Синхронный двигатель принцип работы: Синхронный двигатель с постоянными магнитами

Содержание

Синхронный электродвигатель с обмоткой возбуждения

Дмитрий Левкин

Конструкция

Принцип работы

Синхронная скорость

Прямой запуск

Выход из синхронизма

Синхронный компенсатор

Синхронный электродвигатель с обмоткой возбуждения, как и любой вращающийся электродвигатель, состоит из ротора и статора. Статор — неподвижная часть, ротор — вращающаяся часть. Статор обычно имеет стандартную трехфазную обмотку, а ротор выполнен с обмоткой возбуждения. Обмотка возбуждения соединена с контактными кольцами к которым через щетки подходит питание.

Синхронный электродвигатель с обмоткой возбуждения (щетки не показаны)

Постоянная скорость вращения синхронного электродвигателя достигается за счет взаимодействия между постоянным и вращающимся магнитным полем. Ротор синхронного электродвигателя создает постоянное магнитное поле, а статор – вращающееся магнитное поле.

Работа синхронного электродвигателя основана на взаимодействии вращающегося магнитного поля статора и постоянного магнитного поля ротора

Статор: вращающееся магнитное поле

На обмотки катушек статора подается трехфазное переменное напряжение. В результате создается вращающееся магнитное поле, которое вращается со скоростью пропорциональной частоте питающего напряжения. Подробнее о том, как посредством трехфазного напряжения питания образуется вращающееся магнитное поле можно прочитать в статье «Трехфазный асинхронный электродвигатель».

Взаимодействие между вращающимся (у статора) и постоянным (у ротора) магнитными полями

Ротор: постоянное магнитное поле

Обмотка ротора возбуждается источником постоянного тока через контактные кольца. Магнитное поле создаваемое вокруг ротора возбуждаемое постоянным током показано ниже. Очевидно, что ротор ведет себя как постоянный магнит, так как имеет такое же магнитное поле (в качестве альтернативы можно представить, что ротор сделан из постоянных магнитов). Рассмотрим взаимодействие ротора и вращающегося магнитного поля. Предположим вы придали ротору начальное вращение в том же направлении как у вращающегося магнитного поля. Противоположные полюса вращающегося магнитного поля и ротора будут притягиваться друг к другу и они будут сцепляться с помощью магнитных сил. Это значит, что ротор будет вращаться с той же скоростью, что и вращающееся магнитное поле, то есть ротор будет вращаться с синхронной скоростью.

Магнитные поля ротора и статора сцепленные друг с другом

Скорость с которой вращается магнитное поле может быть вычислена по следующему уравнению:

где N_s – частота вращения магнитного поля, об/мин,

f – частота тока статора, Гц,

p – количество пар полюсов.

Это значит, что скорость синхронного электродвигателя может очень точно контролироваться изменением частоты питающего тока. Таким образом эти электродвигатели подходят для высокоточных приложений.

Почему синхронные электродвигатели не запускаются от электрической сети?

Если ротор не имеет начального вращения, ситуация отличается от описанной выше. Северный полюс магнитного поля ротора будет притягиваться к южному полюсу вращающегося магнитного поля, и начнет двигаться в том же направлении. Но так как ротор имеет определенный момент инерции, его стартовая скорость будет очень низкой. За это время южный полюс вращающегося магнитного поля будет замещен северным полюсом. Таким образом появятся отталкивающие силы. В результате чего ротор начнет вращаться в обратную сторону. Таким образом ротор не сможет запуститься.

Демпферная обмотка — прямой запуск синхронного двигателя от электрической сети

Чтобы реализовать самозапуск синхронного электродвигателя без системы управления между наконечниками ротора размещается «беличья клетка», которая также называется демпферной обмоткой. При запуске электродвигателя катушки ротора не возбуждаются. Под действием вращающегося магнитного поля, индуцируется ток в витках «беличьей клетки» и ротор начинает вращаться подобно тому, как запускаются асинхронные двигатели.

Когда ротор достигает своей максимальной скорости, подается питание на обмотку возбуждения ротора. В результате, как говорилось ранее, полюса ротора сцепляются с полюсами вращающегося магнитного поля и ротор начинает вращаться с синхронной скоростью. При вращении ротора с синхронной скоростью, относительное движение между белечьей клеткой и вращающимся магнитным полем равно нулю. Это значит, что отсутствует ток в короткозамкнутых витках, а следовательно «беличья клетка» не оказывает воздействия на синхронную работу электродвигателя.

Синхронные электродвигатели имеют постоянную скорость независящую от нагрузки (при условии что нагрузка не превышает макимально допустимую). Если момент нагрузки больше, чем момент создаваемый самим электродвигателем, то он выйдет из синхронизма и остановиться. Низкое напряжение питания и низкое напряжение возбуждения также могут быть причинами выхода двигателя из синхронизма.

Синхронные электродвигатели могут также использоваться для улучшения коэффициента мощности системы. Когда единственной целью использования синхронных электродвигателей является улучшение коэффициента мощности их называют синхронными компенсаторами. В таком случае вал электродвигателя не соединяется с механической нагрузкой и вращается свободно.

Принцип работы синхронного двигателя

В целом, электрический двигатель представляет собой электромеханическое устройство, которое преобразовывает электрическую энергию в механическую. По типу подключения двигатели бывают однофазные и 3-х фазные. Среди 3-х фазных двигателей наиболее распространенными являются индукционные (асинхронные) и синхронные электродвигатели.

Строение синхронного двигателя
Принципы работы синхронного двигателя
Способы запуска
Применение
Устройство и принцип действия синхронного двигателя
Отличие от асинхронного мотора
Конструкция мотора
Как работает двигатель
Синхронные генераторы
Полюсы обмоток двигателя
Воздействие полюсов
Запуск электродвигателей синхронного типа
Более современный способ разгона
Преимущества и недостатки синхронных моторов

Когда в 3-х фазном двигателе электрические проводники располагаются в определенном геометрическом положении (под определенным углом относительно друг друга), возникает электрическое поле. Образованное электромагнитное поле вращается с определенной скоростью, которая называется синхронной скоростью.

Если в этом вращающемся магнитном поле присутствует электромагнит, он магнетически замыкается с этим вращающимся полем и вращается со скоростью этого поля. Фактически, это нерегулируемый двигатель, поскольку он имеет всего одну скорость, которая является синхронной, и никаких промежуточных скоростей там быть не может. Другими словами, он работает синхронно с частотой сети.

Ниже дана формула синхронной скорости:

Ns = 120F/p

Строение синхронного двигателя

Его строение практически аналогично 3-фазному асинхронному двигателю, за исключением того факта, что на ротор подается источник постоянного тока. На рисунке показано устройство этого типа двигателя. На статор подается 3-х фазное напряжение, а на ротор – источник постоянного тока.

Строение синхронного двигателя

Основные свойства синхронных двигателей:

Синхронные электродвигатели не являются самозапускающимся механизмом. Они требуют определенного внешнего воздействия, чтобы выработать определенную синхронную скорость.

Двигатель работает синхронно с частотой электрической сети. Поэтому при обеспечении бесперебойного снабжения частоты он ведет себя так, как двигатель с постоянной скоростью.

Этот двигатель имеет уникальные характеристики, функционируя под любым коэффициентом мощности. Поэтому они используются для увеличения фактора силы.

Видео: Строение и принцип работы синхронного двигателя

//www.youtube.com/embed/5k3sXBMBKEw?feature=player_detailpage

Принципы работы синхронного двигателя

Электронно-магнитное поле синхронного двигателя обеспечивается двумя электрическими вводами. Это обмотка статора, которая состоит из 3-х фаз и предусматривает 3 фазы источника питания и ротор, на который подается постоянный ток.

3 фазы обмотки статора обеспечивают вращение магнитного потока. Ротор принимает постоянный ток и производит постоянный поток. При частоте 50 Гц 3-х фазный поток вращается около 3000 оборотов в 1 минуту или 50 оборотов в 1 секунду. В определенный момент полюса ротора и статора могут быть одной полярности (++ или – – ), что вызывает отталкивания ротора. После этого полярность сразу же меняется (+–), что вызывает притягивание.

Но ротор по причине своей инерции не в состоянии вращаться в любом направлении из-за силы притяжения или силы отталкивания и не может оставаться в состоянии простоя. Он не самозапускающийся.

Чтобы преодолеть инерцию силы, необходимо определенное механическое воздействие, которое вращает ротор в том же направлении, что и магнитное поле, обеспечивая необходимую синхронную скорость. Через некоторое время происходит замыкание магнитного поля, и синхронный двигатель вращается с определенной скоростью.

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.

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.

Устройство и принцип действия синхронного двигателя

Отличие от асинхронного мотора

Главное отличие синхронной машины заключается в том, что скорость вращения якоря такая же, как и аналогичная характеристика магнитного потока.

И если в асинхронных моторах используется короткозамкнутый ротор, то в синхронных имеется на нем проволочная обмотка, к которой подводится переменное напряжение.

В некоторых конструкциях используются постоянные магниты. Но это делает двигатель дороже.

Если увеличивать нагрузку, подключаемую к ротору, частота вращения его не изменится. Это одна из ключевых особенностей такого типа машин. Обязательное условие – у движущегося магнитного поля должно быть столько же пар полюсов, сколько у электромагнита на роторе. Именно это гарантирует постоянную угловую скорость вращения этого элемента двигателя. И она не будет зависеть от момента, приложенного к нему.

Конструкция мотора

Устройство и принцип действия синхронных двигателей несложны.

Конструкция включает в себя такие элементы:

Неподвижная часть – статор. На ней находится три обмотки, которые соединяются по схеме «звезда» или «треугольник». Статор собран из пластин электротехнической стали с высокой степенью проводимости.

Подвижная часть – ротор. На нем тоже имеется обмотка. При работе на нее подается напряжение.

Между ротором и статором имеется прослойка воздуха. Она обеспечивает нормальное функционирование двигателя и позволяет магнитному полю беспрепятственно воздействовать на элементы агрегата. В конструкции присутствуют подшипники, в которых вращается ротор, а также клеммная коробка, расположенная в верхней части мотора.

Как работает двигатель

Если кратко, принцип действия синхронного двигателя, как и любого другого, заключается в преобразовании одного вида энергии в другой. А конкретно – электрической в механическую. Работает мотор таким образом:

На статорные обмотки подается переменное напряжение. Оно создает магнитное поле.

На обмотки ротора также подается переменное напряжение, создающее поле. Если используются постоянные магниты, то это поле уже по умолчанию имеется.

Два магнитных поля взаимопересекаются, противодействуют друг другу – одно толкает другое. Из-за этого двигается ротор. Именно он установлен на шарикоподшипниках и способен свободно вращаться, дать ему нужно только толчок.

Вот и все. Теперь остается только использовать полученную механическую энергию в нужных целях. Но требуется знать, как правильно вывести в нормальный режим синхронный двигатель. Принцип работы у него отличается от асинхронного. Поэтому требуется придерживаться определенных правил.

Для этого электродвигатель подключают к оборудованию, которое необходимо привести в движение. Обычно это механизмы, которые должны работать практически без остановок – вытяжки, насосы и прочее.

Синхронные генераторы

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

На обмотку статора не подается напряжение. С нее оно снимается.

На обмотку ротора подается переменное напряжение, которое необходимо для создания магнитного поля. Потребление электроэнергии крайне маленькое.

Ротор электрогенератора раскручивается при помощи дизельного или бензинового двигателя либо же силой воды, ветра.

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.

Полюсы обмоток двигателя

В конструкции ротора имеются постоянные или электрические магниты. Их обычно называют полюсами. На синхронных машинах (двигателях и генераторах) индукторы могут быть двух типов:

Явнополюсными.

Неявнополюсными.

Они различаются между собой только взаимным расположением полюсов. Для уменьшения сопротивления со стороны магнитного поля, а также улучшения условий для проникновения потока, используются сердечники, изготовленные из ферромагнетиков.

Эти элементы располагаются как в роторе, так и в статоре. Для изготовления используются только сорта электротехнической стали. В ней очень много кремния. Это отличительная особенность такого вида металла. Это позволяет существенно уменьшить вихревые токи, повысить электрическое сопротивление сердечника.

Воздействие полюсов

В основе конструкции и принципа действия синхронных двигателей лежит обеспечение влияния пар полюсов ротора и статора друг на друга. Для обеспечения работы нужно разогнать индуктор до определенной скорости. Она равна той, с которой вращается магнитное поле статора. Именно это позволяет обеспечить нормальную работу в синхронном режиме. В момент, когда происходит запуск, магнитные поля статора и ротора взаимно пересекаются. Это называется «вход в синхронизацию». Ротор начинает вращаться со скоростью, как у магнитного поля статора.

Запуск электродвигателей синхронного типа

Самое сложное в работе синхронного мотора – это его запуск.

Именно поэтому его используют крайне редко. В

едь конструкция усложняется за счет системы запуска.

На протяжении долгого времени работа синхронного двигателя зависела от разгонного асинхронника, механически соединенным с ним.

Что это значит? Второй тип двигателя (асинхронный) позволял разогнать ротор синхронной машины до подсинхронной частоты.

Обычные асинхронники не требуют специальных устройств для запуска, достаточно только подать рабочее напряжение на обмотки статора.

После того, как будет достигнута требуемая скорость, происходит отключение разгонного двигателя. Магнитные поля, которые взаимодействуют в электрическом моторе, сами выводят его на работу в синхронном режиме. Для разгона потребуется другой двигатель. Его мощность должна составлять примерно 10-15 % от аналогичной характеристики синхронной машины. Если нужно вывести в режим электродвигатель 1 кВт, для него потребуется разгонный мотор мощностью 100 Вт. Этого вполне достаточно, чтобы машина смогла работать как в режиме холостого хода, так и с незначительной нагрузкой на валу.

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.

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 синхронных моторов

Основное преимущество (если сравнивать с асинхронными машинами) – за счет независимого питания роторной обмотки агрегаты могут работать и при высоком коэффициенте мощности. Также можно выделить такие достоинства, как:

Снижается ток, потребляемый электродвигателем, увеличивается КПД. Если сравнивать с асинхронным мотором, то эти характеристики у синхронной машины оказываются лучше.

Момент вращения прямо пропорционален напряжению питания. Поэтому даже если снижается напряжение в сети, нагрузочная способность оказывается намного выше, нежели у асинхронных машин. Надежность устройств такого типа существенно выше.

Но вот имеется один большой недостаток – сложная конструкция. Поэтому при производстве и последующих ремонтах затраты окажутся выше. Кроме того, для питания обмотки ротора обязательно требуется наличие источника постоянного тока. А регулировать частоту вращения ротора можно только с помощью преобразователей – стоимость их очень высокая. Поэтому синхронные моторы используются там, где нет необходимости часто включать и отключать агрегат.

Понравилась статья? Расскажите друзьям:

Оцените статью, для нас это очень важно:

Проголосовавших: 1 чел.
Средний рейтинг: 5 из 5.

Синхронный двигатель, принцип работы и устройство, способы пуска и управления

Синхронные двигатели – это машины переменного тока, преобразующие электрическую энергию в механическое вращение приводного вала.

Их особенность проявляется в синхронном взаимодействии вращающейся ЭДС неподвижного статора с электромагнитным полем подвижного ротора.

Для понимания принципа этого взаимодействия важно ознакомиться с существующими разновидностями синхронных агрегатов и их устройством.

УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП РАБОТЫ СИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

При рассмотрении устройства двигателей синхронного типа выделяются следующие основные части:

литой корпус агрегата;
неподвижный статор с комплектом обмоток;
подвижный ротор с приводным валом;
контактно-щеточный узел.

Статор или якорь электродвигателя набран из листов электротехнической стали, позволяющей усилить создаваемые в нем магнитные потоки.

В специальных пазах размещаются рабочие обмотки, создающие вращающееся магнитное поле. Кроме того, ротор электродвигателя оснащается обмоткой возбуждения, обеспечивающей электромагнитное взаимодействие с вращающимся полем статора.

При подаче напряжения в подвижном узле формируется собственное э/м поле, приводящее к вращению ротора с приводным валом. Контактные кольца с комплектом щеток необходимы для подачи питания на его обмотки.

Контактный узел используются не во всех моделях синхронных электродвигателей (на некоторых роторах устанавливаются постоянные магниты).

Роторные обмотки имеют два исполнения. Первое представлено образцами с явно выраженными полюсами, а второе имеет катушки распределенного типа (в этом варианте они укладываются в пазы ротора). Помимо этого описываемый узел может выполняться в виде короткозамкнутого витка (так называемая «беличья клетка»).

ВИДЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ДВИГАТЕЛЕЙ СИНХРОННОГО ТИПА

По числу обмоток, используемых для создания вращающегося поля статора, все известные модели синхронных двигателей делятся на:

однофазные;
трехфазные устройства.

Последние предназначаются для работы в условиях повышенных напряжений и нагрузок, что характерно для условий промышленного производства. Их полезная мощность порой достигает сотен кВт.

В отличие от них однофазные электродвигатели могут подключаться к бытовым электрическим сетям переменного тока частотой 50 Гц и напряжением 220 Вольт. Как правило, эти устройства имеют мощность в пределах от 5 Вт до 10 кВт.

По рабочей эффективности они существенно уступают своим трехфазным аналогам. Однофазная схема включения заметно снижает КПД двигателя и величину его пускового момента. Вместе с тем агрегаты этого типа способны выдерживать большие перегрузки на валу.

ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ СИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ

В сравнении с другими образцами машин переменного тока синхронные имеют следующие бесспорные преимущества:

постоянство скорости вращения приводного вала при нагрузке, меняющейся в широких пределах;
высокие показатели кпд и передачи полезной мощности в нагрузку;
сравнительно низкий коэффициент реактивной составляющей;
возможность длительной работы в режиме перегрузки;
меньшая зависимость от колебаний напряжения в питающей сети.

Указанные преимущества и определяют области их применения: мощные вентиляционные системы, конвейерные линии, компрессоры и прокатные станы.

К числу существенных недостатков электродвигателей синхронного типа относят:

сложность конструкции и сравнительно высокая стоимость;
технические сложности с запуском электродвигателя в работу;
потребность в дополнительном источнике постоянного напряжения;
сложность управления основными параметрами двигателя (скоростью вращения и моментом на валу).

Все перечисленные недостатки синхронных машин переменного тока устраняются за счет использования дополнительных систем плавного запуска. Хорошего результата удается добиться, если для управления работой двигателя используются электронные устройства (частотные преобразователи).

СПОСОБЫ И УСТРОЙСТВА ПЛАВНОГО ПУСКА И УПРАВЛЕНИЯ

Добиться плавного пуска удается за счет использования дополнительного двигателя или же посредством асинхронного запуска.

Первый случай не требует пояснений, а во втором используется принцип асинхронности вращения э/м полей, приводящих к эффекту скольжения на начальном этапе работы. У каждого из этих вариантов имеются свои достоинства и недостатки.

При выборе подходящего для конкретных условий способа запуска обязательно учитываются конструктивные особенности ротора.

Для эффективного управления режимами работы синхронного двигателя используется зависимость частоты вращения ротора от питающего напряжения.

При заданном значении токовой составляющей такое управление сводится к изменению мощности на валу. Реализовать его удается различными способами, но наиболее эффективными считаются электронные устройства (преобразователи).

Для управления режимами работы применяются современные полупроводниковые компоненты. К последним относятся транзисторы, тиристоры и симисторы.

С помощью этих быстродействующих элементов удается менять величину мощности в нагрузке, используя принципы широтно-импульсного или фазоимпульсного регулирования.

* * *

© 2014-2022 г.г. Все права защищены.
Материалы сайта имеют ознакомительный характер, могут выражать мнение автора и не подлежат использованию в качестве руководящих и нормативных документов.

Как заменить синхронный двигатель на асинхронный

Содержание

Типовые схемы пуска синхронных электродвигателей
Подписка на рассылку
Разница между синхронным и асинхронным двигателем
Синхронный двигатель
Асинхронные и синхронные двигатели: устройство
Принцип работы синхронного двигателя
Что представляет собой синхронный двигатель?
Асинхронный двигатель
Однофазный электродвигатель: устройство и принцип работы
Синхронный и асинхронный двигатель: отличия
Чем асинхронные двигатели отличаются от синхронных
В чем ключевое отличие синхронного двигателя от асинхронного
Чем отличается синхронный электродвигатель от асинхронного?
Способы возбуждения синхронных генераторов
Запуск электродвигателей
Пуск асинхронных двигателей большой мощности
Пуск синхронных электромашин
Синхронный и асинхронный двигатель: отличия
Принципы работы
Особенности синхронных двигателей
Отличительные черты асинхронных двигателей
Устройство и принцип работы
Асинхронный двигатель
Синхронный двигатель
Что представляет собой синхронный двигатель?
Объяснение принципа работы синхронного электродвигателя для «чайников»
Два вида электродвигателей переменного тока
Асинхронные двигатели — наивная простота
Двигатели синхронные: сложное в простом
Принципы работы
Особенности синхронных двигателей
Отличительные черты асинхронных двигателей
Конструкция и устройство двигателя
Краткая история создания
Недостатки электродвигателя
Видео

Типовые схемы пуска синхронных электродвигателей

Подписка на рассылку

На сегодняшний день использование синхронных двигателей получило широкое распространение в сфере производства оборудования, работающего с постоянной скоростью, которое применяется в разных сферах человеческой деятельности. В связи с этим, существует несколько способов запуска синхронных электродвигателей, наиболее распространенные варианты которых будут представлены ниже.

Способы пуска синхронного электродвигателя

Способы пуска синхронного электродвигателя достаточно сложны, в этом заключается один из основных недостатков электродвигателей данного типа. Запуск синхронных электродвигателей осуществляется либо посредством воздействия вспомогательного пускового двигателя, либо с помощью асинхронного пуска. Рассмотрим каждый из способов в отдельности.

Асинхронный пуск синхронного электродвигателя

Асинхронный пуск синхронного электродвигателя предполагает расположение дополнительной короткозамкнутой обмотки в полюсных наконечниках полюсов ротора. Это необходимо, чтобы обеспечить во время пуска вывод чрезмерно большой Э.Д.С., образующейся в обмотке (1), что является возможным благодаря замыканию рубильника (2) на соединение (3). Благодаря тому, что магнитное поле, возникающее в результате включения напряжения трехфазной сети в обмотке статора (4), пересекает короткозамкнутую обмотку (пусковую обмотку), находящуюся в полюсных наконечниках ротора, индуктируются токи.

Действие этих токов в сочетании с вращающимся полем статора, запускают во вращение ротор, который постепенно набирает обороты. Достигнув 95-97% количества оборотов рубильник (2) ротора переходит в состояние, которое вынуждает обмотку ротора включить сеть постоянного напряжения.

Асинхронный пуск синхронного электродвигателя не лишен недостатков, точнее сказать, недостатка, которым является большой пусковой ток, который по значению может превышать в 7 раз рабочий ток. Столь высокое значение пускового тока является причиной падения напряжения в сети, что негативно сказывается на функционировании других потребителей энергии. Одним из наиболее распространенных вариантов решения упомянутого недостатка является использование автотрансформатора для понижения напряжения, а также использование тиристорных возбудителей для пуска синхронных электродвигателей, которые отличаются высоким К.П.Д. Именно высокое значение К.П.Д. во многом определило выбор тиристорных возбудителей в качестве комплектов большей части выпускаемых синхронных электродвигателей крупных размеров. К тому же, применение тиристорных возбудителей позволяет автоматизировать процесс подачи возбуждения синхронному двигателю. Автоматизация может быть реализована 2-мя способами: подача возбуждения синхронному двигателю в функции скорости и подача возбуждения синхронному двигателю в функции тока. При этом контроль подачи возбуждения синхронному двигателю в функции тока осуществляется с помощью реле тока.

На сегодняшний момент именно асинхронный пуск синхронных двигателей получил наибольшее распространение, так как его достаточно просто реализовать, а работает он крайне надежно.

Пуск синхронного двигателя при помощи вспомогательного двигателя

Пуск синхронного двигателя при помощи вспомогательного двигателя предполагает запуск синхронного электродвигателя благодаря работе другого двигателя, работа которого позволяет ротору синхронного двигателя развернуть полюса, осуществляя дальнейшее вращение совершенно самостоятельно. Чтобы запуск произошел, нужно создать условия, при которых количество пар полюсов асинхронного двигателя было бы меньше количества пар полюсов синхронного двигателя. Порядок запуска синхронного двигателя предполагает включение рубильника (3), пуск вспомогательного асинхронного двигателя (2), осуществляющего разворот ротора синхронного двигателя (1) до скорости, которая соответствует скорости поля статора. Далее включаются полюсы ротора после включения рубильника (4). При включении синхронного двигателя в сеть трехфазного тока, требуется синхронизация, осуществляемая реостатом (5). Реостат организует возбуждение, позволяющее установить напряжение обмотки статора, определяемое вольтметром V, равное напряжению в сети, которое указывает вольтметр V1.

При разомкнутом рубильнике лампы (6), расположенные параллельно ножам рубильника (7), буду мигать. По мере того, как будет меняться скорость ращения вспомогательного асинхронного двигателя, лампы будут постепенно начинать мигать все реже, пока все они не погаснут в раз. Это сигнал того, что синхронный двигатель пора включать в сеть трехфазного тока рубильником (7). Так как ротор двигателя далее может вращаться без помощи, то вспомогательный двигатель (2) пора отключать от сети посредством рубильника (3).

Это сложная процедура, являющаяся самым главным недостатком такого варианта асинхронного электродвигателя, что определяет крайне редкие случаи ее практической реализации.

Источник

Разница между синхронным и асинхронным двигателем

Синхронный двигатель

Этот тип двигателя способен работать одновременно и в качестве генератора, и как, собственно, двигатель. Его устройство сродни синхронному генератору. Характерной особенностью двигателя является неизменяемая частота роторного вращения от нагрузки.

Эти виды двигателей широко применяются во многих сферах, например, для электрических проводов, которым необходима постоянная скорость.

Асинхронные и синхронные двигатели: устройство

Электрические двигатели представляют собой агрегаты для преобразования электроэнергии в энергию механическую. Основу конструкции двигателя (как синхронного, так и асинхронного типа) составляют следующие элементы:

Статоры электродвигателей обеих категорий имеют схожий принцип устройства. В специальные пазы (осевые прорези) уложены токонесущие проводки из меди или алюминия. Функцией статора является создание вращающегося магнитного поля. Ротор (с обмоткой возбуждения) закреплен на валу двигателя и вращается под воздействием возникающей электродвижущей силы.

Принцип работы синхронного двигателя

В основу его функционирования положено взаимодействие вращающегося магнитного поля якоря и магнитных полей индукторных полюсов. Обычно якорь находится в статоре, а индуктор распологается в роторе. Для мощных моторов используются электрические магниты для полюсов, а для слабых — постоянные.

Принцип работы синхронного двигателя включает в себя (кратковременно) и асинхронный режим, который обычно применяют для разгона до необходимой (то есть номинальной) скорости вращения. В это время индукторные обмотки замыкаются накоротко или посредством реостата. После достижения необходимой скорости индуктор начинают питать постоянным током.

Что представляет собой синхронный двигатель?

К синхронным принято относить электродвигатели, которые функционируют на переменном токе и имеют ротор с частотой вращения, совпадающей с частотой оборотов магнитного поля в конструкции агрегата.

Ключевые элементы синхронного электродвигателя:

Первый элемент агрегата располагается на статоре. Индуктор размещается на роторе, который отделен от статора воздушной прослойкой. Структура якоря представлена обмоткой (одной или несколькими). Токи, которые подаются в соответствующий элемент двигателя, формируют магнитное поле, вращающееся с заданной частотой и взаимодействующее с полем индуктора. Индуктор включает 2 полюса — в виде постоянных магнитов.

Синхронный агрегат может функционировать в двух режимах:

Первый режим работы предполагает взаимодействие магнитного поля, формирующегося на якоре, и поля, которое образуется на полюсах индуктора. Синхронный двигатель в режиме генератора функционирует за счет электромагнитной индукции: в процессе вращения ротора магнитное поле, которое формируется на обмотке, по очереди взаимодействует с фазами обмотки на статоре, вследствие чего образуется электродвижущая сила.

Асинхронный двигатель

Данный вид устройста представляет механизм, направленный на трансформацию электрической энергии переменного тока в механическую. Из самого названия «асинхронный» можно сделать вывод, что речь идет о неодновременном процессе. И действительно, частота вращения магнитного поля статора здесь выше роторной всегда. Такое устройство состоит из статора цилиндрической формы и ротора, в зависимости от вида которого асинхронные двигатели короткозамкнутые могут быть и с фазным ротором.

Однофазный электродвигатель: устройство и принцип работы

Использующий после пуска только одну обмотку статора (фазу) и не нуждающийся в частном преобразователе электродвигатель, работающий от электросети однофазного переменного тока, является асинхронным или однофазовым.

Однофазовый электродвигатель имеет вращающуюся часть – ротор и неподвижную – статор, который и создает магнитное поле, необходимое для вращения ротора.

Из двух, расположенных в сердечнике статора друг к другу под углом 90 градусов обмоток, рабочая занимает 2/3 пазов. Другая обмотка, на долю которой приходится 1/3 пазов, называется пусковой (вспомогательной).

Ротор – это тоже короткозамкнутая обмотка. Его стержни из алюминия или меди замкнуты с торцов кольцом, а пространство между ними залито алюминиевым сплавом. Может быть выполнен ротор в виде полого ферромагнитного или немагнитного цилиндра.

Однофазный электродвигатель, мощность которого может быть от десятков ватт до десятка киловатт, применяются в бытовых приборах, устанавливаются в деревообрабатывающих станках, на транспортерах, в компрессорах и насосах. Преимущество их – возможность использования в помещениях, где нет трехфазной сети. По конструкции они не сильно отличаются от электродвигателей асинхронных трехфазного тока.

Для того чтобы понять принцип работы электродвигателя переменного тока, поместим изогнутый проводник в равномерном магнитном поле, создаваемом полюсами магнита.

Разница между генераторами переменного и постоянного тока заключается в отсутствии коллектора.

Асинхронные трехфазные электродвигатели являются прямыми энергетическими потребителями трехфазного тока. Такие модели применяются во многих отраслях производства.

На рисунке 2 изображена схема электродвигателя переменного тока. Синхронный генератор имеет такой же статор рис. 1. Питание обмотки статора переменным током происходит от трехфазной сети.

Изменение тока в фазах будет происходить также в фазах генератора. На рис. 2 ротор представлен как цилиндр с пазами, который установлен на медные либо алюминиевые стержни, связанные между собой кольцами на поверхностях ротора с торца.

Ток проходит в замкнутых проводниках. Вращение ротора асинхронного устройства различно от частоты магнитного поля.

Рис. 1 Принцип работы генератора переменного тока.

При одинаковом вращении проводники роторной обмотки перестают пересекать магнитное поле, и тогда исчезает вращающий момент. Потому электродвигатель переменного тока

Рис. 2 Трехфазный асинхронный двигатель

Рис. 3 Схема однофазного электродвигателя

На практике чаще используется понятие скольжения — отношение частоты вращения поля статора к частоте скольжения:

Между частотой вращения ротора и скольжением также имеется связь:

Постоянное переключение батареи равносильно питанию оборудования переменным током. Разница лишь в том, что у такого переменного тока низкая частота, так как за секунду можно 3-5 раз перевернуть батарейку, а у переменного тока направление изменяется 100 раз в секунду.

Если от понижающего трансформатора присоединить два проводника к зажимам прибора с одинаковым с батареей напряжением, то устройство электродвигателя переменного тока будет работать. Однако якорь его будет крутиться несколько медленнее, чем, если бы было питание постоянным током. При переменном токе появляется индуктивное сопротивление обмоток электродвигателя. Прикоснувшись рукой спустя 10-15 мин к его корпусу, можно заметить, что он нагрелся.

А при работе от батареи этого не происходит. При питании переменным током в стенках корпуса и в полюсах появляются потери от перемагничивания переменным потоком и вихревых токов. Для снижения этих потерь, корпус и полюсы однофазной коллекторной модели переменного тока собираются из штампованных листов электротехнической стали, которые изолированы пленкой лака один от другого и скреплены заклепками (рис. 4).

Рис. 4 Статор коллекторного электродвигателя

1 — Катушка; 2 — наконечник полюса; 3 — заклепка.

Коллекторные электродвигатели переменного тока работают только с последовательным возбуждением, и благодаря катушке параллельного возбуждения имели бы огромное индуктивное сопротивление при переменном токе.

Механические качества однофазного устройства подобны качествам двигателя постоянного тока с последовательным возбуждением. Вследствие этого они применяются тогда, когда от прибора требуется большая пусковая и высокая перегрузочная способность.

Применение коллекторных электродвигателей рассчитано на любую частоту вращения, тогда как у асинхронных, питающихся переменным током частотой 50 Гц, имеется максимальная синхронная частота вращения 3000 об/мин. Этот признак делает незаменимыми коллекторные модели для бытовых приборов, в частности для пылесосов. Коллекторные устройства легче асинхронных однофазовых в 2-3 раза.

Такие электродвигатели изготавливаются для низкого напряжения и питаются они от понижающего трансформатора и для напряжения сети 127 или 220 В. Для снижения опасности поражения электрическим током эти приборы используют в движущихся игрушках (электрические железные дороги, подъемные краны).

Электрические двигатели, питаемые от сети переменного тока, используются в пылесосах, швейных машинках, электробритвах и других электробытовых приборах.

Посредством электродвигателя электрическая энергия преобразуется в механическую. Мощность, количество оборотов в минуту, напряжение и тип питания являются основными показателями электродвигателей. Также, большое значение имеют массогабаритные и энергетические показатели.

