Что положено в основу работы синхронного двигателя

Обновлено: 13.06.2024

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:

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

Конструктивно роторы бывают разными устройством и по конструкции.

В частности, магниты бывают:

Статор условно состоит из двух компонентов:

Обмотка статорного механизма бывает двух видов:

Распределенная. Ее отличие состоит в количестве пазов на полюс и фазу. Оно составляет от двух и более.
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:

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

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

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.

Сфера применения

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.

Преимущества и недостатки

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

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

Пример 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.

Во втором типе ротора (фазном) на роторе предусмотрены обмотки, ток и сопротивление которых могут регулироваться реостатным узлом.

Простыми словами, принцип действия можно разложить на несколько составляющих:

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

Сфера применения

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.

Простая конструкция, которая обусловлена трехфазной схемой подключения и простым принципом действия.
Более низкая стоимость, по сравнению с синхронным аналогом.
Возможность прямого пуска.
Низкое потребление энергии, что делает двигатель более экономичным.
Высокая степень надежности, благодаря упрощенной конструкции.
Универсальность и возможность применения в сферах, где нет необходимости в поддержке частоты вращения, или имеет место схема управления с обратной связью.
Возможность применения при подключении к одной фазе.
Успешный самозапуск группы АД в случае потери и последующей подачи на них напряжения.
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.

Сравнение синхронного и асинхронного двигателей

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

Выделим базовые моменты:

Про реактивную мощность

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

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.

Синхронный электродвигатель с обмоткой возбуждения - это синхронный электродвигатель, ротор которого выполнен с обмоткой возбуждения.

Конструкция синхронного электродвигателя с обмоткой возбуждения

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

Принцип работы

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

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

Статор: вращающееся магнитное поле

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

Ротор: постоянное магнитное поле

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

Синхронная скорость

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

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

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

Прямой запуск синхронного двигателя от электрической сети

Почему синхронные электродвигатели не запускаются от электрической сети?

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

Демпферная обмотка - прямой запуск синхронного двигателя от электрической сети

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

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

Выход из синхронизма

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

Синхронный компенсатор

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

Unfortunately, you are using an outdated browser. Please update your browser to improve performance, quality of the displayed material, and improve security.

Электрический двигатель (коротко – электродвигатель) преобразует энергию тока в механическое движение. Принцип работы устройства основан на магнетизме, что определяет присутствие в конструкции магнитов (постоянных, электромагнитов, материалов с магнитными свойствами).

Виды электродвигателей

Таблица классификации различает электродвигатели по разным признакам, основные из них – тип питания и принцип работы. Первый делит устройства на электродвигатели постоянного тока (работают на аккумуляторах, батарейках, других источниках) и переменного тока (запитаны напрямую от электрической сети).

По принципу работы электрические двигатели делят на синхронные и асинхронные.

Синхронные электродвигатели сложнее в плане конструкции. У них есть обмотка ротора, а питание подается через щеточный механизм. Свое название получили благодаря синхронности вращения с магнитным полем, которое его запускает.
Асинхронные просты в сборке, а потому пользуются самой большой популярностью (нет обмотки, щеток и т. д.). Их роторы двигаются медленнее магнитного поля, что определяет асинхронность вращения электродвигателя и его название.

В быту и промышленности встречаются электрические двигатели различных видов, типов, классов, мощностей. Самыми востребованными остаются простые в конструкции устройства, которые решают задачу преобразования электроэнергии в механическое вращение вала. Но даже в этой группе есть масса нюансов, которые нужно знать, чтобы правильно эксплуатировать оборудование. Начинается такая практика (грамотного использования электродвигателей для любых целей) с понимания того, как оно функционирует (принципов работы).

Принцип работы синхронного электродвигателя на видео

Принцип работы асинхронного электродвигателя на видео

Конструкция электродвигателя

коллектору;
щеточному механизму (2 щетки + 2 пластины/ламели);
ротору электрического двигателя (якорь, в синхронном двигателе имеет 1 обмотку);
статору, на котором устанавливаются магниты (в электродвигателях постоянного тока – постоянные).

Ротор

Ротор – подвижный элемент электрического двигателя, запускаемый магнитным полем, совершает вращательные движения вместе с валом. Имеет минимум 3 зуба, один из которых стабильно попадает в область подключения.

Коллектор электродвигателя

Ротор переключается автоматически. За эту функцию отвечает коллектор – конструкция из двух ламелей, закрепленных на роторном валу и двух щеток, выполняющих функцию токосъемных контактов (обеспечивают подачу постоянного тока на ламели). Принцип работы такой:

ротор вращается, меняя направление тока;
когда якорь совершает поворот на 180 градусов, ламели меняются местами;
при смене позиций пластин меняется и направление тока, и (соответственно) полюсы магнита;
одноименные полюсы, подчиняясь законам физики, взаимно отталкиваются – катушка вращается, ее полюсы притягиваются к противоположным полюсам на другой стороне магнита.

Статор электрического двигателя

Статор – стационарный или неподвижный блок электродвигателя. Другое название – индуктор . Он включает несколько обмоток со сменяемой полярностью (при прохождении переменного тока), что и обеспечивает образование магнитного поля. В большинстве случаев статор имеет 2 пары основных полюсов, но может включать и вспомогательные для лучшего переключения ротора на коллекторе.

Принцип работы электрического двигателя

Принцип работы электродвигателя построен на процессах взаимного притяжения и отталкивания одно- и разноименных полюсов магнитов на роторе (находится в движении) и статоре (его магнит неподвижен). В самой простой сборке электродвигателя постоянного тока в роли ротора выступает катушечный узел, а индуктором – сам магнит.

Магнитное поле электродвигателя

Принцип работы статорного электродвигателя (также называется индукционным) тоже основан на формировании магнитного поля статора. Оно образуется во время прохождения токов через его обмотки. Это поле (вращающееся магнитное) формирует магнитное поле ротора через индукцию токов в обмотках его проводников.

Оно же (статорное поле) создает собственный магнитный поток, при этом наблюдается пропорциональная связь:

магнитное поле статора пропорционально электронапряжению в сети;
магнитный поток, создаваемый вращающимся полем, пропорционален току.

Характеристики поля статора зависят от токов, проходящих через обмотки, и числа обмоток фаз. Магнитное поле ротора, в свою очередь, тоже формирует поток, движущийся медленнее потока статора. Оба потока (статора и якоря) взаимно притягиваются, принуждая ротор совершать вращательные движения.

Так возникает крутящий момент – тот самый ключевой процесс, ради которого собирается вся конструкция электродвигателя . Учитывая роль статора и ротора в работе электродвигателя переменного тока, несложно заключить, что именно эти 2 элемента имеют самое большое значение в его сборке.

Электрический двигатель постоянного тока (принцип работы синхронного электродвигателя)

Под синхронными электрическими двигателями понимают устройства постоянного тока. Принцип работы такого устройства можно кратко описать 4 пунктами:

к обмотке статора (ее еще называют индукторной или обмоткой возбуждения) подается постоянный ток;
проходя через обмотку, ток образует постоянное магнитное поле возбуждения (используется постоянный магнит);
к роторной обмотке тоже подается постоянный ток, на который воздействует поле статора, обеспечивая возникновение крутящего момента;
под действием вращательной силы, ротор поворачивается на 90 градусов.

Это один цикл. После поворота обмотка якоря снова подпадает под влияние статорного магнитного поля, и ротор снова совершает поворот.

Токосъемные щетки, которые представляют собой графитовые стержни с высокой проводимостью и низким коэффициентом трения при скольжении, необходимы для присоединения коллектора к сети. В качестве магнитов могут применяться физически существующие материалы с высокими магнитными свойствами. Но часто из-за их массы в электродвигателях постоянного тока увеличенной мощности магниты заменяют несколькими металлическими штифтами/стержнями. При этом:

У синхронных электрических двигателей высокой мощности, обслуживаемых постоянным током, есть ряд конструктивных нюансов, ряд из которых проявляется в динамике (во время функционирования устройства). Среди них – смещение щеток роторного коллектора по отношению к валу на определенный угол против его вращения при изменении нагрузки на двигатель. Это необходимо, чтобы компенсировать эффект, называемый реакцией ротора/якоря и предупреждению торможения вала электродвигателя, которое снижает эффективность работы подключенного к нему оборудования.

Способы подключения синхронного электродвигателя

Преимущество синхронных электродвигателей, обеспечиваемое принципом их работы, – поступательное (плавное) регулирование скорости вращения, это обеспечило их высокую эффективность при работе с тягой – на грузоподъемниках и электромашинах. В современной практике применяют 3 схемы подключения электрических двигателей постоянного тока: с параллельным, последовательным и комбинированным возбуждением.

В первом случае вместе (параллельно) с обмоткой ротора запускается дополнительная регулируемая (обычно) обмотка-реостат. Такой вариант эффективен, когда для нормальной работы машины требуется плавная регулировка скоростей вращательного движения и максимальной стабильности количества оборотов в минуту. Примеры – электродвигатели кранов, промышленных станков и линий.

При последовательном подключении вспомогательная роторная обмотка в цепь процессов возбуждения ротора включается последовательно. Это обеспечивает возможность резкого увеличения усилия электрического двигателя в определенные моменты (на старте движения состава, например).

Устройство синхронного электродвигателя на видео

Принцип работы УКД (коллекторных электродвигателей универсального применения)

УКД (двигатели универсального использования) применяются в маломощных устройствах и электроинструментах (бытовых, профессиональных) – везде, где требуется высокий момент вращения на хорошей скорости, плавная регулировка числа оборотов и небольшие пусковые токи. По конструкции УКД повторяют синхронные с последовательной схемой электродвигателя .

Принцип работы УКД:

при подаче напряжения на статоре возникает магнитное поле;
исполнение магнитного провода в УКД несколько отличается – здесь они сделаны не цельнолитыми, а сборными во избежание перемагничивания и нагрева токами Фуко;
вспомогательная обмотка ротора (индуктивность) подключается к питанию последовательно, что позволяет настраивать одинаковую направленность магнитных полей статора и ротора в одной фазе;
магнитные поля индуктора и якоря практически полностью синхронны – электродвигатель набирает скорость вращения при высоких нагрузках, что важно для работы многих инструментов (перфораторов, шуруповертов, пылесосов, точильных аппаратов и т. д.).

При включении в цепь электродвигателя регулируемого трансформатора добавляется еще и возможность плавной регулировки его скорости вращения. А вот изменять вектор магнитного поля, если это коллекторный двигатель переменного тока, невозможно ни при каких обстоятельствах.

Коллекторный электродвигатель общего назначение имеет много плюсов. Он выдает высокий крутящий/вращающий момент, способен развивать высокую вращательную скорость, при этом весит и места занимает немного. Есть и минусы: графитовые щетки имеют низкую износостойкость (быстро стираются на больших скоростях вращения), снижая ресурс всей сборки.

Асинхронные электрические двигатели

Электродвигатель переменного тока (он же асинхронный) тоже использует магнитное поле для создания крутящего момента. Его изобретатель – российский физик-электротехник, Михаил Осипович Доливо-Добровольский. Первый образец асинхронного электрического двигателя появился в 1890-м (с него начались теория и практика применения 3-фазного переменного тока).

Конструкция и устройство электродвигателей переменного тока:

на каждый статор наматывается 3 обмотки;
к каждой обмотке подключается 1 из 3 фаз;
для охлаждения обмоток, которые сильно нагреваются, пропуская через себя переменные токи, на торцовый вал электрического двигателя устанавливается кулер (вентилятор).

напряжение, подаваемое с 3 фаз на обмотки статора, образует магнитное поле (частота его вращения равна частоте вращения в сети – 50 Гц);
ротор располагается внутри индуктора, и в нем тоже возникает свое поле;
поле ротора отталкивается от поля статора, образуя вращательный момент.

За счет того, что в электрических двигателях переменного тока используется короткозамкнутая система, при взаимодействии магнитного поля статора и обмотки ротора, в последнем образуется очень большой ток. Он и формирует собственное поле якоря. Контактируя по законам взаимного притяжения/отталкивания полюсов с магнитным потоком индуктора, поле ротора приводит в движение вал электродвигателя в направлении, аналогичном направлению этого поля.

Устройство электродвигателя переменного тока на видео

Почему асинхронный?

В результате при старте работы такого электродвигателя происходит соединение с питанием и поступательное снижение активного сопротивления в цепи ротора до нуля. Нет миганий, перегрузок электросети – двигатель переменного тока запускается плавно.

Преимущества электродвигателей переменного тока

Электродвигатели асинхронного типа сделали возможной эксплуатацию 3-фазной сети, которая, по сути, сформирована тремя отдельными цепями с синусоидальными движущими силами (ЭДС) в каждой из них. ЭДС в фазах имеют одинаковую частоту, создаются одним источником (обычно это 3-фазный генератор), но сдвинуты по отношению друг к другу на 120 градусов.

3-фазная сеть – это уравновешенная система с константной мгновенной суммарной мощностью, а электродвигатель переменного тока, который от нее питается, имеет неоспоримые преимущества. Среди них:

Однофазные электродвигатели

Наряду с 3-фазным, в практике широко применяются и 1-фазные асинхронные электродвигатели. Они представляют собой электрооборудование, питаемое от бытовой сети с напряжением 220 В (частота – 50 Гц). Как и 3-фазный аналог, он работает на преобразование получаемой электроэнергии в механическое действие – вращение.

Устройство и принцип работы 1-фазного двигателя проще:

на статоре формируются минимум 2 обмотки – пусковая и рабочая;
оси обмоток должны быть сдвинуты по отношению друг к другу на 90%;
в конструкции добавляется еще один элемент – фазосдвигающий (это может быть катушка, конденсатор или резистор);
питание осуществляется через подачу переменного тока на обмотку.

1-фазные электродвигатели переменного тока устанавливаются на приборах бытового применения (от центрифуг стиральных машин до холодильников) и маломощных станках для обрабатывающих предприятий.

Сравнение одно- и трехфазных электрических двигателей

По сравнению с 3-фазными 1-фазные асинхронные двигатели несколько проигрывают по ряду характеристик:

мощность первых как минимум на 30% ниже при аналогичных размерах;
однофазные устройства не способны работать на холостом ходу дольше 5–10 минут;
перегрузочная способность у трехфазных значительно выше.

Главный плюс коллекторного электродвигателя общего назначения (который может питаться от постоянного тока и переменного) – экономичность. Максимальный крутящий момент и потребление тока такими устройствами ограничены благодаря индуктивному сопротивлению на малых оборотах.

Двигатели с увеличенным скольжением

В отдельную группу электродвигателей стоит выделить трехфазные устройства с повышенным сопротивлением роторной обмотки, которая обеспечивает критическое скольжение. Оно составляет в механизмах с увеличенным скольжением 40%. Сами они применяются в машинах с высокой инерционностью, работающих в режиме частых кратковременных запусков.

Каталог электродвигателей по цене производителя

Миниатюрный синхронный двигатель, используемый в аналоговых часах. Ротор выполнен из постоянного магнита.

Синхронный электродвигатель является двигателем переменного тока , в котором, в стационарном состоянии , [1] вращение вала синхронизировано с частотой питающего тока ; период вращения в точности равен целому числу циклов переменного тока . Синхронные двигатели содержат многофазные электромагниты переменного тока на статоре двигателя, которые создают магнитное поле, которое вращается во времени с колебаниями сетевого тока. роторс постоянными магнитами или электромагнитами поворачивается синхронно с полем статора с той же скоростью и, в результате, обеспечивает второе синхронизированное вращающееся магнитное поле любого двигателя переменного тока. Синхронный двигатель называется с двойным питанием, если он снабжен многофазными электромагнитами переменного тока с независимым возбуждением как на роторе, так и на статоре.

Синхронный двигатель и асинхронный двигатель - наиболее широко используемые типы двигателей переменного тока. Разница между этими двумя типами заключается в том, что синхронный двигатель вращается со скоростью, привязанной к частоте сети, поскольку он не полагается на индукцию тока для создания магнитного поля ротора. В отличие от этого, асинхронный двигатель требует скольжения : ротор должен вращаться немного медленнее, чем переменный ток, чтобы вызвать ток в обмотке ротора. Малые синхронные двигатели используются в устройствах синхронизации, таких как синхронные часы , таймеры в приборах, магнитофонах и точных сервомеханизмах, в которых двигатель должен работать с точной скоростью; точность скорости такая же, как уЧастота линии электропередачи , которая тщательно контролируется в крупных взаимосвязанных сетевых системах.

Синхронные двигатели доступны в самовозбуждающихся суб-дробно размеров лошадиной силы [2] на высокой мощности промышленных размеров. [1] В диапазоне дробных лошадиных сил большинство синхронных двигателей используются там, где требуется точная постоянная скорость. Эти машины обычно используются в аналоговых электрических часах, таймерах и других устройствах, где требуется точное время. В промышленных масштабах большой мощности синхронный двигатель выполняет две важные функции. Во-первых, это высокоэффективное средство преобразования энергии переменного тока в работу. Во-вторых, он может работать с опережающим или единичным коэффициентом мощности и, таким образом, обеспечивать коррекцию коэффициента мощности.

Содержание

Тип [ редактировать ]

В зависимости от намагничивания ротора существует два основных типа синхронных двигателей: без возбуждения и с возбуждением от постоянного тока . [3]

Однофазный синхронный двигатель 60 Гц 1800 об / мин для телетайпов с невозбужденным ротором, выпускался с 1930 по 1955 год.

В двигателях без возбуждения ротор выполнен из стали. На синхронной скорости он вращается синхронно с вращающимся магнитным полем статора, поэтому через него проходит почти постоянное магнитное поле. Внешнее поле статора намагничивает ротор, создавая магнитные полюса, необходимые для его вращения. Ротор изготовлен из стали с высокой удерживающей способностью, такой как кобальтовая сталь. Они производятся с постоянным магнитом , реактивным сопротивлением и гистерезисом : [4]

Конструкции реактивных двигателей имеют номинальные значения от дробной мощности (несколько ватт) до примерно 22 кВт . Электродвигатели с очень маленьким реактивным сопротивлением имеют низкий крутящий момент и обычно используются для измерительных приборов. В многоцелевых двигателях с умеренным крутящим моментом используется конструкция с короткозамкнутым ротором и зубчатыми роторами. При использовании источника питания с регулируемой частотой все двигатели в системе привода могут управляться с одинаковой скоростью. Частота источника питания определяет рабочую скорость двигателя.

Основным преимуществом гистерезисного двигателя является то, что, поскольку угол запаздывания δ не зависит от скорости, он развивает постоянный крутящий момент от запуска до синхронной скорости. Следовательно, он самозапускается и не требует индукционной обмотки для запуска, хотя во многих конструкциях действительно имеется структура проводящей обмотки с короткозамкнутым ротором, встроенная в ротор для обеспечения дополнительного крутящего момента при запуске. [ необходима цитата ]

Двигатели с гистерезисом производятся с дробной мощностью в лошадиных силах, в основном как серводвигатели и синхронизирующие двигатели. Двигатели с гистерезисом, более дорогие, чем реактивные, используются там, где требуется точная постоянная скорость. [ необходима цитата ]

С постоянными магнитами синхронный двигатель (PMSM) использует постоянные магниты , встроенные в стали ротора для создания постоянного магнитного поля. Обмотки статора подключены к источнику переменного тока для создания вращающегося магнитного поля (как в асинхронном двигателе ). При синхронной скорости полюса ротора сцепляются с вращающимся магнитным полем. Синхронные двигатели с постоянными магнитами аналогичны бесщеточным двигателям постоянного тока . Неодимовые магниты - наиболее часто используемые магниты в этих двигателях.

Двигатели с постоянными магнитами используются в качестве безредукторных двигателей лифтов с 2000 года [7].

Большинству PMSM для запуска требуется частотно-регулируемый привод . [8] [9] [10] [11] [12] Тем не менее, некоторые включают в себя беличью клетку в роторе для запуска - это известно как линейный запуск или самозапускающиеся PMSM. [13] Они обычно используются в качестве более эффективных замен асинхронных двигателей (из-за отсутствия проскальзывания), но должны быть тщательно указаны для приложения, чтобы гарантировать достижение синхронной скорости и способность системы выдерживать пульсации крутящего момента во время начиная.

Синхронные двигатели с постоянными магнитами в основном управляются с помощью прямого управления крутящим моментом [14] и управления, ориентированного на поле . [15] Однако эти методы страдают от относительно высокого крутящего момента и пульсаций магнитного потока статора. [16] Прогнозирующее управление и контроллеры нейронных сетей недавно были разработаны для решения этих проблем. [16] [17]

Обычно эти двигатели изготавливаются в больших размерах (более 1 лошадиных сил или 1 киловатта), для возбуждения которых требуется постоянный ток (DC), подаваемый на ротор. Это наиболее просто подается через контактные кольца , но также можно использовать бесщеточную индукцию переменного тока и схему выпрямителя. [18] Постоянный ток может подаваться от отдельного источника постоянного тока или от генератора постоянного тока, непосредственно подключенного к валу двигателя.

Для работы синхронного двигателя с постоянными магнитами и реактивного двигателя требуется система управления ( частотно- регулируемый привод или сервопривод ).

Существует большое количество методов управления ПМСМ, которые выбираются в зависимости от конструкции электродвигателя и области применения.

Методы контроля можно разделить на: [19]

Открытый цикл
Замкнутый контур (с датчиком Холла и без него )

Синхронная скорость синхронного двигателя задаются: [20]
в RPM , путь:

а в рад · с −1 по:

Однофазный , 4-полюсный (2-пар полюсов) синхронный двигатель работает на частоте питания переменного тока 50 Гц. Количество пар полюсов равно 2, поэтому синхронная скорость равна:

Трехфазное , 12-полюсный (6-пар полюсов) синхронный двигатель работает на частоте питания переменного тока 60 Гц. Количество пар полюсов - 6, поэтому синхронная скорость равна:

Число магнитных полюсов, равно числу групп катушек на фазу. Чтобы определить количество групп катушек на фазу в трехфазном двигателе, подсчитайте количество катушек, разделите на количество фаз, которое равно 3. Катушки могут занимать несколько пазов в сердечнике статора, что затрудняет их подсчет. . Для трехфазного двигателя, если вы насчитаете в общей сложности 12 групп катушек, он имеет 4 магнитных полюса. Для 12-полюсной 3-фазной машины будет 36 катушек. Количество магнитных полюсов в роторе равно количеству магнитных полюсов в статоре. п

Основными компонентами синхронного двигателя являются статор и ротор. [21] Статор синхронного двигателя и статор асинхронного двигателя аналогичны по конструкции. [22] В исключительных случаях для синхронной электрической машины с двойным питанием с фазным ротором статорная рама содержит защитную пластину . [23] К защитной пластине прикреплены кольцевые ребра и шпонки . [23] Чтобы выдержать вес машины, требуются рамы и опоры . [23] Когда обмотка возбуждения возбуждается постоянным током., для подключения к источнику возбуждения требуются щетки и контактные кольца. [24] Обмотка возбуждения может также возбуждаться бесщеточным возбудителем. [25] Цилиндрические круглые роторы (также известные как ротор с невыпуклонными полюсами) используются до шести полюсов. В некоторых машинах или когда требуется большое количество полюсов, используется ротор с явнополюсными полюсами. [26] [27] Конструкция синхронного двигателя аналогична конструкции синхронного генератора переменного тока . [28] В большинстве конструкций синхронных двигателей используются стационарный якорь и вращающаяся обмотка возбуждения. Этот тип конструкции является преимуществом по сравнению с двигателем постоянного тока, в котором используется якорь вращающегося типа.

Работа синхронного двигателя происходит за счет взаимодействия магнитных полей статора и ротора. Обмотка статора, состоящая из трехфазной обмотки, имеет трехфазное питание, а ротор - источник постоянного тока. Трехфазная обмотка статора, по которой проходят трехфазные токи, создает трехфазный вращающийся магнитный поток (и, следовательно, вращающееся магнитное поле). Ротор блокируется вращающимся магнитным полем и вращается вместе с ним. Когда поле ротора синхронизируется с вращающимся магнитным полем, говорят, что двигатель синхронизирован. Однофазная (или двухфазная, полученная из однофазной) обмотка статора возможна, но в этом случае направление вращения не определено, и машина может запускаться в любом направлении, если это не предотвращается пусковыми устройствами. [29]

Когда двигатель работает, скорость двигателя зависит только от частоты питания. Когда нагрузка двигателя превышает предельную нагрузку, двигатель теряет синхронизацию, и обмотка возбуждения больше не следует вращающемуся магнитному полю. Поскольку двигатель не может создавать (синхронный) крутящий момент, если он выходит из синхронизации, на практике синхронные двигатели имеют частичную или полную обмотку с короткозамкнутым ротором (амортизатор) для стабилизации работы и облегчения запуска. Поскольку эта обмотка меньше, чем у эквивалентного асинхронного двигателя и может перегреваться при длительной работе, а также из-за того, что в обмотке возбуждения ротора индуцируются большие напряжения с частотой скольжения, устройства защиты синхронного двигателя обнаруживают это состояние и прерывают подачу питания (не в такт защита). [29]

