Синхронно-реактивные двигатели: легкие, надежные, эффективные и недорогие?

Cинхронно-реактивные электродвигатели известны с конца позапрошлого века, однако активное использование электроприводов с такими машинами началось только несколько лет назад. Сегодня компании АВВ, КSB, "Русэлпром" и др. активно разрабатывают электродвигатели данного типа [1, 2].

Зарубежное название синхронно-реактивных электродвигателей - Synchronous Reluctance Motor (SunRM). В России такие машины можно встретить еще и под названием "синхронные двигатели с анизотропной магнитной проводимостью ротора". Конструкция синхронно-реактивного электродвигателя приведена на рис. 1.

Рис. 1. Синхронно-реактивный двигатель.

Принцип действия синхронно-реактивного электродвигателя основан на увлечении магнитным полем тел из ферромагнитных материалов. Ротор стремится занять положение с максимальной магнитной проводимостью. Для расчета, анализа и моделирования процессов в синхронно-реактивных электродвигателях подходят классические методы моделирования на основе обобщенного электромеханического преобразователя в dq-координатах.

С точки зрения производителя электрических машин, синхронно-реактивные двигатели интересны унифицированным с асинхронным двигателем сердечником статора и классической обмоткой переменного тока с числом пазов на полюс и фазу - q>1. Ротор синхронно-реактивного двигателя может выполняться на основе двух технологий: продольной шихтовки пакета ротора (ALA – Axially Laminated Anisotropic) и поперечной шихтовки пакета ротора с немагнитными барьерами (TLA – Transversally Laminated Anisotropic). Фактически ротор синхронно-реактивного любого типа состоит из магнитного барьера и магнитного мостика (проводника). Эффективность преобразования энергии обуславливается в том числе отношением магнитных проводимостей в режимах замыкания силовых линий поля по мостикам и против них. На рис. 2 показан эскиз роторов синхронно-реактивных электродвигателей.

Рис. 2. Конструкции роторов синхронно-реактивных электродвигателей.

Производство роторов ALA-типа трудоемко, требует сборки с чередованием пластин из электротехнической стали с пластинами из немагнитных материалов. Изготовление роторов TLA-типа технологично, но требует применения точного штампового оборудования. Рис. 3 демонстрирует этап процесса сборки роторов ALA- и TLA- конструкции.

Рис. 3. Сборка роторов синхронно-реактивного двигателя.

С точки зрения установочно-присоединительных размеров электродвигатель может быть изготовлен с конструктивными элементами от аналогичного общепромышленного асинхронного двигателя или в варианте повышенной мощности – на один габарит меньше. На рис. 4 показан внешний вид электродвигателя СРД160M6 мощностью 18,5 кВт, частотой вращения 1000 об/мин, изготовленного на основе конструктивных элементов общепромышленного электродвигателя 7AVER160M6ie2, имеющего мощность 15 кВт. Высота оси вращения 160 мм, привязка мощности к габариту по ГОСТу.

Рис. 4. Фотография синхронно-реактивного электродвигателя производства ПАО "НИПТИЭМ".

Использование освоенной технологии и конструктивных деталей, применяемых при производстве общепромышленных асинхронных двигателей, позволяет рассчитывать на низкую стоимость производства синхронно-реактивных двигателей в ближайшем будущем.

В 2015 г. ПАО "НИПТИЭМ" разработало, изготовило и испытало синхронно-реактивные двигатели с ВОВ 160, 315, 540, мощностями 15, 18,5, 110, 500 кВт.

Как видно из экспериментальных данных, приведенных в таблице 1, синхронно-реактивные электродвигатели существенно превосходят асинхронные по энергетическим показателям: потери в роторе отсутствуют, магнитные потери в сердечнике статора ниже, чем у асинхронного двигателя, за счет меньшей величины добавочных потерь холостого хода, однако потери в обмотке статора выше, чем у асинхронного двигателя, за счет худшего коэффициента мощности и большей величины тока статора.

Совокупность положительных эффектов приводит к возможности увеличения мощности электродвигателя на одну ступень при сохранении объема активных частей и обеспечению заданного класса энергоэффективности, или эквивалентного уменьшения объема активных частей при сохранении мощности и класса энергоэффективности.

В таблице 2 приведены основные энергетические характеристики асинхронного электродвигателя и синхронного реактивного двигателя с двумя типами роторов ALA- и TLA-типов.

Двигатели были разработаны в рамках проекта по заказу ФГУП "Крыловский научный центр" филиал ЦНИИ "СЭТ". На рис. 5 приведена фотография изготовленного ПАО "НИПТИЭМ" синхронно-реактивного двигателя 500 кВт 1000 об/мин с TLA-ротором.

Высокое значение коэффициента полезного действия, свойственное СРД, проявляется и для высоконагруженных машин. Однако в них магнитные потери становятся выше, чем в асинхронных двигателях, что объясняется необходимостью работать при больших значениях магнитной индукции. Поэтому крупные синхронно-реактивные двигатели также имеют перспективы использования в технических проектах, направленных на повышение энергетической эффективности.

Некоторые перспективы имеют синхронно-реактивные электродвигатели с пусковой обмоткой на роторе, так как они могут работать при питании от сети переменного тока, однако, на наш взгляд, использование этого режима целесообразно только как неосновного (аварийного). На рис. 5 показан ротор синхронно-реактивного двигателя с дополнительной (успокоительной) короткозамкнутой обмоткой.

Рис.5. Основные элементы водоохлаждаемого синхронно-реактивного двигателя 500 кВт.

Следует отметить, что синхронно-реактивные двигатели обладают рядом положительных черт, присущих синхронным двигателям с возбуждением от постоянных магнитов, таких как отсутствие переходного процесса при "подхвате" вращающейся машины приводом, возможность углового позиционирования ротора. Вместе с тем у них отсутствует синхронный момент сопротивления вращению – cogging torque, пульсации момента, вызванные резким изменением проводимости зубцовых зон ротора и статора, в испытаниях не наблюдаются (притом что, по расчету, величина пульсаций в 5–10 раз выше, чем у асинхронного двигателя). Виброакустические характеристики сравнимы с аналогичными показателями асинхронных машин.

Важным техническим вопросом эксплуатации синхронно-реактивных электродвигателей, подлежащим решению, является вопрос выбора преобразователя частоты. По нашей информации, полностью пригодным преобразователем частоты является ПЧ фирмы ABB серии ASC580. Однако стоит выяснить, возможна ли его покупка с соответствующей прошивкой без приобретения синхронно-реактивного двигателя ABB. При надлежащей настройке датчиковое и бездатчиковое управление синхронно-реактивными двигателями может быть получено с преобразователями частоты других производителей (например, Schneider Electric – ALTIVAR 32, KEB – F5M), но с рядом ограничений на режимы электропривода.

Проведение испытаний синхронно-реактивных электродвигателей без успокоительной обмотки более сложная задача, чем испытания асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором. Это объясняется более сложной процедурой разделения потерь и необходимостью введения электродвигателя в режим вращения на холостом ходу с номинальным потоком, который не свойственен синхронно- реактивному электроприводу. Облегчить проведение испытаний можно, используя с помощью размещения на роторе съемной короткозамкнутой обмотки для проведения опыта холостого хода.

Захаров А.В., к.т.н., ведущий специалист

по математическому моделированию и расчетам,

ПАО  НИПТИЭМ