Устройство и принцип действия синхронного двигателя

Синхронный электродвигатель – это устройство, преобразующее электрическую энергию в механическую. Его также можно использовать в качестве генератора. Чаще всего он применяется в компрессорах, прокатных станках, поршневых насосах и другом подобном оборудовании. Рассмотрим принцип действия синхронного электродвигателя, его характеристики и свойства.

Устройство синхронного электродвигателя

Строение агрегата данного вида типично. Двигатель состоит из:

• Неподвижной части (якорь или статор).
• Подвижной части (ротор или индуктор).
• Вентилятора.
• Контактных колец.
• Щеток.
• Возбудителя.

Статор представляет собой сердечник, состоящий из обмоток, который заключен в корпус. Индуктор комплектуется электромагнитами постоянного тока (полюсами). Конструкция индуктора может быть двух видов – явнополюсная и неявнополюсная. В статоре и роторе расположены ферромагнитные сердечники, изготовленные из специальной электротехнической стали. Они необходимы для уменьшения магнитного сопротивления и улучшения прохождения магнитного потока.

Частота вращения ротора в синхронном двигателе равна частоте вращения магнитного поля. Независимо от подключаемой нагрузки частота ротора неизменна, так как число пар полюсов магнитного поля и ротора совпадают. Их взаимодействие обеспечивает постоянную угловую скорость, не зависящую от момента, приложенного к валу.

Принцип работы синхронного электродвигателя

Самые распространенные типы такого рода агрегатов – однофазный и трехфазный. Принцип работы синхронного электродвигателя в обоих случаях примерно одинаков. После подключения обмотки якоря к сети ротор остается неподвижным, в то время как постоянный ток поступает в обмотку возбуждения. Направление электромагнитного момента меняется дважды за время одного изменения напряжения. При значении среднего момента равном нулю, ротор под влиянием внешнего момента (механического воздействия) разгоняется до частоты, близкой по значению частоте вращения магнитного поля в зазоре, после чего двигатель переходит в синхронный режим.

В трехфазном устройстве проводники расположены под определенным углом относительно друг друга. В них возбуждается вращающееся с синхронной скоростью электромагнитное поле.

Разгон двигателя может осуществляться в двух режимах:

• Асинхронный. Обмотки индуктора замыкаются с помощью реостата. Вращающееся магнитное поле, возникающее при включении напряжения, пересекает короткозамкнутую обмотку, установленную на роторе. В ней индуцируются токи, взаимодействующие с вращающимся полем статора. По достижении синхронной скорости крутящий момент начинает уменьшаться и сводится к нулю после замыкания магнитного поля.
• С помощью вспомогательного двигателя. Для этого синхронный двигатель механически соединяется со вспомогательным (двигателем постоянного тока либо трехфазным индукционным двигателем). Постоянный ток подается только после того, как вращение двигателя достигает скорости, близкой к синхронной. Магнитное поле замыкается, и связь со вспомогательным двигателем прекращается.

Характеристики синхронного электродвигателя

Хотя асинхронные двигатели считаются более надежными и дешевыми, их синхронные «собратья» имеют некоторые преимущества и широко применяются в различных областях промышленности. К отличительным характеристикам синхронного электродвигателя можно отнести:

• Работу при высоком значении коэффициента мощности.
• Высокий КПД по сравнению с асинхронным устройством той же мощности.
• Сохранение нагрузочной способности даже при снижении напряжения в сети.
• Неизменность частоты вращения независимо от механической нагрузки на валу.
• Экономичность.

Синхронным двигателям также присущи некоторые недостатки:

• Достаточно сложная конструкция, делающая их производство дороже.
• Необходимость источника постоянного тока (возбудителя или выпрямителя).
• Сложность пуска.
• Необходимость корректировать угловую частоту вращения путем изменения частоты питающего напряжения.

Однако в некоторых случаях использование синхронных двигателей предпочтительнее:

• Для улучшения коэффициента мощности.
• В длительных технологических процессах, где нет необходимости в частых запусках и остановках.

Таким образом, «плюсы» двигателей такого типа значительно превосходят «минусы», поэтому на данный момент они высоко востребованы.

Изучив синхронный двигатель, устройство и принцип его действия и учтя условия, в которых он будет эксплуатироваться, вы сможете быстро и с легкостью подобрать оптимально подходящий для ваших целей тип агрегата (защищенный, закрытый, открытый) и использовать его с максимальной эффективностью.

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.

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