Синхронни електродвигатели

На енергетиците е известно, че синхронните машини се използват преди всичко като генератори. Те се проектират за напрежение до 33 kV и мощности до 1000 MW. Напоследък все по-често се използват като двигатели, което стана възможно след разработването на мощни ключови транзистори от типа IGBT, MOSFET и тиристори GTO, IGCT, SGCT, имащи възможност и за изключване по управляващия електрод. Синхронните двигатели (СД) са незаменими при използването им за свръх мощности. В момента най-големият СД е с мощност 220 MW и се използва за задвижване на вентилатор за аеродинамична тръба.

Като при асинхронния двигател (АД) и при синхронните машини оборотите n са функция на честотата на мрежата f и чифтовете полюси p - n = 60f/p. СД се нуждаят от възбуждане на постоянно магнитно поле. Реализира се по няколко начина - външно (независимо), собствено (с възбудителна машина на вала на СД), чрез самовъзбуждане, както и с постоянни магнити (приема се като много перспективно).

Възбуждането - сигурно и икономично

Базови изисквания към възбуждането на синхронните двигатели са висока сигурност на работа и икономичност. Възбудителният ток би следвало да се регулира в известни граници бързо и да поддържа статичната и динамичната устойчивост. Ако трябва да се използва за компенсация на фактора на мощността (cos j), при увеличаване на съпротивителния момент на вала на електродвигателя (ЕД) следва да се увеличи и възбуждането му (става въпрос за т.нар. реакция на котвата) с цел запазване на cos j. Както е известно, факторът на мощността би могъл да е положителен или отрицателен. При недовъзбуждане се консумира индуктивна енергия, при превъзбуждане се генерира такава.

В последните години все по-широко става съвместното използване на СД с полупроводникови схеми на възбуждане, поради малката инертност при регулиране на възбудителното напрежение (от порядъка на ms). Като най-перспективни обаче се определят синхронните двигатели с постоянни магнити (СДПМ).

Постоянни магнити за СД

Повечето съвременни СДПМ се конструират на базата на неодимови магнити. Те представляват постоянни магнити, направени от сплав на неодим, желязо и бор (Nd2Fe14B) - показани на фигури 1, 2, 3, и 4, или самарий-кобалт (Sm-Co) - фигура 5. Също така се използват постоянни магнити от типа Alni, Alnico (фиг.6) и Ticonal (фиг.7), представляващи сплави на базата на Fe, Al, Ni, Co, Cu и Ti. Отличават се с относително висока остатъчна намагнитеност Br и висока магнитна енергия ВНмах, нисък коефициент на температурни изменения - 0.02%/°С, висока точка на Кюри - 850 °С и работна температура до 450 °С. Тези характеристики ги правят незаменими при използването им в електродвигатели, измервателни прибори, прецизни акустични преобразуватели, сензорни и други устройства, изискващи стабилни параметри във времето и промените в температурата. Новите технологии при производството им, включително създаването им при свръхналягане, лазерна заварка и уникален процес на намагнитване, позволиха масовото им използване в синхронните двигатели.

За изработване на ротора на СДПМ (фиг. 8, 9, 10, 11) могат да се използват също феритови постоянни магнити (фиг. 12). Те са относително евтини, но нямат висока индукция на магнитното поле. По тази причина, в последното десетилетие се отдава предпочитание на високо енергийните магнити на основата на сплави от редки метали, отличаващи се с висококоерцитивна сила. Това позволява значително да се подобри масогабаритният показател и да се получи по-висок въртящ момент, както и намаляване на обема на статора. Самарий-кобалт (Sm-Co) и неодим-желязо-бор Nd2Fe14B (Nd-Fe-b) са най-разпространените материали за съвременни магнити. Например Nd2Fe14B магнит се отличава с 10 пъти по-висока коерцитивна сила от феритовия. Напоследък се появиха съобщения за разработването на нов тип постоянен магнит на базата Sm2Fe17 с добавка азот и въглерод.

В таблица 1 са показани параметри на по-широко използвани магнити.

СДПМ са най-перспективните двигатели

Благодарение на високите си експлоатационни качества, СДПМ са най-перспективните двигатели за малки и средни мощности.

Предимствата им биха могли да се систематизират в следните групи:

• елементарна конструкция;

• високи енергетични показатели и голям КПД;

• отсъствие на загуби във възбуждането;

• висока стабилност на оборотите;

• повишена претоварваща способност;

• висока мощност за единица маса;

• възможност за увеличаване на въздушната междина, а следователно и по-голяма динамична стойчивост, без да се понижава КПД;

• по-ниска температура в сравнение с класическите синхронни двигатели (СД).

