Синхронный двигатель: устройство, принцип работы, режимы работы, пуск

Принцип действия синхронного двигателя

Синхронные машины

Синхронная машина состоит из 2х элементов:

  1. Якоря;
  2. Индуктора.

Одно из главных условий работы механизма – наличие воздушного зазора между ними. Якорь — неподвижная часть. Он может иметь одну или несколько обмоток. Его сердечник состоит из тонких листов стали. Индуктор – электромагнит, края обмотки которого приходят на контактные кольца на валу. Когда машина работает – он возбуждается постоянным током, а ротор за счет этого создает электромагнитное поле, которое сцепляется с магнитным полем якоря.

Принцип действия синхронной машины заключается во взаимодействии 2х видов магнитных полей. Первое поле создается якорем, второе поле возникает вокруг индуктора. Когда были достигнуты рабочие показатели мощности, первое воздушное поле сцепляется со вторым. Для того чтобы была достигнута необходимая частота вращения, должен пройти небольшой промежуток времени для разгона. Когда нужные показатели достигнуты, на индуктор поступает питание от источника постоянного тока. Вот и весь принцип работы синхронной машины.

Характеристики синхронного электродвигателя

Хотя асинхронные двигатели считаются более надежными и дешевыми, их синхронные «собратья» имеют некоторые преимущества и широко применяются в различных областях промышленности. К отличительным характеристикам синхронного электродвигателя можно отнести:

  • Работу при высоком значении коэффициента мощности.
  • Высокий КПД по сравнению с асинхронным устройством той же мощности.
  • Сохранение нагрузочной способности даже при снижении напряжения в сети.
  • Неизменность частоты вращения независимо от механической нагрузки на валу.
  • Экономичность.

Синхронным двигателям также присущи некоторые недостатки:

  • Достаточно сложная конструкция, делающая их производство дороже.
  • Необходимость источника постоянного тока (возбудителя или выпрямителя).
  • Сложность пуска.
  • Необходимость корректировать угловую частоту вращения путем изменения частоты питающего напряжения.

Однако в некоторых случаях использование синхронных двигателей предпочтительнее:

  • Для улучшения коэффициента мощности.
  • В длительных технологических процессах, где нет необходимости в частых запусках и остановках.

Таким образом, «плюсы» двигателей такого типа значительно превосходят «минусы», поэтому на данный момент они высоко востребованы.

Изучив синхронный двигатель, устройство и принцип его действия и учтя условия, в которых он будет эксплуатироваться, вы сможете быстро и с легкостью подобрать оптимально подходящий для ваших целей тип агрегата (защищенный, закрытый, открытый) и использовать его с максимальной эффективностью.

Устройство

Конструктивно синхронный электродвигатель состоит из неподвижного элемента, подвижной части, обмоток различного назначения, может комплектоваться коллекторным узлом. Далее рассмотрим каждую составляющую синхронного агрегата более детально на рабочем примере (рисунок ).

Устройство синхронного электродвигателя
Устройство синхронного электродвигателя

  • Статор или якорь – выполняется из электротехнической стали монолитным или наборным из шихтованного железа. Предназначен для размещения рабочей обмотки, проводит силовые линии электромагнитного поля, формируемого протекающими токами.
  • Обмотка на статоре – изготавливается из медных проводников, в зависимости от типа статора синхронного электродвигателя может выполняться различными методами, способами намотки и расположения проводников. Применяется для подачи напряжения питания и формирования рабочего магнитного потока.
  • Ротор с обмоткой возбуждения – предназначен для взаимодействия с магнитным полем статора. В результате подачи напряжения на обмотку возбуждения в роторе электродвигателя создается собственное магнитное поле, задающее состояние вращающегося элемента.
  • Вал – используется для передачи вращательного усилия от электродвигателя к подключаемой к нему нагрузке. В большинстве случаев это основание, на котором крепиться шихтовка или полюса ротора, подшипники, кольца, пластины и другие вспомогательные элементы.
  • Контактные кольца – применяются для подачи питания на обмотки ротора, но устанавливаются не во всех моделях синхронных агрегатов. Питание производиться через специальный преобразователь переменного напряжения в постоянное.
  • Корпус – предназначен для защиты от воздействия внешних факторов, обеспечивает синхронному двигателю достаточную прочность и герметичность, в зависимости от условий его эксплуатации.

Конструктивные особенности

Синхронный двигатель содержит

  • часть конструкции, в которой создается перемещающееся магнитное поле, называемую статором;
  • часть двигателя, которая вращается от воздействия магнитного поля, называемую ротором;
  • провод, соединяющий движок с источником питания, который сравнивают с якорной цепью корабля. Чтобы указать на ту часть двигателя, которая присоединена к проводу, ее называют якорем. В рассматриваемой машине питающий провод присоединен к статору. Следовательно, это якорь.
Будет интересно➡  Методы передачи электроэнергии на расстояние

Составные частит синхронных двигателей

Чем больше витков содержат взаимодействующие катушки, тем меньший ток потребуется для эффективной работы движка. Но сила тока — это не самая сложная проблема. Главное — создать пространственное перемещение магнитного поля, что весьма непросто.

По этой причине синхронный двигатель появился только после того, как заработал первый генератор. Его создал в 1891 г. М.О. Доливо-Добровольский. Обратимость электрических машин позволяет использовать их и генераторами, и двигателями. Обратима и синхронная машина. Но для движков существуют определенные конструктивные ограничения, которых нет у генераторов.

Синхронные генераторы

Обратная конструкция – синхронные генераторы. В них процессы протекают немного иначе. Принцип действия синхронного генератора и синхронного двигателя отличаются, но не существенно:

  1. На обмотку статора не подается напряжение. С нее оно снимается.
  2. На обмотку ротора подается переменное напряжение, которое необходимо для создания магнитного поля. Потребление электроэнергии крайне маленькое.
  3. Ротор электрогенератора раскручивается при помощи дизельного или бензинового двигателя либо же силой воды, ветра.
  4. Вокруг ротора имеется магнитное поле, которое двигается. Поэтому в обмотке статора индуцируется ЭДС, а на концах появляется разность потенциалов.

Но в любом случае требуется стабилизировать напряжение на выходе генераторной установки. Для этого достаточно запитать роторную обмотку от источника, напряжение которого постоянно и не изменяется при колебаниях частоты вращения.

Различия синхронных и асинхронных двигателей

Все электродвигатели переменного тока по принципу действия могут быть асинхронными и синхронными. В первом случае вращение ротора будет медленнее, по сравнению с магнитным полем, а во втором – вращение ротора и магнитного поля происходит с одинаковой скоростью.

В асинхронном двигателе вращающееся переменное магнитное поле создается обмотками, закрепленными на статоре. Концы этих обмоток выведены в общую клеммную коробку. Во избежание перегрева на валу двигателя устанавливается вентилятор. Ротор выполнен из металлических стержней, замкнутых с двух сторон между собой. Он представляет единое целое с валом и получил название короткозамкнутого ротора.

Вращение магнитного поля происходит под действием постоянной смены полюсов. Соответственно, в обмотках изменяется направление тока. На скорость вращения вала оказывает влияние количество полюсов магнитного поля.

Совет

Синхронный электродвигатель конструктивно отличается от асинхронных агрегатов. Здесь вращение ротора и магнитного поля происходит с одинаковой скоростью.

Напряжение на ротор для зарядки обмоток подается с помощью щеток, а не индуцируется действием переменного магнитного поля.

Направление тока в обмотках изменяется одновременно с направлением магнитного поля, поэтому вал синхронного двигателя всегда вращается в одну сторону.

Разновидности

В современной промышленности и бытовых приборах синхронные электродвигатели используются для решения самых разнообразных задач. Как результат, существенно разнятся и их конструктивные особенности. На практике выделяют несколько критериев, по которым разделяются виды синхронных агрегатов. В соответствии с ГОСТ 16264.2-85 могут подразделяться по таким техническим характеристикам:

  • питающему напряжению;
  • частоте рабочего напряжения;
  • количеству оборотов.

В зависимости от способа получения поля ротора выделяют такие типы синхронных электродвигателей:

  • С обмоткой возбуждения на роторе – синхронизирующее усилие создается за счет подачи питания от преобразователя.
  • С магнитным ротором – на валу устанавливается постоянный магнит, выполняющий те же функции, что и обмотка возбуждении, но без необходимости подпитки (см. рисунок ).

Синхронный электродвигатель с постоянными магнитами
Синхронный электродвигатель с постоянными магнитами

С реактивным ротором —  конструкция выполнена таким образом, что в его сердечнике происходит преломление магнитных линий, приводящее всю конструкцию в движение (см. рисунок ). Под воздействием силового поля поперечные и продольные составляющие в роторе не равны за счет чего пластины поворачиваются вслед за полем.

Пример реактивного ротора
Пример реактивного ротора

В зависимости от наличия полюсов все синхронные электродвигатели можно подразделить на:

  • явнополюсные – в конструкции четко видны обособленные полюса с обмотками, применяются для малых скоростей;
  • неявнополюсные – полюс не выделяется, такие модели устанавливают для высоких скоростей;

В зависимости от расположения рабочих обмоток различают прямые (на статоре) и обращенные (рабочие обмотки на роторе).

Сферы применения

Синхронный электродвигатель представляет собой важное изобретение для различных направлений промышленности. Но из-за сложной конструкции и высокой стоимости оборудования его используют в редких случаях.

Будет интересно➡  Контрольно-измерительные приборы. Виды и область применения

Сферы применения электрических моторов синхронного типа очень ограничены. В большинстве случаев установку применяют для повышения показателей мощности в энергосистеме, что обусловлено их способностью функционировать при любых коэффициентах мощности и отличной экономичностью.

Принцип работы

В основе работы синхронного электродвигателя лежит взаимодействие магнитного потока, генерируемого рабочими обмотками с постоянным магнитным потоком. Наиболее распространенной моделью синхронной электрической машины является вариант с рабочей обмоткой на статоре и обмоткой возбуждения на роторе.

Принцип действия синхронного электродвигателя
Принцип действия синхронного электродвигателя

Как видите на рисунке 2 выше, в обмотку статора подается трехфазное напряжение из сети, которое формирует переменное магнитное поле. На обмотки ротора электродвигателя подано постоянное напряжение, которое индуцирует такой же постоянный магнитный поток у полюсов. Для наглядности рассмотрим процесс на упрощенной модели синхронного агрегата (рисунок ).

Принцип формирования потоков в синхронной электрической машине
Принцип формирования потоков в синхронной электрической машине

При подаче питания на фазные витки статора электродвигателя первый пик амплитуды тока и ЭДС взаимоиндукции приходиться на фазу A, затем B и фазу C.

На графике показана периодичность чередования кривых в зависимости от времени:

  • в точке 1 максимальная ЭДС EA формирует максимальный поток, а электродвижущие силы фаз EB и EC равны между собой и противоположны по знаку, они дополняют результирующую силу.
  • в точке 2 пика достигает ЭДС EB, а электродвижущие силы фаз EA и EC становятся равны между собой и противоположны по знаку, они дополняют результирующую силу, в результате чего магнитное поле совершает вращательное движение.
  • в точке 3 максимум приходиться на ЭДС EC, а электродвижущие силы фаз EB и EA вместе дополняют результирующую силу и снова смещают вектор поля по часовой стрелке.

Оборот поля статора происходит в течении периода, а за счет того, что ротор обладает собственным электромагнитным усилием постоянным во времени, то он синхронно следует за движением переменного магнитного поля, вращаясь вокруг заданной оси. В результате такого вращения происходит синхронное движение ротора вслед за сменой амплитуды ЭДС в витках рабочих обмоток, за счет этого явления электродвигатель и получил название синхронного. Наличие отдельного питания отразилось и на схематическом обозначении таких электрических машин (рисунок ) в соответствии с ГОСТ 2.722-68.

