Частотный преобразователь для электродвигателя с постоянными магнитами

Частотный преобразователь для электродвигателя с постоянными магнитами. Основные принципы частотного регулирования синхронных двигателей

Как следует из названия, в данном типе двигателей (PM motor) для создания поля возбуждения используются магнитный материалы. При взаимодействии постоянного магнитного поля в роторе с вращающимся полем статора и создается электромагнитный момент. Асинхронные двигатели (IM) отличаются тем, что в них для создания поля возбуждения требуется ток намагничивания (составляющяя часть тока статора). Это фундаментальное отличие и дает основные преимущества двигателям с постоянными магнитами с точки зрения упрощения конструкции, снижения потерь и уменьшения размеров.

Благодаря использованию редкоземельных магнитов, синхронные двигатели обладают повышенной удельной мощностью (отношение выходной мощности двигателя к его массе) по отношению к эквивалентным асинхронным моторам.

Потери в синхронном двигателе обычно составляют 50%

70% от типового асинхронного двигателя той же мощности, что обуславливает более высокий КПД синхронных машин. Благодаря этому, PM технология удовлетворяет самым строгим стандартам энергоэффективности (IE3 и IE4+).

Типы двигателей с постоянными магнитами

PM машины можно разделить на 2 основные группы в зависимости от характеристик их возбуждения: 1) синхронные двигатели переменного тока (PMAC или СДПТ) с синусоидальным распределением магнитного потока и 2) бесщеточные двигатели постоянного тока (BLDC или БДПТ) с трапециевидным распределением потока. Разница в возбуждении является результатом различного расположения обмоток статора: в PMAC — обмотка распределенная, а в BLDC — концентрированная.

БДПТ дешевле, менее сложны в изготовлении и имеют несколько более высокую удельную мощность, чем СДПТ. Однако, у них есть пульсации момента в отличие от синхронных двигателей. Это одна из основных причин, почему СДПТ, как правило, предпочтительнее для высокопроизводительных применений.

Синхронные двигатели с дополнительной короткозамкнутой обмоткой ротора (LSPM) — по сути сочетание технологии синхронного и асинхронного двигателя. Такая конструкция позволяет LSPM двигателям запускаться в асинхронном режиме при питании напрямую от сети без частотного преобразователя и датчика положения/скорости. После разгона ротора до частоты вращения, близкой к синхронной, постоянный ток, проходящий по обмотке возбуждения, создает синхронизирующий момент, который втягивает ротор в синхронизм. LSPM машины часто встречаются в текстильной промышленности, где требуется синхронность работы ряда машин. Они также находят применение в отраслях, где требуется прямой пуск и высокоэффективная работа двигателя.

Основные требования к управлению

За исключением LSPM двигателей, которые могут быть подключен непосредственно к трехфазной электрической сети, для PMAC и BLDC двигателей требуется преобразователь частоты с достаточно сложным алгоритмом управления скоростью и моментом двигателя.

Управление синхронным двигателем более сложная задача, чем у асинхронного в связи с тем, что фактическое положение ротора должно непрерывно измеряться (или рассчитываться), чтобы двигатель не выпадал из синхронизма. Это можно сделать с помощью таких датчиков, как энкодер, резольвер, датчик Холла (BLDC), а также с помощью передовых методов бездатчикового векторного управления.

Новейшие технологии бездатчикового управления

В течение последних нескольких лет наблюдается повышенный интерес к исследованиям и разработке алгоритмов, устраняющих необходимость использования физического датчика положения/скорости при управлении синхронным двигателем. Сниженные затраты на установку и повышенная надежность являются основными преимуществами, связанными с отказом от этого датчика.

В большинстве современных бездатчиковых технологий управления двигателем в качестве обратной связи по положению ротора используется обратная или противо- ЭДС (back-emf), позволяя синхронному двигателю динамично и точно работать на средних и высоких оборотах (обычно > 2,5% от номинальных). Основным требованием для такого подхода является то, что напряжение, генерируемое постоянными магнитами, должно быть достаточно высоко, чтобы быть обнаруженным частотным преобразователем с необходимым разрешением. Проблемой такого метода является невозможность работы привода на скоростях, близких к нулю, так как противо-ЭДС не дает в этом случае требуемого сигнала.

Для преодоления данного ограничения был разработан метод инжекции сигналов — трансформации синхронного двигателя в резольвер, определяющий положение ротора. Эти сигналы накладываются на сигнал ШИМ преобразователя частоты. Для извлечение необходимой информации из полученного композитного сигнала требуется достаточно сложная система управления, способная эффективно отделить эти две различных составляющих сигнала.

В случае с синхронными двигателями для метода инжекции сигналов конструктивно предпочтительнее использовать двигатели со встроенными магнитами (Permanent Magnet Motors — IPM) в отличие от двигателей с поверхностным расположением магнитов (SPM). В IPM двигателях магниты располагаются внутри ротора, и пространственное изменение сопротивление ротора достаточно велико, чтобы надежно определять его положение. SPM двигатели также могут управляться методом инжекции, но из-за низкого дифференциально-пространственного импеданса определение текущего положения ротора усложнено.

Благодаря новейшим разработкам, используемым в частотных преобразователях Optidrive P2, компания Invertek Drives занимает лидирующие позиции в технологии надежного высококачественного бездатчикового управления синхронными двигателями на очень низких скоростях, что подтверждено рядом реальных практических применений.

Типовые области применения двигателей с постоянными магнитами

СДПТ в сочетании с резольверами или энкодерами де-факто уже являются стандартом для сервосистем, применяемых для высокопроизводительного управления движением, благодаря низкой собственной инерции ротора, позволяющей им обеспечивать высокую точность и динамику позиционирования. В то-же время бесщеточные двигатели (BLDC) широко применяются в системах вентиляции, отопления, кондиционирования (HVAC), где не требуется высокого крутящего момента на низкой скорости, но используются высокоскоростные операции.

В настоящее время имеет место тенденция замены асинхронных двигателей на двигатели с постоянными магнитами в приложениях, где имеет важное значение энергоэффективность работы; а также в приложениях, где требуемое отношение мощности к крутящему моменту на единицу массы не позволяет использовать асинхронные двигатели.

Использование частотного преобразователя Optidrive P2 для управления синхронными двигателями

Новая серия Optidrive P2 частотных преобразователей компании Invertek Drives предоставляет простую в использовании, новейшую технологию бездатчикового управления синхронными двигателями, обеспечивающую высокую точность управления скоростью в широком диапазоне, включая нулевую. Для настройки привода пользователю необходимо ввести только информацию с паспортной таблички двигателя, которая требуется для проведения статического автотестирования двигателя, чтобы получить превосходное качество управления скоростью и моментом.

Статья Дэвида Джонса, R&D директора Invertek Drives. Октябрь 2011г. Перевод ООО «Интехникс»

Двигатели SynRM от ABB с классом IE5 обеспечивают высочайшую энергоэффективность

Использование двигателей SynRM компании ABB с классом энергоэффективности IE5 обеспечивает уменьшение потерь энергии на 50 процентов по сравнению с двигателями класса IE2.

Разработанные компанией АВВ синхронные двигатели с реактивным ротором позволяют удовлетворить растущий международный спрос на повышение энергоэффективности и соответствуют классу энергоэффективности IE5, определенному Международной электротехнической комиссией (МЭК).

Двигатели SynRM компании ABB с классом энергоэффективности IE5 обеспечивают значительно меньшее потребление энергии, чем широко используемые асинхронные двигатели класса IE2. АВВ впервые представила SynRM в 2011 году, и проведенные исследования показали, что промышленные установки с использованием этих двигателей позволяют экономить до 25 процентов энергии в зависимости от применения.

Уровень эффективности IE5 стал возможным благодаря конструкции SynRM, которая сочетает в себе эксплуатационные преимущества технологии постоянных магнитов с простотой и удобством обслуживания асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором.

«Изменение климата и экологическая ответственность приводят к огромным изменениям во всех отраслях промышленности», — рассказывает Теро Хелпио, менеджер по низковольтным двигателям бизнес-подразделения «Электропривод» компании ABВ. — Мы ответили на этот вызов с помощью двигателей SynRM с классом энергоэффективности IE5, которые соответствуют самым строгим стандартам энергоэффективности.»

«Эти двигатели предоставляют промышленным предприятиям прекрасную возможность снизить потребление электроэнергии и выбросы CO2, а также повысить производительность и снизить затраты в течение жизненного цикла».

Дополнительными преимуществами двигателя IE5 SynRM являются более низкие температуры подшипников и обмоток, что повышает надежность и срока службы двигателя. Конструкция также имеет пониженный уровень шума для улучшения комфорта обслуживающего персонала.

Двигатели ABB IE5 SynRM могут использоваться в самых разных промышленных применениях, они обеспечивают точное управление и высокую эффективность во всем диапазоне скоростей, даже при частичных нагрузках. Это делает их идеальным вариантом для модернизации насосов, вентиляторов и компрессоров, а также для более требовательных применений, таких как экструдеры, мешалки, лебедки и конвейеры. Двигатели IE5 SynRM являются простой заменой асинхронных двигателей, поскольку имеют одинаковые размеры и выходную мощность, поэтому никаких механических модификаций не требуется.

Двигатели IE5 SynRM отвечают требованиям класса эффективности, определенного в стандарте IEC TS 60034-30-2, и выпускаются мощностью от 5,5 до 315 кВт в габаритах IEC 132-315, а также являются частью комплектного привода АВВ.

ABB (ABBN: SIX Swiss Ex) – технологический лидер, который продвигает цифровую трансформацию промышленности. Компания имеет 130-летний опыт в развитии инноваций. Четыре бизнес-подразделения компании – «Электрооборудование», «Промышленная автоматизация», «Электропривод» и «Робототехника и дискретная автоматизация» – объединены цифровой платформой ABB Ability™. В 2020 году подразделение ABB «Электрические сети» перейдет в компанию Hitachi. ABB ведет бизнес в более чем 100 странах и насчитывает штат, превышающий 144 000 сотрудников. www.abb.ru

Разработанные компанией АВВ синхронные двигатели с реактивным ротором позволяют удовлетворить растущий международный спрос на повышение энергоэффективности и соответствуют классу энергоэффективности IE5, определенному Международной электротехнической комиссией (МЭК).

Двигатели SynRM компании ABB с классом энергоэффективности IE5 обеспечивают значительно меньшее потребление энергии, чем широко используемые асинхронные двигатели класса IE2. АВВ впервые представила SynRM в 2011 году, и проведенные исследования показали, что промышленные установки с использованием этих двигателей позволяют экономить до 25 процентов энергии в зависимости от применения.

Уровень эффективности IE5 стал возможным благодаря конструкции SynRM, которая сочетает в себе эксплуатационные преимущества технологии постоянных магнитов с простотой и удобством обслуживания асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором.

«Изменение климата и экологическая ответственность приводят к огромным изменениям во всех отраслях промышленности», — рассказывает Теро Хелпио, менеджер по низковольтным двигателям бизнес-подразделения «Электропривод» компании ABВ. — Мы ответили на этот вызов с помощью двигателей SynRM с классом энергоэффективности IE5, которые соответствуют самым строгим стандартам энергоэффективности.»

«Эти двигатели предоставляют промышленным предприятиям прекрасную возможность снизить потребление электроэнергии и выбросы CO2, а также повысить производительность и снизить затраты в течение жизненного цикла».

Дополнительными преимуществами двигателя IE5 SynRM являются более низкие температуры подшипников и обмоток, что повышает надежность и срока службы двигателя. Конструкция также имеет пониженный уровень шума для улучшения комфорта обслуживающего персонала.

Двигатели ABB IE5 SynRM могут использоваться в самых разных промышленных применениях, они обеспечивают точное управление и высокую эффективность во всем диапазоне скоростей, даже при частичных нагрузках. Это делает их идеальным вариантом для модернизации насосов, вентиляторов и компрессоров, а также для более требовательных применений, таких как экструдеры, мешалки, лебедки и конвейеры. Двигатели IE5 SynRM являются простой заменой асинхронных двигателей, поскольку имеют одинаковые размеры и выходную мощность, поэтому никаких механических модификаций не требуется.

