Домой Другое Синхронные электродвигатели: устройство, схема

Синхронные электродвигатели: устройство, схема

192
0

Принцип работы и устройство синхронного электродвигателя переменного тока

c815c38f0a49ce62e2963443025f53e4.jpg

Данный вид электродвигателя используется в быту там, где необходима постоянная скорость вращения, возможность ее регулировки, а так же если необходима скорость вращения более 3000 оборотов в минуту (это максимум для асинхронных).

Синхронные моторы устанавливаются в электроинструменте, пылесосе, стиральной машине и т. д.

В корпусе синхронного двигателя переменного тока расположены обмотки (3 на рисунке), которые также намотаны и на ротор или якорь (1). Их выводы припаяны к секторам токосъемного кольца или коллектора (5), на которые при помощи графитовых щеток (4) подается напряжение. При чем выводы расположены так, что щетки всегда подают напряжение только на одну пару.

Наиболее частыми поломками коллекторных двигателей является:

  1. Износ щетокили их плохой их контакт из-за ослабления прижимной пружины.
  2. Загрязнение коллектора.Чистите либо спиртом или нулевой наждачной бумагой.
  3. Износ подшипников.

Принцип работы. Вращающий момент в электромоторе создается в результате взаимодействия между током тока якоря и магнитным потоком в обмотке возбуждения. С изменением направления переменного тока будет меняться и направление магнитного потока одновременно в корпусе и якоре, благодаря чему вращение всегда будет в одну сторону.

Регулировка скорости вращения меняется методом изменения величины подаваемого напряжения. В дрелях и пылесосах для этого используется реостат или переменное сопротивление.

Изменение направления вращения происходит также как и у двигателей постоянного тока, о которых Я расскажу в следующей статье.

Самое главное о синхронных двигателях Я постарался изложить, более подробно Вы можете прочитать на них на Википедии.

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.

Общий принцип действия

По соответствию основному исполнению, статор считается якорем машины и имеет многофазную обмотку, чаще всего, рассчитанную на три фазы. Он выступает в качестве индуктора, обмотка ротора (возбуждения) служит для создания потока магнитной индукции возбуждения, ее питание осуществляется при использовании  контактных колец, через щеточный механизм, от источника (якоря возбудителя). Конструктивное исполнение машины, прежде всего, зависит от необходимой частоты вращения, главным образом это сказывается на конструктивных особенностях ротора, он бывает двух основных видов, это явнополюсный и неявнополюсный типы.

Синхронные машины высокой мощности конструктивные особенности

Ввиду использования значительной величины мощности, синхронная установка подвергается значительному механическому воздействию, а также электромагнитной нагрузке, вследствие чего происходит существенный нагрев различных частей машин, для чего необходимо выполнить интенсивное охлаждение машины. Чтобы сохранить определенные габаритные размеры, для получения необходимого значения мощности, выполняют машины с различными особенностями, диктующими подразделение машин на несколько типов, это: турбогенераторы, гидрогенераторы, дизель-генераторы, синхронные компенсаторы, синхронные двигатели.

Турбогенераторы

15b7c06eb8faeaf2f7fa8a4ddcba0ab2.png

Конструкция машины исполнена с горизонтальной осью и работает за счет использования турбины, ротор обязательно неявнополюсного исполнения. Скорость вращения вала отличается максимально возможным числом оборотов вращения и составляет 3000 об/мин.

За счет того, что в машине всего два полюса, ее конструктивная часть отличается уменьшенными габаритами и весом. При использовании такого агрегата на АЭС, применяют машины с количеством оборотов вала 1500 об/мин, с 4 полюсами, диаметр ротора меньше длины его активной части. Система, используемая для охлаждения, применяет поверхностный и косвенный принудительный обдув, иногда применяют косвенное водородное или водяное и масляное охлаждение.

Гидрогенераторы

3788a1f0902fb87938972c517cf91eb6.jpg

Функционирование гидрогенератора осуществляется при использовании гидравлической турбины, обладающей невысоким количеством оборотов вала от 50 до 500 об/мин. Ротор явнополюсного исполнения отличается наличием большого числа пар полюсов. Его диаметр для некоторых типов гидрогенераторов может доходить до 16 м., тогда как длина составляет всего 1,75 м. Его мощность достигает 640 МВ*А.

Вал может располагаться вертикально. Гидрогенератор и турбина объединены одним валом ротора, также на нем может быть установлен возбудитель, подвозбудитель и синхронный генератор, который осуществляет питание электрических двигателей, предназначенных для регулировки турбины. Главное усилие в машине приходится на опорный подшипник, он способен выдержать вес роторов всего оборудования, динамические усилия и давление воды, приложенное к турбинным лопастям. Система охлаждения в устройствах этого типа выполняется с помощью омывания капсулы, в которую заключены объединенные одним валом элементы синхронного агрегата.

Синхронный компенсатор

1fa9867eaeb468e64d086b26e6a15ff9.jpg

Машина генерирует реактивную мощность и работает в двигательном режиме холостого хода, использующего активную сетевую нагрузку. Конструкция явнополюсного исполнения обычно присутствует до восьми пар полюсов. Ротор изготовлен облегченным, так как на валу отсутствует какая-либо нагрузка. Часто используется герметизированная конструкция машины, без вывода наружу вала компенсатора, система охлаждения работает за счет использования водорода, закаченного при большом давлении, внутрь.

Дизель-генератор

dbdd88ca9b830da451e0d5e87d2064d8.jpg

Машина имеет в своей конструкции явнополюсный ротор и подразумевает горизонтальную установку вала. Особенность – использование одного опорного подшипника, в качестве второй опоры используется подшипник вала генератора. На едином с ними валу установлен возбудитель.

Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта, буду рад, если вы найдете на моем еще что-нибудь полезное. Всего доброго.

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.

e3e3135b25bfd0801a94d8496d5a8a88.jpg

Для этого электродвигатель подключают к оборудованию, которое необходимо привести в движение. Обычно это механизмы, которые должны работать практически без остановок – вытяжки, насосы и прочее.

Устройство синхронного двигателя

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.

76322cbd35380faa4ff88141304d2ed1.jpg

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.

8a3641242d8b949f093b218382794aab.jpg

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.

1d7832a1bf46efaf38dc4438efb830ed.jpg

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.

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.

4bb4273c88882b0ef7cc0d0092a90c91.jpg

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.

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.

d8c033269662d48a2878e5babf607bf1.jpg

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.

Принцип действия синхронного двигателя

Синхронная машина обратима и может работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя.

Конструктивно синхронный двигатель ничем не отли­чается от синхронного генератора.

Принцип действия синхронного двигателя основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля статора с магнитным полем полюсов ротора.

При работе синхронной машины в режиме двигателя к статору подводят трехфазный переменный ток, а к об­мотке возбуждения ротора — постоянный ток.

Трехфазный переменный ток создает в обмотке статора вращающееся магнитное поле, которое вращается в про­странстве со скоростью

d67a3e66705c579201fb707bf0ca2959.png

где f— частота переменного тока(гц);

р — число пар полюсов в машине.

Представим себе магнитное поле статора в виде круга с явно выраженными полюсами на нем, вращающегося со скоростью п1об/мин. Эти полюса магнитными силовыми линиями связываются с полюсами ротора противополож­ной полярности (рис. 212).

Вращающееся магнитное поле увлекает за собой полюса ротора и заставляет их вращаться с такой же скоростью. Скорость вращения ротора, равную скорости вращающе­гося магнитного поля, называют синхронной скоростью. При нагрузке ротор синхронного двигателя отстает на некоторый угол в от вращающегося магнитного поля, причем с увеличением нагрузки угол в увеличивается (рис. 212,б

Зависимость вращающего момента синхронной машины от угла в представлена на рисунке 213. Кривая имеет вид

с2676674e85d0ec9325ca16c8ad906c69.png6eefda1ca819e9d9a74c549089ae4bca.pngинусоиды. При поминаль­ной мощности двигателя угол Q = 20—30°, при этом перегрузочная способность двигателя равна

cb8fd32b74de7133c628271492670356.png

d69a0674b835b7a5412d6b37e41423d7.pngВращающий момент синхронного двигателя про­порционален приложен­ному напряжению. Ро­тор вращается с син­хронной скоростью, не зависящей от нагрузки, а при увеличении на­грузки изменяется толь­ко угол в.

При вращении рото­ра магнитный поток полюсов Ф0 пересекает витки обмотки статора и индуктирует в них э. д. с. Е0. Согласно уравнению равновесия э. д. c. приложенное к двигателю напряжение сети Uс уравновеши­вается суммой обратных э. д. с. двигателя сумм ЕДВ. На основании этого уравнения нарисуем векторную диаграмму синхронного двигателя (рис. 214). Вектор тока I откладываем вертикально. Под углом ф в сторону опережения откладываем вектор на­пряжения сети Uc. В фазе с вектором тока откладываем векторы магнитного потока якоряФя и потока рассеяния Фрс. каждый из которых индуктирует соответствующие э. д. с.Ея и ЕРС. отстающие от вектора магнитного потока на 90°. Откладываем на векторной диаграмме векторЕя и пристраиваем к нему вектор э. д. с. рассеянияEрс, сумма этих э. д. с. равна падению напряжения на синхронном индуктивном сопротивлении двигателя Хсх

