Электродвигатели комбинированные
Электродвигатели комбинированные: принцип действия, конструкция и сферы применения
Комбинированные электродвигатели представляют собой класс электрических машин, в которых совмещены принципы работы двух различных типов двигателей в одной активной части (на общем валу) или в единой конструктивной компоновке. Основная цель такого комбинирования – получение рабочих характеристик, недостижимых для двигателей одного типа, расширение диапазона регулирования скорости, улучшение энергетических показателей или обеспечение специальных режимов работы. В отличие от систем с двумя независимыми двигателями (например, мотор-редуктор), в комбинированных двигателях обмотки или магнитные системы разных типов взаимодействуют в общем магнитопроводе.
Принцип классификации и основные типы комбинированных двигателей
Классификация осуществляется по типам совмещаемых электромеханических преобразователей. Наиболее распространенными и технически значимыми являются следующие комбинации.
- Универсальный коллекторный двигатель (УКД). Фактически является классическим примером комбинированного двигателя, способного работать как на постоянном, так и на переменном токе. Конструктивно это коллекторный двигатель последовательного возбуждения, у которого магнитная система статора выполнена шихтованной для снижения потерь на вихревые токи при питании переменным током. Магнитный поток статора и якоря изменяются синфазно, что обеспечивает постоянство направления вращающего момента.
- Двигатель двойного питания (асинхронно-синхронный). Чаще всего это машина с фазным ротором, у которой на статор подается питание от сети, а в цепь ротора через контактные кольца может подаваться напряжение от преобразователя частоты (ПЧ) или от другого источника. Такая комбинация позволяет работать в широком диапазоне скоростей как в асинхронном, так и в синхронном режимах, а также в режиме генератора с регулируемым коэффициентом мощности.
- Гибридные синхронные двигатели (постоянные магниты + электромагнитное возбуждение). В роторе таких двигателей совмещаются постоянные магниты и обмотка возбуждения. Это позволяет сочетать высокий КПД и удельную мощность от постоянных магнитов с возможностью регулирования магнитного потока (ослабления поля) для расширения диапазона скоростей посредством изменения тока в обмотке возбуждения.
- Шаговые двигатели гибридного типа. Сочетают принципы работы двигателей с переменным магнитным сопротивлением (реактивных) и двигателей с постоянными магнитами. Ротор имеет зубчатую структуру и осевое намагничивание постоянным магнитом, что обеспечивает высокий момент, точность позиционирования и малый шаг.
- Линейно-вращательные двигатели. Специализированные конструкции, в которых совмещены приводы для создания одновременно вращательного и поступательного движения в одной активной зоне.
- Режим асинхронного двигателя с добавочным сопротивлением – для плавного пуска и ограничения пусковых токов.
- (f1 ± f2)) / p, где f1 – частота сети статора, p – число пар полюсов. Знак «+» или «-» зависит от порядка чередования фаз. Это позволяет осуществлять глубокое и экономичное регулирование скорости выше и ниже синхронной.
- Постепенное вытеснение УКД в бытовой технике бесщеточными двигателями постоянного тока (BLDC), которые, хотя и не являются комбинированными в классическом понимании, представляют собой гибрид электронной схемы и синхронной машины с постоянными магнитами.
- Развитие систем двойного питания для ветрогенераторов большой мощности, где они являются доминирующей технологией.
- Активные исследования в области двигателей с совмещенными обмотками на статоре (Dual Stator Winding), позволяющих создавать приводы с повышенной отказоустойчивостью и гибкостью управления.
- Создание новых типов гибридных двигателей для электромобилей, сочетающих в одном корпусе две электрические машины для разных режимов движения (например, для высокого момента на низких скоростях и для высоких скоростей).
Конструктивные особенности и принцип работы ключевых типов
Универсальный коллекторный двигатель (УКД)
Конструктивно УКД повторяет двигатель постоянного тока последовательного возбуждения. Главное отличие – шихтованный магнитопровод из электротехнической стали как статора, так и якоря для снижения потерь на гистерезис и вихревые токи. Обмотка возбуждения и обмотка якоря соединены последовательно. При питании переменным током, благодаря синфазному изменению токов в обмотках, направление результирующего момента остается постоянным. Для улучшения коммутации и снижения радиопомех часто применяют дополнительные полюса и экранирование. Основные недостатки – искрение щеток, повышенный шум и относительно низкая надежность.
Асинхронный двигатель с фазным ротором в режиме двойного питания
Это классическая асинхронная машина (АДФР), у которой реализована возможность подачи в цепь ротора регулируемого напряжения заданной частоты. При подаче в ротор напряжения со скольженевой частотой и определенной фазой можно реализовать несколько режимов:
Режим синхронного вращения – при подаче в ротор постоянного тока машина переходит в режим синхронного двигателя.
Режим двигателя двойного питания с синхронным скольжением – при подаче в ротор переменного тока частоты f2, скорость вращения будет определяться формулой: n = (60
Сравнительные характеристики и области применения
| Тип комбинированного двигателя | Основные преимущества | Недостатки и ограничения | Типичные области применения |
|---|---|---|---|
| Универсальный коллекторный (УКД) | Высокий пусковой момент, компактность, простота регулирования скорости (изменением напряжения), работа на постоянном и переменном токе. | Низкая надежность (износ щеток и коллектора), искрение, повышенный шум, необходимость обслуживания, чувствительность к перегрузкам. | Бытовой электроинструмент (дрели, перфораторы, болгарки), кухонные комбайны, пылесосы, маломощные промышленные приводы. |
| АДФР с двойным питанием | Широкий диапазон плавного регулирования скорости, возможность работы с высоким cosφ, снижение пусковых токов, возможность работы в режиме генератора для ветроустановок. | Высокая стоимость из-за системы роторного питания (контактные кольца, преобразователь), необходимость обслуживания контактного узла, большие габариты. | Мощные регулируемые приводы насосов, вентиляторов, мельниц, испытательные стенды, генераторы в ветроэнергетических установках (DFIG). |
| Гибридные синхронные (ПМ + обмотка возб.) | Высокий КПД и плотность мощности, широкий диапазон регулирования скорости за счет ослабления поля, отсутствие контактных колец на роторе (в безредукторных исполнениях). | Сложность конструкции и системы управления, высокая стоимость из-за постоянных магнитов, риск размагничивания. | Высокодинамичные промышленные приводы, электромобили, тяговые двигатели, авиационные и космические системы. |
| Гибридные шаговые двигатели | Высокая точность позиционирования, большой удерживающий момент, малый шаг, возможность микрошагового режима. | Сложная система управления, резонансные явления, падение момента на высоких скоростях. | ЧПУ станки, 3D-принтеры, робототехника, измерительные приборы, оптические системы позиционирования. |
Системы управления и требования к питающей аппаратуре
Управление комбинированными двигателями, как правило, сложнее, чем управление их классическими аналогами. Для УКД часто применяются простые тиристорные или симисторные регуляторы напряжения. Для систем двойного питания критически важным элементом является преобразователь частоты, подключенный к цепи ротора. Он должен быть рассчитан на мощность, пропорциональную скольжению, что для многих применений экономически выгоднее, чем ПЧ на полную мощность двигателя. Управление гибридными синхронными двигателями требует сложных векторных алгоритмов, одновременно регулирующих токи статора и возбуждения для оптимального управления моментом и потоком. Шаговые гибридные двигатели управляются специализированными драйверами, формирующими многофазные импульсные последовательности.
Энергетические показатели и эффективность
Эффективность комбинированных двигателей сильно варьируется. УКД имеют относительно низкий КПД (редко превышает 60-70%) из-за потерь в коллекторно-щеточном узле и в шихтованном магнитопроводе. Системы двойного питания на базе АДФР в оптимальном рабочем диапазоне могут иметь КПД, сопоставимый с высоковольтными асинхронными двигателями (93-96%), при этом система в целом (двигатель + ПЧ) часто оказывается эффективнее, чем привод с ПЧ на полную мощность. Гибридные синхронные двигатели с постоянными магнитами лидируют по показателю КПД, который может достигать 95-98% благодаря отсутствию электрических потерь на возбуждение и высоким электромагнитным нагрузкам.
Перспективы развития и тенденции
Развитие комбинированных двигателей тесно связано с прогрессом в силовой электронике, материаловедении и системах управления. Основные тенденции:
Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)
В чем основное отличие комбинированного двигателя от системы с двумя независимыми двигателями?
Комбинированный двигатель – это единая электромеханическая конструкция, где два принципа преобразования энергии реализованы в общем магнитопроводе и активных частях. Два независимых двигателя, механически соединенных (например, через редуктор или муфту), представляют собой два отдельных устройства, работающих согласованно. Комбинированный двигатель обычно более компактен, но сложнее в проектировании и управлении.
Можно ли считать асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором, управляемый частотным преобразователем, комбинированным?
Нет. Частотный преобразователь является внешним устройством управления питанием стандартного асинхронного двигателя. Двигатель при этом не меняет своего принципа действия или конструкции. Комбинированность подразумевает конструктивное совмещение разных физических принципов в одной машине (например, наличие обмотки возбуждения и постоянных магнитов на роторе).
Каков главный недостаток универсального коллекторного двигателя, ограничивающий его применение в промышленности?
Главный недостаток – наличие изнашиваемого коллекторно-щеточного узла, который требует регулярного обслуживания, создает искрение (пожаро- и взрывоопасность в определенных средах), генерирует электромагнитные помехи и имеет ограниченный ресурс. Это делает УКД непригодным для многих ответственных и тяжелых промышленных применений.
Экономически оправдано ли использование системы двойного питания по сравнению с частотным преобразователем на полную мощность двигателя?
Да, во многих случаях оправдано, особенно для приводов мощностью от сотен киловатт и выше, требующих регулирования скорости в ограниченном диапазоне (например, ±30% от синхронной). Преобразователь частоты в цепи ротора в такой системе имеет мощность, пропорциональную мощности скольжения, что значительно (в 2-3 раза) снижает его стоимость и потери по сравнению с ПЧ на полную мощность двигателя.
Какие основные риски связаны с эксплуатацией гибридных синхронных двигателей с постоянными магнитами?
Основные риски: необратимое размагничивание постоянных магнитов при перегреве (выше точки Кюри) или при воздействии сильных противоположно направленных магнитных полей; сложность и высокая стоимость ремонта ротора; необходимость использования специализированных систем управления (частотных преобразователей) и наличие высокого напряжения на выводах двигателя при вращении (режим генерации) даже без подачи питания, что требует мер безопасности при монтаже и обслуживании.
Существуют ли комбинированные двигатели для специальных сред, например, взрывозащищенные?
Да, все основные типы комбинированных двигателей (за исключением, пожалуй, УКД из-за искрения) могут изготавливаться во взрывозащищенном исполнении согласно стандартам (например, ATEX, IECEx). Особенно это касается асинхронных двигателей с фазным ротором для нефтегазовой и химической промышленности. Контактные кольца и щеточный аппарат в таких двигателях заключаются в специальные взрывонепроницаемые кожухи или продуваются защитным газом.