Трехфазный синхронный электродвигатель: Синхронный электродвигатель: характеристики, устройство и принцип действия

Содержание

Синхронный электродвигатель: характеристики, устройство и принцип действия

Синхронный электродвигатель – это устройство, преобразующее электрическую энергию в механическую. Его также можно использовать в качестве генератора. Чаще всего он применяется в компрессорах, прокатных станках, поршневых насосах и другом подобном оборудовании. Рассмотрим принцип действия синхронного электродвигателя, его характеристики и свойства.

Устройство синхронного электродвигателя

Строение агрегата данного вида типично. Двигатель состоит из:

  • Неподвижной части (якорь или статор).
  • Подвижной части (ротор или индуктор).
  • Вентилятора.
  • Контактных колец.
  • Щеток.
  • Возбудителя.

Статор представляет собой сердечник, состоящий из обмоток, который заключен в корпус. Индуктор комплектуется электромагнитами постоянного тока (полюсами). Конструкция индуктора может быть двух видов – явнополюсная и неявнополюсная. В статоре и роторе расположены ферромагнитные сердечники, изготовленные из специальной электротехнической стали. Они необходимы для уменьшения магнитного сопротивления и улучшения прохождения магнитного потока.

Частота вращения ротора в синхронном двигателе равна частоте вращения магнитного поля. Независимо от подключаемой нагрузки частота ротора неизменна, так как число пар полюсов магнитного поля и ротора совпадают. Их взаимодействие обеспечивает постоянную угловую скорость, не зависящую от момента, приложенного к валу.

Принцип работы синхронного электродвигателя

Самые распространенные типы такого рода агрегатов – однофазный и трехфазный. Принцип работы синхронного электродвигателя в обоих случаях примерно одинаков. После подключения обмотки якоря к сети ротор остается неподвижным, в то время как постоянный ток поступает в обмотку возбуждения. Направление электромагнитного момента меняется дважды за время одного изменения напряжения. При значении среднего момента равном нулю, ротор под влиянием внешнего момента (механического воздействия) разгоняется до частоты, близкой по значению частоте вращения магнитного поля в зазоре, после чего двигатель переходит в синхронный режим.

В трехфазном устройстве проводники расположены под определенным углом относительно друг друга. В них возбуждается вращающееся с синхронной скоростью электромагнитное поле.

Разгон двигателя может осуществляться в двух режимах:

  • Асинхронный. Обмотки индуктора замыкаются с помощью реостата. Вращающееся магнитное поле, возникающее при включении напряжения, пересекает короткозамкнутую обмотку, установленную на роторе. В ней индуцируются токи, взаимодействующие с вращающимся полем статора. По достижении синхронной скорости крутящий момент начинает уменьшаться и сводится к нулю после замыкания магнитного поля.
  • С помощью вспомогательного двигателя. Для этого синхронный двигатель механически соединяется со вспомогательным (двигателем постоянного тока либо трехфазным индукционным двигателем). Постоянный ток подается только после того, как вращение двигателя достигает скорости, близкой к синхронной. Магнитное поле замыкается, и связь со вспомогательным двигателем прекращается.

Характеристики синхронного электродвигателя

Хотя асинхронные двигатели считаются более надежными и дешевыми, их синхронные «собратья» имеют некоторые преимущества и широко применяются в различных областях промышленности. К отличительным характеристикам синхронного электродвигателя можно отнести:

  • Работу при высоком значении коэффициента мощности.
  • Высокий КПД по сравнению с асинхронным устройством той же мощности.
  • Сохранение нагрузочной способности даже при снижении напряжения в сети.
  • Неизменность частоты вращения независимо от механической нагрузки на валу.
  • Экономичность.

Синхронным двигателям также присущи некоторые недостатки:

  • Достаточно сложная конструкция, делающая их производство дороже.
  • Необходимость источника постоянного тока (возбудителя или выпрямителя).
  • Сложность пуска.
  • Необходимость корректировать угловую частоту вращения путем изменения частоты питающего напряжения.

Однако в некоторых случаях использование синхронных двигателей предпочтительнее:

  • Для улучшения коэффициента мощности.
  • В длительных технологических процессах, где нет необходимости в частых запусках и остановках.

Таким образом, «плюсы» двигателей такого типа значительно превосходят «минусы», поэтому на данный момент они высоко востребованы.

Изучив синхронный двигатель, устройство и принцип его действия и учтя условия, в которых он будет эксплуатироваться, вы сможете быстро и с легкостью подобрать оптимально подходящий для ваших целей тип агрегата (защищенный, закрытый, открытый) и использовать его с максимальной эффективностью.



Синхронный электродвигатель с обмоткой возбуждения

Дмитрий Левкин

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.

Синхронный электродвигатель с обмоткой возбуждения (щетки не показаны)

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".

Взаимодействие между вращающимся (у статора) и постоянным (у ротора) магнитными полями

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.

Магнитные поля ротора и статора сцепленные друг с другом

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

,

  • где Ns – 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.

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.

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.

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.

Трехфазный синхронный электродвигатель - Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1

Трехфазный синхронный электродвигатель

Cтраница 1

Трехфазный синхронный электродвигатель служит для преобразования электроэнергии переменного тока, подводимой со стороны статора, в механическую энергию, отдаваемую на вал и используемую для привода различных рабочих машин.  [1]

Трехфазные синхронные электродвигатели широко применяются в промышленных установках для привода в движение исполнительных механизмов с неизменной скоростью вращения при продолжительном режиме работы.

 [2]

Трехфазный синхронный электродвигатель серии СДН типа СДН 14 - 49 - 6 имеет следующие номинальные данные: активную мощность на валу PZHOM ЮОО кВт, число пар полюсов р 3, отношение максимального момента к номинальному моменту Мтах / Л ( ио 2 0, частоту вращения пяоп 1000 об / мин, частоту питающего напряжения / 50 Гц.  [3]

Автоматизация пуска трехфазного синхронного электродвигателя сводится в основном к установлению определенной очередности в управлении цепями статора и ротора.  [4]

Приемник МЭ-30 представляет собой трехфазный синхронный электродвигатель, ротором которого является двухполюсный постоянный магнит, вращающий валик спидометра.  [5]

Двигатели-генераторы состоят из трехфазных синхронных электродвигателей и генераторов постоянного тока с параллельным возбуждением.  [6]

Питание цепи управления

трехфазного синхронного электродвигателя предусмотрено от отдельной сети ЛИ - Л12, что дает возможность опробовать действие всех ее аппаратов без, включения силовой цепи.  [7]

В каких приводах применяются трехфазные синхронные электродвигатели.  [8]

На рис. 189 приведена схема прямого пуска трехфазного синхронного электродвигателя с постоянно подключенным возбудителем в функции тока статора.  [9]

В нижеприведенной таблице указаны технические данные некоторых выпускаемых трехфазных синхронных электродвигателей. Пользуясь таблицей, определить для каждого из электродвигателей: 1) число полюсов; 2) потребляемую от сети активную мощность; 3) ток фазы статора при номинальной нагрузке; 4) ток, потребляемый при асинхронном пуске; 5) момент, развиваемый двигателем при номинальной нагрузке; 6) момент, развиваемый при пуске в ход; 7) момент, при превышении которого двигатель выпадает из синхронизма; 8) потери мощности при номинальной нагрузке; 9) реактивную мощность, отдаваемую двигателем.  [10]

