Synchronní motor s permanentním magnetem

Aby elektřina vykonala užitečnou práci, musí být elektrická energie přeměněna na mechanickou energii.

Pro tento účel se v průmyslových střídavých elektrických sítích používají dva typy elektromotorů: asynchronní (AD) a synchronní (SD).

• Oba typy strojů se skládají ze stacionárního statoru a rotujícího rotoru;
• základem statoru obou typů elektromotorů je elektromagnetický systém (ocelové jádro s vinutími), uzavřený v pouzdře z nemagnetického materiálu;
• Statorová vinutí, připojená k průmyslové elektrické síti, vytvářejí elektromagnetické pole s kruhovou periodickou změnou vektoru intenzity.

Ve vztahu k synchronnímu pohonu se stator často nazývá kotva a rotor induktor. Mezi těmito pojmy existuje sémantický rozdíl.

Definice stator a rotor se vztahují na pevné a pohyblivé části stroje. Názvy kotva a induktor mají funkční význam a vztahují se na stejnosměrné a synchronní stroje.

V GOST 27471-87 je kotva definována jako součást elektromotoru, v jehož vinutí protéká zatěžovací proud, a induktor jako rotor nebo stator synchronního stroje s budicím vinutím nebo permanentním magnetem.

To znamená, že obecně platí, že stator i rotor mohou být jak kotvou, tak induktorem. Protože však synchronní provedení se statorem – induktorem a rotorem – kotvou lze připsat výjimkám, takové vzácné konstrukce se v popisech obvykle neuvažují.

KONSTRUKČNÍ ROZDÍLY MEZI ASYNCHRONNÍMI A SYNCHRONNÍMI MOTORY

Hlavní rozdíly spočívají v konstrukci vinutí rotoru a principu generování točivého momentu.

Asynchronní motor.

Vinutí rotoru asynchronního motoru může být zkratováno („klec nakrátko“) nebo prostřednictvím dodatečných odporů připojených vně motoru.

První typ se nazývá „motor s kotvou nakrátko“, druhý – „fázový rotor“. Dodatečné odpory ve vinutí fázového rotoru slouží k usnadnění spouštění, po kterém jsou posunuty.

Blok rezistoru je připojen k vinutí fázového rotoru posuvnými kontakty kolektorového mechanismu. Asynchronní motor s „klecí veverky“ kolektor nemá.

Když je na vinutí statoru přivedeno napětí, vytvoří se kruhové magnetické pole, jehož rotace způsobuje vznik indukčního EMF a v důsledku toho proudu v tyčích „klece veverky“.

Podle Ampérova zákona působí na každou tyč s proudem v magnetickém poli statoru síla směřující kolmo k tyči, tj. tečně k povrchu rotoru, která vytváří točivý moment.

Indukční elektromotorická síla a proud ve vinutí rotoru vznikají pouze tehdy, když je rozdíl mezi frekvencí otáčení hřídele motoru a magnetickým polem statoru.

Proto je u asynchronního motoru frekvence otáčení pole vždy větší než frekvence otáčení hřídele motoru. Odtud název – asynchronní motor.

Synchronní motor.

Budící vinutí je umístěno na induktoru synchronního motoru na střídavý proud a je napájeno z externího stejnosměrného zdroje přes kolektorový mechanismus.

Pro usnadnění spouštění elektromotoru je na jeho rotoru umístěna také zkratovaná „klec veverky“, která se nazývá tlumicí vinutí.

Kruhové statorové pole způsobuje vznik Ampérovy síly působící na budicí vinutí. Protože však budicí proud statorového motoru nezávisí na magnetickém poli statoru, ale je vytvářen externím zdrojem, jeho induktor se roztáčí na frekvenci otáčení pole. Proto se motor nazývá synchronní.

Start se provádí pomocí tlumicího vinutí v asynchronním režimu, budicí vinutí je odpojeno. Když frekvence otáčení dosáhne asynchronní hodnoty, je dodáván budicí proud a frekvence se zvyšuje na synchronní hodnotu.