• зависимост на въртящия момент на първа степен от захранващото напрежение за разлика от асинхронния, чийто момент зависи на втора степен;

• възможност за монтиране на по-голям брой двойки полюси;

• възможност за изработване на високомоментни СД.

Към недостатъците на синхронните двигатели с постоянни магнити се отнасят:

l сложен пуск. Необходимо е да се завърти роторът в посоката на въртене на магнитното поле на статора. Отсъствие на пускова кафезна намотка и невъзможност да се изключи магнитното поле, създавано от постоянните магнити. В процеса на пуск възниква асинхронен спирачен момент, създаден в резултат от взаимодействието между полетата на статора и постоянните магнити;

l възможност за лесно счупване на магнитите от редки елементи;

l характерно за СДПМ е, че при движение на празен ход се нагряват силно и е необходимо да се предвиди охлаждане.

Ако се направи сравнение между синхронен двигател с електромагнитно възбуждане и модел с постоянни магнити, биха могли да се направят следните изводи:

l СДПМ се отличават с по-висок КПД с около 3%;

l синхронните машини с постоянни магнити са с по-малка маса - около 25%;

l СДПМ имат по-малки габарити - до 7%.

От своя страна, СДПМ с напречно поле се отличават с по-висок КПД с 5%, по-малка маса с 60% и по-малки габарити с 50%.

Все по-широка област на приложение

Изброените качества отличават СДПМ от другите електродвигатели. Те са особено ценени в областта на автоматиката, електрозадвижванията в стругови машини, прецизните следящи системи на регулиране, а така също и много други приложения. Използват се в роботи и манипулатори, координатни устройства, прецизни съоръжения в сферата на авиацията, медицинската техника. Твърдата им характеристика и по-малкият пад на въртящия момент при понижение на напрежението на статора ги прави незаменими в електролокомотивите, електровелосипедите, в CD устройствата, управлението на летателни апарати и подводни лодки и много други.

Характерното за последните години непрекъснато поевтиняване на постоянните магнити, в частност на сплавите от редки материали, както и усъвършенстването на апаратното обезпечаване направиха възможно използването точно на СДПМ в области, традиционно запазени за постояннотоковите (ПТД) или асинхронните електродвигатели (АД). Приложението на СДПМ като алтернатива на ПТД в регулируемите електрозадвижвания стана възможно с появата на съответните преобразуватели и цифрово-изчислителна техника. Преди всичко, с внедряването в преобразувателите на транзистори с изолиран гейт (IGBT).

Изпълняват се активен и пасивен ротор

СДПМ се изпълняват както с активен, така и с пасивен ротор. Пасивният ротор, разрез на който е показан на фиг.10а и 10б, е изпълнен като шихтован магнитопровод. По този начин се намаляват загубите от вихрови токове, възникващи при въртенето му и се увеличават максималните обороти и надеждността. Някои от СДПМ работят при честоти от 0 до 1500 Hz. През последните години навлязоха и СДПМ с напречно магнитно поле.

От съвременните конструкции с непосредствено задвижване, поради постигнатия голям момент, интерес представлява опитен образец скоростен локомотив E993 Advanced Commuter Train (ACT) на японската фирма JR East. Непосредственото задвижване със СДПМ е осигурило икономия на енергия от тяговите двигатели. Възбуждането с постоянни магнити е на ротора на двигателя на колесната двойка. В този локомотив са използвани 500 kW двигатели с 56 постоянни магнита, обезпечаващи скорост 330 km/h и тяга 18,7 кN/m и охлаждана с масло статорна намотка.

Новите направления в развитието на принципите на регулиране се обуславят от развоя на съвременните средства за измерване на параметрите и качествата на използвания двигател, както и от изчислителната мощност на контролера. Реализацията на управление на СДПМ, отчитаща тези изисквания, позволява да се даде оценка за ефективността на използваните алгоритми.

Има ли разлика между ВД
и традиционен СДПМ?

В литературата често се среща понятието вентилен двигател (ВД) или двигател с възбуждане от постоянни магнити (Brushless Direct Current Motor with Permanent Magnets). Този вид двигатели като конструкция не се различават от класическия СДПМ. Единствената разлика е в използвания принцип на захранване. СДПМ се захранва от източник на променливо напрежение, а безколекторният с постоянен ток. Като правило се използва честотен инвертор (ЧИ) с широчинно-импулсна модулация (ШИМ), а за вентилния двигател (ВД) - трапецовидно напрежение, захранващи съответните фази на двигателя и превключвани при въртене на ротора. На ротора задължително се монтират датчици на Хол, отчитащи положението ротор-статор и скоростта на въртене.

Методи за управление на двигателя

През последните 20 г. уравненията, използвани при управление на СДПМ в роторната координатна система, се превърнаха в основен начин за описване на работата на двигателя. Уравненията с въртящи координати представят много нагледно протичащите в намотката на статора процеси. Действителните токове и напрежения на статора са приведени към двуфазна неподвижна координатна система, свързани с еднозначно преобразуваните роторни величини. Тези преобразувания са основани на предположението за симетричност на електрическите и магнитни полета на всички намотки. Освен за роторната система, понякога координатното преобразуване, се използва и за статора. Използването на т.нар. наблюдателно състояние (State Observers) представлява естествен начин за възстановяване стойностите на вектора на състоянието с използване на матрично представени системи. Също така се използва и разлагане на вектора на обекта на наблюдение и измерената му съответна част, разлагане на матрицата на състоянието на обекта с цел построяване на наблюдение от типа "О'Рейл".

Наблюдението се използва за предсказване на стойностите на тока с един цикъл напред, което решава проблема със закъснението в управлението. Предлаганата схема на управление е изградена без отчитане на магнитното насищане, загубите в медта и стоманата, нееднаквостта на физическите и други параметри на ротора на двигателя, приети за равни, което на практика не винаги е така. Всички изброени причини понижават ефективността на метода.

Друг метод за описване работата на двигателя включва използването на т.нар. система с плъзгащ режим (Sliding Mode Systems). Особеността е, че тя принадлежи към системите с променлива структура, при които знакът на управление се променя периодически при пресичане на т.нар. повърхност на плъзгане. В съставеното уравнение участват променливите за състоянието. Недостатък на този метод е възможността за загуба на устойчивост в участъка при достигане на повърхността на превключване. Високочестотните превключвания водят до бързо износване на механичните и електрически части на задвижването, което пречи на постигането на високи изисквания към него.

Т.нар. DTC управление (Direct Torque Control) би могло да се осъществи при захранване на СДПМ от честотен инвертор. Тези системи се отличават с редица преимущества. Сред тях е постигането на устойчивост към разсейване на параметъра, както и опростен алгоритъм на управление поради отсъствието на регулиращ токов контур. Друго предимство е високото бързодействие на системата. Както вече описаните методи, и DTC управлението не е лишено от сериозни недостатъци. Например, при малък ъгъл на натоварване възникват пулсации на момента и колебание в скоростта на ротора.

Алгоритъм за управление тип невронна мрежа

Невронна мрежа (Neuron Network) се използва за построяване на алгоритъма на управление на СДПМ от ЧИ (АС-АС). Представлява изкуствен интелект и се базира на моделиране на самообучаваща се мрежа. Възможността за самообучение е главното й предимство пред традиционните мрежи. Невронната мрежа е изградена от три слоя "неврони" - входен, скрит и изходен. Обучението оказва влияние върху тегловните коефициенти в предаващите функции на невроните. Алгоритъмът на изчислението не е от елементарен тип по отношение изчислителното натоварване на контролера.

Невронна мрежа представлява моделиране от най-нов тип. Много понятия, които се отнасят към метода Neuron Network, най-добре се обясняват с пример на конкретна програма или програми. Невронната мрежа е изключително мощен метод за моделиране, позволяващ възпроизвеждане на изключително сложни зависимости.

Също така, невронните мрежи лесно се справят с т.нар. проклятие на размерността. Neuron Network имат представителни данни и алгоритъм на самообучение, който автоматично възприема структурата на данните. От специалистите, занимаващи се с невронни мрежи, обаче се изискват доста задълбочени познания, за разлика от използването на традиционните методи. Невронните методи са привлекателни от интуитивна гледна точка, защото са основани на примитивен биологически модел на нервна система. В бъдеще развитието на тези нервно-биологически модели на нервна система биха могли да предизвикат създаването на действително мислещи компютри.

Етапите на създаването на една невронна мрежа са:

l Събиране на данни за самообучение;

l Подготовка и нормализиране на данните;

l Избор на топология на мрежата;

l Избор на характеристика на мрежата;

l Експериментален подбор на параметри на обучението;

l Собствено обучение. Емулация на избрания модел;

l Проверка за адекватност на обучението;

l Коригиране параметрите, окончателно обучение;

l Вербализация на мрежата с цел продължително използване.

Източник: Инженерно ревю