Синхронный и асинхронный двигатель отличия

Подписка на рассылку

Для приведения в движение различных станков или механизмов на предприятиях тяжелой и легкой промышленности в большинстве случаев используются электродвигатели переменного тока. Электрические машины постоянного тока распространены в меньшей мере и чаще всего применяются в качестве тяговых агрегатов на городском электротранспорте, поездах, складских погрузчиках и тележках.

Чтобы достичь максимальной энергоэффективности производственных процессов, нужно правильно подходить к выбору двигателя для привода.

Синхронный и асинхронный двигатель – отличия для чайников

Конструкция асинхронных и синхронных электрических машин практически одинакова. У обоих электродвигателей есть неподвижный статор, состоящий из обмоток (катушек), которые уложены в пазы сердечника, набранного из пластин, выполненных из электротехнической стали, и подвижный ротор. Обмотки статора сдвинуты друг относительно друга на угол, равный 120°, поэтому проходящий по ним электрический ток создает вращающееся магнитное поле, которое вовлекает в движение ротор. Вот именно здесь и проявляется основное отличие этих электрических машин – конструкция ротора, от которой зависит скорость его вращения.

Асинхронный двигатель

Ротор такого двигателя может быть короткозамкнутым или фазным.

Вне зависимости от типа ротора в этих двигателях частота вращения ротора всегда будет меньше скорости вращения магнитного поля статора. Эта разница обусловлена законами физики:

• силовые линии магнитного поля статора, пересекая замкнутый контур ротора, индуцируют в нем электродвижущую силу, а значит и собственное магнитное поле;
• в результате взаимодействия этих полей, имеющих одинаковую полярность, возникает крутящий момент, вызывающий вращение ротора;
• в тот момент, когда скорости вращения магнитных полей становятся одинаковыми, возникновение ЭДС в роторе прекращается, в результате чего крутящий момент стремится к нулю;
• как только частота вращения ротора начинает отставать от скорости вращения поля статора, возникновение ЭДС возобновляется.

Синхронный двигатель

Ротор таких двигателей комплектуется постоянными магнитами или обмотками возбуждения. Обмотки могут быть как явнополюсными, так и распределенными (уложенными в пазы ротора). Кроме того, ротор синхронной машины может иметь и короткозамкнутые обмотки.

После разгона ротора до скорости близкой к частоте вращения магнитного поля статора, на катушки полюсов через щеточно-контактный узел подается постоянное напряжение, которое возбуждает в них постоянное магнитное поле. Противоположные полюса магнитных полей притягиваются друг к другу и частота вращения ротора становится синхронной.

Разгон ротора может осуществляться с помощью вспомогательного двигателя или в асинхронном режиме, благодаря короткозамкнутой обмотке.

Недостатки и преимущества двигателей

Синхронные двигатели имеют довольно сложную конструкцию, обусловленную наличием щеточного узла. Кроме того, для их работы требуется дополнительный источник постоянного тока. Еще одним недостатком является невозможность их эксплуатации в условиях частых пусков и остановов. Однако все это компенсируется большой мощностью, высоким КПД, устойчивостью к перепадам напряжения в питающей сети и стабильной частотой вращения вала, вне зависимости от величины нагрузки на него.

Асинхронный двигатель в отличие от синхронных машин более чувствителен к колебаниям напряжения и не может сохранять номинальную скорость вращения, при увеличении нагрузки. Но простота конструкции, длительный срок эксплуатации, универсальность применения, способность работать в режиме частых включений и остановок делают эти машины наиболее распространенными в промышленном и бытовом секторе.

Синхронные и асинхронные машины

Рабочий процесс в машинах протекает под действием вращающегося магнитного поля, создаваемого намагничивающей силой симметричной обмоткой статора.

В синхронных машинах процесс преобразования энергии происходит при синхронной частоте, т. е. при частоте вращения ротора, равной частоте вращающегося поля статора. В асинхронных машинах частота вращения ротора не равна частоте вращающегося поля (асинхронная скорость).

Устройство статора у синхронной и асинхронной машины одинаково. Устройство ротора и его обмотки различно.

Синхронные генераторы являются основным источником электрической энергии на электростанциях. Такие генераторы широко применяются на тепловозах. Синхронные двигатели находят менее широкое применение. Их достоинство высокий коэффициент мощности. Их применение целесообразно при больших мощностях и в случае если нужна жёсткая скоростная характеристика.

Асинхронный двигатель наиболее распространённый тип электрических машин. Их широкое применение обуславливается простотой конструкции, надёжностью, экономичностью. Изобретателем такого двигателя был русский учёный Доливо-Добровольский. Эти двигатели изготавливают на различные мощности (от нескольких ватт до нескольких тысяч киловатт). Асинхронные генераторы почти не находят практического применения из за ряда существенных недостатков.

Как любая электрическая машина, машины перменного тока обладают свойством обратимости, т. е. могут работать как в режиме двигателя, так и в режиме генератора.

Асинхронные двигатели.

Принцип действия.

Бесколлекторные электрические двигатели переменного тока получили широкое применение в самых различных отраслях техники благодаря простоте устройства. Электродвигатели переменного тока, как и двигатели постоянного тока, представляют собой электрические машины, предназначенные для преобразования электрической энергии в механическую. Однако в способах осуществления этого принципа в электродвигателях двух типов имеются существенные различия.

В электродвигателях переменного тока используется вращающееся магнитное поле. Поместим во вращающееся поле проводник в виде замкнутой рамки на оси.

Оси вращения магнитного потока и рамки должны совпадать. Магнитный поток, пересекая рабочие стороны рамки, будет индуктировать в них э. д. с, как в любом электрическом генераторе. Согласованная э. д. с. в рабочих сторонах приведет к возникновению электрического тока в замкнутой рамке. Этот ток взаимодействует с магнитным полем. Образуется пара сил, которая создает вращающий момент, заставляющий рамку поворачиваться вслед за магнитным полем. Таким образом, в электродвигателе переменного тока вращающийся магнитный поток полюсов статора индуктирует в замкнутых рамках, образующих витки обмотки ротора, электрический ток. Здесь ротор приводится во вращение теми же силами взаимодействия магнитного поля и тока, как и якорь в двигателях постоянного тока, но отпадает необходимость в подводе тока от внешнего источника к вращающейся обмотке, а значит, и надобность в коллекторе. Частота вращения ротора такого электродвигателя окажется несколько меньше частоты вращения магнитного поля. Только при этом условии магнитные силовые линии будут пересекать проводники, образующие витки, и, следовательно, в витках возникнет ток, взаимодействующий с магнитным полем. Если частоты вращения поля и витков будут одинаковыми, то магнитное поле не будет пересекать проводников, исчезнет ток в витках, являющийся причиной вращения ротора. Поэтому ротор и магнитное поле вращаются не с одинаковой частотой, или, как говорят, вращаются несинхронно (асинхронно). Электрические двигатели, работающие по рассмотренному принципу, получили название асинхронных. Само слово «асинхронный» образовано с помощью приставки «а», используемой в иностранных, преимущественно греческого происхождения, словах, выражающей отрицание или отсутствие какого-либо качества. В асинхронном двигателе отсутствует качество синхронного вращения магнитного поля и ротора.

Различие частоты вращения магнитного поля и ротора характеризуют скольжением. Численно скольжение s представляет собой отношение разности частот вращения магнитного поля и ротора к частоте вращения магнитного поля.

Рассмотренное выше устройство, обеспечивающее вращение ротора, еще не является электродвигателем, так как требует механического вращения статора. В электродвигателе вращающееся магнитное поле должен создать непосредственно электрический ток. Вращающееся магнитное поле может быть получено с помощью многофазного тока. Рассмотрим принцип работы асинхронного двигателя трехфазного тока. На полюсах стального сердечника статора кольцевой формы размещены три обмотки, смещенные последовательно на угол в 120°.

