Синхронный электродвигатель: характеристики, устройство и принцип действия

Содержание

1. Устройство синхронного электродвигателя
2. Принцип работы синхронного электродвигателя
3. Характеристики синхронного электродвигателя

Синхронный электродвигатель – это устройство, преобразующее электрическую энергию в механическую. Его также можно использовать в качестве генератора. Чаще всего он применяется в компрессорах, прокатных станках, поршневых насосах и другом подобном оборудовании. Рассмотрим принцип действия синхронного электродвигателя, его характеристики и свойства.

Устройство синхронного электродвигателя

Строение агрегата данного вида типично. Двигатель состоит из:

• Неподвижной части (якорь или статор).
• Подвижной части (ротор или индуктор).
• Вентилятора.
• Контактных колец.
• Щеток.
• Возбудителя.

Статор представляет собой сердечник, состоящий из обмоток, который заключен в корпус. Индуктор комплектуется электромагнитами постоянного тока (полюсами). Конструкция индуктора может быть двух видов – явнополюсная и неявнополюсная. В статоре и роторе расположены ферромагнитные сердечники, изготовленные из специальной электротехнической стали. Они необходимы для уменьшения магнитного сопротивления и улучшения прохождения магнитного потока.

Частота вращения ротора в синхронном двигателе равна частоте вращения магнитного поля. Независимо от подключаемой нагрузки частота ротора неизменна, так как число пар полюсов магнитного поля и ротора совпадают. Их взаимодействие обеспечивает постоянную угловую скорость, не зависящую от момента, приложенного к валу.

Принцип работы синхронного электродвигателя

Самые распространенные типы такого рода агрегатов – однофазный и трехфазный. Принцип работы синхронного электродвигателя в обоих случаях примерно одинаков. После подключения обмотки якоря к сети ротор остается неподвижным, в то время как постоянный ток поступает в обмотку возбуждения. Направление электромагнитного момента меняется дважды за время одного изменения напряжения. При значении среднего момента равном нулю, ротор под влиянием внешнего момента (механического воздействия) разгоняется до частоты, близкой по значению частоте вращения магнитного поля в зазоре, после чего двигатель переходит в синхронный режим.

В трехфазном устройстве проводники расположены под определенным углом относительно друг друга. В них возбуждается вращающееся с синхронной скоростью электромагнитное поле.

Разгон двигателя может осуществляться в двух режимах:

• Асинхронный. Обмотки индуктора замыкаются с помощью реостата. Вращающееся магнитное поле, возникающее при включении напряжения, пересекает короткозамкнутую обмотку, установленную на роторе. В ней индуцируются токи, взаимодействующие с вращающимся полем статора. По достижении синхронной скорости крутящий момент начинает уменьшаться и сводится к нулю после замыкания магнитного поля.
• С помощью вспомогательного двигателя. Для этого синхронный двигатель механически соединяется со вспомогательным (двигателем постоянного тока либо трехфазным индукционным двигателем). Постоянный ток подается только после того, как вращение двигателя достигает скорости, близкой к синхронной. Магнитное поле замыкается, и связь со вспомогательным двигателем прекращается.

Характеристики синхронного электродвигателя

Хотя асинхронные двигатели считаются более надежными и дешевыми, их синхронные «собратья» имеют некоторые преимущества и широко применяются в различных областях промышленности. К отличительным характеристикам синхронного электродвигателя можно отнести:

• Работу при высоком значении коэффициента мощности.
• Высокий КПД по сравнению с асинхронным устройством той же мощности.
• Сохранение нагрузочной способности даже при снижении напряжения в сети.
• Неизменность частоты вращения независимо от механической нагрузки на валу.
• Экономичность.

Синхронным двигателям также присущи некоторые недостатки:

• Достаточно сложная конструкция, делающая их производство дороже.
• Необходимость источника постоянного тока (возбудителя или выпрямителя).
• Сложность пуска.
• Необходимость корректировать угловую частоту вращения путем изменения частоты питающего напряжения.

