Синхронные двигатели малой мощности

Синхронные электродвигатели малой мощности (микродвигатели) используются в системах автоматики, различных бытовых приборах, часах, фотоаппаратах и т. д.

Большинство синхронных электродвигателей малой мощности отличается от машин нормального исполнения только конструкцией ротора, который, как правило, не имеет обмотки возбуждения, контактных колец и прижимающихся к ним щеток.

Для возникновения вращающего момента ротор выполняют из магнитно-твердого сплава с последующим однократным намагничиванием его в сильном импульсном магнитном поле, в результате чего в дальнейшем полюсы сохраняют остаточную намагниченность.

При использовании магнитномягкого материала ротору придают особую форму, обеспечивающую различное магнитное сопротивление его магнитопровода в радиальных направлениях.

Синхронные двигатели с постоянными магнитами имеют цилиндрический явнополюскый ротор из магнитно-твердого сплава и короткозамкнутую пусковую обмотку.

В момент пуска синхронный двигатель работает как асинхронный и его начальный вращающий момент создается за счет взаимодействия вращающегося магнитного поля статора с наведенными им токами в короткозамкнутой обмотке ротора. Поскольку двигатель пускается в ход в возбужденном состоянии, то магнитное поле постоянных магнитов вращающегося ротора наводит в обмотке статора э. д. с. переменной частоты а это вызывает токи, из-за которых возникает тормозной момент.

Результирующий момент на валу двигателя определяется суммой моментов, обусловленных короткозамкнутой обмоткой и тормозным эффектом, т. е. который зависит от скольжения. В процессе разгона ротора этот момент достигает минимального значения которое при правильном выборе пусковой обмотки должно быть больше номинального момента.

Когда скорость приблизится к синхронной, ротор, в результате взаимодействия поля постоянных магнитов с вращающимся магнитным полем статора втягивается в синхронизм и далее вращается с синхронной скоростью.

Рабочие характеристики синхронного двигателя с постоянными магнитами мало отличаются от аналогичных характеристик синхронного двигателя с обмоткой возбуждения ротора.

Синхронные реактивные двигатели имеют явнополюсный ротор из магнитно-мягкого материала с впадинами, или секционированный, благодаря чему его магнитное сопротивление в радиальных направлениях различно. Ротор со впадинами состоит из штампованных листов электротехнической стали и имеет короткозамкнутую пусковую обмотку. Встречаются роторы из сплошного ферромагнитного материала с аналогичными впадинами. Ротор секционированный состоит из листов электротехнической стали, залитых алюминием или другим диамагнитным материалом, выполняющим роль коротко-замкнутой обмотки.

При включении обмотки статора возбуждается вращающееся магнитное поле и происходит асинхронный пуск двигателя. По завершении разгона ротора до подсинхронной скорости он под действием реактивного вращающего момента, обусловленного различием магнитных сопротивлений в радиальных направлениях, входит в синхронизм и располагается относительно вращающегося магнитного поля статора так, чтобы его магнитное сопротивление для этого поля было наименьшим.

Обычно синхронные реактивные двигатели изготовляют номинальной мощностью до 100 Вт, а иногда и выше, если простоте конструкции и повышенной надежности придают особое значение. При одинаковых габаритах номинальная мощность синхронных реактивных двигателей в 2 — 3 раза меньше номинальной мощности синхронных двигателей с постоянными магнитами, но по конструкции они проще, отличаются меньшей стоимостью, номинальный коэффициент мощности их не превышает 0,5, а номинальный к. п. д. составляет до 0,35 — 0,40.

Синхронные гистерезисные двигатели имеют ротор из магнитотвердого сплава с широкой петлей гистерезиса. С целью экономии этого дорогостоящего материала ротор выполняют сборной конструкции, при которой вал крепится на втулке из ферро- или диамагнитного материала, а на ней укрепляют сплошной или собранный из пластин полый цилиндр, затянутый запорным кольцом. Использование магнитно-твердого сплава для изготовления ротора приводит к тому, что в работающем двигателе волны распределения магнитной индукции по поверхностям статора и ротора смещены друг относительно друга на некоторый угол, называемый углом гистерезиса, что обусловливает возникновение гистерезисного вращающего момента, направленного в сторону вращения ротора.

Различие между синхронными двигателями с постоянными магнитами и синхронными гистерезисными двигателями состоит в том, что у первых ротор при изготовлении машин подвергается предварительному намагничиванию в сильном импульсном магнитном поле, а у вторых он намагничивается вращающимся магнитным полем статора.

При пуске синхронного гистерезисного двигателя помимо основного гистерезисного вращающего момента в машинах со сплошным ротором возникает еще асинхронный вращающий момент, обусловленный вихревыми токами в магнитопроводе ротора, что способствует разгону ротора, вхождению его в синхронизм и дальнейшую работу с синхронной скоростью при постоянном сдвиге ротора относительно вращающегося магнитного поля статора на угол, определяемый нагрузкой на валу машины.

Синхронные гистерезисные двигатели эксплуатируют как в синхронном режиме, так и в асинхронном, но в последнем случае при малом скольжении. Синхронные гистерезисные двигатели отличаются большим начальным пусковым моментом, плавностью входа в синхронизм, незначительным изменением тока в пределах 20 — 30 % при переходе от холостого хода к режиму короткого замыкания.

Эти двигатели имеют лучшие показатели, чем синхронные реактивные, отличаются простотой конструкции, надежностью и бесшумностью в работе, малыми габаритами и незначительной массой.

Отсутствие короткозамкнутой обмотки приводит к качаниям ротора при переменной нагрузке, что обусловливает определенную неравномерность его вращения, ограничивающую область применения машин, которые изготовляют номинальной мощностью до 400 Вт на промышленную и повышенные частоты как одно-, так и двухскоростные.

Номинальный коэффициент мощности синхронных гистерезисных двигателей не превышает 0,5, а номинальный к. п. д. достигает значения 0,65.

Синхронные реактивно-гистерезисные двигатели имеют явнополюсный статор с обмоткой, расположенной на магнитопроводе, собранном из двух симметричных пакетов листов электротехнической стали со стыком внутри каркаса обмотки. Магнитопровод имеет два полюса, разрезанных продольным пазом на равные части, причем на одной из них на каждом полюсе находятся короткозамкнутые витки. Между этими расщепленными полюсами находится ротор, составленный из нескольких тонких колец с перемычками из закаленной магнитно-твердой стали, насаженных на валик, соединенный с редуктором, снижающим частоту вращения выходного вала до нескольких сотых долей или нескольких десятков оборотов в минуту.

При включении обмотки статора, благодаря короткозамкнутым виткам, создается сдвиг по фазе во времени между магнитными потоками неэкранированной и экранированной частей полюсов, что приводит к возбуждению результирующего вращающегося магнитного поля. Это поле, взаимодействуя с ротором, способствует возникновению асинхронного и гистерезисного вращающих моментов, вызывающих разгон ротора, который по достижении подсинхронной скорости под влиянием реактивного и гистерезисного вращающих моментов входит в синхронизм и вращается в направлении, от неэкранированной части полюса к его экранированной части, где расположены короткозамкнутые витки.

У реверсивных двигателей вместо короткозамкнутых витков применяют четыре катушки, которые располагают на обеих частях каждого расщепленного полюса, и для принятого направления вращения ротора замыкают соответствующую пару катушек накоротко.

Синхронные реактивно-гистерезисные двигатели имеют относительно большие габариты и массу, номинальная мощность их не превышает 12 мкВт, работают они при очень низком коэффициенте мощности, а номинальный к. п. д. их не превышает 0,01.

Синхронные шаговые двигатели преобразуют управляющие электрические импульсы в заданный угол поворота, осуществляемый дискретным путем. Они имеют статор, на магнитопроводе которого находятся две или три одинаковые пространственно сдвинутые обмотки, поочередно присоединяемые к источнику электрической энергии в виде прямоугольных импульсов регулируемой частоты. Под влиянием импульсов тока полюсы статора соответственно намагничиваются с переменной полярностью. Изменение направления токов в обмотках статора приводит к соответствующему перемагничиванию полюсов и установлению новой противоположной полярности.

Явнополюсный ротор шаговых двигателей может быть активным и реактивным. Активный ротор имеет обмотку возбуждения постоянного тока, контактные кольца и щетки или систему постоянных магнитов с чередующейся полярностью, а реактивный ротор выполняют без обмотки возбуждения.

Число полюсов ротора шагового двигателя в два раза меньше числа полюсов статора. Каждое переключение обмоток статора приводит к повороту результирующего магнитного поля машины и вызывает синхронное перемещение ротора на один шаг. Направление поворота ротора зависит от полярности импульса, поданного на соответствующую обмотку статора.

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.