Avtosfera76.ru

Авто Сфера №76
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Бесщеточное возбуждение синхронного двигателя принцип работы

Принцип работы и устройство синхронного генератора переменного тока

Электричество – единственный вид энергии, которую легко можно передать на большие расстояния, а затем преобразовать её в механическую, тепловую или превратить в световое излучение. Саму же электроэнергию также можно получить разными способами: химическим, тепловым, механическим, фотоэлектрическим и др. Но именно механический способ, который основан на применении генераторов, оказался самым эффективным. Среди этих источников электроэнергии широкое применение нашёл синхронный генератор переменного тока.

Практически вся электроэнергия, используемая в быту и на производстве, вырабатывается генераторами этого типа. Они заслуживают того, чтобы более подробно рассмотреть их устройство и разобраться в принципе работы этих удивительных синхронных машин.

Основные конструктивные элементы

В конструкцию статора входит корпус, внутри которого расположен сердечник, или пакет, собираемый из листов электротехнической стали особой формы. На качество электрического тока влияют такие факторы как: цельность листов в пакете (бывают цельными или составными), качество и материал обмотки. Для обмотки применяется медный эмаль-провод, а в дешевых устройствах возможна замена меди на алюминий.

Роторы изготавливаются явнополюсными или неявнополюсными.

  • Явнополюсные роторы предназначены для синхронных генераторов, работающих с двигателями внутреннего сгорания с низкой частотой вращения — 1500 и 3000 об/мин.
  • Неявнополюсные роторы востребованы в высокоскоростных (более 3000 об/мин) механизмах переменного электрического тока высокой мощности. Обычно их размещают на одном валу с паровыми турбинами. Такие СГ называют «турбогенераторы».

Система тиристорного самовозбуждения (СТС)

Система тиристорного самовозбуждения (СТС) предназначена для питания обмоток возбуждения турбо и гидрогенераторов выпрямленным регулируемым током – рис.5.3.
Питание тиристорного выпрямителя осуществляется через трансформатор, подключенный к генераторному токопроводу. Для запуска генератора предусмотрена цепь начального возбуждения, которая автоматически формирует кратковременный импульс напряжения на обмотке ротора до появления ЭДС обмотки статора генератора. Импульс напряжения достаточен для поддержания устойчивой работы тиристорного преобразователя в цепи самовозбуждения. Питание цепей начального возбуждения осуществляется как от источника переменного тока, так и от станционной аккумуляторной батареи.

В системе СТС выпрямленное номинальное напряжение составляет до 500 В, а выпрямленный номинальный ток – не более 4000 А, т.е. эти значения несколько ниже, чем в системах СТН.

Благодаря высокому быстродействию управляемого выпрямителя и предельным уровням напряжения и тока возбуждения в сочетании с эффективными законами управления система СТС обеспечивает высокое качество регулирования и большие запасоустойчивости энергосистем. По этим показателям система СТС соответствует значениям системы СТН.

Экстренное снятие возбуждения в аварийных режимах обеспечивается автоматом гашения поля – электрическим аппаратом специальной конструкции, который при срабатывании производит оптимальное гашение поля генератора (АГП).

Рис.5.4. Система бесщеточная диодная (СБД) независимого возбуждения: а – с подвозбудителем (ПВ), б – без подвозбудителя, с питанием обмотки возбуждения возбудителя (ОВВ) от выпрямительного трансформатора (ВТ). ДВ – вращающиеся диодные вентили.

Учитывая высокую надежность тиристорных выпрямителей и улучшение их параметров по токам и напряжениям, в схемах возбуждения могут применяться вместо двух групп вентилей (ВРГ, ВФГ) одну группу с необходимой кратностью форсировки – рис.5.5.

Все об альтернаторе

Для начала стоит сказать немного о самом названии, в самом начале, когда технология, служащая для выработки электрического тока так и называлась, альтернатор, позже его стали называть генератор, весь, и альтернатор и двигатель и другие его части в сборе, это название проще и отражает саму суть работы такого агрегата – преобразование одного вида энергии в другой.

Что же касается самого альтернатора, то можно с полной уверенностью сказать что именно он является самой важной частью в любом генераторе, ведь именно от отвечает за самую важную работу этого агрегата, а именно преобразование кинетической работы, продуцируемой вращением вала двигателя в электрический ток переменного типа. Состоит альтернатор из подвижной и неподвижной части, как и любой электродвигатель, из статора и ротора.

Читать еще:  Бензиновый двигатель для авиамоделей своими руками

Вращение в альтернаторе производится за счет электродвижущей силы, а для возникновения оной необходимо возбудить магнитное поле на обмотке. В этом плане между альтернаторами разнице нет, разница лишь в том, в какой способ электромагнитное поле передается на а обмотку статора, а именно на синхронные и асинхронные. В конструктивном плане разница в том, что синхронный альтернатор имеет обмотку на роторе, в то время как асинхронный не имеет ее и способы передачи соответственно у них разные.

Если не углубляться в теорию и рассмотреть строение альтернаторов, то коротко говоря у синхронного альтернатора более сложное строение за счет наличия и щеток, и обмоток на роторе и статоре, а асинхронный по конструкции более простой по конструкции. Считается, что последний менее надежен и менее вынослив, но это еще не делает его хуже, чем первый, все зависит от того, в каких условиях применяется генератор, есть множество факторов, которые могут поменять их местами или уровнять.

Достоинства синхронного альтернатора

Есть разница между тем, какой обмоткой будет обладать Ваш альтернатор, если же Вы хотите купить дизельный генератор для редких включений, и Вы не намерены подавать на него слишком большую нагрузку, то есть смысл сэкономить деньги и купить алюминиевый тип, если же работать генератор будет часто и должен будет выдерживать достаточно высокую нагрузку, то стоит подумать о медной обмотке. Альтернатор с медной обмоткой будет давать максимально качественный ток на выходе. Важная часть синхронного альтернатора – это щетки, именно они отвечают за снятие тока со статора на ротор. Главное преимущество такого альтернатора – это возможность выдерживать пиковые нагрузки и кратковременные перепады и выдавать качественное электричество на выходе, что и делает его столь востребованным. Также стоит отметить, что только с таким генератором будет совместима система AVR. Синхронный генератор будет более правильным выбором для работы в бытовых условиях, для запитки дома или другого объекта с чувствительной к перепадам технике. Стоит отметить и высокую стоимость такого оборудования, такой генератор будет стоить дороже генератора с асинхронным альтернатором.

Недостатки синхронного альтернатора

Главным недостатком синхронного альтернатора можно назвать то, что он требует достаточно тщательного технического обслуживания. Щетки необходимо периодически заменять, график замены напрямую зависит от того, какие щетки установлены на альтернатор, угольные изнашиваются быстрее, медно-графитовые изнашиваются дольше. Помимо того, что у щеточного узла есть такой расходный материал как щетки, требующие периодической замены, сам альтернатор греется из-за трения щеток о ротор, и поэтому требует наличия охлаждения и тут есть побочный эффект.

Для охлаждения двигателя применяется вентилятор, который всасывает воздух и охлаждает обмотку, а вместе с воздухом он тянет и пыль, грязь и даже влагу. Более дорогие модели имеют достаточно высокий класс защиты для того, чтобы оградить альтернатор от влаги и пыли, но полностью защититься невозможно.

Преимущества асинхронного альтернатора

Преимущество асинхронного альтернатора заключается в том, что он имеет более простую конструкцию, а с этим и стоимость его меньше. Для движения подвижной части не требуется щетки для снятия электричества, достаточно магнитного поля и конденсаторов. Стоит отметить высокую степень защиты и отсутствие необходимости в сервисном обслуживании. Так как такой альтернатор нагревается намного меньше синхронного, отпадает необходимость в охлаждении, благодаря чему его конструкция более уплотненная, что позволило предотвратить попадание пыли, грязи и влаги внутрь альтернатора. Это делает его долговечным и надежным. Вес и физические размеры асинхронного альтернатора также намного меньше, чем у синхронного, так что и сам инверторный генератор компактнее. Также ощутимым преимуществом такого генератора будет в том, что его альтернатору не страшны короткие замыкания, что делает его хорошим вариантом для работы со сварочным оборудованием.

Читать еще:  Чем греть масло в двигателе зимой

Недостатки асинхронного альтернатора

Помимо положительных сторон у него также есть и отрицательные стороны, которые заключаются в том, что выходящее напряжение не самого высокого качества, оно может скакать, а так как этот тип альтернатора несовместим с работой AVR, это может существенно отразится на его работе в бытовых условиях, например для запитки дома. Стоит отметить, что низкий уровень качества тока и скачки напряжения на выходе у асинхронного генератора вызвано тем, что он плохо переносит стартовые пиковые нагрузки от аппретуры, подключаемой к нему, и это может вызвать плачевные последствия для техники, очень чувствительной к перепадам напряжения, например компьютеры, телефоны и другая электроника.

Помните, что не все асинхронные генераторы имеют очень большие скачки напряжения на выходе, хороший проверенный бренд всегда будет устанавливать на свой генератор только самый надежный двигатель, который будет поддерживать постоянное число оборотов при скачках нагрузки, обеспечивая минимальные отклонения от нормы в работе генератора.

Частотный преобразователь для электродвигателя с постоянными магнитами. Основные принципы частотного регулирования синхронных двигателей

Как следует из названия, в данном типе двигателей (PM motor) для создания поля возбуждения используются магнитный материалы. При взаимодействии постоянного магнитного поля в роторе с вращающимся полем статора и создается электромагнитный момент. Асинхронные двигатели (IM) отличаются тем, что в них для создания поля возбуждения требуется ток намагничивания (составляющяя часть тока статора). Это фундаментальное отличие и дает основные преимущества двигателям с постоянными магнитами с точки зрения упрощения конструкции, снижения потерь и уменьшения размеров.

Благодаря использованию редкоземельных магнитов, синхронные двигатели обладают повышенной удельной мощностью (отношение выходной мощности двигателя к его массе) по отношению к эквивалентным асинхронным моторам.

Потери в синхронном двигателе обычно составляют 50%

70% от типового асинхронного двигателя той же мощности, что обуславливает более высокий КПД синхронных машин. Благодаря этому, PM технология удовлетворяет самым строгим стандартам энергоэффективности (IE3 и IE4+).

Типы двигателей с постоянными магнитами

PM машины можно разделить на 2 основные группы в зависимости от характеристик их возбуждения: 1) синхронные двигатели переменного тока (PMAC или СДПТ) с синусоидальным распределением магнитного потока и 2) бесщеточные двигатели постоянного тока (BLDC или БДПТ) с трапециевидным распределением потока. Разница в возбуждении является результатом различного расположения обмоток статора: в PMAC — обмотка распределенная, а в BLDC — концентрированная.

БДПТ дешевле, менее сложны в изготовлении и имеют несколько более высокую удельную мощность, чем СДПТ. Однако, у них есть пульсации момента в отличие от синхронных двигателей. Это одна из основных причин, почему СДПТ, как правило, предпочтительнее для высокопроизводительных применений.

Синхронные двигатели с дополнительной короткозамкнутой обмоткой ротора (LSPM) — по сути сочетание технологии синхронного и асинхронного двигателя. Такая конструкция позволяет LSPM двигателям запускаться в асинхронном режиме при питании напрямую от сети без частотного преобразователя и датчика положения/скорости. После разгона ротора до частоты вращения, близкой к синхронной, постоянный ток, проходящий по обмотке возбуждения, создает синхронизирующий момент, который втягивает ротор в синхронизм. LSPM машины часто встречаются в текстильной промышленности, где требуется синхронность работы ряда машин. Они также находят применение в отраслях, где требуется прямой пуск и высокоэффективная работа двигателя.

Основные требования к управлению

За исключением LSPM двигателей, которые могут быть подключен непосредственно к трехфазной электрической сети, для PMAC и BLDC двигателей требуется преобразователь частоты с достаточно сложным алгоритмом управления скоростью и моментом двигателя.