a67e9bd435d6732d15e867db2920ec5b.png

Так как из уравнения равновесия э. д. с. известно, что напряжение сети UС уравновешивается суммой э. д. с. двигателя, то откладываем векторОА, равный и противо­положный по направлению вектору напряжения сетиUС, который и будет представлять сумму э. д. с. двигателя суммЕДВ. Вектор противоэ. д. с. двигателяЕ0 определится как третья сторона треугольникаОАВ, где известны сто­роныОА иОВ. Из этой векторной диаграммы видно, что

ad0a08990b3dfe3a67263c97226f7d3e.png)

В911ab2d11b152c9f2d299a10dec462e1.pngектор напряжения сетиUc изобразим состоящим из двух составляющих, каждая из которых уравновешивает соответствующую обратную э. д. с. В данном случае со­ставляющая —Е0 уравновеши­вает э. д. с.Е0, а составляю­щаяIхсх уравновешивает э. д. с.Ея иЕрс.

Разновидности движков

Конструкция ротора и принцип действия синхронной машины-двигателя напрямую связана

  • с мощностью, которую надо создать на его вале,
  • необходимой для этого величиной магнитного потока,
  • параметрами напряжения питания статора.

Устройство синхронных машин небольшой мощности получается более простым при изготовлении магнитного ротора из специальных материалов. Так же применяется явно полюсный ротор с малой начальной намагниченностью. В результате получаются конструкции с постоянными магнитами, а также гистерезисные и синхронные реактивные двигатели. На статор этих движков подается переменное напряжение. Число фаз и частота соответствуют конструкции двигателя. В однофазных движках может быть использован конденсатор, через который подключается одна из двух обмоток статора. Но может быть применена схема из показанных далее вариантов.

eaa01f942e95afb0215c15aee2776038.jpg
Варианты устройства синхронных двигателей621eae9cb9300ae25a4fd3ec8e6950fe.jpg
Разновидности роторов97575a13d5c658b1080db0aa8158f6e6.jpg
Принцип работы ротораa35afd40e44e5bf6724ea9c2aee76a1d.jpg
Один из вариантов конструкции двигателя62a99372ea637c1086a440d39ec02425.jpg
Ротор с постоянными магнитамиc6699ed06d0373b1ac531989aa24c0d4.jpg
Гистерезисный движок

97bcb5146d05aa1fb0b45aaa21210970.png
Три разновидности конструкции ротора реактивного двигателя

Гистерезисный движок похож на синхронный реактивный двигатель. Эти синхронные машины переменного тока характеризует одинаковый принцип действия. Его определяет магнитное поле статора, намагничивающее ротор. Гистерезисный движок и синхронный реактивный электродвигатель своей надежностью не уступают асинхронным двигателям. Однако роторы этих синхронных машин всегда бывают существенно дороже роторов асинхронных движков.

С целью получения максимального силового взаимодействия и больших по величине крутящих моментов в роторе используется принцип электромагнита. При этом его называют индуктором с обмоткой возбуждения. Для ее питания применяется постоянное напряжение, которое подается на щетки. Они расположены на статоре и скользят по кольцам, установленным на роторе. Через эту пару скользящих контактов течет постоянный ток возбуждения.

9e3ae21fce42b812a9415910f2485ca7.jpg
Классический движок с индуктором

Такое классическое устройство синхронной машины существует и в наши дни, но преимущественно в наиболее мощных моделях. Для запуска движков обычно используются конструктивные решения со скольжением магнитных полей, характерные для асинхронных двигателей. При наличии индуктора для этого достаточно накоротко замкнуть щетки. В синхронных электрических машинах движки без щеток в роторе делаются с пусковыми обмотками типа беличьей клетки. Могут быть иные конструктивные решения для асинхронного старта.

Важной особенностью рассматриваемых двигателей, питаемых переменным напряжением, является их польза при работе без механической нагрузки или при ее небольшой величине. В таком режиме работы при небольшом возбуждении реактивная мощность из сети потребляется, а при значительном — отдается в сеть

Тем самым увеличивается эффективность электроснабжения. Для этой цели делаются специальные движки, называемые синхронными компенсаторами.