Для заряда и подзаряда крупных аккумуляторных батарей применяются двигатели-генераторы, состоящие из трехфазных синхронных электродвигателей и генераторов постоянного тока с параллельным возбуждением.  [12]

Наружный цилиндр 2 из немагнитной, нержавеющей стали приводится во вращение через вал / от привода, состоящего из коробки перемены передач и трехфазного синхронного электродвигателя мощностью 0 25 л. с. Скорость вращения наружного цилиндра изменяется от 0 15 до 1500 об / мин. Внутренний пустотелый, плавающий цилиндр 3 установлен в конусных опорах и может поворачиваться вокруг оси с малым трением. Неподвижные пластины 5 прикреплены к корпусу вискозиметра.  [13]

В отличие от единовременных капитальных затрат А / С представляет собой изменения в затратах потребителя, связанных с приобретением им для каждого изделия дополнительных комплектующих узлов, агрегируемых с базисной либо с новой машиной. Например, новый трехфазный синхронный электродвигатель типа ВДС 325 / 49 - 18, предназначенный для привода насосов, изготовлен для работы от сети напряжением 10 кВ непосредственно.  [14]

В системе использован метод сельсинной дистанционной передачи сигналов. Сельсин - электрическая машина, сходная с трехфазным синхронным электродвигателем переменного тока. На каждом канале имеется два сельсина - сельсин-датчик и сельсин-приемник ( индикатора или регистратора), соединенные друг с другом так, что поворот на определенный угол ротора сельсин-датчика вызывает синхронный поворот ротора сельсин-приемника на тот же ( или пропорциональный) угол.  [15]

Страницы:      1    2

устройство, принцип работы, режимы работы, пуск

В качестве устройства преобразования электрической энергии в механическую в промышленности и быту используется синхронный электродвигатель. В сравнении с другими типами электрических машин он получил меньшее распространение, но в отведенных сферах является незаменимым фаворитом. В чем особенность синхронных агрегатов и как их применяют на практике, мы рассмотрим в данной статье.

Устройство

Конструктивно синхронный электродвигатель состоит из неподвижного элемента, подвижной части, обмоток различного назначения, может комплектоваться коллекторным узлом. Далее рассмотрим каждую составляющую синхронного агрегата более детально на рабочем примере (рисунок 1).

Рис. 1. Устройство синхронного электродвигателя
  • Статор или якорь – выполняется из электротехнической стали монолитным или наборным из шихтованного железа. Предназначен для размещения рабочей обмотки, проводит силовые линии электромагнитного поля, формируемого протекающими токами.
  • Обмотка на статоре – изготавливается из медных проводников, в зависимости от типа статора синхронного электродвигателя может выполняться различными методами, способами намотки и расположения проводников. Применяется для подачи напряжения питания и формирования рабочего магнитного потока.  
  • Ротор с обмоткой возбуждения – предназначен для взаимодействия с магнитным полем статора. В результате подачи напряжения на обмотку возбуждения в роторе электродвигателя создается собственное магнитное поле, задающее состояние вращающегося элемента.
  • Вал – используется для передачи вращательного усилия от электродвигателя к подключаемой к нему нагрузке. В большинстве случаев это основание, на котором крепиться шихтовка или полюса ротора, подшипники, кольца, пластины и другие вспомогательные элементы.
  • Контактные кольца – применяются для подачи питания на обмотки ротора, но устанавливаются не во всех моделях синхронных агрегатов. Питание производиться через специальный преобразователь переменного напряжения в постоянное.
  • Корпус – предназначен для защиты от воздействия внешних факторов, обеспечивает синхронному двигателю достаточную прочность и герметичность, в зависимости от условий его эксплуатации.

Принцип работы

В основе работы синхронного электродвигателя лежит взаимодействие магнитного потока, генерируемого рабочими обмотками с постоянным магнитным потоком. Наиболее распространенной моделью синхронной электрической машины является вариант с рабочей обмоткой на статоре и обмоткой возбуждения на роторе.

Рис. 2. Принцип действия синхронного электродвигателя

Как видите на рисунке 2 выше, в обмотку статора подается трехфазное напряжение из сети, которое формирует переменное магнитное поле. На обмотки ротора электродвигателя подано постоянное напряжение, которое индуцирует такой же постоянный магнитный поток у полюсов. Для наглядности рассмотрим процесс на упрощенной модели синхронного агрегата (рисунок 3).

Рис. 3. Принцип формирования потоков в синхронной электрической машине

При подаче питания на фазные витки статора электродвигателя первый пик амплитуды тока и ЭДС взаимоиндукции приходиться на фазу A, затем B и фазу C.

На графике показана периодичность чередования кривых в зависимости от времени:

  • в точке 1 максимальная ЭДС EA формирует максимальный поток, а электродвижущие силы фаз EB и EC равны между собой и противоположны по знаку, они дополняют результирующую силу.
  • в точке 2 пика достигает ЭДС EB, а электродвижущие силы фаз EA и EC становятся равны между собой и противоположны по знаку, они дополняют результирующую силу, в результате чего магнитное поле совершает вращательное движение.
  • в точке 3 максимум приходиться на ЭДС EC, а электродвижущие силы фаз EB и EA вместе дополняют результирующую силу и снова смещают вектор поля по часовой стрелке.

Оборот поля статора происходит в течении периода, а за счет того, что ротор обладает собственным электромагнитным усилием постоянным во времени, то он синхронно следует за движением переменного магнитного поля, вращаясь вокруг заданной оси. В результате такого вращения происходит синхронное движение ротора вслед за сменой амплитуды ЭДС в витках рабочих обмоток, за счет этого явления электродвигатель и получил название синхронного. Наличие отдельного питания отразилось и на схематическом обозначении таких электрических машин (рисунок 4) в соответствии с ГОСТ 2. 722-68.

Рис. 4. Схематическое обозначение синхронного электродвигателя

Отличие от асинхронного двигателя

Основным отличием синхронного электродвигателя от асинхронного заключается в принципе преобразования электрической энергии в механическое вращение. У синхронного электродвигателя процесс вращения ротора идентичен вращению рабочего электромагнитного поля, вырабатываемого трехфазной сетью. А вот у асинхронного рабочее поле самостоятельно наводит ЭДС в роторе, которая уже затем вырабатывает собственный поток взаимоиндукции и приводит вал во вращение. В результате чего асинхронные электрические машины получают разность во вращении рабочего поля и нагрузки на валу, что выражается физической величиной – скольжением.

В работе классические модели асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором:

  • плохо переносят перегрузки;
  • имеют сложности пуска со значительным усилием;
  • меняют скорость вращения, в зависимости от нагруженности рабочего органа.

В некоторой степени эти недостатки преодолевает асинхронный двигатель с фазным ротором, но в полной мере избавиться от недостатков получается лишь синхронному агрегату.

Рис. 5. Отличие асинхронного от синхронного электродвигателя

Разновидности

В современной промышленности и бытовых приборах синхронные электродвигатели используются для решения самых разнообразных задач. Как результат, существенно разнятся и их конструктивные особенности. На практике выделяют несколько критериев, по которым разделяются виды синхронных агрегатов. В соответствии с ГОСТ 16264.2-85 могут подразделяться по таким техническим характеристикам:

  • питающему напряжению;
  • частоте рабочего напряжения;
  • количеству оборотов.

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

  • С обмоткой возбуждения на роторе – синхронизирующее усилие создается за счет подачи питания от преобразователя.
  • С магнитным ротором – на валу устанавливается постоянный магнит, выполняющий те же функции, что и обмотка возбуждении, но без необходимости подпитки (см. рисунок 6).
Рис. 6. Синхронный электродвигатель с постоянными магнитами

С реактивным ротором —  конструкция выполнена таким образом, что в его сердечнике происходит преломление магнитных линий, приводящее всю конструкцию в движение (см. рисунок 7). Под воздействием силового поля поперечные и продольные составляющие в роторе не равны за счет чего пластины поворачиваются вслед за полем.

Рис. 7. Пример реактивного ротора

В зависимости от наличия полюсов все синхронные электродвигатели можно подразделить на:

  • явнополюсные – в конструкции четко видны обособленные полюса с обмотками, применяются для малых скоростей;
  • неявнополюсные – полюс не выделяется, такие модели устанавливают для высоких скоростей;

В зависимости от расположения рабочих обмоток различают прямые (на статоре) и обращенные (рабочие обмотки на роторе).

Режимы работы

Большинство электрических машин обладают обратимой функцией, не составляют исключения и синхронные агрегаты. Их также можно использовать в качестве электрического привода или в качестве генератора, вырабатывающего электроэнергию. Оба режима отличаются способом воздействия на электрическую машину – подачу напряжения на рабочие обмотки или приведение в движение ротора за счет механического усилия.

Генераторный режим

Для производства электроэнергии в сеть используются именно синхронные генераторы. В большинстве случаев для этой цели используются электрические машины с фазными обмотками на статоре, что существенно упрощает процесс съема мощности и дальнейшей передачи ее в сеть. Физически генерация происходит при воздействии электромагнитного поля обмотки возбуждения синхронного генератора с обмотками статора. Силовые линии поочередно пересекают фазные витки и наводят в них ЭДС взаимоиндукции, в результате чего на клеммных выводах возникает напряжение.

Частота получаемого напряжения напрямую зависит от скорости вращения вала и вычисляется по формуле:

f = (n*p)/60 ,

где n – скорость вращения вала, измеряемая в оборотах за минуту,  p – количество пар полюсов.

Синхронный компенсатор

В виду физических особенностей синхронного электродвигателя при холостом ходе аппарата он потребляет из сети реактивную мощность, что позволяет существенно улучшить cosφ системы, практически приближая его к 1.На практике режим синхронного компенсатора используется как для улучшения коэффициента мощности, так и для стабилизации параметров напряжения сети.

Двигательный режим

В синхронной машине двигательный режим осуществляется при подаче рабочего трехфазного напряжения на обмотки якоря. После чего электромагнитное поле якоря начинает толкать магнитное поле ротора, и вал приходит во вращение. Однако на практике двигательный режим осуществляется не так просто, так как мощные агрегаты не могут самостоятельно набрать необходимый ресурс скорости. Поэтому во время запуска используют специальные методы и схемы подключения.

Способы пуска и схемы подключения

Для запуска синхронного электродвигателя требуется дополнительное поле, независимое от воздействия сети. В то же время, на стартовом этапе запуск представляет собой асинхронный процесс, пока агрегат не достигнет синхронной скорости.

Рис. 8. Схема пуска синхронного двигателя

 

При подаче напряжения на якорь возникает ток в его обмотках и генерация ЭДС в железе ротора, который обеспечивает асинхронное движение до того момента, пока не начнется питание обмоток возбуждения.

Еще одним распространенным вариантом пуска является использование дополнительных генераторов, которые могут располагаться на валу или устанавливаться отдельно. Такой метод обеспечивает дополнительное стартовое усилие за счет стороннего крутящего момента.

Рис. 9. Генераторный способ пуска синхронного двигателя

Как видите на рисунке 9, начальное вращение мотора М осуществляется за счет генератора G, который призван вывести устройство на подсинхронную скорость. Затем генератор выводится из рабочей цепи путем размыкания контактов КМ или автоматически при установке рабочих характеристик. Дальнейшее поддержание синхронного режима происходит за счет подачи постоянного напряжения в обмотку возбуждения.

Помимо этого на практике используется схема пуска с полупроводниковыми преобразователями. На рисунке 10 приведен способ тиристорного преобразователя и с установкой вращающихся выпрямителей.

Рис. 10. Тиристорная схема пуска синхронного двигателя

В первом случае запуск синхронного электродвигателя характеризуется нулевым напряжением от преобразователя UD. За счет ЭДС скольжения через стабилитроны VD осуществляется открытие тиристоров VS. В цепь обмотки возбуждения вводится резистор R, предназначенный для предотвращения пробоя изоляции. По мере разгона электродвигателя ЭДС скольжения пропорционально снизится и произойдет запирание стабилитронов VD, цепочка заблокируется, и обмотка возбуждения получит питание постоянным напряжением через UD.

Применение

Область применения синхронных электрических машин охватывает производство электрической энергии на электростанциях. По видам генераторы подразделяются на турбинные, дизельные и гидравлические, в зависимости от способа приведения их во вращение.

Также их используют в качестве электродвигателей, которые могут переносить существенные перегрузки в процессе эксплуатации. Такие двигатели устанавливаются на вентиляторах, компрессорах, силовых агрегатах и прочем оборудовании. Отдельная категория электродвигателей применяется в точном оборудовании, где важна синхронизация операций и процессов.

Преимущества и недостатки

К преимуществам такого электродвигателя следует отнести:

  • высокий cosφ, приближающийся по величине к 1, что в значительной мере превосходит асинхронные электродвигатели;
  • более высокая механическая прочность за счет особенностей конструкции электродвигателя;
  • зависимость момента вращения от напряжения линейная, а не квадратичная, поэтому колебания электродвигателя пропорционально снижаются;
  • на валу электродвигателя присутствует постоянная скорость, не зависящая от прикладываемой нагрузки;
  • может применяться для уменьшения реактивной составляющей в сети.

Среди недостатков синхронных электродвигателей выделяют:

  • сложную конструкцию;
  • более сложный пуск;
  • необходимость использования вспомогательных устройств и блоков;
  • такие электродвигатели сложнее регулировать по числу оборотов;
  • ремонт и обслуживание также обойдется дороже, чем асинхронные электродвигатели.

Видео версия

Библиографический список

  1. Ю. А. Макаричев, В.Н. Овсянников «Синхронные машины» 2010
  2. Абрамович Б.Н., Круглый А.А. «Возбуждение, регулирование и устойчивость синхронных двигателей» 1983
  3. Андреева Е.Г., Морозова Н.С. «Синхронные машины» 2015
  4. Глебов И.А. «Проблемы пуска сверхмощных синхронных маши» 1988
  5. Емец В.Ф., Попков А.А., Петров Г.А. «Синхронные электрические машины» 2009
  6. Кислицын А.Л. «Синхронные машины» 2000

Трёхфазный двигатель - это... Что такое Трёхфазный двигатель?

Трёхфазный синхронный двигатель

Трёхфазный двигатель — электродвигатель, который конструктивно предназначен для питания от трехфазной сети переменного тока.

Представляет собой машину переменного тока, состоящую из статора с тремя обмотками, магнитные поля которых сдвинуты в пространстве на 120° и при подаче трехфазного напряжения образуют вращающееся магнитное поле в магнитной цепи машины, и из ротора — различной конструкции — вращающегося строго со скоростью поля статора (Синхронный двигатель) или несколько медленнее его (Асинхронный двигатель).

Наибольшее распространение в технике и промышленности получил асинхронный трёхфазный электродвигатель с короткозамкнутой обмоткой ротора, также называемой «беличье колесо». Под выражением «трехфазный двигатель» обычно подразумевается именно этот тип двигателя, и именно он описывается далее в статье.

