CC BY
88УДК 621.313
Технические науки
Королев В. И., студент 2 курс магистратуры, кафедра «Электромеханика,
электрические и электронные аппараты» Национальный Исследовательский университет «МЭИ», Россия, г. Москва Васильев Н. Ю., студент 2 курс магистратуры, кафедра «Электромеханика,
электрические и электронные аппараты» Национальный Исследовательский университет «МЭИ», Россия, г. Москва
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ С ПОСТОЯННЫМИ МАГНИТАМИ ДЛЯ ДРЕНАЖНОГО НАСОСА
Аннотация: Несмотря на то, что такое оборудование, как погружной дренажный электрический насос используется в бытовых и промышленных целях не одно десятилетие, он не утратил своей актуальности. Конструктивные особенности такого насоса дают большой функционал для использования в различных условиях. В данной работе произведена оценка возможности замены асинхронного двигателя на синхронный двигатель с постоянными магнита для погружного дренажного электронасоса.
Ключевые слова: Синхронный двигатель, дренажный электрический насос, ротор, постоянные магниты, система управления.
Annotation: Despite the fact that such equipment as a submersible drainage electric pump has been used for domestic and industrial purposes for decades, it has not lost its relevance. The design features of such a pump provide great functionality for use in various conditions. In this paper, we assess the possibility of replacing an induction motor with a synchronous motor with permanent magnets for a submersible drainage electric pump.
Key words: Synchronous engine, drainage pump, rotor, permanent magnets, control system.
Насосные станции являются основными силовыми установками систем автоматизированного пожаротушения на основе воды. От их надежности зависит эффективность ликвидации очага возгорания на ранних стадиях пожара, а это может сохранить не только материальные ценности, но и жизни людей. Из всего многообразия пожарно-технического вооружения насосы представляют наиболее важный и сложный их вид. Основное назначение насосов, прежде всего, обеспечение подачи воды на тушение пожаров. Насосы применяются во многих вспомогательных системах, таких, как вакуумные системы, гидроэлеваторы и др.
Большинство насосов сконструированы на основе асинхронного электродвигателя (АД) с короткозамкнутой обмоткой. в некоторых электроприводах наблюдается тенденция замены АД синхронными двигателями с постоянными магнитами (СДПМ). Это объясняется тем, что СДПМ имеют меньшие по сравнению с асинхронными двигателями, т.е. имеют больший КПД. При одинаковых значениях номинальной мощности габаритные размеры СДПМ будут меньше, чем у АД. Указанная тенденция имеет практическое обоснование в свете мирового тренда энергосбережения. Погружные насосы с синхронными двигателями с роторами на постоянных магнитах имеют ряд преимуществ по сравнению с погружными насосами со стандартными асинхронными двигателями. Они создают крутящий момент за счет магнитного поля, создаваемого постоянными магнитами. Электродвигатели характеризуются высокой энергоэффективностью, а также довольно короткими сроками окупаемости. Синхронные двигатели с постоянными магнитами оснащаются частотным преобразователем, что позволяет снизить частоту пусков и нагрузку на обмотку статора, таким образом, продлевается срок службы всего насоса.
В отличии от других видов бесщеточных электродвигателей, СДПМ не требуют тока возбуждения, необходимого для поддерживания магнитного потока ротора. Следовательно, они способны обеспечить максимальный крутящий момент на единицу объема и могут быть лучшим вариантом, если требования к массогабаритным показателям выходят на первый план.
К наибольшим недостаткам синхронных машин можно отнести их высокую стоимость. Высокопроизводительные электрические машины с постоянными магнитами используют такой материал, как неодим.
Максимальная скорость СДПМ ограничивается механической прочностью крепления магнитов. В случае повреждения ПМ его ремонт, как правило, осуществляется на заводе изготовителе, так как извлечение и безопасная обработка ротора практически невозможна в обычных условиях.
Несмотря на перечисленные выше недостатки, электродвигатели с постоянными магнитами имеет целый ряд преимуществ, а именно: высокая энергоэффективность. КПД и массогабаритные показатели лучше по сравнению с асинхронными двигателчми [1].
Электродвигатель на постоянных магнитах не сильно отличается по внешнему виду конструкции от конструкции асинхронного двигателя. Основное отличие между синхронным двигателем с постоянными магнитами (СДПМ) и асинхронным электродвигателем заключается в роторе. Конструкция синхронного двигателя с постоянными магнитами показана на рисунке 1. СДПМ имеет КПД примерно на 2% выше, чем высокоэффективный асинхронный электродвигатель, при условии, что статоры имеют одинаковую конструкцию, а для управления используется один и тот же частотный преобразователь. При этом синхронные электродвигатели с постоянными магнитами по сравнению с другими электродвигателями обладают лучшими показателем мощность/объем, мощность/масса [2].