64065df9c02f0779022bd3fd4320110c.jpg
Движки-компенсаторы на подстанции

Развитие полупроводниковых приборов позволило создавать вращающееся магнитное поле путем преобразования постоянного напряжения. Очевидно то, что такое техническое решение расширило возможности управления электрическими двигателями. Регулирование частоты питающего напряжения и бесконтактный индуктор — это главные достижения полупроводниковых моделей. Но при этом существуют ограничения, определяемые возможностями электронных ключей.

По этой причине наиболее мощные из всех существующих движков по-прежнему являются трехфазными индукторными конструкциями со щетками и кольцами.

Похожие статьи:

  • Однофазные электродвигатели 220в
  • Что такое плавный пуск электродвигателя?

Возбуждение синхронной машины

Для питания обмотки возбуждения предусмотрено наличие возбудителя, в его качестве выступает генератор постоянного тока, якорь которого сопряжен с валом машины, посредством использования механического устройства.

По способу возбуждения синхронные машины подразделяются на два типа:

  1. Возбуждение независимого вида.
  2. Самовозбуждение.

При независимом возбуждении схема подразумевает наличие подвозбудителя, который питает: обмотку главного возбудителя, реостат для регулировки, устройства управления, регуляторы напряжения и т. д. Кроме этого способа, возбуждение может осуществляться от генератора, выполняющего вспомогательную функцию, он приводится в работу от двигателя синхронного или асинхронного типа.

Для самовозбуждения, питание обмотки происходит через выпрямитель, работающий на полупроводниках или ионного типа.

Для турбо- и гидрогенераторов используют тиристорные устройства возбуждения. Ток возбуждения регулируется в автоматическом режиме при помощи регулятора возбуждения. Для характерно использование регулировочных реостатов, они включены в цепь обмотки возбуждения.

Синхронный и асинхронный двигатель отличия

Отличие работы двигателей — в роторе. У синхронного типа он заключается в постоянном или электрическом магните. Благодаря притягиванию разноименных полюсов вращающееся поле статора влечет и магнитный ротор. Их скорость получается одинаковой. Отсюда и название — синхронный.

e88716ae7adc798f4f72eb282d362206.jpgВ нем можно добиться, в отличие от асинхронного, даже опережения напряжения по фазам. Тогда устройство, подобно батареям конденсатора, может применяться для увеличения мощности.

Асинхронные двигатели, в свою очередь, просты и надежны, но их недостатком является трудность регулировки частоты вращения. Для реверсирования трехфазного асинхронного двигателя (то есть изменения направления его вращения в противоположную сторону) меняют расположение двух фаз или двух линейных проводов, приближающихся к обмотке статора.

Если рассматривать частоту вращения, то имеют и здесь синхронный и асинхронный двигатель отличия. В синхронном типе этот показатель является постоянным, в отличие от асинхронного. Поэтому первый используют там, где необходима постоянная скорость и полная управляемость, например, в насосах, вентиляторах и компрессорах.

Выявить на том или ином устройстве наличие рассматриваемых типов приборов очень просто. На асинхронном двигателе будет не круглое число оборотов (например, девятьсот тридцать в минуту), в то время как на синхронном — круглое (например, тысяча оборотов в минуту).

И те, и другие моторы управляются достаточно сложно. Синхронный тип имеет жесткую характеристику механики: при любой меняющейся нагрузке на вал мотора частота вращения будет одной и той же. При этом нагрузка, конечно, должна меняться с учетом того, чтобы двигатель способен ее выдержать, иначе это приведет к поломке механизма.

ab18b17ff5cc7d2037ec5566e294aa70.jpg

Так устроен синхронный и асинхронный двигатель. Отличия обоих видов обуславливают сферу их использования, когда один вид справляется с задачей оптимальным образом, для другого это будет проблематичным. В то же время можно встретить и комбинированные механизмы.

Конструктивные особенности явнополюсного ротора

017be3b1c0693697629a4adb17069e8d.png
Явнополюсной ротор

В первом случае, ротор имеет два или более явно выраженных полюса. Стержни (катушки), крепятся в пазах посредством использования клиньев из немагнитного изоляционного материала.

Стержни исполняют функцию обмоток возбуждения. Сердечник изготавливается из электротехнической стали. В полюсных наконечниках располагаются стержни обмотки, предназначенной для пуска, они выполняются из латуни, для которой характерно высокое удельное сопротивление.

Аналогичная обмотка, «беличья клетка»,  которая имеет в своей конструкции катушки из меди, используется для устройства генераторов, она выполняет демпфирующую роль и выступает успокоителем, потому как способствует снижению неустойчивости ротора, появляющейся во время переходного режима.

Прекращение колебаний происходит после возникновения вихревых токов, появляющихся при замыканиях в роторе с полюсами значительного веса.

Неявнополюсный ротор применяется для конструкций синхронных агрегатов большой мощности. Они отличаются высокими скоростными характеристиками. Число оборотов вала может достигать предела порядка 3000 об/мин.

Этот параметр обуславливает невозможность использования явнополюсного ротора в высокоскоростных машинах в связи с трудностью крепления полюсов и обмоток возбуждения при небольшом количестве пар полюсов.

Магнитопровод ротора изготовлен, как единое целое с валом машины и выполняется из единой поковки. Набор его производится из прочной легированной стали, в пазах осуществляется формирование обмотки из медных с серебряной присадкой проводников, это делается для повышенной термической стойкости.

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.

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.

Недостатки синхронных двигателей

3e9a75688253d13825f96cb6bd5826b4.jpg

Оказывается, что недостатков у синхронных машин намного больше. Вот только основные:

  1. Схема синхронного электродвигателя довольно сложная, она состоит из большого количества элементов. Именно по этой причине себестоимость устройства оказывается очень высокой.
  2. Обязательно нужно использовать для питания индуктора источник постоянного тока. Это значительно усложняет всю конструкцию.
  3. Процедура запуска электрического двигателя довольно сложная, нежели у асинхронных машин.
  4. Произвести регулировку частоты вращения ротора можно только при помощи использования частотных преобразователей.

В целом же, преимущества существенно перекрывают недостатки синхронных электродвигателей. По этой причине они очень часто используются там, где необходимо вести непрерывный постоянный производственный процесс, где не нужно часто останавливать и запускать оборудование. Синхронные машины можно встретить в насосах, компрессорах. Они редко выключаются, работают почти постоянно. За счет применения таких моторов можно достичь существенной экономии электроэнергии.

Ссылки

Двигатели
Двигатели внутреннего сгорания (кроме турбинных)
Возвратно-поступательные
Количество тактов
  • Двухтактный двигатель
    • двигатель Ленуара
  • Четырёхтактный двигатель
  • Пятитактный двигатель
    • роторный
  • Шеститактный двигатель
Расположениецилиндров
  • Рядный двигатель
    • U-образный двигатель
  • Оппозитный двигатель
  • Н-образный двигатель
  • V-образный двигатель
  • VR-образный двигатель
  • W-образный двигатель
  • Звездообразный двигатель
    • вращающийся
  • X-образный двигатель
Типы поршней
  • Свободно-поршневые
  • Двигатель со встречным движением поршней
    • дельтообразный
  • Аксиальные
Способвоспламенения
  • Дизельные
  • Компрессионные карбюраторные
  • Калильно-компрессионный
  • Калильные карбюраторные
  • Батарейное зажигание
  • Магнето
  • Дуговые и искровые свечи
Роторные
  • Двигатель Ванкеля
  • Орбитальный двигатель
    • двигатель Сарича
  • Роторно-лопастной двигатель Вигриянова
Комбинированные
  • Гибридные
  • Двигатель Хессельмана
Воздушно-реактивные
Основные типы
Бескомпрессорные
  • Прямоточные
  • Пульсирующие
Турбореактивные
  • Турбовентиляторные (двухконтурные)
  • Турбовинтовые
  • Турбовинтовентиляторные
  • Турбовальные
Модификациии гибридные системы
  • Мотокомпрессорный воздушно-реактивный двигатель
  • Гиперзвуковые прямоточные
См. также: Газотурбинные двигатели
Ракетные двигатели
  • Выбрасывающий
  • Стартовый
  • Разгонный
  • Маршевый
  • Маневровый
Химические
Жидкостные
  • Закрытого цикла
  • Открытого цикла
  • С фазовым переходом
  • Двигатель Вальтера
Другие
  • Твердотопливные
  • Топливно-гибридные
Ядерные
  • Термоядерные
  • Газофазно-ядерные
  • Твёрдофазно-ядерные
  • Солевые
Электрические
  • Плазменные
    • электромагнитный ускоритель VASIMR
  • Ионные
  • Электротермические
  • Электростатические
Другие
  • Клиновоздушный
  • Двигатель Бассарда
Двигатели внешнего сгорания
  • Паровая машина
  • Двигатель Стирлинга
  • Пневматический двигатель
Турбины и механизмы с турбинами в составе
По виду рабочего тела
Газовые
  • Газотурбинная установка
  • Газотурбинная электростанция
  • Газотурбинные двигатели
Паровые
  • Парогазовая установка
  • Конденсационная турбина
Гидравлические турбины
  • Пропеллерная турбина
  • Гидротрансформатор
По конструктивным особенностям
  • Осевая (аксиальная) турбина
  • Центробежная турбина
    • радиальная
    • диагональная
  • Радиально-осевая турбина (турбина Френсиса)
  • Поворотно-лопастная турбина (турбина Каплана)
  • Ковшовая турбина (турбина Пелтона)
  • Турбина Турго
  • Ротор Дарье
  • Турбина Уэльса
  • Турбина Тесла
  • Сегнерово колесо
Электродвигатели
  • Постоянного тока
  • Переменного тока
  • Многофазные
  • Трёхфазные
  • Двухфазные
  • Однофазные
  • Универсальные
Асинхронные
  • Конденсаторный двигатель
Синхронные
  • Бесколлекторные (Вентильный двигатель)
  • Коллекторные
  • Вентильные реактивные
  • Шаговые
Другие
  • Линейные
  • Гистерезисные
  • Униполярные
  • Ультразвуковые
  • Мендосинский мотор
Биологические двигатели
Моторные белки
  • Актин
  • Динеин
  • Кинезин
  • Миозин
  • Тропомиозин
  • Тропонин
  • Флагеллин
См. также
Вечный двигатель
Мотор-редуктор