Электродвигатели обладают большими преимуществами. Так, по сравнению с тепловыми двигателями сопоставимой мощности, по размеру электрические двигатели намного компактнее. Они прекрасно подходят для установки на небольших площадках, например в оборудовании трамваев, электровозов и на станках различного назначения.

При их использовании не выделяется пар и продукты распада, что обеспечивает экологическую чистоту. Электродвигатели делятся на двигатели постоянного и переменного тока, шаговые электродвигатели, серводвигатели и линейные.

Электродвигатели переменного тока, в свою очередь, подразделяются на синхронные и асинхронные.

Синхронный и асинхронный двигатель: отличия

Отличие работы двигателей — в роторе. У синхронного типа он заключается в постоянном или электрическом магните. Благодаря притягиванию разноименных полюсов вращающееся поле статора влечет и магнитный ротор. Их скорость получается одинаковой. Отсюда и название — синхронный.

В нем можно добиться, в отличие от асинхронного, даже опережения напряжения по фазам. Тогда устройство, подобно батареям конденсатора, может применяться для увеличения мощности.

Асинхронные двигатели, в свою очередь, просты и надежны, но их недостатком является трудность регулировки частоты вращения. Для реверсирования трехфазного асинхронного двигателя (то есть изменения направления его вращения в противоположную сторону) меняют расположение двух фаз или двух линейных проводов, приближающихся к обмотке статора.

Если рассматривать частоту вращения, то имеют и здесь синхронный и асинхронный двигатель отличия. В синхронном типе этот показатель является постоянным, в отличие от асинхронного. Поэтому первый используют там, где необходима постоянная скорость и полная управляемость, например, в насосах, вентиляторах и компрессорах.

Выявить на том или ином устройстве наличие рассматриваемых типов приборов очень просто. На асинхронном двигателе будет не круглое число оборотов (например, девятьсот тридцать в минуту), в то время как на синхронном — круглое (например, тысяча оборотов в минуту).

И те, и другие моторы управляются достаточно сложно. Синхронный тип имеет жесткую характеристику механики: при любой меняющейся нагрузке на вал мотора частота вращения будет одной и той же. При этом нагрузка, конечно, должна меняться с учетом того, чтобы двигатель способен ее выдержать, иначе это приведет к поломке механизма.

Так устроен синхронный и асинхронный двигатель. Отличия обоих видов обуславливают сферу их использования, когда один вид справляется с задачей оптимальным образом, для другого это будет проблематичным. В то же время можно встретить и комбинированные механизмы.

Чем асинхронные двигатели отличаются от синхронных

В данной статье рассмотрим принципиальные отличия синхронных электродвигателей от асинхронных, чтобы каждый читающий эти строки мог бы эти различия четко понимать.
Асинхронные электродвигатели более широко распространены сегодня, однако в некоторых ситуациях синхронные двигатели оказываются более подходящими, более эффективными для решения конкретных промышленных и производственных задач, об этом будет рассказано далее.

Прежде всего давайте вспомним, что же вообще такое электродвигатель. Электродвигателем называется электрическая машина, предназначенная для преобразования электрической энергии в механическую энергию вращения ротора, и служащая в качестве привода для какого-нибудь механизма, например для приведения в действие подъемного крана или насоса.

Еще в школе всем рассказывали и показывали, как два магнита отталкиваются одноименными полюсами, а разноименными — притягиваются. Это постоянные магниты. Но существуют и переменные магниты. Каждый помнит рисунок с проводящей рамкой, расположенной между полюсами подковообразного постоянного магнита.

Горизонтально расположенная рамка, если по ней пустить постоянный ток, станет поворачиваться в магнитном поле постоянного магнита под действием пары сил (Сила Ампера), пока не будет достигнуто равновесие в вертикальном положении.

Если затем по рамке пустить постоянный ток противоположного направления, то рамка повернется дальше. В результате такого попеременного питания рамки постоянным током то одного, то другого направления, достигается непрерывное вращение рамки. Рамка здесь представляет собой аналог переменного магнита.

Приведенный пример с вращающейся рамкой в простейшей форме демонстрирует принцип работы синхронного электродвигателя. У любого синхронного электродвигателя на роторе есть обмотки возбуждения, на которые подается постоянный ток, формирующий магнитное поле ротора. Статор же синхронного электродвигателя содержит обмотку статора, для формирования магнитного поля статора.

При подаче на обмотку статора переменного тока, ротор придет во вращение с частотой, соответствующей частоте тока в обмотке статора. Частота вращения ротора будет синхронна частоте тока обмотки статора, поэтому такой электродвигатель называется синхронным. Магнитное поле ротора создается током, а не индуцируется полем статора, поэтому синхронный двигатель способен держать синхронные номинальные обороты независимо от мощности нагрузки, разумеется, в разумных пределах.

Асинхронный электродвигатель в свою очередь отличается от синхронного. Если вспомнить рисунок в рамкой, и рамку просто накоротко замкнуть, то при вращении магнита вокруг рамки, индуцируемый в рамке ток создаст магнитное поле рамки, и рамка будет стремиться догнать магнит.

Частота вращения рамки под механической нагрузкой будет всегда меньше частоты вращения магнита, и частота не будет поэтому синхронной. Этот простой пример демонстрирует принцип действия асинхронного электродвигателя.

В асинхронном электродвигателе вращающееся магнитное поле формируется переменным током обмотки статора, расположенной в его пазах. Ротор типичного асинхронного двигателя обмоток как таковых не имеет, вместо этого на нем расположены накоротко соединенные стержни (ротор типа «беличья клетка»), такой ротор называется короткозамкнутым ротором. Бывают еще асинхронные двигатели с фазным ротором, там ротор содержит обмотки, сопротивление и ток в которых можно регулировать реостатом.

Итак, в чем же принципиальное отличие асинхронного электродвигателя от синхронного? С виду внешне они похожи, порой даже специалист не отличит по внешним признакам синхронный электродвигатель от асинхронного. Главное же отличие заключается в устройстве роторов. Ротор асинхронного электродвигателя не питается током, а полюса на нем индуцирутся магнитным полем статора.

Ротор синхронного двигателя имеет обмотку возбуждения с независимым питанием. Статоры синхронного и асинхронного двигателя устроены одинаково, функция в каждом случае одна и та же — создание вращающегося магнитного поля статора.

Обороты асинхронного двигателя под нагрузкой всегда на величину скольжения отстают от вращения магнитного поля статора, в то время как обороты синхронного двигателя равны по частоте «оборотам» магнитного поля статора, поэтому если обороты должны быть постоянными при различных нагрузках, предпочтительней выбирать синхронный двигатель, например в приводе гильотинных ножниц лучше всего справится со своей задачей мощный синхронный двигатель.

Область применения асинхронных двигателей сегодня очень широка. Это всевозможные станки, транспортеры, вентиляторы, насосы, — все то оборудование, где нагрузка сравнительно стабильна, или снижение оборотов под нагрузкой не критично для рабочего процесса.

Некоторые компрессоры и насосы требуют постоянной частоты вращения при любой нагрузке, на такое оборудование ставят синхронные электродвигатели.

В чем ключевое отличие синхронного двигателя от асинхронного

Главное отличие синхронного от асинхронного двигателя заключается в устройстве ротора.

Роторы синхронных двигателей представляют собой постоянные или электрические магниты. Постоянное магнитное поле, создаваемое ими, взаимодействует с вращающимся магнитным полем статора.

В случае с асинхронным двигателем (который также называют индукционным) в пазы ротора вставляются короткозамкнутые металлические пластины. Кроме короткозамкнутой разновидности, применяются также фазные роторы, снабженные контактными кольцами, которые после разбега замыкаются накоротко.

В результате соотношение частоты оборотов двигателя, находящегося под нагрузкой, с частотой вращения, которая присуща магнитному полю статора, для разных типов двигателя следующее:

На основе понимания того, чем отличается асинхронный двигатель от синхронного, можно сформулировать главные преимущества и недостатки этих двигателей.

Источник

Чем отличается синхронный электродвигатель от асинхронного?

Способы возбуждения синхронных генераторов

В синхронных генераторах получила применение также бесконтактная система электромагнитного возбуждения, при которой синхронный генератор не имеет контактных колец на роторе. В качестве возбудителя в этом случае применяют обращенный синхронный генератор переменного тока В (рис. 1.3, б). Трехфазная обмотка 2 возбудителя, в которой наводится переменная ЭДС, расположена на роторе и вращается вместе с обмоткой возбуждения синхронного генератора и их электрическое соединение осуществляется через вращающийся выпрямитель 3 непосредственно, без контактных колец и щёток. Питание постоянным током обмотки возбуждения 1 возбудителя В осуществляется от подвозбудителя ПВ – генератора постоянного
тока. Отсутствие скользящих контактов в цепи возбуждения синхронного генератора позволяет повысить её эксплуатационную надёжность и увеличить КПД.

В синхронных генераторах, в этом числе гидрогенераторах, получил распространение принцип самовозбуждения (рис. 1.4, а), когда
энергия переменного тока, необходимая для возбуждения, отбирается от обмотки статора синхронного генератора и через понижающий
трансформатор и выпрямительный полупроводниковый преобразователь ПП преобразуется в энергию постоянного тока. Принцип самовозбуждения основан на том, что первоначальное возбуждение генератора происходит за счёт остаточного магнетизма машины.

На рис. 1.4, б представлена структурная схема автоматической системы самовозбуждения синхронного генератора (СГ) с выпрямительным трансформатором (ВТ) и тиристорным преобразователем (ТП), через которые электроэнергия переменного тока из цепи статора СГ после преобразования в постоянный ток подаётся в обмотку возбуждения. Управление тиристорным преобразователем осуществляется посредством автоматического регулятора возбуждения АРВ, на вход которого поступают сигналы напряжения на входе СГ (через трансформатор напряжения ТН) и тока нагрузки СГ (от трансформатора тока ТТ). Схема содержит блок защиты (БЗ), обеспечивающий защиту обмотки возбуждения (ОВ) от перенапряжения и токовой перегрузки.

Мощность, затрачиваемая на возбуждение, обычно составляет от 0,2 до 5 % полезной мощности (меньшее значение относится к генераторам большой мощности).
В генераторах малой мощности находит применение принцип возбуждения постоянными магнитами, расположенными на роторе машины. Такой способ возбуждения даёт возможность избавить генератор от обмотки возбуждения. В результате конструкция генератора существенно упрощается, становится более экономичной и надёжной. Однако, из-за высокой стоимости материалов для изготовления постоянных магнитов с большим запасом магнитной энергии и сложности их обработки применение возбуждения постоянными магнитами ограничено машинами мощностью не более нескольких киловатт.

Синхронные генераторы составляют основу электроэнергетики, так как практически вся электроэнергия во всём мире вырабатывается посредством синхронных турбо- или гидрогенераторов.

Так же синхронные генераторы находят широкое применение в составе стационарных и передвижных электроустановок или станций в комплекте с дизельными и бензиновыми двигателями.

Запуск электродвигателей

Асинхронные электрические машины мощностью до 30-50кВт запускаются прямой подачей электроэнергии. С двигателями большой мощности и синхронными машинами дело обстоит сложнее.

Пуск асинхронных двигателей большой мощности

Для запуска таких машин используются разные способы:

Пуск синхронных электромашин

В отличие от асинхронных машин, пуск которых производится взаимодействием поля статора и обмоток или беличьей клетки ротора, синхронную машину необходимо предварительно разогнать до скорости, близкой к синхронной.

Синхронный и асинхронный двигатель: отличия

Принципы работы

Все электродвигатели имеют неподвижный статор и вращающийся ротор. Разница между асинхронным и синхронным двигателями состоит в принципах создания полюсов. В асинхронном электродвигателе они создаются явлением индукции. Во всех других электродвигателях используются постоянные магниты или катушки с током, создающие магнитное поле.

Особенности синхронных двигателей

Ведущие агрегаты синхронной машины — якорь и индуктор
. Якорем является статор, а индуктор располагается на роторе. Под действием переменного тока в якоре образуется вращающееся магнитное поле. Оно сцепляется с магнитным полем индуктора, образованным полюсами постоянных магнитов или катушек с постоянным током. В результате этого взаимодействия энергия электричества преобразуется в кинетическую энергию вращения.

Ротор синхронной машины имеет частоту вращения такую же, как у поля статора. Достоинства синхронных электродвигателей:

Синхронные машины широко используются как электродвигатели большой мощности для небольшой скорости вращения и постоянной нагрузки. Генераторы применяются там, где требуется автономный источник питания.

Имеются у синхронной машины и недостатки:

Современные синхронные агрегаты содержат в индукторе дополнительно к обмотке, питаемой постоянным током, ещё и пусковую короткозамкнутую обмотку, которая предназначена для пуска в асинхронном режиме.

Отличительные черты асинхронных двигателей

Вращающееся магнитное поле статора асинхронного двигателя наводит индукционные токи в роторе, которые образуют собственное магнитное поле. Взаимодействие полей приводит ротор во вращение. Частота вращения ротора при этом отстаёт от частоты вращения магнитного поля. Именно это свойство отражено в названии двигателя.

Асинхронные электродвигатели бывают двух типов:
с короткозамкнутым и с фазным ротором.

Бытовые приборы, такие как вентилятор или пылесос, обычно снабжены двигателями с короткозамкнутым ротором, который представляет собой «беличье колесо». Все стержни замыкаются приваренными с обеих сторон дисками. Взаимодействие магнитного поля статора с наведёнными токами в роторе образовывает электромагнитную силу, которая действует на ротор в направлении вращения поля статора. Крутящий момент на валу электродвигателя создаётся всеми электромагнитными силами от каждого проводника.

В электродвигателе с фазным ротором применяется тот же статор, что и для мотора с короткозамкнутым ротором. А в ротор добавляются обмотки трёх фаз, соединённые в «звезду». К ним можно при пуске двигателя подключать реостаты, регулирующие пусковые токи. С помощью реостатов можно регулировать и частоту вращения двигателя.

Достоинствами асинхронных двигателей можно назвать:

Серьёзные недостатки
— сложная регулировка частоты вращения и большие теплопотери. Для предотвращения перегрева корпус агрегата делается ребристым, и на вал электродвигателя устанавливается крыльчатка для охлаждения.

Устройство и принцип работы

Основная движущая сила любого электрического двигателя – электромагнитная индукция. Электромагнитная индукция, если описать ее в двух словах – это появление силы тока в проводнике, помещенном в переменное магнитное поле. Источником переменного магнитного поля является неподвижный корпус двигателя с размещенными на нем обмотками – статор, подключенный к источнику переменного тока. В нем расположен подвижный элемент – ротор, в котором и возникает ток. По закону Ампера на заряженный проводник, помещенный в магнитное поле, начинает действовать электродвижущая сила – ЭДС, которая вращает вал ротора. Таким образом, электрическая энергия, которая подается на статор, превращается в механическую энергию ротора. К вращающемуся валу можно подключать различные механизмы, выполняющие полезную работу.

Электродвигатели переменного тока делятся на синхронные и асинхронные. Разница между ними в том, что в первых ротор и магнитное поле статора вращаются с одной скоростью, а во вторых ротор вращается медленнее, чем магнитное поле. Отличаются они и по устройству, и по принципу работы.

Асинхронный двигатель

На статоре асинхронного двигателя закреплены обмотки, создающие переменное вращающееся магнитное поле, концы которой выводятся на клеммную коробку. Поскольку при работе двигатель нагревается, на его валу устанавливается вентилятор системы охлаждения.

Ротор асинхронного двигателя выполнен с валом как одно целое. Он представляет собой металлические стержни, замкнутые между собой с двух сторон, из-за чего такой ротор еще именуется короткозамкнутым. Своим видом он напоминает клетку, поэтому его часто называют «беличьим колесом» Более медленное вращение ротора в сравнении с вращением магнитного поля – результат потери мощности при трении подшипников. Кстати, если бы не было этой разницы в скорости, ЭДС бы не возникала, а без нее не было бы и тока в роторе и самого вращения.

Магнитное поле вращается за счет постоянной смены полюсов. При этом соответственно меняется направление тока в обмотках. Скорость вращения вала асинхронного двигателя зависит от числа полюсов магнитного поля.

Синхронный двигатель

Устройство синхронного двигателя

Устройство синхронного электродвигателя немного отличается. Как понятно из названия, в этом двигателе ротор вращается с одной скоростью с магнитным полем. Он состоит из корпуса с закрепленными на нем обмотками и ротора или якоря, снабженного такими же обмотками. Концы обмоток выводятся и закрепляются на коллекторе. На коллектор или токосъемное кольцо подается напряжение посредством графитовых щеток. При этом концы обмоток размещены таким образом, что одновременно напряжение может подаваться только на одну пару.

В отличие от асинхронных на ротор синхронных двигателей напряжение подается щетками, заряжая его обмотки, а не индуцируется переменным магнитным полем. Направление тока в обмотках ротора меняется параллельно с изменением направления магнитного поля, поэтому выходной вал всегда вращается в одну сторону. Синхронные электродвигатели позволяют регулировать скорость вращения вала путем изменения значения напряжения. На практике для этого обычно используются реостаты.

Что представляет собой синхронный двигатель?

К синхронным
принято относить электродвигатели, которые функционируют на переменном токе и имеют ротор с частотой вращения, совпадающей с частотой оборотов магнитного поля в конструкции агрегата.

Ключевые элементы синхронного электродвигателя:

Синхронный агрегат может функционировать в двух режимах:

Объяснение принципа работы синхронного электродвигателя для «чайников»

С детства мы помним, что два магнита, если их приблизить друг к другу, в одном случае притягиваются, а в другом отталкиваются. Происходит это, в зависимости от того, что какими сторонами магнитов мы их соединяем, разноимённые полюса притягиваются, а одноимённые отталкиваются. Это – постоянные магниты, у которых магнитное поле присутствует постоянно. Существуют и переменные магниты.

В школьном учебнике по физике есть рисунок, где изображён электромагнит в виде подковы и рамка с полукольцами на концах, которая расположена между его полюсами.

При расположении рамки в горизонтальном положении в пространстве между полюсами магнитов, из-за того, что магнит притягивает разноимённые полюса и отталкивает одноимённые, на рамку подаётся ток, одинакового знака. Вокруг рамки появляется электромагнитное поле (вот пример переменного магнита!), полюса магнитов притягивают рамку, и она поворачивается в вертикальное положение. При достижении вертикали, на рамку подаётся ток противоположного знака, электромагнитное поле рамки меняет полюсность, и полюса постоянного магнита начинают отталкивать рамку, вращая её до горизонтального положения, после чего цикл вращения повторяется.

В этом заключается принцип работы электродвигателя. Причём, примитивного синхронного электродвигателя!

Итак, примитивный синхронный электродвигатель работает, когда на рамку подаётся ток. У настоящего синхронного электродвигателя, роль рамки выполняет ротор с катушками проводов, называемых обмотками, на которые подаётся ток (они служат источниками электромагнитного поля). А роль подковообразного магнита выполняет статор, изготовленный либо из набора постоянных магнитов, либо тоже из катушек проводов (обмоток), которые, при подаче тока являются также источниками электромагнитного поля.

Ротор синхронного электродвигателя будет вращаться с такой же частотой, с какой меняется ток, подаваемый на клеммы обмотки, т.е. синхронно. Отсюда название этого электродвигателя.

Два вида электродвигателей переменного тока

Асинхронные двигатели — наивная простота

Ротор то догоняет волну, то слегка отстает, потому что синхронно с ней бежать просто не может. Такое явление назвали «скольжением», догнав бегущее магнитное поле, ротор с беличьей клеткой теряет магнитную индукцию и дальше некоторое время просто скользит по инерции. А когда трение или нагрузка вынуждают его отстать от бегущего поля, он опять «почувствует» в себе изменения силовых линий обгоняющего его поля и снова обретет индукцию, а вместе с этим и силы двигаться.

То есть, ротор слегка проскальзывает: то догоняет бегущее равномерно по кругу магнитное поле, то «забывает, зачем бежал» и слегка приотстает, то снова «спохватывается» и опять стремится догнать. Постепенно эти отклонения стабилизируются — в зависимости от трения в подшипниках и величины нагрузки на вал — и асинхронный двигатель начинает работать просто со скоростью вращения, чуть меньшей частоты напряжения на статоре. Эта разница частот и называется частотой скольжения.

Двигатели синхронные: сложное в простом

Для того, чтобы ротор был связан с бегущей волной магнитного поля катушек статора жестким образом, придумали электродвигатель синхронный. А проблема решается просто. В роторе вместо изменяющегося магнитного поля от короткозамкнутых токов беличьей клетки нужно использовать постоянные магниты и их магнитное поле.

Вариантов два. Или это поле от постоянного магнита, закрепленного в роторе, или это поле от электромагнитов, установленных в роторе вместо такого магнита.

Обычный магнит, конечно, проще. Но тогда для стандартного функционирования таких электромоторов нужно, чтобы на них на всех — а используются тысячи электромоторов — магниты были строго одинаковы. Иначе параметры движения будут разными, а магниты еще имеют свойство размагничиваться.

Электромагнит, установленный в роторе двигателя, легче заставить вырабатывать поле нужного качества, но требуется электрический ток для его работы. Такой ток, который называется током возбуждения, в свою очередь нужно где-то брать и как-то на ротор подавать.

1 – ротор, 2 – коллектор возбуждения

Отсюда и происходит некоторое разнообразие конструкций синхронных двигателей. Но важнее всего то, что синхронные двигатели крутят свой вал строго синхронно частоте бегающего по кругу поля катушек статора, то есть скорость их вращения точно равна — или кратна (если обмоток статора больше трех) — частоте переменного тока в питающей сети.

Однако кроме всего прочего, синхронный двигатель обладает свойством полной обратимости. Потому что синхронный электродвигатель — это тот же самый генератор электрического тока, но работающий «в обратную сторону». В генераторе некоторая механическая сила вращает вал с ротором, и от этого в обмотках статора возникает наведенное электрическое напряжение от вращающегося магнитного поля ротора. А отличие синхронного двигателя от генератора в том, что напряжение в катушках статора порождает бегающее по кругу магнитное поле, которое, взаимодействуя с постоянным магнитным полем ротора, толкает его, чтобы ротор тоже вращался.

Только если в генераторе вращению ротора можно механически придать любую скорость, и от этого будет изменяться частота переменного тока, им генерируемого, то в синхронном двигателе такой роскоши нет. Синхронный двигатель вращается со скоростью изменения напряжения в сети, а оно у нас выдерживается строго в 50 герц.

Принципы работы

Особенности синхронных двигателей

Ведущие агрегаты синхронной машины — якорь и индуктор. Якорем является статор, а индуктор располагается на роторе. Под действием переменного тока в якоре образуется вращающееся магнитное поле. Оно сцепляется с магнитным полем индуктора, образованным полюсами постоянных магнитов или катушек с постоянным током. В результате этого взаимодействия энергия электричества преобразуется в кинетическую энергию вращения.

Ротор синхронной машины имеет частоту вращения такую же, как у поля статора. Достоинства синхронных электродвигателей:

Имеются у синхронной машины и недостатки:

Отличительные черты асинхронных двигателей

Асинхронные электродвигатели бывают двух типов: с короткозамкнутым и с фазным ротором.

Достоинствами асинхронных двигателей можно назвать:

Серьёзные недостатки — сложная регулировка частоты вращения и большие теплопотери. Для предотвращения перегрева корпус агрегата делается ребристым, и на вал электродвигателя устанавливается крыльчатка для охлаждения.

Конструкция и устройство двигателя

Техническая инфраструктура формируется двумя сегментами — непосредственно механикой и управляющим комплексом. С точки зрения конструкционного устройства агрегат во многом похож на традиционное наполнение электромеханических роторных двигателей. Соответственно, в состав электромотора входят ротор, статор и обмотка. Причем статор представляет собой набор из отдельных изолированных листов, выполненных из стального сплава. В процессе работы они способствуют понижению вихревых токов. В нем как раз и находится обмотка, которая может иметь разное количество фаз. Начинка элемента образована стальным сердечником, а обмотка представляет собой медные волокна. Для защиты применяется корпус, на поверхности которого также предусматриваются средства физического крепления.

Что касается ротора, то он сформирован постоянными магнитами. В зависимости от модификации, он может иметь до шестнадцати пар чередующихся полюсов. Прежде для изготовления роторов применялись ферритовые магниты, что было обусловлено их ценовой доступностью. Сегодня же на первый план выходят эксплуатационные характеристики вентильного двигателя — в частности крутящий момент, который варьируется от 1 до 70 Нм. Пропускная же частота в среднем находится в пределах 2-4 тыс. оборотов. Для достижения таких показателей требуется магнит с высокой степенью индукции, поэтому производители перешли на использование редкоземельных сплавов. Такие магниты не просто дают более высокую производительность, но и обладают меньшими размерами. Отчасти и этот переход способствовал оптимизации габаритов вентильного электродвигателя. Отдельно стоит рассмотреть компоненты управляющего сегмента.

Краткая история создания

Впервые возможность превратить электричество в механическую энергию открыл британский ученый М.Фарадей еще в 1821 году. Его опыт с проводом, помещенным в ванну с ртутью, оснащенной магнитом, показал, что при подключении провода к источнику электроэнергии он начинает вращаться. Этот нехитрый опыт наверняка многие помнят по школе, правда, ртуть там заменяется безопасным рассолом. Следующим шагом в изучении этого феномена было создание униполярного двигателя – колеса Барлоу. Никакого полезного применения он так и не нашел, зато наглядно демонстрировал поведение заряженного проводника в магнитном поле.

На заре истории электродвигателей ученые пытались создать модель с сердечником, двигающимся в магнитном поле не по кругу, а возвратно-поступательно. Такой вариант был предложен, как альтернатива поршневым двигателям. Электродвигатель в привычном для нас виде впервые был создан в 1834 году русским ученым Б.С. Якоби. Именно он предложил идею использования вращающегося в магнитном поле якоря, и даже создал первый рабочий образец.

Первый асинхронный двигатель, в основе работы которого заложено вращающееся магнитное поле, появился в 1870 году. Авторами эффекта вращающегося магнитного поля независимо друг от друга стали два ученых: Г.Феррарис и Н. Тесла. Последнему принадлежит также идея создания бесколлекторного электродвигателя. По его чертежам были построены несколько электростанций с применением двухфазных двигателей переменного тока. Следующей более удачной разработкой оказался трехфазный двигатель, предложенный М.О. Доливо-Добровольским. Его первая действующая модель была запущена в 1888 году, после чего последовал ряд более совершенных двигателей. Этот русский ученый не только описал принцип действия трехфазного электродвигателя, но и изучал различные типы соединений фаз (треугольник и звезда), возможность использование разных напряжений тока. Именно он изобрел пусковые реостаты, трехфазные трансформаторы, разработал схемы подключения двигателей и генераторов.

Специалисты отмечают два основных минуса таких электродвигателей. В первую очередь это сложность конструкции. Не механической части, а именно электронной основы, которая обеспечивает управление мотором. Применение микропроцессоров, датчиков, инверторов и сопутствующей электротехнической фурнитуры требует соответствующего подхода к обеспечению надежности работы компонентов системы. Таким образом, повышается и стоимость обслуживания техники. Вместе с этим, отмечается и дороговизна магнитов, на которых базируется вентильный двигатель даже в простых однофазных исполнениях. На практике пользователи стараются заменять недешевые элементы и расходники, вместе с этим упрощая и систему управления. Но такие меры сами по себе требуют определенных ресурсов, не говоря о том, что снижается эффективность двигателя.

Источник

Видео

Синхронный и асинхронный двигатели. Отличия двигателей

Асинхронные и Синхронные двигатели и генераторы. Мощный #энерголикбез ПЕРСПЕКТИВЫ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ

Чем отличается асинхронный электро двигатель от синхронного, как устроен электро двигатель

Как подключить асинхронный двигатель на правое или левое вращение?

Изменение направления вращения однофазного асинхронного двигателя.

Разборка советского электродвигателя. Ускоренная версия.

Как работают ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ переменного тока? АСИНХРОННЫЙ и СИНХРОННЫЙ. Понятное объяснение!

Как изменить направление вращения трехфазного асинхронного двигателя?

Синхронный двигатель. Устройство, принцип работы, подключение, применение

Замена инверторного компрессора LG на обычный асинхронный компрессор.

устройство, принцип работы, режимы работы, пуск

Синхронные электродвигатели (СД) не так распространены, как асинхронные с короткозамкнутым ротором. Но используются там, где нужен большой крутящий момент и в процессе работы будут происходить частые перегрузки. Также такой тип двигателей используются там, где нужна большая мощность, чтобы приводить в движение механизмы, благодаря высокому коэффициенту мощности и возможности улучшать коэффициент мощности сети, что существенно снизит затраты на электроэнергию и нагрузку на линии. Что такое синхронный двигатель, где он используется и какие у него плюсы минусы мы рассмотрим в этой статье.

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 1).

Рис. 1. 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.

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.

Рис. 2. 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 3).

Рис. 3. 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 4) в соответствии с ГОСТ 2.722-68.

Рис. 4. Схематическое обозначение синхронного электродвигателя

Пуск синхронного двигателя

Особенностью этого вида электрических машин является то, что его нельзя просто подключить к сети и ожидать его запуска. Кроме того, что для работы СД нужен не только источник тока возбуждения, у него и достаточно сложная схема пуска.

Запуск происходит как у асинхронного двигателя, а для создания пускового момента кроме обмотки возбуждения на роторе размещают и дополнительную короткозамкнутую обмотку «беличью клетку». Её еще называют «демпфирующей» обмоткой, потому что она повышает устойчивость при резких перегрузках.

Ток возбуждения в обмотке ротора при пуске отсутствует, а когда он разгоняется до подсинхронной скорости (на 3-5% меньше синхронной), подаётся ток возбуждения, после чего он и ток статора совершает колебания, двигатель входит в синхронизм и выходит на рабочий режим.

Для ограничения пусковых токов мощных машин иногда уменьшают напряжение на зажимах обмоток статора, подключив последовательно автотрансформатор или резисторы.

Пока синхронная машина запускается в асинхронном режиме к обмотке возбуждения подключаются резисторы, сопротивление которых превышает сопротивление самой обмотки в 5 — 10 раз. Это нужно чтобы пульсирующий магнитный поток, возникающий под действием токов, наводимых в обмотке при пуске, не замедлял разгон, а также чтобы не повредить обмотки из-за индуцируемыми в ней ЭДС.

Отличие от асинхронного двигателя

Основным отличием синхронного электродвигателя от асинхронного заключается в принципе преобразования электрической энергии в механическое вращение. У синхронного электродвигателя процесс вращения ротора идентичен вращению рабочего электромагнитного поля, вырабатываемого трехфазной сетью. А вот у асинхронного рабочее поле самостоятельно наводит ЭДС в роторе, которая уже затем вырабатывает собственный поток взаимоиндукции и приводит вал во вращение. В результате чего асинхронные электрические машины получают разность во вращении рабочего поля и нагрузки на валу, что выражается физической величиной – скольжением.

В работе классические модели асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором:

плохо переносят перегрузки;
имеют сложности пуска со значительным усилием;
меняют скорость вращения, в зависимости от нагруженности рабочего органа.

В некоторой степени эти недостатки преодолевает асинхронный двигатель с фазным ротором, но в полной мере избавиться от недостатков получается лишь синхронному агрегату.

Рис. 5. Отличие асинхронного от синхронного электродвигателя

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 6).

Рис. 6. 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 7). Под воздействием силового поля поперечные и продольные составляющие в роторе не равны за счет чего пластины поворачиваются вслед за полем.

Рис. 7. 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).

Механическая и угловая характеристика

В силу особенностей, присущих синхронному двигателю, значение его момента не зависит от оборотов вращения. Это свойство привода определяет его назначение и сферу применения. Технические качества приводного оборудования для конфигурирования электропривода оцениваются зависимостью частоты вращения мотора от электромагнитного момента, развиваемого им. Эта зависимость известна как механическая характеристика синхронного двигателя. Она может быть статической или динамической. Первая показывает поведение СД в стабильном рабочем режиме. Вторая характеризует его работу в переходный период.

Качество механических характеристик оценивается жесткостью. Относительно этого параметра все характеристики делятся на идеально жесткие, жесткие и мягкие. В связи с тем, что частота вращения ротора синхронного двигателя под нагрузкой не меняется, этот тип электромоторов обладает идеально жесткой характеристикой, что выражается формулой:

n = 60*f1/p,

где f1

– частота тока статора;

p –

число пар полюсов статорной обмотки.

Но зависимость n = f (M)

не отражает полного поведения мотора, в котором при увеличении нагрузки происходит смещение осей поля индуктора и якоря. Каждой нагрузке соответствует определенный угол между их осями. Уравнение угловой характеристики:

Mэм = Mmax*sin θ

Это формула, выражает приблизительную зависимость момента на валу от угла вылета ротора. В реальных условиях максимальному моменту соответствует угол, несколько меньший, чем 90˚. При этом перегрузочная способность СД равна: λм = Мmax/MN = 2–3.

Режимы работы

Большинство электрических машин обладают обратимой функцией, не составляют исключения и синхронные агрегаты. Их также можно использовать в качестве электрического привода или в качестве генератора, вырабатывающего электроэнергию. Оба режима отличаются способом воздействия на электрическую машину – подачу напряжения на рабочие обмотки или приведение в движение ротора за счет механического усилия.

Генераторный режим

Для производства электроэнергии в сеть используются именно синхронные генераторы. В большинстве случаев для этой цели используются электрические машины с фазными обмотками на статоре, что существенно упрощает процесс съема мощности и дальнейшей передачи ее в сеть. Физически генерация происходит при воздействии электромагнитного поля обмотки возбуждения синхронного генератора с обмотками статора. Силовые линии поочередно пересекают фазные витки и наводят в них ЭДС взаимоиндукции, в результате чего на клеммных выводах возникает напряжение.

Частота получаемого напряжения напрямую зависит от скорости вращения вала и вычисляется по формуле:

f = (n*p)/60 ,

где n – скорость вращения вала, измеряемая в оборотах за минуту, p – количество пар полюсов.

Синхронный компенсатор

В виду физических особенностей синхронного электродвигателя при холостом ходе аппарата он потребляет из сети реактивную мощность, что позволяет существенно улучшить cosφ системы, практически приближая его к 1.На практике режим синхронного компенсатора используется как для улучшения коэффициента мощности, так и для стабилизации параметров напряжения сети.

Двигательный режим

В синхронной машине двигательный режим осуществляется при подаче рабочего трехфазного напряжения на обмотки якоря. После чего электромагнитное поле якоря начинает толкать магнитное поле ротора, и вал приходит во вращение. Однако на практике двигательный режим осуществляется не так просто, так как мощные агрегаты не могут самостоятельно набрать необходимый ресурс скорости. Поэтому во время запуска используют специальные методы и схемы подключения.

Рабочий процесс

Синхронный двигатель это электротехническое устройство, работающее на основе закона электромагнитной индукции. Принцип работы и устройство СД предусмотрены из условия практического применения этого физического явления. Магнитное поле создается трехфазной обмоткой, размещенной в пазах статорного пакета аналогично цепи асинхронной машины. На роторе размещена обмотка возбуждения, питаемая постоянным током. Питание к ней подводится через щетки и кольца. Постоянный ток, протекающий по возбуждающей обмотке, взаимодействует с вращающимся полем индуктора, что вызывает круговое движение вала. Вращающий момент зависит от токовой нагрузки и не зависит от скорости. Вот почему этот тип привода называется синхронный электродвигатель, то есть частота оборотов якоря равна скорости поля индуктора.

После запуска синхронный двигатель переменного тока вращается одновременно с магнитным потоком. СД не может запускаться с помощью только питающей сети. Это объясняется инерционностью роторного блока и высокой скоростью вращающегося поля. Схема включения маломощной машины предусматривает использование пусковых (демпферных) обмоток, с которыми она работает как синхронный двигатель с короткозамкнутым ротором (то есть реализуется асинхронный пуск). В случае мощных электроприводов пуск производится вспомогательным электромотором или преобразователем частоты.

Наибольшее распространение получил асинхронный пуск, предусматривающий устройство дополнительной КЗ-обмотки. В этом случае синхронный двигатель с короткозамкнутым ротором запускается аналогично асинхронному эл/двигателю. Вследствие таких действий роторный механизм разгоняется до скорости вращающегося магнитного потока. Если синхронный электродвигатель нагружается, расстояние между полюсами якоря и поля увеличивается. Как результат, якорный механизм отстает на нагрузочный угол, что соответствует отставанию от своего положения на холостом ходу.

Устройство и принцип действия синхронного двигателя предусматривают эксплуатацию привода с постоянной скоростью, которая не зависит от нагрузки. СД не рассчитан на нагрузку, величина которой превышает пусковую мощность между роторным механизмом и магнитным потоком. В противном случае синхронизм прерывается, и работа синхронного двигателя останавливается.

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.

Рис. 8. 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.

Рис. 9. Генераторный способ пуска синхронного двигателя

Как видите на рисунке 9, 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 10 приведен способ тиристорного преобразователя и с установкой вращающихся выпрямителей.

Рис. 10. 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. a b c Готтлиб, Ирвинг М. (1997). Практическое руководство по электродвигателю, 2-е изд . США: Ньюнес. С. 73–76. ISBN 978-0-7506-3638-4.

Майкл А. Лоутон (2003), «19.2.5 Нежелание моторс», инженер —электрик в справочник
, Newnes, стр. 19/8, ISBN 978-0-7506-4637-6

Mehri, Darius (18 сентября 2000). «Ремни подъемные характеристики» . DesignNews.com
. Архивировано из оригинального 29 июня 2013 года . Дата обращения 10 мая 2016 .

Р. Ислам; И. Хусейн; А. Фардун; К. Маклафлин. «Конструкции магнитов синхронного двигателя с постоянным магнитом с перекосом для пульсации крутящего момента и уменьшения крутящего момента» . Отраслевые приложения, транзакции IEEE на. 2009. doi : 10.1109 / TIA.2008.2009653

↑
Ки-Чан Ким; Сеунг-Бин Лим; Дэ-Хён Ку; Джу Ли. Конструкция формы постоянного магнита для синхронного двигателя с постоянным магнитом с учетом частичного размагничивания » . Magnetics, IEEE Transactions on. 2006. doi : 10.1109 / TMAG.

2006.879077

П. Пиллэй; Р. Кришнан. «Характеристики применения синхронных и бесщеточных двигателей постоянного тока с постоянными магнитами для сервоприводов» . Отраслевые приложения, транзакции IEEE на. 1991. doi : 10.1109 / 28.90357 цитата: «Синхронный двигатель с постоянными магнитами (PMSM) и бесщеточный двигатель постоянного тока (BDCM) имеют много общего; у них обоих есть постоянные магниты на роторе, и для создания постоянного крутящего момента требуются переменные токи статора».

↑
Y. Honda; Т. Накамура; Т. Хигаки; Ю. Такеда. «Соображения по конструкции двигателя и результаты испытаний синхронного двигателя с внутренним постоянным магнитом для электромобилей» . Конференция по отраслевым приложениям, 1997. Тридцать второе ежегодное собрание IAS, IAS ’97., Протокол конференции IEEE 1997 года. 1997. DOI : 10,1109 / IAS.1997.643011

↑
М.А. Рахман; Пинг Чжоу. «Анализ бесщеточных синхронных двигателей с постоянными магнитами» . Промышленная электроника, транзакции IEEE on.

1996. doi : 10.1109 / 41.491349

Хассанпур Исфахани, Arash; Ваез-Заде, Садех (ноябрь 2009 г.). «Линейные синхронные двигатели с постоянными магнитами: проблемы и возможности». Энергия
.
34
(11): 1755–1763. DOI : 10.1016 / j.energy.2009.04.022 .

Suman, K .; Suneeta, K .; Сасикала, М. (09.09.2020). Асинхронный привод с прямым управлением крутящим моментом с пространственно-векторной модуляцией, питаемый от трехуровневого инвертора . Публикация конференции IEEE
. С. 1–6. DOI : 10,1109 / PEDES.2012.6484405 . ISBN 978-1-4673-4508-8. S2CID 25556839 . Проверено 23 сентября 2020 .

Ван, Чжэн; Чен, Цзянь; Ченг, Мин; Чау, КТ (09.09.2020). «Полевое управление и прямое управление крутящим моментом для приводов PMSM с питанием от параллельных VSI с переменной частотой переключения» . IEEE Transactions по силовой электронике
.
31
(3): 2417–2428. DOI : 10.1109 / TPEL.2015.2437893 . S2CID 19377123 . Проверено 23 сентября 2022 .

a b Никбахт, Масуд; Лиаси, Саханд Гасеминеджад; Аббасзаде, Карим; Маркаде, Голамреза Араб (09.09.2020). Усовершенствованная стратегия прогнозирующего управления моделью для управления PMSM с уменьшением пульсаций крутящего момента и магнитного потока . Публикация конференции IEEE
. С. 1–6. DOI : 10,1109 / PEDSTC49159.2020.9088489 . ISBN 978-1-7281-5849-5. S2CID 218564540 . Проверено 23 сентября 2020 .

Кумар, Раджеш; Гупта, РА; Бансал, Аджай Кр. (09.09.2020). Идентификация и управление PMSM с помощью искусственной нейронной сети . Публикация конференции IEEE
. С. 30–35. DOI : 10.1109 / ISIE.2007.4374567 . ISBN 978-1-4244-0754-5. S2CID 35896251 . Проверено 23 сентября 2020 .

Х.Э. Джордан, Энергоэффективные
электродвигатели
и их применение
, стр. 104, Springer, 1994 ISBN 0-306-44698-7

«Синхронный двигатель с постоянным магнитом» . en.engineering-solutions.ru
. Проверено 2 июля 2022 .

«Скорость двигателя» .

a b Стандарт IEEE 141-1993 Рекомендуемая практика для распределения электроэнергии на промышленных предприятиях
стр. 227-230

Джерри К. Уитакер, Справочник по системам питания переменного тока
, стр. 192, CRC Press, 2007 ISBN 0-8493-4034-9 .

Леду, Курт; Visser, Paul W .; Хулин, Дж. Дуайт; Нгуен, Хиен (май 2015 г.). «Пуск больших синхронных двигателей в слабых энергосистемах» . IEEE Transactions по отраслевым приложениям
.
51
(3): 2676–2682. DOI : 10.1109 / tia.2014.2373820 . ISSN 0093-9994 .

Дэвид Финни, Система привода переменного тока с переменной частотой
, стр. 32, IEE, 1988 ISBN 0-86341-114-2 .

Nevelsteen, J .; Арагон, Х. (1989). «Пуск больших двигателей — методы и экономика». IEEE Transactions по отраслевым приложениям
.
25
(6): 1012–1018. DOI : 10.1109 / 28.44236 . ISSN 0093-9994 .

Перейти
↑ Schaefer, RC (1999). «Управление возбуждением синхронного двигателя».

а б Дубей Г. К. Основы электроприводов
. Нароса, издательство ченнаи. п. 254.

Пиллаи, С. К. Первый курс по электрическим приводам
(второе изд.). Новый век интернэшнл. п. 25.

Применение

Область применения синхронных электрических машин охватывает производство электрической энергии на электростанциях. По видам генераторы подразделяются на турбинные, дизельные и гидравлические, в зависимости от способа приведения их во вращение.

Также их используют в качестве электродвигателей, которые могут переносить существенные перегрузки в процессе эксплуатации. Такие двигатели устанавливаются на вентиляторах, компрессорах, силовых агрегатах и прочем оборудовании. Отдельная категория электродвигателей применяется в точном оборудовании, где важна синхронизация операций и процессов.

Содержание

1 Тип 1.1 Невозбужденные двигатели 1.1.1 Реактивные двигатели
1.1.2 Гистерезисные двигатели
1.1.3 Двигатели с постоянными магнитами

2 Двигатели с возбуждением постоянным током

2 Методы управления

3 Синхронная скорость

3.1 Примеры

4 Строительство

5 Эксплуатация

6 Способы запуска

7 Области применения, особые свойства и преимущества

7.1 Использование в качестве синхронного конденсатора

7.2 Предел устойчивости установившегося состояния

7.3 Другое

8 подтипов

9 См. Также

10 Ссылки

11 Внешние ссылки

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 | Электротехника и электрооборудование

Подробности: Категория: Учеба

электродвигатель
электроснабжение
сооружения
оборудование
подстанции
обучение
приборы
среднее напряжение

Содержание материала

Электротехника и электрооборудование
Счетчики электрической энергии
Мегомметры
Измерение неэлектрических
Асинхронные двигатели
Пуск асинхронных двигателей
Регулирование скорости асинхронных
Данные асинхронных двигателей
Синхронные машины
Передвижные электростанции
Синхронные электродвигатели
Машины постоянного тока
Генераторы постоянного тока
Двигатели постоянного тока
Электропривод генератор-двигатель
Трансформаторы
Конструкция трансформаторов до 10
Данные трансформаторов до 10
Специальные трансформаторы
Измерительные трансформаторы
Аппаратура управления и защиты
Аппаратура автоматическая
Реле защиты и управления
Логические элементы
Электропривод на строительстве
Выбор электродвигателя
Схемы электроприводы
Электропривод строительных
Сварочное электрооборудование
Электрическое освещение
Устройство освещения
Нормы освещенности
Электрические сети строительные
Аппаратура подстанций
Электрические сети
Устройство электрических сетей
Выбор сечения проводов
Безопасность обслуживания
Защитное заземление

Страница 11 из 39

По своему устройству синхронный двигатель аналогичен синхронному генератору, но он имеет дополнительную пусковую обмотку. Принцип действия синхронного двигателя основан на взаимодействии полюсов вращающегося магнитного поля, созданного обмоткой статора, обтекаемой трехфазным током, с магнитными полюсами ротора, обмотки которого питаются постоянным током. Скорость вращения синхронного двигателя постоянна независимо от нагрузки и равна скорости вращения магнитного поля; по этой причине двигатель получил название синхронного; вращение ротора у него совпадает (синхронно) с вращением магнитного поля статора. Механическая характеристика двигателя, т. е. скорость его вращения, зависящая от нагрузки, является абсолютно жесткой, при которой число оборотов постоянно.
Пуск двигателя в ход производится после предварительного его разгона по скорости, равной не менее 0,95 номинального числа оборотов, что осуществляется наличием специальной пусковой обмотки типа беличьего колеса, как у асинхронного двигателя. Такой способ пуска называется асинхронным. После разгона двигателя включается постоянный ток в обмотку ротора, полюса которого входят в синхронизм с, полюсами вращающегося магнитного поля. Некоторые типы синхронных двигателей пускают в ход с помощью других двигателей.

При холостом ходе оси полюсов ротора и вращающего поля статора двигателя совпадают. При увеличении нагрузки двигателя происходит сдвиг оси полюсов ротора относительно полюсов поля статора на угол φ и при некоторой максимальной нагрузке двигатель выпадает из синхронизма и останавливается в результате слабого взаимодействия между полюсами ротора и статора, обусловленного значительным расстоянием между ними. Максимальный (опрокидывающий) момент синхронного двигателя в 2,5-3 раза превышает номинальный его момент при нормальном токе возбуждения. Изменение угла между осями полюсов ротора и статора приводит к изменению угла сдвига фаз между напряжением и электродвижущей силой синхронного двигателя.
Преимущество синхронных двигателей заключается в возможности работать с высоким коэффициентом мощности cos φ.

Регулирование cos φ синхронного двигателя достигается изменением величины постоянного тока возбуждения машины, при определенной величине которого можно получить значение коэффициента мощности, равное единице.
В отличие от двигателей постоянного тока, у которых при изменении тока возбуждения изменяется скорость вращения, у синхронных двигателей скорость остается постоянной, не зависящей от тока возбуждения. Однако при этом в больших пределах может изменяться ток статора синхронного двигателя при постоянной нагрузке на его валу и постоянной потребляемой мощности. При постоянной потребляемой мощности двигателя Р — ]/3/U cos φ и постоянной! приложенном напряжении U ток I будет зависеть от cos φ, т. е. при уменьшении cos φ ток будет увеличиваться. В то же время угол φ сдвига фаз между напряжением и током двигателя зависит от тока его возбуждения.

Рис. 7.17. U-образная кривая зависимости рабочего тока синхронного двигателя от тока возбуждения

Влияние величины тока возбуждения на угол сдвига фаз и на величину тока двигателя при постоянной нагрузке на графике имеет вид U-образной кривой (рис. 7.17). Из графика видно, что при уменьшении тока возбуждения ниже номинальной величины ток в цепи статора возрастает (левая часть кривой), но при этом угол сдвига фаз положителен φ > 0, т. е. ток отстает от напряжения. При увеличении тока возбуждения свыше номинальной величины (правая часть кривой) рабочий ток / двигателя также увеличивается, но при этом угол сдвига фаз будет отрицательный!: φ < 0, т. е. ток опережает напряжение.

Таким образом, перевозбужденный синхронный двигатель работает подобно емкости, включенной в цепь данной установки, что имеет большое практическое значение для улучшения коэффициента мощности (cos φ) установки.
По указанным причинам за последние годы расширяется применение синхронных двигателей в промышленности и на строительстве, где они применяются для привода компрессорных и насосных установок, а также для привода камнедробилок и экскаваторов.

Назад
Вперёд

Вы здесь:
Главная
org/ListItem»> Книги
Учеба
Электротехника и электрооборудование

Еще по теме:

В помощь сельскому электромонтеру
Электроснабжение в строительстве
Электромонтер строительной площадки
Электрооборудование и автоматизация сельскохозяйственных агрегатов
Электрические аппараты и оборудование выше 1000В

Синхронные двигатели: применение и принцип работы

19 сентября 2021 г. 22 июля 2013 г. Автор: Electrical4U

Содержание

Что такое синхронный двигатель?

Синхронный двигатель (сокращение от синхронный электродвигатель) представляет собой двигатель переменного тока, в котором вращение ротора (или вала) синхронизировано с частотой питающего тока. То есть период вращения ротора равен вращающемуся полю машины, внутри которой он находится.

Давайте сделаем шаг назад и определим, что такое электрический двигатель.

Электрические двигатели представляют собой электромеханические устройства, преобразующие электрическую энергию в механическую. В зависимости от типа входа мы классифицировали его на однофазные и трехфазные двигатели.

Наиболее распространенным типом трехфазных двигателей являются синхронные двигатели и асинхронные двигатели. При размещении трехфазных электрических проводников в определенных геометрических положениях (т.е. под определенным углом друг к другу) возникает электрическое поле. Вращающееся магнитное поле вращается с определенной скоростью, известной как синхронная скорость .

Если в этом вращающемся магнитном поле присутствует электромагнит, электромагнит магнитно блокируется этим вращающимся магнитным полем и вращается с той же скоростью, что и вращающееся поле.

Отсюда и происходит термин синхронный двигатель , поскольку скорость ротора двигателя такая же, как и вращающееся магнитное поле.

Это двигатель с фиксированной скоростью, поскольку он имеет только одну скорость — синхронную. Эта скорость синхронизирована с частотой сети. Синхронная скорость определяется как:

Где:

N= синхронная скорость ( в об/мин – т.е. число оборотов в минуту )
f = частота питания ( в Гц )
p = количество синхронных полюсов
5 8 Двигатель
Обычно его конструкция почти аналогична конструкции трехфазного асинхронного двигателя, за исключением того факта, что здесь мы подаем постоянный ток на ротор, причину которого мы объясним позже.
Теперь давайте сначала рассмотрим базовую конструкцию этого типа двигателя. Из приведенного выше изображения ясно, как мы проектируем этот тип машины. Мы применяем трехфазное питание к статору и питание постоянного тока к ротору.
Основные характеристики синхронных двигателей
1. Синхронные двигатели по своей природе не являются самозапускающимися. Им требуются некоторые внешние средства, чтобы приблизить их скорость к синхронной скорости до того, как они будут синхронизированы.
2. Скорость работы синхронизирована с частотой сети, поэтому при постоянной частоте сети они ведут себя как двигатели с постоянной скоростью, независимо от условий нагрузки.
3. Этот двигатель обладает уникальными характеристиками работы при любом коэффициенте электрической мощности. Это позволяет использовать его для улучшения коэффициента мощности.
Принцип работы Синхронный двигатель
Синхронные двигатели представляют собой машину с двойным возбуждением, т. е. к ней предусмотрены два электрических ввода. Его статорная обмотка, состоящая из трехфазного питания трехфазной обмотки статора, и постоянного тока к обмотке ротора.
Трехфазная обмотка статора, по которой текут трехфазные токи, создает трехфазный вращающийся магнитный поток. Ротор, несущий источник постоянного тока, также создает постоянный поток. Учитывая частоту сети 50 Гц, из приведенного выше соотношения видно, что трехфазный вращающийся поток вращается примерно на 3000 оборотов за 1 мин или 50 оборотов за 1 секунду.
В определенный момент полюса ротора и статора могут иметь одинаковую полярность (N-N или S-S), вызывая отталкивающую силу на роторе, а в следующий момент полюса NS-полюса вызывают силу притяжения.
Но из-за инерции ротора он не может вращаться ни в каком направлении из-за этих сил притяжения или отталкивания, и ротор остается в состоянии покоя. Следовательно, синхронный двигатель не запускается самостоятельно.
Здесь мы используем некоторые механические средства, которые изначально вращают ротор в том же направлении, что и магнитное поле, до скорости, очень близкой к синхронной скорости. При достижении синхронной скорости происходит магнитная блокировка, и синхронный двигатель продолжает вращаться даже после удаления внешних механических средств.
Но из-за инерции ротора он не может вращаться ни в каком направлении из-за этих сил притяжения или отталкивания, и ротор остается в состоянии покоя. Следовательно, синхронный двигатель не запускается самостоятельно.
Здесь мы используем некоторые механические средства, которые изначально вращают ротор в том же направлении, что и магнитное поле, до скорости, очень близкой к синхронной скорости. При достижении синхронной скорости происходит магнитная блокировка, и синхронный двигатель продолжает вращаться даже после удаления внешних механических средств.
Методы пуска синхронного двигателя
1. Пуск двигателя с помощью внешнего первичного двигателя: Синхронные двигатели механически связаны с другим двигателем. Это может быть трехфазный асинхронный двигатель или шунтирующий двигатель постоянного тока. Здесь мы изначально не применяем возбуждение постоянным током. Он вращается со скоростью, очень близкой к его синхронной скорости, а затем мы подаем возбуждение постоянным током. Через некоторое время, когда происходит магнитная блокировка, питание внешнего двигателя отключается.
2. Демпферная обмотка В данном случае синхронный двигатель явнополюсный, дополнительная обмотка размещена в торце полюса ротора. Первоначально, когда ротор не вращается, относительная скорость между демпферной обмоткой и потоком вращающегося воздушного зазора велика и в ней индуцируется ЭДС, создающая требуемый пусковой момент. Когда скорость приближается к синхронной скорости, ЭДС и крутящий момент уменьшаются и, наконец, когда происходит магнитная блокировка; крутящий момент также снижается до нуля. Следовательно, в этом случае синхронный двигатель сначала работает как трехфазный асинхронный двигатель с дополнительной обмоткой и, наконец, синхронизируется с частотой.
Применение синхронных двигателей
Применение синхронных двигателей включает:
1. Синхронный двигатель без нагрузки, подключенной к его валу, используется для улучшения коэффициента мощности. Благодаря своим характеристикам, позволяющим вести себя при любом коэффициенте электрической мощности, он используется в энергосистемах в ситуациях, когда статические конденсаторы дороги.
2. Синхронный двигатель находит применение там, где рабочая скорость меньше (около 500 об/мин) и требуется большая мощность. Для требований мощности от 35 кВт до 2500 кВт размер, вес и стоимость соответствующего трехфазного асинхронного двигателя очень высоки. Следовательно, эти двигатели предпочтительно использовать. Ex- Поршневой насос, компрессор, прокатные станы и т. д.
Хотите учиться быстрее? 🎓
Каждую неделю получайте электротехнические товары на свой почтовый ящик.
Кредитная карта не требуется — это абсолютно бесплатно.
О Electrical4U
Electrical4U посвящен обучению и распространению всего, что связано с электротехникой и электроникой.
…
Принцип работы синхронного двигателя — руководство по электротехнике
Привет друзья,
В этой статье я собираюсь обсудить конструкцию и принцип работы синхронного двигателя . Надеюсь, вам будет интересно и полезно.
Конструкция синхронного двигателя очень похожа на конструкцию синхронного генератора. Основные части синхронного двигателя такие же, как и у синхронного генератора, то есть статор и ротор.
Статор содержит трехфазную обмотку якоря в пазах его пластинчатого сердечника, распределенных по всему ярму. Эта обмотка аналогична используемой в синхронных генераторах и асинхронных двигателях. Он подключен к 3-фазной сети переменного тока.
Обмотка возбуждения размещается в пазах ротора и подключается к источнику постоянного тока через два контактных кольца. Из-за этого источника постоянного тока (известного как возбуждение) полюса ротора попеременно становятся полюсами N и S . Количество полюсов ротора выполнено равным количеству полюсов статора . Современные синхронные двигатели часто используют бесщеточное возбуждение. Ротор может быть явно выступающего типа или цилиндрического типа. Обычно предпочтение отдается явнополюсному ротору .
Простой синхронный двигатель в основном не запускается самостоятельно . Однако его можно сделать самозапускающимся с помощью демпферных обмоток, удерживаемых полюсами ротора. Этот двигатель называется синхронным, потому что его ротор работает синхронно с синхронно вращающимся полем статора.
Принцип работы синхронного двигателя основан на принципе магнитной блокировки между полюсами статора и ротора.
Для понимания работы синхронного двигателя , пусть статор синхронного двигателя намотан на два полюса. Пусть ротор также образует два полюса при их возбуждении внешним источником постоянного тока.
Поскольку трехфазный источник переменного тока подключен к обмотке статора, создается вращающееся магнитное поле (RMF). Это поле вращается с синхронной скоростью N _s . Два произведенных полюса: N ₁ и S ₁, как показано на рисунке.
Эти полюса статора (N ₁ и S ₁) вращаются в воздушном зазоре между статором и ротором с синхронной скоростью по часовой стрелке.
Затем ротор возбуждается внешним источником постоянного тока. Он производит два полюса N ₂ и S ₂, как показано на рисунке.
Ротор ускоряется, чтобы вращаться по часовой стрелке с помощью какого-то внешнего двигателя. Это связано с тем, что синхронный двигатель не запускается самостоятельно.
Если разные полюса N ₁ – S ₂ и S ₁ – N ₂ сближаются, то за счет сильной силы притяжения между ними происходит магнитное запирание.
После того, как полюса статора и ротора магнитно заблокируются друг с другом, ротор продолжит вращаться с синхронной скоростью вместе с вращающимся магнитным полем. Затем внешний двигатель, соединенный с ротором, может быть отсоединен.
Ротор будет вращаться со скоростью N _s, пока существует магнитный замок между статором и ротором.
Когда синхронный двигатель подключается к сети и запускается каким-либо внешним способом, он начинает вращаться с синхронной скоростью. Если двигатель работает без нагрузки и не имеет потерь, то ЭДС индукции E равна приложенному напряжению и противоположна ему, а полюса статора и ротора совпадают, как показано на рисунке.
Результирующая ЭДС E _r и, следовательно, ток, потребляемый двигателем, равен нулю. Таким образом, говорят, что двигатель плавает в проводах.
Тем не менее, в реальной машине всегда присутствуют некоторые потери с результирующей ЭДС; E отклоняется назад на небольшой угол, и полюса ротора также отклоняются назад на такой же угол относительно полюсов статора.
Это вызывает результирующее напряжение E _r на якоре, и двигатель потребляет ток холостого хода от сети. Мощности, потребляемой двигателем, достаточно, чтобы двигатель работал непрерывно на синхронной скорости.
Теперь при приложении нагрузки к валу двигателя ротор еще немного отклоняется назад относительно полюсов статора. Следовательно, угол крутящего момента или угол нагрузки, δ увеличивается с увеличением нагрузки. Это увеличивает результирующее напряжение E _r , что, в свою очередь, увеличивает ток, потребляемый двигателем от сети.
Таким образом, синхронный двигатель способен обеспечивать возрастающие механические нагрузки не за счет снижения скорости, а за счет смещения положения полюсов ротора по отношению к полюсам статора.
При дальнейшем увеличении нагрузки, приложенной к валу двигателя, полюса ротора и ЭДС индукции падают еще больше. Отсюда угол нагрузки, δ , увеличивается с ростом нагрузки. Когда δ увеличивается, результирующее напряжение E _r увеличивается, а также увеличивается ток якоря.
Если к синхронному двигателю приложена слишком большая механическая нагрузка, ротор выходит из синхронизма. И заходит в тупик.
Максимальное значение крутящего момента, которое двигатель может развивать без потери синхронизма, называется тяговым моментом.
Спасибо, что прочитали о конструкции и «принципе работы синхронного двигателя». Для получения дополнительной информации посетите Википедию.
Синхронный двигатель – конструкция, принцип действия, типы, характеристики
Синхронный двигатель – один из самых эффективных двигателей. Возможность управления их коэффициентом мощности делает их очень востребованными, особенно для низкоскоростных приводов. В этом посте мы обсудим синхронный двигатель, его конструкцию, принцип работы, типы, характеристики, методы пуска, применение, модель/фазорную диаграмму, преимущества и недостатки.
Что такое синхронный двигатель
Синхронный двигатель — это двигатель переменного тока, в котором в установившемся режиме вращение вала синхронизировано с частотой подаваемого тока; период вращения точно равен целому числу циклов переменного тока.
Рис. 1 – Синхронный двигатель
Эти двигатели содержат многофазные электромагниты переменного тока на статоре двигателя, которые создают магнитное поле, которое вращается в такт колебаниям сетевого тока. Синхронный двигатель имеет двойное питание, если он снабжен независимыми возбужденными многофазными электромагнитами переменного тока как на роторе, так и на статоре.
Конструкция синхронного двигателя
Конструкция такая же, как и у других двигателей. Статор и ротор являются основными частями синхронного двигателя, в то время как рама представляет собой крышку, а статор и ротор составляют электрическую и магнитную схемы синхронных двигателей. Основными компонентами двигателя являются:
- Статор
- Ротор
- Аспитер
- Кадра
Рис. 2 — Компоненты синхронного двигателя
Статор
Statat STATATOR. Он имеет цилиндрическую раму с прорезями для установки схемы обмотки. Статор состоит из сердечника, который обычно состоит из стали. Этот сердечник изолирован для предотвращения протекания вихревых токов.
Рис. 3 – Компоненты статора
Цепь обмотки статора называется обмоткой статора. Он питается от трехфазной сети переменного тока.
Ротор
Ротор — это вращающаяся часть, которая вращается точно с той же скоростью, что и магнитное поле статора. Он возбуждается источником постоянного тока.
Ротор состоит из числа полюсов, которое зависит от скорости и частоты машины. Соотношение между полюсом, скоростью и частотой определяется как
Где
N = скорость двигателя в об/мин
f = частота и
p = Число полюсов
Типы конструкции ротора синхронного двигателя
В синхронных двигателях существует два типа конструкции ротора. К ним относятся:
- Роторы с явно выраженными полюсами
- Роторы с явно выраженными полюсами
Роторы с явно выраженными полюсами
В роторах с явно выраженными полюсами полюса выступают над поверхностью ротора.
Рис. 4 – Ротор с явно выраженными полюсами
Роторы с неявнополюсными полюсами
В роторах с неявнополюсными полюсами обмотка размещается в прорезях ротора.
Рис. 5 – Неявнополюсный ротор
Возбудитель
Это небольшой генератор, помещенный в ротор, который обеспечивает мощность возбуждения для возбуждения. Он состоит из обмотки возбуждения и обмотки якоря. Обмотка возбуждения размещена в статоре, а обмотка якоря — в роторе машины.
Рамка
Защищает двигатель и закрывает весь узел.
Принцип работы синхронного двигателя
Работа синхронного двигателя заключается в том, что ротор следует за вращающимся магнитным полем статора и вращается со скоростью, приближающейся к нему. Обмотка ротора возбуждается источником постоянного тока, а обмотка статора возбуждается источником переменного тока.
Рис. 6 – Принцип работы синхронного двигателя
Основные моменты, касающиеся принципа работы синхронного двигателя:
- Благодаря трехфазному переменному току обмотка статора создает трехфазное вращающееся магнитное поле.
- Обмотка ротора создает постоянное магнитное поле.
- При некоторых оборотах полюса двух магнитных полей притягиваются, а в какой-то момент отталкиваются.
- Ротор не начнет вращаться из-за инерции. Таким образом, внешний источник обеспечит начальное вращение.
- Как только ротор начинает двигаться с синхронной скоростью, внешний источник отключается.
- Магнитное поле ротора создается не магнитным полем ротора, а индукцией. Следовательно, воздушный зазор между ротором и статором остается не очень маленьким.
Типы синхронных двигателей
Синхронные двигатели можно разделить на два типа в зависимости от того, как намагничивается ротор.
- Синхронные двигатели без возбуждения
- Синхронные двигатели постоянного тока с возбуждением
Синхронные двигатели без возбуждения
Ротор изготовлен из стали. На синхронной скорости он вращается с вращающимся магнитным полем статора, поэтому через него проходит почти постоянное магнитное поле. Ротор изготовлен из стали с высоким удерживающим свойством, такой как кобальтовая сталь.
Синхронные двигатели без возбуждения доступны в трех исполнениях:
- Синхронные двигатели с гистерезисом
- Синхронные двигатели с реактивным сопротивлением
- Синхронные двигатели с постоянными магнитами
Гистерезис
84 Синхронные двигатели
Гистерезисные двигатели представляют собой однофазные двигатели, в которых ротор изготовлен из ферромагнитного материала. Роторы обладают высокими потерями на гистерезис. Они состоят из хрома, кобальтовой стали или альнико.
Рис. 7 – Гистерезисный синхронный двигатель
Они самозапускающиеся и не требуют дополнительной обмотки. У него широкая петля гистерезиса, что означает, что он намагничивается в заданном направлении; для обращения намагниченности требуется большое обратное магнитное поле.
Синхронные двигатели с реактивным сопротивлением
Сопротивление всегда минимально, когда кусок железа вращается, чтобы завершить путь магнитного потока. Сопротивление увеличивается с увеличением угла между ними, когда полюса выровнены с магнитным полем статора. Это создаст крутящий момент, притягивающий ротор к полюсу рядом с полем статора.
Рис. 8 – Реактивный синхронный двигатель
Полюса ротора обычно имеют встроенную короткозамкнутую обмотку, чтобы обеспечить крутящий момент ниже синхронной скорости для запуска двигателя.
Синхронные двигатели с постоянными магнитами
В двигателе с постоянными магнитами используются постоянные магниты в стальном роторе для создания постоянного магнитного потока. Ротор блокируется, когда скорость близка к синхронной скорости.
Рис. 9 – Синхронный двигатель с постоянными магнитами
Статор имеет обмотку, которая подключена к источнику переменного тока для создания вращающегося магнитного поля. Двигатели с постоянными магнитами аналогичны бесщеточным двигателям постоянного тока.
Синхронный двигатель постоянного тока с возбуждением
Синхронный двигатель постоянного тока с возбуждением требует подачи постоянного тока на ротор для создания магнитного поля. Он имеет как обмотку статора, так и обмотку ротора. Постоянный ток может подаваться от отдельного источника постоянного тока или от генератора постоянного тока, подключенного к валу двигателя.
Характеристики синхронного двигателя
Некоторые ключевые характеристики синхронного двигателя, которые отличают его от других двигателей, следующие:
Скорость
Диапазон скоростей от 150 об/мин до 1800 об/мин. Скорость синхронна и не зависит от условий нагрузки. Скорость всегда остается постоянной от холостого хода до полной нагрузки.
Связь между числом полюсов, скоростью и частотой определяется как
Где
N = скорость двигателя в об/мин
Пусковой момент
Для запуска синхронного двигателя требуется внешнее усилие, поскольку он не имеет пускового момента.
Номинальная мощность
Номинальная мощность синхронных двигателей находится в диапазоне от 150 кВт до 15 МВт.
Эффективность
Синхронные двигатели являются высокоэффективными машинами, и их эффективность намного выше, чем у асинхронных двигателей.
Техническое обслуживание
В синхронных двигателях используется бесщеточный возбудитель, что снижает потребность в обслуживании.
Коррекция коэффициента мощности
Эти двигатели имеют высокую коррекцию коэффициента мощности, поэтому они используются в областях, где необходима коррекция коэффициента мощности.
Способы пуска синхронного двигателя
Как известно, синхронные двигатели не могут запускаться самостоятельно, поскольку у них нет пускового момента. Поэтому для запуска двигателя используются разные способы. Внешняя сила используется при пуске для доведения скорости до синхронной. Три основных способа:
- Уменьшите частоту статора до безопасного пускового уровня.
- Используйте внешний первичный двигатель.
- Использование демпферной обмотки.
Схема модели и векторная диаграмма синхронного двигателя
Структура поля стимулируется постоянным током в синхронном двигателе. Из-за вращающегося магнитного поля в обмотке статора индуцируется напряжение и это напряжение называется противо-ЭДС (Е).
Рис. 10 – Модельная схема синхронного двигателя
Эффект реакции якоря заменен фиктивным реактивным сопротивлением (Ха). Когда Xa объединяется с реактивным сопротивлением рассеяния якоря, получается синхронное реактивное сопротивление (Xs). Когда Xs комбинируется с эффективным сопротивлением якоря (Re), получается синхронный импеданс (Zs).
Рис. 11 – Векторная диаграмма синхронного двигателя
Чтобы нарисовать векторную диаграмму, Vt берется в качестве эталонного вектора, и необходимо соблюдать следующие пункты:
- Если машина работает как асинхронный двигатель, то направление тока якоря будет противоположно направлению ЭДС возбуждения.
- ЭДС возбуждения вектора всегда отстает от напряжения на клеммах вектора.
Области применения синхронного двигателя
Области применения синхронного двигателя включают:
- Синхронный двигатель используется в основном для «коррекции коэффициента мощности», что означает увеличение коэффициента мощности системы.
- Синхронные двигатели используются для регулирования напряжения
- Синхронные двигатели обычно используются для низкоскоростных и мощных нагрузок.
- Синхронные двигатели обычно используются в воздушных и газовых компрессорах и вакуумных насосах.
- Синхронные двигатели также находят свое применение в дробилках, мельницах и мельницах.
- Они также используются в вытяжных устройствах, вентиляторах и воздуходувках.
Преимущества синхронного двигателя
Преимущества синхронного двигателя включают в себя:
- Преимущество использования синхронного двигателя заключается в возможности управления коэффициентом мощности. Синхронный двигатель с перенапряжением имеет опережающий коэффициент мощности и работает параллельно с асинхронными двигателями, тем самым улучшая коэффициент мощности системы.
- Скорость остается постоянной независимо от нагрузки синхронных двигателей. Это качество помогает в промышленных машинах, где требуется постоянная скорость независимо от нагрузки.
- Синхронные двигатели имеют более широкий воздушный зазор, чем асинхронные двигатели, что делает их механически более стабильными.
- Электромагнитная мощность линейно зависит от напряжения в синхронных двигателях.
- Синхронные двигатели обычно работают с более высоким КПД (более 90%), особенно на низких скоростях по сравнению с асинхронными двигателями.
Недостатки синхронного двигателя
К недостаткам синхронного двигателя относятся:
- Синхронные двигатели требуют возбуждения постоянного тока, которое подается от внешних источников.
- Эти двигатели не являются самозапускающимися и требуют внешнего устройства для запуска и синхронизации.
- Стоимость выходной мощности кВт обычно выше, чем у асинхронных двигателей.
- Если частота входящего питания не отрегулирована, невозможно отрегулировать скорость.
- Их невозможно запустить под нагрузкой, поскольку пусковой момент равен нулю.
- Требуются коллекторные кольца и щетки, что приводит к высоким затратам на техническое обслуживание.
- Синхронные двигатели не подходят для приложений, требующих частого запуска машин.
```
  Читайте также: 
   Маховик как устройство накопления энергии, расчеты и требования к ротору   
   Принцип эффекта Холла – история, объяснение теории, математические выражения и приложения   
   Что представляет собой зажимной измеритель (ТОНГ ТЕГЕТЕР) - Типы, Принцип работы и как работать   
  
