Название синхронные относится к электрическим машинам переменного тока, в которых ротор и магнитное поле статора вращаются с одной и той же скоростью, т.е. синхронно.
Как и все электрические машины синхронные машины обратимы и могут работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. Трехфазные синхронные машины это обычно машины большой мощности.
По устройству статора синхронная машина не отличается от асинхронной. Обмотка статора обычно соединяется звездой. Отличие синхронной машины от асинхронной заключается в различной конструкции ротора.
Ротор синхронной машины представляет собой постоянный магнит. В машинах средней и большой мощности ротор превращается в постоянный магнит с помощью электрического тока, т.е. это электромагнит. Для этого на роторе располагается отдельная обмотка (сосредоточенная), которая называется обмоткой возбуждения, по ней протекает постоянный ток, который называется током возбуждения. Обмотка ротора вращается вместе с ротором, поэтому требуется устройство подвода тока. На роторе располагается 2 медных кольца, к которым подсоединены выводы обмотки ротора, к неподвижной части крепятся графитовые щетки в щеткодержателях, эти щетки скользят по кольцам, обеспечивая контакт.
Источник постоянного тока, служащий для создания тока возбуждения обычно называется возбудителем. В качестве возбудителя используется генератор постоянного тока, генератор переменного тока с выпрямителем, полупроводниковый выпрямитель управляемый или не управляемый.
По конструкции ротора синхронные машины делятся на два типа:
· машины, имеющие ротор с неявно выраженными полюсами, в этом случае ротор имеет вид гладкого цилиндра.
· синхронные машины, имеющие ротор с явно выраженными полюсами. Такой ротор делается в тихоходных машинах с большим числом пар полюсов.
Формула электромагнитного момента такая же как и для асинхронного двигателя:
Синхронный двигатель, как и асинхронный имеет физическое ограничение по моменту. Если к валу ротора приложить тормозной момент, то двигатель его преодолеет, но оси полюсов ротора и статора разойдутся на некоторый угол.
Изобразим условно вращающееся магнитное поле в виде магнита.
При увеличении момента сопротивления увеличивается угол расхождения полюсов ротора и статора.
Обычно угол Θ берут ≤ 30°, поэтому перегрузочная способность синхронного двигателя: больше чем у асинхронного двигателя.
Перегрузочную способность можно изменить воздействуя на ток возбуждения увеличивая ток возбуждения Iв увеличивается магнитный поток Ф0. увеличивается ЭДС E0 и увеличивается максимальный момент Mмакс .
Механическая характеристика синхронного двигателя абсолютно жесткая, при любом моменте сопротивления скорость его вращения одна и та же. Если Mс ≥ Mмакс. двигатель такой момент не преодолеет и остановится.
185.154.22.117 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам.
Основные части синхронного двигателя – это якорь (статор, неподвижная часть) и индуктор (ротор), разделенные воздушной прослойкой. В пазы статора закладывают трехфазную распределенную обмотку – обычно она соединяется «звездой».
Рис. 2 Схема синхронного двигателя
С началом работы двигателя тока, подаваемые в якорь, создают вращение магнитного поля, которое пересекает поле индуктора, что в результате взаимодействия двух полей переходит в энергию. Поле якоря чаще называют иначе – поле реакции якоря. В генераторах такое получают при помощи индуктора. Входящие в состав индуктора электромагниты постоянного тока принято называть полюсами. При этом индукторы во всех синхронных двигателях могут исполняться по двум схемам – явнополюсной и неявнополюсной, различающиеся между собой расположением полюсов. Чтобы уменьшить значение магнитного сопротивления и тем самым улучшить условия для прохождения магнитного потока, применяют ферромагнитные сердечники. Они располагаются в статоре и роторе, для их изготовления используют специальную марку стали – электротехническую, отличающую высоким содержанием кремния – это позволяет уменьшить вихревые токи и повысить электрическое сопротивление стали.
Рис. 3. Магнитные поля в синхронном двигателе
В основу работы синхронного двигателя положен принцип взаимного влияния полюсов индуктора и магнитного поля, индуцируемого якорем. При запуске осуществляется разгон двигателя до частоты, которая близка по своему значению частоте, с которой происходит в зазоре вращение магнитного поля. Только при выполнении этого условия двигатель переходит в функционирование в синхронном режиме. В данный момент пересекаются магнитные поля, инициируемые индуктором и ротором. Этот момент в технической литературе принято называть входом в синхронизацию.
Работа синхронного двигателя наглядно представлена на видео:
Длительное время в качестве разгонного двигателя использовался стандартный синхронный двигатель, который был механически соединен с синхронным. Благодаря этому, ротор на синхронном двигателе механически разгонялся до подсинхронной скорости, а затем уже самостоятельно, за счет взаимодействия электромагнитных полей, втягивался в синхронизм. Обычно при подборе мощности пускового двигателя исходили из соотношения 10-15% от номинальной мощности разгоняемого двигателя. Такого запаса мощности вполне хватало запустить синхронный двигатель не только в холостую, но даже и при незначительной нагрузке на валу.
Рис. 4 Синхронный двигатель (1) с внешним разгонным (2) двигателем
Такой способ разгона усложняет и существенно удорожает общую стоимость, поэтому в современных двигателях от него отказались в пользу разгона в состоянии асинхронного режима. В этом случае с помощью реостата (короткозамкнутым путем) обмотки индуктора замыкают, как в асинхронном двигателе. Чтобы провести запуск двигателя в таком режиме, на ротор устанавливают короткозамкнутую обмотку, выступающую одновременно и как успокоительная обмотка, устраняющая во время проведения синхронизации раскачивание ротора. В момент, когда скорость вращения достигнет требуемого номинального значения, в индуктор будет подан постоянный ток. Но для двигателей, в которых стоят постоянные магниты, все равно придется для разгона использовать внешние двигатели.
В криогенных синхронных машинах используется так называемая обращенная конструкция, при которой размещение индуктора и якоря выполнено наоборот, т.е. индуктор расположен на статоре, а якорь – на роторе. В таких машинах обмотки возбуждения состоят из материалов, обладающими свойствами сверхпроводимости.
Синхронный двигатель. Устройство синхронной машины. Работа синхронного двигателя. Сравнение синхронных и асинхронных двигателей
Синхронные машины используются в качестве источников электрической энергии (генераторов), электродвигателей и синхронных компенсаторов. Именно с помощью синхронных трехфазных генераторов вырабатывается электрическая энергия на электростанциях.
Синхронные двигатели в силу особых свойств, не получили широкого распространения. Синхронные трехфазные двигатели применяются обычно лишь в установках средней и большой мощности при редких пусках, в случаях, когда не требуется электрического регулирования скорости.
Наряду с этим, в системах управления, измерения, записи и воспроизведения звука, особенно для привода лентопротяжных и регистрирующих устройств, широко применяются синхронные микродвигатели.
Трехфазные синхронные генераторы, двигатели и синхронные компенсаторы в принципе имеют одинаковое устройство.
Рис. 1 Устройство синхронной машины с неявно выраженными полюсами (а ) и ротора машины с явно выраженными полюсами (б )
Неподвижная часть машины, называемая статором или якорем (рис. 1, а ), состоит из стального или чугунного корпуса 1, в котором закреплен цилиндрический сердечник 2 якоря.
Для уменьшения потерь на перемагничивание и вихревые токи сердечник набирают из листов электротехнической стали. В пазах сердечника якоря уложена трехфазных обмотка 3. В подшипниковых щитах, прикрепленных с торцевых сторон к корпусу, либо в стояках, закрепленных на фундаменте, расположены подшипники, несущие вал 4 вращающейся части машины – ротора или индуктора. На валу размещен цилиндрический сердечник 7 ротора, выполняемый из сплошной стали. В пазах сердечника ротора уложена обмотка возбуждения 8, питаемая постоянным током. Для присоединения обмотки возбуждения к внешней электрической цепи на валу укрепляют два изолированных друг от друга и от вала контактных кольца 6, к которым пружинами прижимаются неподвижные щетки 5. Обмотка 8 служит для возбуждения основного магнитного поля машины. Обмотка возбуждения с сердечником ротора представляют собой по существу электромагнит. Питание обмотки возбуждения осуществляется либо от генератора постоянного тока, вал которого механически связан с валом синхронной машины, либо через вентили от источника переменного тока. Мощность, необходимая для питания обмотки возбуждения, невелика и составляет 1 ÷ 3% от мощности машины.
На рис. 1, а показана двухполюсная синхронная машина с неявно выраженными полюсами ротора. Такие машины изготовляют на скорости 3000 об/мин. Синхронные машины, предназначенные для работы с меньшими скоростями (1500, 1000, 750 об/мин и т. д.), имеют явно выраженные полюса, число которых тем больше, чем меньше скорость. На рис. 1, б показано устройство ротора четырехполюсной машины с явно выраженными полюсами. Явно выраженные полюса 1 изготовляют из отдельных стальных листов или реже массивными и закрепляют на ободе 2 ротора с помощью винтов. Отдельные части (катушки) обмотки возбуждения 3, расположенные на явно выраженных полюсах, соединены между собой так, что северные и южные полюса чередуются.
Трехфазная обмотка якоря синхронных машин выполняется таким образом, что возбуждаемое ею вращающееся магнитное поле имеет всегда такое же число полюсов, как ротор.
При работе синхронной машины в качестве двигателя обмотка якоря подключается к трехфазному источнику переменного тока, в результате чего возникает вращающийся магнитный поток якоря Фя .
После разгона ротора двигателя до скорости n ≈ n0 его обмотка возбуждения подключается к источнику постоянного тока, и возникает магнитный поток Ф0. Благодаря взаимодействию вращающегося магнитного потока Фя и проводников обмотки ротора, питаемой постоянным током (или потоков Фя и Ф0 ) возникает вращающий момент, действующий на ротор, и он втягивается в синхронизм, т. е. начинает вращаться со скоростью n. равной скорости n0 вращающегося магнитного поля якоря.
При изменении нагрузки двигателя скорость вращения ротора остается постоянной (n = n0 ), однако положение ротора относительно вращающегося магнитного потока Фя изменяется. Так, при моменте статического сопротивления Мс = 0 ротор занимает положение относительно потока Фя . показанное на рис. 2, а .
Рис. 2 Возникновение крутящего момента синхронного двигателя
Момент двигателя в этом случае М = Мс = 0. Увеличение момента сопротивления Мс приводит к такому смещению ротора относительно потока Фя . при котором возникает вращающий момент М двигателя, уравновешивающий момент Мс (рис. 2, б )
Существенной особенностью синхронного двигателя является то, что вращающий момент возникает у него в том случае, когда скорость вращения ротора n равна скорости n0 вращающегося магнитного поля якоря Фя . Возникновение вращающего момента при равенстве скоростей n и n0 у синхронного двигателя объясняется тем, что ток в его обмотке возбуждения появляется вследствие питания обмотки возбуждения от источника постоянного тока.
Скорость вращающегося магнитного поля якоря, а значит, ротора синхронного двигателя определяется по формуле
Для получения различных скоростей синхронные двигатели изготовляют с различными числами пар полюсов p .
При частоте f = 50 Гц скорости вращения синхронных двигателей будут равны 3000, 1500, 1000, 755 об/мин и т. д.
Обмотки статора обоих двигателей получают питание от сети трехфазного переменного тока. Для питания обмотки возбуждения синхронного двигателя требуется, кроме того, источник электрической энергии постоянного тока, правда, относительно небольшой мощности.
Асинхронный пуск синхронных двигателей несколько сложнее пуска асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором. В отношении пусковых свойств асинхронные двигатели с фазным ротором имеют весьма существенные преимущества перед синхронными двигателями.
Частота вращения синхронных двигателей остается постоянной при изменении нагрузки, тогда как у асинхронных двигателей даже при их работе на естественной характеристике она несколько изменяется.
Асинхронные двигатели дают возможность регулировать частоту вращения различными способами (изменением числа пар полюсов, измерением частоты напряжение источника питания). Синхронные двигатели относятся к двигателям с нерегулируемой частотой вращения.
Воздействуя на ток возбуждения синхронного двигателя, можно в широких пределах изменять его коэффициент мощности. Можно, в частности, заставить синхронный двигатель работать с cosφ = 1, а также с опережающим током. Последнее может быть использовано для улучшения коэффициента мощности других потребителей, питающихся от той же сети. В отличие от этого асинхронный двигатель представляет собой активно-индуктивную нагрузку и имеет всегда cosφ < 1.
Из-за малых потерь мощности в роторе, а также в обмотке статора при работе с высоким cosφ к.п.д. синхронных двигателей оказывается больше, а масса и габаритные размеры меньше, чем у асинхронных двигателей.
Учитывая указанные достоинства синхронных двигателей, стараются везде, где это возможно, вместо асинхронных двигателей применять синхронные. Они применяются обычно в установках средней и большой мощности при редких пусках, в случаях, когда не требуется электрического регулирования частоты вращения. Синхронные двигатели используются, например, для привода насосов, компрессоров, вентиляторов, генераторов постоянного тока преобразовательных установок.
Источники: http://studopedia.ru/10_137215_printsip-deystviya-i-ustroystvo-sinhronnogo-dvigatelya.html, http://megaobuchalka.ru/6/50016.html, http://xn—-etb8afbn2f.xn--p1ai/electrical-engineering/23-princip-deystviya-i-konstrukciya-sinhronnyh-dvigateley.html
electricremont.ru
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.
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
В принципе, его строение практически аналогично 3-фазному асинхронному двигателю, за исключением того факта, что на ротор подается источник постоянного тока (в этом мы разберёмся позже). А пока рассмотрим основное строение данного типа двигателя.
На рисунке показано устройство этого типа двигателя. На статор подается 3-х фазное напряжение, а на ротор – источник постоянного тока.
Строение синхронного двигателяОсновные свойства синхронных двигателей:
Видео: Строение и принцип 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.
www.asutpp.ru
При желании синхронный генератор может исполнять роль электрического двигателя. Такой двигатель также будет носить название синхронного. Наиболее часто встречаются электродвигатели с тремя фазами. Устройство синхронного двигателя основано на том, что в его статоре обмотка запитана от трехфазного переменного тока, в то время, как обмотка ротора подключена к постоянному напряжению. Трехфазный переменный ток вызывает в обмотках статора вращающееся магнитное поле, скорость вращения которого находится в зависимости количества полюсов статора и частоты переменного тока.
Если в обмотку ротора включен постоянный ток, то ротор не будет вращаться, поскольку он не может трогаться самостоятельно. Это связано с тем, что магнитное поле статора не может в одно мгновение обеспечить синхронную скорость ротора и привести его во вращающееся состояние. У любого ротора относительно большая масса и инерция, поэтому, он и не может самостоятельно тронуться с места. Для того, чтобы запустить синхронный электродвигатель, применяются специальные устройства.
Ценным качеством синхронного двигателя служит небольшое потребление реактивного тока, а в процессе работы он начинает отдавать реактивный ток в сеть. Таким образом, при механической нагрузке, двигатель одновременно становится генератором реактивной мощности или реактивного тока. Этот факт приобретает особое значение, когда рядом с синхронным электродвигателем расположен трансформатор или асинхронный двигатель, потребляющий реактивную мощность. В этом случае отпадает необходимость забирать реактивный ток с электростанции, отчего происходит уменьшение тока в проводах.
Следует отдельно остановиться на пусковом устройстве. В результате работы этого устройства значительно снижается пусковой ток и облегчается пуск агрегата. Само устройство пуска работает в общей связке двигатель-трансформатор. Необходимо учитывать отсутствие у синхронного двигателя пускового момента, связанного с изменением направления магнитного вращающего момента, воздействующего на неподвижный ротор. Повышенная инерционность не позволяет ротору сдвинуться с места и развить нужное количество оборотов.
В настоящее время запуск синхронного электродвигателя осуществляется с помощью асинхронного пуска. Для этого используется короткозамкнутая дополнительная обмотка, укладываемая в пазы полюсов ротора. В этой обмотке под воздействием вращающегося магнитного поля, происходит индукция вихревых токов, приводящая к образованию асинхронного электромагнитного момента, который и вызывает вращение ротора.
Само устройство синхронного двигателя позволяет использовать его в самых различных вариантах. Он используется в тех областях, где другие варианты просто неприемлемы.
electric-220.ru
Синхронный электродвигатель – это устройство, преобразующее электрическую энергию в механическую. Его также можно использовать в качестве генератора. Чаще всего он применяется в компрессорах, прокатных станках, поршневых насосах и другом подобном оборудовании. Рассмотрим принцип действия синхронного электродвигателя, его характеристики и свойства.
Строение агрегата данного вида типично. Двигатель состоит из:
Статор представляет собой сердечник, состоящий из обмоток, который заключен в корпус. Индуктор комплектуется электромагнитами постоянного тока (полюсами). Конструкция индуктора может быть двух видов – явнополюсная и неявнополюсная. В статоре и роторе расположены ферромагнитные сердечники, изготовленные из специальной электротехнической стали. Они необходимы для уменьшения магнитного сопротивления и улучшения прохождения магнитного потока.
Частота вращения ротора в синхронном двигателе равна частоте вращения магнитного поля. Независимо от подключаемой нагрузки частота ротора неизменна, так как число пар полюсов магнитного поля и ротора совпадают. Их взаимодействие обеспечивает постоянную угловую скорость, не зависящую от момента, приложенного к валу.
Самые распространенные типы такого рода агрегатов – однофазный и трехфазный. Принцип работы синхронного электродвигателя в обоих случаях примерно одинаков. После подключения обмотки якоря к сети ротор остается неподвижным, в то время как постоянный ток поступает в обмотку возбуждения. Направление электромагнитного момента меняется дважды за время одного изменения напряжения. При значении среднего момента равном нулю, ротор под влиянием внешнего момента (механического воздействия) разгоняется до частоты, близкой по значению частоте вращения магнитного поля в зазоре, после чего двигатель переходит в синхронный режим.
В трехфазном устройстве проводники расположены под определенным углом относительно друг друга. В них возбуждается вращающееся с синхронной скоростью электромагнитное поле.
Разгон двигателя может осуществляться в двух режимах:
Хотя асинхронные двигатели считаются более надежными и дешевыми, их синхронные «собратья» имеют некоторые преимущества и широко применяются в различных областях промышленности. К отличительным характеристикам синхронного электродвигателя можно отнести:
Синхронным двигателям также присущи некоторые недостатки:
Однако в некоторых случаях использование синхронных двигателей предпочтительнее:
Таким образом, «плюсы» двигателей такого типа значительно превосходят «минусы», поэтому на данный момент они высоко востребованы.
Изучив синхронный двигатель, устройство и принцип его действия и учтя условия, в которых он будет эксплуатироваться, вы сможете быстро и с легкостью подобрать оптимально подходящий для ваших целей тип агрегата (защищенный, закрытый, открытый) и использовать его с максимальной эффективностью.
www.szemo.ru
Синхронный электродвигатель – это устройство, преобразующее электрическую энергию в механическую. Его также можно использовать в качестве генератора. Чаще всего он применяется в компрессорах, прокатных станках, поршневых насосах и другом подобном оборудовании. Рассмотрим принцип действия синхронного электродвигателя, его характеристики и свойства.
Строение агрегата данного вида типично. Двигатель состоит из:
Статор представляет собой сердечник, состоящий из обмоток, который заключен в корпус. Индуктор комплектуется электромагнитами постоянного тока (полюсами). Конструкция индуктора может быть двух видов – явнополюсная и неявнополюсная. В статоре и роторе расположены ферромагнитные сердечники, изготовленные из специальной электротехнической стали. Они необходимы для уменьшения магнитного сопротивления и улучшения прохождения магнитного потока.
Частота вращения ротора в синхронном двигателе равна частоте вращения магнитного поля. Независимо от подключаемой нагрузки частота ротора неизменна, так как число пар полюсов магнитного поля и ротора совпадают. Их взаимодействие обеспечивает постоянную угловую скорость, не зависящую от момента, приложенного к валу.
Самые распространенные типы такого рода агрегатов – однофазный и трехфазный. Принцип работы синхронного электродвигателя в обоих случаях примерно одинаков. После подключения обмотки якоря к сети ротор остается неподвижным, в то время как постоянный ток поступает в обмотку возбуждения. Направление электромагнитного момента меняется дважды за время одного изменения напряжения. При значении среднего момента равном нулю, ротор под влиянием внешнего момента (механического воздействия) разгоняется до частоты, близкой по значению частоте вращения магнитного поля в зазоре, после чего двигатель переходит в синхронный режим.
В трехфазном устройстве проводники расположены под определенным углом относительно друг друга. В них возбуждается вращающееся с синхронной скоростью электромагнитное поле.
Разгон двигателя может осуществляться в двух режимах:
Хотя асинхронные двигатели считаются более надежными и дешевыми, их синхронные «собратья» имеют некоторые преимущества и широко применяются в различных областях промышленности. К отличительным характеристикам синхронного электродвигателя можно отнести:
Синхронным двигателям также присущи некоторые недостатки:
Однако в некоторых случаях использование синхронных двигателей предпочтительнее:
Таким образом, «плюсы» двигателей такого типа значительно превосходят «минусы», поэтому на данный момент они высоко востребованы.
Изучив синхронный двигатель, устройство и принцип его действия и учтя условия, в которых он будет эксплуатироваться, вы сможете быстро и с легкостью подобрать оптимально подходящий для ваших целей тип агрегата (защищенный, закрытый, открытый) и использовать его с максимальной эффективностью.
www.szemo.kz
Синхронные машины, как и другие электрические машины, обратимы, т. е. они могут работать как в генераторном, так и двигательном режиме. Для того чтобы синхронная машина работала двигателем, трехфазную обмотку статора подключают к трехфазной системе напряжения. Протекающие по обмоткам статора токи создают вращающиеся поле статора, которое сцепляется с постоянным магнитным потоком ротора и заставляют вращаться ротор в направлении своего вращения, об/мин
. (18.1)
Система возбуждения магнитного поля ротора синхронных двигателей принципиально не отличается от системы возбуждения генераторов. И хотя синхронные машины обратимы, электротехническая промышленность выпускает синхронные машины, предназначенные для работы только в генераторном или только в двигательном режиме, так как особенности работы машины в том или ином случае предъявляют различные требования к конструкции машины.
Синхронные двигатели имеют по сравнению с асинхронными большое преимущество, заключающееся в том, что благодаря возбуждению постоянным током они могут работать с 
и не потребляют при этом реактивной мощности из сети, а при работе с перевозбуждением даже отдают реактивную мощность в сеть.
U-образные характеристики синхронных двигателей имеют такой же вид, что и для генераторов.
И при перевозбуждении синхронный двигатель по отношению к сети является емкостью (рис. 18.1).
Рис. 18.1. U-образные характеристики синхронного двигателя
В результате улучшается коэффициент мощности сети, уменьшаются падение напряжения в ней и потери мощности.
Максимальный момент синхронного двигателя пропорционален U, а асинхронного двигателя – U2. Поэтому при понижении напряжения синхронный двигатель сохраняет большую перегрузочную способность.
Вследствие большей величины воздушного зазора добавочные потери в стали и в клетке ротора синхронных двигателей меньше, чем у асинхронных благодаря чему кпд синхронных двигателей обычно выше.
К тому же синхронные двигатели имеют абсолютно жесткие механические характеристики, т. е. постоянство частоты вращения при изменении нагрузки на валу.
Одним из недостатков синхронных двигателей являются плохие пусковые свойства. Пуск синхронного двигателя нормального исполнения непосредственным включением в сеть невозможен, так как ротор из-за своей значительной инерции не может быть сразу увлечен вращающимся полем статора, частота вращения которого устанавливается мгновенно.
В результате устойчивая магнитная связь между статором и ротором не возникают. Для пуска синхронного двигателя применяют специальные способы, назначение которых состоит в предварительном приведении ротора во вращение до синхронной или близкой к ней частоте вращения, при которой между статором и ротором устанавливается устойчивая магнитная связь.
Пуск синхронных двигателей может быть:
– при помощи разгонного двигателя;
– частотным;
– асинхронным.
При пуске синхронного двигателя с помощью разгонного двигателя может использоваться асинхронный, имеющий большую, чем синхронную частоту вращения, или двигатель постоянного тока, если есть источник постоянного тока. Пуск с помощью разгонного двигателя применяется редко, так как разгонный двигатель используется только при пуске.
При частотном пуске обмотка статора синхронного двигателя подключается к преобразователю частоты. Синхронный двигатель с частотным пуском входит в синхронизм при малых частотах. Частотный пуск удобно использовать, если преобразователь частоты можно применять для пуска нескольких двигателей.
Наиболее распространенным является асинхронный пуск. Этот способ пуска возможен при наличии в полюсных наконечниках ротора пусковой короткозамкнутой обмотки (клетки). Схема включения двигателя при этом способе приведена на рис. 18.2.
Невозбужденный синхронный двигатель включают в сеть. Возникшее при этом вращающееся магнитное поле статора наводит в стержнях пусковой клетки эдс, которые создают токи I2. Взаимодействие этих токов с полем статора вызывает вращение ротора. После разгона ротора до частоты вращения близкой к синхронной ( 
) обмотку возбуждения подключают к источнику постоянного тока. Образующийся при этом синхронный момент втягивает ротор двигателя в синхронизм.
В процессе асинхронного пуска магнитный поток статора наводит в обмотке возбуждения ротора эдс, особенно значительной величины в начальный период пуска, так как скорость пересечения полем статора обмотки ротора в этот период наибольшая. Из-за большого числа витков обмотки возбуждения эта эдс достигает значений, опасных как для целости изоляции самой обмотки, так и для обслуживающего персонала. Для исключения этого обмотку возбуждения на период разгона замыкают на активное сопротивления r переключателем П (рис. 18.2).
Конструкция синхронных двигателей сложнее, чем короткозамкнутых асинхронных двигателей. Кроме того, синхронные двигатели должны иметь возбудитель или иное устройство для питания обмотки возбуждения постоянным током. Вследствие этого синхронные двигатели дороже асинхронных короткозамкнутых двигателей.
7. ПРИНЦИП ПОЛУЧЕНИЯ ВРАЩАЮЩЕГОСЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ СТАТОРА 3000 об\мин.
8. ПРИНЦИП ПОЛУЧЕНИЯ ВРАЩАЮЩЕГОСЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ СТАТОРА 1500 об\мин.
Принцип получения вращающегося магнитного поля
Действие асинхронной машины основано на возможности возбуждения в ее воздушном зазоре вращающегося магнитного поля. Для возбуждения такого поля необходимо создать пространственный сдвиг токов в катушках.
Принцип получения вращающегося магнитного поля можно рассмотреть на простейшем трехфазном двигателе (рис. 1.1). Он состоит из стального кольцевого сердечника с шестью пазами и трех катушек, оси катушек находятся под углом 120° в пространстве. Каждая катушка условно изображена в виде одного витка, уложенного в два диаметрально противоположных паза; начала и концы катушек обозначены соответственно A, B, C и X, Y, Z.
Если на катушки подать трехфазную симметричную систему напряжений, то в них возникнут токи одинаковой частоты и амплитуды, периодические изменения которых относительно друг друга совершаются с запаздыванием на 1/3 периода Т. Графики изменения токов iA, iB, iC в катушках A-X, B-Y, C-Z представлены на рис. 1.2.
Условимся считать ток в любой катушке положительным, когда он направлен от начала катушки к её концу, и отрицательным, если направление обратное. Построим картину результирующего поля для момента времени t1 (рис. 1.2). Ток в фазе А (катушка A–X) положителен и максимален. Направление тока iA в сторонах катушки при условном разрезе статора обозначено в сечении витка крестиком (движение тока от нас) и точкой (движение тока к нам) (рис. 1.3, а).
| Рис. 1.1. Расположение трехкатушечной обмотки в пазах статора | Рис. 1.2. График трехфазной системы токов |
Рис. 1.3. Картина магнитного поля при максимальном положительном токе: а – катушке А–Х; б – катушке В–Y; в – катушке С–z
Из графиков токов (рис. 1.2) следует, что в рассматриваемый момент времени t1 токи во второй катушке (B–Y) и в третьей (C–Z) отрицательны, т. е. направлены от концов катушек к их началам. Зная направления токов в сторонах катушек, можно построить приближенную картину результирующего поля, руководствуясь правилом правоходового винта. В рассматриваемый момент времени правая половина внутренней поверхности цилиндрического сердечника представляет собой северный полюс N, а левая – южный полюс S. При этом ось вращающегося магнитного поля располагается по оси той катушки, в которой ток максимален.
Для момента времени t2 ток во второй катушке (B–Y) будет положительным и максимальным, а токи в первой катушке (A–X) и третьей (C–Z) – отрицательными. Аналогично рассуждая, можно построить картину результирующего поля, показанную на рис. 1.3, б. Из неё видно, что ось магнитного поля занимает новое положение в пространстве, совпадая с осью катушки B–Y.
Также строится картина результирующего поля для момента времени t3, когда ток в третьей катушке положителен и максимален (рис. 1.3, в).
Если изменить порядок чередования токов в катушках обмотки статора на обратный (поменять два вывода катушек их подсоединением к сети), то результирующее магнитное поле изменит своё направление вращения.
Из рассмотренных картин поля, изображенных на рис. 1.3, следует, что в этом двигателе образуется поле с одной парой полюсов (р = 1). В этом случае ось поля за время периода Т совершает один оборот. При частоте 50 Гц за одну секунду будет совершенно 50 оборотов, а за одну минуту 3000 оборотов.
Принцип получения вращающегося магнитного поля с частотой вращения 1500 оборотов в минуту
Если уложить три катушки не по всей длине поверхности внутри кольцевого сердечника, а только на половине окружности, а во второй половине расположить еще три катушки (рис. 1.4) и эти катушки электрически включить, например, как показано на рис. 1.5, то получим четырехполюсное магнитное поле, картина которого показана для момента времени t1 (см. рис. 1.2).Теперь за один период изменения тока трехфазной системы магнитное поле переместится только на пол-оборота (180°).
infopedia.su
Устройство синхронных машин. Синхронные машины вне зависимости от режима работы состоят из двух основных частей: неподвижного статора, выполняющего функции якоря и ротора, вращающегося внутри статора и служащего индуктором (рис. 4.1).