Принцип работы

Изучая принцип работы синхронного двигателя, важно понимать, что, как и остальные разновидности силовых установок, они преобразуют один тип энергии в другой. Простыми словами, встроенные механизмы делают из электрической энергии механическую, а вся работа происходит по такому алгоритму: .
Сквозь обмотку на статоре пропускается переменное напряжение, в результате чего происходит образование магнитного поля.
Затем аналогичное напряжение подается на роторные обмотки, что тоже создает магнитное поле

При наличии в конструкции постоянных магнитов такое поле имеется по умолчанию.
При столкновении двух магнитных полей происходит их противодействие друг другу, т. е. одно толкает другое. Именно такой принцип вызывает передвижение ротора, помещенного на подшипники.

  1. Сквозь обмотку на статоре пропускается переменное напряжение, в результате чего происходит образование магнитного поля.
  2. Затем аналогичное напряжение подается на роторные обмотки, что тоже создает магнитное поле. При наличии в конструкции постоянных магнитов такое поле имеется по умолчанию.
  3. При столкновении двух магнитных полей происходит их противодействие друг другу, т. е. одно толкает другое. Именно такой принцип вызывает передвижение ротора, помещенного на подшипники.

Зная, как устроен и работает синхронный двигатель, остается правильно распределить его энергию и использовать в нужных целях. Однако производительность и КПД системы будут максимальными только в том случае, если удастся вывести ее в нормальный режим работы.

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.

22e5df155ad799abc17b63db66f28f63.png

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 .

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.

bf59042b0b279a040ff44dce7d429ffc.png

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.

Как работает синхронный мотор

В синхронных машинах электромагниты на статоре являются полюсами, так как они работают на постоянном токе. Всего существует две схемы, по которым соединяются обмотки статоров:

  1. Явнополюсная.
  2. Неявнополюсная.

Для того чтобы снизить магнитное сопротивление и оптимизировать условия прохода поля, применяются сердечники, изготовленные из ферромагнетиков. Они имеются как в статоре, так и в роторе.

358c8c7ab769dc14cd058ad99b1aaa00.jpg

Изготавливаются они из специальных сортов электротехнической стали, в которой содержится огромное количество такого элемента, как кремний. С помощью этого удается значительно понизить вихревой ток, а также увеличить электрическое сопротивление металла.

В основе работы синхронных электродвигателей лежит взаимодействие полюсов статора и ротора. При запуске происходит ускорение до скорости движения потока. Именно в таких условиях электрический двигатель действует в синхронном режиме.

Асинхронный электродвигатель

Итак, надо начать с рассмотрения конструкции асинхронной модели. Основное отличие от синхронной – это наличие трех обмоток в статоре, концы которых выводятся для подключения в клеммную коробку. Вторая основная часть мотора – ротор цельного типа, торцы которого замыкаются между собой, отсюда, в принципе, и название – короткозамкнутый.

Дополнением конструкции является крыльчатка, с помощью которой охлаждается двигатель. Устанавливается крыльчатка на вал (ротор) электрического мотора. Сам ротор держится и вращается в подшипниках, установленных в двух крышках корпуса

Обратите внимание, что именно подшипники и являются самым уязвимым местом агрегата. Именно они чаще всего выходят из строя

Правда, заменить их не очень сложно.

Принцип работы

По какому принципу работает асинхронный двигатель? Внутри корпуса мотора, где расположены обмотки статора, возникает магнитное поле, которое действует на ротор, заставляя его вращаться под действием возникшей электродвижущей силы. Но вращение ротора может быть только в том случае, если скорость вращения магнитного поля будет быстрее вращения самого вала двигателя. Если скорости будут одинаковыми, то электродвижущая сила не появится.

Но в любом случае этого произойти не может, потому что здесь несколько причин, сдерживающих скорость вращения ротора.

  • Трение в подшипниках.
  • Нагрузка на сам вал.

Но самое главное, что магнитные полюса в асинхронном двигателе постоянно меняются, что влияет на смену направлений тока в статоре электродвигателя. То есть, в определенное время ток начинает вращаться «на нас», а в следующий промежуток «от нас». Именно поэтому такие двигатели называются асинхронными, у них просто нет стабильного направления тока.

4c513ccab08e29643d5d676f5efe88d9.jpg

Что касается скорости вращения ротора, то тут необходимо сделать одно замечание. Этот показатель будет зависеть от того, сколько полюсов одномоментно подключено к питанию. К примеру, максимальная скорость вращения вала будет при двух подключенных полюсах. Чтобы снизить данный показатель, необходимо добавить еще два полюса, то есть, увеличить их вдвое.

И еще один недостаток. Асинхронные двигатели при работе обладают разной скоростью вращения вала. К примеру, на холостом ходу это может быть одна величина, при нагрузке она резко снижается. По сути, получается так, что изменение частоты тока влияет на скорость вала. Другого способа изменить скорость вращения не существует.

Типы синхронных машин

Существует несколько разновидностей подобных машин, это:

  1. Гидрогенератор – его ротор отличается наличием явновыращенных полюсов и используется при производстве электрической энергии, работает на низких оборотах.
  2. Турбогенератор – отличается неявнополюсной конструкцией генератора, работает при помощи турбин различного типа, скорость отличается большим количеством оборотов вала в минуту, может достигать до 6000 об/мин.
  3. Компенсатор – он вырабатывает реактивную мощность, не несет нагрузку, используется в целях повышения качества электрической энергии за счет улучшенного коэффициента мощности, служит для стабилизации напряжения.
  4. Асинхронизированная машина двойного питания – в ней производится подключение роторной и статорной обмоток от источника токов с разной частотой, происходит создание несинхронного режима работы. Отличается устойчивым режимом работы, служит преобразователем фазных токов, применяется для решения узкоспециализированных задач.
  5. Двухполюсный ударный генератор – работа заключается в использовании режима короткого замыкания, действует кратковременно в течение долей секунды, выполняет задачу для испытания аппаратуры высокого напряжения.
  6. Синхронные двигатели – подразделяются на ряд моделей, предназначенных для выполнения различных целей, это: шаговые модели, безредукторные, индукторные, гистерезисные, а также бесконтактные двигатели.

Запуск электродвигателей синхронного типа

Самое сложное в работе синхронного мотора – это его запуск. Именно поэтому его используют крайне редко. Ведь 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.

395709de34375203247d2df6f20d2f98.jpg

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.

Пуск синхронного двигателя

Одним
из главных недостатков синхронных
двигателей является сложность их пуска
в ход. Пуск синхронных двигателей может
быть осуществлен при помощи вспомогательного
пускового двигателя или путем асинхронного
пуска.

Пуск
синхронного двигателя при помощи
вспомогательного двигателя. Если ротор
синхронного двигателя с возбужденными
полюсами развернуть другим, вспомогательным
двигателем до скорости вращения поля
статора, то магнитные полюсы статора,
взаимодействуя с полюсами ротора,
заставят ротор вращаться далее
самостоятельно без посторонней помощи,
в такт с полем статора, т. е. синхронно
(откуда эти двигатели и получили свое
название).

Дda14439d8048cd4aa212dd6b735cad0c.jpgля
осуществления пуска необходимо, чтобы
число пар полюсов асинхронного двигателя
было меньше числа пар полюсов синхронного
двигателя, ибо при этих условиях
вспомогательный асинхронный двигатель
может развернуть ротор синхронного
двигателя до синхронной скорости.

Порядок
пуска синхронного двигателя следующий.
Включая рубильник 3, пускают вспомогательный
асинхронный двигатель 2, который
разворачивает ротор синхронного
двигателя 1 до скорости, соответствующей
скорости поля статора. Скорость вращения
вспомогательного двигателя определяется
по тахометру1. Затем, включая рубильник
4 постоянного тока, возбуждают полюсы
ротора. Чтобы включить синхронный
двигатель в сеть трехфазного тока, его
нужно синхронизировать так же, как и
при включении синхронного генератора
на параллельную работу. Для этого
реостатом 5 устанавливают такое
возбуждение, чтобы напряжение обмотки
статора по вольтметру V было равно
напряжению сети, указываемому вольтметром
V1.

