Однофазные синхронные двигатели в основном используются в небольших приложениях, где требуется точный учёт времени, например, в различного рода хронометрах (в том числе и часах) и магнитофонах. Хотя кварцевые часы с батарейками широко доступны, часы с питанием от сети переменного тока имеют лучшую долгосрочную точность (эта разница очевидна, когда счёт времени исчисляется месяцами).
Это связано с тем, что операторы электростанции целенаправленно поддерживают долгосрочную точность частоты системы распределения переменного тока. Как только он начинает отставать на несколько циклов, оператор обеспечит восполнение потерянных циклов переменного тока, так что потери времени не накапливаются.
Большие и малые синхронные двигатели
Большие синхронные двигатели полезны в промышленности, когда требуется мощность более 10-ти лошадиных сил (от 10 кВт и выше), благодаря более высоким КПД и ведущему коэффициенту мощности. Большие синхронные двигатели на несколько процентов эффективнее, чем более распространённые асинхронные двигатели, хотя синхронный двигатель более сложен.
Поскольку двигатели и генераторы схожи по конструкции, должна быть возможность использовать генератор в качестве двигателя и, наоборот, использовать двигатель в качестве генератора.
Асинхронный двигатель похож на генератор переменного тока с вращающимся магнитным полем. На рисунке ниже показаны небольшие генераторы переменного тока с вращающимся постоянным магнитным полем. (1) и (2) – два параллельно подключённых синхронных генератора переменного тока, приводимых в действие механическими источниками энергии. Либо же это генератор переменного тока, приводящий в действие синхронный двигатель. Или это могут быть два двигателя, если подключён внешний источник питания.
Дело в том, что в любом случае роторы должны работать с одинаковой номинальной частотой и находиться в фазе друг с другом. То есть они должны быть синхронизированы между собой. Процедура синхронизации двух генераторов переменного тока такова:
(1) размыкание переключателя,
(2) приведение в действие обоих генераторов с одинаковой скоростью вращения,
(3) ускорение или замедление фазы одного блока до тех пор, пока оба выхода переменного тока не будут в фазе,
(4) замыкание выключателя, как они сойдутся по фазе.
Если синхронизации не будет, генераторы переменного тока будут блокировать друг друга, что потребует значительного крутящего момента, чтобы отделить один блокиратор (не синхронизированный) от другого.
Рис. 1. (1), (2) – Синхронный двигатель, работающий от синхронного генератора. И двигатель, и генератор состоят из вращающегося ротора, питающегося от постоянного тока (обмотки ротора создают вращающееся постоянное магнитное поле) и неподвижного статора, питающегося от переменного тока (обмотки статора создают переменное магнитное поле).
Поэтому можно также считать, что это изображение либо двух синхронных генераторов, либо двух синхронных двигателей. (3) – Угол отклонения, при котором взаимодействие постоянного и переменного магнитных полей создаёт достаточной крутящий момент, позволяющий работать двигателю/генератору. На этих изображениях статоры двухполюсные.
Расчёт крутящего момента в синхронном двигателе
Если больший крутящий момент в направлении вращения приложен к ротору одного из вышеупомянутых вращающихся генераторов переменного тока, угол ротора будет увеличиваться (противоположно (3)) по отношению к магнитному полю в катушках статора, пока всё ещё синхронизированного, и ротор подаёт энергию в сеть переменного тока, как генератор переменного тока.
Ротор также будет смещён вперёд относительно ротора другого генератора. Если нагрузка, такая как тормоз, приложена к одному из вышеуказанных устройств, угол ротора будет отставать от поля статора, как в (3), извлекая энергию из сети переменного тока, как двигатель.
Если приложен чрезмерный крутящий момент или сопротивление, ротор превысит максимальный угол крутящего момента, опережая или отставая настолько, что синхронизация будет утеряна. Крутящий момент развивается только при сохранении синхронизации двигателя.
