Синхронные электродвигатели (СД) не так распространены, как асинхронные с короткозамкнутым ротором. Но используются там, где нужен большой крутящий момент и в процессе работы будут происходить частые перегрузки. Также такой тип двигателей используются там, где нужна большая мощность, чтобы приводить в движение механизмы, благодаря высокому коэффициенту мощности и возможности улучшать коэффициент мощности сети, что существенно снизит затраты на электроэнергию и нагрузку на линии. Что такое синхронный двигатель, где он используется и какие у него плюсы минусы мы рассмотрим в этой статье.
Определение и принцип действия
Если говорить простым языком, то синхронным называют электродвигатель, у которого скорость вращения ротора (вала) совпадает со скоростью вращения магнитного поля статора.
Кратко рассмотрим принцип действия такого электродвигателя — он основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля статора, которое обычно создаётся трёхфазным переменным током и постоянного магнитного поля ротора.
Постоянное магнитное поле ротора создаётся за счет обмотки возбуждения или постоянных магнитов. Ток в обмотках статора создаёт вращающееся магнитное поле, тогда как ротор в рабочем режиме представляет собой постоянный магнит, его полюса устремляются к противоположным полюсам магнитного поля статора. В результате ротор вращается синхронно с полем статора, что и является его основной особенностью.
Напомним, что у асинхронного электродвигателя скорость вращения МП статора и скорость вращения ротора отличаются на величину скольжения, а его механическая характеристика «горбатая» с пиком при критическом скольжении (ниже его номинальной скорости вращения).
Скорость, с которой вращается магнитное поле статора, может быть вычислена по следующему уравнению:
N=60f/p
f – частота тока в обмотке, Гц, p – количество пар полюсов.
Соответственно по этой же формуле определяется скорость вращения вала синхронного двигателя.
Большинство электродвигателей переменного тока, используемых на производстве, выполнены без постоянных магнитов, а с обмоткой возбуждения, тогда как маломощные синхронные двигатели переменного тока выполняются с постоянными магнитами на роторе.
Ток к обмотке возбуждения подводится за счет колец и щеточного узла. В отличие от коллекторного электродвигателя, где для передачи тока вращающейся катушке используется коллектор (набор продольно расположенных пластин), на синхронном установлены кольца поперек одного из концов статора.
Источником постоянного тока возбуждения в настоящее время являются тиристорные возбудители, часто называемые «ВТЕ» (по названию одной из серий таких устройств отечественного производства). Ранее использовалась система возбуждения «генератор-двигатель», когда на одном валу с двигателем устанавливали генератор (он же возбудитель), который через резисторы подавал ток в обмотку возбуждения.
Ротор почти всех синхронных двигателей постоянного тока выполняется без обмотки возбуждения, а с постоянными магнитами, они хоть и похожи по принципу действия на СД переменного тока, но по способу подключения и управления ими очень сильно отличаются от классических трёхфазных машин.
Одной из основных характеристик электродвигателя является механическая характеристика. Она у синхронных электродвигателей приближена к прямой горизонтальной линии. Это значит, что нагрузка на валу не влияет на его обороты (пока не достигнет какой-то критической величины).
Это достигается именно благодаря возбуждению постоянным током, поэтому синхронный электродвигатель отлично поддерживает постоянные обороты при изменяющихся нагрузках, перегрузках и при просадках напряжения (до определенного предела).
Ниже вы видите условное обозначение на схеме синхронной машины.
Конструкция ротора
Как и любой другой, синхронный электродвигатель состоит из двух основных частей:
- Статор. В нём расположены обмотки. Его еще называют якорем.
- Ротор. На нём устанавливают постоянные магниты или обмотку возбуждения. Его также называют индуктором, из-за его предназначения — создавать магнитное поле).
Для подачи тока в обмотку возбуждения на роторе устанавливают 2 кольца (так как возбуждение постоянным током, на одно из них подают «+», а на другое «—»). Щетки закреплены на щеткодержателе.
Роторы у синхронных электродвигателей переменного тока бывают двух типов, в зависимости от назначения:
- Явнополюсные. Четко видны полюса (катушки). Используют при малых скоростях и большом числе полюсов.
- Неявнополюсные – выглядит как круглая болванка, в прорези на которой уложены провода обмоток. Используют при больших скоростях вращения (3000, 1500 об/мин) и малом числе полюсов.
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.
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.
Виды
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.
Сфера применения
Синхронные двигатели стоят дороже чем асинхронные, к тому же требуют дополнительного источника постоянного тока возбуждения – это отчасти снижает ширину области применения этого вида электрических машин. Однако, синхронные электродвигатели используют для привода механизмов, где возможны перегрузки и требуется точное поддерживание стабильных оборотов.
При этом чаще всего используются в области больших мощностей — сотен киловатт и единиц мегаватт, и, при этом, пуск и остановка происходят достаточно редко, то есть машины работают круглосуточно долгое время. Такое применение обусловлено тем, что синхронные машины работают с cosФи приближенном к 1, и могут выдавать реактивную мощность в сеть, в результате чего улучшается коэффициент мощности сети и снижается её потребление, что важно для предприятий.
Преимущества и недостатки
Если говорить простыми словами, то у любой электрической машины есть свои плюсы и минусы. У синхронного двигателя положительными сторонами является:
- Работа с cosФи=1, благодаря возбуждению постоянным током, соответственно они не потребляют реактивной мощности из сети.
- При работе, с перевозбуждением отдают реактивную мощность в сеть, улучшая коэффициент мощности сети, падение напряжения и потери в ней и повышается КМ генераторов электростанциях.
- 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.
- 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.
Материалы по теме:
Принцип действия синхронного двигателя примерно такой же, как и у асинхронного. Но есть несколько отличий, которые имеют ключевое значение при выборе мотора для той или иной конструкции. В промышленности получили широкое распространение асинхронные машины – их доля достигает 96% от общего количества электрических двигателей. Но это вовсе не говорит о том, что отсутствуют другие типы электрических агрегатов.
Отличие от асинхронного мотора
Главное отличие синхронной машины заключается в том, что скорость вращения якоря такая же, как и аналогичная характеристика магнитного потока. И если в асинхронных моторах используется короткозамкнутый ротор, то в синхронных имеется на нем проволочная обмотка, к которой подводится переменное напряжение. В некоторых конструкциях используются постоянные магниты. Но это делает двигатель дороже.
Если увеличивать нагрузку, подключаемую к ротору, частота вращения его не изменится. Это одна из ключевых особенностей такого типа машин. Обязательное условие – у движущегося магнитного поля должно быть столько же пар полюсов, сколько у электромагнита на роторе. Именно это гарантирует постоянную угловую скорость вращения этого элемента двигателя. И она не будет зависеть от момента, приложенного к нему.
Конструкция мотора
Устройство и принцип действия синхронных двигателей несложны. Конструкция включает в себя такие элементы, как:
- Неподвижная часть – статор. На ней находится три обмотки, которые соединяются по схеме «звезда» или «треугольник». Статор собран из пластин электротехнической стали с высокой степенью проводимости.
- Подвижная часть – ротор. На нем тоже имеется обмотка. При работе на нее подается напряжение.
Между ротором и статором имеется прослойка воздуха. Она обеспечивает нормальное функционирование двигателя и позволяет магнитному полю беспрепятственно воздействовать на элементы агрегата. В конструкции присутствуют подшипники, в которых вращается ротор, а также клеммная коробка, расположенная в верхней части мотора.
Как работает двигатель
Если кратко, принцип действия синхронного двигателя, как и любого другого, заключается в преобразовании одного вида энергии в другой. А конкретно – электрической в механическую. Работает мотор таким образом:
- На статорные обмотки подается переменное напряжение. Оно создает магнитное поле.
- На обмотки ротора также подается переменное напряжение, создающее поле. Если используются постоянные магниты, то это поле уже по умолчанию имеется.
- Два магнитных поля взаимопересекаются, противодействуют друг другу – одно толкает другое. Из-за этого двигается ротор. Именно он установлен на шарикоподшипниках и способен свободно вращаться, дать ему нужно только толчок.
Вот и все. Теперь остается только использовать полученную механическую энергию в нужных целях. Но требуется знать, как правильно вывести в нормальный режим синхронный двигатель. Принцип работы у него отличается от асинхронного. Поэтому требуется придерживаться определенных правил.
Для этого электродвигатель подключают к оборудованию, которое необходимо привести в движение. Обычно это механизмы, которые должны работать практически без остановок – вытяжки, насосы и прочее.
Синхронные генераторы
Обратная конструкция – синхронные генераторы. В них процессы протекают немного иначе. Принцип действия синхронного генератора и синхронного двигателя отличаются, но не существенно:
- На обмотку статора не подается напряжение. С нее оно снимается.
- На обмотку ротора подается переменное напряжение, которое необходимо для создания магнитного поля. Потребление электроэнергии крайне маленькое.
- Ротор электрогенератора раскручивается при помощи дизельного или бензинового двигателя либо же силой воды, ветра.
- Вокруг ротора имеется магнитное поле, которое двигается. Поэтому в обмотке статора индуцируется ЭДС, а на концах появляется разность потенциалов.
Но в любом случае требуется стабилизировать напряжение на выходе генераторной установки. Для этого достаточно запитать роторную обмотку от источника, напряжение которого постоянно и не изменяется при колебаниях частоты вращения.
Полюсы обмоток двигателя
В конструкции ротора имеются постоянные или электрические магниты. Их обычно называют полюсами. На синхронных машинах (двигателях и генераторах) индукторы могут быть двух типов:
- Явнополюсными.
- Неявнополюсными.
Они различаются между собой только взаимным расположением полюсов. Для уменьшения сопротивления со стороны магнитного поля, а также улучшения условий для проникновения потока, используются сердечники, изготовленные из ферромагнетиков.
Эти элементы располагаются как в роторе, так и в статоре. Для изготовления используются только сорта электротехнической стали. В ней очень много кремния. Это отличительная особенность такого вида металла. Это позволяет существенно уменьшить вихревые токи, повысить электрическое сопротивление сердечника.
Воздействие полюсов
В основе конструкции и принципа действия синхронных двигателей лежит обеспечение влияния пар полюсов ротора и статора друг на друга. Для обеспечения работы нужно разогнать индуктор до определенной скорости. Она равна той, с которой вращается магнитное поле статора. Именно это позволяет обеспечить нормальную работу в синхронном режиме. В момент, когда происходит запуск, магнитные поля статора и ротора взаимно пересекаются. Это называется «вход в синхронизацию». Ротор начинает вращаться со скоростью, как у магнитного поля статора.
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.
После того, как будет достигнута требуемая скорость, происходит отключение разгонного двигателя. Магнитные поля, которые взаимодействуют в электрическом моторе, сами выводят его на работу в синхронном режиме. Для разгона потребуется другой двигатель. Его мощность должна составлять примерно 10-15 % от аналогичной характеристики синхронной машины. Если нужно вывести в режим электродвигатель 1 кВт, для него потребуется разгонный мотор мощностью 100 Вт. Этого вполне достаточно, чтобы машина смогла работать как в режиме холостого хода, так и с незначительной нагрузкой на валу.
Более современный способ разгона
Стоимость такой машины оказывалась намного выше. Поэтому проще использовать обычный асинхронный мотор, пусть и много у него недостатков. Но именно его принцип работы и был использован для уменьшения габаритов и стоимости всей установки. При помощи реостата производится замыкание обмоток на роторе. В итоге двигатель становится асинхронным. А запустить его оказывается намного проще – просто подается напряжение на обмотки статора.
Во время выхода на подсинхронную скорость возможно раскачивание ротора. Но это не происходит за счет работы его обмотки. Напротив, она выступает в качестве успокоителя. Как только частота вращения будет достаточной, производится подача постоянного напряжения на обмотку индуктора. Двигатель выводится в синхронный режим. Но такой способ можно воплотить только в том случае, если используются моторы с обмоткой на роторе. Если там применяется постоянный магнит, придется устанавливать дополнительный разгонный электродвигатель.
Преимущества и недостатки синхронных моторов
Основное преимущество (если сравнивать с асинхронными машинами) – за счет независимого питания роторной обмотки агрегаты могут работать и при высоком коэффициенте мощности. Также можно выделить такие достоинства, как:
- Снижается ток, потребляемый электродвигателем, увеличивается КПД. Если сравнивать с асинхронным мотором, то эти характеристики у синхронной машины оказываются лучше.
- Момент вращения прямо пропорционален напряжению питания. Поэтому даже если снижается напряжение в сети, нагрузочная способность оказывается намного выше, нежели у асинхронных машин. Надежность устройств такого типа существенно выше.
Но вот имеется один большой недостаток – сложная конструкция. Поэтому при производстве и последующих ремонтах затраты окажутся выше. Кроме того, для питания обмотки ротора обязательно требуется наличие источника постоянного тока. А регулировать частоту вращения ротора можно только с помощью преобразователей – стоимость их очень высокая. Поэтому синхронные моторы используются там, где нет необходимости часто включать и отключать агрегат.
В целом, электрический двигатель представляет собой электромеханическое устройство, которое преобразовывает электрическую энергию в механическую.
По типу подключения двигатели бывают однофазные и 3-х фазные. Среди 3-х фазных двигателей наиболее распространенными являются индукционные (асинхронные) и синхронные электродвигатели.
Когда в 3-х фазном двигателе электрические проводники располагаются в определенном геометрическом положении (под определенным углом относительно друг друга), возникает электрическое поле. Образованное электромагнитное поле вращается с определенной скоростью, которая называется синхронной скоростью.
Если в этом вращающемся магнитном поле присутствует электромагнит, он магнетически замыкается с этим вращающимся полем и вращается со скоростью этого поля. Фактически, это нерегулируемый двигатель, поскольку он имеет всего одну скорость, которая является синхронной, и никаких промежуточных скоростей там быть не может. Другими словами, он работает синхронно с частотой сети. Ниже дана формула синхронной скорости:
Ns = 120F/p
Строение синхронного двигателя
В принципе, его строение практически аналогично 3-фазному асинхронному двигателю, за исключением того факта, что на ротор подается источник постоянного тока (в этом мы разберёмся позже). А пока рассмотрим основное строение данного типа двигателя.
На рисунке показано устройство этого типа двигателя. На статор подается 3-х фазное напряжение, а на ротор – источник постоянного тока.
Строение синхронного двигателяОсновные свойства синхронных двигателей:
- Синхронные электродвигатели не являются самозапускающимся механизмом. Они требуют определенного внешнего воздействия, чтобы выработать определенную синхронную скорость.
- Двигатель работает синхронно с частотой электрической сети. Поэтому при обеспечении бесперебойного снабжения частоты он ведет себя так, как двигатель с постоянной скоростью.
- Этот двигатель имеет уникальные характеристики, функционируя под любым коэффициентом мощности. Поэтому они используются для увеличения фактора силы.
Видео: Строение и принцип работы синхронного двигателя
Принципы работы синхронного двигателя
Электронно-магнитное поле синхронного двигателя обеспечивается двумя электрическими вводами. Это обмотка статора, которая состоит из 3-х фаз и предусматривает 3 фазы источника питания и ротор, на который подается постоянный ток.
3 фазы обмотки статора обеспечивают вращение магнитного потока. Ротор принимает постоянный ток и производит постоянный поток. При частоте 50 Гц 3-х фазный поток вращается около 3000 оборотов в 1 минуту или 50 оборотов в 1 секунду. В определенный момент полюса ротора и статора могут быть одной полярности (++ или – – ), что вызывает отталкивания ротора. После этого полярность сразу же меняется (+–), что вызывает притягивание.
Но ротор по причине своей инерции не в состоянии вращаться в любом направлении из-за силы притяжения или силы отталкивания и не может оставаться в состоянии простоя. Он не самозапускающийся.
Чтобы преодолеть инерцию силы, необходимо определенное механическое воздействие, которое вращает ротор в том же направлении, что и магнитное поле, обеспечивая необходимую синхронную скорость. Через некоторое время происходит замыкание магнитного поля, и синхронный двигатель вращается с определенной скоростью.
Способы запуска
- Пуск синхронного двигателя при помощи вспомогательного двигателя. Синхронный двигатель механически соединяется с другим двигателем. Это может быть либо 3-х фазный индукционный двигатель, либо двигатель постоянного тока. Постоянный ток изначально не подается. Двигатель начинает вращаться со скоростью, близкой к синхронной скорости, после чего подается постоянный ток. После того, как магнитное поле замыкается, связь со вспомогательного двигателя прекращается.
- Асинхронный пуск. В полюсных наконечниках полюсов ротора устанавливается дополнительная короткозамкнутая обмотка. При включении напряжения в обмотку статора возникает вращающееся магнитное поле. Пересекая короткозамкнутую обмотку, которая заложена в полюсных наконечниках ротора, это вращающееся магнитное поле индуцирует в ней токи, который взаимодействуя с вращающимся полем статора, приводят ротор во вращение. Когда достигнута синхронная скорость, ЭДС и крутящийся момент уменьшается. И наконец, когда магнитное поле замыкается, крутящий момент также сводится к нулю. Таким образом, синхронность вначале запускается индукционным двигателем с использованием дополнительной обмотки.
Применение
- Синхронный двигатель используется для улучшения коэффициента мощности. Синхронные двигатели широко применяются в энергосистеме, поскольку они работают при любом коэффициенте мощности и имеют экономичные эксплуатационные показатели.
- Синхронные двигатели находят свое применение там, где рабочая скорость не превышает 500 об / мин и требуется увеличить мощность. Для энергетической потребности от 35 кВт до 2500 кВт, стоимость, размер, вес и соответствующего индукционного двигателя будет довольно высоким. Такие двигатели часто используются для работы поршневых насосов, компрессоров, прокатных станков и другого оборудования.
Принцип действия синхронного двигателя выглядит практически так же, как и асинхронного. Однако у этого типа силовых установок имеются существенные отличия и особенности. И хоть доля асинхронных агрегатов в промышленности составляет 96% от общего количества электродвигателей, другие варианты, включая синхронный, тоже нашли своих потребителей.
Основные отличия
В основном синхронные и асинхронные двигатели мало чем отличаются друг от друга. Ключевым отличием первых моделей является то, что вращение якоря осуществляется с такой же скоростью, как и вращение магнитного потока. При этом внутри установки встроена проволочная обмотка, передающая переменное напряжение, а не короткозамкнутый ротор, как у асинхронных устройств. Также отдельные конструкции оборудованы постоянными магнитами, но они существенно повышают стоимость двигателя.
При увеличении нагрузки скорость вращения ротора остается прежней. Именно такая особенность характеризует эту разновидность силовых установок. Ключевое требование к таким машинам выглядит следующим образом: количество полюсов у движущегося магнитного поля должно соответствовать числу полюсов электромагнита на роторе.
Конструкция синхронного устройства
Принцип работы и устройство синхронных машин остаются понятными даже для неопытных потребителей. К ключевым составляющим системы относят следующие узлы:
- Статор — 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.
- Ротор — подвижный элемент двигателя, оснащенный обмоткой. Во время работы установки эта обмотка пропускает определенное напряжение.
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.
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.
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.
Устройство генераторов
Существует обратный вариант синхронных двигателей — синхронные генераторы. Они работают немного иначе:
Обмотка неподвижного статора не пропускает напряжение. Наоборот, с нее оно снимается.- Сквозь роторную обмотку подается переменное напряжение, при этом расход электрической энергии совсем небольшой.
- Движение генератора обусловлено дизельным или бензиновым двигателем. Также его может раскручивать сила воды или ветра.
- 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:
- Явнополюсными.
- 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.
Запуск установки
При использовании синхронных двигателей возникает масса трудностей на этапе их запуска. Из-за этого они не пользуются особой популярностью и уступают асинхронным вариантам.
С момента появления на рынке работа синхронных агрегатов обеспечивалась специальным асинхронником, который механически соединялся с остальными узлами. По сути, ротор разгонялся до нужной частоты с помощью второго типа моторов. Современные асинхронники не нуждаются в подключении дополнительных механизмов, и все, что требуется для их работы, — соответствующее напряжение для статорной обмотки.
Как только система обеспечит нужную скорость вращения, разгонный двигатель будет отключен. При этом магнитные поля из электрического мотора выведут его на работу в синхронном режиме. Чтобы разогнать установку, придется задействовать еще один мотор мощностью 10% от мощности синхронного двигателя. При разгоне электродвигателя на 1 кВт используют разгонную систему мощностью 100 Вт. Как утверждают специалисты, таких показателей вполне хватает для сбалансированной работы машины в холостом режиме или с небольшой нагрузкой.
Сферы применения
Синхронный электродвигатель представляет собой важное изобретение для различных направлений промышленности. Но из-за сложной конструкции и высокой стоимости оборудования его используют в редких случаях.
Сферы применения электрических моторов синхронного типа очень ограничены. В большинстве случаев установку применяют для повышения показателей мощности в энергосистеме, что обусловлено их способностью функционировать при любых коэффициентах мощности и отличной экономичностью.
Устройства востребованы для тех условий, где скорость вращения едва достигает 500 оборотов в минуту и появляется необходимость поднять мощность. В настоящее время их активно внедряют в поршневые насосы, компрессорные установки, прокатные станки и другие системы.
Синхронный двигатель. Принцип действия и устройство. Синхронный двигатель может работать в качестве генератора и двигателя. Синхронный двигатель выполнен так же, как и синхронный генератор. Его обмотка якоря I (рис. 291, а) подключена к источнику трехфазного переменного тока; в обмотку возбуждения 2 подается от постороннего источника постоянный ток. Благодаря взаимодействию вращающегося магнитного поля 4, созданного трехфазной обмоткой якоря, и поля, созданного обмоткой возбуждения, возникает электромагнитный момент М (рис. 291,б), приводящий ротор 3 во вращение. Однако в синхронном двигателе в отличие от асинхронного ротор будет разгоняться до частоты вращения n = n1, с которой вращается магнитное поле (до синхронной частоты вращения). Объяс-
Рис. 291. Электрическая (а) и электромагнитная (б) схемы синхронного электродвигателя
няется это тем, что ток в обмотку ротора подается от постороннего источника, а не индуцируется в нем магнитным полем статора и, следовательно, не зависит от частоты вращения вала двигателя. Характерной особенностью синхронного двигателя является постоянная частота вращения его ротора независимо от нагрузки.
Электромагнитный момент. Электромагнитный момент в синхронном двигателе возникает в результате взаимодействия магнитного потока ротора (потока возбуждения Фв) с вращающимся магнитным полем, создаваемым трехфазным током, протекающим по обмотке якоря (потоком якоря Фв). При холостом ходе машины оси магнитных полей статора и ротора совпадают (рис. 292,а). Поэтому электромагнитные силы I, возникающие между «полюсами» статора и полюсами ротора, направлены радиально (рис. 292, б) и электромагнитный момент машины равен нулю. При работе машины в двигательном режиме (рис. 292, в и г) ее ротор под действием приложенного к валу внешнего нагрузочного момента Мвн смещается на некоторый угол 0 против направления вращения. В этом случае в результате электромагнитного взаимодействия между ротором и статором создаются электромагнитные силы I, направленные по направлению вращения, т. е. образуется вращающий электромагнитный момент М, который стремится преодолеть действие внешнего момента Мвн. Максимум момента Мmax
соответствует углу ? = 90°, когда оси полюсов ротора расположены между осями «полюсов» статора.
Если нагрузочный момент Мвн, приложенный к валу электродвигателя, станет больше Мmax, то двигатель под действием внешнего момента Мвн останавливается; при этом по обмотке якоря неподвижного двигателя будет протекать очень большой ток. Этот режим называется выпаданием из синхронизма, он является аварийным и не должен допускаться.
При работе машины в генераторном режиме (рис. 292, д и е) ротор под действием приложенного к валу внешнего момента Мвн смещается на угол ? по направлению вращения. При этом создаются электромагнитные силы, направленные против вращения, т. е. образуется тормозной электромагнитный момент М. Таким образом, при изменении значения и направления внешнего момента на валу ротора Мвн изменяется лишь угол ? между осями полей статора и ротора, в то время как в асинхронной машине в этом случае изменяется частота вращения ротора.
Пуск в ход и регулирование частоты вращения. Синхронный двигатель не имеет начального пускового момента. Если подключить обмотку якоря к сети переменного тока, когда ротор неподвижен, а по обмотке возбуждения проходит постоянный ток, то за один период изменения тока электромагнитный момент будет дважды менять свое направление, т. е. средний момент за период будет равен нулю. Следовательно, для пуска в ход синхронного двигателя необходимо разогнать его ротор с помощью внешнего момента до частоты вращения, близкой к синхронной. Для этой цели применяют метод асинхронного пуска. Синхронный двигатель пускают в ход как асинхронный, для чего его снабжают специальной короткозамкнутой пусковой обмоткой 3 (рис. 293). В полюсные наконечники ротора 2 синхронного двигателя закладывают медные или латунные стержни, замкнутые накоротко двумя торцовыми кольцами. Пусковая обмотка выполнена подобно беличьей клетке асинхронной машины, но занимает лишь часть окружности ротора. В некоторых двигателях специальная короткозамкнутая обмотка
Рис. 292. Электромагнитный момент в синхронной машине, образующийся в различных режимах
Рис. 293. Схема асинхронного пуска синхронного двигателя;
Рис. 294 Устройство пусковой обмотки синхронного двигателя: 1 — ротор; 2 — стержни; 3 — кольцо; 4 — обмотка возбуждения
Все электродвигатели построены на одном и том же принципе взаимодействия магнитных полей. Катушка с сердечником из ферромагнитного материала оказывает заметное механическое воздействие на другую аналогичную катушку. Разноименные полюсы соленоидов притягиваются, а одноименные — отталкиваются.
Поэтому в двигателе должно быть пространственное перемещение полюсов магнитного поля, создаваемое одной его частью. А другая часть движка создает свои полюсы и откликается вращением на пространственное перемещение полюсов. Она может содержать как постоянные магниты, так и катушки с сердечником. Далее расскажем о том, как магнитные поля функционируют в синхронных двигателях, а также предоставим другую информацию об этих машинах.
Конструктивные особенности
Синхронный двигатель содержит
- часть конструкции, в которой создается перемещающееся магнитное поле, называемую статором;
- часть двигателя, которая вращается от воздействия магнитного поля, называемую ротором;
- провод, соединяющий движок с источником питания, который сравнивают с якорной цепью корабля. Чтобы указать на ту часть двигателя, которая присоединена к проводу, ее называют якорем. В рассматриваемой машине питающий провод присоединен к статору. Следовательно, это якорь.
Составные частит синхронных двигателей
Чем больше витков содержат взаимодействующие катушки, тем меньший ток потребуется для эффективной работы движка. Но сила тока — это не самая сложная проблема. Главное — создать пространственное перемещение магнитного поля, что весьма непросто.
По этой причине синхронный двигатель появился только после того, как заработал первый генератор. Его создал в 1891 г. М.О. Доливо-Добровольский. Обратимость электрических машин позволяет использовать их и генераторами, и двигателями. Обратима и синхронная машина. Но для движков существуют определенные конструктивные ограничения, которых нет у генераторов.
Принцип работы
Для получения направления вращения статор двигателя должен содержать как минимум две катушки. Только в такой конструкции можно создать направленное перемещение магнитного поля. Это определяет устройство и принцип работы многих электродвигателей, питаемых от сети. Для нормальной работы синхронной машины, если это генератор, статор может содержать только одну катушку и быть источником ЭДС. Его ротор вращается принудительно. При этом, независимо от направления вращения, на клеммах статора появится переменное напряжение.
Но если такой генератор используется как двигатель, направление вращения его ротора может быть в обе стороны.
Оно будет определяться
- либо положением ротора в момент подачи напряжения на клеммы статора;
- либо принудительно направлением стартового вращения.
Конструкцию большинства электрических машин в основном определяет система электроснабжения, с которой они связаны. В наши дни первичными источниками ЭДС являются трехфазные генераторы. Эти машины создают трехфазное напряжение. Оно позволяет непосредственно получать перемещающееся магнитное поле. Без него синхронные двигатели переменного тока не могут работать, так же, как и асинхронные движки.
Для этого используются три или две фазы, питающие обмотки статора движка. Устройство синхронного двигателя должно соответствовать схеме электропитания. Наилучший результат получается при трехфазной конструкции статора. В этом случае магнитное поле получается вращающимся. По этой причине трехфазный синхронный двигатель является наиболее эффективным, если его сравнивать с аналогами, но при меньшем числе фаз.
Электромагнитные процессы и вращение
Намагниченный ротор тянется за полем статора и поэтому вращается синхронно с ним. В этом и состоит принцип действия синхронного двигателя. Магнитный поток в теле ротора в основном определяет крутящий момент на вале движка. Чем больше магнитный поток, тем больше крутящий момент. При этом независимо от нагрузки на вал (в определенных пределах) его скорость вращения не изменяется. Меняется только взаимное положение полей статора и ротора, но не скорости вращения.
По мере увеличения нагрузки на вал полюсы ротора оказываются все больше позади поля статора. Число n оборотов в минуту ротора рассматриваемого двигателя зависит от того, сколько пар полюсов p у статора. Если он запитан переменным напряжением с частотой f , используется формула
Формула
В результате изменения положения ротора под нагрузкой уменьшается магнитный поток в сердечнике статора. Вследствие этого ток статора увеличивается и компенсирует уменьшение магнитного потока, противодействуя нагрузке на вале движка. Аналогичные процессы происходят в нагружаемом трансформаторе. Полюсы статора и ротора все больше удаляются друг от друга по мере увеличения нагрузки. Но частота оборотов остается неизменной до определенного момента.
Как только электромагнитные параметры конструкции статора оказываются меньше некоторого предельного значения, ротор останавливается. Время до полной остановки определяет привод, использующий синхронный электродвигатель. Конструкция ротора без специальных технических решений не позволяет получить крутящий момент за счет скольжения, как в асинхронном двигателе. То же самое получится, когда синхронные двигатели запускаются — скольжение отсутствует.
Но конструкция, в которой много пар полюсов и медленное вращение ротора, может быть исключением. На самостоятельный пуск движка влияет масса ротора и скорость перемещения поля статора мимо ротора. Обычно сила их взаимодействия может преодолеть инерцию ротора. Но после принудительной раскрутки тем или иным способом. Только при этих стартовых условиях возможна работа синхронного двигателя. Начальная скорость для входа в синхронизм обычно близка к параметрам вращающегося магнитного поля статора.
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.
Варианты устройства синхронных двигателей
Разновидности роторов
Принцип работы ротора
Один из вариантов конструкции двигателя
Ротор с постоянными магнитами
Гистерезисный движок
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.
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.
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:Устройство и принцип действия синхронной машины
Устройство синхронных машин. Синхронные машины вне зависимости от режима работы состоят из двух основных частей: неподвижного статора, выполняющего функции якоря и ротора, вращающегося внутри статора и служащего индуктором (рис. 4.1).
Статор трехфазной синхронной машины аналогичен статору трехфазного асинхронного двигателя. Он состоит из корпуса /, цилиндрического сердечника 2, набранного из отдельных пластин электротехнической стали, и трехфазной обмотки 3, уложенной в пазы сердечника.
Ротор синхронной машины представляет собой электромагнит постоянного тока, который создает магнитное поле, вращающееся вместе с ротором. Ротор имеет обмотку возбуждения 4, которая через специальные контактные кольца 5 питается постоянным током от выпрямителя или от небольшого генератора постоянного тока, называемого возбудителем.
В отечественной энергетике также используются синхронные машины с «бесщеточным» возбуждением. Обмотка ротора таких машин питается от выпрямителя, вращающегося вместе с ротором. Выпрямитель в свою очередь получает питание от возбудителя, имеющего вращающуюся вместе с ротором трехфазную обмотку, возбуждаемую неподвижными постоянными магнитами.
Роторы синхронных машин бывают двух типов: с явно выраженными и неявно выраженными полюсами.
Роторы с явно выраженными полюсами (рис. 4.1) применяются в сравнительно тихоходных машинах (80 – 1000 об/мин), например гидрогенераторах; они имеют значительноечисло полюсов. Конструктивно роторы этого типа (рис. 4.2) состоят из вала 6, ступицы 7, полюсов 8, укрепляемых в шлицах ступицы, полюсных катушек 4 возбуждения, размещенных на полюсах. Поверхность полюсного наконечника полюсов имеет такой профиль, что магнитная индукция в воздушном зазоре машины распределяется примерно по синусоидальному закону. Для быстроходных машин (турбогенераторы, синхронные двигатели, турбокомпрессоры и т. п.) явнополюсная конструкция ротора неприменима из-за сравнительно большого диаметра ротора и возникающих в связи с этим недопустимо больших центробежных сил.
Большей механической прочностью обладает ротор с неявно выраженными полюсами. Он состоит (рис. 4.3) из сердечника 1 и обмотки возбуждения 2. Сердечник изготовляется из стальной поковки цилиндрической формы. На его внешней поверхности фрезеруются пазы, в которые закладывается обмотка возбуждения.
Обмотка возбуждения распределяется в пазах сердечника так, чтобы создаваемое ею магнитное поле было распределено в пространстве по закону, близкому к синусоидальному.
Принцип работы и ЭДС синхронного генератора. Работа синхронного генератора основана на явлении электромагнитной индукции. При холостом ходе обмотка якоря (статора) разомкнута, и магнитное поле машины образуется только обмоткой возбуждения ротора (рис. 4.4). При вращении ротора синхронного генератора от проводного двигателя ПД с постоянной частотой nо магнитное поле ротора, пересекая проводники фазных обмоток статора AX, BY, CZ (рис.4.4,а) наводит в них ЭДС 
, где B – магнитная индукция в воздушном зазоре между статором и ротором; l – активная длина проводника; 
– линейная скорость пересечения проводников магнитным полем.
Выше отмечалось, что индукция В в воздушном зазоре распределена по синусоидальному закону 
, где 
— угол, отсчитываемый от нейтральной линии, поэтому ЭДС в одном проводнике 
.
Обозначив 
, получим 
, т.е. ЭДС в проводниках обмоток статора изменяется по синусоидальному закону.
ЭДС отдельных проводников каждой обмотки статора сдвинуты по фазе относительно друг друга, поэтому они суммируются геометрически (аналогично ЭДС статора асинхронного двигателя – см. п. 3.8.1). Действующее значение ЭДС одной фазы определяется выражением:
где 
– обмоточный коэффициент; 
– частота синусоидальных ЭДС; 
— число витков одной фазы обмотки статора; 
— число пар полюсов; 
– максимальный магнитный поток полюса ротора; 
– синхронная частота вращения.
Катушки отдельных фаз статора сдвинуты в пространстве на электрический угол, равный 1200, и их ЭДС образуют симметричную трёхфазную систему.
Изменяя ток возбуждения 
, можно регулировать магнитный поток ротора и пропорциональную ему ЭДС 
генератора. На рис. 4.5 представлена зависимость 
, снятая при номинальной частоте вращения 
.
Эта зависимость называется характеристикой холостого хода. Форма характеристики напоминает форму кривой намагничивания ферромагнитного сердечника. Характерной особенностью её является отсутствие пропорциональности между магнитным потоком 
и током возбуждения , что обусловлено явлением насыщения магнитной системы машины.
Принцип действия и вращающий момент синхронного двигателя. Принцип действия синхронного двигателя основан на явлении притяжения разноименных полюсов двух магнитных полей – статора и ротора. Вращающееся поле статора с полюсами N и S создается при питании обмоток статора от трёхфазной сети аналогично вращающемуся полю асинхронного двигателя (на рис. 4.6 полюсы статора N и S показаны штриховкой, вращаются они против часовой стрелки с частотой 
). Поле ротора создается постоянным током, протекающим по обмотке ротора.
Предположим, что ротор каким-либо способом разогнан до синхронной частоты вращения 
против часовой стрелки. Тогда полюсы ротора 
и 
будут вращаться с частотой ; произойдет «сцепление» этих полюсов с разноименными полюсами статора 
и 
(см. штрихованные линии на рис. 4.6).
В режиме идеального холостого хода (момент сопротивления 
) оси магнитных полей статора и ротора совпадают (рис. 4.6.а). При этом на полюсы ротора действуют радиальные силы 
и 
, которые не создают ни вращающего момента, ни момента сопротивления.
Если к валу машины приложить механическую нагрузку, которая создает момент сопротивления 
, ось ротора и его полюсов , сместится в сторону отставания на угол 
(рис. 4.6,б). Теперь вращающее поле статора как бы “ведёт” за собой поле ротора и сам ротор. Тангенциальные составляющие 
и 
создают вращающий момент 
, где 
— радиус ротора.
Машина работает в двигательном режиме, её вращающий момент 
преодолевает момент сопротивления механической нагрузки.
При увеличении момента механической нагрузки на валу ротора угол увеличивается (до некоторого предела), что приводит к увеличению вращающегося момента двигателя 
, причем частота вращения ротора остается неизменной и равной .
Противодействующий момент и противо-ЭДС. При работе синхронной машины в режиме нагруженного генератора (на схеме рис. 4.4,б нагрузка Zн подключена к обмоткам статора через выключатель Q) по обмоткам статора протекает ток, который создает своё вращающееся магнитное поле. В генераторном режиме, в отличие от двигательного режима, полюсы ротора опережают на угол полюсы магнитного поля статора. В результате взаимодействия разноименных полюсов статора и ротора на ротор действует момент, направленный против вращения, т.е. тормозной момент 
. В установившемся режиме момент уравновешивает вращающийся момент приводного двигателя: 
.
При работе синхронной машины в режиме двигателя поле ротора пересекает витки трехфазной обмотки статора и в ней индуцируется ЭДС, которая согласно правилу Ленца действует навстречу току статора. По этой причине её называют противо-ЭДС. В установившемся режиме противо-ЭДС почти полностью уравновешивает напряжение сети 
.
Таким образом, при работе синхронной машины на нагрузку (электрическую или механическую) в обмотке статора индуцируется ЭДС Е и возникает момент ротора 
.
Реакция якоря в синхронной машине. Реакция якоря – это воздействие поля якоря (статора) на магнитное поле машины. При работе синхронной машины на нагрузку (электрическую в режиме генератора и механическую в режиме двигателя) по обмоткам статора (якоря) протекают синусоидальные токи, которые создают вращающееся магнитное поле статора. Ротор имеет частоту вращения , поэтому частота ЭДС и тока статора 
, где — число пар полюсов машины. Частота вращения магнитного поля статора 
. Следовательно, поля ротора и статора вращаются с одной и той же частотой ; они взаимодействуют между собой и образуют результирующее вращающееся магнитное поле машины. Взаимодействие полей зависит от характера нагрузки и режима работы машины.
Рассмотрим реакцию якоря на примере двухполюсного синхронного генератора с неявно выраженными полюсами ротора, работающего на различную по характеру нагрузку 
.
При активной нагрузке с сопротивлением R ЭДС фазы обмотки статора и её ток совпадают по фазе и достигают максимума в тот момент, когда ось mm1 магнитного потока ротора Ф0 перпендикулярна оси nn1 катушки обмотки статора (например, АX на рис. 4.7,а). Магнитный поток статора Фя замыкается по сердечникам статора и ротора через воздушный зазор. Таким образом, в случае активной нагрузки ось потока ротора Ф0 опережает ось потока статора Фя на электрический угол, равный 900 (поперечная реакция якоря). При этом результирующий магнитный поток машины 
(ось qq1) поворачивается относительно потока ротора Ф0 на угол в направлении, противоположном направлению вращению ротора.
При чисто индуктивной нагрузке XL ток в обмотке статора отстаёт от ЭДС на 900 и поэтому достигает максимума в тот момент времени, когда полюс ротора повернётся на 900 по направлению вращения (рис. 4.7,б). В этом случае магнитный поток статора оказывается направленным навстречу магнитному потоку ротора и размагничивает машину ().
При емкостной нагрузке XC ток в фазе статора опережает ЭДС на 900 и поэтому достигает максимума в тот момент, когда полюс ротора не доходит на 900 до оси mm1 (рис. 4.7,в). Магнитный поток статора в этом случае оказывается направленным согласно с магнитным потоком ротора и намагничивает машину ().
При работе синхронной машины в режиме двигателя ток в статоре при том же направлении вращения имеет противоположное направление. Ось результирующего потока двигателя оказывается повернута относительно потока ротора на угол , но не против направления вращения, как у генератора, а по направлению вращения.
Таким образом, реакция якоря в синхронной машине изменяет как поток машины, так и его направление (в отличие от асинхронной машины, у которой 
). Изменение Фрез приводит к изменению ЭДС, что неблагоприятно сказывается на работе потребителей электроэнергии при работе машины в режиме генератора. Уменьшение неблагоприятного влияния реакции якоря достигается уменьшением магнитного потока статора за счёт увеличения воздушного зазора между ротором и статором синхронной машины.
Принцип работы, типы и области применения
В электрических системах, которые мы используем в промышленности, на электростанциях или для бытовых нужд, двигатели и генераторы стали обычным делом. В связи с потребностью в высокоэффективных и менее энергоемких системах представляется изобретение новых моделей этих электрических устройств. Основным расчетным фактором для надежной работы двигателей и генераторов является Коэффициент мощности . Это отношение приложенной мощности к требуемой мощности.Обычно общая потребляемая мощность на предприятиях и фабриках рассчитывается на основе коэффициента мощности. Таким образом, коэффициент мощности всегда должен поддерживаться на уровне единства. Но из-за повышения реактивной мощности в этих устройствах коэффициент мощности уменьшается. Для поддержания коэффициента мощности на единицу введено много методов. Концепция синхронного двигателя является одним из них.
Что такое синхронный двигатель?
Определение синхронного двигателя гласит: «Двигатель переменного тока, в котором в устойчивом состоянии вращение вала синхронизировано с частотой приложенного тока».Синхронный двигатель работает как двигатель переменного тока, но здесь общее число оборотов, совершаемых валом, равно целому числу, кратному частоте приложенного тока.
Синхронный двигатель Синхронный двигатель не зависит от тока индукции для работы. В этих двигателях, в отличие от асинхронного двигателя, на stato r присутствуют многофазные электромагниты переменного тока, которые создают вращающееся магнитное поле. Здесь ротор имеет постоянный магнит, который синхронизируется с вращающимся магнитным полем и вращается синхронно с частотой приложенного к нему тока.
Конструкция синхронного двигателя
Статор и ротор являются основными компонентами синхронного двигателя. Здесь рама статора имеет обертку, к которой прикреплены шпонки и кольцевые ребра. Опоры, рамные крепления используются для поддержки машины. Для возбуждения обмоток возбуждения постоянным током используются контактные кольца и щетки.
Цилиндрические и круглые роторы используются для 6-полюсного применения. Роторы с заметными полюсами используются, когда требуется большее количество полюсов. Конструкция синхронного двигателя и синхронного генератора аналогичны.
Принцип действия синхронного двигателяРабота синхронных двигателей зависит от взаимодействия магнитного поля статора с магнитным полем ротора. Статор содержит 3-х фазные обмотки и питается от 3-х фазного питания. Таким образом, обмотка статора создает трехфазное вращающееся магнитное поле. Источник постоянного тока подается на ротор.
Ротор входит во вращающееся магнитное поле, создаваемое обмоткой статора, и вращается синхронно.Теперь скорость двигателя зависит от частоты подаваемого тока.
Скорость синхронного двигателя контролируется частотой приложенного тока. Скорость синхронного двигателя может быть рассчитана как
Нс = 60f / P = 120f / p
где, f = частота переменного тока (Гц)
p = общее количество полюсов на фазу
P = всего количество пар полюсов на фазу.
Если нагрузка больше, чем нагрузка пробоя, двигатель десинхронизируется.Трехфазная обмотка статора дает преимущество определения направления вращения. В случае однофазной обмотки невозможно определить направление вращения, и двигатель может запуститься в любом из направлений. Для контроля направления вращения в этих синхронных двигателях необходимы пусковые устройства.
Способы запуска синхронного двигателя
Момент инерции ротора останавливает синхронные двигатели большого размера от самостоятельного запуска. Из-за этой инерции ротора ротор не может синхронизироваться с магнитным полем статора в тот момент, когда подается мощность.Поэтому для синхронизации ротора требуется дополнительный механизм.
Индукционная обмотка включена в большие двигатели, которые генерируют достаточный крутящий момент, необходимый для ускорения. Для очень больших двигателей, чтобы ускорить ненагруженную машину, используется мотор пони. Изменяя частоту тока статора, двигатели с электронным управлением могут разгоняться даже с нулевой скорости.
Для очень маленьких двигателей, когда момент инерции ротора и механическая нагрузка желательно малы, они могут запускаться без каких-либо методов запуска.
Типы синхронных двигателей
В зависимости от метода намагничивания ротора, существует два типа синхронных двигателей —
- Без возбуждения.
- Постоянный ток Возбужденный.
Двигатель без возбуждения
В этих двигателях ротор намагничивается внешним полем статора. Ротор содержит постоянное магнитное поле. Сталь с высокой сохраняемостью, такая как кобальтовая сталь, используется для изготовления ротора. Они классифицируются как двигатели с постоянными магнитами, реактивные и гистерезисные.
- В синхронных двигателях с постоянными магнитами постоянный магнит используется вместе со сталью для конструкции ротора. Они имеют постоянное магнитное поле в роторе, поэтому индукционная обмотка не может использоваться для запуска. Используется в качестве безредукторных лифтовых двигателей.
Синхронный двигатель с постоянными магнитами - Ротор с реактивным двигателем состоит из стального литья с выступающими полюсами. Чтобы минимизировать пульсации крутящего момента, полюса ротора меньше полюсов статора. Содержит короткозамкнутую обмотку для обеспечения пускового момента вращения ротора.Используется в приборостроении.
- Гистерезисные двигатели являются самозапускающимися двигателями. Здесь ротор представляет собой гладкий цилиндр, изготовленный из магнитно-твердой кобальтовой стали с высокой коэрцитивной силой. Эти двигатели дороги и используются там, где требуется точная постоянная скорость. Обычно используется в качестве серводвигателей.
Двигатель с постоянным током
Здесь ротор возбуждается с помощью постоянного тока, подаваемого непосредственно через контактные кольца. AC индуктивности и выпрямители также используются. Они обычно имеют большие размеры, например, более 1 лошадиных сил и т. Д.
Двигатель постоянного тока с возбуждением Применение синхронных двигателей
Обычно синхронные двигатели используются для приложений, где требуется точная и постоянная скорость. Применения этих двигателей с низким энергопотреблением включают позиционирование машин. Они также применяются в роботизированных приводах. Шаровые мельницы, часы, проигрыватели проигрывателей также используют синхронные двигатели. Кроме того, эти двигатели также используются в качестве серводвигателей и синхронизаторов.
Эти двигатели доступны в диапазоне размеров от дробной подковы до диапазона мощных промышленных размеров.В то время как эти двигатели используются в промышленных мощных промышленных размерах, они выполняют две важные функции. Одним из них является эффективное средство преобразования энергии переменного тока в механическую энергию, а другим — коррекция коэффициента мощности. С каким применением серводвигателя вы сталкивались?
Принцип работы синхронного двигателяСтатор и ротор являются двумя основными частями синхронного двигателя. Статор является стационарной частью двигателя, а ротор — их вращающейся частью. Статор возбуждается трехфазным источником питания, а ротор — источником постоянного тока.
Термин возбуждение означает, что магнитное поле индуцирует в статоре и роторе двигателя. Основной целью возбуждения является преобразование статора и ротора в электромагнит.
Трехфазное питание наводит северный и южный полюс на статор. Трехфазное питание является синусоидальным. Полярность (положительная и отрицательная) их волны меняется после каждого полупериода, и по этой причине также меняется север и южный полюс. Таким образом, можно сказать, что вращающееся магнитное поле развивается на статоре.
Магнитное поле развивается на роторе из-за источника постоянного тока. Полярность источника постоянного тока становится фиксированной, и, таким образом, постоянное магнитное поле развивается на роторе. Термин стационарный означает, что их север и южный полюс остаются неизменными.
Скорость, с которой вращается вращающееся магнитное поле, называется синхронной скоростью. Синхронная скорость двигателя зависит от частоты питания и количества полюсов двигателя.
N S = 120f / P
Когда противоположные полюса статора и ротора обращены друг к другу, между ними возникает сила притяжения.Сила притяжения развивает крутящий момент в направлении против часовой стрелки. Крутящий момент — это вид силы, которая перемещает объект при вращении. Таким образом, полюса ротора тянулись к полюсам статора.
После каждого полупериода полюс на статоре меняется на противоположный. Положение ротора остается неизменным из-за инерции. Инерция — это тенденция объекта оставаться неподвижным в одной позиции.
Когда одинаковые полюс статора и ротора обращены друг к другу, между ними возникает сила отталкивания, и крутящий момент развивается в направлении по часовой стрелке.
Позвольте понять это с помощью диаграммы. Для простоты рассмотрим двигатель, имеющий два полюса. На рисунке ниже противоположные полюса статора и ротора обращены друг к другу. Таким образом, сила притяжения развивается между ними.
После полупериода полюса на статоре меняются местами. Один и тот же полюс статора и ротора обращены друг к другу, и между ними развивается сила отталкивания.
Не однонаправленный крутящий момент пульсирует ротор только в одном месте, и по этой причине синхронный двигатель не запускается самостоятельно.
Для запуска двигателя ротор вращается с помощью внешних средств. Таким образом, полярность ротора также изменилась вместе со статором. Полюс статора и ротора блокируют друг друга, и однонаправленный крутящий момент вызывает в двигателе. Ротор начинает вращаться со скоростью вращающегося магнитного поля, или, можно сказать, с синхронной скоростью.
Скорость двигателя фиксирована, и двигатель постоянно вращается с синхронной скоростью.
,Принцип действия прибораСинхронный двигатель
Двигатель — это электромеханическое устройство, которое преобразует электрическую энергию в механическую. и 3-фазный двигатель, работающий на синхронной скорости, называется синхронным двигателем. Синхронный двигатель в основном работает по принципу магнитной блокировки между ротором и RMF (вращающееся магнитное поле). Когда два противоположных полюса приближаются друг к другу, если магниты сильны, существует огромная сила притяжения между этими двумя полюсами.Говорят, что в таком состоянии два магнита магнитно заблокированы. Принцип работы синхронного двигателя
: —
Когда 3-фазное напряжение, приложенное к электрическим проводникам, размещено в определенных геометрических положениях, которые специально расположены (под определенным углом друг от друга), вращающееся магнитное поле создает. Этот RMF вращается с синхронной скоростью. Синхронный скорость вращения магнитного поля статора зависит от частоты питания и количества полюсов, на которые намотана обмотка статора.если частота а.с. Напряжение питания составляет f Гц, а статор наматывается для числа полюсов P, тогда скорость вращающегося магнитного поля является синхронной, как
Нс = 120f / P об / мин.
Принцип работы синхронного двигателя
Как вращается ротор с синхронной скоростью?
Теперь, чтобы понять концепцию работы синхронного двигателя, рассмотрим двухполюсный простой ротор (показан на рис.). Синхронный двигатель — это машина с двойным возбуждением i.Для этого предусмотрены два электрических входа. Его обмотка статора, которая состоит из 3-х фазной обмотки, снабжена 3-х фазным питанием, а ротор — с постоянным током. Когда постоянный ток подается на ротор, он действует как электромагнит. Как мы знаем, вращающееся магнитное поле вращается с синхронной скоростью, когда два противоположных полюса ротора и RMF заблокированный ротор также вращается с той же скоростью RMF в направлении вращающегося магнитного поля. Поэтому синхронный двигатель вращается с одной и только одной скоростью, то есть синхронной скоростью.Но все это зависит от наличия магнитной блокировки между полюсами статора и ротора. Практически невозможно, чтобы полюса статора переводили полюса ротора из их стационарного положения в состояние магнитной блокировки. По этой причине синхронные двигатели не запускаются самостоятельно.
Методы запуска синхронного двигателя: —
Метод 1.Pony:
Синхронные двигатели механически связаны с другим трехфазным асинхронным двигателем или шунтирующим двигателем постоянного тока.Первоначально возбуждение постоянного тока на ротор не подается. Он вращается со скоростью, очень близкой к его синхронной скорости, и после этого на ротор подается постоянное возбуждение. Через некоторое время, когда происходит магнитная блокировка, питание внешнего двигателя отключается от муфты.
2. Метод обмотки демпфера:
В методе обмотки демпфера сначала запускается синхронный двигатель в виде трехфазного асинхронного двигателя с использованием обмотки демпфера и, наконец, он синхронизируется с RMF.
Применение синхронных двигателей
1.Он используется там, где требуется высокая мощность при постоянной скорости. EX: прокатные станы, дробилки, смесители, насосы, насосы, компрессор и т. Д.
2. Поскольку синхронный двигатель может работать как с опережающим, так и с запаздывающим коэффициентом мощности, он может быть используется для улучшения коэффициента мощности. Синхронный двигатель без нагрузки с опережающим коэффициентом мощности подключен к системе питания, где статические конденсаторы нельзя использовать.
3. Синхронный двигатель находит применение, когда рабочая скорость меньше (около 500 об / мин) и требуется высокая мощность.
Определение: Двигатель, который работает с синхронной скоростью, известен как синхронный двигатель. Синхронная скорость — это постоянная скорость, с которой двигатель генерирует электродвижущую силу. Синхронный двигатель используется для преобразования электрической энергии в механическую энергию.
Строительство синхронного двигателя
Статор и ротор являются двумя основными частями синхронного двигателя.Статор становится неподвижным и несет обмотку якоря двигателя. Обмотка якоря является основной обмоткой, из-за которой в двигателе возникает ЭДС. Вращатели несут обмотки поля. Основной поток поля индуцируется в роторе. Ротор сконструирован двумя способами: ротор с заметным полюсом и ротор с не выступающим полюсом.
Синхронный двигатель использует несущий полюсный ротор. Слово выступающий означает полюса ротора, спроецированные на обмотки якоря .Ротор синхронного двигателя выполнен из пластин из стали. Расслоения уменьшают потери на вихревые токи, возникающие на обмотке трансформатора. Выдвижной ротор в основном используется для проектирования средне- и тихоходного двигателя. Для получения высокоскоростного цилиндрического ротора в двигателе используется.
Синхронный двигатель работает
Статор и ротор являются двумя основными частями синхронного двигателя. Статор — это неподвижная часть, а ротор — вращающаяся часть машины.Трехфазное питание подается на статор двигателя.
Статор и ротор оба возбуждены отдельно. Возбуждение — это процесс создания магнитного поля на деталях двигателя с помощью электрического тока.
Когда на статор подается трехфазное питание, между статором и зазором ротора возникает вращающееся магнитное поле. Поле с движущейся полярностью известно как вращающееся магнитное поле. Вращающееся магнитное поле развивается только в многофазной системе.Из-за вращающегося магнитного поля на статоре развиваются северный и южный полюсы.
Ротор возбуждается источником постоянного тока. Источник постоянного тока наводит северный и южный полюсы ротора. Поскольку подача постоянного тока остается постоянной, индуктивность потока на роторе остается неизменной. Таким образом, поток имеет фиксированную полярность. Северный полюс развивается на одном конце ротора, а южный полюс развивается на другом конце.
AC является синусоидальным. Полярность волны меняется в каждом полупериоде, т.е.волна остается положительной в первой половине цикла и становится отрицательной во второй половине цикла. Положительный и отрицательный полупериод волны развивают север и южный полюс статора соответственно.
Когда ротор и статор имеют одинаковый полюс на одной стороне, они отталкиваются друг от друга. Если они имеют противоположные полюса, они притягивают друг друга. Это легко понять с помощью рисунка, показанного ниже. 
Ротор притягивается к полюсу статора для первой половины цикла подачи и отталкивания для второй половины цикла.Таким образом, ротор пульсирует только в одном месте. Это причина, по которой синхронный двигатель не запускается самостоятельно.
Первичный двигатель используется для вращения двигателя. Первичный двигатель вращает ротор с их синхронной скоростью. Синхронная скорость — это постоянная скорость машины, значение которой зависит от частоты и числа полюсов машины.
Когда ротор начинает вращаться со своей синхронной скоростью, первичный двигатель отключается от двигателя.И постоянный ток подается к ротору, из-за чего северный и южный полюс развивается на своих концах
Северный и южный полюса ротора и статора сцепляются друг с другом. Таким образом, ротор начинает вращаться со скоростью вращающегося магнитного поля. И мотор работает на синхронной скорости. Скорость двигателя может быть изменена только путем изменения частоты питания.
Основные характеристики синхронного двигателя
- Скорость синхронного двигателя не зависит от нагрузки, т.е.изменение нагрузки не влияет на скорость двигателя.
- Синхронный двигатель не запускается самостоятельно. Первичный двигатель используется для вращения двигателя на их синхронной скорости.
- Синхронный двигатель работает как с опережающим, так и с запаздывающим коэффициентом мощности.
Синхронный двигатель также можно запустить с помощью обмоток демпфера.
,