Принцип работы синхронного реактивного двигателя
В синхронных реактивных электродвигателях принцип создания момента вращения ротора несколько отличается от асинхронных и традиционных синхронных двигателей. Здесь решающая роль отводится самому сердечнику ротора.
Ротор реактивного синхронного двигателя не имеет обмоток, даже короткозамкнутой обмотки на нем нет. Вместо этого сердечник ротора сделан сильно неоднородным по магнитной проводимости: магнитная проводимость вдоль ротора отличается от магнитной проводимости поперек. Благодаря такому необычному подходу отпадает необходимость как в обмотках ротора, так и в постоянных магнитах на нем.
Что касается статора, то обмотка статора реактивного синхронного двигателя может быть сосредоточенной либо распределенной, при этом сердечник статора и корпус остаются обычными. Вся особенность — в сильно неоднородном сердечнике ротора.
Для реактивных синхронных двигателей характерны три основных типа роторов: поперечно-расслоенный ротор, ротор с явновыраженными полюсами и аксиально-расслоенный ротор.
Физика процесса следующая. Переменный ток подается на обмотки статора, и создает вокруг ротора вращающееся магнитное поле, которое максимально в воздушном зазоре между статором и ротором. Момент вращения получается благодаря тому, что ротор все время пытается повернуться так, чтобы магнитное сопротивление для формируемого статором магнитного потока оказалось бы минимальным.
Максимальный момент вращения оказывается прямо пропорциональным разнице между продольной и поперечной индуктивностями, и чем больше эта разница, тем большим получается вращающий момент ротора.
Для понимания данного принципа обратимся к рисунку. Анизотропный объект 1 обладает различной магнитной проводимостью по осям a и b. При этом изотропный объект 2 обладает одинаковой магнитной проводимостью по всем направлениям. Приложенное к объекту 1 магнитное поле порождает момент вращения когда угол между осью b и линиями магнитной индукции B не равен нулю. Когда неравный нулю угол существует, объект 1 станет искажать приложенное магнитное поле B, и направление искажения будет совпадать с осью a объекта 1.
Синусоидальное магнитное поле, создаваемое в синхронном реактивном двигателе обмоткой статора, вращается с определенной синхронной угловой частотой, и следовательно всегда будет иметь место момент вращения, стремящийся вернуть систему в состояние с наименьшим значением полной потенциальной энергии.
То есть момент вращения будет все время стремиться уменьшить искажение магнитного поля статора в направлении оси a, путем уменьшения угла между линиями индукции B и осью b. Так, если управление двигателем направлено на сохранение постоянства этого угла, то и механическая энергия постоянно будет получаться из электромагнитной.
Таким образом, ток обмотки статора обеспечивает намагничивание с существованием вращающего момента, направленного на устранение искаженности поля, и управляя фазой тока в соответствии с положением ротора во вращающейся системе координат (в соответствии со значением угла искажений), получается управление моментом синхронного реактивного электродвигателя.
Синхронные реактивные электродвигатели сегодня
Ведущие мировые производители электродвигателей на сегодняшний день проявляют особый интерес к синхронным реактивным электродвигателям, хотя запатентованы первые версии были еще в конце 19 века. Дело в том, что КПД синхронных реактивных электродвигателей принципиально значительно превышает КПД популярных асинхронных электродвигателей, не говоря уже об удельной мощности.
Потери энергии в роторе отсутствуют, а ведь обычно процентов 30 потерь приходится именно на ротор. Так повышается и срок службы электродвигателя — снижается вредный нагрев. Масса синхронного реактивного электродвигателя и его габариты на 20% меньше чем у асинхронного той же мощности.
Возобновленный интерес к синхронным реактивным электродвигателям в наши дни связан прежде всего с широкими возможностями современного компьютерного моделирования, позволяющими находить наиболее эффективные версии конструкций роторов и статоров — научные исследования получаются более продуктивными, и КПД современных версий синхронных реактивных двигателей уже достигает 98%, в то время как для асинхронных версий КПД традиционно не превышает 90%.
Синхронные реактивные двигатели изготавливают сегодня на базе асинхронных, и при тех же габаритах и установочно-присоединительных размерах получается более высокий КПД, достигается более высокая удельная мощность.
Преимущества и недостатки
Набранный из тонколистовой электротехнической стали, ротор реактивного синхронного двигателя имеет простую и надежную конструкцию без короткозамкнутой обмотки и без магнитов, поэтому в роторе исключены токи вызывающие вредный нагрев, - срок службы повышается, а отсутствие магнитов удешевляет себестоимость продукта, включая до минимума сниженные затраты на техобслуживание.
Благодаря сравнительной легкости ротора, его собственный момент инерции низок, поэтому двигатель быстрее разгоняется до номинальных оборотов, что приводит к экономии электроэнергии.
Частотный преобразователь в качестве регулятора скорости делает управление двигателем очень гибким в широком диапазоне рабочих скоростей. Что касается недостатков, то он всего один: потребность в преобразователе частоты.
Применение преобразователя частоты с активной коррекцией коэффициента мощности позволяет добиться максимального коэффициента мощности системы, что очень важно на любом современном производстве.
Андрей Повный
