Что такое реактивный синхронный двигатель

Синхронный реактивный двигатель

Возможно, название этой статьи кого-то наведёт на мысль, что речь пойдёт об электрическом реактивном двигателе для космических кораблей. Однако всё гораздо прозаичнее: СРД — это один из видов синхронных электродвигателей, и слово «реактивный» в его наименовании означает не вид тяги, а принцип приведения ротора во вращение. Более точно его описывает англоязычное название synchronous reluctance machine (одно из значений слова reluctance — «магнитное сопротивление»).

Известно множество разновидностей электрических двигателей, включая асинхронные (АД), синхронные (СД), шаговые, двигатели постоянного тока. Все они представляют собой электромеханические преобразователи, то есть преобразователи электрической энергии в механическую.

А теперь представьте себе АД с максимально простой конструкцией ротора — это и будет СРД. Подобные электрические машины появились несколько десятилетий назад, но только недавно привлекли внимание производителей двигателей, а также инжиниринговых компаний по всему миру.

Если раньше в электроприводе важно было обеспечить должный крутящий момент или оптимальный размер оборудования, то теперь на первый план вышла энергоэффективность. В СРД реактивная сила возникает в результате изменения магнитного сопротивления, и их производители ради повышения энергоэффективности применили роторные элементы специальной конструкции, управляющие силовыми линиями магнитного поля.

Принцип прост

Согласно определению, содержащемуся в ГОСТе от 1987 года, СРД — это синхронная машина, вращающий момент которой обусловлен неравенством магнитных проводимостей по разным осям ротора, не имеющего обмоток возбуждения или постоянных магнитов. В данном случае под осями понимаются линии симметрии ротора на его поперечном разрезе (см. схему).

Переменный ток, проходящий по обмоткам статора, создаёт в воздушном зазоре внутри электродвигателя вращающееся магнитное поле. Крутящий момент возникает, поскольку ротор пытается линию с наименьшей магнитной проводимостью (ось d) совместить с вектором приложенного к нему поля, чтобы минимизировать сопротивление в магнитной цепи. Иными словами, вращающееся магнитное поле статора увлекает за собой ротор. Глядя на схему как на векторную диаграмму, можно сказать, что величина магнитного потока статора отражается на оси d, тогда как электрический ток, отвечающий за вращающий момент, — на оси q.

Конструкторы подобных роторов обеспечили различие между магнитными сопротивлениями по разным осям за счёт воздушных зазоров. Значение вращающего момента здесь прямо пропорционально разнице индуктивностей обмоток статора, ориентированных вдоль осей d и q.

По пути к совершенству

СРД прошли впечатляющий эволюционный путь. Первые образцы развивали меньший вращающий момент, чем синхронные машины с обмоткой возбуждения, а также имели невысокие КПД и коэффициент мощности. Это объяснялось тем, что возбуждение обуславливалось реактивной составляющей тока, которая имела большую величину. Для пуска таких двигателей применяли демпфирующую короткозамкнутую обмотку, переводя их на время пуска в асинхронный режим.

Характеристики СРД резко повысились после появления специальных преобразователей частоты (ПЧ). В них питающее напряжение развязано от сети и заложен алгоритм пуска (управление током намагничивания I_d статора и током статора, отвечающим за крутящий момент, — I_q), исключающий необходимость в асинхронном разгоне. Во время работы СРД программа контроллера ПЧ постоянно корректирует выходной ток, поддерживая наиболее благоприятные режимы. Положение ротора отслеживается без применения встроенных датчиков — по потребляемому двигателем току.

После внедрения ПЧ коэффициент мощности и КПД синхронных реактивных двигателей заметно увеличились, а конструкция ротора максимально упростилась. В целом можно сказать, что в силу своего принципа действия СРД имеет худший на 5-10% коэффициент мощности, чем АД, но зато на 5-8% выигрывает в КПД — как в номинальном режиме, так и при работе на пониженных скоростях во всём допустимом их диапазоне.

Статор СРД идентичен статору широко используемого асинхронного двигателя. Его обмотка может быть распределённой или сосредоточенной. А ротор представляет собой вал с болванкой из шихтованной стали — на нём вы не найдёте ни обмоток, ни постоянных магнитов. Роторы бывают трёх основных видов: аксиально расслоённые, поперечно расслоённые и с явно выраженными полюсами (см. рисунок).

Тихоходы по природе

Отметим, что СРД демонстрируют высокие энергетические показатели тогда, когда магнитопровод работает в зоне насыщения. В случае повышенных оборотов контроллер должен уменьшить ток намагничивания I_d, в результате чего заметно падает вращающий момент двигателя. А поскольку реактивный ток сохраняется на высоком уровне, резко снижается коэффициент мощности. Поэтому там, где требуются повышенные скорости работы, синхронные реактивные двигатели использовать не стоит.

Назовём достоинства СРД.
1. Простота и надёжность ротора, состоящего из тонколистовой электротехнической стали.
2. Низкий нагрев. Так как в роторе нет обмоток, через него не протекает активный ток. Это положительно сказывается на сроке жизни подшипников и на КПД. Поскольку снижаются потери на нагрев, номинальный ток двигателя может быть повышен, что позволяет получить (при той же мощности) более высокий (на 20-40%) вращающий момент, чем у АД.
3. Отсутствие магнитов. Таким образом, для производства двигателя не требуются редкоземельные металлы и, следовательно, его стоимость снижается.
4. Низкий момент инерции ротора, который представляет собой болванку без магнитов и обмоток.
5. Меньшие габариты по сравнению с АД при той же мощности.
6. Высокие КПД и cos(φ), достигаемые с помощью специализированного интеллектуального преобразователя частоты.
7. Абсолютно жёсткая механическая характеристика в разомкнутой системе. Это значит, что двигатель способен поддерживать скорость на заданном уровне с большой точностью до тех пор, пока вращающий момент не превысит максимального значения.

Недостатки же СРД таковы.
1. Пуск и работа возможны только с преобразователем частоты, который увеличивает стоимость системы и занимает место.
2. Падение эффективности на повышенных оборотах.

Синхронные реактивные двигатели перспективны для применения при разработке новых и модернизации старых систем электропривода. Больший КПД во всем диапазоне скоростей в сравнении с АД и СД с постоянными магнитами дает им преимущество при выборе двигателей для новых систем, соответствующих международным стандартам энергоэффективности IE4 и IE5. Благодаря простоте конструкции ротора и проверенной технологии изготовления статора такие двигатели найдут применение в насосных агрегатах и вентиляторах, а также в различных других системах с постоянным моментом вращения и регулированием скорости вниз от номинала.

Синхронные компенсаторы

Синхронным компенсатором называют синхронную машину, работающую в двигательном режиме без нагрузки на валу при изменяющемся токе возбуждения. Синхронный компенсатор в зависимости от тока возбуждения может выдавать реактивную мощность в сеть или потреблять ее из сети. Общий вид синхронного компенсатора представлен на рис.1.

Рис.1. Общий вид синхронного компенсатора с водородным охлаждением
при открытой его установке на подстанции энергосистемы

В конструктивном отношении он похож на турбогенератор, однако выполняется на среднюю частоту вращения (750-1000 об/мин) Ротор синхронного компенсатора изготовляется явнополюсным. Статор в конструктивном отношении подобен статору турбогенератора.

Синхронный компенсатор характеризуется номинальной мощностью, напряжением и током статора, частотой, номинальным током ротора и потерями в номинальном режиме.

Номинальное напряжение

Номинальное напряжение синхронного компенсатора в соответствии с ГОСТ устанавливается на 5 или 10% выше соответствующего номинального напряжения электрической сети.

Номинальная мощность

Номинальная мощность синхронного компенсатора определяется как длительно допустимая нагрузка при номинальном напряжении, номинальных параметрах охлаждающей среды.

Номинальные мощности синхронных компенсаторов определяются в киловольт-амперах и должны соответствовать ряду мощностей согласно ГОСТ 609-84. По этому ГОСТ минимальная мощность синхронного компенсатора определена в 2800 кВА. Максимальная мощность компенсаторов, выпускаемых в прошлом в СССР, равнялась 160 MBА.

Номинальный ток статора

Номинальный ток статора определяется на основании значений номинальной мощности и номинального напряжения.

Номинальный ток ротора

Номинальный ток ротора — это наибольшее значение тока, при котором обеспечивается номинальная мощность компенсатора в режиме перевозбуждения при отклонении напряжения в сети в пределах ± 5% номинального напряжения.

Потери активной мощности при номинальных условиях охлаждения для синхронных компенсаторов находятся в пределах 1,5-2,5%.

Охлаждение синхронных компенсаторов выполняется двух видов для компенсаторов серии КС — косвенное воздушное с замкнутой системой вентиляции (по аналогии с турбогенераторами), для компенсаторов КСВ — косвенное водородное с охладителями газа, вмонтированными в корпус (см. рис.1). В обоих типах компенсаторов принята изоляция классов В и F.

Современные электрические нагрузки характеризуются значительным потреблением реактивной мощности. Рост потребления реактивной мощности связан в первую очередь с широким применением электроустановок, в которых для преобразования энергии используются магнитные поля (электродвигатели, трансформаторы и т. п.). Значительную реактивную составляющую имеют токи преобразовательных устройств с ртутными вентилями и тиристорами, люминесцентное освещение и др. В связи с этим электрические сети загружаются реактивной составляющей тока, что сопровождается понижением напряжения и большими потерями мощности при передаче и распределении электроэнергии.

Если в центре нагрузок включить синхронный компенсатор, он, генерируя реактивную мощность, необходимую потребителям, позволит разгрузить линии, соединяющие электростанции с нагрузкой, от реактивного тока, что улучшит условия работы сети в целом При этом синхронный компенсатор должен работать с перевозбуждением в режиме выдачи реактивной мощности. Синхронные компенсаторы устанавливаются также на подстанциях электропередач, где с их помощью обеспечиваются лучшее распределение напряжения вдоль линий и повышение устойчивости параллельной работы. При этом в зависимости от режима работы электропередачи может потребоваться работа компенсатора как в режиме генерации, так и в режиме потребления реактивной мощности.

В режиме разгрузки линий электропередачи высокого и сверхвысокого напряжений, количество которых в современных энергосистемах значительно, большая некомпенсированная зарядная мощность приводит к повышению напряжения у потребителей. В этот период синхронный компенсатор переводят в режим потребления реактивной мощности.

Реактивная мощность, генерируемая или потребляемая синхронным компенсатором, зависит от тока возбуждения.

При анализе работы синхронного компенсатора будем считать, что он включен в мощную сеть, вследствие чего при изменении тока статора напряжение на зажимах практически не меняется (рис.2).

Рис.2. Векторные диаграммы синхронного компенсатора в различных режимах
а — холостого хода,
б — перевозбуждения,
в — недовозбуждения

С изменением тока возбуждения изменяется ЭДС обмотки статора E_к. Режим, когда ЭДС компенсатора по значению равна напряжению сети, называют режимом холостого хода компенсатора. При увеличении тока возбуждения ЭДС синхронного компенсатора превысит напряжение на его зажимах (режим перевозбуждения). Под действием разности напряжений Δ U’ = Е’_к — U_к в статоре машины возникает ток I_к. Поскольку сопротивление обмоток компенсатора является в основном индуктивным, ток будет отставать от Δ U’ на угол, близкий к 90°.

По отношению к вектору напряжения U_к указанный ток будет отстающим на 90°. Компенсатор при этом отдает реактивную мощность в сеть.

При недовозбуждении машины, когда Е_к

Что нужно знать водителю?

Есть ли запаска в Tesla Model 3?

Нет. Но можно возить с собой ремкомплект от производителя.

Может ли Тесла 3 буксировать?

Нет, электромобиль не предназначен для буксировки.

Может ли танцевать Тесла Модель 3?

Нет, эта функция доступна только для Tesla Model X.

Где находится “прикуриватель” в Tesla Model 3?

Порт 12 В находится в задней части центральной консоли, под подлокотником.

Где находится USB порт в Тесла Модель 3?

Два порта USB расположены в переднем отсеке консоли, а еще два — на задней ее части (предназначены для пассажиров на заднем сиденье).

Где находится внутренняя камера Tesla Model 3?

Модели 3 и Y оснащены камерой в салоне, которая расположена над зеркалом заднего вида и по умолчанию отключена. Если вы включите камеру в кабине, короткий видеоклип будет снят и передан Tesla после события безопасности, такого как столкновение или экстренное торможение.

Где в Тесла Модель 3 одометр?

Для отображения одометра нужно пролистать окна на экране вправо (самое левое окно) и прокрутить вниз.

В которой Тесле Модел 3 тонированные стекла?

Версии с Премиальным интерьером получили тонированную стеклянную крышу с защитой от ультрафиолета и инфракрасного излучения.

Есть ли тепловой насос в Tesla Model 3?

Пока что нету, но ожидается позднее, когда будет унифицировано производство Модели 3 и Модели Икс. И эти электромобили будут использовать универсальный аккумулятор, предусматривающий установку и теплонасоса.

Когда обслуживать Тесла Модель 3?

Tesla рекомендует проводить обслуживание кондиционера каждые 6 лет. Чистить и смазывать все тормозные суппорты желательно каждые 12 месяцев или 20 000 км для авто в холодных регионах.