Электролампы
6, включенные параллельно ножам рубильника
7 трех-фазной сети, при разомкнутом
рубильнике будут мигать. Сначала мигание
будет частым, но если изменять скорость
вращения вспомогательного асинхронного
двигателя, то лампы будут мигать . все
реже и реже. Синхронный двигатель можно
включить в сеть трехфазного тока
рубильником 7 тогда, когда все три лампы
одновременно погаснут. Ротор двигателя
при этом входит в синхронизм и может
далее вращаться самостоятельно. Теперь
вспомогательный двигатель 2 рубильником
3 можно отключить от сети.

Сложность
пуска и необходимость вспомогательного
двигателя являются существенными
недостатками этого способа пуска
синхронных двигателей. Поэтому в
настоящее время он применяется редко.

Асинхронный
пуск синхронного двигателя. Для
осуществления этого способа пуска в
полюсных наконечниках полюсов ротора
укладывается дополнительная
короткозамкнутая обмотка. Так как во
время пуска в обмотке возбуждения 1
двигателя наводится большая э. д. с, то
по соображениям безопасности она
замыкается рубильником 2 на сопротивление
3

Пf0f2480e1e76431554e7b43dc988cb24.jpgри
включении напряжения трехфазной сети
в обмотку статора 4 синхронного двигателя
возникает вращающееся магнитное поле,
которое, пересекая короткозамкнутую
(пусковую) обмотку, заложенную в полюсных
наконечниках ротора, индуктирует в ней
токи.

Эти
токи, взаимодействуя с вращающимся
полем статора, приведут ротор во вращение.
При достижении ротором наибольшего
числа оборотов (95—97% синхронной скорости)
рубильник 2 переключают так, чтобы
обмотку ротора включить в сеть постоянного
напряжения.

Недостатком
асинхронного пуска является большой
пусковой ток (в 5—7 раз больший рабочего
тока). Пусковой ток вызывает падение
напряжения в сети, а это отражается на
работе других потребителей. Для уменьшения
пускового тока применяют пуск при
пониженном напряжении с помощью реактора
2 или автотрансформатора.

В
настоящее время применяют почти
исключительно асинхронный пуск синхронных
двигателей ввиду его простоты и
надежности. Существуют также схемы
автоматического асинхронного пуска
синхронных двигателей

Устройство

Синхронный главный генератор тепловоза 2ТЭ25КМ: 1 — щётка, 2 — контактное кольцо, 3 — вал ротора, 4 — полюс ротора, 5 — статор

Основными частями синхронной машины являются якорь и индуктор (обмотка возбуждения). Как правило, якорь располагается на статоре, а на отделённом от него воздушным зазором роторе находится индуктор — таким образом, по принципу действия синхронная машина представляет собой как бы «вывернутую наизнанку» машину постоянного тока, переменный ток для обмотки якоря которой не получается с помощью коллектора, а подводится извне.

Якорь представляет собой одну или несколько обмоток переменного тока. В двигателях токи, подаваемые в якорь, создают вращающееся магнитное поле, которое сцепляется с полем индуктора, и таким образом происходит преобразование энергии. Поле якоря оказывает воздействие на поле индуктора и называется поэтому также полем реакции якоря. В генераторах поле реакции якоря создаётся переменными токами, индуцируемыми в обмотке якоря от индуктора.

Индуктор состоит из полюсов — электромагнитов постоянного тока[1] или постоянных магнитов (в микромашинах). Индукторы синхронных машин имеют две различные конструкции: явнополюсную или неявнополюсную. Явнополюсная машина отличается тем, что полюса ярко выражены и имеют конструкцию, схожую с полюсами машины постоянного тока. При не явнополюсной конструкции обмотка возбуждения укладывается в пазы сердечника индуктора, весьма похоже на обмотку роторов асинхронных машин с фазным ротором, с той лишь разницей, что между полюсами оставляется место, не заполненное проводниками (так называемый большой зуб). Неявнополюсные конструкции применяются в быстроходных машинах, чтобы уменьшить механическую нагрузку на полюса.

Для уменьшения магнитного сопротивления, то есть для улучшения прохождения магнитного потока, применяются ферромагнитные сердечники ротора и статора. В основном они представляют собой шихтованную (набранную из отдельных листов) конструкцию из .

ОСТАВЬТЕ ОТВЕТ

Please enter your comment!
Please enter your name here