Однако в некоторых случаях использование синхронных двигателей предпочтительнее:

• Для улучшения коэффициента мощности.
• В длительных технологических процессах, где нет необходимости в частых запусках и остановках.

Таким образом, «плюсы» двигателей такого типа значительно превосходят «минусы», поэтому на данный момент они высоко востребованы.

Изучив синхронный двигатель, устройство и принцип его действия и учтя условия, в которых он будет эксплуатироваться, вы сможете быстро и с легкостью подобрать оптимально подходящий для ваших целей тип агрегата (защищенный, закрытый, открытый) и использовать его с максимальной эффективностью.

Синхронный электродвигатель с обмоткой возбуждения

Дмитрий Левкин

• Конструкция
• Принцип работы
• Синхронная скорость

• Прямой запуск
• Выход из синхронизма
• Синхронный компенсатор

Синхронный электродвигатель с обмоткой возбуждения, как и любой вращающийся электродвигатель, состоит из ротора и статора. Статор — неподвижная часть, ротор — вращающаяся часть. Статор обычно имеет стандартную трехфазную обмотку, а ротор выполнен с обмоткой возбуждения. Обмотка возбуждения соединена с контактными кольцами к которым через щетки подходит питание.

Синхронный электродвигатель с обмоткой возбуждения (щетки не показаны)

Постоянная скорость вращения синхронного электродвигателя достигается за счет взаимодействия между постоянным и вращающимся магнитным полем. Ротор синхронного электродвигателя создает постоянное магнитное поле, а статор – вращающееся магнитное поле.

Работа синхронного электродвигателя основана на взаимодействии вращающегося магнитного поля статора и постоянного магнитного поля ротора

Статор: вращающееся магнитное поле

На обмотки катушек статора подается трехфазное переменное напряжение. В результате создается вращающееся магнитное поле, которое вращается со скоростью пропорциональной частоте питающего напряжения. Подробнее о том, как посредством трехфазного напряжения питания образуется вращающееся магнитное поле можно прочитать в статье «Трехфазный асинхронный электродвигатель».

Взаимодействие между вращающимся (у статора) и постоянным (у ротора) магнитными полями

Ротор: постоянное магнитное поле

Обмотка ротора возбуждается источником постоянного тока через контактные кольца. Магнитное поле создаваемое вокруг ротора возбуждаемое постоянным током показано ниже. Очевидно, что ротор ведет себя как постоянный магнит, так как имеет такое же магнитное поле (в качестве альтернативы можно представить, что ротор сделан из постоянных магнитов). Рассмотрим взаимодействие ротора и вращающегося магнитного поля. Предположим вы придали ротору начальное вращение в том же направлении как у вращающегося магнитного поля. Противоположные полюса вращающегося магнитного поля и ротора будут притягиваться друг к другу и они будут сцепляться с помощью магнитных сил. Это значит, что ротор будет вращаться с той же скоростью, что и вращающееся магнитное поле, то есть ротор будет вращаться с синхронной скоростью.

Магнитные поля ротора и статора сцепленные друг с другом

Скорость с которой вращается магнитное поле может быть вычислена по следующему уравнению:

,

• где N_s – частота вращения магнитного поля, об/мин,
• f – частота тока статора, Гц,
• p – количество пар полюсов.

Это значит, что скорость синхронного электродвигателя может очень точно контролироваться изменением частоты питающего тока. Таким образом эти электродвигатели подходят для высокоточных приложений.

Почему синхронные электродвигатели не запускаются от электрической сети?

Если ротор не имеет начального вращения, ситуация отличается от описанной выше. Северный полюс магнитного поля ротора будет притягиваться к южному полюсу вращающегося магнитного поля, и начнет двигаться в том же направлении. Но так как ротор имеет определенный момент инерции, его стартовая скорость будет очень низкой. За это время южный полюс вращающегося магнитного поля будет замещен северным полюсом. Таким образом появятся отталкивающие силы. В результате чего ротор начнет вращаться в обратную сторону. Таким образом ротор не сможет запуститься.

Демпферная обмотка — прямой запуск синхронного двигателя от электрической сети

Чтобы реализовать самозапуск синхронного электродвигателя без системы управления между наконечниками ротора размещается «беличья клетка», которая также называется демпферной обмоткой. При запуске электродвигателя катушки ротора не возбуждаются. Под действием вращающегося магнитного поля, индуцируется ток в витках «беличьей клетки» и ротор начинает вращаться подобно тому, как запускаются асинхронные двигатели.

Когда ротор достигает своей максимальной скорости, подается питание на обмотку возбуждения ротора. В результате, как говорилось ранее, полюса ротора сцепляются с полюсами вращающегося магнитного поля и ротор начинает вращаться с синхронной скоростью. При вращении ротора с синхронной скоростью, относительное движение между белечьей клеткой и вращающимся магнитным полем равно нулю. Это значит, что отсутствует ток в короткозамкнутых витках, а следовательно «беличья клетка» не оказывает воздействия на синхронную работу электродвигателя.

Синхронные электродвигатели имеют постоянную скорость независящую от нагрузки (при условии что нагрузка не превышает макимально допустимую). Если момент нагрузки больше, чем момент создаваемый самим электродвигателем, то он выйдет из синхронизма и остановиться. Низкое напряжение питания и низкое напряжение возбуждения также могут быть причинами выхода двигателя из синхронизма.

Синхронные электродвигатели могут также использоваться для улучшения коэффициента мощности системы. Когда единственной целью использования синхронных электродвигателей является улучшение коэффициента мощности их называют синхронными компенсаторами. В таком случае вал электродвигателя не соединяется с механической нагрузкой и вращается свободно.

Что такое синхронный двигатель? — Определение, конструкция, работа и ее особенности

Определение: Двигатель, работающий на синхронной скорости, называется синхронным двигателем. Синхронная скорость – это постоянная скорость, при которой двигатель генерирует электродвижущую силу . Синхронный двигатель используется для преобразования электрической энергии в механическую.

Конструкция синхронного двигателя

Статор и ротор являются двумя основными частями синхронного двигателя. Статор становится неподвижным, и он несет якорную обмотку двигателя. Обмотка якоря является основной обмоткой, из-за которой в двигателе индуцируется ЭДС . Вращатель несет обмотки возбуждения. Основной поток поля наводится в роторе. Ротор сконструирован двумя способами, то есть ротор с явно выраженными полюсами и ротор с неявнополюсными полюсами.

В синхронном двигателе используется явнополюсный ротор. Слово явно выраженное означает полюса ротора, направленные к обмоткам якоря . Ротор синхронного двигателя выполнен с пластинами из стали. Пластины уменьшают потери на вихревые токи, возникающие в обмотке трансформатора. Явнополюсный ротор в основном используется для проектирования средне- и низкоскоростных двигателей. Для получения высокоскоростного цилиндрического ротора в двигателе используется.

Синхронный двигатель в рабочем состоянии

Статор и ротор являются двумя основными частями синхронного двигателя. Статор — неподвижная часть, а ротор — вращающаяся часть машины. Трехфазное питание переменного тока подается на статор двигателя.

Статор и ротор возбуждаются отдельно. Возбуждение – это процесс наведения магнитного поля на части двигателя с помощью электрического тока.

Когда на статор подается трехфазное питание, между статором и зазором ротора возникает вращающееся магнитное поле. Поле с движущимися полярностями известно как вращающееся магнитное поле. Вращающееся магнитное поле возникает только в многофазной системе. Из-за вращающегося магнитного поля на статоре развиваются северный и южный полюса.

Ротор возбуждается от источника постоянного тока. Источник постоянного тока индуцирует северный и южный полюса ротора. Поскольку источник постоянного тока остается постоянным, поток, индуцируемый на роторе, остается прежним. Таким образом, поток имеет фиксированную полярность. Северный полюс развивается на одном конце ротора, а южный полюс развивается на другом конце.

Переменный ток синусоидальный. Полярность волны меняется в каждом полупериоде, т. е. волна остается положительной в первом полупериоде и становится отрицательной во втором полупериоде. Положительный и отрицательный полупериод волны развивает северный и южный полюсы на статоре соответственно.

Когда ротор и статор имеют один и тот же полюс на одной стороне, они отталкиваются друг от друга. Если у них противоположные полюса, они притягиваются друг к другу. Это легко понять с помощью рисунка, показанного ниже: Ротор притягивается к полюсу статора в течение первого полупериода питания и отталкивается во время второго полупериода. Таким образом, ротор становится пульсирующим только в одном месте. Это причина, по которой синхронный двигатель не запускается самостоятельно.

Первичный двигатель используется для вращения двигателя. Первичный двигатель вращает ротор с синхронной скоростью. Синхронная скорость — это постоянная скорость машины, значение которой зависит от частоты и числа полюсов машины.

Когда ротор начинает вращаться с синхронной скоростью, первичный двигатель отключается от двигателя. На ротор подается питание постоянного тока, из-за чего на его концах развиваются северный и южный полюса

Северный и южный полюса ротора и статора сцепляются друг с другом. Таким образом, ротор начинает вращаться со скоростью вращающегося магнитного поля. И двигатель работает на синхронной скорости. Скорость двигателя можно изменить 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 с его синхронной скоростью.
• Синхронный двигатель работает как с опережающим, так и с отстающим коэффициентом мощности.

Синхронный двигатель также может быть запущен с помощью демпферных обмоток.

Все о синхронных двигателях — что это такое и как они работают

Большинство людей понимают, что электродвигатели используют электрическую энергию для создания движения, но мало кто знает, сколько различных способов это может быть достигнуто.

Может показаться ненужным создавать новые способы выполнения одной и той же задачи, но у инженеров есть веские причины для этого. Некоторые двигатели питаются от постоянного тока, другие — от переменного тока, третьи — от их комбинации, и их конкретный метод передачи энергии уникален для каждого двигателя. В результате существует множество типов двигателей постоянного тока и двигателей переменного тока, каждый из которых имеет свои преимущества в определенных приложениях. В этой статье основное внимание будет уделено двигателям, использующим как переменный, так и постоянный ток, известным как синхронные двигатели, которые используют электромагнетизм для создания точной выходной энергии вращения. Эта статья призвана объяснить структуру, функции и области применения синхронных двигателей, чтобы любой, кто хочет использовать одно из этих устройств, имел для этого соответствующую информацию.

Что такое синхронные двигатели?

Синхронные двигатели

считаются типом двигателя переменного тока, созданным специально для устранения ограничений асинхронных двигателей, еще одного распространенного класса двигателей переменного тока (дополнительную информацию об этих двигателях можно найти в нашей статье об асинхронных двигателях). Асинхронные двигатели, как следует из их названия, используют электромагнитную индукцию для выработки механической энергии; однако их основным недостатком является то, что они испытывают явления «скольжения». Это «скольжение» представляет собой несоответствие между частотой колебаний переменного тока (вход) и частотой вращения (выход) и является прямым результатом использования эффекта индукции для создания вращения. Обычные асинхронные двигатели, не особенно относящиеся к большинству приложений, не могут использоваться для точно рассчитанных приложений из-за этого скольжения и известны как «асинхронные» двигатели.

Синхронные двигатели, с другой стороны, были сконструированы таким образом, что выходная частота вращения точно равна входной частоте переменного тока. Их можно использовать для часов, прокатных станов и даже проигрывателей, потому что их скорость точно пропорциональна переменному току, питающему двигатель. Хотя синхронные двигатели не такие мощные и разнообразные, как асинхронные двигатели, они играют жизненно важную роль в любом проекте, требующем точной синхронизации и точных оборотов.

Как работают синхронные двигатели?

Подобно другим асинхронным двигателям, синхронные двигатели состоят из внешнего статора и внутреннего ротора, которые магнитно взаимодействуют друг с другом, создавая выходной крутящий момент. Как и другие двигатели переменного тока, синхронные двигатели могут питаться от однофазного входа (например, настенные розетки) или многофазного входа (промышленные источники/источники более высокого напряжения), в зависимости от размера и области применения. Более подробную информацию об однофазных двигателях можно найти в нашей статье об однофазных двигателях.

Статор синхронного двигателя такой же, как и у других асинхронных двигателей, где катушки из меди/алюминия проходят через ламинированные листы металла. Эти катушки несут переменный ток (ток) для создания вращающегося магнитного поля (RMF). Больше всего они отличаются своими роторами, которые содержат постоянное магнитное поле, создаваемое либо реальными магнитами, либо источником постоянного тока через катушки ротора. Это постоянное поле имеет свой собственный набор полюсов север-юг, которые в конечном итоге совпадут с полюсами RMF (в парах север-юг), что приведет к точному выходному вращению, пропорциональному частоте статора. Эти полюса могут выступать из поверхности ротора или содержаться в пазах на роторе, и они известны как роторы с явно выраженными полюсами и роторы с неявнополюсными полюсами соответственно. Однако для запуска должно быть некоторое возбуждение, поскольку разница скоростей между неподвижным ротором и быстрым RMF не позволит их полюсам заблокироваться при запуске. Это достигается разными способами, и в результате синхронные двигатели были разделены на синхронные двигатели без возбуждения и синхронные двигатели с возбуждением током.

Типы синхронных двигателей

Как описано ранее, синхронные двигатели можно различать по тому, как их роторы возбуждаются до синхронных скоростей. Существуют синхронные двигатели без возбуждения и синхронные двигатели с возбуждением током, и в этом разделе кратко рассматриваются различные двигатели в каждой из этих категорий.

Синхронные двигатели без возбуждения

Этим синхронным двигателям не требуется напряжение возбуждения для запуска, а в их роторах используются ферромагнитные материалы для взаимодействия со статорами. Они бывают трех основных конструкций: гистерезисные двигатели, синхронные реактивные двигатели и двигатели с постоянными магнитами, каждая из которых будет кратко описана ниже.

В двигателях с гистерезисом

используется вал ротора, заключенный в какой-либо немагнитный материал (обычно алюминий), на который нанесен слой ферромагнитного материала, образующий «кольцо гистерезиса». СМП статора наводит в этом кольце полюса, но из-за некоторых потерь на гистерезис — или потери энергии из-за отставания между намагничиванием ферромагнетика и изменяющимся магнитным потоком — магнитный поток ротора будет отставать от потока статора. Это отставание вызывает угловое разделение между полем ротора и полем статора, вызывая крутящий момент. Это относительно бесшумные двигатели, которые лучше всего подходят для проигрывателей, магнитофонов и другого звукового оборудования.

Реактивные двигатели используют магнитное притяжение и явление нежелания генерировать движение. По конструкции они похожи как на шаговые, так и на асинхронные двигатели, в которых статор состоит из явно выраженных полюсов катушек, создающих магнитное поле. Ротор изготовлен из ферромагнитного металла в форме модифицированной беличьей клетки. Ротор имеет выемки, барьеры или прорези, которые совпадают с линиями магнитного поля статора, когда полюса ротора и статора совпадают. При несоответствии магнитное поле проходит более длинный путь через ротор и вызывает увеличение сопротивления — магнитного аналога электрического сопротивления. Это создает реактивный крутящий момент на двигателе, поскольку ротор хочет достичь некоторого более низкого сопротивления или вернуться в свое выровненное положение. Это позволяет «втягивать» ротор до синхронных скоростей в некоторых конструкциях, обеспечивая точное выходное вращение. Более подробную информацию можно найти в нашей статье все о реактивных двигателях.

Неудивительно, что в роторах двигателей с постоянными магнитами используются постоянные магниты. которые создают постоянный магнитный поток. Это взаимодействует с полюсами RMF статора, которые вызывают вращательное движение. Эти двигатели должны управляться частотно-регулируемым приводом (VFD), поскольку единственный способ изменить их скорость и крутящий момент — это изменить частоту переменного тока статора. Более подробную информацию можно найти в нашей статье о двигателях с постоянными магнитами.

Синхронные двигатели с возбуждением током

Единственным основным доступным синхронным двигателем с возбуждением током является синхронный двигатель с возбуждением постоянным током, для которого требуется вход постоянного тока, а также вход переменного тока. Источник постоянного тока поступает на ротор, который содержит обмотки, подобные статору, и эти обмотки будут создавать постоянное магнитное поле, индуцируемое источником питания постоянного тока. Это возбудит двигатель и заставит его полюса выровняться с RMF статора, вызывая синхронность. Эти двигатели обычно имеют мощность> 1 л.с. и часто называются синхронными двигателями, поскольку такая конструкция ротора очень распространена.

Приложения и критерии выбора

Обсуждаемые различные синхронные двигатели — это просто разные средства для создания синхронной скорости, и их обычно можно использовать в приложениях, где требуется точная скорость. Они не являются самозапускающимися по своей природе, и их не следует выбирать, если требуется самозапуск. Все они имеют повышенный КПД по сравнению с большинством других двигателей переменного и постоянного тока с КПД> 90%. Синхронные двигатели являются предпочтительным выбором для низкоскоростных, высокомощных нагрузок и отлично подходят в качестве источников энергии для дробилок, мельниц и измельчителей. Их скорость остается постоянной независимо от нагрузки, и их скорость может быть изменена только с помощью частотно-регулируемого привода, поскольку входной ток напрямую зависит от скорости на выходе. Если желательны регулируемые скорости, почитайте о двигателях с фазным ротором.

Асинхронные двигатели с такой же мощностью и номинальным напряжением, как правило, дешевле, чем синхронный двигатель с такими же характеристиками. Это означает, что асинхронные двигатели в большинстве случаев являются предпочтительным выбором для привода машин. Синхронные двигатели способны компенсировать потери при распределении электроэнергии и очень полезны для регулирования напряжения. Синхронные двигатели чаще всего используются в больших генераторах или параллельно с асинхронными двигателями, предназначенными для компенсации потерь мощности. Их также намного сложнее обслуживать, чем асинхронные двигатели, и они требуют более частого обслуживания.

Может показаться, что синхронные двигатели второстепенны по сравнению с асинхронными двигателями, но без них у нас не было бы часов, проигрывателей, дворников, жестких дисков, сигнальных устройств, записывающих устройств, микроволновых плит или любых других устройств с таймером. Точно так же эффективность этих двигателей помогает скорректировать неэффективность асинхронных двигателей и обеспечивает средства коррекции потерь при распределении. Они бесценны для промышленности как по своим способностям корректировать мощность, так и по своей точности, и, хотя они дороже и сложнее, чем асинхронный двигатель, синхронные двигатели являются еще одной машиной, которую могут использовать конструкторы.

Резюме

В этой статье представлено понимание того, что такое синхронные двигатели и как они работают. Для получения дополнительной информации о сопутствующих продуктах обратитесь к другим нашим руководствам или посетите платформу поиска поставщиков Thomas, чтобы найти потенциальные источники поставок или просмотреть сведения о конкретных продуктах.

Источники:

1. https://geosci.uchicago.edu
2. http://nit-edu.org/wp-content/uploads/2019/06/ch-38-Synchronous-motor.pdf
3. http://www.electricalmastar.