В чем преимущество синхронных двигателей

Электрический двигатель — это устройство, обеспечивающее преобразование электрической энергии в механическую. Конструктивно агрегат состоит из статора (фиксирован) и ротора (вращается). Первый создает магнитный поток, а второй крутится под действием электродвижущей силы (ЭДС).

Отличие – кратко простыми словами

Если говорить кратко и простыми словами, синхронный и асинхронный двигателя отличаются конструкцией роторов. Внешне понять какой перед вами электродвигатель практически невозможно, за исключением наличия дополнительных ребер охлаждения у асинхронных электродвигателей.

В устройстве, работающем на синхронном принципе, на роторе предусмотрена обмотка с независимой подачей напряжения.

У асинхронного мотора ток на ротор не подается, а формируется с помощью магнитного статорного поля. При этом статоры обоих агрегатов идентичны по конструкции и несут аналогичную функцию — создание магнитного поля.

• 
• Дополнительно в синхронном двигателе магнитные поля статора и ротора взаимодействуют друг с другом и имеют равную скорость.
• 
• У асинхронных агрегатов в роторных пазах имеются короткозамкнутые пластинки из металла или контактные кольца, обеспечивающие разность магнитного поля роторного и статорного механизма на величину скольжения.
• 

Несмотря на видимую простоту, разобраться с этим вопросом сразу вряд ли получится, поэтому рассмотрим вопрос более подробно. Поговорим об особенностях и отличиях асинхронных и синхронных машин.

Синхронный двигатель (СД)

Синхронный двигатель — агрегат с индивидуальной конструкцией ротора и индуктором с постоянными магнитами. Отличается улучшенными характеристиками мощности, момента и инерции. Имеет ряд особенностей конструкции и принципе действия.

Устройство

Конструктивно состоит из двух элементов: ротора (вращается) и статора (фиксированный механизм). Роторный узел находится во внутренней части статора, но бывают конструкции, когда ротор расположен поверх статора.

В состав ротора входят постоянные магниты, отличающиеся повышенной коэрцитивной силой.

Конструктивно СД делятся на два типа по полюсам:

1. Неявно выраженные. Отличаются одинаковой индуктивностью по поперечной и продольной оси.
2. Явно выраженные. Поперечная и продольная индуктивность имеют разные параметры.

1. 
2. Конструктивно роторы бывают разными устройством и по конструкции.
3. В частности, магниты бывают:

1. Наружной установки.
2. Встроенные.

Статор условно состоит из двух компонентов:

1. Кожух.
2. Сердечник с проводами.

Обмотка статорного механизма бывает двух видов:

1. Распределенная. Ее отличие состоит в количестве пазов на полюс и фазу. Оно составляет от двух и более.
2. Сосредоточенная. В ней количество пазов на полюс и фазу всего одно, а сами пазы распределяются равномерно по поверхности статорной части. Пара катушек, формирующих обмотку, могут соединяться в параллель или последовательно. Минус подобных обмоток состоит в невозможности влияния на линию ЭДС.

Форма электродвижущей силы электрического синхронного мотора бывает в виде:

1. Трапеции. Характерна для устройств с явно выраженным полюсом.
2. Синусоиды. Формируется за счет скоса наконечников на полюсах.

Если говорить в целом, синхронный мотор состоит из следующих элементов:

• узел с подшипниками;
• сердечник;
• втулка;
• магниты;
• якорь с обмоткой;
• втулка;
• «тарелка» из стали.

Принцип работы

Сначала к обмоткам возбуждения подводится постоянный ток. Он создает магнитное поле в роторной части. Статор устройства содержит обмотку для создания магнитного поля.

Как только на статорную обмотку подается ток переменной величины, по закону Ампера создается крутящий момент, и ротор начинает вращаться с частотой, равной частоте тока в статорном узле. При этом оба параметра идентичны, поэтому и двигатель носит название синхронный.

• Роторная ЭДС формируется, благодаря независимому источнику питания, что позволяет менять обороты и не привязываться к мощности подключенных потребителей.
• 
• С учетом особенностей работы синхронный электродвигатель не может запуститься самостоятельно при подключении к трехфазному источнику тока.
• Электродвигатель синхронного типа имеет широкую сферу применения, благодаря постоянству частоты вращения.
• Эта особенность расширяет сферу его применения:

• энергетика: источники реактивной мощности для поддержания напряжения, сохранение устойчивости сети при аварийных просадках;
• машиностроение, к примеру, при изготовлении гильотинных ножниц с большими ударными нагрузками;
• прочие направления — вращение мощных компрессоров или вентиляторов, генераторы на электростанциях, обеспечение устойчивой работы насосного оборудования и т. д.

Как подключить электродвигатель 380В на 220В

Преимущества и недостатки

После рассмотрения конструктивных особенностей, принципа работы и сферы применения СД подведем итог по положительным / отрицательным особенностям.

Плюсы:

1. Возможность работы при косинусе Фи равном единице (отношение полезной мощности к полной). Эта особенность улучшает косинус Фи сети. При работе с опережающим током синхронные машины генерируют реактивную мощность, которая поступает к асинхронным моторам и уменьшает потребление «реактива» от генераторов электрических станций.
2. Высокий КПД, достигающий 97-98%.
3. Повышенная надежность, объясняемая большим воздушным зазором.
4. Доступность регулирования перегрузочных характеристик, благодаря изменению тока, подаваемого в ротор.
5. Низкая чувствительность к изменению напряжения в сети.

Минусы:

1. Более сложная конструкция и, соответственно, высокая стоимость изготовления.
2. Трудности с пуском, ведь для этого нужные специальные устройства: возбудитель, выпрямитель.
3. Потребность в источнике постоянного тока.
4. Применение только для механизмов, которым не нужно менять частоту вращения.

Пример СД2-85/37-6У3, 500кВт, 1000об/мин, 6000В.

СД2-85/37-6У3, 500кВт, 1000об/мин, 6000В

Асинхронный двигатель (АД)

Асинхронный (индукционный) электродвигатель, имеющий разную частоту вращения магнитного поля в статоре и скорости ротора. В зависимости от типа и настройки может работать в двигательном или генераторном режиме, режиме ХХ или электромагнитного тормоза.

Конструктивные особенности

Конструктивно асинхронные механизмы трудно отличить от синхронных. Они также состоят из двух основных узлов: статора и ротора. При этом роторный узел может быть фазным или короткозамкнутым. Но небольшие конструктивные отличия все-таки имеются.

Рассмотрим, из чего состоит асинхронный двигатель:

• сердечник;
• вентилятор с корпусом;
• подшипник;
• коробка с клеммами;
• тройная обмотка;
• контактные кольца.

С учетом сказанного одним из главных отличий является отсутствие обмоток на якоре (исключением являются фазные АД). Вместо обмотки в роторе находятся стержни, закороченные между собой.

Принцип действия

В асинхронном двигателе магнитное поле создается, благодаря току в статорной обмотке, находящейся на специальных пазах. На роторе, как отмечалось выше, обмоток нет, а вместо них накоротко объединенные стержни. Такая особенность характерна для короткозамкнутого роторного механизма.

1. Во втором типе ротора (фазном) на роторе предусмотрены обмотки, ток и сопротивление которых могут регулироваться реостатным узлом.
2. Простыми словами, принцип действия можно разложить на несколько составляющих:

1. При подаче напряжения в статоре создается магнитное поле.
2. В роторе появляется ток, взаимодействующий с ЭДС статора.
3. Роторный механизм вращается в том же направлении, но с отставанием (скольжением) размером от 1 до 8 процентов.

• Асинхронные электромоторы пользуются большим спросом в быту, благодаря простоте конструкции и надежности в эксплуатации.
• Они часто применяются в бытовой аппаратуре:

• стиральных машинках;
• вентиляторе;
• вытяжке;
• бетономешалках;
• газонокосилках и т. д.

Также применяются они и в производстве, где подключаются к 3-фазной сети.

К этой категории относятся следующие механизмы:

• компрессоры;
• вентиляция;
• насосы;
• задвижки автоматического типа;
• краны и лебедки;
• станки для обработки дерева и т. д.

Асинхронные машины применяются в электрическом транспорте и других сферах. Они нашли применение в башенных кранах, лифтах и т. д.

Пример Трехфазный АИР 315S2 660В 160кВт 3000об/мин.

Трехфазный АИР 315S2 660В 160кВт 3000об/мин

Преимущества и недостатки

Электродвигатель асинхронного типа имеет слабые и сильные места, о которых необходимо помнить.

Преимущества:

1. Простая конструкция, которая обусловлена трехфазной схемой подключения и простым принципом действия.
2. Более низкая стоимость, по сравнению с синхронным аналогом.
3. Возможность прямого пуска.
4. Низкое потребление энергии, что делает двигатель более экономичным.
5. Высокая степень надежности, благодаря упрощенной конструкции.
6. Универсальность и возможность применения в сферах, где нет необходимости в поддержке частоты вращения, или имеет место схема управления с обратной связью.
7. Возможность применения при подключении к одной фазе.
8. Успешный самозапуск группы АД в случае потери и последующей подачи на них напряжения.
9. Минимальные расходы на эксплуатацию. Все, что требуется — периодически чистить механизма от пыли и протягивать контактные соединения. При соблюдении требований производителей менять подшипники можно с периодичностью раз в 15-20 лет.

Недостатки:

1. Наличие эффекта скольжения, обеспечивающего отставание вращения ротора от частоты вращения поля внутри механизма.
2. Потери на тепло. Асинхронные моторы имеют свойство перегреваться, особенно при большой нагрузке. По этой причине корпус изделия делают ребристым для увеличения площади охлаждения (у СД такое применяется не на всех моделях). Дополнительно может устанавливаться вентилятор для обдува поверхности.
3. Напряжение только на 220 В и выше. Из-за конструктивных особенностей такие электродвигатели не производятся для рабочего напряжения меньше 220 В. В качестве замены часто применяются гидро- или пневмоприводы.
4. Небольшой КПД в момент пуска и высокая реактивность. По этой причине мотор может перегреваться уже при пуске. Это ограничивает количество пусков в определенный временной промежуток.
5. Синхронная частота вращения не может быть больше 3000 об/мин, ведь в ином случае требуется использование турбированного привода или повышающего редуктора.
6. Трудности регулирования устройств, которые приводятся в движение «синхронниками».
7. Повышенный пусковой ток — одна из главных проблем асинхронных моторов, имеющих мощность свыше 10 кВт. В момент пуска токовая нагрузка может превышать номинальную в шесть-восемь раз и длиться до 5-10 секунд. По этой причине для «асинхронников» не рекомендуется прямое подключение.
8. При появлении КЗ возле шин с работающим двигателем появляется подпитка тока.
9. Чувствительность к изменениям напряжения. При отклонении этого параметра более, чем на 5% показатели электродвигателя отклоняются от номинальных. В случае снижения напряжения уменьшается момент АД.

Сравнение синхронного и асинхронного двигателей

В завершение можно подвести итог, в чем главные отличия асинхронных (АД) и синхронных (СД) моторов.

Выделим базовые моменты:

1. Ротору асинхронных моторов не требуется питание по току, а индукция на полюсах зависит от статорного магнитного поля.
2. Обороты АД под нагрузкой отстают на 1-8% от скорости вращения поля статора. В СД количество оборотов одинаково.
3. В «синхроннике» предусмотрена обмотка возбуждения.
4. Конструктивно ротор СД представляет собой магнит: постоянный, электрический. У АД магнитное поле в роторном механизме наводится с помощью индукции.
5. У синхронной машины нет пускового момента, поэтому для достижения синхронизации нужен асинхронный пуск.
6. «Синхронники» применяются в случаях, когда необходимо обеспечить непрерывность производственного процесса и нет необходимости частого перезапуска. АД нужны там, где требуется большой пусковой момент и имеют место частые остановки.
7. СД нуждается в дополнительном источнике тока.
8. «Асинхронники» медленнее изнашиваются, ведь в их конструкции нет контактных колец со щетками.
9. Для АД, как правило, характерно не круглое количество оборотов, а для СД — округленное.

Про реактивную мощность

Синхронные электродвигатели генерируют и одновременно потребляют реактивную мощность. Особенности и параметры «реактива» зависит от тока в возбуждающей обмотке. При полной нагрузке косинус Фи равен 1. В таком режим СД не потребляет «реактив» из сети, а ток в статорной обмотке минимален.

Здесь важно понимать, что реактивная мощность ухудшает параметры энергосистемы. Большой параметр неактивных токов приводит к повышению расхода топлива, увеличению потерь и снижению напряжения.

Кроме того, «реактив» грузит линии передач электроэнергии, что ведет к необходимости увеличения сечения кабелей и проводов, а, соответственно, повышению капитальных расходов.

Сегодня одна из главных задач энергетиков — компенсация реактивной мощности. К основным ее потребителям относят АД, потребляющие 40% «реактива», электрические печи, преобразователи, ЛЭП и силовые трансформаторы.

Какой лучше

При сравнении асинхронного и синхронного электродвигателей трудно ответить, какой лучше. По конструкции и надежности выигрывает АД, который при умеренной нагрузке имеет более продолжительный срок службы. У СД щетки быстро изнашиваются, что требует их замены.

В остальном это два схожих по конструкции, но отличающихся по принципу действия механизма, имеющих индивидуальные сферы применения.

Синхронные двигатели с постоянными магнитами

В статье мы рассмотрим, что представляют собой синхронные двигатели с использованием постоянных магнитов. Изучим их особенности и принцип работы в различных условиях. Также разберем, как и с помощью чего может выполняться запуск синхронного двигателя.

Современное производство комплектуется большим количеством разнообразных электродвигателей.

Наиболее распространенной разновидностью принято считать асинхронные модели, постепенно вытесняющие остальные подвиды.

Однако есть тип моторов, которые все еще активно применяются и не собираются уступать асинхронникам. Это синхронные двигатели с возбуждением от постоянных магнитов. О них и пойдет речь в данной статье.

Устройство агрегата

В основе данной разновидности двигателя лежит стандартное сочетание – подвижный ротор и неподвижный статор. В классическом исполнении роторная часть располагается внутри статорной, однако есть модели и с обратным расположением. Они называются электродвигателями обращенного типа.

Роторная часть

В обсуждаемом типе моторов вращающийся элемент собирается на основе постоянных магнитов. Для магнитной части применяют материалы с высокой коэрцитивной силой. Конструктивно ротор в синхронном двигателе может быть 2 типов:

1. Явнополюсный, с различными показателями поперечной и продольной индуктивности. Обмотки в таком исполнении располагаются на полюсах сердечника. Каждый из них становится отдельным элементом, со своим сердечником, катушкой, наконечником. Фиксацию производят на ободе, монтируемом на вал.
2. С неявно выраженными полюсами, где показатель индуктивности по обеим осям имеет одну величину. Неявнополюсная модель изготавливается в цилиндрической форме с продольными пазами. В них производится укладка обмотки возбуждения. Цилиндр может быть един с валом в кованом факторе или же напрессованной на вал деталью. Во избежание повреждения провода в процессе работы, концы ротора прикрывают немагнитной сталью. Применяется на высоких оборотах под действием значительной центробежной силы. Может иметь 2 или 4 полюса.

Магниты в конструкции могут быть установлены двумя способами – поверхностным и встраиванием.

Статор

Данный элемент является неподвижным и состоит из корпусной части и сердечника с обмоткой. Чаще всего встречаются обмотки двухфазного и трехфазного типа. Сердечник собирается из отдельных листов металла (электротехнической стали), изолированных между собой. Пазы сердечника предназначены для прокладки обмоточного провода. Общая конструкция статора синхронного мотора схожа с асинхронными моделями.

Конструктивно статорная часть может иметь несколько исполнений. Она может производиться цельной или сегментарной, сборной.

В случае с большими корпусами, их делают разъемными, разделяющимися вдоль оси ротора на 2 половины.

Это значительно упрощает любые операции с агрегатом – транспортировку, ремонтные работы, установку и обслуживание. При малых габаритах корпус выполняется цельным, а в него запрессовывается статор.

Принцип работы

Движение роторной части основано на взаимодействии магнитного потока, который генерируют обмотки статорного элемента, с постоянным потоком. Для формирования магнитного поля ротора может использоваться обмотка с подачей постоянного напряжения, или же магниты. В таком случае оборот статорного поля происходит за период, а ротор движется вслед за ним в силу постоянного магнитного потока. Движение производится синхронно, управляемое сменой амплитуды ЭДС в обмотках.

Статорные обмотки могут быть разной сложности исполнения, однако функция у них неизменна – они создают направленное в нужную сторону электромагнитное поле.

При взаимодействии с постоянным полем роторных магнитов, оно создает крутящий момент, вследствие чего роторная часть начинает вращаться.

Происходит сцепление полюсов с полем статора, из-за чего при подключении напрямую в сеть переменного трехфазного тока вращение не начинается, необходимы дополнительные управляющие узлы.

Управление СДПМ

В качестве управляющей системы синхронного двигателя с ротором, оснащенным постоянными магнитами, может использоваться частотный преобразователь или сервопривод пуска. Способы контроля запуска при этом могут быть разнообразны, выбор зависит от поставленных задач. Управление бывает синусоидальным и трапецеидальным. Эти 2 вида имеют свои подвиды, с собственными преимуществами и недостатками:

1. Скалярное. Одна из наиболее простых схем. При этом она чувствительна к смене нагрузки, что приводит к потере управляемости.
2. Векторное полеориентированное. Может быть реализовано с датчиком положения и без него. Достоинства его в обеспечении плавности и точности установки положения ротора. Делает работу двигателя более стабильной, позволяет производить регулировку. Минусом таких конструкций является необходимость в мощном микроконтроллере управления.
3. Векторное прямое. Достаточно простая схема, имеющая хорошие динамические показатели. Позволяет производить регулировку в широком диапазоне. Недостаток в высоких пульсациях тока и момента.
4. Без обратной связи. Как и все трапецеидальные способы управления, обладает простой схемой. Этот момент создает и негативные моменты – управляемость может быть потеряна при смене сопротивления (нагрузки на вал).
5. С обратной связью на датчиках Холла. Удобная и несложная система. Минус в необходимости приобретения и установки датчиков. Также возможна пульсация момента.
6. Обратная связь без датчиков. Схема работает и применяется во многих двигателях, однако требует мощной управляющей системы. Также неэффективна на низких оборотах и может создавать пульсации момента.

Простейшие конструкции мотора (кулер компьютера) комплектуются датчиками Холла, не имеющими высоких требований. Если же необходимо формирование системы для достижения максимальных характеристик, чаще всего используют полеориентированные схемы.

Полеориентированное управление

Способ позволяет осуществлять плавное, точное и независимое регулирование скорости и момента бесщеточного мотора. Чтобы система исправно работала, нужно определить точное положение ротора. Выполняется это одним из 2 доступных способов – по датчикам положения или без них.

В конструкции синхронного двигателя могут использоваться такие типы датчиков:

• индуктивные, включая синусно-косинусные вращающиеся трансформаторы, редуктосин, индуктосин и подобные;
• оптические;
• магнитные.

Основным элементом последнего типа являются магниторезистивные датчики, способные точно определить положение ротора в магнитном поле.

Если остановиться на бездатчиковом способе, он основан на векторном управлении. Данная технология начала разрабатываться еще в 1970-х годах. Первые методы основывались на свойстве электромотора генерировать обратную ЭДС при движении.

Именно она и содержит в себе необходимую информацию, по которой можно произвести расчет положения роторной части двигателя. Используется стационарная система координат. Однако данная методика имеет большой минус – ее нельзя применять при неподвижном роторе и на низких оборотах.

Причина в отсутствии или минимальных показателях обратной ЭДС, теряющихся в общем шуме.

Системы управления могут использовать 2 способа запуска двигателя:

1. Скалярный. Пуск выполняется по заранее определенной характеристике зависимости напряжения от частоты. Метод действенный, однако, вводит свои ограничения на возможности управляющей системы и общие параметры электропривода.
2. Высокочастотный сигнал. Используется метод наложения. Эффективен только с агрегатами, имеющими явновыраженные полюса.

Полнодиапазонное управление скоростью синхронного мотора без датчиков определения положения в современном производстве применяется только с явновыраженными полюсами ротора.

Отличие от асинхронного двигателя

Главным различием между асинхронными и синхронными двигателями заключается в способе преобразования электрической энергии в механическую:

• синхронные модели вращаются аналогично электромагнитному полю сети;
• асинхронные агрегаты работают за счет наведенной статорным полем в роторе ЭДС, производящей взаимоиндукцию и приводящей к вращению.

Особенность работы несинхронных полей выражается в особом параметре – скольжении, которое характеризует разницу в частоте статорного и роторного полей.

Асинхронники при своей популярности обладают рядом недостатков:

• чувствительность к перегрузкам;
• высокие пусковые токи;
• нестабильность крутящего момента при изменении нагрузки.

Все эти факторы отсутствуют у линейных синхронных двигателей, будь то с обмоткой возбуждения или постоянными магнитами.

Область применения СДПМ

Сфера использования синхронного двигателя с постоянными магнитами достаточно обширна, и зависит во многом от мощности агрегата. Мощные конструкции в режиме генератора применяются на бортах самолетов в качестве системы питания. При этом они могут выдавать до нескольких десятков киловатт. При меньшей мощности двигателя его широко применяют в конструкции автомобилей, тракторов, самолетов. Причина такой популярности в высокой надежности и стабильности. Также используются СДПМ и в мелкой бытовой технике.

Способы запуска маломощных моделей

Конструкции малой мощности на основании постоянных магнитов могут запускаться в работу двумя способами – самозапуск и асинхронный пуск. Каждый метод имеет свои особенности.

Самозапускающиеся СДПМ

Данный метод используется с системами, имеющими малую номинальную мощность, не превышающую несколько ватт. Чтобы упростить запуск, мотор выполняется в многополюсном факторе (количество полюсов превышает 8). Питание подается от однофазной сети с промышленной частотой.

Пуск осуществляется за счет синхронного момента при взаимодействии пульсирующего поля с постоянными магнитами ротора. Для контроля и направленности запуска используют специальные механические направляющие механизмы, позволяющие производить вращение только в одну сторону. Во время синхронизации ротор отсоединяется от вала.

Асинхронный запуск

Модели данного типа изготавливают с радиальным расположением постоянного магнита и пусковой обмотки короткозамкнутого вида. Также возможно аксиальное расположение данных элементов. Конструкция статора моделей аналогична системам с электромагнитным возбуждением.

При радиальном расположении короткозамкнутая обмотка располагается в пазах полюсных наконечников магнита. Чтобы получить допустимые потоки рассеивания, наконечники соседних полюсов разделены немагнитными промежутками. Для повышения прочности эти элементы могут объединяться в единый сердечник.

Аксиальное расположение подразумевает, что активная длина частично занята постоянным магнитом. Другая часть отведена под шихтованный магнитопровод с обмоткой короткозамкнутого типа. При этом обе части располагаются на одном валу.

В процессе запуска на ротор одновременно воздействует положительный асинхронный момент (взаимодействие вращающегося поля с индуктированными токами обмотки), а также отрицательная величина, обусловленная взаимодействием постоянных магнитов с полями в статорной обмотке.

Достоинства и недостатки синхронных двигателей

Пуск синхронного двигателя

Синхронный двигатель не имеет начального пускового момента.

Если его подключить к сети переменного тока, когда ротор неподвижен, а по обмотке возбуждения проходит постоянный ток, то за один период изменения тока электромагнитный момент будет дважды изменять свое направление, т.е. средний момент за период равняется нулю.

При этих условиях двигатель не сможет прийти во вращение, так как его ротор, обладающий определенной инерцией, не может быть в течение одного полупериода разогнан до синхронной частоты вращения.