Схематическое обозначение синхронного электродвигателя
Схематическое обозначение синхронного электродвигателя

Способы запуска

  • Пуск синхронного двигателя при помощи вспомогательного двигателя. Синхронный двигатель механически соединяется с другим двигателем. Это может быть либо 3-х фазный индукционный двигатель, либо двигатель постоянного тока. Постоянный ток изначально не подается. Двигатель начинает вращаться со скоростью, близкой к синхронной скорости, после чего подается постоянный ток. После того, как магнитное поле замыкается, связь со вспомогательного двигателя прекращается.
  • Асинхронный пуск. В полюсных наконечниках полюсов ротора устанавливается дополнительная короткозамкнутая обмотка. При включении напряжения в обмотку статора возникает вращающееся магнитное поле. Пересекая короткозамкнутую обмотку, которая заложена в полюсных наконечниках ротора, это вращающееся магнитное поле индуцирует в ней токи, который взаимодействуя с вращающимся полем статора, приводят ротор во вращение. Когда достигнута синхронная скорость, ЭДС и крутящийся момент уменьшается. И наконец, когда магнитное поле замыкается, крутящий момент также сводится к нулю. Таким образом, синхронность вначале запускается индукционным двигателем с использованием дополнительной обмотки.

Способы пуска и схемы подключения

Для запуска синхронного электродвигателя требуется дополнительное поле, независимое от воздействия сети. В то же время, на стартовом этапе запуск представляет собой асинхронный процесс, пока агрегат не достигнет синхронной скорости.

Схема пуска синхронного двигателя
Схема пуска синхронного двигателя

При подаче напряжения на якорь возникает ток в его обмотках и генерация ЭДС в железе ротора, который обеспечивает асинхронное движение до того момента, пока не начнется питание обмоток возбуждения.

Еще одним распространенным вариантом пуска является использование дополнительных генераторов, которые могут располагаться на валу или устанавливаться отдельно. Такой метод обеспечивает дополнительное стартовое усилие за счет стороннего крутящего момента.

Генераторный способ пуска синхронного двигателя
Генераторный способ пуска синхронного двигателя

Как видите на рисунке, начальное вращение мотора М осуществляется за счет генератора G, который призван вывести устройство на подсинхронную скорость. Затем генератор выводится из рабочей цепи путем размыкания контактов КМ или автоматически при установке рабочих характеристик. Дальнейшее поддержание синхронного режима происходит за счет подачи постоянного напряжения в обмотку возбуждения.

Помимо этого на практике используется схема пуска с полупроводниковыми преобразователями. На рисунке  приведен способ тиристорного преобразователя и с установкой вращающихся выпрямителей.

Будет интересно➡  Что такое высоковольтный выключатель

Тиристорная схема пуска синхронного двигателя
Тиристорная схема пуска синхронного двигателя

В первом случае запуск синхронного электродвигателя характеризуется нулевым напряжением от преобразователя UD. За счет ЭДС скольжения через стабилитроны VD осуществляется открытие тиристоров VS. В цепь обмотки возбуждения вводится резистор R, предназначенный для предотвращения пробоя изоляции. По мере разгона электродвигателя ЭДС скольжения пропорционально снизится и произойдет запирание стабилитронов VD, цепочка заблокируется, и обмотка возбуждения получит питание постоянным напряжением через UD.

Применение

  • Синхронный двигатель используется для улучшения коэффициента мощности. Синхронные двигатели широко применяются в энергосистеме, поскольку они работают при любом коэффициенте мощности и имеют экономичные эксплуатационные показатели.
  • Синхронные двигатели находят свое применение там, где рабочая скорость не превышает 500 об / мин и требуется увеличить мощность. Для энергетической потребности от 35 кВт до 2500 кВт, стоимость, размер, вес и соответствующего индукционного двигателя будет довольно высоким. Такие двигатели часто используются для работы поршневых насосов, компрессоров, прокатных станков и другого оборудования.

Более современный способ разгона

Стоимость такой машины оказывалась намного выше. Поэтому проще использовать обычный асинхронный мотор, пусть и много у него недостатков. Но именно его принцип работы и был использован для уменьшения габаритов и стоимости всей установки. При помощи реостата производится замыкание обмоток на роторе. В итоге двигатель становится асинхронным. А запустить его оказывается намного проще – просто подается напряжение на обмотки статора.

Как работает двигатель - фото 15

Во время выхода на подсинхронную скорость возможно раскачивание ротора. Но это не происходит за счет работы его обмотки. Напротив, она выступает в качестве успокоителя. Как только частота вращения будет достаточной, производится подача постоянного напряжения на обмотку индуктора. Двигатель выводится в синхронный режим. Но такой способ можно воплотить только в том случае, если используются моторы с обмоткой на роторе. Если там применяется постоянный магнит, придется устанавливать дополнительный разгонный электродвигатель.

Преимущества и недостатки

К преимуществам такого электродвигателя следует отнести:

  • высокий cosφ, приближающийся по величине к 1, что в значительной мере превосходит асинхронные электродвигатели;
  • более высокая механическая прочность за счет особенностей конструкции электродвигателя;
  • зависимость момента вращения от напряжения линейная, а не квадратичная, поэтому колебания электродвигателя пропорционально снижаются;
  • на валу электродвигателя присутствует постоянная скорость, не зависящая от прикладываемой нагрузки;
  • может применяться для уменьшения реактивной составляющей в сети.

Среди недостатков синхронных электродвигателей выделяют:

  • сложную конструкцию;
  • более сложный пуск;
  • необходимость использования вспомогательных устройств и блоков;
  • такие электродвигатели сложнее регулировать по числу оборотов;
  • ремонт и обслуживание также обойдется дороже, чем асинхронные электродвигатели.

Синхронные электродвигатели имеют и другие достоинства:

  • Электродвигатели синхронного типа работают с повышенным коэффициентом мощности, что создает уменьшение расхода энергии и снижает потери. КПД синхронного мотора выше при той же мощности асинхронного двигателя.
  • Синхронные электродвигатели имеют момент вращения, который прямо зависит от напряжения сети. Поэтому он при уменьшении напряжения сохраняет свою мощность больше асинхронного. Это является фактором надежности подобных конструкций моторов.

Синхронные трехфазные машины: их устройство и принцип действия

Трехфазные машины получили большую популярность в промышленности. Они состоят из неподвижного статора явнополюсного ротора. Между этими двумя важнейшими элементами есть воздушный зазор, размер которого зависит от мощности машины. Статор устройства практически не отличается от асинхронных машин, он также имеет 3х фазную обмотку, которая может быть соединена звездой или треугольником. Как правило, у большинства трехфазных машин имеется соединение звездой из-за того, что устройство может располагать линейными/фазными напряжениями, которые разнятся между собой в √3 раза.

Ротор – электромагнитная система постоянного тока, в которой такое же количество обмоток, как и у статора. Магнитные силовые потоки замыкаются между его противоположными сторонами через воздушный зазор. Возбуждение приходит на ротор от генератора постоянного тока, мощность которого составляет до 10% от общей мощности синхронной машины. Возбудитель может быть размещен как на 1м валу с машиной или быть на отдельном двигателе.

Предыдущая
РазноеФормула мощности электрического тока, расчет по мощности и напряжению
Следующая
РазноеPE проводник — что это такое и для чего нужно. Разделение PEN проводника на PE и N
Ссылка на основную публикацию
Мы используем cookie-файлы для наилучшего представления нашего сайта. Продолжая использовать этот сайт, вы соглашаетесь с использованием cookie-файлов.
Принять