Релуктансные двигатели: SRM, SynRM, управление и выбор

1. Основная идея: магнитное сопротивление и выравнивание ротора

Магнитное сопротивление аналогично электрическому сопротивлению: оно характеризует степень противодействия магнитного потока в данном магнитном пути. Путь, выполненный из ферромагнитной стали с небольшим воздушным зазором, обладает низким сопротивлением; если путь прерывается более широким воздушным зазором или магнитным барьером, его сопротивление возрастает. Выступающий ротор имеет такую форму, что магнитный поток легче проходит вдоль одной оси ротора, чем вдоль перпендикулярной оси.

Когда одна из фаз статора подключается к источнику питания, ротор стремится установить свою ось с наименьшим магнитным сопротивлением в направлении магнитного поля статора. Именно это геометрическое выравнивание является причиной… Тормозящий момент сопротивления . В простой магнитной системе с одним возбуждением и постоянным током электромагнитный момент можно выразить через магнитную совместную энергию следующим образом:

T_e=1/2i²dL(\theta)/d\theta

Здесь i — фазовый ток, L(θ) — индуктивность фазы как функция угла ротора θ, а T_e — электромагнитный момент. Положительный момент возникает там, где индуктивность возрастает с увеличением угла ротора. Это уравнение особенно полезно для анализа синхронных реактивных двигателей.

2. Две основные группы: SRM и SynRM

Двигатели с переключаемой релуктансом (ДПР)

Синхронный двигатель с релуктивным моментом (SRM) имеет выступающие полюса как на статоре, так и на роторе. Статор оснащён концентрированными обмотками фаз; ротор обычно представляет собой ламинированную стальную конструкцию, не содержащую магнитов, обмоток ротора, коллектора и баров короткозамкнутого ротора. Инвертор подаёт питание на фазы в строго согласованной последовательности. Каждая фаза притягивает ротор, стремясь добиться совмещения с соответствующими возбуждёнными полюсами статора; после этого контроллер отключает эту фазу и подаёт напряжение на следующую подходящую фазу.

В JMAG отмечается, что в SRM отсутствуют магниты и обмотки ротора; в их статье в качестве примера приводится распространённая конфигурация 12/8 [1]. Широко применяются и другие комбинации полюсов, например 6/4 и 8/6. Количество фаз статора, а также соотношение числа полюсов ротора и статора влияют на пульсации крутящего момента, частоту переключений, устойчивость к отказам, технологические особенности производства и сложность управления.

Синхронные двигатели с релуктансом (SynRM)

Синхронный роторный двигатель (SynRM) обычно оснащается традиционной трёхфазной распределённой статорной обмоткой и ротором с магнитными барьерами или направляющими, создающими значительную разницу между магнитными путями по прямой и косой осям. В чистом виде SynRM не содержит обмоток и магнитов. Он работает на синхронной скорости вращающегося статорного поля, поэтому для пуска и эксплуатации требуется управляемый инвертор.

В JMAG синхронный роторный двигатель (SynRM) рассматривается как чисто переменный электродвигатель, требующий синусоидального многофазного тока, обычно формируемого инвертором с широтно‑импульсной модуляцией, управляемым по току; синхронизм поддерживается за счёт регулирования фазы тока с использованием резольвера, эквивалентного преобразователя или бесконтактного определения положения [2]. В промышленных системах синхронные роторные двигатели нередко применяются в сочетании со специализированными частотными преобразователями и алгоритмами векторного управления.

3. Конструкция SRM и цикл крутящего момента с переключаемыми фазами

Фазовая обмотка СРМ размещена на полюсах статора. Когда включается определённая фаза, а соответствующие полюсы ротора приближаются к положению выравнивания, индуктивность этой фазы возрастает с увеличением угла поворота ротора. Согласно выражению T_e=1/2i²dL/d\theta, такой положительный градиент индуктивности создаёт положительный крутящий момент. После достижения выравнивания крутящий момент этой фазы снижается до нуля. Если ток продолжает подаваться после момента выравнивания, dL/d\theta становится отрицательным, и данная фаза может развивать тормозной момент. Поэтому контроллер должен прекратить подачу тока в соответствующую фазу, прежде чем ротор отклонится от положения выравнивания на слишком большой угол.

