Full Text

Введение Электрические двигатели можно подразделить на три типа - двигатели постоянного тока, асинхронные и синхронные двигатели. До недавнего времени область применения последнего типа двигателей ограничивалась, как правило, установками большой мощности (крупные насосы, синхронные компенсаторы и др.) [1, 2]. На сегодняшний день круг возможных приложений синхронных двигателей значительно расширился, и сейчас в составе различного оборудования можно повсеместно встретить синхронные двигатели мощностью от десятых долей до нескольких десятков киловатт (о таких двигателях и пойдет речь далее). Данные изменения во многом произошли благодаря разработкам (как с точки зрения применяемых материалов [3, 4], так и с точки зрения системы управления [5-7]) в области электропривода с синхронными двигателями, в которых отсутствует обмотка возбуждения, а вместо нее используются прикрепленные к ротору постоянные магниты. Рост объема использования синхронных двигателей с постоянными магнитами (СДПМ) можно объяснить их существенными преимуществами по сравнению с другими типами двигателей: отсутствие скользящих контактов, хорошая энергоемкость, возможность достижения высоких скоростей вращения, широкие возможности регулирования, в том числе и позиционного. Структура ротора В конструкции СДПМ наибольший интерес вызывает магнитная структура ротора. В зависимости от расположения роторных магнитов различают СДПМ с поверхностными магнитами и СДПМ со встроенными магнитами. У первого типа двигателей постоянные магниты расположены на поверхности ротора по его окружности, а у второго - непосредственно внутри ротора [8]. Для каждого типа двигателя распределение магнитного потока в воздушном зазоре должно быть как можно более близко к синусоидальному. Применительно к СДПМ с поверхностными магнитами существуют особенности магнитной структуры ротора с выступающими магнитами (рис. 1, а) и ротора с вставными магнитами (рис. 1, б). Для наиболее часто используемых редкоземельных материалов относительная магнитная проницаемость магнитов ротора близка к единице, т.е. может быть принята равной магнитной проницаемости воздуха [9]. Именно поэтому ротор с выступающими магнитами будет неявнополюсным и имеет симметричную магнитную структуру, а также, следовательно, и равные индуктивности по осям d, q (Ld = Lq). Напротив, ввиду наличия между полюсами ферромагнитного материала, ротор со вставными магнитами явнополюсный с точки зрения электромагнитных характеристик. Здесь магнитная структура несимметрична, и индуктивности по осям d, q отличаются (Ld < Lq). Благодаря простому производственному процессу, низкой стоимости изготовления и меньшему моменту инерции ротор с выступающими магнитами широко распространен в машинах, которые работают в узком диапазоне мощностей. Кроме того, формирование полюсов на поверхности ротора позволяет легко достичь магнитной структуры с близким к синусоидальному распределению магнитного поля в зазоре. а б в Рис. 1. Магнитные структуры роторов СДПМ (постоянные магниты зачернены): а - ротор с выступающими магнитами; б - ротор со вставными магнитами; в - ротор со встроенными магнитами. (Так как здесь изображены четырехполюсные роторы, оси d и q будут располагаться друг относительно друга под углом 45º) Магнитная структура ротора со вставными магнитами (см. рис. 1, б) позволяет использовать формируемый асимметрией магнитной цепи реактивный момент (описан в следующем разделе). Таким образом, энергоемкость и динамические характеристики двигателя могут быть улучшены по сравнению с описанным выше типом СДПМ. Кроме того, производственный процесс таких машин относительно прост. Свое применение этот тип СДПМ находит в приводах с переменной скоростью. В сравнении с машинами с выступающими магнитами двигатели со вставными магнитами имеют больший поток рассеяния и более высокую стоимость изготовления [9]. Магнитная структура ротора со встроенными магнитами изображена на рис. 1, в. Постоянные магниты в таком роторе скрыты полюсными наконечниками. Ротор является явнополюсным. К положительным качествам такой конструкции можно отнести повышенную перегрузочную способность и энергоемкость, что объясняется наличием реактивного момента, возникающего из-за несимметричности магнитной цепи. Асимметрия магнитной цепи в СДПМ со встроенными магнитами более выражена, чем в СДПМ с поверхностными магнитами. Благодаря этому факту в них имеется возможность регулирования ослаблением потока [10-12], что позволяет повысить частоту вращения привода. Таким образом, заключим, что индуктивности Ld, Lq и их отношение Lq/Ld (называемое коэффициентом поперечного рассеяния ξ в [13], а в англоязычной литературе - коэффициент анизотропии - saliency ratio) различаются для различных магнитных структур ротора. Реактивный момент Реактивный момент - это момент, возникающий ввиду того, что ротор стремится занять положение, в котором магнитное сопротивление, обусловленное его магнитным потоком, имеет наименьшую величину. Это явление используется в описанном выше двигателе со встроенными магнитами, где ротор имеет меньшее магнитное сопротивление потоку обмотки, чем потоку возбуждения (ФW и ФF на рис. 2, б соответственно). Поток ФW (ось q) проходит только через металлический ротор и воздушный зазор, в то время как поток ФF (ось d) дополнительно проходит через два постоянных магнита, относительная проницаемость которых примерно равна проницаемости воздушного зазора. Этим объясняется то, что магнитное сопротивление потоку поля ФF значительно выше, чем потоку обмотки ФW. Обычно эта разница составляет примерно 2:1 или более [14]. Двигатели такой конструкции часто называют гибридными СДПМ (вследствие того, что явление возникновения реактивного момента применяется также в реактивных синхронных двигателях [13, 15]). а б Рис. 2. Пути прохождения потока в роторе: а - с выступающими магнитами; б - со встроенными магнитами Как видно из рис. 2, а, в роторе с выступающими магнитами оба потока проходят через одинаковые с точки зрения магнитных характеристик участки, так как области с магнитами можно представить в этом случае эквивалентными воздушному зазору. Поэтому реактивный момент здесь не возникает, и магнитные сопротивления по осям d, q одинаковы. Для СДПМ со вставными магнитами картина будет примерно та же, что и для двигателей со встроенными магнитами, ввиду их явнополюсной конструкции. Различия в управлении Электрические характеристики двигателя могут быть представлены схемой замещения, показанной на рис. 3, а. В данной схеме магниты и воздушный зазор смоделированы синусоидальным источником тока Im, подключенным параллельно индуктивности L0. Сопротивление статорной обмотки и ее индуктивность рассеяния представлены здесь величинами Rs и Ll. Частота источника Im для двигателя с количеством полюсов p определяется как ωp/2, где ω - механическая угловая скорость. Упрощенная схема замещения показана на рис. 3, б, где эквивалентная индуктивность и ток источника тока равны [16]: (1) (2) а б Рис. 3. Схемы замещения СДПМ Для двигателя с выступающими магнитами, который ввиду своей неявнополюсности не обладает реактивным моментом, момент определится следующей формулой: (3) где β - угол между вектором магнитного поля ротора и вектором тока статора [11, 17], Is - ток статора, p - количество полюсов двигателя. Синусоидальная зависимость момента от угла тока статора проявляется в угловой характеристике, изображенной на рис. 4 (график Ld = Lq). Очевидно, что здесь максимум момента приходится на угол β = 90º (1,57 рад). Именно такую величину угла тока статора стремятся поддерживать при векторном управлении неявнополюсными СДПМ, задавая ток id = 0 [10, 11]. В то же время для СДПМ с вставными магнитами и СДПМ со встроенными магнитами момент выразится следующим образом [10]: (4) где Ld и Lq - индуктивности по осям d и q. Второе слагаемое в скобках в (4) выражает реактивный момент двигателя. Этот момент для СДПМ со вставными магнитами отрицателен в диапазоне 0º < β < 90º и положителен при 90º < β < 180º, так как Ld < Lq. Угловая характеристика СДПМ со вставными магнитами изображена кривой Ld < Lq на рис. 4. Как видно из графика, максимум момента достигается уже при угле β больше 90º. Соответственно и управление таким двигателем должно учитывать наличие реактивного момента и сдвигать угол тока статора на некоторую величину от 90º. Для двигателей со встроенными магнитами соотношение индуктивностей в общем случае может быть различным (коэффициент ξ в зависимости от конфигурации магнитов и воздушных промежутков в роторе может быть как больше единицы, так и меньше [15]). Так, из графика Ld > Lq (рис. 4) видно, что максимум момента смещается влево, в противоположность предыдущему случаю. Рис. 4. Угловые характеристики в относительных единицах при различных соотношениях индуктивностей по осям d, q (индуктивности отличаются на ±0,5) График создан в системе SimInTech [18]. Стоит отметить, что из (4) очевидно вытекает зависимость момента двигателя от разности индуктивностей по осям, а не от их отношения, которое применено в коэффициенте ξ, введенном выше. Однако для наглядного представления различий в анизотропии ротора удобнее все же пользоваться относительной величиной, а не абсолютным значением. Кроме того, разница индуктивностей на дает информации о характеристиках двигателя, в то время как коэффициент ξ обеспечивает более общее представление таких характеристик, как коэффициент мощности, диапазон скоростей при постоянной мощности и некоторые аспекты динамики двигателя [19]. Перегрузочная способность Для сравнения синхронных двигателей с постоянными магнитами перегрузочная способность является, пожалуй, решающим показателем выбора. Так, на рис. 5 можно отметить, что для СДПМ с выступающими магнитами перегрузка эффективна только в области низких скоростей. Такое поведение объясняется достижением точки «максимального момента на вольт» (MTPV - max torque per volt) [20]. На рис. 5, 6 эти точки показаны ромбами. Рис. 5. График перегрузочной способности для СДПМ с выступающими магнитами (штриховая линия соответствует номинальному току Iном, сплошная - 1,73Iном) Для двигателей со встроенными магнитами (а также для двигателей со вставными магнитами, которые являются «переходным звеном» между двумя другими типами) точка MTPV достигается на более высоких скоростях. В частности, можно спроектировать двигатель так, чтобы ограничение по напряжению имело влияние только на максимальной скорости. Рис. 6. График перегрузочной способности для СДПМ со встроенными магнитами (штриховая линия соответствует номинальному току Iном, сплошные - 1,73Iном) Перегрузочная способность СДПМ со встроенными магнитами тем больше, чем больше его коэффициент анизотропии ξ. На рис. 6 показаны графики перегрузочной способности для двух двигателей с различными ξ. При большей анизотропии свойств двигателя точка MTPV смещается в область более высоких скоростей. Для графика ξ = 8 это ограничение наступает на максимальной скорости. Таким образом, двигатель с выступающими магнитами значительно уступает по перегрузочной способности двигателю со встроенными магнитами. Пульсации момента и энергетические показатели Момент, развиваемый СДПМ, характеризуется также такими составляющими, как зубцовый момент и момент гармоник [21], которые обусловливают пульсации момента. Структура ротора в определенной степени влияет на эти составляющие. Зубцовый момент для ротора с поверхностными магнитами выше примерно в 2 раза по сравнению с двумя другими типами роторов - 1 и 0,5 % от номинального момента соответственно [22, 23]. Зависимость момента гармоник от структуры ротора незначительна и определяется в основном магнитной цепью статора и эксцентриситетом ротора, вызванным неточностью производственного процесса. Потери в стали ротора и потери на вихревые токи в магнитах, определяющие КПД двигателя, при различных структурах ротора отличаются незначительно. Лишь потери на вихревые токи в магнитах при отсутствии нагрузки в роторах с выступающими и вставными магнитами заметно больше, чем в роторах с встроенными магнитами. Однако при наличии нагрузки эта разница нивелируется [22]. Также потери на вихревые токи в магнитах можно уменьшить применением сегментирования магнитов в двух направлениях [20]. Коэффициент нагрузки (cosφ) в большей степени определяется приводом (инвертором), без которого СДПМ не применяется. Наличие корректора коэффициента мощности позволяет улучшить энергетические показатели привода [24]. Заключение Магнитные структуры роторов напрямую влияют на характеристики синхронных двигателей с постоянными магнитами, в которых они применяются. Сложность процесса производства таких роторов определяет их стоимость и целесообразность применения в различных областях. Наличие реактивного момента в роторах со вставными и встроенными магнитами вносит дополнительную составляющую в уравнения управления СДПМ. Так, оптимальный угол тока статора зависит от соотношения индуктивностей по осям d, q. Ведутся также разработки в области применения «беличьей клетки», встроенной в ротор СДПМ [25, 26] в качестве демпферной обмотки и в области использования сверхпроводниковых материалов [27]. Поскольку энергетические показатели СДПМ с разными структурами ротора различаются незначительно, выбор той или иной конструкции для конкретного применения определяется необходимыми характеристиками привода и стоимостными показателями. Наиболее важный критерий выбора - перегрузочная способность, которая выше у двигателя со встроенными магнитами ввиду неоднородности структуры его ротора. Стоит также отметить, что синхронные двигатели с постоянными магнитами выполняют, как правило, 6- и 8-полюсными [28]], так как при такой конфигурации достигается максимальный момент. Для двигателей с выступающими магнитами характерен также такой недостаток, как неконтролируемый переход в генераторный режим при неисправности инвертора, в процессе чего возникают значительные перенапряжения. СДМП со встроенными магнитами лишены этого недостатка из-за их анизотропной структуры [20]. Данная работа выполнена с целью обзора возможных вариантов приводных двигателей для системы наведения солнечных батарей. Полученные результаты в дальнейшем будут использованы для выбора типа привода такой системы и ее оптимизации по энергетическим и экономическим критериям.

About the authors

S. A Popov

Kuban State Technological University

V. I Krivchenkov

Kuban State Technological University

M. A Astashov

Kuban State Technological University

S. V Popova

Kuban State Technological University

References

Statistics

Views

Abstract - 197

PDF (Russian) - 143

Refbacks

• There are currently no refbacks.