Синхронни електродвигатели

ЕлектроапаратурaСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 6, 2008

Съвременни методи за управление на синхронни електродвигатели с постоянни магнити - част II

    брой 4/2008 на списание Инженеринг ревю открихме темата за синхронните електродвигатели. Разгледани бяха изискванията към възбуждането, характеристиките на синхронните електродвигатели с постоянни магнити (СДПМ) и някои принципи на регулиране. В настоящата статия продължаваме темата с други аспекти, свързани с управлението, пуска и избора на СДПМ.
Вентилни електрозадвижвания
В общия случай вентилно може да се нарече всяко електрозадвижване, в което регулирането на режима на електродвигателя се извършва с помощта на управляеми вентилни (полупроводникови) преобразуватели на електрическата енергия. Сред тях са изправител, импулсен преобразувател на постоянен ток, преобразувател на честота. В по-тесен смисъл общоизвестното понятие вентилно електрозадвижване или вентилен двигател представлява електромеханична система. В нея обикновено са включени синхронна електрическа машина (като правило възбуждането й е с постоянни магнити), електронен комутатор (посредством него се осъществява захранване на намотките на котвата на машината), система за автоматично управление на честотния инвертор (ЧИ), обхващаща и необходимите датчици за положение и скорост на ротора. Традиционното управление с ключовете на ЧИ се осъществява във функция от положението на ротора на синхронния двигател.
В последните години обект на сериозно обсъждане са съвременните теория и практика на ЧИ с регулируема скорост на базата на синхронни двигатели с постоянни магнити (СДПМ). Развиват се принципите на работата им, поддържаната функционалност, основните алгоритми на автоматичното управление при отсъствие на датчик на вала на двигателя за положението на ротора и др.

Предимства на вентилните електрозадвижвания
Отсъствието на плъзгащи електрически контакти съществено разширява диапазона на достижимите скорости на въртене и надеждността им в сравнение с постояннотоковите или асинхронните двигатели. Възможно е намотката на котвата на СДПМ да бъде захранена и с по-високо напрежение. Поради това конструктивната постоянна на момента Cm съществено превишава аналогичните величини на класическите постояннотокови машини. Следователно, при включване на СДПМ става възможно да се използват кабели с по-малко напречно сечение и преобразуватели с по-ниска мощност. Сред предимствата на вентилните електрозадвижвания са:
l Безконтактност и отсъствие на възли, изискващи обслужване;
l Висока претоварваща способност по момент (краткосрочно допустимият момент и ток на СДПМ би могъл да превиши номиналните стойности пет и повече пъти);
l Високо бързодействие в преходните процеси;
l Абсолютно твърда характеристика и практически неограничен диапазон на регулиране (1:10 000 и повече). Възможност за регулиране на оборотите, над и под номиналните, с постоянно продължително допустим максимален момент, както и многократно претоварване по мощност.
l Оптимални енергийни показатели (КПД и фактор на мощност). КПД на вентилните електродвигатели превишава 90% и незначително се отклонява от номиналния при вариации в товара. За сравнение серийно произвежданите АЕД с мощност до 10 kW имат максимален КПД от около 87%, който съществено зависи от момента. Например, при пренатоварване до 50% коефициентът им на полезно действие е 60-70%;
l Минимален ток на празен ход;
l Минимални габаритни показатели при равни други условия.
l При СДПМ няма загуби от възбуждане в ротора. Също така, съвременните постоянни магнити (Nd2Fe14B) имат способността да осигурят максимална магнитна индукция във въздушната междина. Също така, възможно е в СДПМ да бъде повишен линейният товар при запазване на загубите на постоянно ниво. Това обяснява високата електромеханична ефективност на СДПМ с честотни инвертори в сравнение с други типове променливотокови безконтактни ЕД. Функционалните характеристики на постоянните магнити Nd2Fe14B се съхранява дори и при 170 oС и петкратно кратковременно претоварване по момент и ток на статора. По този начин се понижават разходите за скъпоструващи материали и подобряване на масогабаритните показатели на двигателите.
Друг вид синхронни двигатели с постоянни магнити - дисковите с ЧИ, през последните години са обект на интензивно развитие. Те се използват основно в тяговия градски транспорт. Характерно за дисковите ЕДПМ, освен вече изброените предимства на СДПМ е, че са високомоментни.
Пуск на СДПМ
Пускът на СДПМ e сред най-важните му режими на работа, предвид факта, че скоростта на въртене зависи от честотата на захранващото напрежение. Следва да се има предвид, че при пуск с честотен инвертор процесът е сложен и от гледна точка инерцията на ротора. Целта е да се осигури плавен пуск на двигателя.
Известно е, че колкото по-мощен е двигателят, толкова роторът му е с по-голяма маса. Следователно, необходимо е да се съобрази ускорението, с което се пуска. Необходимо е да се обърне внимание и на кривата, описваща траекторията на пусковия ток. Отсъствието на намотка на ротора изключва контрола на скоростта по ъгъл на завъртане, както е при СД с електромагнити.
Разработени са цифрови системи за управление, реализирани на базата на високопроизводителни едночипови RISC микроконтролери. Тези системи се характеризират с мощни изчислителни възможности и развити периферни оптически и електрически интерфейси с висока гъвкавост. Въпреки това пускът на СДПМ е съпроводен с колебание на ускорението и въртящия момент около зададената стойност. Алгоритъмът на управление се осъществява  в голяма степен от програмното обезпечаване, което не дава възможност за нарушаване на синхронизма по време на пуск и работа. Системата осигурява директно цифрово управление на СДПМ по зададени технологични параметри. В процес на синхронен равноускорителен пуск изобразената точка на дисплея трябва да се движи по затворена линия в допустимите области, ограничени от началните условия. Обикновено, системата включва три електронни платки. Две от тях са основни и необходими.
Първата е на системния контролер. В неговата структура е включен контролер, тип DVR, възел на изолиран дискретен вход-изход, захранване, електрически и оптически интерфейс, часовник за реално време за контрол на грешките и датчик за системната температура. Системният контролер организира общия алгоритъм на функциониране и обмена на информация с останалите модули на базата различни протоколи. Сред тях са SPI, I2C, MODBUS и скоростно паралелен. Също така, съдържа пълен набор от функции за защита и диагностика на електронния модул и двигателя на програмно ниво.
Втората платка - оптически интерфейс, предназначен за преобразуване на постъпващия последователен код в паралелен, усилване и предаване по оптичен кабел на импулсите за управление на силовите модули.
Третата платка е пултът за управление. Съдържа дисплей и клавиатура. На дисплея се въвеждат системни и технологични настройки, вид на параметъра, който ще се визуализира, вид на аварията и др. Всички необходими настройки се въвеждат от клавиатурата.

Важни моменти от експлоатацията
Равноускорително синхронно пускане на СДПМ на ротора е възможно при запазване положението на точката, изобразяваща състоянието на двигателя в cl фазовата област на устойчивост на режима.
При пускане на празен ход по абсцисата на фазова плоскост, за премахване изоставането на ротора от полето на статора, областта на устойчивост трябва да се намира вътре в кривата на устойчивост. Там се намира втора точка - център на фазовата траектория, местоположението на която е със съответните колебания, съпровождащи пускането на СДПМ. В процеса на пуск областта на устойчива работа се променя. По-голямото ускорение съответства на по-малка устойчивост.
При празен ход пускът на СДПМ, за нулеви начални условия, е възможен при ускорение 72,46% от максималното.
В случай на пуск с постоянен реактивен товарен момент, устойчивата работа съответства на тази при празен ход, но ускорението е по-високо. Областта на устойчива работа не се променя.
За възстановяване на синхронизма е необходима информация за текущото положение и скоростта на ротора.
При вентилаторно натоварване областта на устойчивост при пуск се стеснява.
Колебанията на ротора на СДПМ, съпровождащи пуска и работата му, е възможно съществено да се намалят при избор на оптимални начални условия. Изключването на колебанията намалява вероятността от изпадане от синхронизъм при комутационни въздействия.




ЕКСКЛУЗИВНО

Top