Что значит синхронный двигатель
Что необходимо знать о синхронных двигателях
Электрические синхронные машины – отдельный вид приводного оборудования, обладающий своими особенностями. Отличия этого типа двигателей заметны во всем: в конструкции, функциональности, принципе работы. Как и любой механизм, они обладают своими достоинствами и недостатками.
Двигатели переменного тока находят свое применение практически повсеместно. Они обладают надежной и простой конструкцией, более функциональны и безопасны по сравнению с машинами, питающимися от сети постоянного тока. В зависимости от принципа работы, механизмы этого типа подразделяются на асинхронные и синхронные двигатели. О второй категории моторов, их устройстве, структуре, особенностях работы и пойдет речь в этой статье.
Конструктивные элементы
Устройство синхронного электропривода основано на использовании свойств трехфазного тока создавать вращающееся магнитное поле. Поэтому его конструктивное исполнение предусматривает включение следующих основных частей:
Каждый компонент состоит из ряда более мелких элементов, тесно взаимодействующих между собой. Индуктор имеет структуру аналогичную асинхронному приводу и содержит:
Дополнительно имеется коробка для электрических соединений, которая находится сбоку от корпуса статора. В корпусе расположен шихтованный металлический сердечник. Термин «шихтованный» подразумевает под собой набор из тонких (толщиной 0,3-0,5 мм) стальных пластин с изоляцией друг от друга. Наружные полосы имеют выштампованные пазы для фазных обмоток.
Размеры и конструкция индукторного колеса может быть разной: в виде цельного или собранного из отдельных сегментов цилиндра. Конструктивное исполнение корпуса зависит от мощности и габаритов электромотора. Для малых машин выполняется неразъемное изделие с запрессованным статором, для мощного электрооборудования предусматривается сборный вариант. Это упрощает перевозку, установку на рабочее место и эксплуатацию электрического двигателя.
Роторный механизм предназначен для возбуждения синхронного двигателя (СД), поэтому содержит сердечник либо с постоянными магнитами (у маломощных электроприводов), либо с электромагнитами. Аналогично индуктору ротор может быть сборным или цельным. У мотора, рассчитанного на большие скорости (3000, 1500 об/мин.), роторная обмотка равномерно распределена по поверхности цилиндрического якоря. Такой электропривод называется неявнополюсным. У тихоходного СД (до 1000 об/мин) на роторе выполнены полюса с катушками возбуждения, поэтому он носит название явнополюсного.
В синхронном двигателе неявнополюсного типа якорь представляет собой стальной цилиндр, по длине которого выполнены пазы для укладки роторной электроцепи. В зависимости от конструкции он может быть кованым сразу соединенным с валом, или представлять собой отдельное изделие, напрессованное на вал. Для защиты от центробежной силы система возбуждения синхронного привода прикрывается стальными немагнитными кольцами.
Электрический двигатель с явнополюсным ротором отличается иным расположением якорных электроцепей. В этом случае якорь имеет закрепленный на валу машины магнитопровод. На магнитопроводе находятся полюса с полюсными наконечниками, на которых расположена электрическая роторная обмотка. Система возбуждения синхронного электромотора также содержит соединяющие элементы в виде колец, установленных на валу, и прижатые к ним неподвижные электрические щетки.
По мере вращения кольца скользят по щеткам, обеспечивая скользящий электроконтакт. Аналогичный щеточный узел имеет асинхронный эл/двигатель с фазным ротором. Различие состоит только в количестве контактных колец и щеток. Фазная обмотка якоря асинхронной машины требует три контактных кольца, тогда как синхронной всего два.
Рабочий процесс
Синхронный двигатель это электротехническое устройство, работающее на основе закона электромагнитной индукции. Принцип работы и устройство СД предусмотрены из условия практического применения этого физического явления. Магнитное поле создается трехфазной обмоткой, размещенной в пазах статорного пакета аналогично цепи асинхронной машины. На роторе размещена обмотка возбуждения, питаемая постоянным током. Питание к ней подводится через щетки и кольца. Постоянный ток, протекающий по возбуждающей обмотке, взаимодействует с вращающимся полем индуктора, что вызывает круговое движение вала. Вращающий момент зависит от токовой нагрузки и не зависит от скорости. Вот почему этот тип привода называется синхронный электродвигатель, то есть частота оборотов якоря равна скорости поля индуктора.
После запуска синхронный двигатель переменного тока вращается одновременно с магнитным потоком. СД не может запускаться с помощью только питающей сети. Это объясняется инерционностью роторного блока и высокой скоростью вращающегося поля. Схема включения маломощной машины предусматривает использование пусковых (демпферных) обмоток, с которыми она работает как синхронный двигатель с короткозамкнутым ротором (то есть реализуется асинхронный пуск). В случае мощных электроприводов пуск производится вспомогательным электромотором или преобразователем частоты.
Наибольшее распространение получил асинхронный пуск, предусматривающий устройство дополнительной КЗ-обмотки. В этом случае синхронный двигатель с короткозамкнутым ротором запускается аналогично асинхронному эл/двигателю. Вследствие таких действий роторный механизм разгоняется до скорости вращающегося магнитного потока. Если синхронный электродвигатель нагружается, расстояние между полюсами якоря и поля увеличивается. Как результат, якорный механизм отстает на нагрузочный угол, что соответствует отставанию от своего положения на холостом ходу.
Устройство и принцип действия синхронного двигателя предусматривают эксплуатацию привода с постоянной скоростью, которая не зависит от нагрузки. СД не рассчитан на нагрузку, величина которой превышает пусковую мощность между роторным механизмом и магнитным потоком. В противном случае синхронизм прерывается, и работа синхронного двигателя останавливается.
Механическая и угловая характеристика
В силу особенностей, присущих синхронному двигателю, значение его момента не зависит от оборотов вращения. Это свойство привода определяет его назначение и сферу применения. Технические качества приводного оборудования для конфигурирования электропривода оцениваются зависимостью частоты вращения мотора от электромагнитного момента, развиваемого им. Эта зависимость известна как механическая характеристика синхронного двигателя. Она может быть статической или динамической. Первая показывает поведение СД в стабильном рабочем режиме. Вторая характеризует его работу в переходный период.
Качество механических характеристик оценивается жесткостью. Относительно этого параметра все характеристики делятся на идеально жесткие, жесткие и мягкие. В связи с тем, что частота вращения ротора синхронного двигателя под нагрузкой не меняется, этот тип электромоторов обладает идеально жесткой характеристикой, что выражается формулой:
где f1 – частота тока статора;
p – число пар полюсов статорной обмотки.
Но зависимость n = f (M) не отражает полного поведения мотора, в котором при увеличении нагрузки происходит смещение осей поля индуктора и якоря. Каждой нагрузке соответствует определенный угол между их осями. Уравнение угловой характеристики:
Это формула, выражает приблизительную зависимость момента на валу от угла вылета ротора. В реальных условиях максимальному моменту соответствует угол, несколько меньший, чем 90˚. При этом перегрузочная способность СД равна: λм = М max /MN = 2–3.
Схемы замещения
В СД при вращательном движении роторного узла с постоянным магнитным полем в цепи статорного устройства индуцируется электродвижущая сила (ЭДС). Она уравновешивает напряжение источника, подключенного к обмотке индукторного колеса. Поэтому ее называют противоЭДС. Схема замещения синхронного двигателя отражает создание противоЭДС в обмотке индуктора.
Электрический ток статора СД также формирует собственное магнитное поле, которое индуцирует ЭДС самоиндукции. Это учитывается в схеме замещения индуктивным элементом с индуктивным сопротивлением X1. Данная схема имеет вид:
Схема замещения позволяет составить уравнение электрического состояния СД и анализировать их характеристики и режимы работы.
Основные виды СД
Классификация синхронных двигателей может производиться относительно разных факторов. В зависимости от рабочего режима электроприводы представляют собой:
В разделе выше было рассмотрено, как работает синхронный двигатель в двигательном режиме, и из каких структурных элементов он состоит. Конструктивное исполнение генератора аналогично, разница заключается в основном в режиме работы. Схема включения с синхронным генератором для работы совместно с сетью представлена на рисунке:
Генератор синхронного типа является симметричным трехфазным источником электроэнергии. Он преобразует механическую энергию приводного механизма в электрическую энергию трехфазного тока. К индуктору генератора подключается потребитель электроэнергии, либо статор подключается к электросети для совместной параллельной работы с другими трехфазными агрегатами. Обмотка возбуждения генератора, подключенная к сетевому питанию (возбудителю) с напряжением 220в (или другими параметрами), создает постоянный магнитный поток, который замыкается в магнитной цепи СД следующим образом:
Принцип работы синхронного двигателя, его мощность, схема подключения ложатся в основу при построении разных электрических агрегатов. В связи с этим различают следующие виды синхронных машин:
Это далеко не все технические установки, где используются разные типы синхронных устройств.
Положительные и отрицательные качества
Достоинства и недостатки синхронного двигателя, вытекающие из его конструктивных и технических особенностей, обуславливают возможность подключения синхронного электропривода, его практическое применение и спрос. Преимущества СД позволяют формировать разные типы приводов, где требуется надежная работа без регулирования оборотов и частых пусков/остановок. Среди положительных качеств этого типа машин отмечают:
Недостатки синхронных двигателей накладывают определенные ограничения в их использовании. К ним относятся:
Большие плюсы и немалые минусы СД формируют объективное представление о машине этого типа. Поэтому при выборе необходимо заранее понимать, для чего он предназначен, зачем конструктивно предусмотрен тот или иной элемент. Лучше заранее изучить обозначение на шильдике или ознакомиться с паспортными данными электромашины, посмотреть, как подключить к существующей сети и после этого сделать осознанную покупку.
Чем отличается синхронный двигатель от асинхронного?
Отличие асинхронного электродвигателя от синхронного
С виду внешне они похожи, порой даже специалист не отличит по внешним признакам синхронный электродвигатель от асинхронного. У обоих электродвигателей есть неподвижный статор, состоящий из обмоток (катушек), которые уложены в пазы сердечника, набранного из пластин, выполненных из электротехнической стали, и подвижный ротор. Кроме того, функция этих типов электродвигателей одна и та же — создание вращающегося магнитного поля статора.
Ротор синхронного двигателя имеет обмотку возбуждения с независимым питанием. Статоры синхронного и асинхронного двигателя устроены одинаково, функция в каждом случае одна и та же — создание вращающегося магнитного поля статора.
У этих двух типов двигателей разные области применения: синхронные электродвигатели отличаются гораздо большей мощностью и полезной нагрузкой, но они дороже и сложней. И поэтому асинхронные двигатели востребованы там, где достаточно их характеристик, ведь они дешевле и проще в изготовлении.
Недостатки и преимущества двигателей
Синхронные двигатели
 |  |  |
Синхронные двигатели имеют довольно сложную конструкцию, обусловленную наличием щеточного узла. Кроме того, для их работы требуется дополнительный источник постоянного тока. Еще одним недостатком является невозможность их эксплуатации в условиях частых пусков и остановов. Однако все это компенсируется большой мощностью, высоким КПД, устойчивостью к перепадам напряжения в питающей сети и стабильной частотой вращения вала, вне зависимости от величины нагрузки на него.
Синхронные электрические машины рентабельны при мощностях свыше 100 кВт и основное применение находят для вращения мощных вентиляторов, на различных металлургических производствах, для привода насосов, которые обладают не только значительной мощностью, но и долгим режимом функционирования т.д.
Асинхронный двигатель
 |  |  |
Асинхронный двигатель в отличие от синхронных машин более чувствителен к колебаниям напряжения и не может сохранять номинальную скорость вращения, при увеличении нагрузки. В большинстве случаев недостатки компенсируются путем применения преобразователей частоты и других устройств пуска. Но простота конструкции, длительный срок эксплуатации, универсальность применения, способность работать в режиме частых включений и остановок делают эти машины наиболее распространенными в промышленном и бытовом секторе.
Синхронный и асинхронный двигатель отличия
Подписка на рассылку
Для приведения в движение различных станков или механизмов на предприятиях тяжелой и легкой промышленности в большинстве случаев используются электродвигатели переменного тока. Электрические машины постоянного тока распространены в меньшей мере и чаще всего применяются в качестве тяговых агрегатов на городском электротранспорте, поездах, складских погрузчиках и тележках.
Чтобы достичь максимальной энергоэффективности производственных процессов, нужно правильно подходить к выбору двигателя для привода.
Синхронный и асинхронный двигатель – отличия для чайников
Конструкция асинхронных и синхронных электрических машин практически одинакова. У обоих электродвигателей есть неподвижный статор, состоящий из обмоток (катушек), которые уложены в пазы сердечника, набранного из пластин, выполненных из электротехнической стали, и подвижный ротор. Обмотки статора сдвинуты друг относительно друга на угол, равный 120°, поэтому проходящий по ним электрический ток создает вращающееся магнитное поле, которое вовлекает в движение ротор. Вот именно здесь и проявляется основное отличие этих электрических машин – конструкция ротора, от которой зависит скорость его вращения.
Асинхронный двигатель
Ротор такого двигателя может быть короткозамкнутым или фазным.
Вне зависимости от типа ротора в этих двигателях частота вращения ротора всегда будет меньше скорости вращения магнитного поля статора. Эта разница обусловлена законами физики:
Синхронный двигатель
Ротор таких двигателей комплектуется постоянными магнитами или обмотками возбуждения. Обмотки могут быть как явнополюсными, так и распределенными (уложенными в пазы ротора). Кроме того, ротор синхронной машины может иметь и короткозамкнутые обмотки.
После разгона ротора до скорости близкой к частоте вращения магнитного поля статора, на катушки полюсов через щеточно-контактный узел подается постоянное напряжение, которое возбуждает в них постоянное магнитное поле. Противоположные полюса магнитных полей притягиваются друг к другу и частота вращения ротора становится синхронной.
Разгон ротора может осуществляться с помощью вспомогательного двигателя или в асинхронном режиме, благодаря короткозамкнутой обмотке.
Недостатки и преимущества двигателей
Синхронные двигатели имеют довольно сложную конструкцию, обусловленную наличием щеточного узла. Кроме того, для их работы требуется дополнительный источник постоянного тока. Еще одним недостатком является невозможность их эксплуатации в условиях частых пусков и остановов. Однако все это компенсируется большой мощностью, высоким КПД, устойчивостью к перепадам напряжения в питающей сети и стабильной частотой вращения вала, вне зависимости от величины нагрузки на него.
Асинхронный двигатель в отличие от синхронных машин более чувствителен к колебаниям напряжения и не может сохранять номинальную скорость вращения, при увеличении нагрузки. Но простота конструкции, длительный срок эксплуатации, универсальность применения, способность работать в режиме частых включений и остановок делают эти машины наиболее распространенными в промышленном и бытовом секторе.
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: