Синхронный электродвигатель принцип работы

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.

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.

Синхронные двигатели: устройство и принцип действия

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.

Запуск установки

При использовании синхронных двигателей возникает масса трудностей на этапе их запуска. Из-за этого они не пользуются особой популярностью и уступают асинхронным вариантам.

С момента появления на рынке работа синхронных агрегатов обеспечивалась специальным асинхронником, который механически соединялся с остальными узлами. По сути, ротор разгонялся до нужной частоты с помощью второго типа моторов. Современные асинхронники не нуждаются в подключении дополнительных механизмов, и все, что требуется для их работы, — соответствующее напряжение для статорной обмотки.

Как только система обеспечит нужную скорость вращения, разгонный двигатель будет отключен. При этом магнитные поля из электрического мотора выведут его на работу в синхронном режиме. Чтобы разогнать установку, придется задействовать еще один мотор мощностью 10% от мощности синхронного двигателя. При разгоне электродвигателя на 1 кВт используют разгонную систему мощностью 100 Вт. Как утверждают специалисты, таких показателей вполне хватает для сбалансированной работы машины в холостом режиме или с небольшой нагрузкой.

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:

• Конструктивно используется и как двигатель, и как генератор.
• Частота вращения, не зависящая от нагрузки.
• Большой коэффициент полезного действия.
• Малая трудоёмкость в ремонте и обслуживании.
• Высокая степень надёжности.

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:

• Требуется источник постоянного тока для питания индуктора.
• Отсутствует начальный пусковой момент, для запуска требуется применение внешнего момента или асинхронного пуска.
• Щётки и коллекторы быстро выходят из строя.

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:

• Питание непосредственно от сетей переменного тока.
• Простоту устройства и сравнительно невысокую стоимость.
• Возможность использования в бытовых приборах с применением однофазного подключения.
• Низкое потребление энергии и экономичность.

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

Какой лучше

Итак, в статье были разобраны устройство и принцип действия двух видов электродвигателей. Говорить о том, что какой-то из них лучше, нельзя. Но отметим, что асинхронные модели проще в конструктивном аспекте. Они надежнее в эксплуатации. Если их не перегружать, то срок службы может быть очень длительным. К сожалению, синхронные виды этим похвастаться не могут. Графитовые щетки быстро изнашиваются, им требуется замена. Но если не уследить, и графит сотрется полностью, то металлические держатели щеток начнут истирать токосъемное кольцо. А его выход из строя – это не только полный выход из строя двигателя, это большое количество искр (трение металла о металл) и возможность появления более серьезных неприятностей.

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.

7.3.1. Усройство и принцип действия синхронного электродвигателя.

Характерный признак синхронного
двигателя – вращение рото­ра с
синхронной частотой n₁
=
ƒ₁60
/pнезависимо от нагрузки на валу. Поэтому
синхронные двигатели используют в
системах автоматики для привода
механизмов, требующих строго стабильной
частоты вращения.

Синхронный двигатель, как и асинхронный,
состоит из непод­вижного статора и
вращающегося ротора, разделенных
воздушным зазором (у синхронных двигателей
этот зазор несколько больше). Существуют
конструктивные разновидности исполнения
синхронных двигателей малой мощности,
отличающиеся в основном устройством
ротора: явнополюсные с электромагнитным
возбуждением, явнополюсные с возбуждением
постоянными магнитами, явнополюсные
ре­активные (с невозбужден-ным ротором),
неявнополюсные гистерезисные.

Рассмотрим синхронные явнополюсные
двигатели с
электромаг­нитным возбуждением.

Эти двигатели изготавливаются обычно
мощностью в несколько киловатт и более
и поэтому в устройствах автоматики
широкого при­менения не получили.
Однако основные положения теории этих
дви­гателей используются при изучении
синхронных двигателей малой мощности
с возбуждением постоянными магнитами
и других типов.

Для изучения принципа действия синхронного
явнополюсного двигателя с электромагнитным
возбуждением используем модель,
представляющую собой две разделенные
воздушным зазором магнит­ные системы
с явно выраженными полюсами – внешнюю
1и внут­реннюю
2(рис.
6). Если внешняя система полюсов неподвижна,
то благодаря силам магнитного притяжения
внутренняя система полю­сов (ротор)
расположится так, что ее полюсы будут
находиться под полюсами внешней системы
противоположной полярности. При этом
силы
F_Mмагнитного притяжения, действу-ющие
на внутреннюю сис­тему, не будут
создавать электромагнитного момента
(рис. 7,а), так как они направлены
радиально (по оси полюсов).

Если внешнюю систему полюсов вращать
с небольшой частотой n₁, то в
начальный момент времени эта система
сместится относи­тельно внутренней
на некоторый угол θ (рис. 7,б). При
этом вектор силы магнитного притяженияF_Mтакже повернется относительно оси
полюса ротора. Теперь эта сила состоит
из двух составляющих:F_M=
F_n
+ F_t
причем нормальная составляющая
F_nнаправлена по оси полюса рото-

— 4 —

ра,
а тангенциальная
F_t–
перпендикулярно оси полюса. Совокупность
составляющих
F_tдействующих
на все полюсы ротора, создает на роторе
электромагнитный вращающий моментМ,
приво­дящий ротор во вращение с
синхронной частотойn₁, т. е.
синхронно вращению внешней системе
полюсов.

Рис.
6. Упрощенная модель синхронного

двигателя:
Рис. 7. Возникновение
электромагнитного

а
– внешняя магнитная система;
момента на роторе синхронного

б
– внутренняя магнитная система.
двигателя.

Трехфазный синхронный двигатель
отличается от рассмотрен­ной модели
тем, что в нем вместо внешней системы
полюсов име­ется неявнополюсный
статор с распределенной трехфазной
обмот­кой, аналогичный статору
асинхронного трехфазного двигателя.
Ротор синхронного двигателя – явнополюсной
конструкции с электромагнитным
возбуждением. При этом на полюсах ротора
2 располагают
полюсные

катушки
3(рис. 8), которые при последо­вательном
соединении обра­зуют обмотку возбуждения
(ОВ).

При подключении ОВ к источнику постоянного
тока возникает магнитный поток возбуждения
Ф_В, силовые ли­нии которого
сцеплены с об­моткой статора1.
При включе­нии обмотки статора в
трех­фазную сеть создается вра­щающееся
с синхронной час­тотойn₁магнитное поле с та­ким же числом
полюсов, как на роторе. Благодаря
взаимодей­ствию полей статора и ротора
возникает электромагнитный момент,
вращающий ротор ссин-хронной
частотой. В результате электрическая
энергия сети преобразуется в механическую
энергию вращения.

Предположим, что ротор двигателя враща-

Рис.
8.
Магнитная система явнополюсногоется с частотой, отли­чающейся
от частоты

синхронного
двигателя (2р
= 4): вращения
поля статора, тогда в некоторые

1
– обмотка статора; 2
– полюса ротора; мо­менты
времени возбужденные полюса ро-

3
– полюсные катушки. тора
окажутся под одно­именными полюсами

поля статора, возникнут силы магнитного
от-

— 5 —

талкивания
Суммарный электромагнитный момент
станет равным нулю и ротор остановится.
На рис. 9,
апоказана конструкция ротора синхронного
двигателя с явно выраженными полюсами.

Синхронная скорость

Синхронная скорость синхронного двигателя Дана:
в RPM , путь:

Nsзнак равно60жпзнак равно120жп{\ displaystyle N_ {s} = 60 {\ frac {f} {P}} = 120 {\ frac {f} {p}}}

а в рад · с −1 :

ωsзнак равно2πжпзнак равно4πжп{\ displaystyle \ omega _ {s} = 2 \ pi {\ frac {f} {P}} = 4 \ pi {\ frac {f} {p}}}

где:

• ж{\ displaystyle f}это частота питающего тока переменного тока в Гц ,
• п{\ displaystyle p}количество магнитных полюсов .
• п{\ displaystyle P}это число пар полюсов (редко, плоскость коммутации ), .пзнак равноп2{\ Displaystyle P = p / 2}

Примеры

Однофазный , 4-полюсный (2-пар полюсов) синхронный двигатель работает на частоте питания переменного тока 50 Гц. Количество пар полюсов равно 2, поэтому синхронная скорость равна:

Nsзнак равно60×502знак равно1500об / мин{\ displaystyle N_ {s} = 60 \ times {\ frac {50} {2}} = 1500 \, \, {\ text {rpm}}}

Трехфазное , 12-полюсный (6-пар полюсов) синхронный двигатель работает на частоте питания переменного тока 60 Гц. Количество пар полюсов — 6, поэтому синхронная скорость равна:

Nsзнак равно60×606знак равно600об / мин{\ displaystyle N_ {s} = 60 \ times {\ frac {60} {6}} = 600 \, \, {\ text {rpm}}}

Количество магнитных полюсов, равно количеству групп катушек на фазу. Чтобы определить количество групп катушек на фазу в трехфазном двигателе, подсчитайте количество катушек, разделите на количество фаз, которое равно 3. Катушки могут занимать несколько пазов в сердечнике статора, что затрудняет их подсчет. . Для трехфазного двигателя, если вы насчитаете в общей сложности 12 групп катушек, у него 4 магнитных полюса. Для 12-полюсной 3-фазной машины будет 36 катушек. Количество магнитных полюсов в роторе равно количеству магнитных полюсов в статоре.
п{\ displaystyle p}

Разновидности движков

Конструкция ротора и принцип действия синхронной машины-двигателя напрямую связана

• с мощностью, которую надо создать на его вале,
• необходимой для этого величиной магнитного потока,
• параметрами напряжения питания статора.

Устройство синхронных машин небольшой мощности получается более простым при изготовлении магнитного ротора из специальных материалов. Так же применяется явно полюсный ротор с малой начальной намагниченностью. В результате получаются конструкции с постоянными магнитами, а также гистерезисные и синхронные реактивные двигатели. На статор этих движков подается переменное напряжение. Число фаз и частота соответствуют конструкции двигателя. В однофазных движках может быть использован конденсатор, через который подключается одна из двух обмоток статора. Но может быть применена схема из показанных далее вариантов.

Три разновидности конструкции ротора реактивного двигателя

Гистерезисный движок похож на синхронный реактивный двигатель. Эти синхронные машины переменного тока характеризует одинаковый принцип действия. Его определяет магнитное поле статора, намагничивающее ротор. Гистерезисный движок и синхронный реактивный электродвигатель своей надежностью не уступают асинхронным двигателям. Однако роторы этих синхронных машин всегда бывают существенно дороже роторов асинхронных движков.

С целью получения максимального силового взаимодействия и больших по величине крутящих моментов в роторе используется принцип электромагнита. При этом его называют индуктором с обмоткой возбуждения. Для ее питания применяется постоянное напряжение, которое подается на щетки. Они расположены на статоре и скользят по кольцам, установленным на роторе. Через эту пару скользящих контактов течет постоянный ток возбуждения.

Классический движок с индуктором

Такое классическое устройство синхронной машины существует и в наши дни, но преимущественно в наиболее мощных моделях. Для запуска движков обычно используются конструктивные решения со скольжением магнитных полей, характерные для асинхронных двигателей. При наличии индуктора для этого достаточно накоротко замкнуть щетки. В синхронных электрических машинах движки без щеток в роторе делаются с пусковыми обмотками типа беличьей клетки. Могут быть иные конструктивные решения для асинхронного старта.

Важной особенностью рассматриваемых двигателей, питаемых переменным напряжением, является их польза при работе без механической нагрузки или при ее небольшой величине. В таком режиме работы при небольшом возбуждении реактивная мощность из сети потребляется, а при значительном — отдается в сеть. Тем самым увеличивается эффективность электроснабжения

Для этой цели делаются специальные движки, называемые синхронными компенсаторами

Тем самым увеличивается эффективность электроснабжения. Для этой цели делаются специальные движки, называемые синхронными компенсаторами.

Движки-компенсаторы на подстанции

Развитие полупроводниковых приборов позволило создавать вращающееся магнитное поле путем преобразования постоянного напряжения. Очевидно то, что такое техническое решение расширило возможности управления электрическими двигателями. Регулирование частоты питающего напряжения и бесконтактный индуктор — это главные достижения полупроводниковых моделей. Но при этом существуют ограничения, определяемые возможностями электронных ключей.

По этой причине наиболее мощные из всех существующих движков по-прежнему являются трехфазными индукторными конструкциями со щетками и кольцами.