Повышение скорости синхронных двигателей
В случае использования небольшого синхронного двигателя вместо генератора переменного тока нет необходимости выполнять сложную процедуру синхронизации для генераторов переменного тока. Тем не менее, синхронный двигатель не запускается автоматически и должен быть доведён до приблизительной электрической скорости генератора переменного тока, прежде чем он синхронизируется с частотой вращения генератора.
После достижения нужной скорости синхронный двигатель будет поддерживать синхронность с источником питания переменного тока и развивать крутящий момент.
Рис. 2. Синусоидальная волна для переменного напряжения, приводящего в движение синхронный двигатель. На всех этапах проще разбираться с направлением движения, если помнить, что одноимённые полюса отталкиваются, а разноимённые притягиваются. На этих изображениях статоры двухполюсные.
Предполагая, что двигатель достигает синхронной скорости, когда синусоидальная волна входит в положительный полупериод (точка 1 на кривой, часть 1 рисунка 2), нижняя катушка статора (имеющая «северную» полярность) отталкивает «северный» полюс ротора, в то время как верхняя катушка статора (имеющая «южную» полярность) притягивает «северный» полюс ротора. Подобным образом «южный» полюс ротора отталкивается от верхней катушки статора (имеющей «южную» полярность) и притягивается к нижней катушке статора (имеющей «северную» полярность).
В тот момент, когда синусоида достигает пика (точка 2 на кривой, часть 2 рисунка 2), крутящий момент, удерживающий «северный» полюс ротора сверху, становится максимальным. Этот крутящий момент уменьшается по мере уменьшения синусоидальной волны до 0 В постоянного тока (точка 3 на кривой, часть 3 рисунка 2), где крутящий момент минимален.
Поскольку синусоида входит в отрицательный полупериод (между точками 3 и 4), нижняя «южная» катушка статора отталкивает «южный» полюс ротора, притягивая «северный» полюс ротора. Подобным образом «северный» полюс ротора отталкивается от верхней «северной» катушки статора и притягивается к нижней «южной» катушке статора. В точке 4 синусоида достигает отрицательного пика с удерживающим моментом, который снова на максимуме. Когда синусоидальная волна изменяется с отрицательной на 0 В постоянного тока и затем переходит в положительную область, весь процесс повторяется – начинается новый цикл синусоидальной волны.
Обратите внимание, что на приведённом рисунке показано положение ротора в режиме холостого хода (α = 0°). На практике нагрузка на ротор приведёт к тому, что ротор будет отставать от положений, показанных углом α. Этот угол увеличивается с нагрузкой до тех пор, пока максимальный крутящий момент двигателя не будет достигнут при α = 90°.
За пределами этого угла теряются синхронизация и крутящий момент. Ток в катушках однофазного синхронного двигателя пульсирует с переменной полярностью.
Если скорость роторного постоянного магнитного поля близка к частоте этого чередования, ротор синхронизируется с этим чередованием. Поскольку переменное магнитное поле катушки статора пульсирует и не вращается, необходимо увеличить скорость ротора (по сути являющимся вращающимся постоянным магнитом) с помощью вспомогательного двигателя. Это небольшой асинхронный двигатель, вроде тех, что мы рассмотрим в следующем разделе.
Рис. 3. Добавление дополнительных полюсов на статор позволяет снизить скорость вращения ротора, нужную для синхронизации. На этом изображении статор 12-полюсный.
2-полюсный (с парой полюсов «север»/«юг») генератор создаёт синусоидальную волну 60 Гц со скоростью вращения 3600 об./мин. (оборотов в минуту). 3600 об./мин. соответствует 60 оборотам в секунду. Аналогичный двухполюсный синхронный двигатель с постоянными магнитами также будет вращаться со скоростью 3600 об./мин.
Чтобы сконструировать двигатель с меньшей скоростью вращения, на статор нужно добавить больше пар полюсов. 4-полюсный двигатель будет вращаться со скоростью 1800 об./мин., 12-полюсный – со скоростью 600 об./мин. Показанный стиль конструкции (как на рисунке выше) предназначен для иллюстрации самой идеи. Многополюсные синхронные двигатели со статором с более высоким КПД и большим крутящим моментом фактически также имеют несколько полюсов и в роторе.
Вместо того, чтобы наматывать 12 катушек для 12-полюсного двигателя, можно намотать одну катушку на двенадцать стальных штырей, соединив одним проводом полюсные сегменты, как показано на рисунке выше. Хотя полярность катушки периодично меняется из-за приложенного переменного тока, предположим, что в какой-то момент верхняя часть – «север», а нижняя – «юг».
Полюса направляют «южный» поток магнитного поля вниз и затем вверх снаружи от катушки. Эти 6 южных частей чередуются с 6-ю северными ушками, загнутыми наверх от верхушки стального полюса катушки. Таким образом, стержень ротора с постоянным магнитом придёт во взаимодействие с 6-ю парами полюсов, соответствующим 6-ти циклам переменного тока, совершаемых за одно физическое вращение стержневого магнита.
Скорость вращения будет 1/6 от электрической скорости переменного тока. Скорость ротора будет 1/6 от скорости 2-полюсного синхронного двигателя. Пример: 60 Гц вращает 2-полюсный двигатель со скоростью 3600 об./мин. или 600 об./мин. для 12-полюсного двигателя.
Рис. 5. Фото взято с сайта Westclox History (www.clockHistory.com).
На этом рисунке изображён статор 12-полюсного синхронного часового двигателя Westclox. Конструкция аналогична предыдущему рисунку с одной общей катушкой. Конструкция с одной обмоткой экономична для двигателей с низким крутящим моментом. Этот двигатель со скоростью 600 об./мин. приводит в движение редукторы, перемещая стрелки часов.
Вопрос: Если двигатель Westclox будет работать со скоростью 600 об./мин. от источника питания 50 Гц, сколько полюсов потребуется?
Ответ: 10-полюсный двигатель имеет 5 пар полюсов NS («север»/«юг»). Он будет вращаться со скоростью 50 / 5 = 10 об./сек. или 600 об./мин. (10 с-1 x 60 секунд в минуте).
Рис. 6. Фото взято с сайта Westclox History (www.clockHistory.com).
Ротор на этом рисунке состоит из стержня постоянного магнита и стальной чашки-корпуса асинхронного двигателя. Шина синхронного двигателя, вращающаяся внутри полюсных лапок, фиксирует точное время. Чашка асинхронного двигателя за пределами стержневого магнита подходит снаружи над «язычками», обеспечивая самозапуск. Какое-то время выпускались не способные к самозапуску двигатели без чашечки асинхронного двигателя.
Трёхфазные синхронные двигатели
Трёхфазный синхронный двигатель, показанный на рисунке ниже, создаёт электрически вращающееся магнитное поле в статоре. Такие двигатели не могут запускаться автоматически при соединении с источником питания с фиксированной частотой, например, 50 или 60 Гц, как это происходит в промышленных условиях.
Кроме того, для двигателей с мощностью в несколько лошадиных сил (многокиловаттных), используемых в промышленности, ротор не является постоянным магнитом, а электромагнитом. Большие промышленные синхронные двигатели более эффективны, чем асинхронные двигатели. Они используются, когда требуется обеспечить постоянную скорость. Обладая опережающим коэффициентом мощности, они могут корректировать линию переменного тока на отстающий коэффициент мощности.
Три фазы возбуждения статора складываются как векторы, тогда создаётся единое результирующее магнитное поле, вращающееся с частотой f/2n раз в секунду, где f - частота линии электропередачи (50 или 60 Гц для промышленных двигателей, работающих от линии электропередачи). Количество полюсов – n. Для получения скорости ротора в об./мин. эта цифра умножается на 60 (потому что в минуте 60 секунд).
S = f × 120 / n
где:
S = частота вращения ротора в об./мин. f = частота сети переменного тока n = количество полюсов на фазу
Трёхфазный 4-полюсный (4 полюса на фазу) синхронный двигатель вращается со скоростью 1800 об./мин. при мощности 60 Гц или 1500 об./мин. при мощности 50 Гц. Если катушки запитываются по очереди в последовательности Ф-1, Ф-2, Ф-3, ротор по очереди указывает на соответствующие полюса.
Поскольку синусоиды фактически перекрываются, результирующее поле будет вращаться не прерывисто, а более-менее плавно. Например, когда синусоиды Ф-1 и Ф-2 совпадают, магнитный поток будет на пике, указанным между этими полюсами. Показанный на рисунке ниже двухполюсный ротор, являющийся магнитным стержнем, типичен только для небольших двигателей.
Ротор с несколькими магнитными полюсами (на рисунке ниже он изображён справа) используется в любом эффективном двигателе, приводящем в движение значительную нагрузку. Это уже не цельные магниты, а электромагниты с контактным кольцом в крупных промышленных двигателях. Крупные промышленные синхронные двигатели способны к самозапуску с помощью встроенных в якорь проводов с короткозамкнутым ротором, действующих как асинхронный двигатель.
Электромагнитный якорь возбуждается только после того, как ротор набирает скорость, близкую к синхронной.
Малые многофазные синхронные двигатели запускаются путём линейного увеличения частоты привода от нуля до конечной рабочей частоты. Многофазные управляющие сигналы генерируются электронными схемами и их волны будут прямоугольными во всех приложениях, кроме самых требовательных.
Такие двигатели известны как бесщёточные двигатели постоянного тока. Истинные синхронные двигатели управляются синусоидальными сигналами. Можно использовать двух- или трёхфазный привод, запитав соответствующее количество обмоток статора. На рисунке выше показано только 3 фазы.
Рис. 8. Принципиальная схема синхронного двигателя с электронным управлением.
На этой блок-схеме показана приводная электроника, связанная с синхронным двигателем низкого напряжения (12 В постоянного тока). Здесь имеется датчик положения, встроенный в двигатель, который выдаёт сигнал низкого уровня с частотой, пропорциональной скорости вращения двигателя.
Датчик положения может быть таким же простым, как твердотельные датчики магнитного поля, работающие на эффекте Холла, обеспечивающие синхронизацию (направление тока якоря) с электроникой привода. Датчик положения может быть угловым датчиком с высоким разрешением, таким как резольвер, индуктосин (магнитный энкодер) или оптический энкодер (о них мы говорили в последнем разделе предыдущей главы).
Если требуется постоянная и точная скорость вращения (как для дисковода), то в устройство двигателя могут быть включены тахометр и контур фазовой автоподстройки частоты (рисунок ниже). Сигнал тахометра, являющийся последовательностью импульсов, пропорциональный скорости двигателя, возвращается в контур фазовой автоподстройки частоты, который сравнивает частоту и фазу тахометра со стабильным источником опорной частоты, например кварцевым генератором.
Рис. 9. Контур фазовой автоподстройки частоты контролирует скорость синхронного двигателя.
Бесщёточный двигатель постоянного тока
Двигатель, управляемый прямоугольными волнами тока, который обеспечивается простыми датчиками, работающими на эффекте Холла, известен как бесщёточный двигатель постоянного тока. Этот тип двигателя имеет более высокие колебания крутящего момента при вращении вала, чем двигатель с синусоидальным приводом. Для многих приложений это не проблема. Хотя в этом разделе нас в первую очередь интересуют синхронные двигатели.
Рис. 10. Пульсации крутящего момента бесщёточного двигателя и его механический аналог.
Пульсация крутящего момента или зубчатость вызывается магнитным притяжением полюсов ротора к полюсным наконечникам статора (рисунок выше). Обратите внимание, что катушки статора отсутствуют. Ротор (являющийся постоянным магнитом) можно даже вращать вручную, но он будет испытывать притяжение к полюсным наконечникам, когда с ними сравняется соответствующий полюс ротора.
На это можно взглянуть с механической точки зрения. Будет ли пульсация крутящего момента проблемой для двигателя, используемого в магнитофоне? Будет, ибо мы не хотим, чтобы двигатель то ускорялся, то замедлялся, когда воспроизводящей головки считывает магнитные метки с кассетной ленты. Будет ли пульсация крутящего момента проблемой для двигателя вентилятора? Нет.
Рис. 11. Обмотки, распределённые в ленте, создают поле, соответствующее более синусоидальным сигналам.
Если двигатель приводится в действие синусоидальными волнами тока, синхронными с обратной ЭДС двигателя, он классифицируется как синхронный двигатель переменного тока, независимо от того, генерируются ли или нет волны привода электронными средствами. Синхронный двигатель будет генерировать синусоидальную обратную ЭДС, если магнитное поле статора имеет синусоидальное распределение.
Он будет более синусоидальным, если обмотки полюсов будут намотаны как ремешки в множестве пазов, а не сосредоточены на одном большом полюсе (как показано на большинстве наших упрощённых иллюстраций). Такая конструкция подавляет многие нечётные гармоники магнитного поля статора.
Пазы с меньшим количеством витков на краю фазовой обмотки могут делить пространство с другими фазами. Намоточные ремешки могут принимать альтернативную концентрическую форму, как показано на рисунке ниже.
Рис. 12. Фазовые обмотки концентрически вставлены в пазы как ремни.
Для двухфазного двигателя, приводимого в действие синусоидальной волной, крутящий момент постоянен на протяжении всего оборота в соответствии с тригонометрическим тождеством:
sin2θ + cos2θ = 1
Генерация и синхронизация сигнала привода требуют более точной индикации положения ротора, чем это обеспечивают датчики Холла, используемые в бесщёточных двигателях постоянного тока. Резольвер или оптический/магнитный датчик, обеспечивает разрешение от сотен до тысяч частей (импульсов) за один оборот.
Резольвер выдаёт аналоговые сигналы углового положения в виде сигналов, пропорциональных синусу и косинусу угла поворота вала. Энкодеры обеспечивают цифровую индикацию углового положения в последовательном или параллельном формате.
Привод синусоидальной волны на самом деле может исходить от ШИМ (широтно-импульсного модулятора) –высокоэффективного метода аппроксимации синусоидальной волны цифровым сигналом. Каждая фаза требует, чтобы управляющая электроника для этой формы сигнала была сдвинута по фазе на соответствующую величину для каждой фазы.
Рис. 13. ШИМ аппроксимирует синусоидальную волну.
Преимущества синхронного двигателя
КПД синхронного двигателя выше, чем у асинхронных двигателей. Синхронный двигатель также может иметь меньшие размеры, особенно если в роторе используются высокоэнергетические постоянные магниты. Появление современной твердотельной электроники позволяет управлять этими двигателями с регулируемой скоростью.
В железнодорожной тяге в основном используются асинхронные двигатели. Однако удобно внутри ведущего колеса установить небольшой синхронный двигатель. Версия этого двигателя с высокотемпературным сверхпроводником составляет от одной пятой до одной трети веса двигателя с медной обмоткой.
Самый крупный экспериментальный синхронный двигатель со сверхпроводниками способен управлять военным кораблём класса «эсминец». Всегда очень важен электронный привод с регулируемой скоростью. Привод с регулируемой скоростью снижает напряжение привода на низкой скорости из-за уменьшения индуктивного сопротивления на более низкой частоте.
Для развития максимального крутящего момента, волна магнитного поля ротора должна отставать от поля статора на 90°. Если больше, то теряется синхронизация. Если сильно меньше, то снижается крутящий момент. Таким образом, необходимо точно знать положение ротора. И положение ротора по отношению к полю статора необходимо рассчитывать и контролировать.
Этот тип управления известен как векторное управление фазой. Он реализован с помощью быстродействующего микропроцессора, управляющего широтно-импульсным модулятором фаз статора. Статор синхронного двигателя при этом такой же, как и у более популярного асинхронного двигателя.
В результате электронное управление скоростью промышленного уровня, используемое в асинхронных двигателях, также применимо к большим промышленным синхронным двигателям. Если ротор и статор обычного вращающегося синхронного двигателя раскручены, получается синхронный линейный двигатель.
Этот тип двигателя применяется для точного высокоскоростного линейного позиционирования.
