Что такое синхронный двигатель и где он используется

Синхронные двигатели (SP) не так распространены, как асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором. Однако они используются там, где требуется высокий крутящий момент и во время работы возникают частые перегрузки. Двигатели этого типа также используются там, где требуется большая мощность для привода машин, благодаря высокому коэффициенту мощности и способности улучшить коэффициент мощности сети, что значительно снижает затраты на электроэнергию и нагрузку на линию. Что такое синхронный двигатель, где он применяется и в чем его достоинства и недостатки, мы рассмотрим в этой статье.

  • Определение и принцип работы
  • Конструкция ротора
  • Запуск синхронного двигателя
  • Типы
  • Область применения
  • Преимущества и недостатки

Определение и принцип действия

Проще говоря, синхронный двигатель — это электродвигатель, в котором скорость вращения ротора (вала) совпадает со скоростью вращения магнитного поля статора.

Кратко рассмотрим принцип работы такого электродвигателя — он основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля статора, которое обычно создается трехфазным переменным током и постоянным магнитным полем ротора.

Постоянное магнитное поле ротора создается обмоткой возбуждения или постоянными магнитами. Ток в обмотках статора создает вращающееся магнитное поле, в то время как ротор представляет собой рабочий постоянный магнит, полюса которого направлены к противоположным полюсам магнитного поля статора. В результате ротор вращается синхронно с полем статора, что является его главной особенностью.

Напомним, что асинхронный электродвигатель имеет скорость вращения статора MF и скорость вращения ротора, отличающиеся на величину скольжения, а его механические характеристики «шумные» с пиковым значением при критическом скольжении (ниже номинальной скорости вращения).

Скорость вращения магнитного поля статора можно рассчитать с помощью следующего уравнения:

f — частота тока в обмотке, Гц, p — количество пар полюсов.

Следовательно, частота вращения вала синхронного двигателя определяется по той же формуле.

Большинство используемых в производстве трехфазных двигателей изготавливаются без постоянных магнитов, но с обмоткой возбуждения, тогда как трехфазные синхронные двигатели малой мощности изготавливаются с постоянными магнитами на роторе.

Обмотка возбуждения получает питание через кольца и щеточные узлы. В отличие от коллекторного двигателя, в котором коллектор (набор продольно расположенных пластин) используется для передачи тока на вращающуюся катушку, синхронный двигатель имеет кольца на одном конце статора.

Источником тока возбуждения постоянного тока являются тиристорные возбудители, часто называемые «ВТЭ». (от названия одной из серий подобных аппаратов отечественного производства). Ранее применялась система возбуждения «генератор-двигатель», в которой на одном валу с двигателем устанавливался генератор (возбудитель), подававший ток на обмотку возбуждения через резисторы.

Ротор почти всех синхронных двигателей постоянного тока выполнен без обмотки возбуждения и с постоянными магнитами, они в принципе аналогичны двигателям переменного тока, но способ их подключения и управления полностью отличается от классических трехфазных машин.

Одной из основных характеристик электродвигателя является механическая характеристика. Синхронные двигатели имеют механические характеристики, аналогичные прямой горизонтальной линии. Это означает, что нагрузка на вал не влияет на его скорость вращения (до тех пор, пока она не достигнет определенного критического значения).

Это достигается за счет возбуждения постоянным током, так что синхронный двигатель идеально поддерживает постоянную скорость при переменных нагрузках, перегрузках и падениях напряжения (до определенного предела).

Символ на схеме синхронной машины показан ниже.

Конструкция ротора

Как и любой другой синхронный электродвигатель, он состоит из двух основных частей:

  • Статора. Он содержит обмотки. Его еще называют арматурой.
  • Ротор. На нем размещены магнитыфиксированная или обмотка возбуждения. Его также называют индуктором из-за его роли в создании магнитного поля.)

Для подачи тока в обмотку возбуждения на роторе установлены 2 кольца (поскольку возбуждение осуществляется постоянным током, одно кольцо дает «+», а другое — «-»). Щетки установлены на щеткодержателе.

В зависимости от области применения существует два типа роторов для синхронных двигателей переменного тока:

  1. Чистый столб. Полюса (катушки) хорошо видны. Они используются на малых оборотах и ​​большом количестве полюсов.
  2. Нелинейный столб — выглядит как круглый стержень с вставленными в пазы на нем обмоточными проводами. Они используются на высоких оборотах (3000, 1500 об / мин) и небольшом количестве полюсов.

Пуск синхронного двигателя

Особенность этих типов электрических машин в том, что вы не можете просто подключить их и ожидать, что они запустятся. Помимо источника тока, для работы машины нужно возбуждение, у нее довольно сложная схема запуска.

Пуск аналогичен запуску асинхронного двигателя, но для создания пускового момента на ротор помещается дополнительная обмотка с короткозамкнутым ротором в дополнение к обмотке возбуждения. Ее также называют «демпфирующей» обмоткой, поскольку она повышает устойчивость при внезапных перегрузках.

Во время пуска в обмотке ротора не течет ток возбуждения, а когда двигатель разгоняется до подсинхронной скорости (на 3-5% меньше синхронной скорости), подается ток возбуждения, после чего этот ток и ток статора колеблются, двигатель входит в синхронизм и начинает работать. .

Для ограничения пусковых токов мощных машин иногда снижают напряжение обмотки статора путем последовательного включения автотрансформатора или резисторов.

При запуске синхронной машины в асинхронном режиме к обмотке возбуждения подключаются резисторы с сопротивлением в 5-10 раз превышающим сопротивление самой обмотки. Это сделано для предотвращения замедления ускорения из-за пульсирующего магнитного потока, вызванного токами, наведенными в обмотке во время пуска, и для предотвращения повреждения обмотки индуцированной ЭДС.

Типов таких машин много, конструкция синхронного электродвигателя переменного тока с обмоткой возбуждения, как наиболее распространенного в промышленности, описана выше. Есть и другие типы, такие как:

  • Синхронные двигатели с постоянными магнитами. Это различные электродвигатели, такие как PMSM — синхронный двигатель с постоянными магнитами, BLDC — бесщеточный двигатель постоянного тока и другие. Разница между ними заключается в способе регулирования и форме тока (синусоидальный или трапециевидный). Их также называют бесколлекторными или бесщеточными двигателями. Они используются в станках, радиоуправляемых моделях, электроинструментах и ​​т.д. Работают не напрямую от постоянного тока, а через специальный преобразователь.
  • Шаговые двигатели — это синхронные бесщеточные двигатели с ротором, который точно поддерживает заданное положение, они используются для позиционирования рабочего инструмента в станках с ЧПУ и для управления различными элементами автоматических систем (например, положением дроссельной заслонки в автомобиле). Они состоят из статора, на котором в данном случае размещены обмотки возбуждения, и ротора, изготовленного из магнитомягкого или магнитотвердого материала. Конструктивно очень похож на предыдущие типы.
  • Реактивный.
  • Гистерезис.
  • Реактивный гистерезис.

Последние три типа не имеют щеток и работают благодаря особой конструкции ротора. Имеются три исполнения реактивных пробок: ротор с перекрестной связью, ротор с выделенными полюсами и ротор с аксиальной связью. Объяснение их принципа действия довольно сложно и займет много места, поэтому мы его пропустим. На практике вы вряд ли встретите такие электродвигатели. В основном это маломощные устройства, используемые в автоматизации.Синхронные двигатели более дороги, чем асинхронные, и требуют дополнительного источника возбуждения постоянного тока, что частично ограничивает область применения этого типа электрических машин. Однако синхронные двигатели используются для привода машин, в которых могут возникать перегрузки и где требуется точное поддержание постоянной скорости.

Сфера применения

В основном они используются в диапазоне больших мощностей — сотни киловатт и мегаватт, а запуски и отключения довольно редки, т.е. машины работают круглосуточно в течение длительного времени. Это связано с тем, что синхронные машины работают с kofi, близким к 1, и могут поставлять реактивную мощность в сеть, что улучшает коэффициент мощности сети и снижает потребление, что является важным фактором для предприятий.

Проще говоря, у каждой электрической машины есть свои достоинства и недостатки. В случае синхронного двигателя положительными характеристиками являются:

Преимущества и недостатки

При работе с cosPhi = 1 из-за возбуждения постоянным током они соответственно не отбирают реактивную мощность из сети.

  1. Во время работы при перегрузке они возвращают реактивную мощность в сеть, улучшая коэффициент мощности сети, падение напряжения и потери в сети, а также увеличивая CM генераторов электростанций.
  2. Максимальный крутящий момент, развиваемый на сверхпроводящем валу, пропорционален U, в то время как крутящий момент генератора переменного тока пропорционален U² (квадратное отношение напряжений). Это означает, что вариаторы обладают хорошей нагрузочной способностью и стабильностью, которые сохраняются при отключении электроэнергии.
  3. В результате скорость вращения остается стабильной в условиях перегрузки и короткого замыкания в пределах возможных перегрузок, особенно при увеличении тока возбуждения.
  4. Однако существенный недостаток синхронного двигателя заключается в том, что его конструкция более сложна, чем у асинхронного двигателя с закрытым ротором, требуется индуктор, без которого он не может работать. Все это приводит к более высоким затратам по сравнению с асинхронными машинами и трудностям в обслуживании и эксплуатации.

Возможно, на этом преимущества и недостатки синхронных двигателей заканчиваются. В этой статье мы постарались обобщить общие сведения о синхронных двигателях. Если есть что добавить к материалу — пишите в комментариях.