Типовые схемы пуска синхронных электродвигателей

Подписка на рассылку

На сегодняшний день использование синхронных двигателей получило широкое распространение в сфере производства оборудования, работающего с постоянной скоростью, которое применяется в разных сферах человеческой деятельности. В связи с этим, существует несколько способов запуска синхронных электродвигателей, наиболее распространенные варианты которых будут представлены ниже.

Способы пуска синхронного электродвигателя

Способы пуска синхронного электродвигателя достаточно сложны, в этом заключается один из основных недостатков электродвигателей данного типа. Запуск синхронных электродвигателей осуществляется либо посредством воздействия вспомогательного пускового двигателя, либо с помощью асинхронного пуска. Рассмотрим каждый из способов в отдельности.

Асинхронный пуск синхронного электродвигателя

Асинхронный пуск синхронного электродвигателя предполагает расположение дополнительной короткозамкнутой обмотки в полюсных наконечниках полюсов ротора. Это необходимо, чтобы обеспечить во время пуска вывод чрезмерно большой Э.Д.С., образующейся в обмотке (1), что является возможным благодаря замыканию рубильника (2) на соединение (3). Благодаря тому, что магнитное поле, возникающее в результате включения напряжения трехфазной сети в обмотке статора (4), пересекает короткозамкнутую обмотку (пусковую обмотку), находящуюся в полюсных наконечниках ротора, индуктируются токи.

Действие этих токов в сочетании с вращающимся полем статора, запускают во вращение ротор, который постепенно набирает обороты. Достигнув 95-97% количества оборотов рубильник (2) ротора переходит в состояние, которое вынуждает обмотку ротора включить сеть постоянного напряжения.

Асинхронный пуск синхронного электродвигателя не лишен недостатков, точнее сказать, недостатка, которым является большой пусковой ток, который по значению может превышать в 7 раз рабочий ток. Столь высокое значение пускового тока является причиной падения напряжения в сети, что негативно сказывается на функционировании других потребителей энергии. Одним из наиболее распространенных вариантов решения упомянутого недостатка является использование автотрансформатора для понижения напряжения, а также использование тиристорных возбудителей для пуска синхронных электродвигателей, которые отличаются высоким К.П.Д. Именно высокое значение К.П.Д. во многом определило выбор тиристорных возбудителей в качестве комплектов большей части выпускаемых синхронных электродвигателей крупных размеров. К тому же, применение тиристорных возбудителей позволяет автоматизировать процесс подачи возбуждения синхронному двигателю. Автоматизация может быть реализована 2-мя способами: подача возбуждения синхронному двигателю в функции скорости и подача возбуждения синхронному двигателю в функции тока. При этом контроль подачи возбуждения синхронному двигателю в функции тока осуществляется с помощью реле тока.

На сегодняшний момент именно асинхронный пуск синхронных двигателей получил наибольшее распространение, так как его достаточно просто реализовать, а работает он крайне надежно.

Пуск синхронного двигателя при помощи вспомогательного двигателя

Пуск синхронного двигателя при помощи вспомогательного двигателя предполагает запуск синхронного электродвигателя благодаря работе другого двигателя, работа которого позволяет ротору синхронного двигателя развернуть полюса, осуществляя дальнейшее вращение совершенно самостоятельно. Чтобы запуск произошел, нужно создать условия, при которых количество пар полюсов асинхронного двигателя было бы меньше количества пар полюсов синхронного двигателя. Порядок запуска синхронного двигателя предполагает включение рубильника (3), пуск вспомогательного асинхронного двигателя (2), осуществляющего разворот ротора синхронного двигателя (1) до скорости, которая соответствует скорости поля статора. Далее включаются полюсы ротора после включения рубильника (4). При включении синхронного двигателя в сеть трехфазного тока, требуется синхронизация, осуществляемая реостатом (5). Реостат организует возбуждение, позволяющее установить напряжение обмотки статора, определяемое вольтметром V, равное напряжению в сети, которое указывает вольтметр V1.

При разомкнутом рубильнике лампы (6), расположенные параллельно ножам рубильника (7), буду мигать. По мере того, как будет меняться скорость ращения вспомогательного асинхронного двигателя, лампы будут постепенно начинать мигать все реже, пока все они не погаснут в раз. Это сигнал того, что синхронный двигатель пора включать в сеть трехфазного тока рубильником (7). Так как ротор двигателя далее может вращаться без помощи, то вспомогательный двигатель (2) пора отключать от сети посредством рубильника (3).

Это сложная процедура, являющаяся самым главным недостатком такого варианта асинхронного электродвигателя, что определяет крайне редкие случаи ее практической реализации.

Как подключить трехфазный двигатель к сети 220 или 380 В?

Среди электрических машин, предназначенных для совершения механической работы, одними из наиболее продуктивных считаются трехфазные агрегаты. Вращение ротора осуществляется посредством одновременного воздействия магнитного потока от фазных обмоток. Что и обеспечивает одновременное усилие сразу трех моментов, пропорционально взаимодействующих друг с другом. Как можно выполнить подключение трехфазного двигателя в зависимости от их конструктивных особенностей и параметров электрической сети мы рассмотрим далее.

Общая информация

Подключение трехфазных двигателей подразумевает относительно сложную операцию, которая требует понимания процессов, протекающих в электроустановке. Для чего необходимо рассмотреть как составляющие элементы, так и их назначение.

Конструктивно трехфазные электродвигатели состоят из:

• Статора с магнитопроводом;
• Ротора с валом;
• Обмоток.

В зависимости от типа двигателя встречаются модели с короткозамкнутым или фазным ротором. В одних ротор вращается только за счет электромагнитного поля, наводимого от обмоток статора, в других, вращение вала получает усилие от поля ротора при протекании тока в его обмотках. Для включения трехфазных двигателей необходимо разобраться с тем, как фазы обмоток соединяются между собой.

Схемы подключения обмоток двигателя

В трехфазных асинхронных электродвигателях применяется два варианта соединения – в звезду и треугольник. В трехфазных асинхронных электрических машинах, в зависимости от модели, можно реализовать схему:

• Звезда;
• Треугольник;
• Звезда и треугольник.

Простейший способ определения возможностей конкретного асинхронного электромотора – посмотреть на шильд (металлическая пластина с техническими параметрами). На них обозначается в том числе и номинал рабочего напряжения для соответствующего соединения. Здесь может указываться обозначение только для звезды, только для треугольника или и тот и другой вариант одновременно, пример такой маркировки приведен на рисунке ниже:

Пример обозначения на шильде

Если шильд отсутствует или информация на нем стерлась, то схему подключения можно узнать, открыв блок распределения начал обмотки (БРНО). Если вы увидите 6 выводов, имеющих клеммные соединения, можно определить тип включения обмоток. Гораздо хуже, когда борно имеет только три вывода, а подключение производится внутри корпуса. В этом случае нужно разобрать трехфазный электромотор, чтобы увидеть способ соединения.

Звезда

Схема подключения трехфазного двигателя звездой предусматривает, что начало каждой обмотки объединяется в одну точку, а к их концам подключаются фазы от питающей линии. Такой тип обеспечивает значительно более плавный пуск и относительно щадящий режим работы. Однако мощность, с которой вращается ротор, в полтора раза ниже, чем при подключении треугольником. Схематически данное подключение выглядит следующим образом:

Схема подключения звезда

Как видите на рисунке, концы выводов обмоток трехфазного двигателя A2, B2, C2 соединены в один электрический узел. А к клеммам A1, B1, C1 – подключаются фазные провода, как правило, на 220 или 380 вольт.

Если рассматривать данную схему на примере борна, выглядеть оно будет так:

Соединение обмоток звездой

Треугольник

Чтобы подключить электродвигатель треугольником вам необходимо подвести конец одной обмотки к началу другой. И таким образом замкнуть обмотки в своеобразное кольцо, в точки соединения которых и подключаются выводы питающей линии. Схема соединения треугольником обеспечивает максимальный момент и усилие на валу, что особенно актуально для больших нагрузок. Однако и ток в обмотках при номинальной нагрузке также пропорционально повысится, не уже говоря о режимах перегрузки.

Поэтому включение трехфазного двигателя треугольником и требует понижения напряжения. К примеру, если одну и ту же электрическую машину можно подключить с соединением обмоток и треугольником, и звездой, то звезда будет иметь напряжение питания 380, а треугольник 220 вольт или 220 и 127 вольт соответственно. Схематически подключение обмоток треугольником будет выглядеть так:

Схема подключения треугольник

Как видите, соединение производится от A2 к B1, от B2 к C1, от C2 к A1, в некоторых моделях электрических машин маркировка выводов может отличаться, но на крышке борна будет отображаться их принадлежность к той или иной обмотке и возможные варианты соединения между собой.

Соединение обмоток треугольником

Варианты подключения

Трехфазные двигатели имеют отличные характеристики, довольно широкий модельный ряд и применяются в самых разнообразных устройствах. Поэтому их применяют как в промышленных устройствах с трехфазным питанием, так и в бытовых однофазных электроустановках. Далее разберем оба варианта подключения электрических машин.

В однофазную сеть

Конструктивная особенность трехфазного агрегата, в отличии от однофазных асинхронных двигателей, состоит в необходимости сдвига фаз в обмотках, иначе вращения вала не будет происходить. Чтобы изменить ситуацию одну фазу разделяют для всех трех обмоток, в две из которых включаются дополнительная индуктивность и пусковая емкость. Которые и обеспечивают сдвиг тока и напряжения относительно напряжения в сети. Индуктивность позволяет осуществить сдвиг напряжения в отрицательную область до -90°, а вот однофазный конденсатор, наоборот, в положительную до +90°.

Графически функция отставания напряжения от тока будет выглядеть следующим образом:

Изменение тока и напряжения на емкости и индуктивности

Однако на практике смещение обеспечивается только емкостными элементами, которые включаются в цепь электроснабжения одной из обмоток, а две другие запускаются между фазным и нулевым проводом. Схема подключения трехфазного двигателя в однофазной цепи приведена на рисунке ниже:

Схема включения в однофазную сеть

Как видите на рисунке, от фазного провода делается отпайка, содержащая конденсаторный однофазный магазин из двух элементов, один для пуска C2, второй для постоянной работы C1. При нажатии кнопки пуска происходит одновременное замыкание контактов SA1 и SA2, но после создания достаточного момента и начала вращения SA1 отбрасывается и выводит C1 из цепи, оставляя C2. Мощность, при такой схеме включения двигателя, снижается до 30 – 50%.

Расчет конденсаторного пуска производится по формуле:

С_раб = (2800*I)/U — для включения трехфазного двигателя звездой

C_раб = (4800*I)/U — для включения трехфазного двигателя треугольником

Пусковой конденсатор используется только в нагруженном пуске, поэтому в легком запуске его можно не применять. Тогда вместо емкости пускового будет задействоваться рабочий.

В трёхфазную сеть

В трехфазной сети, несмотря на наличие необходимого типа питающего напряжения, всегда используется магнитный пускатель для приведения двигателя во вращение. Производить запуск без пускателя или контактора довольно опасно, поэтому они являются неотъемлемым элементом.

Схема включения в трехфазную сеть

На рисунке выше приведена обычная схема подключения двигателя к трехфазной сети, которая работает по такому принципу:

• подача напряжения на двигатель от сети производится через рубильник 1.
• далее, при включении кнопки пуска 6 осуществляется питание катушки контактора 4, которая притягивает силовые контакты пускателя 3;
• после чего двигатель начинает вращение, а пусковая кнопка 6 шунтируется через повторитель 5;
• для остановки трехфазного двигателя используется кнопка Стоп – 7, находящаяся в нормально замкнутом положении;
• защита двигателя от перегрузки контролирует токовую нагрузку в сети и при возникновении угрозы размыкает контакты 2.

Данная схема может упрощаться в связи с конструктивными особенностями применяемых пускателей. Так как некоторые из них изготавливаются без повторителей, могут иметь функцию реверсирования трехфазного двигателя или выпускаться без защиты. Более детальную информацию о магнитных пускателях вы можете почерпнуть из соответствующей статьи на сайте: https://www.asutpp.ru/elektromagnitnyj-puskatel.html

Видео по теме

Что такое синхронный двигатель и как он работает?

В качестве устройства преобразования электрической энергии в механическую в промышленности и быту используется синхронный электродвигатель. В сравнении с другими типами электрических машин он получил меньшее распространение, но в отведенных сферах является незаменимым фаворитом. В чем особенность синхронных агрегатов и как их применяют на практике, мы рассмотрим в данной статье.

Устройство

Конструктивно синхронный электродвигатель состоит из неподвижного элемента, подвижной части, обмоток различного назначения, может комплектоваться коллекторным узлом. Далее рассмотрим каждую составляющую синхронного агрегата более детально на рабочем примере (рисунок 1).

Рис. 1. Устройство синхронного электродвигателя

• Статор или якорь – выполняется из электротехнической стали монолитным или наборным из шихтованного железа. Предназначен для размещения рабочей обмотки, проводит силовые линии электромагнитного поля, формируемого протекающими токами.
• Обмотка на статоре – изготавливается из медных проводников, в зависимости от типа статора синхронного электродвигателя может выполняться различными методами, способами намотки и расположения проводников. Применяется для подачи напряжения питания и формирования рабочего магнитного потока.
• Ротор с обмоткой возбуждения – предназначен для взаимодействия с магнитным полем статора. В результате подачи напряжения на обмотку возбуждения в роторе электродвигателя создается собственное магнитное поле, задающее состояние вращающегося элемента.
• Вал – используется для передачи вращательного усилия от электродвигателя к подключаемой к нему нагрузке. В большинстве случаев это основание, на котором крепиться шихтовка или полюса ротора, подшипники, кольца, пластины и другие вспомогательные элементы.
• Контактные кольца – применяются для подачи питания на обмотки ротора, но устанавливаются не во всех моделях синхронных агрегатов. Питание производиться через специальный преобразователь переменного напряжения в постоянное.
• Корпус – предназначен для защиты от воздействия внешних факторов, обеспечивает синхронному двигателю достаточную прочность и герметичность, в зависимости от условий его эксплуатации.

Принцип работы

В основе работы синхронного электродвигателя лежит взаимодействие магнитного потока, генерируемого рабочими обмотками с постоянным магнитным потоком. Наиболее распространенной моделью синхронной электрической машины является вариант с рабочей обмоткой на статоре и обмоткой возбуждения на роторе.

Рис. 2. Принцип действия синхронного электродвигателя

Как видите на рисунке 2 выше, в обмотку статора подается трехфазное напряжение из сети, которое формирует переменное магнитное поле. На обмотки ротора электродвигателя подано постоянное напряжение, которое индуцирует такой же постоянный магнитный поток у полюсов. Для наглядности рассмотрим процесс на упрощенной модели синхронного агрегата (рисунок 3).

Рис. 3. Принцип формирования потоков в синхронной электрической машине

При подаче питания на фазные витки статора электродвигателя первый пик амплитуды тока и ЭДС взаимоиндукции приходиться на фазу A, затем B и фазу C.

На графике показана периодичность чередования кривых в зависимости от времени:

• в точке 1 максимальная ЭДС E_A формирует максимальный поток, а электродвижущие силы фаз E_B и E_C равны между собой и противоположны по знаку, они дополняют результирующую силу.
• в точке 2 пика достигает ЭДС E_B, а электродвижущие силы фаз E_A и E_C становятся равны между собой и противоположны по знаку, они дополняют результирующую силу, в результате чего магнитное поле совершает вращательное движение.
• в точке 3 максимум приходиться на ЭДС E_C, а электродвижущие силы фаз E_B и E_A вместе дополняют результирующую силу и снова смещают вектор поля по часовой стрелке.

Оборот поля статора происходит в течении периода, а за счет того, что ротор обладает собственным электромагнитным усилием постоянным во времени, то он синхронно следует за движением переменного магнитного поля, вращаясь вокруг заданной оси. В результате такого вращения происходит синхронное движение ротора вслед за сменой амплитуды ЭДС в витках рабочих обмоток, за счет этого явления электродвигатель и получил название синхронного. Наличие отдельного питания отразилось и на схематическом обозначении таких электрических машин (рисунок 4) в соответствии с ГОСТ 2.722-68.

Рис. 4. Схематическое обозначение синхронного электродвигателя

Отличие от асинхронного двигателя

Основным отличием синхронного электродвигателя от асинхронного заключается в принципе преобразования электрической энергии в механическое вращение. У синхронного электродвигателя процесс вращения ротора идентичен вращению рабочего электромагнитного поля, вырабатываемого трехфазной сетью. А вот у асинхронного рабочее поле самостоятельно наводит ЭДС в роторе, которая уже затем вырабатывает собственный поток взаимоиндукции и приводит вал во вращение. В результате чего асинхронные электрические машины получают разность во вращении рабочего поля и нагрузки на валу, что выражается физической величиной – скольжением.

В работе классические модели асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором:

• плохо переносят перегрузки;
• имеют сложности пуска со значительным усилием;
• меняют скорость вращения, в зависимости от нагруженности рабочего органа.

В некоторой степени эти недостатки преодолевает асинхронный двигатель с фазным ротором, но в полной мере избавиться от недостатков получается лишь синхронному агрегату.

Рис. 5. Отличие асинхронного от синхронного электродвигателя

Разновидности

В современной промышленности и бытовых приборах синхронные электродвигатели используются для решения самых разнообразных задач. Как результат, существенно разнятся и их конструктивные особенности. На практике выделяют несколько критериев, по которым разделяются виды синхронных агрегатов. В соответствии с ГОСТ 16264.2-85 могут подразделяться по таким техническим характеристикам:

• питающему напряжению;
• частоте рабочего напряжения;
• количеству оборотов.

В зависимости от способа получения поля ротора выделяют такие типы синхронных электродвигателей:

• С обмоткой возбуждения на роторе – синхронизирующее усилие создается за счет подачи питания от преобразователя.
• С магнитным ротором – на валу устанавливается постоянный магнит, выполняющий те же функции, что и обмотка возбуждении, но без необходимости подпитки (см. рисунок 6).

Рис. 6. Синхронный электродвигатель с постоянными магнитами

С реактивным ротором — конструкция выполнена таким образом, что в его сердечнике происходит преломление магнитных линий, приводящее всю конструкцию в движение (см. рисунок 7). Под воздействием силового поля поперечные и продольные составляющие в роторе не равны за счет чего пластины поворачиваются вслед за полем.

Рис. 7. Пример реактивного ротора

В зависимости от наличия полюсов все синхронные электродвигатели можно подразделить на:

• явнополюсные – в конструкции четко видны обособленные полюса с обмотками, применяются для малых скоростей;
• неявнополюсные – полюс не выделяется, такие модели устанавливают для высоких скоростей;

В зависимости от расположения рабочих обмоток различают прямые (на статоре) и обращенные (рабочие обмотки на роторе).

Режимы работы

Большинство электрических машин обладают обратимой функцией, не составляют исключения и синхронные агрегаты. Их также можно использовать в качестве электрического привода или в качестве генератора, вырабатывающего электроэнергию. Оба режима отличаются способом воздействия на электрическую машину – подачу напряжения на рабочие обмотки или приведение в движение ротора за счет механического усилия.

Генераторный режим

Для производства электроэнергии в сеть используются именно синхронные генераторы. В большинстве случаев для этой цели используются электрические машины с фазными обмотками на статоре, что существенно упрощает процесс съема мощности и дальнейшей передачи ее в сеть. Физически генерация происходит при воздействии электромагнитного поля обмотки возбуждения синхронного генератора с обмотками статора. Силовые линии поочередно пересекают фазные витки и наводят в них ЭДС взаимоиндукции, в результате чего на клеммных выводах возникает напряжение.

Частота получаемого напряжения напрямую зависит от скорости вращения вала и вычисляется по формуле:

f = (n*p)/60 ,

где n – скорость вращения вала, измеряемая в оборотах за минуту, p – количество пар полюсов.

Синхронный компенсатор

В виду физических особенностей синхронного электродвигателя при холостом ходе аппарата он потребляет из сети реактивную мощность, что позволяет существенно улучшить cosφ системы, практически приближая его к 1.На практике режим синхронного компенсатора используется как для улучшения коэффициента мощности, так и для стабилизации параметров напряжения сети.

Двигательный режим

В синхронной машине двигательный режим осуществляется при подаче рабочего трехфазного напряжения на обмотки якоря. После чего электромагнитное поле якоря начинает толкать магнитное поле ротора, и вал приходит во вращение. Однако на практике двигательный режим осуществляется не так просто, так как мощные агрегаты не могут самостоятельно набрать необходимый ресурс скорости. Поэтому во время запуска используют специальные методы и схемы подключения.

Способы пуска и схемы подключения

Для запуска синхронного электродвигателя требуется дополнительное поле, независимое от воздействия сети. В то же время, на стартовом этапе запуск представляет собой асинхронный процесс, пока агрегат не достигнет синхронной скорости.

Рис. 8. Схема пуска синхронного двигателя

При подаче напряжения на якорь возникает ток в его обмотках и генерация ЭДС в железе ротора, который обеспечивает асинхронное движение до того момента, пока не начнется питание обмоток возбуждения.

Еще одним распространенным вариантом пуска является использование дополнительных генераторов, которые могут располагаться на валу или устанавливаться отдельно. Такой метод обеспечивает дополнительное стартовое усилие за счет стороннего крутящего момента.

Рис. 9. Генераторный способ пуска синхронного двигателя

Как видите на рисунке 9, начальное вращение мотора М осуществляется за счет генератора G, который призван вывести устройство на подсинхронную скорость. Затем генератор выводится из рабочей цепи путем размыкания контактов КМ или автоматически при установке рабочих характеристик. Дальнейшее поддержание синхронного режима происходит за счет подачи постоянного напряжения в обмотку возбуждения.

Помимо этого на практике используется схема пуска с полупроводниковыми преобразователями. На рисунке 10 приведен способ тиристорного преобразователя и с установкой вращающихся выпрямителей.

Рис. 10. Тиристорная схема пуска синхронного двигателя

В первом случае запуск синхронного электродвигателя характеризуется нулевым напряжением от преобразователя UD. За счет ЭДС скольжения через стабилитроны VD осуществляется открытие тиристоров VS. В цепь обмотки возбуждения вводится резистор R, предназначенный для предотвращения пробоя изоляции. По мере разгона электродвигателя ЭДС скольжения пропорционально снизится и произойдет запирание стабилитронов VD, цепочка заблокируется, и обмотка возбуждения получит питание постоянным напряжением через UD.

Применение

Область применения синхронных электрических машин охватывает производство электрической энергии на электростанциях. По видам генераторы подразделяются на турбинные, дизельные и гидравлические, в зависимости от способа приведения их во вращение.

Также их используют в качестве электродвигателей, которые могут переносить существенные перегрузки в процессе эксплуатации. Такие двигатели устанавливаются на вентиляторах, компрессорах, силовых агрегатах и прочем оборудовании. Отдельная категория электродвигателей применяется в точном оборудовании, где важна синхронизация операций и процессов.

Преимущества и недостатки

К преимуществам такого электродвигателя следует отнести:

• высокий cosφ, приближающийся по величине к 1, что в значительной мере превосходит асинхронные электродвигатели;
• более высокая механическая прочность за счет особенностей конструкции электродвигателя;
• зависимость момента вращения от напряжения линейная, а не квадратичная, поэтому колебания электродвигателя пропорционально снижаются;
• на валу электродвигателя присутствует постоянная скорость, не зависящая от прикладываемой нагрузки;
• может применяться для уменьшения реактивной составляющей в сети.

Среди недостатков синхронных электродвигателей выделяют:

• сложную конструкцию;
• более сложный пуск;
• необходимость использования вспомогательных устройств и блоков;
• такие электродвигатели сложнее регулировать по числу оборотов;
• ремонт и обслуживание также обойдется дороже, чем асинхронные электродвигатели.

Видео версия