Двигатели IE5 SynRM отвечают требованиям класса эффективности, определенного в стандарте IEC TS 60034-30-2, и выпускаются мощностью от 5,5 до 315 кВт в габаритах IEC 132-315, а также являются частью комплектного привода АВВ.

Управление синхронным двигателем с постоянными магнитами преобразователем частоты Danfoss

Синхронные двигатели с постоянными магнитами или магнитоэлектрические машины не имеют обмоток возбуждения на роторе. Вращение осуществляется за счет взаимодействия магнитных полей обмоток статора и постоянных магнитов, размещенных на роторе электрической машины.

Синхронные машины с постоянными магнитами совмещают простоту конструкции двигателей переменного тока и возможности управления ДПТ. Они обладают следующими преимуществами:

• Высокий к.п.д. во всем диапазоне частот вращения ротора, в том числе, и на пониженных скоростях.
• Простота конструкции и отсутствие потерь на возбуждение.
• Невысокая инерция при значительном моменте.
• Небольшие габариты. Например, асинхронная машина аналогичной мощности и класса энергоэффективности в 2 раза больше синхронного двигателя.
• Поддержание момента на валу, независимо от скорости вращения ротора.

Синхронные двигатели с постоянными магнитами выпускают малой и средней мощности. Их широко применяют в системах автоматики, оборудовании с высокими требованиями к стабильности частоты вращения.

К недостаткам синхронных машин относятся необходимость применения дополнительного оборудования для пуска и входа в синхронный режим, возможность размагничивания ротора при высоких температурах, необходимость установки датчиков обратной связи. Появление частотных преобразователей и современных материалов для магнитов позволило решить эти проблемы.

Конструкция электрических машин синхронного типа с постоянными магнитами

СДПМ состоит из подвижной (ротора) и неподвижной (статора) части. Исполнение ротора различается:

• По установке магнитов. Они могут размещаться на поверхности (SPMSM ) и внутри (IPMSM) вращающегося узла. Роторы со встроенными магнитами применяются в двигателях, работающих при значительной нагрузке на валу и высоких скоростях. Стоимость таких роторов существенно выше.
• По конструкции (явнополюсные и неявнополюсные роторы). Последние имеют равную индуктивность по осям горизонтальной плоскости. Роторы с явновыраженными полюсами имеют разное отношение индуктивности.

Постоянные магниты изготавливают из ферритов, сплавов редкоземельных металлов и других материалов с высокой коэрцитивной силой.

Статор синхронных электрических машин состоит из сердечника, набранного из листов электротехнической стали, и двух- или трехфазной обмотки. Различают статоры с распределенной и сосредоточенной обмоткой. Первая имеет различное положения витков в магнитном поле. Витки в сосредоточенных обмотках имеют одинаковое положение.

Сосредоточенная обмотка:

Распределенная обмотка:

Принцип работы синхронного двигателя

Принцип работы синхронных машин основан на законе Ампера. Вращающий момент появляется при взаимодействии поля ротора, образуемого постоянными магнитами, и магнитного поля обмоток статора. Синхронный двигатель не может запуститься при прямом включении в сеть. Для этого применяют:

• Запуск при помощи дополнительного двигателя. Для этого вал СДПМ соединяют с валом другой электрической машины. Такой способ дорог и практически не применяется.
• Пуск в асинхронном режиме. Роторы таких электродвигателей имеют короткозамкнутую обмотку типа “ беличья клетка”. При этом пуск происходит в асинхронном режиме. После входа в синхронизм, стержневая обмотка ротора отключается.
• Запуск при помощи частотного преобразователя. При этом ПЧ включается в цепь обмотки статора и подает на них напряжение плавно увеличивающейся частоты.

Управление синхронным двигателем с постоянными магнитами

Управление синхронными машинами осуществляется при помощи частотных преобразователей и сервоконтроллеров. Существует насколько принципов управления СДПМ. Выбор схемы осуществляется исходя из требований к электроприводу и экономической целесообразности. Наиболее распространенные схемы реализации управления синхронным электроприводом:

Скалярное

Такая схема отличатся простотой и дешевизной. При низких скоростях вращения и переменной нагрузке на валу, такой метод не подходит. При превышении нагрузки предельного момента силы на валу, электрическая машина выходит из синхронного режима и становится неуправляемой.

Векторное

Векторное управление синхронным двигателем с постоянными магнитами реализуется 3 способами:

• Полеориентированное управление с датчиком положения. Первая схема позволяет осуществлять плавное регулирование частоты вращения и момента на валу, а также задавать точное положение ротора. В качестве датчиков применяются оптические, магнитные и магниторезистивные устройства, синусно-косинусные вращающиеся трансформаторы, индуктивные энкодеры и другие устройства. Такие схемы требуют наличия контроллеров и точной настройки. Их стоимость достаточно высока. Применять схемы векторного управления имеет смысл только в претенциозных электроприводах высокоточных станков, дозаторов и т.д.
• Полеориентированное управление синхронными машинами без датчика обратной связи. Принцип определения угла поворота ротора при таком методе основан на генерации электродвигателем противо ЭДС при вращении. Вычисление ее величины позволяет определить положение ротора в стационарной системе координат. Управление без датчика не подходит при невысоких скоростях вращения, так как величина обратной ЭДС слишком мала и не превышает уровень обычных электромагнитных шумов. Кроме того, при неподвижном роторе противо ЭДС не генерируется вовсе. Схема без датчика позволяет изменять характеристики электропривода СДПМ с явнополюсным ротором. При использовании синхронных машин другого типа диапазон регулировки сильно снижается. Для этой схемы необходим процессорный управляющий блок.
• Прямое управление моментом. Такая схема обеспечивает хорошие динамические характеристики электропривода и широкий диапазон регулировки. Ограничивают ее применение значительная погрешность определения положения ротора и высокие пульсации тока статора и момента на валу. Кроме того, прямое управление создает высокую вычислительную нагрузку, для таких схем требуется мощное процессорное устройство.

Трапециидальное управление

Такая схема применяется для вентильных двигателей. Конструкция таких машин ничем не отличаются от СДПМ. Главная их особенность – принцип питания. На обмотки статора ВД подается трапециевидное напряжение. Переключение по фазам осуществляется в зависимости от угла поворота ротора.

Схемы управления ВД также бывают с датчиком и без них. В качестве устройства, обеспечивающего обратную связь, обычно используются датчики Холла. Чем больше их количество, тем точнее определяется угол поворота. Например, 3 датчика Холла позволяют определить положение ротора с точностью ±300. Бездатчиковые системы управления определяют положения по заранее известным функциям. Такие схемы применяются для решения несложных задач.

Основные направления развития контроллеров и преобразователей частоты Danfoss для СДПМ

Синхронные электродвигатели с постоянными магнитами превосходят машины постоянного тока по возможности и точности управления. Они позволяют реализовать множество схем и алгоритмов. Ведущие производители электротехники для приводов, в том числе, компания Danfoss разработали несколько линеек контроллеров и преобразователей частоты для электродвигателей такого типа. Ведутся дальнейшие разработки в следующих направлениях:

• Повышения точности отработки управляющего сигнала. Возможности изменять подсинхронные скорости вращения, определять границы динамических режимов, осуществлять регулирование во всем допустимом диапазоне.
• Снижения энергопотребления. Разрабатываются алгоритмы, оптимизирующие потребляемую СДПМ мощность путем подачи размагничивающих токов.
• Увеличения стабильности момента на малых оборотах путем устранения пульсаций.
• Упрощения алгоритмов управления, что позволит применять более дешевые контроллеры и ПЧ.
• Уменьшения количество датчиков. Безэнкодерный электропривод более надежен, однако, более чувствителен к разбросу характеристик.
• Уменьшения чувствительности привода к помехам. При усилении противо ЭДС на низких оборотах в полеориентированных схемах управления без датчика обратной связи, возрастает чувствительность к помехам.
• Создания контроллеров для использования СДПМ в качестве серводвигателей в сложных динамических системах с высокими требованиями к точности отработки команд.

Компания Danfoss может предложить технические решения управления синхронными двигателями с постоянными магнитами, отвечающими современным требованиям к электроприводу.