Это требование по времени объясняет, почему информация о инверторе и положении ротора являются ключевыми компонентами системы SRM. В JMAG подчёркивается, что ток фазы необходимо отключать чуть раньше полного выравнивания, чтобы обеспечить достаточное время для затухания потокосцепления и избежать возникновения отрицательного крутящего момента [1].

Уравнение фазового напряжения SRM показывает, почему высокоскоростное управление является требовательным:

v=Ri+d\lambda(i,\theta)/dt

Для упрощённой ненасыщенной модели, где магнитный потокосцепление \lambda=L(\theta)i:

v=Ri+Ldi/dt+iωdL/d\theta

Последний член — это напряжение, индуцируемое движением. По мере роста скорости становится всё труднее формировать и гасить фазовый ток в пределах доступного интервала угла поворота ротора. Поэтому конструкции СРД высокой скорости опираются на достаточное напряжение постоянного тока на шине, правильно подобранные углы включения и отключения, характеристики индуктивности фазы и возможности инвертора.

4. Конструкция синхронного ротора с постоянными магнитами, выступающая часть ротора и синхронный момент

Ротор синхронного редукторного двигателя (SynRM) сконструирован таким образом, чтобы обеспечивать путь с низким магнитным сопротивлением вдоль прямой оси и путь с высоким магнитным сопротивлением вдоль квадратурной оси. Как правило, в его конструкции используются несколько внутренних барьеров магнитного потока, образованных воздушными зазорами или немагнитными промежутками в ламинированном стальном роторе. Эти барьеры затрудняют прохождение магнитного потока по оси q, одновременно облегчая его движение вдоль оси d. Такое различие создаёт магнитную салиенцию.

JMAG поясняет, что в синхронном роторе с постоянными магнитами ось d является осью с высокой индуктивностью, а ось q — осью с низкой индуктивностью, поскольку поток по оси q должен пересекать магнитные барьеры [2]. Регулятор двигателя использует информацию об угле ротора для ориентации тока статора таким образом, чтобы взаимодействие, обусловленное этим различием индуктивностей, приводило к формированию крутящего момента.

Для чистого синхронного двигателя с переменной магнитной проводимостью в упрощённой d–q‑модели крутящий момент за счёт магнитного сопротивления равен:

T_e=3/2p(L_d-L_q)i_di_q

Здесь p — число пар полюсов, L_d и L_q — индуктивности по осям d и q, а i_d и i_q — компоненты тока в системе координат ротора. Регулятор задаёт соотношение токов d–q таким образом, чтобы генерировать требуемый момент, одновременно контролируя величины тока и напряжения, потери и коэффициент мощности.

5. SRM и SynRM: какая технология релуктанса подходит для данной задачи?

Выбор не должен основываться исключительно на утверждении «оба двигателя лишены магнитов». Их системные характеристики различаются. Синхронный роторный двигатель (SRM) может быть предпочтителен там, где решающими являются прочность ротора, возможность работы на высоких оборотах, отказоустойчивость, способность функционировать в тяжёлых условиях или отсутствие постоянных магнитов. Синхронный двигатель с возбуждением от сети (SynRM), как правило, выигрывает в промышленных приложениях с переменной скоростью, где требуются традиционная трёхфазная архитектура частотного преобразователя, плавный характер крутящего момента и высокая эффективность.

Компания ABB позиционирует технологию синхронных машин с релуктивным моментом как сочетающую потенциал высоких эксплуатационных характеристик, аналогичный характеристикам двигателей с постоянными магнитами, с простотой и удобством обслуживания асинхронных двигателей; её коммерческие системы SynRM рассчитаны на совместную работу двигателя и преобразователя частоты в качестве согласованного решения для повышения энергоэффективности [3]. Точные эксплуатационные характеристики зависят от модели двигателя и типа привода, поэтому любые утверждения о КПД, удельной мощности или сроке службы следует подтверждать на основе выбранной пары двигатель–привод и режима работы.

6. Стратегии управления и требования к силовой электронике

Конвертер и управление SRM

Каждая фаза SRM должна питаться и размагничиваться независимо. Распространённая схема предусматривает асимметричный мост с двумя управляемыми ключами и двумя диодами на каждую фазу, что позволяет подавать положительное напряжение для нарастания тока и отрицательное напряжение для его быстрого затухания. Привод требует управления шиной постоянного тока, измерения тока в фазах, определения или оценки положения ротора, вычисления угла коммутации, регулирования тока, защиты, а также стратегии распределения крутящего момента.

На низкой скорости, управление срезанием тока Можно поддерживать заданный ток за счёт быстрого переключения фазового напряжения. При более высоких скоростях времени на высокочастотное регулирование может не хватать; контроллер часто работает в режиме однопульсного или углового управления. Распределение крутящего момента обеспечивает перекрытие вкладов отдельных фаз, что позволяет уменьшить суммарную пульсацию.

Векторное управление SynRM

Синхронные машины с ротором на постоянных магнитах обычно управляются по методу ориентации по полю. Инвертор измеряет или оценивает токи, определяет положение ротора, преобразует фазовые токи в d–q‑компоненты, сравнивает их с заданными значениями и регулирует вектор тока с помощью ШИМ‑управления. Результатом является плавное управление моментом и частотой вращения, однако это зависит от точности параметров машины, информации о положении, измерения токов, напряжения инвертора и систем теплового управления.

7. Пульсации крутящего момента, шум и вибрация: ключевые задачи проектирования релуктансных двигателей

Релуктансные двигатели могут обладать высокой надёжностью, однако их необходимо специально проектировать для Шум, вибрация и резкость —шум, вибрация и жёсткость. В синхронных редукторах импульсная форма крутящего момента и радиальные магнитные силы могут возбуждать структурные моды статора. Результирующий акустический сигнал определяется не только самим двигателем: на него влияют фазовые токи контроллера, частота переключения, углы включения/выключения, распределение крутящего момента, конструкция механического корпуса, способ крепления и инерция нагрузки.

Синхронные двигатели с регулируемой частотой вращения (SynRM) в целом обеспечивают более плавный крутящий момент при синусоидальном или векторном управлении, однако они по‑прежнему подвержены влиянию электромагнитных помех, гармоник инвертора, механического резонанса и изменений параметров ротора и зазора между ротором и статором. Акустические требования следует учитывать уже на этапе формирования спецификации на двигатель‑привод, а не рассматривать их как лишь конечную проблему комплектации.

8. Рабочие характеристики и что следует требовать от поставщика

Релуктансные двигатели нельзя надёжно выбирать, опираясь лишь на номинальную мощность и типоразмер. Запрашивайте характеристики в виде кривых и данные испытаний, отражающие зависимость скорости от момента, карту КПД, токовые нагрузки, тепловые ограничения, а при необходимости — поведение по уровню шума, совместимость с инверторами и пределы перегрузки. Для СРМ эксплуатационные характеристики во многом зависят от параметров тока и углов коммутации, задаваемых контроллером. Для синхронных релуктансных двигателей их работа определяется характеристиками инвертора, вектором тока, стратегией ослабления поля и реализацией управления положением ротора.

9. Практический рабочий процесс выбора

Начните с выбора нагрузки, после чего подберите мощность двигателя и преобразователя как единый комплекс. Двигатель на основе явной индуктивности может демонстрировать отличные характеристики, если его внутренние преимущества соответствуют требованиям конкретного применения; однако он может оказаться неудовлетворительным, если к контроллеру, целям по уровню шумов и вибраций, диапазону скоростей или тепловым условиям относятся лишь как к второстепенным факторам.

Пример: Расчёт крутящего момента SRM в первом проходе

Предположим, что в работе находится фаза, у которой градиент индуктивности приблизительно равен dL/dθ = 0,020 Гн/рад, а регулятор подаёт ток фазы величиной 10 А. В упрощённом расчёте при постоянном токе и отсутствии насыщения:

T_e=1/2i²dL/d\theta

T_e=1/2×10²×0.020=1.0\ Н·м

Это мгновенная оценка фазового крутящего момента, а не окончательный расчёт номинальной мощности вала. В реальных машинах проявляются магнитное насыщение, динамика нарастания и спада тока, перекрытие фаз, пульсации крутящего момента, потери в железе, механические потери, тепловые ограничения и ограничения инвертора. Тем не менее приведённый пример демонстрирует основной принцип СРМ: крутящий момент возрастает пропорционально квадрату фазного тока и положительному градиенту индуктивности.

Пример: Синхронная скорость синхронного двигателя

Для 4‑полюсного синхронного двигателя с постоянными магнитами, работающего на частоте 50 Гц:

N_s=120f/P=120×50/4=1 500 об/мин

При правильном управлении инвертором ротор вращается с заданной синхронной скоростью, а не со слегка меньшей скоростью, обусловленной скольжением асинхронного двигателя. При изменении частоты приводом синхронная скорость изменяется пропорционально. Инвертор должен регулировать как частоту, так и напряжение/ток, чтобы поддерживать соответствующий магнитный поток и момент.

10. Области применения: где двигатели с релуктансной системой приносят дополнительную ценность

Релуктансные двигатели не являются универсальной заменой асинхронным или синхронным двигателям с постоянными магнитами. Они представляют собой перспективную альтернативу, когда важны надёжные роторы без магнитов, способность работать на высоких оборотах, устойчивость к тяжёлым эксплуатационным условиям, высокая эффективность системы либо соображения, связанные с цепочкой поставок, — и при этом требуемая сложность электроники и систем управления соответствует характеристикам конкретного продукта.

11. Техническое обслуживание и устранение неисправностей

Отсутствие щёток, коллекторов и обмоток ротора в конструкциях чистых СРМ и синхронных РМ устраняет ряд традиционных средств технического обслуживания. Однако система по‑прежнему включает подшипники, изоляцию статора, полупроводниковые ключи инвертора, системы охлаждения, датчики тока, устройства обратной связи по положению, разъёмы и кабели. Надёжность зависит от состояния всего электромеханического узла.

Заключение: Система вознаграждений Reluctance Motors — инженерия на уровне системы

Релуктансные двигатели генерируют полезный крутящий момент за счёт геометрии, магнитной анизотропии и интеллектуально управляемого тока. Их роторы могут быть чрезвычайно прочными, поскольку в конструкциях чистых SRM и SynRM отсутствуют как постоянные магниты, так и обмотки ротора. Однако такая механическая простота сопровождается важным требованием: инвертор, стратегия определения положения ротора, система управления током, тепловой дизайн и структурные характеристики шумов, вибраций и жёсткости должны быть спроектированы как единая система.

Выберите СРМ когда его архитектура с раздельными фазами, прочный ротор, широкий диапазон рабочих оборотов и конструкция без магнитов перевешивают сложность специализированного переключения и оптимизации шумов, вибраций и жесткости. Выберите СинРМ Когда вам нужен синхронный двигатель без магнитов, который естественно встраивается в трёхфазную архитектуру частотного преобразователя, особенно в промышленных приложениях с переменной скоростью. В любом случае проверяйте готовый комплект «двигатель–привод–нагрузка» — а не только данные на шильдике двигателя — с учётом требований к крутящему моменту, частоте вращения, току, температуре, уровню шума, КПД, системам защиты и режиму работы.

Список литературы

Примечание редакции: Настоящая статья предназначена для целей инженерного образования и предварительного выбора компонентов. Окончательные решения по выбору двигателя, инвертора, датчиков положения ротора, средств защиты, термических, механических характеристик, а также по вопросам ЭМС и безопасности должны быть подтверждены на основе технической документации выбранного поставщика и результатов испытаний в условиях эксплуатации конечного изделия.

• [1] JMAG — Некоторые ключевые особенности двигателя с переключаемой реактивностью
• [2] JMAG — Некоторые ключевые особенности синхронного реактивного двигателя
• [3] ABB — Синхронные двигатели с релуктивным принципом действия
• [4] EASA — Основы синхронного реактивного двигателя