Следовательно, для пуска синхронного двигателя необходимо разогнать его ротор с помощью внешнего момента до частоты вращения, близкой к синхронный.

В настоящее время чаще всего применяют следующие способы пуска:

1. Асинхронный пуск.

При этом способе синхронный двигатель пускают как асинхронный, для чего его снабжают специальной короткозамкнутой пусковой обмоткой, выполненной по типу «беличья клетка».

Чтобы увеличить сопротивление стержней, клетку изготавливают из латуни.

После разгона ротора до частоты вращения, близкой к синхронной, на обмотку возбуждения подается напряжение и постоянный ток, проходящий по ней, создает синхронизирующий момент, который втягивает ротор в синхронизм.

2. Пуск при помощи вспомогательного двигателя.

Ротор возбужденного двигателя приводится во вращение до синхронной скорости и с помощью синхронизирующего устройства подключается к сети. После этого вспомогательный двигатель отключают.

В качестве пускового двигателя обычно используют асинхронный двигатель с числом полюсов на два меньше, чем у синхронного.

Недостатком данного способа является невозможность пуска двигателя под нагрузкой, так как нерационально иметь пусковой двигатель большой мощности.

3. Частотный пуск.

При частотном пуске синхронного двигателя частота питающего напряжения плавно изменяется от нуля до номинальной. При этом ротор вращается синхронно с магнитным полем статора.

Недостатками частотного пуска являются высокая стоимость преобразователя частоты, а также необходимость реализации сложных законов регулирования исходного напряжения и частоты в процессе разгона двигателя. Частотный пуск синхронных двигателей применяется в приводах специальных установок.

Синхронные двигатели имеют следующие достоинства:

1. Возможность работы при cos φ=1; это приводит к улучшению cos φ сети, а также к сокращению размеров двигателя, так как его ток меньше тока асинхронного двигателя той же мощности. При работе с опережающим током синхронные двигатели служат генераторами реактивной мощности, поступающей в асинхронные двигатели, что снижает потребление этой мощности от генераторов электростанций.

2. Меньшую чувствительность к колебаниям напряжения, так как их максимальный момент пропорционален напряжению в первой степени, а не квадрату напряжения.

3. Строгое постоянство частоты вращения независимо от механической нагрузки на валу.

Недостатки синхронных двигателей:

1. Сложность конструкции.

2. Сравнительная сложность пуска в ход.

3. Трудности с регулированием частоты вращения, которое возможно только путем изменения частоты питающего напряжения.

Указанные недостатки синхронных двигателей делают их менее выгодными, чем асинхронные двигатели, при ограниченных мощностях до 100кВт.

Однако при более высоких мощностях, когда особенно важно иметь высокий cos φ и уменьшенные габаритные размеры машины, синхронные двигатели предпочтительнее асинхронных.

Достоинства и недостатки синхронных двигателей

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.

  Характеристика электрических сетей

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).

Синхронный двигатель — достоинства и недостатки

Наибольшее распространение такая машина как синхронный двигатель получила в промышленности, где есть электроприводы, работающие на постоянных скоростях. Например, компрессоры с мощными двигателями, приводы насосов. Также синхронный двигатель является неотъемлемой частью и многих бытовых приборов, например, он есть в часах.

Принцип действия этой машины достаточно прост.

Взаимодействие вращающегося магнитного поля якоря, создаваемого переменным током, и магнитных полей на полюсах индуктора, создаваемых постоянным током, и лежит в основе принципа работы такого электрического устройства как синхронный двигатель.

Обычно индуктор расположен на роторе, а якорь – на статоре. Мощные двигатели в качестве полюсов используют электромагниты. Но есть и маломощный тип — синхронный двигатель с постоянными магнитами. Главное отличие синхронных машин от асинхронных — конструкция статора и ротора.

Для разгона двигателя до уровня номинальной скорости часто используют асинхронный режим. В этом режиме обмотка индуктора накоротко замкнута. После того как двигатель выходит на номинальную скорость, выпрямитель питает постоянным током индуктор. Только в номинальной скорости синхронный двигатель может самостоятельно работать.

https://www.youtube.com/watch?v=LLwcpfUjl44\u0026t=15s

Такой двигатель имеет массу достоинств. Он на порядок сложнее асинхронной машины, однако это компенсируется рядом преимуществ. Один из главных плюсов — его возможность работать без потребления или отдачи реактивной энергии. При этом коэффициент мощности двигателя будет равен единице.

При таких условиях синхронный двигатель переменного тока будет нагружать сеть исключительно активной составляющей. Побочным эффектом будет уменьшение габаритов двигателя (у асинхронного двигателя обмотка статора рассчитывается и на активный, и на реактивный токи).

Однако синхронный двигатель может вырабатывать и реактивную энергию, работая в режиме перевозбуждения.

Синхронный электродвигатель гораздо менее чувствителен к скачкам и перепадам напряжения в сети. Также такие электрические машины имеют более высокую устойчивость к перегрузкам.

За счет повышения токов возбуждения можно увеличить перегрузочную способность двигателя.

Плюсом работы с синхронной машиной является также и постоянная номинальная скорость вращения при любой нагрузке (кроме перегрузок).

  Обязанности слесаря КИПиА

Несомненно, у такой машины как синхронный двигатель есть и свои слабые места. Они связаны с повышенными затратами и сложной эксплуатацией. Основной проблемой является процесс возбуждения электродвигателя и введения его в синхронизм.

В настоящее время нашли распространение тиристорные возбудители, которые имеют гораздо более высокий коэффициент полезного действия, чем электромашинные возбудители. Однако их стоимость существенно выше.

С помощью тиристорного коммутатора можно решить многие вопросы: оптимальное регулирование токов возбуждения, поддержка постоянного значения косинуса фи, контроль над напряжением на шинах, регулирование токов статора и ротора в аварийных режимах и при перегрузках.

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.

Виды и характеристики двигателей синхронного типа

По числу обмоток, используемых для создания вращающегося поля статора, все известные модели синхронных двигателей делятся на:

• однофазные;
• трехфазные устройства.

Последние предназначаются для работы в условиях повышенных напряжений и нагрузок, что характерно для условий промышленного производства. Их полезная мощность порой достигает сотен кВт.

В отличие от них однофазные электродвигатели могут подключаться к бытовым электрическим сетям переменного тока частотой 50 Гц и напряжением 220 Вольт. Как правило, эти устройства имеют мощность в пределах от 5 Вт до 10 кВт.

По рабочей эффективности они существенно уступают своим трехфазным аналогам. Однофазная схема включения заметно снижает КПД двигателя и величину его пускового момента. Вместе с тем агрегаты этого типа способны выдерживать большие перегрузки на валу.

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

  Амперметры

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.

Схема запуска двигателя и его регулировка

У синхронных двигателей отсутствует начальный пусковой момент. При подключении якорной обмотки к источнику переменного тока, электромагнитный момент дважды изменить свое направление за один период изменения тока. Это происходит, когда ротор находится в неподвижном состоянии, а в обмотке возбуждения протекает постоянный ток.

Таким образом, величина среднего момента в течение одного периода будет иметь нулевое значение. Чтобы увидеть, как работает синхронный двигатель при пуске, нужно выполнить разгон его ротора под действием внешнего момента до вращения с частотой, приближенной к синхронной.

Сам запуск агрегата может производиться разными способами:

• В первом случае используется схема асинхронного включения, основой которой служит глухо подключенный возбудитель. Данный способ применяется при статическом моменте нагрузки ниже 0,4, когда отсутствует падение напряжения. Сопротивление разряда замыкается в обмотке возбуждения, за счет чего исключаются перебои с возбуждением обмотки во время впуска, поскольку незначительная скорость вращения ротора приводит к перенапряжению. Когда скорость становится близкой к синхронной, контактор реагирует на это изменение, в результате происходит переключение обмотки возбуждения из разрядного сопротивления непосредственно на якорь возбудителя.
• Во втором варианте пуска используется тиристорный возбудитель. Этот способ считается более надежным из-за высокого КПД. Управление возбуждением значительно облегчается. Подача возбуждение осуществляется автоматически с помощью электромагнитного реле.

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.