Принцип действия синхронного двигателя

Прежде чем рассматривать принцип действия синхронного двигателя, необходимо помнить, что это электрическая машина, работающая на переменном токе, у которой ротор вращается с частотой, которая равна частоте вращения магнитного поля в воздушной прослойке.

Устройство синхронного двигателя

Синхронный двигатель состоит из основных частей – якоря и индуктора. Обычно, его исполнение сделано таким образом, что якорь расположен на статоре, а индуктор – на роторе, отделенном воздушной прослойкой. Данные агрегаты обладают высоким коэффициентом мощности. Существенным плюсом является возможность их использования в сетях с любым напряжением.

Конструкция синхронного двигателя состоит из двух основных частей – статора и ротора. Статор является неподвижной частью агрегата, а ротор – подвижной. В состав якоря входят одна или несколько обмоток переменного тока. При работе двигателя токи, поступающие в якорь, приводят к вращению магнитного поля, пересекающегося с полем индуктора и преобразующего энергию. Поле якоря носит другое название – поле реакции якоря. В генераторе такое поле создается с помощью индуктора.

В состав индуктора входят электромагниты постоянного тока, называемые полюсами. Во всех синхронных электродвигателях индукторы бывают двух конструкций – явнополюсная и не явнополюсная, отличающиеся расположением полюсов. Конструкция статора включает в себя корпус и сердечник, в состав которого входят двух- и трехфазные обмотки. Сами обмотки могут быть распределенными и сосредоточенными.

Чтобы уменьшить магнитное сопротивление и улучшить прохождение магнитного потока, используются ферромагнитные сердечники, расположенные в роторе и статоре, для изготовления которых используется электротехническая сталь. Она обладает интересными свойствами, например, повышенным содержанием кремния, с целью повышения ее электрического сопротивления и уменьшения вихревых токов.

Каждый синхронный электродвигатель обладает важным параметром – электромагнитным моментом. Он возникает в том случае, когда магнитный поток ротора начинает взаимодействовать с вращающимся магнитным полем. Данное поле образуется под влиянием трехфазного тока, протекающего по обмотке якоря.

В режиме холостого хода происходит совпадение осей магнитных полей ротора и статора. Поэтому электромагнитные силы, возникающие между их полюсами, принимают радиальное направление и значение электромагнитного момента агрегата становится равным нулю. При переходе устройства в двигательный режим, на ротор начинает воздействовать внешние нагрузочный момент, приложенный к валу. В результате, происходит смещение ротора на величину определенного угла против направления вращения.

Подобное электромагнитное взаимодействие между ротором и статором приводит к созданию электромагнитных сил, направленных в сторону вращения. Таким образом, действие вращающегося электромагнитного момента стремится к преодолению действия внешнего момента. Максимальное значение электромагнитного момента образует угол 90 градусов, при расположении полюсов ротора между осями полюсов статора.

Если значение нагрузочного момента, приложенного к валу двигателя, превысит максимальный электромагнитный момент, в этом случае двигатель остановится под влиянием внешнего момента. Из-за этого в неподвижном двигателе по обмотке якоря будет проходить очень высокий ток. Данный режим является аварийным, он представляет собой выпадение из синхронизма и на практике не должен допускаться.

Как работает синхронный двигатель

Принцип действия синхронного двигателя основывается на взаимном влиянии магнитных полей якоря и полюсов индуктора. При обращенной конструкции агрегата расположение якоря и индуктора выполнено наоборот, то есть, первый расположен на роторе, а другой – на статоре. Такой вариант используют криогенные синхронные машины, у которых в состав обмоток возбуждения входят материалы со свойствами сверхпроводимости.

При запуске двигателя его разгоняют до частоты близкой к той, с которой в зазоре вращается магнитное поле. Только после этого он переходит в синхронный режим. В данной ситуации происходит пересечение магнитных полей якоря и индуктора. Этот момент получил название входа в синхронизацию.

При разгоне используется состояние асинхронного режима, когда происходит замыкание обмоток индуктора с помощью реостата или короткозамкнутым путем, подобно асинхронным машинам. Для того, чтобы осуществлять запуск в таком режиме, ротор оснащается короткозамкнутой обмоткой, которая одновременно является успокоительной обмоткой, способной устранить раскачивание ротора во время синхронизации. После того, как скорость становится близко к номинальной, в индуктор подается постоянный ток.

Таким образом, синхронный двигатель это не только двигатель, но и своеобразный генератор, поскольку у них одинаковое конструктивное исполнение. Схема работы двигателя будет следующей. Обмотка якоря подключается к трехфазному переменному току, а к обмотке возбуждения от постороннего источника подается постоянный ток. Вращающееся магнитное поле, созданное трехфазной обмоткой и поле, созданное обмоткой возбуждения, взаимодействуют между собой. Это вызывает появление электромагнитного момента, приводящего ротор во вращающееся состояние.

Для двигателей, где установлены постоянные магниты, применяются специальные внешние разгонные двигатели. В отличие от асинхронных устройств, разгон ротора в синхронном двигателе должен достигнуть частоты вращения магнитного поля. Это связано с подачей в обмотку ротора тока из постороннего источника, а не индуцируется в нем под действием магнитного поля статора, следовательно, на него не влияет частота вращения вала. В результате, синхронный двигатель переменного тока приобретает постоянную частоту вращения ротора вне зависимости от нагрузки. Специфический принцип работы этих устройств оказал влияние на их пуск и регулировку частоты вращения.

Схема запуска двигателя и его регулировка

У синхронных двигателей отсутствует начальный пусковой момент. При подключении якорной обмотки к источнику переменного тока, электромагнитный момент дважды изменить свое направление за один период изменения тока. Это происходит, когда ротор находится в неподвижном состоянии, а в обмотке возбуждения протекает постоянный ток.

Таким образом, величина среднего момента в течение одного периода будет иметь нулевое значение. Чтобы увидеть, как работает синхронный двигатель при пуске, нужно выполнить разгон его ротора под действием внешнего момента до вращения с частотой, приближенной к синхронной.

Сам запуск агрегата может производиться разными способами:

• В первом случае используется схема асинхронного включения, основой которой служит глухо подключенный возбудитель. Данный способ применяется при статическом моменте нагрузки ниже 0,4, когда отсутствует падение напряжения. Сопротивление разряда замыкается в обмотке возбуждения, за счет чего исключаются перебои с возбуждением обмотки во время впуска, поскольку незначительная скорость вращения ротора приводит к перенапряжению. Когда скорость становится близкой к синхронной, контактор реагирует на это изменение, в результате происходит переключение обмотки возбуждения из разрядного сопротивления непосредственно на якорь возбудителя.
• Во втором варианте пуска используется тиристорный возбудитель. Этот способ считается более надежным из-за высокого КПД. Управление возбуждением значительно облегчается. Подача возбуждение осуществляется автоматически с помощью электромагнитного реле.

Различия синхронных и асинхронных двигателей

Все электродвигатели переменного тока по принципу действия могут быть асинхронными и синхронными. В первом случае вращение ротора будет медленнее, по сравнению с магнитным полем, а во втором – вращение ротора и магнитного поля происходит с одинаковой скоростью.

В асинхронном двигателе вращающееся переменное магнитное поле создается обмотками, закрепленными на статоре. Концы этих обмоток выведены в общую клеммную коробку. Во избежание перегрева на валу двигателя устанавливается вентилятор. Ротор выполнен из металлических стержней, замкнутых с двух сторон между собой. Он представляет единое целое с валом и получил название короткозамкнутого ротора.

Вращение магнитного поля происходит под действием постоянной смены полюсов. Соответственно, в обмотках изменяется направление тока. На скорость вращения вала оказывает влияние количество полюсов магнитного поля.

Синхронный электродвигатель конструктивно отличается от асинхронных агрегатов. Здесь вращение ротора и магнитного поля происходит с одинаковой скоростью. Напряжение на ротор для зарядки обмоток подается с помощью щеток, а не индуцируется действием переменного магнитного поля. Направление тока в обмотках изменяется одновременно с направлением магнитного поля, поэтому вал синхронного двигателя всегда вращается в одну сторону.

Устройство и принцип действия синхронных электродвигателей

Синхронный электродвигатель – электрическая установка, действующая от сети переменного и постоянного тока. Синхронная машина улучшает коэффициент мощности. Данные моторы используются довольно часто в электрической системе, потому что они подходят для любой сети напряжения и обладают высокими экономическими данными.

Область применения

• конвейеры,
• мощные вентиляторы,
• мельницы,
• эксгаустеры,
• компрессоры,
• дробилки,
• прокатные станки.

Преимущества и недостатки

Синхронный электродвигатель имеет сложнее структуру, чем асинхронный, но обладает некоторыми достоинствами.

Главным положительным качеством данных агрегатов является способность поддерживать оптимальный режим реактивной энергии. Из-за автоматического регулирования силы тока двигателя, он работает, не употребляя, не давая реактивную энергию, значение коэффициента мощности равняется 1. Если нужна реактивная энергия, она будет производиться синхронным мотором.

Данным двигателям не страшны перебои в сети, которой равен их максимальный момент. А значение критического момента равно квадрату напряжения.

Агрегат выдерживает большую перегрузку, которую можно еще увеличить автоматически повышением тока при необходимости непродолжительной нагрузки на вал. Он имеет постоянную скорость вращения независимо от нагрузки.

Трехфазный синхронный двигатель дороже обычного асинхронного из-за сложного механизма и особого устройства.

Еще недостатком оказывается надобность в постоянном источнике энергии, функции которого выполняет выпрямитель или специализированный возбудитель.

Устройство электродвигателя

Синхронный мотор имеет две основные части — статор и ротор. Неподвижная часть называется статором, а подвижный элемент ротором.

Однофазный двигатель с короткозамкнутым ротором, расположенным в статоре или снаружи в двигателях обращенного вида. В основе ротора — постоянные магниты. Материал магнитов имеет высокую коэрцитивную силу. Полюсы ротора могут быть явно и неявно выраженными. Синхронный двигатель с короткозамкнутым ротором бывает с магнитами на поверхности или с уже встроенными.

Статор представлен корпусом и сердечником, состоящим из двухфазных и трехфазных обмоток. Обмотка бывает распределенная и сосредоточенная. У распределенной насчитываются пазы полюса и фазы Q= 2,3.

У сосредоточенной обмотки пазы полюса и фазы Q=1. Пазы размещены на одинаковом расстоянии на окружности неподвижной части двигателя. Катушки статора соединяются последовательно или параллельно. Такие обмотки не могут влиять на форму кривой ЭДС. Электродвижущая сила имеет трапецеидальную и синусоидальную форму. У явно выраженного полюса форма ротора и наводимая электродвижущая сила проводника является трапециевидной формы (а). При необходимости создания синусоидальной ЭДС, полюсные наконечники приобретают другую форму, где величина кривой распределения индукции близкая синусоидальной. Осуществление возможно благодаря наличию скосов на наконечнике полюса ротора.

Ротор синхронного двигателя переменного тока: а — явно выраженный полюс, 6 — неявно выраженный полюс.

Неявно выраженные полюса обладают равной индуктивностью продольных и поперечных осей, а явно выраженные полюса имеют одинаковую величину поперечной и продольной индуктивности (б).

Принцип действия

Принцип действия электрической машины переменного тока: 1 — статор, 2 — ротор.

У однофазного двигателя отсутствует пусковой момент. При подключении обмотки якоря к сети переменного тока, ротор неподвижен, в обмотку возбуждения поступает постоянный ток, за время одного изменения напряжения, два раза происходит смена направления электромагнитного момента. Значение среднего момента равняется нулю. Ротор разгоняется посредством внешнего момента до вращающейся частоты, которая приближается к синхронности.

Из-за высокого значения коэффициента мощности обеспечивается снижение потребления электричества, уменьшаются потери. В сравнении с асинхронным механизмом с такой же мощностью, синхронный двигатель имеет КПД выше. Так как крутящийся момент аналогичен напряжению сети. Даже снижение напряжения не влияет на нагрузочную способность. Что свидетельствует о надежности механизма.

Тип подключения делится на однофазный и трехфазный. Синхронные агрегаты чаще бывают трехфазными. При положении проводников трехфазного двигателя в определенной геометрической позиции появляется электромагнитное поле, которое вращается с одновременной скоростью. При имении магнита во вращающемся поле, они замыкают, крутятся параллельно. Двигатель можно назвать нерегулируемым, так как его скорость постоянная.

Пуск электродвигателя

Существует два способа пуска синхронной машины.

Схема пуска на основе глухо подключенного возбудителя, применима для статистического момента нагрузки менее 0,4, без падений напряжения.

Асинхронный пуск с помощью трансформатора

В обмотке возбуждения замыкается сопротивление разряда, избегая тем самым перебои возбуждения обмотки на впуске, потому как на небольшой скорости вращения ротора возникают перенапряжения. Если скорость приближается к синхронной, реагирует контактор, а обмотка возбуждения переключается из разрядного сопротивления на якорь возбудителя.

1. Применение тиристорного возбудителя

Возбуждение, осуществляемое при помощи электромагнитного реле

Пуск с тиристорным возбудителем более надежный, обладает высоким КПД. Легче становится управление возбуждением, напряжение шин, остановка в аварийном режиме. Во многих моделях электродвигателей установлены тиристорные возбудители. Подача возбуждения работает автоматически функцией скорости и тока.

Синхронный компенсатор

Упрощенная конструкция для холостого хода называется компенсатором.

Потребление электричества, помимо активной мощности, нуждается в реактивной мощности. Генератор вырабатывает реактивную мощность с минимальными затратами. Переход реактивной мощности генератора связан с потерями на линии передач. Поэтому применение компенсаторов является обоснованным экономически. При возбуждении синхронные двигатели не используют напряжение сети, а при перевозбуждении отдают реактивную мощность.

Синхронный электродвигатель применяется в сети переменного и постоянного тока, обеспечивая высокую надежность работы. Этот двигатель улучшит коэффициент мощности предприятия.