Рисунок 1. Конструкция синхронного электродвигателя со встроенными постоянными магнитами.
Синхронный двигатель состоит из следующих основных элементов:
1. Сердечник статора, изготовленный из электротехнической стали.
2. Обмотка, уложенная в пазы статора.
4. Ротор, изготовленный из электротехнической стали.
5. Постоянные магниты, размещенные на роторе.
6. Опорный подшипник.
Применение дробных зубцовых обмоток уменьшает расход меди, а также упрощает технологию укладки, т.к. каждая катушка охватывает один зубец статора.
В СМПМ с дробной зубцовой обмоткой якоря ^<1) с учетом их конструктивных особенностей распределение магнитного поля возбуждения значительно сложнее. Число пазов статора в таких машинах незначительно отличается от числа полюсов ротора. В синхронной машине число пазов на статоре Ъ отличается от числа полюсов 2р на 1-2 единицы. В этом случае зубцово - пазовую зону статора можно рассматривать как структуру с явно выраженными полюсами (каждый зубец - полюс). Периоды повторяемости элементарной обмотки якоря и м.д.с. поля возбуждения не равны и не кратны друг другу.
Рисунок 2. Форма кривой магнитной индукции в воздушном зазоре СДПМ с q< 1 с учетом конструктивных особенностей.[3, с. 133]
Из преимуществ СДПМ следует отметить малые потери в лобовых частях обмотки статора, так как при использовании дробно-зубцовой обмотки лобовые части много меньше, чем у других типов машин. Так как катушки обмотки статора наматываются непосредственно на зуб, отдельные катушечные группы могут быть изъяты и заменены без демонтажа соседних катушек, что улучшает ремонтопригодность.
Из-за неправильного подбора количества полюсов и числа витков обмоточный коэффициент может быть низким, что приведет к большим пульсациям поля в зазоре, повышенным колебаниям ротора и высоким потерям, также это может привести к усилению шумов машины при работе [4, с. 229].
Основное отличие в конструкции синхронного двигателя с постоянными магнитами от конструкции асинхронного двигателя - это наличие магнитов на роторе.
Магниты SmCo (Самарий-Кобальт) обладают лучшими коэрцитивной силой и остаточной индукцией. Кроме того, их максимальная рабочая температура достигает 400°С.
Недостатком этих магнитов является высокая стоимость.
Постоянные магниты NdFeB (неодим-железо-бор) по магнитным свойствам превосходят SmCo магниты. Однако существенными недостатками магнитов NdFeB являются хрупкость, подверженность коррозии (что приводит к необходимости применения защитного слоя), сильная зависимость магнитных свойств от температуры.
Основная особенность синхронных машин с постоянными магнитами связана с конструкцией ротора, которая в значительной степени зависит от магнитных и технологических свойств материала магнитов, назначением и мощностью машины. Форма магнита предопределяет выбор соответствующей конструкции ротора. Магниты с большой коэрцитивной силой и относительно малыми значениями остаточной индукции имеют большую площадь поперечного сечения и малую высоту.
Для работы синхронного двигателя с постоянными магнитами обязательно требуется система управления, например, частотный преобразователь. При этом существует большое количество способов управления, реализуемых системами контроля. Выбор оптимального способа управления главным образом зависит от задачи, которая ставится перед электроприводом
Для решения несложных задач обычно используется трапециидальное управление по датчикам Холла (например - компьютерные вентиляторы). Для решения задач, которые требуют максимальных характеристик от электропривода, обычно выбирается полеориентированное управление.
На основании изложенного материала можно сделать вывод о том, что насосы на основе синхронного двигателя с постоянными магнитами имеют преимущество перед насосами на основе асинхронных двигателей. Самые главные из них - это лучшие массогабаритные показатели и повышение КПД самого двигателя и самого погружного электронасоса в целом.
Библиографический список:
1. Как правильно выбрать бесщеточный электродвигатель,/ [Электронный ресурс]: - Режим доступа: URL: https://elenergi.ru/kak-pravilno-vybrat-besshhetochnyj-elektrodvigatel.html (дата обращения: 21.03.2019).
2. Синхронный двигатель с постоянными магнитами.. Инженерные решения./ [Электронный ресурс]: - Режим доступа: URL: http://engineermg-solutions.ru/motorcontrol/pmsm/ (дата обращения 11.04.2019).
3. Беспалов В.Я., Коварский М.Е., Сидоров А.О, Исследование обмотки с дробным q машин переменного тока.- НИУ МЭИ, Москва, 1998 - С. 132, 133-134.
4. Вольдек А.И. Электрические машины, -М. Энергия, 1978 -824 с.