ROZDÍL V APLIKACI

• rychlost otáčení je stabilnější a nemá výraznou závislost na zatížení hřídele a úrovni síťového napětí;
• vyšší přetížitelnost;
• Motory s automatickou regulací budicího proudu jsou schopny udržovat optimální napětí v síti.

Asynchronní spotřebovávají spolu s činnou energií i velké množství jalové energie, která je spolu s činnou složkou přenášena po vedeních, což zvyšuje ztráty.

Ve velkých odběrných uzlech to vede k deficitu jalového výkonu a výraznému poklesu napětí. V tomto případě se k výrobě jalového výkonu používají kondenzátorové baterie nebo synchronní kompenzátory.

Použití synchronních motorů místo asynchronních motorů tento problém řeší, protože synchronní motory mohou pracovat v širokém rozsahu hodnot cos⁡ φ, a to nejen nespotřebovávajíc jalový výkon, ale také jej dodávající do elektrické sítě.

* * *
© 2014–2025 Všechna práva vyhrazena.
Materiály stránek mají informační charakter, mohou vyjadřovat názor autora a nesmějí být používány jako směrnice a normativní dokumenty.

Synchronní motor s permanentním magnetem (anglicky permanent magnet synchronous motor, PMSM) je synchronní elektromotor, jehož induktor se skládá z permanentních magnetů.

Hlavním rozdílem mezi synchronním motorem s permanentními magnety (PMSM) a asynchronním motorem je rotor. Studie 1 ukazují, že PMSM má účinnost přibližně o 2 % vyšší než vysoce účinný (IE3) indukční motor za předpokladu, že stator je stejné konstrukce a pro řízení je použit stejný frekvenční měnič. Přitom synchronní elektromotory s permanentními magnety mají oproti jiným elektromotorům lepší ukazatele: výkon/objem, kroutící moment/setrvačnost atd.

Konstrukce a typy synchronních motorů s permanentními magnety

Synchronní motor s permanentními magnety, jako každý rotační elektromotor, se skládá z rotoru a statoru. Stator je stacionární část, rotor je rotační část.

Synchronní elektromotor s vestavěnými permanentními magnety

Obvykle je rotor umístěn uvnitř statoru elektromotoru, existují také provedení s vnějším rotorem – elektromotory invertního typu.

Provedení synchronních motorů s permanentními magnety: levý – standardní, pravotočivý.

Rotor se skládá z permanentních magnetů. Jako permanentní magnety se používají materiály s vysokou koercitivitou.

Podle konstrukce rotoru se synchronní motory dělí na:

Elektromotor s implicitními póly má stejnou indukčnost podél podélné a příčné osy L_d =L_q, zatímco u elektromotoru s vyčnívajícími póly není příčná indukčnost rovna podélné indukčnosti L_q ≠ L_d.

Průřez rotorů s různými poměry Ld/Lq. Magnety jsou zobrazeny černě. Obrázky e, f znázorňují axiálně laminované rotory, obrázky c a h znázorňují rotory s přepážkami.

Také podle konstrukce rotoru se PMSM dělí na:

Rotor synchronního motoru s povrchovými permanentními magnety

Synchronní rotor motoru s vestavěnými magnety

Stator sestává z těla a jádra s vinutím. Nejběžnější provedení jsou s dvou- a třífázovým vinutím.

V závislosti na konstrukci statoru je synchronní motor s permanentními magnety:

Stator elektromotoru s distribuovaným vinutím

Koncentrované vinutí statoru motoru

Distribuováno nazývané vinutí, ve kterém je počet štěrbin na pól a fázi Q = 2, 3. k.

Soustředěno nazývají vinutí, ve kterém je počet štěrbin na pól a fázi Q = 1. V tomto případě jsou štěrbiny umístěny rovnoměrně po obvodu statoru. Dvě cívky, které tvoří vinutí, mohou být zapojeny buď sériově, nebo paralelně. Hlavní nevýhodou takových vinutí je nemožnost ovlivnit tvar EMF křivky [2].

Schéma třífázového distribuovaného vinutí

Schéma třífázového koncentrovaného vinutí

Zpět EMF formulář elektromotor může být:

Tvar křivky EMF ve vodiči je určen distribuční křivkou magnetické indukce v mezeře po obvodu statoru.

Je známo, že magnetická indukce v mezeře pod výrazným pólem rotoru má lichoběžníkový tvar. EMF indukovaný ve vodiči má stejný tvar. Pokud je nutné vytvořit sinusové EMF, pak pólové nástavce dostanou tvar, ve kterém by se křivka rozložení indukce blížila sinusovému. To je usnadněno úkosy pólových nástavců rotoru [2].

Princip činnosti synchronního motoru

Princip činnosti synchronního elektromotoru je založen na interakci rotujícího magnetického pole statoru a konstantního magnetického pole rotoru. Koncepce rotujícího magnetického pole statoru synchronního motoru je stejná jako u třífázového indukčního motoru.

Princip činnosti synchronního motoru je založen na interakci rotujícího magnetického pole statoru a konstantního magnetického pole rotoru.

Zastavte
Rotující magnetické pole synchronního elektromotoru

Magnetické pole rotoru, interagující se synchronním střídavým proudem statorových vinutí, podle Ampérova zákona vytváří točivý moment, který způsobuje otáčení rotoru (více podrobností).

Permanentní magnety umístěné na rotoru PMSM vytvářejí konstantní magnetické pole. Když jsou otáčky rotoru synchronní s polem statoru, póly rotoru zabírají s rotujícím magnetickým polem statoru. V tomto ohledu se PMSM nemůže spustit samostatně, když je připojen přímo k síti třífázového proudu (frekvence proudu v síti je 50 Hz).

Řízení synchronního motoru s permanentními magnety

Pro provoz synchronního motoru s permanentními magnety je nutný řídicí systém, jako je frekvenční měnič nebo servopohon. Přitom existuje velké množství způsobů řízení realizovaných řídicími systémy. Volba optimálního způsobu ovládání závisí především na úkolu přiřazeném elektrickému pohonu. Hlavní způsoby ovládání synchronního motoru s permanentními magnety jsou uvedeny v tabulce níže.

Управление				Výhody	Omezení
Sinusový	Skalární			Jednoduché schéma ovládání	Řízení není optimální, není vhodné pro úkoly, kde se zatížení mění, je možná ztráta ovladatelnosti
	Vektor	Řízení orientované na pole	Se snímačem polohy	Plynulé a přesné nastavení polohy rotoru a otáček motoru, velký regulační rozsah	Vyžaduje snímač polohy rotoru a výkonný řídicí systém mikrokontroléru
			Bez snímače polohy	Není potřeba žádný snímač polohy rotoru. Plynulé a přesné nastavení polohy rotoru a rychlosti otáčení motoru, velký regulační rozsah, ale menší než u snímače polohy	Bezsenzorové řízení orientované na pole v celém rozsahu otáček možné pouze pro PMSM s rotorem s vyčnívajícími póly, vyžaduje výkonný řídicí systém
		Přímé řízení točivého momentu		Jednoduchý řídicí obvod, dobré dynamické vlastnosti, velký regulační rozsah, není potřeba snímač polohy rotoru	Vysoký točivý moment a zvlnění proudu
Lichoběžníkové	Žádná zpětná vazba			Jednoduché schéma ovládání	Řízení není optimální, není vhodné pro úkoly, kde se zatížení mění, je možná ztráta ovladatelnosti
	se zpětnou vazbou	S polohovým senzorem (Hallovy senzory)		Jednoduché schéma ovládání	Jsou vyžadovány Hallovy senzory. Dochází k pulzacím točivého momentu. Navrženo pro řízení PMSM s lichoběžníkovým zpětným EMF při řízení PMSM se sinusovým zpětným EMF je průměrný točivý moment o 5 % nižší.
		Bez senzoru		Vyžaduje výkonnější řídicí systém	Nevhodné pro provoz s nízkou rychlostí. Dochází k pulzacím točivého momentu. Navrženo pro řízení PMSM s lichoběžníkovým zpětným EMF při řízení PMSM se sinusovým zpětným EMF je průměrný točivý moment o 5 % nižší.

Populární způsoby ovládání synchronního motoru s permanentními magnety

Pro řešení jednoduchých problémů se obvykle používá lichoběžníkové řízení pomocí Hallových senzorů (například ventilátory počítače). Pro řešení problémů, které vyžadují maximální výkon od elektrického pohonu, se obvykle volí řízení orientované na pole.

Lichoběžníkové ovládání

Jednou z nejjednodušších metod ovládání synchronního motoru s permanentními magnety je lichoběžníkové ovládání. Lichoběžníkové řízení se používá pro řízení PMSM s lichoběžníkovým zadním EMF. Současně vám tato metoda také umožňuje ovládat PMSM se sinusovým zpětným EMF, ale pak bude průměrný točivý moment elektrického pohonu o 5 % nižší a zvlnění točivého momentu bude 14 % maximální hodnoty. Je zde lichoběžníkové řízení bez zpětné vazby a se zpětnou vazbou na polohu rotoru.

Управление žádná zpětná vazba není optimální a může vést k tomu, že PMSM vypadne ze synchronizace, tzn. ke ztrátě ovladatelnosti.

Управление se zpětnou vazbou lze rozdělit na:

Jako snímač polohy rotoru pro lichoběžníkové řízení třífázového PMSM se obvykle používají tři Hallova snímače zabudované v elektromotoru, které umožňují určit úhel s přesností ±30 stupňů. S tímto řízením zaujímá vektor statorového proudu pouze šest poloh za elektrickou periodu, což má za následek zvlnění točivého momentu na výstupu.

Ovládání lichoběžníkovým Hallovým senzorem

Řízení orientované na pole

Řízení orientované na pole umožňuje plynule, přesně a nezávisle řídit rychlost a točivý moment bezkomutátorového motoru. Aby algoritmus řízení orientovaného na pole fungoval, je nutné znát polohu rotoru bezkomutátorového elektromotoru.

Polohu rotoru lze určit dvěma způsoby:

Polně orientované řízení PMSM pomocí snímače polohy

Jako úhlové snímače se používají následující typy snímačů:

Pole orientované řízení synchronního motoru s permanentními magnety pomocí snímače polohy rotoru

Polně orientované řízení PMSM bez snímače polohy

Díky rychlému rozvoji mikroprocesorů se od 1970. let začaly vyvíjet bezsenzorové vektorové metody řízení bezkomutátorových střídavých motorů. První metody bezsenzorového určování úhlu byly založeny na vlastnosti elektromotoru generovat zpětné EMF během rotace. Zadní EMF motoru obsahuje informace o poloze rotoru, proto výpočtem hodnoty zpětného EMF ve stacionárním souřadnicovém systému můžete vypočítat polohu rotoru. Ale když se rotor nepohybuje, nedochází k žádnému zpětnému EMF a při nízkých rychlostech má zadní EMF malou amplitudu, kterou je obtížné odlišit od hluku, takže tato metoda není vhodná pro určení polohy rotoru motoru při nízkých otáčkách. rychlosti.

Existují dvě běžné možnosti pro spuštění PMSM:

Pole orientované řízení synchronního motoru s permanentními magnety bez snímače polohy rotoru se skalárním spouštěním

Bezsenzorové řízení PMSM v celém rozsahu otáček je v současnosti možné pouze u motorů s rotorem s vyčnívajícími póly.