Винтовой воздушный компрессор: Evoluto 111-160

Сверхэффективный Evoluto стал еще эффективнее

Энергосбережение

Экономия электроэнергии до 45% благодаря применению электродвигателя IE4 iPM

Экологичное производство

Маслозаполненный винтовой компрессор Evoluto 111–160 кВт поможет вам осуществить переход к экологичному производству

Повышенная производительность (FAD)

Повышение производительности (FAD) на 10% по сравнению с предыдущими моделями VSD

Минимальные потери

Встроенный прямой привод обеспечивает минимальные потери

Маслозаполненный винтовой компрессор мощностью 111–160 кВт

Если рассматривать систему производства сжатого воздуха как человеческий организм, компрессор – это сердце. Воздушный компрессор обеспечивает подачу воздуха туда, где он нужен. Маслозаполненные винтовые воздушные компрессоры серии Evoluto 111–160 кВт подают высококачественный воздух и обеспечивают максимальную эффективность вашего производства.

Брошюра

• Alup OIS 111-160 EN 3.6 MB, PDF

111–160 кВт – видео

Evoluto 111–160 кВт

Наша технология с использованием внутренних постоянных магнитов (iPM) обеспечивает значительную экономию энергии и способствует повышению экологичности производства. Компрессор iPM регулирует частоту вращения электродвигателя в соответствии с потребностью в воздухе, а не просто работает с одной частотой вращения, как у традиционных компрессоров. Компрессор iPM значительно снижает выбросы оксидов углерода. Двигатель iPM этого маслозаполненного винтового компрессора соответствует стандартам IE4.

Надежная работа

Маслозаполненный компрессор мощностью 111–160 кВт надежно работает в самых тяжелых условиях. Работа продолжается, даже когда температура в компрессорной достигает 46 °C. Электрический шкаф инвертора может выдерживать температуру до 55 °C. Маслозаполненный винтовой компрессор также может работать в условиях повышенной запыленности и влажности благодаря приводу в корпусе со степенью защиты IP66.

Удаленный мониторинг и оптимизация

Интеллектуальная система подключения (ICONS) обеспечивает дистанционное управление и оптимизацию работы маслосмазываемых винтовых компрессоров мощностью 111–160 кВт. Система ICONS отправляет данные и аналитическую информацию с машины на ваш компьютер, планшет или смартфон. С помощью ICONS проблемы можно выявить до того, как они станут угрозой для вашего производства, что повышает надежность вашего оборудования.

Рекуперация энергии

Рекуперация энергии может оказать значительное влияние на сокращение затрат на электроэнергию при эксплуатации компрессора. При работе компрессора выделяется тепло, излишек которого рассеивается, чтобы предотвратить перегрев компрессора. Это тепло можно улавливать с помощью технологии рекуперации энергии и использовать в других целях. Система рекуперации энергии помогает экономить на электроэнергии и сокращать расходы.

Решение на базе центрального контроллера для нескольких компрессоров

Если вы используете несколько компрессоров, решение на базе центрального контроллера Econtrol6 поможет синхронизировать ваши машины. Оно обеспечивает минимальную совокупную стоимость владения. Использование решения на базе Econtrol6 сужает диапазон рабочего давления, обеспечивая экономию на электроэнергии. Также есть возможность сократить расходы на техническое обслуживание, так как контроль и управление всеми компрессорами осуществляется с помощью одного сенсорного дисплея.

Контроллер с сенсорным экраном

Контроллер с сенсорным экраном Advanced Airlogic²T позволяет максимально повысить эксплуатационные характеристики и эффективность маслозаполненных винтовых компрессоров. На большой сенсорный дисплей с диагональю 4,3 дюйма выводится информация о системе на более чем 30 языках, в том числе:

• Предупреждающие индикаторы
• Индикаторы графика технического обслуживания
• Онлайн-визуализация эксплуатационного режима

Ваш партнер в области производства сжатого воздуха

Мы – ваши партнеры в области производства сжатого воздуха и можем предложить комплексное решение для вашего бизнеса. В наш полный комплект входит инновационное и надежное оборудование для производства сжатого воздуха и исключительный уровень обслуживания. Наши сервисные пакеты могут быть адаптированы в соответствии с вашими потребностями и предпочтениями в отношении сжатого воздуха. Мы готовы удовлетворить все ваши потребности в сжатом воздухе.