Статор трехфазной синхронной машины аналогичен статору трехфазного асинхронного двигателя. Он состоит из корпуса /, цилиндрического сердечника 2, набранного из отдельных пластин электротехнической стали, и трехфазной обмотки 3, уложенной в пазы сердечника.
Ротор синхронной машины представляет собой электромагнит постоянного тока, который создает магнитное поле, вращающееся вместе с ротором. Ротор имеет обмотку возбуждения 4, которая через специальные контактные кольца 5 питается постоянным током от выпрямителя или от небольшого генератора постоянного тока, называемого возбудителем.
В отечественной энергетике также используются синхронные машины с «бесщеточным» возбуждением. Обмотка ротора таких машин питается от выпрямителя, вращающегося вместе с ротором. Выпрямитель в свою очередь получает питание от возбудителя, имеющего вращающуюся вместе с ротором трехфазную обмотку, возбуждаемую неподвижными постоянными магнитами.
Роторы синхронных машин бывают двух типов: с явно выраженными и неявно выраженными полюсами.
Роторы с явно выраженными полюсами (рис. 4.1) применяются в сравнительно тихоходных машинах (80 – 1000 об/мин), например гидрогенераторах; они имеют значительноечисло полюсов. Конструктивно роторы этого типа (рис. 4.2) состоят из вала 6, ступицы 7, полюсов 8, укрепляемых в шлицах ступицы, полюсных катушек 4 возбуждения, размещенных на полюсах. Поверхность полюсного наконечника полюсов имеет такой профиль, что магнитная индукция в воздушном зазоре машины распределяется примерно по синусоидальному закону. Для быстроходных машин (турбогенераторы, синхронные двигатели, турбокомпрессоры и т. п.) явнополюсная конструкция ротора неприменима из-за сравнительно большого диаметра ротора и возникающих в связи с этим недопустимо больших центробежных сил.
Большей механической прочностью обладает ротор с неявно выраженными полюсами. Он состоит (рис. 4.3) из сердечника 1 и обмотки возбуждения 2. Сердечник изготовляется из стальной поковки цилиндрической формы. На его внешней поверхности фрезеруются пазы, в которые закладывается обмотка возбуждения.
Обмотка возбуждения распределяется в пазах сердечника так, чтобы создаваемое ею магнитное поле было распределено в пространстве по закону, близкому к синусоидальному.
Принцип работы и ЭДС синхронного генератора. Работа синхронного генератора основана на явлении электромагнитной индукции. При холостом ходе обмотка якоря (статора) разомкнута, и магнитное поле машины образуется только обмоткой возбуждения ротора (рис. 4.4). При вращении ротора синхронного генератора от проводного двигателя ПД с постоянной частотой nо магнитное поле ротора, пересекая проводники фазных обмоток статора AX, BY, CZ (рис.4.4,а) наводит в них ЭДС 
, где B – магнитная индукция в воздушном зазоре между статором и ротором; l – активная длина проводника; 
– линейная скорость пересечения проводников магнитным полем.
Выше отмечалось, что индукция В в воздушном зазоре распределена по синусоидальному закону 
, где 
- угол, отсчитываемый от нейтральной линии, поэтому ЭДС в одном проводнике 
.
Обозначив
, получим 
, т.е. ЭДС в проводниках обмоток статора изменяется по синусоидальному закону.
ЭДС отдельных проводников каждой обмотки статора сдвинуты по фазе относительно друг друга, поэтому они суммируются геометрически (аналогично ЭДС статора асинхронного двигателя – см. п. 3.8.1). Действующее значение ЭДС одной фазы определяется выражением:
где 
– обмоточный коэффициент; 
– частота синусоидальных ЭДС; 
- число витков одной фазы обмотки статора; 
- число пар полюсов; 
– максимальный магнитный поток полюса ротора; 
– синхронная частота вращения.
Катушки отдельных фаз статора сдвинуты в пространстве на электрический угол, равный 1200, и их ЭДС образуют симметричную трёхфазную систему.
Изменяя ток возбуждения 
, можно регулировать магнитный поток ротора и пропорциональную ему ЭДС 
генератора. На рис. 4.5 представлена зависимость 
, снятая при номинальной частоте вращения 
.
Эта зависимость называется характеристикой холостого хода. Форма характеристики напоминает форму кривой намагничивания ферромагнитного сердечника. Характерной особенностью её является отсутствие пропорциональности между магнитным потоком 
и током возбуждения , что обусловлено явлением насыщения магнитной системы машины.
Принцип действия и вращающий момент синхронного двигателя. Принцип действия синхронного двигателя основан на явлении притяжения разноименных полюсов двух магнитных полей – статора и ротора. Вращающееся поле статора с полюсами N и S создается при питании обмоток статора от трёхфазной сети аналогично вращающемуся полю асинхронного двигателя (на рис. 4.6 полюсы статора N и S показаны штриховкой, вращаются они против часовой стрелки с частотой 
). Поле ротора создается постоянным током, протекающим по обмотке ротора.
Предположим, что ротор каким-либо способом разогнан до синхронной частоты вращения 
против часовой стрелки. Тогда полюсы ротора 
и 
будут вращаться с частотой ; произойдет «сцепление» этих полюсов с разноименными полюсами статора 
и 
(см. штрихованные линии на рис. 4.6).
В режиме идеального холостого хода (момент сопротивления 
) оси магнитных полей статора и ротора совпадают (рис. 4.6.а). При этом на полюсы ротора действуют радиальные силы 
и
, которые не создают ни вращающего момента, ни момента сопротивления.
Если к валу машины приложить механическую нагрузку, которая создает момент сопротивления 
, ось ротора и его полюсов , сместится в сторону отставания на угол 
(рис. 4.6,б). Теперь вращающее поле статора как бы “ведёт” за собой поле ротора и сам ротор. Тангенциальные составляющие 
и 
создают вращающий момент 
, где 
- радиус ротора.
Машина работает в двигательном режиме, её вращающий момент 
преодолевает момент сопротивления механической нагрузки.
При увеличении момента механической нагрузки на валу ротора угол увеличивается (до некоторого предела), что приводит к увеличению вращающегося момента двигателя 
, причем частота вращения ротора остается неизменной и равной .
Противодействующий момент и противо-ЭДС. При работе синхронной машины в режиме нагруженного генератора (на схеме рис. 4.4,б нагрузка Zн подключена к обмоткам статора через выключатель Q) по обмоткам статора протекает ток, который создает своё вращающееся магнитное поле. В генераторном режиме, в отличие от двигательного режима, полюсы ротора опережают на угол полюсы магнитного поля статора. В результате взаимодействия разноименных полюсов статора и ротора на ротор действует момент, направленный против вращения, т.е. тормозной момент 
. В установившемся режиме момент уравновешивает вращающийся момент приводного двигателя: 
.
При работе синхронной машины в режиме двигателя поле ротора пересекает витки трехфазной обмотки статора и в ней индуцируется ЭДС, которая согласно правилу Ленца действует навстречу току статора. По этой причине её называют противо-ЭДС. В установившемся режиме противо-ЭДС почти полностью уравновешивает напряжение сети 
.
Таким образом, при работе синхронной машины на нагрузку (электрическую или механическую) в обмотке статора индуцируется ЭДС Е и возникает момент ротора 
.
Реакция якоря в синхронной машине. Реакция якоря – это воздействие поля якоря (статора) на магнитное поле машины. При работе синхронной машины на нагрузку (электрическую в режиме генератора и механическую в режиме двигателя) по обмоткам статора (якоря) протекают синусоидальные токи, которые создают вращающееся магнитное поле статора. Ротор имеет частоту вращения , поэтому частота ЭДС и тока статора 
, где - число пар полюсов машины. Частота вращения магнитного поля статора 
. Следовательно, поля ротора и статора вращаются с одной и той же частотой ; они взаимодействуют между собой и образуют результирующее вращающееся магнитное поле машины. Взаимодействие полей зависит от характера нагрузки и режима работы машины.
Рассмотрим реакцию якоря на примере двухполюсного синхронного генератора с неявно выраженными полюсами ротора, работающего на различную по характеру нагрузку 
.
При активной нагрузке с сопротивлением R ЭДС фазы обмотки статора и её ток совпадают по фазе и достигают максимума в тот момент, когда ось mm1 магнитного потока ротора Ф0 перпендикулярна оси nn1 катушки обмотки статора (например, АX на рис. 4.7,а). Магнитный поток статора Фя замыкается по сердечникам статора и ротора через воздушный зазор. Таким образом, в случае активной нагрузки ось потока ротора Ф0 опережает ось потока статора Фя на электрический угол, равный 900 (поперечная реакция якоря). При этом результирующий магнитный поток машины 
(ось qq1) поворачивается относительно потока ротора Ф0на угол в направлении, противоположном направлению вращению ротора.
При чисто индуктивной нагрузке XL ток в обмотке статора отстаёт от ЭДС на 900 и поэтому достигает максимума в тот момент времени, когда полюс ротора повернётся на 900 по направлению вращения (рис. 4.7,б). В этом случае магнитный поток статора оказывается направленным навстречу магнитному потоку ротора и размагничивает машину ().
При емкостной нагрузке XC ток в фазе статора опережает ЭДС на 900 и поэтому достигает максимума в тот момент, когда полюс ротора не доходит на 900 до оси mm1 (рис. 4.7,в). Магнитный поток статора в этом случае оказывается направленным согласно с магнитным потоком ротора и намагничивает машину ().
При работе синхронной машины в режиме двигателя ток в статоре при том же направлении вращения имеет противоположное направление. Ось результирующего потока двигателя оказывается повернута относительно потока ротора на угол , но не против направления вращения, как у генератора, а по направлению вращения.
Таким образом, реакция якоря в синхронной машине изменяет как поток машины, так и его направление (в отличие от асинхронной машины, у которой 
). Изменение Фрез приводит к изменению ЭДС, что неблагоприятно сказывается на работе потребителей электроэнергии при работе машины в режиме генератора. Уменьшение неблагоприятного влияния реакции якоря достигается уменьшением магнитного потока статора за счёт увеличения воздушного зазора между ротором и статором синхронной машины.
electrono.ru
