Принцип работы синхронного двигателя

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.

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:

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

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:

1. 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.
2. 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:

1. На статорные обмотки подается переменное напряжение. Оно создает магнитное поле.
2. На обмотки ротора также подается переменное напряжение, создающее поле. Если используются постоянные магниты, то это поле уже по умолчанию имеется.
3. 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:

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

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

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:

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:

1. Снижается ток, потребляемый электродвигателем, увеличивается КПД. Если сравнивать с асинхронным мотором, то эти характеристики у синхронной машины оказываются лучше.
2. 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.

Устройство и принцип действия синхронной машины

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 n_о 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 120 0 , 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 Ф_я замыкается по сердечникам статора и ротора через воздушный зазор. Таким образом, в случае активной нагрузки ось потока ротора Ф₀ опережает ось потока статора Ф_я на электрический угол, равный 90 0 (поперечная реакция якоря).

При этом результирующий магнитный поток машины (ось qq₁) поворачивается относительно потока ротора Ф₀ на угол в направлении, противоположном направлению вращению ротора.

При чисто индуктивной нагрузке X_L ток в обмотке статора отстаёт от ЭДС на 90 0 и поэтому достигает максимума в тот момент времени, когда полюс ротора повернётся на 90 0 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 X_C ток в фазе статора опережает ЭДС на 90 0 и поэтому достигает максимума в тот момент, когда полюс ротора не доходит на 90 0 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 Ф_рез 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.