Синхронные двигатели больше определенного размера не являются самозапускающимися двигателями. Это свойство связано с инерцией ротора; он не может мгновенно следить за вращением магнитного поля статора. Поскольку синхронный двигатель не вырабатывает среднего крутящего момента в состоянии покоя, он не может разогнаться до синхронной скорости без какого-либо дополнительного механизма. [2]

Большие двигатели, работающие на промышленной промышленной частоте, включают в себя индукционную обмотку с короткозамкнутым ротором, которая обеспечивает достаточный крутящий момент для ускорения, а также служит для гашения колебаний скорости двигателя во время работы. [2] Как только ротор приближается к синхронной скорости, возбуждается обмотка возбуждения, и двигатель синхронизируется. Очень большие двигательные системы могут включать в себя "пони" двигатель, который ускоряет ненагруженную синхронную машину до приложения нагрузки. [30] [31] Двигатели с электронным управлением можно разогнать с нулевой скорости путем изменения частоты тока статора. [32]

Очень маленькие синхронные двигатели обычно используются в электромеханических часах или таймерах с питанием от сети, которые используют частоту сети для работы зубчатого механизма с правильной скоростью. Такие небольшие синхронные двигатели могут запускаться без посторонней помощи, если момент инерции ротора и его механическая нагрузка достаточно малы [потому что двигатель] будет ускоряться от скорости скольжения до синхронной скорости в течение полупериода ускорения реактивного момента. " [2] Однофазные синхронные двигатели, такие как настенные электрические часы, могут свободно вращаться в любом направлении, в отличие от двигателей с расщепленными полюсами. См. Синхронный двигатель с расщепленными полюсами, чтобы узнать, как достигается согласованное направление пуска.

Экономичность эксплуатации является важным параметром при рассмотрении различных методов запуска двигателя. [33] Соответственно, возбуждение ротора является возможным способом решения проблемы запуска двигателя. [34] Кроме того, современные предлагаемые методы пуска для больших синхронных машин включают повторяющееся изменение полярности полюсов ротора во время пуска. [35]

Изменяя возбуждение синхронного двигателя, его можно заставить работать с запаздывающим, опережающим и единичным коэффициентами мощности. Возбуждение, при котором коэффициент мощности равен единице, называется нормальным напряжением возбуждения . [36] Величина тока при таком возбуждении минимальна. [36] Напряжение возбуждения, превышающее нормальное возбуждение, называется избыточным напряжением возбуждения, напряжение возбуждения, меньшее, чем нормальное возбуждение, называется избыточным напряжением возбуждения. [36] Когда двигатель чрезмерно возбужден, противо-ЭДС будет больше, чем напряжение на клеммах двигателя. Это вызывает эффект размагничивания из-за реакции якоря. [37]

Кривая V синхронной машины показывает ток якоря как функцию тока возбуждения. С увеличением тока возбуждения ток якоря сначала уменьшается, затем достигает минимума, затем увеличивается. Точкой минимума также является точка, при которой коэффициент мощности равен единице. [38]

Эта способность выборочного управления коэффициентом мощности может быть использована для коррекции коэффициента мощности системы питания, к которой подключен двигатель. Поскольку большинство энергосистем любого значительного размера имеют чистый запаздывающий коэффициент мощности, присутствие перевозбужденных синхронных двигателей приближает полезный коэффициент мощности системы к единице, повышая эффективность. Такая коррекция коэффициента мощности обычно является побочным эффектом двигателей, уже присутствующих в системе, для обеспечения механической работы, хотя двигатели могут работать без механической нагрузки просто для обеспечения коррекции коэффициента мощности. На крупных промышленных предприятиях, таких как заводы, взаимодействие между синхронными двигателями и другими отстающими нагрузками может быть явным образом учтено в электрическом проекте предприятия. [ необходима цитата ]

При приложении нагрузки угол крутящего момента увеличивается. При = 90 ° крутящий момент будет максимальным. Если нагрузка будет приложена дальше, двигатель потеряет синхронизм, поскольку крутящий момент двигателя будет меньше момента нагрузки. [39] [40] Максимальный момент нагрузки, который может быть приложен к двигателю без потери его синхронизма, называется пределом устойчивости в установившемся режиме синхронного двигателя. [39] δ δ

Синхронные двигатели особенно полезны в приложениях, требующих точного управления скоростью и / или положением.

Читайте также: