Устройство и принцип действия синхронных электродвигателей

Синхронный электродвигатель – электрическая установка, действующая от сети переменного и постоянного тока. Синхронная машина улучшает коэффициент мощности. Данные моторы используются довольно часто в электрической системе, потому что они подходят для любой сети напряжения и обладают высокими экономическими данными.

Область применения

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

Преимущества и недостатки

Синхронный электродвигатель имеет сложнее структуру, чем асинхронный, но обладает некоторыми достоинствами.

Главным положительным качеством данных агрегатов является способность поддерживать оптимальный режим реактивной энергии. Из-за автоматического регулирования силы тока двигателя, он работает, не употребляя, не давая реактивную энергию, значение коэффициента мощности равняется 1. Если нужна реактивная энергия, она будет производиться синхронным мотором.

Данным двигателям не страшны перебои в сети, которой равен их максимальный момент. А значение критического момента равно квадрату напряжения.

Агрегат выдерживает большую перегрузку, которую можно еще увеличить автоматически повышением тока при необходимости непродолжительной нагрузки на вал. Он имеет постоянную скорость вращения независимо от нагрузки.

Трехфазный синхронный двигатель дороже обычного асинхронного из-за сложного механизма и особого устройства.

Еще недостатком оказывается надобность в постоянном источнике энергии, функции которого выполняет выпрямитель или специализированный возбудитель.

Устройство электродвигателя

Синхронный мотор имеет две основные части — статор и ротор. Неподвижная часть называется статором, а подвижный элемент ротором.

Однофазный двигатель с короткозамкнутым ротором, расположенным в статоре или снаружи в двигателях обращенного вида. В основе ротора — постоянные магниты. Материал магнитов имеет высокую коэрцитивную силу. Полюсы ротора могут быть явно и неявно выраженными. Синхронный двигатель с короткозамкнутым ротором бывает с магнитами на поверхности или с уже встроенными.

Статор представлен корпусом и сердечником, состоящим из двухфазных и трехфазных обмоток. Обмотка бывает распределенная и сосредоточенная. У распределенной насчитываются пазы полюса и фазы Q= 2,3.

У сосредоточенной обмотки пазы полюса и фазы Q=1. Пазы размещены на одинаковом расстоянии на окружности неподвижной части двигателя. Катушки статора соединяются последовательно или параллельно. Такие обмотки не могут влиять на форму кривой ЭДС. Электродвижущая сила имеет трапецеидальную и синусоидальную форму. У явно выраженного полюса форма ротора и наводимая электродвижущая сила проводника является трапециевидной формы (а). При необходимости создания синусоидальной ЭДС, полюсные наконечники приобретают другую форму, где величина кривой распределения индукции близкая синусоидальной. Осуществление возможно благодаря наличию скосов на наконечнике полюса ротора.

Ротор синхронного двигателя переменного тока: а — явно выраженный полюс, 6 — неявно выраженный полюс.

Неявно выраженные полюса обладают равной индуктивностью продольных и поперечных осей, а явно выраженные полюса имеют одинаковую величину поперечной и продольной индуктивности (б).

Принцип действия

Принцип действия электрической машины переменного тока: 1 — статор, 2 — ротор.

У однофазного двигателя отсутствует пусковой момент. При подключении обмотки якоря к сети переменного тока, ротор неподвижен, в обмотку возбуждения поступает постоянный ток, за время одного изменения напряжения, два раза происходит смена направления электромагнитного момента. Значение среднего момента равняется нулю. Ротор разгоняется посредством внешнего момента до вращающейся частоты, которая приближается к синхронности.

Из-за высокого значения коэффициента мощности обеспечивается снижение потребления электричества, уменьшаются потери. В сравнении с асинхронным механизмом с такой же мощностью, синхронный двигатель имеет КПД выше. Так как крутящийся момент аналогичен напряжению сети. Даже снижение напряжения не влияет на нагрузочную способность. Что свидетельствует о надежности механизма.

Тип подключения делится на однофазный и трехфазный. Синхронные агрегаты чаще бывают трехфазными. При положении проводников трехфазного двигателя в определенной геометрической позиции появляется электромагнитное поле, которое вращается с одновременной скоростью. При имении магнита во вращающемся поле, они замыкают, крутятся параллельно. Двигатель можно назвать нерегулируемым, так как его скорость постоянная.

Пуск электродвигателя

Существует два способа пуска синхронной машины.

Схема пуска на основе глухо подключенного возбудителя, применима для статистического момента нагрузки менее 0,4, без падений напряжения.

Асинхронный пуск с помощью трансформатора

В обмотке возбуждения замыкается сопротивление разряда, избегая тем самым перебои возбуждения обмотки на впуске, потому как на небольшой скорости вращения ротора возникают перенапряжения. Если скорость приближается к синхронной, реагирует контактор, а обмотка возбуждения переключается из разрядного сопротивления на якорь возбудителя.

1. Применение тиристорного возбудителя

Возбуждение, осуществляемое при помощи электромагнитного реле

Пуск с тиристорным возбудителем более надежный, обладает высоким КПД. Легче становится управление возбуждением, напряжение шин, остановка в аварийном режиме. Во многих моделях электродвигателей установлены тиристорные возбудители. Подача возбуждения работает автоматически функцией скорости и тока.

Синхронный компенсатор

Упрощенная конструкция для холостого хода называется компенсатором.

Потребление электричества, помимо активной мощности, нуждается в реактивной мощности. Генератор вырабатывает реактивную мощность с минимальными затратами. Переход реактивной мощности генератора связан с потерями на линии передач. Поэтому применение компенсаторов является обоснованным экономически. При возбуждении синхронные двигатели не используют напряжение сети, а при перевозбуждении отдают реактивную мощность.

Синхронный электродвигатель применяется в сети переменного и постоянного тока, обеспечивая высокую надежность работы. Этот двигатель улучшит коэффициент мощности предприятия.

Схема работы синхронного двигателя

Синхронный двигатель. Устройство синхронной машины. Работа синхронного двигателя. Сравнение синхронных и асинхронных двигателей

Синхронные машины используются в качестве источников электрической энергии (генераторов), электродвигателей и синхронных компенсаторов. Именно с помощью синхронных трехфазных генераторов вырабатывается электрическая энергия на электростанциях.

Синхронные двигатели в силу особых свойств, не получили широкого распространения. Синхронные трехфазные двигатели применяются обычно лишь в установках средней и большой мощности при редких пусках, в случаях, когда не требуется электрического регулирования скорости.

Наряду с этим, в системах управления, измерения, записи и воспроизведения звука, особенно для привода лентопротяжных и регистрирующих устройств, широко применяются синхронные микродвигатели.

Трехфазные синхронные генераторы, двигатели и синхронные компенсаторы в принципе имеют одинаковое устройство.

Устройство синхронной машины

Рис. 1 Устройство синхронной машины с неявно выраженными полюсами (а) и ротора машины с явно выраженными полюсами (б)

Неподвижная часть машины, называемая статором или якорем (рис. 1, а), состоит из стального или чугунного корпуса 1, в котором закреплен цилиндрический сердечник 2 якоря.

Для уменьшения потерь на перемагничивание и вихревые токи сердечник набирают из листов электротехнической стали. В пазах сердечника якоря уложена трехфазных обмотка 3. В подшипниковых щитах, прикрепленных с торцевых сторон к корпусу, либо в стояках, закрепленных на фундаменте, расположены подшипники, несущие вал 4 вращающейся части машины – ротора или индуктора. На валу размещен цилиндрический сердечник 7 ротора, выполняемый из сплошной стали. В пазах сердечника ротора уложена обмотка возбуждения 8, питаемая постоянным током. Для присоединения обмотки возбуждения к внешней электрической цепи на валу укрепляют два изолированных друг от друга и от вала контактных кольца 6, к которым пружинами прижимаются неподвижные щетки 5. Обмотка 8 служит для возбуждения основного магнитного поля машины. Обмотка возбуждения с сердечником ротора представляют собой по существу электромагнит. Питание обмотки возбуждения осуществляется либо от генератора постоянного тока, вал которого механически связан с валом синхронной машины, либо через вентили от источника переменного тока. Мощность, необходимая для питания обмотки возбуждения, невелика и составляет 1 ÷ 3% от мощности машины.

На рис. 1, а показана двухполюсная синхронная машина с неявно выраженными полюсами ротора. Такие машины изготовляют на скорости 3000 об/мин. Синхронные машины, предназначенные для работы с меньшими скоростями (1500, 1000, 750 об/мин и т. д.), имеют явно выраженные полюса, число которых тем больше, чем меньше скорость. На рис. 1, б показано устройство ротора четырехполюсной машины с явно выраженными полюсами. Явно выраженные полюса 1 изготовляют из отдельных стальных листов или реже массивными и закрепляют на ободе 2 ротора с помощью винтов. Отдельные части (катушки) обмотки возбуждения 3, расположенные на явно выраженных полюсах, соединены между собой так, что северные и южные полюса чередуются.

Трехфазная обмотка якоря синхронных машин выполняется таким образом, что возбуждаемое ею вращающееся магнитное поле имеет всегда такое же число полюсов, как ротор.

Работа синхронного двигателя

При работе синхронной машины в качестве двигателя обмотка якоря подключается к трехфазному источнику переменного тока, в результате чего возникает вращающийся магнитный поток якоря Ф_я.

После разгона ротора двигателя до скорости n ≈ n его обмотка возбуждения подключается к источнику постоянного тока, и возникает магнитный поток Ф. Благодаря взаимодействию вращающегося магнитного потока Ф_я и проводников обмотки ротора, питаемой постоянным током (или потоков Ф_я и Ф) возникает вращающий момент, действующий на ротор, и он втягивается в синхронизм, т. е. начинает вращаться со скоростью n, равной скорости n вращающегося магнитного поля якоря.

При изменении нагрузки двигателя скорость вращения ротора остается постоянной (n = n), однако положение ротора относительно вращающегося магнитного потока Ф_я изменяется. Так, при моменте статического сопротивления М_с = 0 ротор занимает положение относительно потока Ф_я, показанное на рис. 2, а.

Рис. 2 Возникновение крутящего момента синхронного двигателя

Момент двигателя в этом случае М = М_с = 0. Увеличение момента сопротивления М_с приводит к такому смещению ротора относительно потока Ф_я, при котором возникает вращающий момент М двигателя, уравновешивающий момент М_с (рис. 2, б)

Существенной особенностью синхронного двигателя является то, что вращающий момент возникает у него в том случае, когда скорость вращения ротора n равна скорости n вращающегося магнитного поля якоря Ф_я. Возникновение вращающего момента при равенстве скоростей n и n у синхронного двигателя объясняется тем, что ток в его обмотке возбуждения появляется вследствие питания обмотки возбуждения от источника постоянного тока.

Скорость вращающегося магнитного поля якоря, а значит, ротора синхронного двигателя определяется по формуле

Для получения различных скоростей синхронные двигатели изготовляют с различными числами пар полюсов p.

При частоте f = 50 Гц скорости вращения синхронных двигателей будут равны 3000, 1500, 1000, 755 об/мин и т. д.

Сравнение синхронных и асинхронных двигателей

Обмотки статора обоих двигателей получают питание от сети трехфазного переменного тока. Для питания обмотки возбуждения синхронного двигателя требуется, кроме того, источник электрической энергии постоянного тока, правда, относительно небольшой мощности.

Асинхронный пуск синхронных двигателей несколько сложнее пуска асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором. В отношении пусковых свойств асинхронные двигатели с фазным ротором имеют весьма существенные преимущества перед синхронными двигателями.

Частота вращения синхронных двигателей остается постоянной при изменении нагрузки, тогда как у асинхронных двигателей даже при их работе на естественной характеристике она несколько изменяется.

Асинхронные двигатели дают возможность регулировать частоту вращения различными способами (изменением числа пар полюсов, измерением частоты напряжение источника питания). Синхронные двигатели относятся к двигателям с нерегулируемой частотой вращения.

Воздействуя на ток возбуждения синхронного двигателя, можно в широких пределах изменять его коэффициент мощности. Можно, в частности, заставить синхронный двигатель работать с cosφ = 1, а также с опережающим током. Последнее может быть использовано для улучшения коэффициента мощности других потребителей, питающихся от той же сети. В отличие от этого асинхронный двигатель представляет собой активно-индуктивную нагрузку и имеет всегда cosφ Другие новости по теме: