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).

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:

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:

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:

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

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:

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:

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:

Среди недостатков синхронных электродвигателей выделяют:

Видео версия

Источник

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.

Источник

Типовые схемы пуска синхронных электродвигателей

Синхронные двигатели получили широкое распространение в промышленности для электроприводов, работающих с постоянной скоростью (компрессоров, насосов и т.д.). В последнее время, вследствие появления преобразовательной полупроводниковой техники, разрабатываются регулируемые синхронные электроприводы.

Достоинства синхронных электродвигателей

Синхронный двигатель несколько сложнее, чем асинхронный, но обладает рядом преимуществ, что позволяет применять его в ряде случаев вместо асинхронного.

2. Синхронные электродвигатели менее чувствительны к колебаниям напряжения сети, чем асинхронные электродвигатели. Их максимальный момент пропорционален напряжению сети, в то время как критический момент асинхронного электродвигателя пропорционален квадрату напряжения.

3. Синхронные электродвигатели имеют высокую перегрузочную способность. Кроме того, перегрузочная способность синхронного двигателя может быть автоматически увеличена за счет повышения тока возбуждения, например, при резком кратковременном повышении нагрузки на валу двигателя.

4. Скорость вращения синхронного двигателя остается неизменной при любой нагрузке на валу в пределах его перегрузочной способности.

Способы пуска синхронного электродвигателя

Возможны следующие способы пуска синхронного двигателя: асинхронный пуск на полное напряжение сети и пуск на пониженное напряжение через реактор или автотрансформатор.

Пуск синхронного двигателя осуществляется как пуск асинхронного. Собственный пусковой момент синхронной машины мал, а у неявнополюсной равен нулю. Для создания асинхронного момента ротор снабжается пусковой беличьей клеткой, стержни которой закладываются в пазы полюсной системы. (В явнополюсном двигателе стержни между полюсами, естественно, отсутствуют.) Эта же клетка способствует повышению динамической устойчивости двигателя при набросах нагрузки.

За счет асинхронного момента двигатель трогается и разгоняется. Ток возбуждения в обмотке ротора при разгоне отсутствует. Машина пускается невозбужденной, так как наличие возбужденных полюсов осложнило бы процесс разгона, создавая тормозной момент, аналогичный моменту асинхронного двигателя при динамическом торможении.

В синхронных двигателях трудно одновременно обеспечить необходимые значения пускового момента и входного момента под которым понимают асинхронный момент, развиваемый при достижении скоростью 95% синхронной. В соответствии с характером зависимости статического момента от скорости, т.е. в соответствии с типом механизма, для которого предназначен двигатель, на электромашиностроительных заводах приходится варьировать параметры пусковой клетки.

В противном случае под действием токов, наводимых в обмотке при пуске, возникает пульсирующий магнитный поток, обратная составляющая которого, взаимодействуя с токами статора, создает тормозной момент. Этот момент достигает максимального значения при скорости, несколько превышающей половину номинальной, и под его влиянием двигатель может приостановить разгон на этой скорости. Оставлять на время пуска цепь возбуждения разорванной опасно, так как возможно повреждение изоляции обмотки индуцируемыми в ней ЭДС.

Асинхронный пуск синхронного электродвигателя

Схема возбуждения синхронного двигателя с глухоподключенным возбудителем довольно проста и может применяться в том случае, если пусковые токи не вызывают падения напряжения в сети больше допустимого и статистический момент нагрузки Мс

Асинхронный пуск синхронного двигателя производится присоединением статора к сети. Двигатель разгоняется как асинхронный до скорости вращения, близкой к синхронной.

В процессе асинхронного пуска обмотка возбуждения замыкается на разрядное сопротивление, чтобы избежать пробоя обмотки возбуждения при пуске, так как при малой скорости ротора в ней могут возникнуть значительные перенапряжения. При скорости вращения, близкой к синхронной, срабатывает контактор КМ (цепь питания контактора на схеме не показана), обмотка возбуждения отключается от разрядного сопротивления и подключается к якорю возбудителя. Пуск заканчивается.

Тиристорные возбудители синхронных электродвигателей более надежны и имеют более высокий к.п.д. по сравнению с электромашинными возбудителями. С их помощью легко решаются вопросы оптимального регулирования тока возбуждения для поддержания постоянства cos фи, напряжения на шинах, от которых питается синхронный двигатель, а также ограничение токов ротора и статора синхронного двигателя в аварийных режимах.

Тиристорными возбудителями комплектуется большинство выпускаемых крупных синхронных электродвигателей. Они выполняют обычно следующие функции:

Если пуск синхронного электродвигателя производится на пониженное напряжение, то при «легком» пуске возбуждение подается до включения обмотки статора на полное напряжение, а при «тяжелом» пуске подача возбуждения происходит при полном напряжении в цепи статора. Возможно подключение обмотки возбуждения двигателя к якорю возбудителя последовательно с разрядным сопротивлением.

Процесс подачи возбуждения синхронному двигателю автоматизируется двумя способами: в функции скорости и в функции тока.

Система возбуждения и устройство управления синхронных двигателей должны обеспечивать:

На схеме, приведенной на рисунке, подача возбуждения синхронному двигателю осуществляется с помощью электромагнитного реле постоянного тока КТ (реле времени с гильзой). Катушка реле включается на разрядное сопротивление Rразр через диод VD. При подключении обмотки статора к сети в обмотке возбуждения двигателя наводится ЭДС. По катушке реле КТ проходит выпрямленный ток, амплитуда и частота импульсов которого зависят от скольжения.

При пуске скольжение S = 1. По мере разгона двигателя оно уменьшается и интервалы между выпрямленными полуволнами тока возрастают; магнитный поток постепенно снижается по кривой Ф(t).

При скорости, близкой к синхронной, магнитный поток реле успевает достигнуть значения потока отпадания реле Фот в момент, когда через реле КТ ток не проходит. Реле теряет питание и своим контактом создает цепь питания контактора КМ (на схеме цепь питания контактора КМ не показана).

Рассмотрим контроль подачи возбуждения в функции тока с помощью реле тока. При пусковом токе срабатывает реле тока КА и размыкает свой контакт в цепи контактора КМ2.

График изменения тока и магнитного потока в реле времени КТ

При скорости, близкой к синхронной, реле КА отпадает и замыкает свой контакт в цепи контактора КМ2. Контактор КМ2 срабатывает, замыкает свой контакт в цепи возбуждения машины и шунтирует резистор Rразр.

Источник