X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

Проблема заменыдвигателей постоянного тока с независимым возбуждением, используемых в горнодобывающих компаниях, на синхронные реактивные двигатели тяговом электроприводе рудничного электровоза является актуальной.

В настоящее время в тяговых электроприводах используются двигатели постоянного тока, обладающие рядом недостатков: необходимость своевременного профилактического обслуживания коллекторно-щеточного узла, а также ограниченный срок службы из-за износа коллектора. В качестве объекта исследования рассмотрена возможность использования двигателя, составленного из статора асинхронного двигателя серии 4А с использованием специально сконструированного реактивного ротора, предполагаемого для замены двигателя постоянного тока с независимым возбуждением. В свою очередь необходимо принять во внимание то, что у такого двигателя сравнительно невысокий пусковой момент и cosφ.

Используя ЭВМ, было рассмотрено множество вариантов геометрии ротора. Критериями выбора геометрии служили: получение максимально возможного электромагнитного момента, максимально приближенного к номинальному электромагнитному моменту двигателя постоянного тока; отсутствие больших пульсаций электромагнитного момента при повороте ротора. В ходе исследования было отобрано несколько вариантов геометрии ротора, отличающиеся друг от друга максимальным моментом и величиной пульсаций, и выбран наиболее удачный вариант. Была получена угловая характеристика разработанного двигателя. Так же, используя программное обеспечение MathCad, были рассчитаны рабочие характеристики, а также получены зависимости от угла нагрузки.

Рис. 1. Эскиз листа ротора

Так же следует принять во внимание, что из-за отсутствия электрических потерь в роторе возможно увеличение линейной нагрузки обмотки статора без увеличения общего уровня потерь, в 5 сравнении с асинхронным двигателем, взятым за основу. Это позволяет, в случае необходимости, увеличить электромагнитный момент двигателя.

Синхронный двигатель – это электрическая машина, работающая от переменного тока. Главная особенность которой заключается в том, что скорость (частота), с которой вращается ротор, равна частоте вращения магнитного поля. Именно поэтому частота ротора остается неизменной вне зависимости от подключаемой нагрузки. Этого удается достичь благодаря тому, что ротор синхронного двигателя – это электромагнит (как вариант – постоянный магнит), чье число пар полюсов полностью совпадает с числом пар полюсов у вращающегося магнитного поля. Именно взаимодействие этих полюсов гарантирует постоянство угловой скорости, с которой вращается ротор, вне зависимости от момента, приложенного в любой момент к валу.

В основу работы синхронного двигателя положен принцип взаимного влияния полюсов индуктора и магнитного поля, индуцируемого якорем. При запуске осуществляется разгон двигателя до частоты, которая близка по своему значению частоте, с которой происходит в зазоре вращение магнитного поля. Только при выполнении этого условия двигатель переходит в функционирование в синхронном режиме. В данный момент пересекаются магнитные поля, инициируемые индуктором и ротором. Этот момент в технической литературе принято называть входом в синхронизацию.

С началом работы двигателя тока, подаваемые в якорь, создают вращение магнитного поля, которое пересекает поле индуктора, что в результате взаимодействия двух полей переходит в энергию. Поле якоря чаще называют иначе – поле реакции якоря. В генераторах такое получают при помощи индуктора. Входящие в состав индуктора электромагниты постоянного тока принято называть полюсами.

Рис. 2. Рабочие характеристики

При этом индукторы во всех синхронных двигателях могут исполняться по двум схемам – явнополюсной и неявнополюсной, различающиеся между собой расположением полюсов. Чтобы уменьшить значение магнитного сопротивления и тем самым улучшить условия для прохождения магнитного потока, применяют ферромагнитные сердечники. Они располагаются в статоре и роторе, для их изготовления используют специальную марку стали – электротехническую, отличающую высоким содержанием кремния – это позволяет уменьшить вихревые токи и повысить электрическое сопротивление стали.

Рис. 3. Магнитные поля в синхронном двигателе

Несомненным преимуществом синхронных двигателей, является то, что возбуждение постоянным током от независимого источника позволяет работать им при высоком значении cosφ (коэффициента мощности) и даже при условиям с опережающим током. Такая особенность позволяет благодаря подключению синхронного двигателя поднять показатель cosφ для всей сети. Кроме того, следует отметить и другие преимущества. Например, благодаря тому, что синхронный двигатель работает с высоким cosφ, это обеспечивает снижение потребляемого тока и уменьшение потерь у синхронного двигателя вращающий момент пропорционален действующему напряжению сети (Uc). Поэтому синхронный двигатель даже при снижении напряжения в сети сохраняет нагрузочную способность больше. Это говорит о большей надежности такого типа двигателей.

Синхронный реактивный электродвигатель – синхронный электродвигатель, вращающий момент которого обусловлен неравенством магнитных проводимостей по поперечной и продольной осям ротора, не имеющего обмоток возбуждения или постоянных магнитов.

Рис. 4. Конструкция синхронного реактивного двигателя

Статор реактивного двигателя бывает с распределенной и сосредоточенной обмоткой, и состоит из корпуса и сердечника с обмоткой.

Рис. 5. Статор синхронного реактивного электродвигателя с распределительной обмоткой

Выделяют три основных типа ротора реактивного двигателя: ротор с явновыраженными полюсами, аксиально-расслоенный ротор и поперечно-расслоенный ротор.

Рис. 6. Аксиально-расслоенный ротором

Рис. 7. Поперечно-расслоенный ротор

Рис. 8. Ротор с явновыраженными полюсами

Принцип работы реактивного двигателя заключается в том, что переменный ток, проходящий по обмоткам статора, создает вращающееся магнитное поле в воздушном зазоре электродвигателя. Крутящий момент создается, когда ротор пытается установить свою наиболее магнитопроводящую ось (d-ось) с приложенным полем, для того чтобы минимизировать магнитное сопротивление в магнитной цепи. Амплитуда момента прямо пропорциональна разницы между продольной L_d и поперечной L_q индуктивностями. Следовательно, чем больше разница, тем больше создаваемый момент.

В синхронном реактивном электродвигателе магнитное поле создается синусоидально распределенной обмоткой статора. Поле вращается с синхронной скоростью и может считаться синусоидальным. В такой ситуации всегда будет существовать момент направленный на то, чтобы уменьшить полную потенциальную энергию системы, путем уменьшения искажения поля по оси q. Если угол сохранять постоянным, например, путем контроля магнитного поля, тогда электромагнитная энергия будет непрерывно преобразовываться в механическую.

Ток статора отвечает за намагничивание и за создание момента, который пытается уменьшить искаженность поля. Управление моментом осуществляется путем контроля фазы тока, то есть угла между вектором тока обмоток статора и d-осью ротора во вращающейся системе координат.

Среди преимуществ синхронного реактивного двигателя следует отметить: 1) Простая и надежная конструкция ротора: ротор имеет простую конструкцию, состоящую из тонколистовой электротехнической стали, без магнитов и короткозамкнутой обмотки; 2) Низкий нагрев: так как в роторе отсутствуют токи, он не нагревается во время работы, увеличивая срок службы электродвигателя; 3) Нет магнитов: снижается конечная цена электродвигателя, так как при производстве не используются редко земельные металлы. При отсутствии магнитных сил упрощается содержание и техническое обслуживание электродвигателя; 4) Низкий момент инерции ротора: так как на роторе отсутствует обмотка и магниты, момент инерции ротора ниже, что позволяет электродвигателю быстрее набирать обороты и экономить электроэнергию; 5) Возможность регулирования скорости: в виду того, что синхронный реактивный электродвигатель для своей работы требует частотный преобразователь, имеется возможность управления скоростью вращения реактивного двигателя в широком диапазоне скоростей.

Недостатками реактивного двигателя являются: 1) Частотное управление: для работы требуется частотный преобразователь; 2) Низкий коэффициент мощности: из-за того, что магнитный поток создается только за счет реактивного тока. Решается за счет использования частотного преобразователя с коррекцией мощности.

В данный момент синхронные реактивные двигатели мало распространены в общепромышленном электрооборудовании, хотя у них имеются преимущества, отсутствующие у других типов двигателей. Также в ходе исследования были получены технические характеристики, не уступающие двигателю постоянного тока с независимым возбуждением, причем без увеличения габаритных размеров.

Литература

1. Бондарев В.А., Семёнов А.С. Оценка основных факторов энергосбережения // Современные наукоемкие технологии. 2014. № 5-1. С. 228-229.

2. Гольдберг О.Д., Свириденко И.С. Проектирование электрических машин. – М.: Высшая школа, 2006. – 431 с.

3. Кононенко Е.В. Синхронные реактивные машины. – М.: Энергия, 1970. –208 с.

4. Постников И.М., Ралле В.В. Синхронные реактивные двигатели. – Киев: Издательство Техника, 1970. – 142 с.

5. Рушкин Е.И., Семёнов А.С., Саввинов П.В. Анализ применения протокола MODBUS для управления электроприводом на горных предприятиях // Фундаментальные исследования. 2014. № 11-12. С. 2615-2619.

6. Саввинов П.В., Семёнов А.С. Модификация электроприводов насосов малой мощности на горных предприятиях // Современные наукоемкие технологии. 2014. № 5-1. С. 232.

7. Семёнов А.С. Перспективы внедрения вентильных электроприводов в горной промышленности // В сборнике: Научная дискуссия: вопросы технических наук материалы II Международной заочной научно-практической конференции. Международный центр науки и образования. 2012. С. 52-56.

8. Семёнов А.С., Шипулин В.С. Электропривод – многофункциональное, высокопроизводительное, энергоэффективное устройство // В сборнике: Наука XXI века: новый подход материалы II молодежной международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, 28 сентября 2012 года, г. Санкт-Петербург. Науч.-изд. центр "Открытие". Петрозаводск, 2012. С. 63-65.

Код для цитирования: Скопировать