```
Синхронный мотор
Артикул категории
Содержание
Принцип работы синхронного двигателя
Если обмотки статора активированы, внутри статора возникнет вращающееся магнитное поле. Если мы представим это поле как вращающуюся пару полюсов, ненагруженный ротор будет выровнен с полем статора и будет вращаться синхронно с полем. Силы между изображенными полюсами являются радиальными и не создают крутящего момента. Если ротор был нагружен тормозной силой, он немного замедлится по отношению к полю вращения. В конце концов, ось ротора больше не будет совпадать с осью статора, а силы, возникающие между полюсами, будут создавать механический крутящий момент, противоположный тормозному крутящему моменту. Любые изменения нагрузки не приведут к изменению скорости вращения ротора (как это происходит с асинхронным двигателем).
Ротор, как на холостом ходу (без нагрузки), так и под нагрузкой, будет вращаться со скоростью, равной скорости вращения магнитного поля (синхронная скорость). Но если крутящий момент нагрузки превышает максимальный электромагнитный крутящий момент для двигателя (если угол между осями ротора и статора превышает 90 градусов), то машина потеряет синхронизацию и остановится на период времени.
Запуск синхронного двигателя
Одним из недостатков синхронизированного по времени двигателя является тот факт, что он не может запуститься самостоятельно, если обмотки статора запитаны от сети. Когда напряжение подается на статор, создается вращающая сила, которая вызывает переменный крутящий момент, действующий на ротор двигателя. Ротор не может начать свою работу из-за инерции, создаваемой ротором, так как частота колебаний крутящего момента слишком высока.
Среднее значение пускового момента ротора синхронного двигателя ротора будет равно нулю.
Рис. 1: Среднее значение пускового момента
Существует множество способов решения этой проблемы. Один из них заключается в использовании дополнительной машины для увеличения скорости вращения ротора, входящего в состав синхронного двигателя. Работа такой машины может выполняться дополнительным асинхронным двигателем, а также двигателем постоянного тока, однако этот метод вряд ли будет использоваться в реальном мире. Другой способ запуска асинхронного двигателя — использовать тот же метод, что и для асинхронных двигателей. На полюсах ротора установлена клетка, которая обычно состоит из медных стержней, аналогичная клетке ротора синхронного двигателя с короткозамкнутым ротором. Синхронный двигатель начинается как асинхронный двигатель и в конечном итоге достигает скорости, близкой к синхронной. Когда он достигает этой скорости, цепь возбуждения заряжается постоянным током, что позволяет двигателю войти в режим синхронизации, поскольку он продолжает работать на синхронизированной скорости.
В настоящее время считается, что лучшим вариантом для пуска синхронных двигателей является использование электронных преобразователей частоты (инверторов), которые позволяют постоянно увеличивать напряжение питания обмотки статора, что обеспечивает постепенное ускорение вращения. Для двигателей с постоянными магнитами это единственный вариант.
Конструкция синхронного двигателя
Аналогичен асинхронному двигателю Этот двигатель обычно имеет переменную обмотку статора, создающую круговое вращательное поле. Есть некоторые отличия в их роторах. В более старых конструкциях синхронных двигателей предполагается, что ротор намотан на внутренний сердечник. Он питается от щеток и контактных колец от источника постоянного или переменного тока. Роторы могут быть изготовлены двумя способами: цилиндрические роторы (со скрытыми полюсами) или роторы с открытыми полюсами.
Рис. 2: Четырехполюсная открытая крыльчатка
Каждый полюс имеет собственную обмотку вокруг сердечника полюса. Путем формирования полюсов создается соответствующее распределение индукции по окружности ротора.
Роторы с открытыми полюсами обычно используются в мощных машинах из-за их конструкции (значительно меньшая механическая прочность перед лицом гравитационных сил). Они используются в машинах, которые не имеют высоких скоростей. Наиболее популярными вариантами использования этого типа машин являются генераторы и двигатели, работающие от гидротурбин (гидрогенераторы).
Обмотка возбуждения в цилиндрическом вращающемся роторе вставляется в пазы, выфрезерованные в корпусе из стали, и закрепляется от протягивания через пазы клиньями. Обмотка — это лишь малая часть цепи ротора (около 1/3 ее части).
Эти роторы стоят дороже, чем роторы с открытым концом, однако благодаря своей превосходной механической прочности они используются в машинах с более высокими скоростями вращения. Эта модель используется, например, в высокоскоростных генераторах (турбогенераторах), которые обычно достигают скорости 3000 об/мин. Они приводятся в действие водяными или паровыми турбинами.
Рисунок 3: Двухполюсный цилиндрический ротор (со скрытыми полюсами)
Однако в последнее время все чаще используются устройства, использующие магнитоэлектрическое возбуждение, в которых ротор оснащен постоянными магнитами вместо обмоток.
Магниты специальной конструкции, изготовленные из соответствующих металлических сплавов, устанавливаются на вращающийся элемент. Из-за этого крутящий момент довольно высок. может быть достигнуто при меньшем моменте инерции вращающегося ротора.
Рис. 4. Четырехполюсный ротор с радиально соединенными магнитами
Возбуждение синхронного двигателя
Возбуждение ротора
Установка обмотки в роторе для создания неизменного магнитного поля, заставляющего вращаться ротор, требует подачи тока возбуждения на вращающийся. В статоре, наоборот, расположена обмотка переменного тока. Это создает электрическое поле, которое вращает и «тянет» ротор в заданном направлении. Конечно, ротор должен быть сконструирован таким образом, чтобы количество создаваемых магнитных полюсов было равно количеству магнитных полюсов, создаваемых статором.
Ток возбуждения исходит из другого источника, обычно из определенной цепи, которая потребляет энергию непосредственно от выпрямителя или через генератор постоянного тока, известный как возбудитель. Возбудитель может включать, например, генератор, размещенный на общем валу вместе с возбудителем. Он соединен с ротором двигателя. Количество энергии, необходимое для стимуляции синхронного двигателя, обычно не превышает одного процента от рекомендуемой мощности двигателя. В меньших синхронных двигателях обычно встречаются конструкции, в которых обмотка возбуждения расположена в статоре, таким образом, дополнительная цепь возбуждения представляет собой магнето, а ротор — якорь.
Во многих новых синхронных двигателях для упрощения конструкции постоянные магниты, также называемые постоянными магнитами, размещаются на роторе, а не на обмотке, которая требует подачи постоянного тока. Чаще всего это неодимовые магниты. Эти магниты размещаются (приклеиваются) к внешней стороне двигателя. Эта конструкция гарантирует, что ротор имеет высокий процент вращающего момента, который может быть достигнут, и минимальное значение этого момента инерции вращающегося ротора. Двигатели с такой конструкцией называются PMSM (Permanent Magnetic Synchronous Motor), то есть синхронными двигателями с постоянными магнитами.
Другим типом синхронных двигателей являются реактивные двигатели. Они имеют разомкнутые полюса, но, в отличие от СДПМ, их роторы не имеют проводов возбуждения. Для перемещения ротора они используют свой момент сопротивления, возникающий при отсутствии возбуждения. Он генерируется приложением электрического поля к магнитно-асимметричному ротору, состоящему из ферромагнитного материала. Ротор, на который действует момент сопротивления, «пытается найти» такое оптимальное положение по отношению к статору, при котором сопротивление минимально.
В области индустриализации часто встречаются двигатели, называемые гистерезисными, в которых используется принцип магнитного гистерезиса. Роторы этих двигателей полностью состоят из материалов с большой петлей гистерезиса. Крутящий момент двигателей определяется размером ротора, а также потерями в блоке гистерезиса. Двигатели с гистерезисом обеспечивают бесшумную работу, высокий начальный крутящий момент даже при малых токах и плавную синхронизацию. Но они становятся менее популярными из-за своей неэффективности.
Пуск синхронного двигателя
Наиболее существенным недостатком синхронных двигателей является отсутствие у них пускового момента. Это связано с тем, что напряжение, которое прикладывается к двигателю, создает электромагнитное поле, которое вращается и создает колебательный крутящий момент. Это связано с тем, что напряжение, которое прикладывается к статору, создает электромагнитное поле, которое вращается, создавая переменный крутящий момент, который заставляет ротор «тянуться» в одну сторону, прежде чем двигаться в противоположную. Из-за частоты этого изменения крутящего момента ротор не может двигаться, и средний крутящий момент равен нулю.
Есть много решений этой проблемы. Самым простым решением является использование другого пускового двигателя, однако в промышленных условиях этот вариант нецелесообразен. На самом деле метод, используемый в асинхронных двигателях, используется для запуска синхронного двигателя. Вторая клетка стартера, состоящая из медных стержней, аналогичная клеткам, которые используются в короткозамкнутых роторах асинхронных двигателей, помещается внутри полюсов ротора. Синхронный двигатель запускается как асинхронный двигатель и, когда он находится на скорости, близкой к синхронной скорости, активируется. Включен источник питания постоянного тока для цепи, управляющей им. Из-за этого ротор синхронизируется с вращающимся магнитным полем (входит в синхронизацию), которое продолжает двигаться синхронно.
Второй и наиболее часто используемый в системах автоматизации способ пуска синхронного двигателя можно описать как частотный пуск. При этом применяются преобразователи частоты (инверторы), позволяющие постепенно увеличивать частоту питающего напряжения в обмотках статора. Это позволяет постепенное и систематическое ускорение вращения. В случае двигателей PMSM с постоянными магнитами это единственный метод, который работает в промышленных условиях.
Другой, несколько более старый метод управления частотой заключается в использовании синхронных генераторов, питающих обмотки якоря запускаемого двигателя. Скорость вращения, а, следовательно, и генератора постепенно увеличивают от нулевой до синхронной скорости, что позволяет запустить двигатель аналогично работе инвертора.
Защита синхронных двигателей
Электрические асинхронные и синхронные машины большой мощности обычно защищены от долговременной (тепловой) перегрузки, а также от максимальной (мгновенной) перегрузки и других колебаний напряжения питания, которые могут повредить их систему привода или их самих. Необходимые защиты, а также диапазоны настройки параметров отключения должны быть указаны на странице «Рабочие данные машины», прилагаемой к документам, поставляемым изготовителем вместе с машиной. Защита должна охватывать машину от:
- Перегрузки по току и превышение допустимой рабочей температуры,
- Автоматический запуск после временного отключения питания и восстановление питания после обрыва фазы,
- Снижение сопротивления системы изоляции обмоток ниже предельного значения.
Из вышеизложенного видно, что существует множество требований к защите электрических устройств. Они не всегда эффективны в рабочих ситуациях, так как недостаточно внимания уделяется диагностике, обслуживанию и проверке правильности работы системы защиты.
Данная защита может не сработать, если контакты реле в системе защиты загрязнились или окислились, а когда они это делают из-за короткого замыкания, то не могут подать сигнал на отключение выключателя. На одном сталелитейном заводе один из них, двигатель постоянного тока прокатного стана мощностью 1 МВт и частотой вращения 1000 об/мин, вышел из строя и вышли из строя все секции коллектора. До поломки мотор эксплуатировался 10 лет. Двигатель был защищен тремя действующими предохранителями.
- при частоте вращения 1,2 Нмакс,
- при 2,5IN и токе якоря 2,5IN и
- при потере тока возбуждения.
Двигатель вышел из строя из-за аварийного отключения тока возбуждения. Если бы сработала одна из перечисленных защит, то этот двигатель остановился бы. Существует также задокументированный случай совершенно нового печного трансформатора мощностью 40 МВА 110 кВ/(514 304) В, который был полностью разрушен всего за три месяца использования. Причиной отказа стало включение выключателей обмотки управления, создавшее внутреннее замыкание на обмотку. Реле, предназначенное для прекращения срабатывания этого выключателя, включенного при данной ситуации в цепи трансформатора, имело контакты, загрязненные шамотной пылью, обнаруженной на линии разливки непрерывной стали. Реле блокировки работало, однако не могло выполнять свою работу. Что касается системы привода, электрические машины работают в установившемся режиме и в электромеханических переходных процессах. Характерными переходными процессами являются синхронный пуск двигателей переменного тока. Каждый электродвигатель спроектирован так, чтобы конструктивно справляться с переходными процессами в электромагнитной энергии, возникающими в начале работы. В условиях установившегося режима работы возможны перепады напряжения в сети, т.е. вызванные молнией, вызывают срабатывание AVR или APV. АПВ и АВР. Эти сбои чрезвычайно опасны из-за того, что время потери питания составляет около одной секунды. Выключение и повторное включение напряжения создает электромагнитно-нестабильные условия в двигателях, что гораздо опаснее, чем начало процесса.
Применение синхронных двигателей
Синхронные двигатели с сервоприводом в основном предназначены для спринтеров, предназначенных для конкретных работ. Низкий момент инерции обеспечивает высочайший уровень динамики и эффективного управления. Эти параметры позволяют использовать синхронные двигатели в качестве манипуляторов и рабочих органов машин, которые обычно являются многоосевыми машинами.
Транспортные средства для отдыха и спорта – это транспортные средства, в которых масса всего транспортного средства является важным фактором. Двигатели PMSM имеют гораздо меньшую массу по сравнению с двигателями постоянного тока и асинхронными двигателями, которые имеют аналогичные тяговые характеристики, что делает их идеальными для использования в этих типах транспортных средств. Автомобили для отдыха и спорта с электроприводом становятся все более популярными и находят все большее применение благодаря своим преимуществам.
Потери синхронного двигателя примерно в два раза больше, чем у асинхронного двигателя. Когда речь идет о бытовом использовании, уровень шума, производимого двигателем во время работы, является важным фактором, определяющим его характеристики. Испытания показывают, что шум, производимый открытым синхронным двигателем, примерно на 10 дБ меньше, чем шум, создаваемый асинхронным двигателем с воздушным охлаждением. Сравнение одних и тех же (с аналогичной мощностью двигателя) синхронных двигателей с постоянными магнитами и безредукторных асинхронных двигателей показывает, что они на 50 процентов тяжелее, весят на 20 процентов больше и имеют примерно на 3 процента меньший КПД, чем синхронные двигатели. Преимущество, которое они имеют перед асинхронными двигателями с редуктором, напротив, заключается в отсутствии механических редукторов и, как следствие, небольшой конструкции, компактной конструкции и более длительном сроке службы привода.
. www.komel.katowice.pl/ZRODLA/FULL/102/ref_41.pdf
https://automatykaonline.pl/Artykuly/Technika-napedowa/Synchroniczny-czy-asynchroniczny-jak-dobrac-silnik
Михал
Электроника и инженер связи с дипломом магистра электроэнергетики. Светодизайнер опытный инженер. В настоящее время работает в сфере IT.
Принцип работы синхронного двигателя | Электротехническая Академия
Хотите создать сайт? Найдите бесплатные темы и плагины WordPress.
Синхронный двигатель идентичен по конструкции синхронному генератору , хотя практически все синхронные двигатели являются явнополюсными. Как и все электродвигатели, синхронный двигатель преобразует электрическую энергию в механическую. Однако основное отличие от в работе заключается в том, что синхронный двигатель обеспечивает крутящий момент и мощность только тогда, когда он работает с синхронной скоростью. Это настоящий двигатель с постоянной скоростью при условии, что электрическая частота постоянна.
Недостаток синхронного двигателя заключается в том, что для него требуется система возбуждения, которая увеличивает первоначальные и текущие затраты на двигатель.
Как и синхронный генератор, синхронный двигатель может работать с различными коэффициентами мощности, от отстающего до опережающего, что делает его полезным для коррекции коэффициента мощности.
Одно ключевое различие между генератором и двигателем, конечно же, заключается в том, что генератор приводится в движение первичным двигателем, а двигатель должен запускаться сам.
Запуск синхронного двигателя
Создание крутящего момента синхронным двигателем является результатом взаимодействия поля ротора с полем вращающегося статора. Два поля вращаются синхронно, а величина создаваемого крутящего момента определяется углом мощности.
Когда машина остановлена, приложение сбалансированного набора трехфазных напряжений к обмоткам статора вызовет вращающееся магнитное поле в воздушном зазоре. Если бы катушки возбуждения ротора были возбуждены, вращающееся поле статора охватило бы полюса ротора, вызывая пульсирующие крутящие моменты при чередовании северного и южного полюсов. Таким образом, машина не будет развивать пусковой момент.
Для создания пускового момента синхронный двигатель должен иметь демпфирующие обмотки на роторе. Обмотки демпфера аналогичны обмотке с короткозамкнутым ротором на асинхронном двигателе и, таким образом, могут создавать пусковой крутящий момент. Индукционный момент вызывает ускорение ротора и способен довести его скорость почти до синхронной.
- Вы также можете прочитать: Принцип работы синхронного генератора
Во время запуска обмотки возбуждения ротора обычно замыкаются накоротко. Если бы обмотки возбуждения не были закорочены, поле статора вращалось бы мимо них, создавая большие напряжения на контактных кольцах. При замыкании обмотки возбуждения в обмотках возбуждения индуцируются токи, что приводит к некоторому дополнительному пусковому моменту.
Когда двигатель работает на скорости, близкой к синхронной, возбуждение может подаваться на обмотки возбуждения. Взаимное притяжение между противоположными полюсами ротора и статора приводит к возникновению втягивающего крутящего момента, который блокирует синхронную скорость двигателя.
Система запуска для двигателя должна обеспечивать возбуждение, когда полюса ротора находятся в правильном положении по отношению к полю статора; т. е. северные полюса ротора должны находиться вблизи южных полюсов поля статора. Если бы было наоборот, то возникали бы большие переходные токи и крутящие моменты, которые могли бы повредить двигатель или отключить части системы, к которой подключен двигатель.
Когда двигатель работает на синхронной скорости, обмотки демпфера не пропускают ток, за исключением переходных процессов, когда они служат для возврата машины к синхронной скорости.
Для запуска синхронных двигателей также могут использоваться другие методы. Как и асинхронный двигатель, синхронный двигатель можно запустить с частотно-регулируемым приводом, что позволит немедленно применить возбуждение, создав номинальный крутящий момент от нулевой скорости до желаемой рабочей скорости. В некоторых случаях для увеличения скорости большого синхронного двигателя используются вспомогательные двигатели.
Взаимосвязь мощности и крутящего момента для синхронного двигателя
Уравнения мощности
Мы смотрим на векторную диаграмму для синхронного двигателя и обнаруживаем, что противо-ЭДС отстает от напряжения на клеммах, как показано на рисунке. 1.
РИСУНОК 1:     Векторные диаграммы для синхронного двигателя. а. Отстающий ток. б. Ведущий ток.
На рисунке 1(b) мы видим, что падение напряжения на синхронном реактивном сопротивлении и С-ЭДС имеют компоненты в направлении оси Y, но они указаны в противоположных направлениях: 9{2}-{{V}_{t}}{{E}_{a}}\cos \delta }{{{X}_{s}}} & {} & \left( 2 \right) \ \\end{matrix}$
Поскольку двигатель является нагрузкой системы, как активная, так и реактивная мощность относятся к машине положительно. Глядя на уравнение 1, мы замечаем, что угол степени отрицателен и что синус отрицательного угла также будет отрицательным, что отменяет отрицательный знак перед правой частью уравнения. Таким образом, мощность положительна.
Аналогично для реактивной мощности , если уравнение 3 верно, то реактивная мощность положительна и машина является индуктивной нагрузкой:
$\begin{matrix}   {{E}_{a}}\cos \delta <{{V}_{ t}} & {} & \left( 3 \right) \\\end{matrix}$
Если верно уравнение 4, реактивная мощность отрицательна, и машина эквивалентна емкостной нагрузке.
$\begin{matrix}   {{E}_{a}}\cos \delta >{{V}_{t}} & {} & \left( 4 \right) \\\end{matrix}$
Аналогично синхронному генератору 9{2}\left( \frac{{{X}_{d}}-{{X}_{q}}}{2{{X}_{d}}{{X}_{q}}} \right)\sin 2\delta & {} & \left( 5 \right) \\\end{matrix}$
Поскольку степенной угол отрицателен, оба члена в правой части уравнения 5 положительны. Таким образом, мощность магнита и мощность сопротивления складываются так же, как и для генератора.
Крутящий момент, создаваемый синхронным двигателем S
Крутящий момент, развиваемый синхронным двигателем, можно найти, разделив уравнения 1 или 5 на соответствующую скорость. Развиваемый крутящий момент в Нм можно найти из мощности в ваттах и числа оборотов:
$\begin{matrix}   {{T}_{dev}}=\frac{30}{\pi {{n}_{r}}}{{P}_{3\phi }}\text{ N}\text{.m} & {} & \left( 6 \right) \\\end{matrix}$
Чтобы найти крутящий момент в фунто-футах, мощность можно выразить в лошадиных силах:
$\begin {matrix}   {{T}_{dev}}=\frac{5252\times HP}{{{n}_{r}}}\text{ lb}\text{.ft} & {} & \left( 7 \right) \\\end{matrix}$
Уравнение мощности в сочетании с векторной диаграммой дает нам представление о работе синхронного двигателя.
Обратите внимание, что максимальный крутящий момент для данного возбуждения возникает, когда угол мощности составляет 90° для двигателя с круглым ротором и несколько меньше 90° для двигателя с явно выраженными полюсами. Максимальный крутящий момент называется моментом отрыва , потому что добавление нагрузки сверх этого значения приводит к рассинхронизации двигателя.
Эффект изменения возбуждения
В уравнении 1 мы видим, что напряжение на клеммах и синхронное реактивное сопротивление постоянны. Таким образом, единственными переменными, которые изменяются, являются С-ЭДС и угол мощности. Если реальная мощность, выдаваемая двигателем, поддерживается постоянной, то эти две величины должны изменяться в противоположных направлениях, а именно:
$\begin{matrix}   {{E}_{a}}\sin \text{ }\delta \text{ =constant} & {} & \left( 8 \right) \\\end{matrix}$
Эффект изменения возбуждения при постоянной нагрузке показан векторной диаграммой на рис. 2. Сплошные вектора показывают начальное рабочее состояние, при котором двигатель недовозбужден и работает с отстающим коэффициентом мощности.
Затем возбуждение увеличивается до нового рабочего состояния, показанного пунктирными векторами. В новой рабочей точке двигатель перевозбуждается и отдает реактивную мощность в сеть. Обратите внимание, что новый вектор E _a2 имеет ту же вертикальную составляющую, что и E _a1, что означает, что (E _a cosδ) является постоянным. Точно так же компоненты тока, находящиеся в фазе с напряжением источника, одинаковы:
\[\begin{matrix}   I\cos (\theta )\text{ }=\text{constant} & {} & \left ( 9 \right) \\\end{matrix}\]
Таким образом, пунктирные линии, показанные на векторной диаграмме, представляют линии постоянной мощности. Если мощность постоянна, то кончик вектора CEMF будет заканчиваться на горизонтальной линии постоянной мощности, а текущий вектор будет заканчиваться на вертикальной линии постоянной мощности.
РИСУНОК 2: Векторная диаграмма для синхронного двигателя, показывающая влияние изменения возбуждения при постоянной нагрузке.
Эффект изменения нагрузки при постоянном возбуждении
Когда нагрузка на двигатель меняется, то кончик вектора С-ЭДС должен перейти на новый уровень, выше или ниже, в зависимости от изменения нагрузки .
Кроме того, если возбуждение не изменится, то величина С-ЭДС останется прежней.
Рисунок 3 представляет собой векторную диаграмму с начальным рабочим состоянием, показанным сплошными векторами. Нагрузка уменьшается вдвое при постоянном возбуждении, что приводит к новой векторной диаграмме, показанной пунктирными векторами.
С-ЭДС описывает круговую траекторию при переходе от исходного состояния к уменьшенной нагрузке, а линия постоянной мощности в новой рабочей точке в два раза меньше исходной линии постоянной мощности.
РИСУНОК 3: Векторная диаграмма для синхронного двигателя, показывающая влияние изменения нагрузки при постоянном возбуждении.
Вы нашли APK для Android? Вы можете найти новые бесплатные игры и приложения для Android.
Принцип работы синхронного двигателя
- Электродвигатель представляет собой электромеханическое устройство, преобразующее электрическую энергию в механическую.
- В зависимости от типа подключения электродвигатели обычно делятся на два типа: однофазный двигатель и трехфазный двигатель.
- Синхронный двигатель представляет собой трехфазный двигатель и очень похож на трехфазный генератор переменного тока.
- 3-фазный синхронный двигатель и 3-фазный асинхронный двигатель являются наиболее широко используемыми двигателями переменного тока.
- Синхронный двигатель также называется двигателем с двойным возбуждением.
Синхронный двигатель состоит из двух частей:
Статор : Статор представляет собой обмотку якоря. Он состоит из трехфазной обмотки, соединенной звездой или треугольником, и питается от трехфазного источника переменного тока.
Ротор: Ротор представляет собой обмотку возбуждения. Обмотка возбуждения возбуждается отдельным источником постоянного тока через контактное кольцо.
Конструкция ротора может быть явнополюсной (выступающей) и неявнополюсной (цилиндрической).