Внутри статора располагается ротор с обмоткой. Подключим катушки статора к источнику трехфазного электрического тока и проследим процессы изменения тока I в катушках и создаваемого ими магнитного потока в зависимости от времени t, В положении а ток в I фазе равен нулю, во II фазе он имеет отрицательное значение, а в III — положительное. Воспользовавшись правилом правой руки для определения направления, создаваемого током магнитного потока, можно установить, что внутренний конец сердечника второй катушки 2 будет северным полюсом, а внутренний конец сердечника третьей катушки 3 окажется южным полюсом. Суммарный магнитный поток внутри электродвигателя направлен от северного полюса катушки 2 к южному полюсу катушки 3. Дальнейшее изменение тока в фазах постепенно меняет величину магнитного потока катушек. В положении б ток во II фазе равен нулю. В III фазе ток

изменил направление на отрицательное, и этот полюс 3 стал северным. Первый полюс 1, по катушке которого течет ток в положительном направлении, становится южным. Суммарный магнитный поток теперь направлен от третьего полюса к первому, т. е. повернулся на 120°, как это легко видеть из сравнения положений а и б.

В положении в за счет дальнейшего изменения тока в катушках первый полюс становится северным, второй южным, в катушке третьего полюса ток отсутствует. Суммарный магнитный поток двигателя повернулся еще на угол 120°. И наконец, в положении г токи в катушках по величине и направлению становятся такими же, как и в положении а. Магнитный поток еще повернулся на 120°. Таким образом, за один период изменения переменного тока магнитный поток сделал полный оборот. Почти на один оборот (с учетом скольжения) повернется и ротор двигателя, увлекаемый магнитным потоком. Три полюсных обмотки асинхронного двигателя трехфазного тока создают двухполюсное магнитное поле (поле имеет один северный и один южный полюсы). В этом случае частота вращения магнитного поля равна частоте тока.

Если статор трехфазного двигателя оборудовать шестью полюсными обмотками, то они создадут два магнитных потока, т. е. четырехполюсное магнитное поле. При применении девяти полюсных обмоток образуются три магнитных потока и, следовательно, шестиполюсное магнитное поле и т. д.

Известно, что частота вращения магнитного потока в электродвигателе переменного тока зависит как от частоты тока f, так и от числа пар полюсов р и составляет

Во избежание больших потерь энергии в электродвигателе, т. е. для повышения к. п. д. двигателя, скольжение должно быть минимальным. В двигателях трехфазного тока скольжение в зависимости от нагрузки меняется от 2— 3 до 5 — 6%. Таким образом, частота вращения ротора асинхронного двигателя всегда близка к частоте вращения магнитного потока.

Для реверсирования двигателя переменного тока необходимо заставить вращаться в обратную сторону магнитный поток полюсов, что осуществляется изменением подключения любых двух фаз статорной обмотки.

Что такое синхронный двигатель и как он работает?

В качестве устройства преобразования электрической энергии в механическую в промышленности и быту используется синхронный электродвигатель. В сравнении с другими типами электрических машин он получил меньшее распространение, но в отведенных сферах является незаменимым фаворитом. В чем особенность синхронных агрегатов и как их применяют на практике, мы рассмотрим в данной 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 E_A формирует максимальный поток, а электродвижущие силы фаз E_B и E_C равны между собой и противоположны по знаку, они дополняют результирующую силу.
• в точке 2 пика достигает ЭДС E_B, а электродвижущие силы фаз E_A и E_C 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 E_C, а электродвижущие силы фаз E_B и E_A 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

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).

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.

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. В цепь обмотки возбуждения вводится резистор R, предназначенный для предотвращения пробоя изоляции. По мере разгона электродвигателя ЭДС скольжения пропорционально снизится и произойдет запирание стабилитронов VD, цепочка заблокируется, и обмотка возбуждения получит питание постоянным напряжением через UD.

Применение

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.

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.

Видео версия