Синхронный электродвигатель принцип работы

Область применения

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

Асинхронный электродвигатель

Асинхронный электродвигатель — основной привод, используемый в промышленности. К примеру, в автомобилестроении он исполь­зуется в электроусилителях рулевого управ­ления и в гибридных автомобилях. В следую­щем разделе представлена концепция работы асинхронного двигателя как индукционной машины. Приведен также энергетический анализ асинхронного двигателя в силу его явного преобладания среди приводов.

Устройство асинхронного электродвигателя

Различают двигатели с внешним ротором и внутренним ротором. У двигателей с внеш­ним ротором статор находится внутри ро­тора, у двигателей с внутренним ротором наоборот — ротор находится внутри статора. На принципиальной схеме (рис. «Принцип работы асинхронного двигателя» ) показана принципиальная схема асинхронного двига­теля с внутренним ротором.

Принцип работы асинхронного двигателя

Ротор состоит из короткозамкнутого кар­каса с пакетом пластин (рис. «Короткозамкнутая клетка асинхронного электродвигателя» ), в качестве примера с четырьмя короткозамкнутыми стержнями). Пакет пластин полностью за­полняет пространство короткозамкнутого каркаса (на рис. не показано). Он состоит из отдельных стальных листов, изолированных друг от друга, чтобы свести к минимуму по­тери вихревых токов.

Рабочие характеристики асинхронного электродвигателя

Обмотка статора создает вращающееся поле с трехфазным переменным током. Между скоростью вращающегося поля и скоростью ротора возникает разница, создающая индук­цию магнитно-эффективного тока в роторе, которая в свою очередь способствует созда­нию крутящего момента.

Двухполосный короткозамкнутый роторФизический принцип работы основан на законе магнитной индукции. На рис. «Двухполосный короткозамкнутый ротор» изо­бражен ротор в виде упрощенного проводя­щего контура на вращающихся креплениях. Относительное перемещение между стато­ром и ротором описывает угловая частота (os. Магнитное поле ВЕ с угловой частотой, окру­жающее контур ротора, наводит напряжение в короткозамкнутом роторе в соответствии со вторым уравнением Максвелла:

ΦEds = -d/dt∫∫BEdA   (уравнение 12)

На основании этого уравнения и конструк­тивных переменных двигателя (см. рис. 13) получаем:

2E (l+2r) п = 2lr·ВЕ·ω sin(ωt) (уравнение 13)

где:

Е = I · Аnom /к  (к — удельная электро­проводность), напряжение создает магнитно­эффективную мощность

i = (к·Аnomlr·ωs/(l+r))·sin(ωst)   (уравнение 14)

в проводящем контуре, магнитное поле ко­торого

Hind = i·N/lFe

и плотность потока (магнитная индукция)

Bind = μ·Hind

ослабляет исходное вращающееся поле ВЕ (индуктивное сопротивление). Нижеследую­щее уравнение применимо для получения результирующей магнитной индукции:

BR = BE-Bind

В уравнении Максвелла (уравнение 13) вме­сто ВЕ остается результирующая магнитная индукция BR. На проводящий контур воздей­ствует тангенциальная сила Ft:

Ft = i l BR sin(ωst)   (уравнение 15)

(сила Лоренца). Она используется для вычис­ления крутящего момента. Для уравнений 14 и 15 справедливо следующее:

M=2 Ft r = (2 k·Anom ωs/(l+r))·(lr·BR sin(ωst))2

Распределение крутящего момента асинхронного двигателяНа рис. «Распределение крутящего момента асинхронного двигателя» показаны две характеристические кривые. Одна из них отображает крутящий момент под влиянием индуктивного сопротивления. На него может повлиять геометрия вала ротора и выбор материалов. Другая кривая отображает крутящий момент без влияния индуктивного сопротивления. Это ограниченный случай для технической реа­лизации.

При увеличении угловой частоты индук­тивное сопротивление сначала приводит к увеличению крутящего момента вплоть до достижения переломного момента. Это максимально возможный крутящий момент двигателя. Впоследствии он падает из-за увеличивающегося влияния индуктивного сопротивления. Рассеяние мощности Рv, воз­никающее в проводящем контуре, вычисля­ется на основе сопротивления проводящего контура Rs и тока, наведенного в контуре is:

Pv = Rs— is2

Таким образом, рассеяние мощности растет пропорционально квадрату наведенного тока.

Классы эффективности двигателей

СЕМЕР Европейский Комитет изготовителей электродвигателей и силовой электроники) ввел классификацию эффективности на базе трех классов (EFF1, EFF2 и EFF3). Классы эф­фективности применяются к трехфазным асинхронным двигателям с двумя и четырьмя полюсами, а также с выходной мощностью от 1,1 до 90 кВт (рис. «Эффективность и выходная мощность» ).

Синхронный электродвигатель

Итак, синхронный электродвигатель – это мотор с постоянной скоростью вращения ротора, плюс возможность регулировать эту скорость. Устройство синхронного мотора достаточно сложное. Чтобы в нем разобраться, необходимо рассмотреть фотографию ниже.

Здесь четко показано, что обмотки двигателя располагаются на якоре или роторе агрегата. Концы обмоток выведены и закреплены на токосъемное кольцо, а, точнее, к его секторам. Сам же ток подается на это же кольцо только через графитовые щетки, которые подключены к питающей сети.

Внимание! Концы обмоток подключаются таким образом, что при работе мотора через щетки электрический ток попадал всегда только на одну пару.

У двигателя этой модели больше уязвимых мест, чем у асинхронной.

  • Снашиваются графитные щетки.
  • Плохой контакт между токосъемным кольцом и щетками за счет ослабления пружины, которая прижимает последние к кольцу (коллектору).
  • Изнашиваются подшипники.
  • Образование грязевого налета на поверхности токосъемного кольца.

Теперь переходим к другой позиции – принцип работы синхронного электродвигателя. Вращающийся момент внутри мотора образуется за счет взаимодействия магнитного поля, которое образуется в обмотках возбуждения, и тока, проходящего по якорю агрегата. Но тут есть один момент – изменяющееся направление тока (переменного) будет менять и направление вращения магнитного поля двигателя. Правда, смена вращения будет меняться и в корпусе аппарата, и на якоре одновременно. Вот почему вращение ротора мотора всегда происходит с одинаковой скоростью.

Синхронные моторы

Именно поэтому изменить эту величину можно лишь тем, если изменить напряжение подаваемой на щетки электроэнергии. Вспомните пылесосы, где всасываемую мощность изменяют переключателем, который просто соединен с реостатом. А мощность пылесоса зависит от скорости вращения вала крыльчатки, то есть вала электродвигателя. Чем больше скорость, тем больше мощность всасывания.

Но синхронные электродвигатели в промышленности своего основного места не нашли. Здесь в основном используются асинхронные модели.

Конструкция синхронного устройства

Принцип работы и устройство синхронных машин остаются понятными даже для неопытных потребителей. К ключевым составляющим системы относят следующие узлы:

  1. Обзор синхронного двигателяСтатор — представляет собой неподвижную часть установки, на которой расположено три обмотки. Они соединены по схеме «звезда» или «треугольник». В качестве материала для изготовления статора используются пластины из суперпрочной электротехнической стали.
  2. Ротор — подвижный элемент двигателя, оснащенный обмоткой. Во время работы установки эта обмотка пропускает определенное напряжение.

Принцип работы синхронного двигателя

Между зафиксированной и подвижной частью системы находится небольшая воздушная прослойка, гарантирующая сбалансированную работу мотора и беспрепятственное воздействие магнитного поля на ключевые составляющие агрегата. Также в двигателе установлены подшипники, необходимые для вращения ротора, и клеммная коробка. Последняя находится в верхней части механизма.

Как работают электрические двигатели

Асинхронные двигатели

Кратенько описали внешние отличия электрических двигателей, теперь пара слов по поводу устройства и функционирования. Асинхронные двигатели при помощи статора создают по оси вращающееся магнитное поле. Барабан беличьей клетки редко изготавливается из ферромагнитных материалов (если вообще имеет место быть). В противном случае нагрев вышел бы значительным. Фактически получается индукционная печь.

Силуминовый барабан вдоль линий магнитного поля содержит медные проводники. Разница в проводимости такова, что не проводится изоляции: ток несут красно-коричневые жилы. Поле, индуцированное статором ЭДС, слабое. Применяются специальные меры, помогающие разогнать вал. Магнитное поле ротора плохо цепляется, асинхронный двигатель стоит столбом. Действенная мера противодействия проблеме ограничивается созданием двойной беличьей клетки: вдоль барабана проходит на некоторой глубине второй ряд медных жил. Объединены торцами единой сетью.

На запуске частота тока, глубина проникновения поля велики. Включаются в работу оба слоя беличьей клетки. По мере разгона разница нивелируется, падает до нуля. Амплитуда поля снижается, рабочим остается внешний слой беличьей клетки. Обратите внимание, догнать поле ротор бессилен, проскальзывает, запаздывает. Поэтому двигатели получили название асинхронных. Англичане делают проще – зовут индукционными.

Если поле вращать со скоростью ротора, ЭДС перестает наводиться. Последует замедление, цикл повторится, начавшись разгоном. Ротор по-прежнему будет отставать от поля. Так работает устройство короткозамкнутого типа. Фазный ротор (спасибо Википедия), содержащий трехфазную обмотку, выполняет несколько функций, согласно назначению устройства:

  • Подпитывается электричеством через кольцо токосъемника. Теперь ротор получает фазу и наводит на статоре ЭДС. Постепенно вал подхватывается полем, дальнейший процесс описан выше.
  • Подпитывается постоянным током. Образуется синхронный двигатель.
  • Снабжается реостатами, дросселями, регулирующими скорость.
  • Реализует управление инвертором (усложненный первый случай).

Принцип действия асинхронных двигателей: используется наведенная ЭДС, скорость вращения неспособна догнать поле (пропадают токи). Иначе тип мотора меняется (синхронный). Для регуляции скорости часто используется амплитуда питающего напряжения. Способ годится двигателям асинхронного типа с короткозамкнутым, фазным ротором. Перечислим методики:

Работа двигателя переменного тока

Работа двигателя переменного тока

  • Для машин с короткозамкнутым ротором годятся:
    1. Регулирование частоты напряжения питания.
    2. Изменение числа пар полюсов статора. В результате меняется скорость вращения поля, давая нужный эффект.
  • Для машин с фазным ротором допускается:
    1. Вводить реостат в цепь питания. Растут потери на скольжение, закономерно изменяя скорость.
    2. Применять специальные вентили. Энергия скольжения выпрямляется схемой Ларионова, подается в виде постоянного напряжения вспомогательному электрическому двигателю, нарезающему импульсы через управляемые извне тиристоры. Мощность, которая обычно терялась бы, возвращается. Через вал вспомогательного двигателя, трансформатор, обмотки которого частично включены в сеть питания. Управление скоростью выполняют внедрением дополнительной ЭДС. Делается либо напрямую (через источник питания), либо сдвигом угла включения тиристоров относительно питания. Частота отклоняется от номинала.
    3. Двигатель двойного питания является вариантом реализации регулировки скорости в оборудовании с фазным ротором. Тип чаще применяется для реализации схем генераторов. Ротор уплывает частотой вращения – двигатель все-таки асинхронный. Статор, ротор питаются отдельно. Позволяет для каждой обмотки задавать частоту, закономерно приводит к нужным изменениям скорости.

Асинхронным двигателям годится изменение амплитуды питания. Наибольшим КПД обладают вентильные схемы, самые дорогие.

Двигатель синхронного типа

Двигатель асинхронного типа

Какой лучше

Итак, в статье были разобраны устройство и принцип действия двух видов электродвигателей. Говорить о том, что какой-то из них лучше, нельзя. Но отметим, что асинхронные модели проще в конструктивном аспекте. Они надежнее в эксплуатации. Если их не перегружать, то срок службы может быть очень длительным. К сожалению, синхронные виды этим похвастаться не могут. Графитовые щетки быстро изнашиваются, им требуется замена. Но если не уследить, и графит сотрется полностью, то металлические держатели щеток начнут истирать токосъемное кольцо. А его выход из строя – это не только полный выход из строя двигателя, это большое количество искр (трение металла о металл) и возможность появления более серьезных неприятностей.

Устройство генераторов

Существует обратный вариант синхронных двигателей — синхронные генераторы. Они работают немного иначе:

  1. Запуск генератораОбмотка неподвижного статора не пропускает напряжение. Наоборот, с нее оно снимается.
  2. Сквозь роторную обмотку подается переменное напряжение, при этом расход электрической энергии совсем небольшой.
  3. Движение генератора обусловлено дизельным или бензиновым двигателем. Также его может раскручивать сила воды или ветра.
  4. В статорной обмотке происходит индукция ЭДС, а на концах появляется разность потенциала. Это объясняется движущимся магнитным полем вокруг ротора.

Но в любом случае необходимо осуществить стабилизацию напряжения на выходе генератора. Это делается соединением роторной обмотки с источником напряжения.

В зависимости от конструктивных особенностей ротор может быть оборудован постоянными или электрическими магнитами или так называемыми полюсами. Что касается индукторов, то в синхронных установках они бывают:

  1. Явнополюсными.
  2. Неявнополюсными.

Отличаются эти типы друг от друга только взаимным расположением полюсов. Чтобы снизить сопротивление магнитного поля и улучшить проникновение тока, механизм оснащают сердечниками, которые выполнены из ферромагнетиков. Сердечники находятся и в роторе, и в статоре, а для их изготовления задействуется исключительно электротехническая сталь. Дело в том, что этот материал содержит в себе большое количество кремния, существенно снижающего вихревые токи и улучшающего электрическое сопротивление сердечника.

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.

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.

Библиографический список

  1. Ю.А. Макаричев, В.Н. Овсянников «Синхронные машины» 2010
  2. Абрамович Б.Н., Круглый А.А. «Возбуждение, регулирование и устойчивость синхронных двигателей» 1983
  3. Андреева Е.Г., Морозова Н.С. «Синхронные машины» 2015
  4. Глебов И.А. «Проблемы пуска сверхмощных синхронных маши» 1988
  5. Емец В.Ф., Попков А.А., Петров Г.А. «Синхронные электрические машины» 2009
  6. Кислицын А.Л. «Синхронные машины» 2000

Пуск синхронного двигателя

Особенностью этого вида электрических машин является то, что его нельзя просто подключить к сети и ожидать его запуска. Кроме того, что для работы СД нужен не только источник тока возбуждения, у него и достаточно сложная схема пуска.

sinhronnye-dvigately-7-500x169.jpg

Запуск происходит как у асинхронного двигателя, а для создания пускового момента кроме обмотки возбуждения на роторе размещают и дополнительную короткозамкнутую обмотку «беличью клетку». Её еще называют «демпфирующей» обмоткой, потому что она повышает устойчивость при резких перегрузках.

Ток возбуждения в обмотке ротора при пуске отсутствует, а когда он разгоняется до подсинхронной скорости (на 3-5% меньше синхронной), подаётся ток возбуждения, после чего он и ток статора совершает колебания, двигатель входит в синхронизм и выходит на рабочий режим.

Для ограничения пусковых токов мощных машин иногда уменьшают напряжение на зажимах обмоток статора, подключив последовательно автотрансформатор или резисторы.

Пока синхронная машина запускается в асинхронном режиме к обмотке возбуждения подключаются резисторы, сопротивление которых превышает сопротивление самой обмотки в 5 — 10 раз. Это нужно чтобы пульсирующий магнитный поток, возникающий под действием токов, наводимых в обмотке при пуске, не замедлял разгон, а также чтобы не повредить обмотки из-за индуцируемыми в ней ЭДС.

Видов таких машин очень много, выше была описана конструкция синхронного электродвигателя переменного тока с обмотками возбуждения, как самого распространенного на производстве. Есть и другие типы, такие как:

  • Синхронные двигатели с постоянными магнитами. Это различные электродвигатели, такие как PMSM – permanent magnet synchronous motor, BLDC – Brushless Direct Current и прочие. Отличия, между которыми, состоят в способе управления и форме тока (синусоидальная или трапецивиденая). Их еще называют бесколлекторными или бесщеточными двигателями. Используются в станках, радиоуправляемых моделях, электроинструменте и т.д. Они работают не напрямую от постоянного тока, а через специальный преобразователь.
  • Шаговые двигатели — синхронные бесщеточные двигатели, у которых ротор точно удерживает заданное положение, их используют для позиционирование рабочего инструмента в ЧПУ станках и для управления различными элементами автоматических систем (например, положение дроссельной заслонки в автомобиле). Состоят из статора, в этом случае на нём расположены обмотки возбуждения, и ротора, который выполнен из магнито-мягкого или магнито-твёрдого материала. Конструктивно очень похожи на предыдущие типы.
  • Реактивные.
  • Гистерезисные.
  • Реактивно-гистерезисные.

Последние три типа СД также не имеют щеток, они работают за счет особой конструкции ротора. У реактивных СД различают три их конструкции: поперечно-расслоенный ротор, ротор с явновыраженными полюсами и аксиально-расслоенный ротор. Объяснение принципа их работы достаточно сложно, и займет большой объём, поэтому мы опустим его. Такие электродвигатели на практике вы, скорее всего, встретите нечасто. В основном это маломощные машины, используемые в автоматике.

sinhronnye-dvigately-8.jpg

Преимущества и недостатки

Если говорить простыми словами, то у любой электрической машины есть свои плюсы и минусы. У синхронного двигателя положительными сторонами является:

  1. Работа с cosФи=1, благодаря возбуждению постоянным током, соответственно они не потребляют реактивной мощности из сети.
  2. При работе, с перевозбуждением отдают реактивную мощность в сеть, улучшая коэффициент мощности сети, падение напряжения и потери в ней и повышается КМ генераторов электростанциях.
  3. Максимальный момент, развиваемый на валу СД, пропорционален U, а у АД — U² (квадратичная зависимость от напряжения). Это значит, что у СД хорошая нагрузочная способность и устойчивость работы, которые сохраняются при просадке напряжения в сети.
  4. В следствие всего этого скорость вращения стабильна при перегрузках и просадках, в пределах перегрузочной способности, особенно при повышении тока возбуждения.

Однако существенным недостатком синхронного двигателя является то, что его конструкция сложнее, чем у асинхронных с КЗ-ротором, нужен возбудитель, без которого он не сможет работать. Всё это приводит к большей стоимости по сравнению с асинхронными машинами и сложностями в обслуживании и эксплуатации.

Пожалуй, на этом достоинства и недостатки синхронных электродвигателей заканчиваются. В этой статье мы постарались кратко изложить общие сведения о синхронных электродвигателях. Если у вас есть чем дополнить материал – пишите в комментариях.

{SOURCE}

Рейтинг
( 1 оценка, среднее 5 из 5 )
Загрузка ...
Электрик в Дом