Принцип работы синхронного двигателя
- Синхронный двигатель работает по принципу магнитной блокировки .
- Когда два непохожих друг на друга сильных полюса непохожих магнитов соединяются вместе, между этими двумя полюсами возникает огромная сила притяжения. Говорят, что в таком состоянии два магнита равны с магнитным замком .
- Если теперь один из двух магнитов вращается, другие магниты также вращаются в том же направлении с той же скоростью из-за большой силы притяжения.
- Это явление называется магнитной блокировкой
Для условия магнитной блокировки должны быть два разноименных полюса и магнитные оси этих двух полюсов должны быть максимально приближены друг к другу.
- Рассмотрим синхронный двигатель, статор которого имеет 2 полюса.
- Обмотка статора возбуждается 3-фазным питанием переменного тока, а обмотка ротора — питанием постоянного тока соответственно. Таким образом, в синхронном двигателе создаются два магнитных поля.
- Когда 3-фазная обмотка питается от 3-фазного источника переменного тока, создается вращающееся магнитное поле или поток.
- Это магнитное поле или поток вращается в пространстве со скоростью, называемой синхронной скоростью.
- Вращающееся магнитное поле или вращающийся поток имеет фиксированную зависимость между числом полюсов, частотой переменного тока и скоростью вращения.
- Вращающееся магнитное поле создает эффект, аналогичный физическому вращению магнитов в пространстве с синхронной скоростью.
- Таким образом, для вращающегося магнитного поля
  , где F = Частота подачи
  P = Количество полюсов
Синхронный моторный действие
- Предположим, что статор 0120149108
- 014
  014
- 09
- . вращающиеся со скоростью N _s и направление вращения по часовой стрелке.
- Когда обмотка возбуждения ротора возбуждается источником постоянного тока, она создает два неподвижных полюса, т. е. N ₂ и S _{2 .}
- Для создания магнитной блокировки между полюсами статора и ротора, в отличие от полюсов N1 и S2 или N2 и S1, необходимо приблизить друг к другу.
- Поскольку полюса статора вращаются и благодаря магнитной блокировке полюса ротора будут вращаться в том же направлении вращающегося магнитного поля, что и полюса статора, с той же скоростью Н _с .
- Следовательно, синхронный двигатель вращается только с одной скоростью, которая равна синхронной скорости .
- Синхронная скорость зависит от частоты, поэтому при постоянной частоте питания скорость синхронного двигателя будет постоянной независимо от изменения нагрузки.
Особенности синхронного двигателя
- Он работает либо с синхронной скоростью, либо без нее. То есть во время движения он поддерживает постоянную скорость. Скорость не зависит от нагрузки.
- Это не самозапуск по своей сути. Он должен каким-то образом работать на синхронной скорости, прежде чем его можно будет синхронизировать с источником питания.
- Может работать в широком диапазоне коэффициентов мощности как с опережением, так и с отставанием.
- Он остановится, если во время работы противодействующий крутящий момент превысит максимальный крутящий момент, который может развить машина.
- Скоростью синхронного двигателя можно управлять с помощью инверторных блоков.
Применение синхронного двигателя.
Синхронный двигатель находит различное применение для следующих услуг:
- Коррекция коэффициента мощности
- Регулировка напряжения
- Постоянная скорость, приводы с постоянной нагрузкой
Коррекция коэффициента мощности
- Синхронный двигатель с избыточным возбуждением, имеющий опережающий коэффициент мощности, широко используется для улучшения коэффициента мощности в тех энергосистемах, в которых используется большое количество асинхронных двигателей.

Posted inДвигатель