Читать еще:  Что может позвякивать в двигателе

Управление синхронным двигателем более сложная задача, чем у асинхронного в связи с тем, что фактическое положение ротора должно непрерывно измеряться (или рассчитываться), чтобы двигатель не выпадал из синхронизма. Это можно сделать с помощью таких датчиков, как энкодер, резольвер, датчик Холла (BLDC), а также с помощью передовых методов бездатчикового векторного управления.

Новейшие технологии бездатчикового управления

В течение последних нескольких лет наблюдается повышенный интерес к исследованиям и разработке алгоритмов, устраняющих необходимость использования физического датчика положения/скорости при управлении синхронным двигателем. Сниженные затраты на установку и повышенная надежность являются основными преимуществами, связанными с отказом от этого датчика.

В большинстве современных бездатчиковых технологий управления двигателем в качестве обратной связи по положению ротора используется обратная или противо- ЭДС (back-emf), позволяя синхронному двигателю динамично и точно работать на средних и высоких оборотах (обычно > 2,5% от номинальных). Основным требованием для такого подхода является то, что напряжение, генерируемое постоянными магнитами, должно быть достаточно высоко, чтобы быть обнаруженным частотным преобразователем с необходимым разрешением. Проблемой такого метода является невозможность работы привода на скоростях, близких к нулю, так как противо-ЭДС не дает в этом случае требуемого сигнала.

Для преодоления данного ограничения был разработан метод инжекции сигналов — трансформации синхронного двигателя в резольвер, определяющий положение ротора. Эти сигналы накладываются на сигнал ШИМ преобразователя частоты. Для извлечение необходимой информации из полученного композитного сигнала требуется достаточно сложная система управления, способная эффективно отделить эти две различных составляющих сигнала.

В случае с синхронными двигателями для метода инжекции сигналов конструктивно предпочтительнее использовать двигатели со встроенными магнитами (Permanent Magnet Motors — IPM) в отличие от двигателей с поверхностным расположением магнитов (SPM). В IPM двигателях магниты располагаются внутри ротора, и пространственное изменение сопротивление ротора достаточно велико, чтобы надежно определять его положение. SPM двигатели также могут управляться методом инжекции, но из-за низкого дифференциально-пространственного импеданса определение текущего положения ротора усложнено.

Благодаря новейшим разработкам, используемым в частотных преобразователях Optidrive P2, компания Invertek Drives занимает лидирующие позиции в технологии надежного высококачественного бездатчикового управления синхронными двигателями на очень низких скоростях, что подтверждено рядом реальных практических применений.

Типовые области применения двигателей с постоянными магнитами

СДПТ в сочетании с резольверами или энкодерами де-факто уже являются стандартом для сервосистем, применяемых для высокопроизводительного управления движением, благодаря низкой собственной инерции ротора, позволяющей им обеспечивать высокую точность и динамику позиционирования. В то-же время бесщеточные двигатели (BLDC) широко применяются в системах вентиляции, отопления, кондиционирования (HVAC), где не требуется высокого крутящего момента на низкой скорости, но используются высокоскоростные операции.

В настоящее время имеет место тенденция замены асинхронных двигателей на двигатели с постоянными магнитами в приложениях, где имеет важное значение энергоэффективность работы; а также в приложениях, где требуемое отношение мощности к крутящему моменту на единицу массы не позволяет использовать асинхронные двигатели.

Использование частотного преобразователя Optidrive P2 для управления синхронными двигателями

Новая серия Optidrive P2 частотных преобразователей компании Invertek Drives предоставляет простую в использовании, новейшую технологию бездатчикового управления синхронными двигателями, обеспечивающую высокую точность управления скоростью в широком диапазоне, включая нулевую. Для настройки привода пользователю необходимо ввести только информацию с паспортной таблички двигателя, которая требуется для проведения статического автотестирования двигателя, чтобы получить превосходное качество управления скоростью и моментом.

Статья Дэвида Джонса, R&D директора Invertek Drives. Октябрь 2011г. Перевод ООО «Интехникс»

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector