Autoservice-mekona.ru

Автомобильный журнал
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Что такое система возбуждения двигателя от постоянных магнитов

Возбуждение (электротехника)

Возбуждение — в электротехнике: создание в электрической машине магнитного потока, с которым будет взаимодействовать магнитное поле якоря.

Устройство для создания потока возбуждения называется индуктором, им могут служить как постоянные магниты, так и электромагниты (обмотки). Индуктор может располагаться как на статоре машины (в машине постоянного тока, МПТ), так и на роторе (в синхронной машине), в этом случае якорем служит статор и переменный ток в нём создаётся внешним источником, тогда как в МПТ эту роль выполняет коллектор. От потока возбуждения генератора зависит его ЭДС, то есть выходное напряжение (согласно формуле E = CФω — конструктивный коэффициент машины умножить на магнитный поток умножить на угловую скорость вращения), от потока возбуждения двигателя — вращающий момент и частота вращения.

В случае электромагнитного возбуждения возможны разные варианты включения обмоток возбуждения (ОВ). В случае, если машина работает как генератор, ОВ может питаться как от самого генератора (самовозбуждение), в этом случае первоначальное возбуждение может происходить как за счёт кратковременной запитки ОВ от постороннего источника, так и за счёт остаточной намагниченности машины, а может всё время питаться от постороннего источника (независимое возбуждение). Роль этого источника может играть специальная электромашина, которая носит название возбудитель, или статический преобразователь с таким же названием. Такая схема в настоящее время широко распространена в электропередачах тепловозов [1] .

Также возможно комбинированное возбуждение, применяемое в некоторых авиационных электрогенераторах — основной поток создаётся постоянными магнитами, но для регулирования потока на статоре дополнительно намотаны обмотки, магнитный поток которых направлен против потока постоянных магнитов [2] . В этом случае при запуске на якорь действует полный магнитный поток, который по мере роста оборотов генератора ослабляется при помощи подачи тока в обмотки — для стабилизации напряжения на выходе генератора.

В двигателях также возможно как возбуждение от постоянных магнитов, так и электромагнитное. Первый вариант применяется в небольших коллекторных двигателях (к примеру, двигателях игрушек или двигателе насоса стеклоомывателя автомобиля), а также в синхронных двигателях компьютерных дисководов. При электромагнитном возбуждении возможно включение ОВ последовательно с якорем (в основном применяется в коллекторных двигателях, для такой схемы характерна мягкая характеристика двигателя — плавное нарастание момента при возрастании нагрузки на валу), параллельно (в этом случае х-ка жёсткая — при увеличении нагрузки резко возрастают якорный ток и с ним момент двигателя), а также независимое возбуждение — питание ОВ от постороннего источника. Существуют и двигатели смешанного возбуждения — как с несколькими обмотками индуктора, так и со сложным включением единственной обмотки. Например, двигатели электровозов 2ЭС4К и поздних ВЛ10К могут работать в режиме последовательного, независимого или смешанного возбуждения — в третьем случае ОВ включены последовательно с якорями, но параллельно подпитываются от преобразователей возбуждения [3] .

Возбуждение электродвигателей на постоянных магнитах

Для работы любого электродвигателя необходимо наличие электромагнитного поля, способного взаимодействовать с током ротора или якоря для создания электромагнитного момента.

И, по сути, получается, что цепь возбуждения абсолютно любой электрической машины – это магнит, источник магнитного поля. Поэтому совершенно логична замена этой цепи на обыкновенные постоянные магниты.

Конечно, в отношении асинхронных двигателей эта затея заведомо провальна: создать вращающееся электромагнитное поле постоянными магнитами удастся вряд ли.

Но для двигателей постоянного тока и для синхронных электрических машин идея использования постоянных магнитов в цепи возбуждения не только реализуема, но и весьма привлекательна. «Привлекательность» объясняется следующими причинами:

1. Привычная обмотка возбуждения на электромагнитах является пусть и совсем небольшим, а все же потребителем активной электроэнергии. Поэтому постоянные магниты в цепи возбуждения позволяют повысить энергетические показатели и, в частности, КПД.

2. Постоянные магниты упрощают конструкцию цепи возбуждения, повышают надежность электродвигателя в целом. В особенности это касается синхронных двигателей, система возбуждения которых конструктивно находится в составе ротора.

Читать еще:  В чем различие двигателей уаз и волга

В классическом варианте с использованием электромагнитов в конструкцию синхронной машины включаются токосъемные кольца и щетки для питания обмотки возбуждения постоянным током. Но этот токосъемный узел серьезно снижает надежность двигателя и сокращает наработку на отказ.

В то же время, постоянные магниты не нуждаются в электрическом питании, поэтому при их использовании отсутствует необходимость в токосъемном узле для ротора.

В использовании постоянных магнитов для возбуждения электродвигателей есть своя специфика. Так, двигатель постоянного тока на таких магнитах может иметь лишь одну электромеханическую характеристику, которая схожа с характеристикой ДПТ независимого возбуждения.

Кроме того, для ДПТ с возбуждением на постоянных магнитах отсутствует возможность регулирования по цепи. Этому есть объяснение: ведь отсутствует цепь возбуждения как таковая.

Схожая проблема характерна и для синхронных двигателей с возбуждением на постоянных магнитах. В этих машинах уже невозможно регулировать коэффициент мощности по цепи. А это значит, что такие синхронные двигатели нельзя или очень сложно использовать для компенсации реактивной мощности.

Еще одна проблема эксплуатации электрических машин с возбуждением на постоянных магнитах – это влияние размагничивающей реакции якоря. Ток якоря тоже создает свое магнитное поле, которое оказывает влияние на эффективность возбуждения.

Однако если в обычных ДПТ это решается установкой дополнительных компенсационных обмоток, а в синхронных двигателях цепь можно включать в работу лишь на подсихронной скорости, то при использовании для возбуждения постоянных магнитов эта проблема не имеет радикального решения.

Если число пар полюсов ДПТ с возбуждением на постоянных магнитах равно двум, то для уменьшения влияния реакции якоря применяются магниты тангенциальной или даже кольцевой конструкции. Больший размер магнитов в направлении силовых линий поля уменьшает эффект размагничивания.

При большем числе пар полюсов в ДПТ с этой целью применяются постоянные магниты радиальной конструкции с полюсными наконечниками из магнитотвердого материала.

В синхронных электродвигателях для снижения размагничивающей реакции якоря расстояния между соседними полюсами постоянных магнитов делаются как можно меньшими, а размеры самих магнитов – как можно большими. Однако эти меры не решают проблему полностью.

Несмотря на указанные недостатки, постоянные магниты очень популярны для использования в цепях возбуждения маломощных электродвигателей, в которых размагничивающее влияние реакции якоря не является критичным.

Управление синхронным двигателем с постоянными магнитами преобразователем частоты Danfoss

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

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

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

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

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

Конструкция электрических машин синхронного типа с постоянными магнитами

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

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

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

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

Сосредоточенная обмотка:

Распределенная обмотка:

Принцип работы синхронного двигателя

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

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

Управление синхронным двигателем с постоянными магнитами

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

Скалярное

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

Векторное

Векторное управление синхронным двигателем с постоянными магнитами реализуется 3 способами:

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

Трапециидальное управление

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

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

Основные направления развития контроллеров и преобразователей частоты Danfoss для СДПМ

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

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

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

Что такое система возбуждения с постоянными магнитами PMG и чем она отличается от других

В настоящее время при производстве дизельных электростанций используются три варианта систем возбуждения: SHUNT, AREP и PMG.

Использование постоянных магнитов в конструкции альтернаторов позволяет модернизировать стандартную систему с самовозбуждением, где энергия возбуждения поступает от обмоток главного выхода, в систему с независимым возбуждением (использование дополнительного генератора с постоянными магнитами). Это позволяет улучшить характеристику напряжения во время работы с нелинейными нагрузками, где пусковые токи могут превышать номинальные до 6-7 раз, что особенно важно при запуске электрических асинхронных двигателей, погружных насосов, сварочных аппаратов и пр.

Стандартная система возбуждения, где в момент просадки напряжения при подключении дополнительной нагрузки автоматический регулятор напряжения (AVR) не получает достаточно питания, может позвонить работать только с перегрузками до 180% от номинальной мощности. При этом система возбуждения PMG благодаря регулировке тока возбуждения позволяет электрогенератору работать даже при коротком замыкании или с трёхкратными токовыми перегрузками.

Главной особенностью генераторов с системой возбуждения PMG является то, что питание катушки возбуждения и автоматического регулятора напряжения обеспечивается от независимого источника, а именно от дополнительного генератора с постоянным магнитом в качестве ротора, таким образом, питание возбуждения не зависит от нагрузки на основной статор. Блок генератора с постоянным магнитом генерирует переменный ток, который регулятор использует как энергию возбуждения. Сам блок устанавливается на том же валу, что и основной альтернатор, на неведущей стороне привода генератора и подключается к регулятору напряжения.

Питание катушек возбуждения при использовании генератора возбуждения на постоянных магнитах (PMG) обеспечивается через автоматический регулятор напряжения. Регулятор контролирует и исправляет выходное напряжение генератора, создающее поле возбуждения, благодаря регулировке тока возбуждения. Точность регулировки обеспечивается тем, что регулятор контролирует среднее напряжение по фазам, а также определяет частоту вращения и автоматически снижает напряжение при её уменьшении. Именно это позволяет избежать избыточного возбуждения при низких оборотах и уменьшает нагрузку на двигатель. Для аварийного управления автоматический регулятор напряжения (AVR) может быть оснащён ручным регулятором, который также питается от генератора с постоянным магнитом.

При обслуживании и демонтаже альтернаторов с постоянными магнитами необходимо соблюдать особую осторожность, поскольку магниты достаточно сильные и могут повредить обмотку при касании статора.

Итак, подводя итог всего вышеперечисленного нужно сказать, что генераторы с системой возбуждения с питанием регулятора напряжения от дополнительного блока с постоянными магнитами имеет ряд значительных преимуществ по сравнению с другими системами возбуждения, главный из которых — возможность стабильно и надёжно работать в условиях значительных перегрузок и даже незначительных замыканий.

Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector