создавал бы дополнительную нагрузку.
5. Вал, на котором установлен статор, также имеет посадочные места для подшипников. В домике есть места для хранения.

Электродвигатели имеют сложную конструкцию, питание от сети 220 вольт обуславливает соблюдение определенных норм при их создании. Именно поэтому, чтобы быть уверенным в надежной работе такого механизма, следует покупать версии, изготовленные на заводах по производству такого оборудования.

Для научных целей, например в лаборатории для проверки работы магнитного поля, часто делают собственные двигатели. Однако они имеют малую мощность, питаются от низкого напряжения и не могут быть использованы в производстве.

Применение

Область применения синхронных электрических машин охватывает производство электрической энергии на электростанциях. По типу генераторы делятся на турбинные, дизельные и гидравлические в зависимости от способа приведения их во вращение.

Они также используются в качестве электродвигателей, выдерживающих значительные перегрузки в процессе эксплуатации. Такие двигатели устанавливаются на вентиляторы, компрессоры, силовые агрегаты и другое оборудование. Отдельная категория электродвигателей используется в прецизионном оборудовании, где важна синхронизация операций и процессов.

Устройство и принцип работы двигателя на постоянных магнитах

Двигатели уже много лет используются для преобразования электрической энергии в механическую энергию различных видов. Эта особенность определяет его высокую популярность: повсеместно используются станки, конвейерные ленты, некоторые бытовые приборы — электродвигатели различных типов и мощностей, габаритных размеров.

• Единица измерения
• Принцип работы
• Виды
• Преимущества и недостатки
• Как сделать самому?
• Рекомендации

Важнейшие эксплуатационные показатели определяют тип конструкции двигателя. Вариантов несколько, одни пользуются популярностью, другие не оправдывают сложности подключения, дороговизны.

Двигатель с постоянными магнитами используется реже, чем асинхронный вариант. Чтобы оценить особенности этого варианта конструкции, следует рассмотреть конструктивные особенности, производительность и многое другое.

Принцип действия

Работа синхронизатора основана на использовании свойств трехфазного тока для создания вращающегося магнитного поля, взаимодействующего с постоянным полем узла ротора. Принцип устройства и принцип действия индуктора аналогичен трехфазному асинхронному устройству. Скоростные характеристики магнитного потока статора пропорциональны частоте питающего напряжения.

Переменный ток электрических цепей, размещенных в пакете статора, создает крутящий момент, который, действуя на якорь, заставляет его вращаться. Крутящий момент зависит от текущей нагрузки и не зависит от скоростных параметров. Поэтому такой тип привода называется «синхронным», то есть скорость вращения вала и скорость поля статора совпадают.

Постоянные магниты, как ключевой компонент механизма вращения, являются источником магнитного поля. В процессе вращения с одинаковой скоростью полюса якоря замыкаются вместе с переменным полем индуктора. По этой причине синхронный двигатель с постоянными магнитами не может быть запущен сам по себе от сети.

Инерционность якоря и высокая скорость поля индуктора делают необходимым использование дополнительного привода для запуска электродвигателя. Для этого применяют сервоприводы, преобразователи частоты или осуществляют асинхронный пуск с помощью демпферных (пусковых) обмоток.

Электромагнитные процессы в СДПМ с магнитоэлектрическим возбуждением аналогичны процессам в обычных электрических машинах, возбуждаемых электромагнитным способом. Отличие заключается в последствиях, к которым приводит реакция якорного узла. Если в обычных станциях при снятии нагрузки полностью восстанавливается магнитный поток полюсов, то в магнитоэлектрических устройствах реакция якоря при определенных условиях приводит к размагничиванию постоянных магнитов.

Для ослабления размагничивания принимают специальные меры, увеличивая поток рассеяния между полюсами за счет изменения конструкции полюсных наконечников. Это снижает полезный поток, но двигатель становится более устойчивым к необратимому размагничиванию из-за реакции якоря. Для уменьшения потерь магнитных свойств конструкцию узла якоря также выполняют «звездообразной» или с «клешневидными» полюсами.

Устройство

Двигатель с постоянными магнитами мало чем отличается по конструкции.

При этом можно выделить следующие основные элементы:

1. Снаружи используется электротехническая сталь, из которой изготовлен сердечник статора.
2. Затем идет обмотка сердечника.
3. Ступица ротора и сзади специальная пластина.
4. Далее из электротехнической стали изготовлены детали лопасти несущего винта.
5. Постоянные магниты являются частью ротора.
6. Завершает конструкцию подпятник.

Как и любой вращающийся электродвигатель, рассматриваемый вариант состоит из неподвижного статора и подвижного ротора, которые взаимодействуют друг с другом при подаче тока. Отличием рассматриваемого варианта можно назвать наличие ротора, в конструкцию которого включены магниты постоянного типа.

Читайте также: Синхронный генератор: устройство, принцип работы, применение

Отличие от асинхронного двигателя

Основное отличие синхронного электродвигателя от асинхронного заключается в принципе преобразования электрической энергии в механическое вращение. Для синхронного электродвигателя процесс вращения ротора идентичен вращению электромагнитного поля, создаваемого трехфазной сетью.

А вот для асинхронного рабочее поле самостоятельно индуцирует в роторе ЭДС, которая только потом генерирует собственный поток взаимной индукции и приводит вал во вращение. В результате асинхронные электрические машины получают разность вращения рабочего поля и нагрузки на вал, которая выражается физической величиной — скольжением.

В работе представлены классические модели асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором:

• не терпит перегрузок;
• имеют проблемы с запуском со значительным усилием;
• изменять скорость вращения в зависимости от нагрузки на рабочий орган.

В какой-то мере эти недостатки преодолевает асинхронный двигатель с фазным ротором, но полностью избавиться от недостатков может только синхронный агрегат.

Рис. 5. Отличие асинхронного двигателя от синхронного

Управление синхронным двигателем с постоянными магнитами

Для работы синхронного двигателя с постоянными магнитами требуется система управления, такая как преобразователь частоты или сервопривод. При этом существует большое количество способов управления реализованными системами управления.

Выбор оптимального метода управления зависит в основном от задачи, поставленной перед электроприводом. Наиболее важные методы управления синхронным двигателем с постоянными магнитами показаны в таблице ниже.

Простая контрольная карта	Управление не оптимальное, не подходит для задач, где меняется нагрузка, возможна потеря управления
Плавная и точная настройка положения ротора и скорости двигателя, большой диапазон регулирования	Требуется датчик положения ротора и мощная система управления микроконтроллером
Датчик положения ротора не требуется. Плавная и точная настройка положения ротора и скорости двигателя, большой диапазон регулирования, но меньший, чем с датчиком положения	Бездатчиковое полеориентированное управление во всем диапазоне скоростей возможно только для СДПМ с выступающим полюсным ротором, требуется мощная система управления
Простая схема управления, хорошие динамические характеристики, большой диапазон регулирования, кодирование не требуется	Высокий пульсирующий крутящий момент и ток
Простая контрольная карта	Управление не оптимальное, не подходит для задач, где меняется нагрузка, возможна потеря управления
Простая контрольная карта	Нужны датчики Холла. Есть волны скорости. Предназначен для управления СДПМ с трапециевидной противоЭДС, при управлении СДПМ с синусоидальной противоЭДС средний крутящий момент ниже на 5%.
Требуется более мощная система управления	Не подходит для работы на малых скоростях. Есть волны скорости. Предназначен для управления СДПМ с трапециевидной противоЭДС, при управлении СДПМ с синусоидальной противоЭДС средний крутящий момент ниже на 5%.

Популярные способы управления синхронным двигателем с постоянными магнитами

Для решения простых задач обычно используют трапециевидное управление датчиками Холла (например компьютерными вентиляторами). Для приложений, требующих от инвертора максимальной производительности, обычно выбирается управление, ориентированное на поле.

Трапециидальное управление

Одним из простейших способов управления синхронным двигателем с постоянными магнитами является трапециевидное управление. Трапециевидное управление используется для управления СДПМ с трапециевидной противоЭДС. В то же время этот способ также позволяет управлять СДПМ с синусоидальной противоЭДС, но тогда средний момент электропривода будет ниже на 5 %, а пульсация момента составит 14 % от максимального значения. Имеется трапециевидное рулевое управление без обратной связи и с обратной связью по положению ротора.

Управление без обратной связи не является оптимальным и может привести к выходу СДПМ из синхронизма, т.е к потере управления.

• Контроль обратной связи можно разделить на:
• трапециевидное управление с датчиком положения (обычно с датчиками Холла);
• трапециевидное рулевое управление без датчика (бессенсорное трапециевидное рулевое управление).

В качестве датчика положения ротора при трапециевидном управлении трехфазным СДПМ обычно используют три встроенных в электродвигатель датчика Холла, которые позволяют определять угол с точностью ±30 градусов. При таком управлении вектор тока статора принимает только шесть положений за электрический период, что приводит к пульсациям крутящего момента на выходе.

Трапециевидное управление датчиком Холла

Полеориентированное управление

Field Oriented Control позволяет плавно, точно и независимо контролировать скорость и крутящий момент бесщеточного двигателя. Для работы алгоритма полевого управления необходимо знать положение ротора бесщеточного электродвигателя.

• Есть два способа определить положение ротора:
• датчика положения;
• безсенсорный — путем расчета угла системой управления в режиме реального времени на основе имеющейся информации.

Полеориентированное управление СДПМ по датчику положения

• В качестве датчиков угла используются следующие типы датчиков:
• индуктивные: синусно-косинусно-поворотные трансформаторные (СКВТ), редуктосинусные, индуктосинусные и др.;
• оптический;
• магнитные: магниторезистивные датчики.

Полеориентированное управление синхронным двигателем с постоянными магнитами с помощью датчика положения ротора

Полеориентированное управление СДПМ без датчика положения

Благодаря бурному развитию микропроцессоров с 1970-х годов начали разрабатываться бездатчиковые векторные методы управления бесколлекторными двигателями переменного тока. Первые методы бездатчикового определения угла были основаны на способности электродвигателя генерировать противо-ЭДС при вращении.

Противо-ЭДС двигателя содержит информацию о положении ротора, поэтому вычислив значение противо-ЭДС в стационарной системе координат можно рассчитать положение ротора. Но при неподвижном роторе обратной ЭДС нет, а при малых скоростях обратная ЭДС имеет малую амплитуду, которую трудно отличить от шума, поэтому этот метод не подходит для определения положения ротора двигателя при малых оборотах скорости.

• Существует два распространенных варианта запуска PSDM:
• скалярный запуск — запуск по заданной частотно-напряженной характеристике. Но скалярное управление сильно ограничивает возможности системы управления и параметры электростанции в целом;
• метод наложения высокочастотного сигнала — работает только с СДПМ, где ротор имеет ярко выраженные полюса.

Полеориентированное управление синхронным двигателем с постоянными магнитами без кодов со скалярным пуском

В настоящее время бездатчиковое полеориентированное управление СДПМ во всем диапазоне скоростей возможно только для двигателей с ротором с ярко выраженными полюсами.

Процесс пуска

В пусковом режиме, когда ротор неподвижен, магнитное поле индуктора вращается вокруг узла ротора с той же скоростью. В этот момент за один оборот полярность поля меняется на обратную, и крутящий момент меняется на противоположный. Повторяемость этих изменений зависит от частоты вращения магнитного потока, числа полюсов и равна частоте тока в обмотке статора:

f = нет * p / 60 = f сети.

Якорный механизм, имеющий значительную массу и момент инерции, при большой частоте изменения параметра момента не успевает разогнаться и остается в стационарном состоянии. Следовательно, среднее значение пускового момента, развиваемого электродвигателем, равно нулю.

Для запуска маломощного СД на полюсах ротора размещается дополнительная короткозамкнутая обмотка. В пусковом режиме он работает как асинхронный и под действием асинхронного пускового момента ротор разгоняется. При приближении частоты вращения к синхронной включается обмотка возбуждения, двигатель «втягивается в синхронизм» и вращается с той же скоростью.

В моторном режиме пусковая обмотка не влияет на работу электродвигателя. Для запуска мощных СДПМ используются внешние электроприводы.

Управляющая система

Приводная машина управляется автоматизированными блоками, которые представляют собой преобразователи частоты или сервоприводы. Функция управления также может быть реализована специальными системами управления. Основанием для выбора того или иного метода всегда является задача, которую должна выполнять станция. На практике используются следующие методы контроля:

• синусоидальный – делится на скалярный и векторный;
• трапециевидные – могут быть с обратной связью или без нее.

Скалярная схема относится к простым методам управления. Он не оптимален, не подходит для задач, где меняется нагрузка, так как есть вероятность потери управления (рассинхронизация). Векторный метод подразделяется на полевой и прямой контроль крутящего момента. Первый вариант может быть реализован как с датчиком положения, так и без него. С помощью датчика и микроконтроллера достигается плавная и точная установка положения вала и требуемых скоростных характеристик СД с большим диапазоном регулирования. Бездатчиковый метод возможен только для приводов с выступающими полюсами.

Прямое векторное управление имеет простую схему, хорошие динамические характеристики, большой диапазон управления и отсутствие кодов. К недостаткам этого метода можно отнести высокий крутящий момент и броски тока.

Трапециевидная схема управления без обратной связи является одним из простейших способов управления и имеет те же недостатки, что и скалярная. Для обратной связи возможны два варианта: с датчиками или без них. Первый способ предполагает установку трех встроенных датчиков Холла, определяющих угловое положение вала. Другой требует более мощной системы управления и не подходит для работы на малых скоростях.

Основные рабочие характеристики

ПСДМ выполняется в большинстве случаев с выступающими полюсами. Об их работоспособности судят по следующим эксплуатационным характеристикам:

• cos φ — коэффициент мощности, равный косинусу сдвига фаз переменного тока по отношению к приложенному к нему напряжению;
• М — крутящий момент;
• η – КПД;
• n – частота вращения.

Учитывая способность электродвигателей работать с кондуктивным cos φ в условиях перевозбуждения, их изготавливают для номинального режима работы при cos φ = 1 и кондуктивном cos φ = 0,8. Частота вращающегося вала постоянна на всех режимах:

п = 60*f1/п,

где f1 – частота тока статора;

p — количество пар катушек обмотки статора.

Крутящий момент:

М = М0 + М2,

где М0 — момент холостого хода, — постоянная величина;

М2 — полезный момент изменяется по отношению к полезной мощности и равен:

М2 = Р2/1,

где P2 – полезная мощность, 1 – угловая частота.

Зависимость КПД от мощности носит общий характер для всех электрических машин. КПД практически постоянен при изменении нагрузки от 0,5 P2 ном до P2 ном.

Зависимость скорости вращения электродвигателя от параметра его крутящего момента известна как механическое свойство электропривода. В зависимости от режима работы она может быть статической и динамической, что соответствует стабильному и переходному периоду работы. Механические свойства СД оценивают по жесткости. На основании того, что скорость вращения узла ротора не изменяется под нагрузкой, синхронные двигатели с постоянными магнитами относят к идеальным жестким приводам.

Для получения более полной картины поведения электродвигателя в момент увеличения нагрузки учитывается угловая характеристика. Этот параметр отражает смещение осей статора и поле ротора на каждом входе, что выражается формулой:

Mem = Mmax*sin θ.

Это уравнение представляет собой приближенную зависимость, характеризующую величину крутящего момента на валу при определенном значении угла съезда ротора. На практике максимальный крутящий момент соответствует углу чуть меньше 90 градусов.

Способы пуска и схемы подключения

Для запуска синхронного двигателя требуется дополнительное поле, независимо от влияния со стороны сети. При этом на этапе запуска запуск является асинхронным процессом до тех пор, пока устройство не достигнет синхронной скорости.

Рис. 8. Схема пуска синхронного двигателя

При подаче напряжения на якорь в обмотках возникает ток и в железе ротора возникает ЭДС, вызывающая асинхронное движение до тех пор, пока обмотки возбуждения не будут находиться под напряжением.

Еще одним распространенным вариантом запуска является использование дополнительных генераторов, которые могут размещаться на оси или устанавливаться отдельно. Этот метод обеспечивает дополнительную пусковую мощность за счет стороннего крутящего момента.

Рис. 9. Генераторный способ пуска синхронного двигателя

Как видно на рисунке 9, первый оборот двигателя М осуществляет генератор Г, который предназначен для вывода агрегата на подсинхронную скорость. Затем генератор выводится из рабочей цепи путем размыкания контактов КМ или автоматически путем установки рабочих характеристик. Дальнейшее поддержание синхронного режима происходит за счет подачи постоянного напряжения на обмотку возбуждения.

Кроме того, на практике применяется схема пуска с полупроводниковыми преобразователями. На рис. 10 показан метод тиристорного преобразователя и с установкой поворотных выпрямителей.

Рис. 10. Тиристорная схема пуска синхронного двигателя

В первом случае пуск синхронного двигателя характеризуется нулевым напряжением от преобразователя UD. За счет ЭДС скольжения через стабилитроны VD тиристоры VS открываются. В цепь обмотки возбуждения введен резистор R, предназначенный для предотвращения пробоя изоляции.

По мере разгона двигателя ЭДС скольжения будет пропорционально уменьшаться и стабилитроны VD будут заблокированы, цепь будет заблокирована, а обмотка возбуждения будет питаться постоянным напряжением через UD.

Генераторный режим

Свойство синхронных машин обеспечивать длительную постоянную скорость, а также их реверсивность способствует большему распространению в качестве генераторов переменного тока. На электростанциях применяются турбогенераторы, где в качестве основного двигателя используются паровые турбины и гидрогенераторы с приводом от гидротурбин.

Турбогенераторы представляют собой быстроходные невыступающие полюсные агрегаты, установленные горизонтально на ТЭЦ. Они имеют большую длину при относительно небольшом диаметре. Гидрогенераторы представляют собой тихоходные острополюсные установки, расположенные вертикально на гидроэлектростанции. Они имеют большой диаметр при относительно небольшой высоте.

Генераторы описываются следующими основными характеристиками:

• холостой ход, представляющий собой зависимость E0 = f (Iv);
• внешний, описываемый функцией U = f(I);
• регулировка, характеризующаяся зависимостью Iв = f(I).

Роторный механизм маломощных магнитоэлектрических генераторов — «звездный», при большей нагрузке — «кулачковый». При значительной мощности (от десятков до сотен киловатт) конструкция генераторов становится похожей на работу обычных выдающихся синхронных машин.