Принцип работы двух и многофазных двигателей был разработан Николой Теслой и запатентован. Доливо-Добровольский усовершенствовал конструкцию электродвигателя и предложил использовать три фазы вместо двух, используемых Н. Теслой. Усовершенствование основано на том, что сумма двух синусоид равной частоты различающихся по фазе дают в сумме синусоиду, это дает возможность использовать три провода (в четвертом «нулевом» проводе ток близок к нулю) при трех фазной системе против четырех необходимых проводов при двухфазной системе токов. Некоторое время усовершенствование Доливо-Добровольского было ограниченно патентом Н.Теслы, который к тому времени успел его продать Д. Вестингаузу.

Режимы работы

Асинхронный двигатель, согласно принципу обратимости электрических машин, может работать как в двигательном, так и в генераторном режимах. Для работы асинхронного двигателя в любом режиме требуется источник реактивной мощности.

В двигательном режиме при подключении двигателя к трехфазной сети переменного тока в обмотке статора образуется вращающееся магнитное поле, под действием которого в короткозамкнутой обмотке ротора наводятся токи, образующие электромагнитный момент вращения, стремящийся провернуть ротор вокруг его оси. Ротор преодолевает момент нагрузки на валу и начинает вращаться, достигая подсинхронной скорости (она же и будет номинальной с учетом момента нагрузки на валу двигателя).

В генераторном режиме при наличии источника реактивной мощности, создающего поток возбуждения, асинхронная машина способна генерировать активную мощность.

Режимы работы (подробно)

Пуск — вектор результирующего магнитное поля статора равномерно вращается с частотой питающей сети, делённой на количество отдельных обмоток каждой фазы (в простейшем случае — по одной). Таким образом, через любое сечение ротора проходит магнитный поток, изменяющийся во времени по синусу. Изменение магнитного потока в роторе порождает в его обмотках ЭДС. Так как обмотки замкнуты накоротко и сделаны из проводника большого сечения («беличье колесо»), ток в обмотках ротора достигает значительных величин и, в свою очередь, создаёт магнитное поле. Так как ЭДС в обмотках пропорциональна скорости изменения магнитного потока (то есть — производной по времени от синусной зависимости — косинусу), наведённая ЭДС беличьего колеса и соответственно результирующее магнитное поле (вектор) ротора на 90 градусов «опережает» вектора статора (если смотреть на направления векторов и направление их вращения). Взаимодействие магнитных полей создаёт вращающий момент ротора.

Электроэнергия, подводимая к электродвигателю в режиме пуска и полного торможения, тратится на перемагничивание ротора и статора, а также на активное сопротивление току в обмотке ротора. (Эквивалентно работе понижающего трансформатора с коротким замыканием вторичной обмотки).

Холостой ход — после начала движения, с увеличением оборотов ротора, его скорость относительно вектора магнитного поля статора будет уменьшаться. Соответственно будет уменьшаться и скорость изменения магнитного потока через (любое) сечение ротора, соответственно уменьшится наведённая ЭДС и результирующий магнитный момент ротора. В отсутствие сил сопротивления (идеальный холостой ход) угловая скорость ротора будет равна угловой скорости магнитного поля статора, соответственно разница скоростей, наведённая ЭДС и результирующее магнитное поле ротора будут равны нулю.

Электроэнергия, подводимая к электродвигателю в режиме холостого хода, не потребляется (индуктивная нагрузка). Эквивалентно работе понижающего трансформатора на холостом ходу (или короткозамкнутыми вторичными обмотками, расположенными вдоль сердечника)

Двигательный режим — среднее между полным торможением и холостым ходом. Полезная нагрузка и механические потери не позволяют ротору достичь скорости магнитного поля статора, возникающее их относительное скольжение наводит некоторую ЭДС и соответствующее магнитное поле ротора, которое своим взаимодействием с полем статора компенсирует тормозной момент на валу.

Механическая характеристика асинхронного двигателя является «жёсткой», то есть при незначительном уменьшении оборотов крутящий момент двигателя возрастает очень сильно — «стремится поддерживать номинальные обороты». Это хорошее свойство для приводов, требующих поддержания заданной скорости независимо от нагрузки (транспортёры, погрузчики, подъёмники, вентиляторы).

Электроэнергия, подводимая к электродвигателю в двигательном режиме, потребляется (частью, обозначаемой «косинус фи») на совершение полезной работы и нагрев двигателя, остальная часть возвращается в сеть как индуктивная нагрузка. «Косинус фи» зависит от нагрузки на двигатель, на холостом ходу он близок к нулю. В характеристике двигателя указывается «косинус фи» для номинальной нагрузки.

Генераторный режим возникает при принудительном увеличении оборотов выше «идеального холостого хода». При наличии источника реактивной мощности, создающего поток возбуждения, магнитное поле ротора наводит ЭДС в обмотках статора и двигатель превращается в источник активной мощности (электрической).

Способы соединения обмоток

  • Звезда — начала всех обмоток соединяются вместе и соединяются с «нулем» подводимого напряжения. Концы обмоток подключаются к «фазам» трёхфазной сети. На схеме изображения обмоток напоминают звезду (катушки по радиусу направлены из центра).
  • Треугольник — начало одной обмотки соединяется с концом следующей — по кругу. Места соединения обмоток подключаются к «фазам» трёхфазного напряжения. «Нулевого» выхода такая схема не имеет. На схеме обмотки соединены в треугольник.

Схемы не имеют особых преимуществ друг перед другом, однако «звезда» требует большего линейного напряжения, чем «треугольник» (для работы в номинальном режиме). Поэтому в характеристике трёхфазного двигателя указывают два номинальных напряжения через дробь (как правило, это 220/380 или 127/220 вольт).

Работающие по схеме «треугольник» двигатели можно соединять по схеме «звезда» на время пуска (для снижения пускового тока) посредством специальных пусковых реле.

Начала и концы обмоток выведены на колодку «два на три» вывода так, что:

  • для соединения в «звезду» требуется соединить весь один ряд из трёх выводов — это будет центр («ноль»), остальные выводы подключаются к фазам.
  • для соединения в «треугольник» требуется соединить попарно все три ряда по два провода и подключить их к фазам.

Для смены направления вращения трехфазного электродвигателя необходимо поменять местами любые две фазы из трех в месте подключения питания к двигателю.

Работа в однофазной сети

Может работать в однофазной сети с потерей мощности (не нагруженный на номинальную мощность). При этом для запуска необходим механический сдвиг ротора, либо фазосдвигающая цепь, которая обычно строится или из ёмкости или из индуктивности или из трансформатора.

При однофазном запуске на одну из обмоток подаётся напряжение (ток) через ёмкость или индуктивность, которая сдвигает фазу тока:

  • вперёд на 90° — при включении в цепь емкости,
  • назад на 90° — и включении в цепь индуктивности,

(без учёта потерь). После запуска напряжение с фазосдвигающей обмотки снимать нельзя. Снятие с фазосдвигающей обмотки напряжения эквивалентно работе трёхфазного двигателя с обрывом одной из фаз, так же при возрастании, даже не очень значительном, тормозного момента на валу двигатель остановится и сгорит.

В некоторых случаях, при питании от однофазной сети, запуск осуществляется вручную проворотом ротора. После проворота ротора двигатель работает самостоятельно.

Трёхфазный двигатель приспособлен к трёхфазной сети, а к однофазной сети лучше подходит двухфазный двигатель со сдвигом фазы во второй обмотке либо через конденсатор (конденсаторные двигатели), либо через индуктивность.

Работа в случае пропадания одной фазы

Запуск возможен только в случае соединения обмоток «звездой» с подключением нулевого провода (что не является обязательным для работы). Если нагрузка не позволит двигателю запуститься и развить номинальные обороты, то из-за увеличения тока в обмотках и уменьшения охлаждения он выйдет из строя через несколько минут (перегрев, пробой изоляции и короткое замыкание).

Продолжение работы будет при любом типе соединения обмоток, но так как при этом перестаёт поступать примерно половина энергии, то продолжительная работа возможна только при загрузке двигателя значительно менее чем на 50 %. При большей (номинальной) нагрузке увеличение тока в работающих фазах неминуемо вызовет перегрев обмоток с дальнейшим пробоем изоляции и коротким замыканием. Это одна из частых причин преждевременного выхода из строя асинхронных двигателей.

Электрозащита

Для защиты двигателей от пропадания и перекоса (разницы напряжений) фаз питающего напряжения применяют реле контроля фаз, которые в этих случаях полностью отключают питание (с автоматическим или ручным дальнейшим включением). Возможна установка одного реле на группу двигателей.

Более грубой и универсальной защитой, обязательной по правилам эксплуатации и обычно достаточной при правильно подобранных параметрах, является установка трёхфазных автоматических выключателей (по одному на двигатель), которые отключают питание в случае длительного (до нескольких минут) превышения номинального тока по любой из фаз, что является следствием перегрузки двигателя, перекоса или обрыва фаз.

Ссылки

См. также

Ссылки

Синхронный трехфазный втсп электродвигатель с постоянными магнитами и плавным пуском

 

Предлагаемая полезная модель относится к электроэнергетике, в частности к синхронным электрическим машинам с использованием высокоэнергетических постоянных магнитов (ПМ) и высокотемпературных сверхпроводниковых (ВТСП) элементов и предназначена для использования в автономных электроэнергетических установках перспективных авиационно-космических комплексов с полностью электрифицированным приводным оборудованием. Синхронный ВТСП электродвигатель с постоянными магнитами содержит статор с шихтованным сердечником 1 с многофазной многополюсной обмоткой 2, цилиндрический ротор 3, состоящий из массива чередующихся блоков постоянных магнитов 4 с тангенциальным намагничиванием и секторов из магнитомягкого материала 5, установленных на втулке из немагнитного материала 6. В середине секторов из магнитомягкого материала радиально на немагнитной втулке ротора установлены ВТСП вставки 7. Полезная модель позволяет повысить энергетические и массогабаритные характеристики электродвигателя. 2 илл.

Предлагаемая полезная модель относится к электроэнергетике, в частности к синхронным электрическим машинам с высокоэнергетическими постоянными магнитами (ПМ) на основе редкоземельных материалов (РЗМ) и высокотемпературными сверхпроводниковыми (ВТСП) элементами и предназначена для использования в автономных электроэнергетических установках перспективных авиационно-космических комплексов с полностью электрифицированным приводным оборудованием (см. книгу А.В.Левин, И.И.Алексеев, Л.К.Ковалев, С.А.Харитонов. Электрический самолет: от идеи до реализации. М.: Машиностроение, 2010. - 288 с.).

Известны синхронные двигатели с ПМ с различным конструктивным выполнением роторов: ротор типа «звездочка», роторы, содержащие массив блоков призматических постоянных магнитов, намагниченных либо в радиальном, либо в тангенциальном направлениях, когтеобразные роторы и т.д. (см. книги В. А.Балагуров, Ф.Ф.Галтеев. Электрические генераторы с постоянными магнитами -М.: Энергоатомиздат, 1998. - 280 с.; Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины. T.1 и 2. - М: Издательский дом МЭИ, 2006; Д.А.Бут. Основы электромеханики - М.: Изд-во МАИ, 1996; Специальные электрические машины. Под ред. Б.Л.Алиевского. - М.: Энергоатомиздат, 1993. - 230 с.). Общий недостаток известных устройств - относительно невысокие значения мощности, механического момента, КПД и коэффициента мощности (cos). Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели является синхронный электродвигатель с тангенциальными постоянными магнитами, (которые, как показывают исследования, являются более предпочтительными в электрических машинах с числом пар полюсов больше 2-3), приведенный в книге Д.А.Бута Основы электромеханики - М.: Изд-во МАИ, 1996 на стр.157, содержащий статор с шихтованным сердечником, в пазах которого размещена многофазная многополюсная обмотка, цилиндрический ротор, состоящий из массива чередующихся блоков постоянных магнитов с тангенциальной намагниченностью и секторов из магнитомягких материалов, установленных на валу машины на втулке из немагнитного материала.

Задача, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, заключается в повышении энергетических и массогабаритных показателей электродвигателя. Техническим результатом использования данной полезной модели является повышение удельных мощности и механического момента, а также повышение коэффициента мощности и КПД электродвигателя.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в синхронном ВТСП электродвигателе с постоянными магнитами, содержащем магнитопроводящий статор, выполненный шихтованным, и имеющий пазы, распределенные по его внутренней поверхности, размещенную в этих пазах многофазную многополюсную обмотку и установленный на валу машины цилиндрический ротор, состоящий из массива чередующихся блоков постоянных магнитов с тангенциальной намагниченностью и секторов из магнитомягкого материала, установленных на валу двигателя на втулке из немагнитного материала, и в середине секторов из магнитомягкого материала между постоянными магнитами радиально на немагнитной втулке ротора установлены диамагнитные вставки, выполненные в виде тонких ВТСП пластин из высокотемпературного сверхпроводникового материала (например иттриевой керамики YBCO).

Указанный технический результат обеспечивается тем, что в отличие от прототипа, представляющего собой синхронный ВТСП электродвигатель с ПМ на роторе, выполненными в виде массива чередующихся блоков постоянных магнитов с тангенциальной намагниченностью и секторов из магнитомягкого материала, выполняющих роль полюсов по отношению к якорю на статоре, в конструкции данного двигателя применены вставки из ВТСП керамики с относительной магнитной проницаемостью 0,2S

Предварительный анализ работы таких криогенных ВТСП электрических машин с постоянными магнитами и объемными ВТСП элементами в роторе показал, что при захолаживании машины жидким азотом ВТСП элементы переходят в сверхпроводящее состояние в магнитном поле, создаваемом ПМ ротора, тем самым как бы захватывая основной магнитный поток возбуждения (field cooling process - fc-process), создаваемый ПМ ротора. Таким образом, ВТСП элементы после захолаживания двигателя и перехода в сверхпроводящее состояние не оказывают в принципе влияния на основной магнитный поток возбуждения, определяемый системой ПМ машины. Однако по отношению к любым возмущениям магнитного потока, возникающим после перехода ВТСП керамики в сверхпроводящее состояние, ВТСП элемент представляет собой диамагнетик, экранирующий возмущения магнитного поля. В первую очередь это относится к магнитным полям, обусловленным реакцией якоря ВТСП синхронного двигателя. В результате этого изменяются индуктивные сопротивления реакции якоря по продольной и поперечной осям двигателя и улучшаются его энергетические и выходные характеристики.

Так, в предлагаемой полезной модели в условиях охлаждения жидким азотом ВТСП вставки, расположенные радиально вдоль продольной оси ротора d, являются диамагнетиком по отношению к магнитному потоку поперечной реакции якоря. Это позволяет существенно увеличить анизотропию магнитных свойств ротора машины, уменьшить индуктивное сопротивление по поперечной оси - xq.

Поперечный разрез синхронного ВТСП электродвигателя с тангенциальными постоянными магнитами показан на фиг.1.

Синхронный ВТСП электродвигатель с постоянными магнитами содержит: сердечник статора 1, выполненный шихтованным и имеющий пазы, распределенные по его внутренней поверхности, в которых размещена многофазная многополюсная обмотка 2, установленный на валу машины цилиндрический ротор 3, представляющий собой массив чередующихся блоков ПМ 4 с тангенциальным намагничиванием и секторов из магнитомягкого материала 5, установленных на втулке из немагнитного материала 6. В середине секторов из магнитомягкого материала установлены достаточно тонкие диамагнитные пластины из ВТСП керамики 7, размещенные вдоль оси полюсов ротора радиально на немагнитном валу 8 двигателя. Снаружи крепление ПМ осуществляется с помощью бандажа 9.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

При электромагнитном взаимодействии полюсов вращающегося магнитного поля статора и возбужденных полюсов ротора возникает момент, который будет вращать ротор с синхронной частотой. Возникающий вращающий момент складывается из двух составляющих. Одна составляющая определяется (как в прототипе) э.д.с., наведенной в обмотке статора магнитным потоком ПМ из редкоземельных материалов вращающегося ротора. Другая - существенной анизотропией магнитных свойств ротора по продольной d и поперечной q осям машины. Суммарный момент в предлагаемой полезной модели будет выше по сравнению с прототипом благодаря использованию диамагнитных ВТСП элементов, существенно увеличивающих магнитную анизотропию ротора.

Проведены проектные расчеты параметров трехфазного четырехполюсного ВТСП синхронного электродвигателя с объемными ВТСП элементами и тангенциальными постоянными магнитами, разработанного на основе данной полезной модели.

Расчеты показывают, что в синхронном ВТСП электродвигателе с тангенциальными ПМ обеспечивается также перевозбужденный режим работы двигателя (=E/U>1 - степень перевозбуждения электрической машины, Е - ЭДС, создаваемая магнитным потоком ПМ ротора, U - напряжение питания на якорной обмотке статора), что позволяет их использовать в режимах компенсатора.

На фиг.2 приведены соответствующие зависимости энергетических параметров от рабочего угла в ВТСП синхронном двигателе с тангенциальными магнитами при следующих вариантах конструктивного выполнения ротора: кривые 1 - секторы между ПМ выполнены из магнитомягкого ферромагнитного материала с высокой относительной магнитной проницаемостью (например, из стали 30ХГСА) (традиционная схема ротора синхронного двигателя с тангенциальными ПМ - прототип), кривые 2 - в секторах между ПМ имеются массивные вставки из немагнитного материала с µ S=1, кривые 3 - вставки из идеальной диамагнитной ВТСП керамики с µS=0. Видно, что использование диамагнитных ВТСП вставок приводит к значительному увеличению мощности ВТСП синхронного двигателя в номинальном режиме (45°) примерно на 50%, что связано с соответствующим изменением индуктивных сопротивлений. При этом максимум мощности смещается в сторону меньших (номинальных) значений рабочего угла .

Следует отметить, что масса исследуемого расчетного образца ВТСП синхронного двигателя порядка 12,6 кг, при этом его удельная масса (при номинальной мощности порядка 25 кВт) равна 0,5 кг/кВт. Это на 40-50% меньше, чем удельная масса традиционных синхронных двигателей с постоянными магнитами при тех же режимах охлаждения (жидким азотом) электродвигателя.

Результаты расчетного исследования показали, что использование в конструкции роторов синхронных двигателей с объемными ВТСП элементами на роторе и возбуждением от тангенциальных высокоэнергетичных постоянных магнитов ВТСП элементов позволит на 40-50% увеличить их выходную мощность, и тем самым, улучшить их удельные массовые показатели.

Следует отметить, что в последнее время имеется существенный прогресс в области создания достаточно тонких (порядка 0.3-0,5 мм) ВТСП элементов с высокими диамагнитными характеристиками (µS

Данный тип электрических двигателей, разработанный на основе предлагаемой полезной модели, предназначен для использования в электроприводах перспективных авиационно-космических комплексов, так как он удовлетворяет специфическим требованиям - высокая мощность и малые значения удельной массы единичного агрегата. По мнению авторов, совокупность существенных признаков рассматриваемой полезной модели необходима и достаточна для достижения заявленного технического результата.

Литература

1. А.В.Левин, И.И.Алексеев, Л.К.Ковалев, С.А.Харитонов. Электрический самолет: от идеи до реализации. М.: Машиностроение, 2010. - 288 с.

2. В.А.Балагуров, Ф.Ф.Галтеев. Электрические генераторы с постоянными магнитами - М.: Энергоатомиздат, 1998. - 280 с.

3. Д.А.Бут. Основы электромеханики - М.: Изд-во МАИ, 1996

4. Специальные электрические машины. Под ред. Б.Л.Алиевского. - М.: Энергоатомиздат, 1993. - 230 с.

5. Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины. T.1 и 2. - М: Издательский дом МЭИ, 2006.

6. Iijima Y., Kakimoto К. et al. Development of long Y-123 coated conductors by IBAD and PLD method. Proceedings of the 6-th European Conference on Applied Superconductivity (EUCAS-2003), September 2003, Sorrento, Italy.

Синхронный высокотемпературный сверхпроводниковый (ВТСП) электродвигатель с постоянными магнитами, содержащий статор с шихтованным сердечником, размещенную в его пазах многофазную многополюсную обмотку, цилиндрический ротор, состоящий из массива чередующихся блоков постоянных магнитов с тангенциальной намагниченностью и секторов из магнитомягкого материала, установленных на валу машины на втулке из немагнитного материала, отличающийся тем, что в середине секторов из магнитомягкого материала между постоянными магнитами радиально на немагнитной втулке ротора установлены вставки, выполненные в виде тонких диамагнитных пластин из высокотемпературного сверхпроводникового материала.

§89. Синхронный двигатель, принцип действия и устройство синхронного двигателя

Синхронный двигатель. Принцип действия и устройство. Синхронный двигатель может работать в качестве генератора и двигателя. Синхронный двигатель выполнен так же, как и синхронный генератор. Его обмотка якоря I (рис. 291, а) подключена к источнику трехфазного переменного тока; в обмотку возбуждения 2 подается от постороннего источника постоянный ток. Благодаря взаимодействию вращающегося магнитного поля 4, созданного трехфазной обмоткой якоря, и поля, созданного обмоткой возбуждения, возникает электромагнитный момент М (рис. 291,б), приводящий ротор 3 во вращение. Однако в синхронном двигателе в отличие от асинхронного ротор будет разгоняться до частоты вращения n = n1, с которой вращается магнитное поле (до синхронной частоты вращения). Объяс-

Рис. 291. Электрическая (а) и электромагнитная (б) схемы синхронного электродвигателя

няется это тем, что ток в обмотку ротора подается от постороннего источника, а не индуцируется в нем магнитным полем статора и, следовательно, не зависит от частоты вращения вала двигателя. Характерной особенностью синхронного двигателя является постоянная частота вращения его ротора независимо от нагрузки.

Электромагнитный момент. Электромагнитный момент в синхронном двигателе возникает в результате взаимодействия магнитного потока ротора (потока возбуждения Фв) с вращающимся магнитным полем, создаваемым трехфазным током, протекающим по обмотке якоря (потоком якоря Фв). При холостом ходе машины оси магнитных полей статора и ротора совпадают (рис. 292,а). Поэтому электромагнитные силы I, возникающие между «полюсами» статора и полюсами ротора, направлены радиально (рис. 292, б) и электромагнитный момент машины равен нулю. При работе машины в двигательном режиме (рис. 292, в и г) ее ротор под действием приложенного к валу внешнего нагрузочного момента Мвн смещается на некоторый угол 0 против направления вращения. В этом случае в результате электромагнитного взаимодействия между ротором и статором создаются электромагнитные силы I, направленные по направлению вращения, т. е. образуется вращающий электромагнитный момент М, который стремится преодолеть действие внешнего момента Мвн. Максимум момента Мmax
соответствует углу ? = 90°, когда оси полюсов ротора расположены между осями «полюсов» статора.

Если нагрузочный момент Мвн, приложенный к валу электродвигателя, станет больше Мmax, то двигатель под действием внешнего момента Мвн останавливается; при этом по обмотке якоря неподвижного двигателя будет протекать очень большой ток. Этот режим называется выпаданием из синхронизма, он является аварийным и не должен допускаться.

При работе машины в генераторном режиме (рис. 292, д и е) ротор под действием приложенного к валу внешнего момента Мвн смещается на угол ? по направлению вращения. При этом создаются электромагнитные силы, направленные против вращения, т. е. образуется тормозной электромагнитный момент М. Таким образом, при изменении значения и направления внешнего момента на валу ротора Мвн изменяется лишь угол ? между осями полей статора и ротора, в то время как в асинхронной машине в этом случае изменяется частота вращения ротора.

Пуск в ход и регулирование частоты вращения. Синхронный двигатель не имеет начального пускового момента. Если подключить обмотку якоря к сети переменного тока, когда ротор неподвижен, а по обмотке возбуждения проходит постоянный ток, то за один период изменения тока электромагнитный момент будет дважды менять свое направление, т. е. средний момент за период будет равен нулю. Следовательно, для пуска в ход синхронного двигателя необходимо разогнать его ротор с помощью внешнего момента до частоты вращения, близкой к синхронной. Для этой цели применяют метод асинхронного пуска. Синхронный двигатель пускают в ход как асинхронный, для чего его снабжают специальной короткозамкнутой пусковой обмоткой 3 (рис. 293). В полюсные наконечники ротора 2 синхронного двигателя закладывают медные или латунные стержни, замкнутые накоротко двумя торцовыми кольцами. Пусковая обмотка выполнена подобно беличьей клетке асинхронной машины, но занимает лишь часть окружности ротора. В некоторых двигателях специальная короткозамкнутая обмотка

Рис. 292. Электромагнитный момент в синхронной машине, образующийся в различных режимах

Рис. 293. Схема асинхронного пуска синхронного двигателя;

Рис. 294 Устройство пусковой обмотки синхронного двигателя: 1 — ротор; 2 — стержни; 3 — кольцо; 4 — обмотка возбуждения

Электродвигатель | Британника

Самый простой тип асинхронного двигателя показан на рисунке в разрезе. Трехфазный набор обмоток статора вставлен в пазы в железе статора. Эти обмотки могут быть подключены по схеме "звезда", обычно без внешнего подключения к нейтральной точке, или по схеме "треугольник". Ротор состоит из цилиндрического стального сердечника с проводниками, размещенными в пазах по всей поверхности. В наиболее обычной форме эти проводники ротора соединены вместе на каждом конце ротора токопроводящим концевым кольцом.

Основы работы асинхронного двигателя можно разработать, сначала предположив, что обмотки статора подключены к трехфазному источнику питания и что набор из трех синусоидальных токов, показанных на рисунке, протекает в обмотках статора. На этом рисунке показано влияние этих токов на создание магнитного поля через воздушный зазор машины в течение шести мгновений цикла. Для простоты показана только центральная токопроводящая петля для каждой фазной обмотки. В момент t 1 на рисунке, ток в фазе a является максимально положительным, а в фазах b и c - вдвое отрицательным.Результатом является магнитное поле с приблизительно синусоидальным распределением вокруг воздушного зазора с максимальным значением наружу вверху и максимальным значением внутрь внизу. В момент времени t 2 на рисунке (т. Е. Одна шестая цикла позже), ток в фазе c является максимально отрицательным, в то время как в фазе b и фазе a составляет половину значения положительный. Результат, как показано на рисунке для t 2 , снова представляет собой синусоидально распределенное магнитное поле, но повернутое на 60 ° против часовой стрелки.Исследование распределения тока для т 3 , т 4 , т 5 и т 6 показывает, что магнитное поле продолжает вращаться с течением времени. Поле совершает один оборот за один цикл токов статора. Таким образом, совокупный эффект трех равных синусоидальных токов, равномерно смещенных во времени и протекающих в трех обмотках статора, равномерно смещенных в угловом положении, должен создать вращающееся магнитное поле с постоянной величиной и механической угловой скоростью, которая зависит от частоты электроснабжение.

Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

Вращательное движение магнитного поля относительно проводников ротора вызывает индуцирование напряжения в каждом из них, пропорциональное величине и скорости поля относительно проводников. Поскольку проводники ротора закорочены вместе на каждом конце, в результате в этих проводниках будут протекать токи. В простейшем режиме работы эти токи будут примерно равны индуцированному напряжению, деленному на сопротивление проводника.На этом рисунке показана диаграмма токов ротора для мгновенного t 1 рисунка. Видно, что токи приблизительно синусоидально распределены по периферии ротора и расположены так, чтобы создавать вращающий момент против часовой стрелки на роторе (то есть вращающий момент в том же направлении, что и вращение поля). Этот крутящий момент ускоряет ротор и вращает механическую нагрузку. По мере увеличения скорости вращения ротора его скорость относительно скорости вращающегося поля уменьшается.Таким образом, индуцированное напряжение снижается, что приводит к пропорциональному уменьшению тока в проводнике ротора и крутящего момента. Скорость ротора достигает постоянного значения, когда крутящий момент, создаваемый токами ротора, равен крутящему моменту, необходимому на этой скорости для нагрузки, без избыточного крутящего момента, доступного для ускорения объединенной инерции нагрузки и двигателя.

Вращающееся поле и токи, которые оно создает в короткозамкнутых проводниках ротора.

Британская энциклопедия, Inc.

Механическая выходная мощность должна обеспечиваться входной электрической мощностью. Первоначальных токов статора, показанных на рисунке, достаточно для создания вращающегося магнитного поля. Чтобы поддерживать это вращающееся поле в присутствии токов ротора, показанных на рисунке, необходимо, чтобы обмотки статора несли дополнительную составляющую синусоидального тока такой величины и фазы, чтобы нейтрализовать влияние магнитного поля, которое в противном случае могло бы возникнуть. токами ротора на рисунке.Общий ток статора в каждой фазной обмотке складывается из синусоидальной составляющей для создания магнитного поля и другой синусоиды, опережающей первую на четверть цикла, или 90 °, для обеспечения необходимой электроэнергии. Вторая, или силовая, составляющая тока находится в фазе с напряжением, приложенным к статору, в то время как первая, или намагничивающая, составляющая отстает от приложенного напряжения на четверть цикла или 90 °. При номинальной нагрузке эта намагничивающая составляющая обычно находится в диапазоне 0.От 4 до 0,6 величины силовой составляющей.

Большинство трехфазных асинхронных двигателей работают с обмотками статора, подключенными непосредственно к трехфазному источнику питания постоянного напряжения и постоянной частоты. Типичное напряжение питания находится в диапазоне от 230 вольт между фазами для двигателей относительно небольшой мощности (например, от 0,5 до 50 киловатт) до примерно 15 киловольт между фазами для двигателей большой мощности до примерно 10 мегаватт.

За исключением небольшого падения напряжения на сопротивлении обмотки статора, напряжение питания согласуется со скоростью изменения магнитного потока в статоре машины во времени.Таким образом, при питании с постоянной частотой и постоянным напряжением величина вращающегося магнитного поля остается постоянной, а крутящий момент примерно пропорционален силовой составляющей тока питания.

В асинхронном двигателе, показанном на предыдущих рисунках, магнитное поле вращается на один оборот за каждый цикл частоты питания. Для источника с частотой 60 Гц скорость поля составляет 60 оборотов в секунду или 3600 оборотов в минуту. Скорость ротора меньше скорости поля на величину, достаточную для того, чтобы индуцировать необходимое напряжение в проводниках ротора для создания тока ротора, необходимого для момента нагрузки.При полной нагрузке скорость обычно на 0,5–5 процентов ниже скорости поля (часто называемая синхронной скоростью), причем более высокий процент применяется к двигателям меньшего размера. Эта разница в скорости часто называется скольжением.

Другие синхронные скорости могут быть получены с источником постоянной частоты путем создания машины с большим количеством пар магнитных полюсов, в отличие от двухполюсной конструкции, показанной на рисунке. Возможные значения скорости магнитного поля в оборотах в минуту: 120 f / p , где f - частота в герцах (циклов в секунду), а p - количество полюсов (которое должно быть четное число).Данный железный каркас может быть намотан для любого из нескольких возможных количеств пар полюсов с помощью катушек, охватывающих угол приблизительно (360/ p ) °. Крутящий момент, доступный от рамы машины, останется неизменным, поскольку он пропорционален произведению магнитного поля и допустимого тока катушки. Таким образом, номинальная мощность рамы, являющаяся произведением крутящего момента и скорости, будет примерно обратно пропорциональна количеству пар полюсов. Наиболее распространенные синхронные скорости для двигателей с частотой 60 Гц - 1800 и 1200 оборотов в минуту.

Синхронный двигатель - производство и работа

Синхронный двигатель и асинхронный двигатель являются наиболее широко используемыми типами двигателей переменного тока. Конструкция синхронного двигателя аналогична генератору переменного тока. Та же самая синхронная машина может использоваться как синхронный двигатель или как генератор переменного тока. Синхронные двигатели доступны в широком диапазоне, обычно мощностью от 150 кВт до 15 МВт со скоростью от 150 до 1800 об / мин.

Конструкция синхронного двигателя

Конструкция синхронного двигателя (с явнополюсным ротором) показана на рисунке слева.Как и любой другой двигатель, он состоит из статора и ротора. Сердечник статора изготовлен из тонкой кремниевой пластинки и изолирован поверхностным покрытием, чтобы минимизировать потери на вихревые токи и гистерезис. Внутри статора имеются осевые пазы, в которых размещена трехфазная обмотка статора. Статор намотан трехфазной обмоткой на определенное количество полюсов, равное полюсам ротора.

Ротор в синхронных двигателях в основном является явнополюсным. Питание постоянного тока на обмотку ротора подается через контактные кольца.Постоянный ток возбуждает обмотку ротора и создает электромагнитные полюса. В некоторых случаях также можно использовать постоянные магниты. На рисунке выше очень кратко проиллюстрирована конструкция синхронного двигателя .

Работа синхронного двигателя

Статор намотан на такое же количество полюсов, что и ротор, и питается от трехфазного источника переменного тока. Трехфазный источник переменного тока создает вращающееся магнитное поле в статоре. Обмотка ротора питается от источника постоянного тока, который намагничивает ротор.Рассмотрим двухполюсную синхронную машину , как показано на рисунке ниже.
  • Теперь полюса статора вращаются с синхронной скоростью (скажем, по часовой стрелке). Если положение ротора таково, что полюс N ротора находится рядом с полюсом N статора (как показано на первой схеме на рисунке выше), то полюса статора и ротора будут отталкиваться друг от друга, и создаваемый крутящий момент будет против часовой стрелки .
  • Полюса статора вращаются с синхронной скоростью, они вращаются очень быстро и меняют свое положение.Но очень скоро ротор не сможет вращаться на тот же угол (из-за инерции), и следующая позиция, вероятно, будет второй схемой на приведенном выше рисунке. В этом случае полюса статора будут притягивать полюса ротора, и создаваемый крутящий момент будет направлен по часовой стрелке.
  • Следовательно, на ротор будет действовать быстро меняющийся крутящий момент, и двигатель не запустится.
Но если ротор вращается до синхронной скорости статора с помощью внешней силы (в направлении вращающегося поля статора), и поле ротора возбуждается около синхронной скорости, полюса статора будут продолжать притягиваться. противоположные полюса ротора (поскольку ротор теперь также вращается вместе с ним, и положение полюсов будет одинаковым на протяжении всего цикла).Теперь ротор будет испытывать однонаправленный крутящий момент. Противоположные полюса статора и ротора заблокируются друг с другом, и ротор будет вращаться с синхронной скоростью.

Характерные особенности синхронного двигателя

  • Синхронный двигатель будет работать либо с синхронной скоростью, либо не будет работать вообще.
  • Единственный способ изменить его скорость - это изменить его частоту питания. (Поскольку Ns = 120f / P)
  • Синхронные двигатели не запускаются автоматически. Им нужна некоторая внешняя сила, чтобы приблизить их к синхронной скорости.
  • Могут работать с любым коэффициентом мощности, как с отставанием, так и с опережением. Следовательно, синхронные двигатели могут использоваться для улучшения коэффициента мощности.

Применение синхронного двигателя

  • Поскольку синхронный двигатель может работать как с опережающим, так и с запаздывающим коэффициентом мощности, его можно использовать для улучшения коэффициента мощности. Синхронный двигатель без нагрузки с опережающим коэффициентом мощности подключается к энергосистеме, в которой нельзя использовать статические конденсаторы.
  • Используется там, где требуется высокая мощность при низкой скорости.Такие как прокатные станы, измельчители, смесители, насосы, насосы, компрессоры и т. Д.
Трехфазный синхронный двигатель

| Строительство | Рабочая | Способы пуска

В этой статье мы подробно рассмотрели конструкцию трехфазного синхронного двигателя, принцип работы, методы пуска и применения:

Трехфазный синхронный двигатель не имеет пускового момента. Он должен быть увеличен до скорости или как можно ближе к ней с помощью каких-либо других средств, чтобы он мог привести себя в синхронизм.

После набора скорости поле ротора может быть возбуждено постоянным током, и ротор, по сути, затем перемещается с той же скоростью, что и трехфазное поле статора. Его скорость синхронизирована со скоростью поля статора. Он принципиально отличается от асинхронного двигателя , где вращающееся поле статора противодействует индуцированному полю ротора. Это заставляет ротор вращаться, но с некоторым проскальзыванием, тогда как в синхронном двигателе проскальзывания быть не может, просто «свисает» из-за нагрузки, приложенной к машине.Это проиллюстрировано на Рис. 1 и показано как угол крутящего момента. Если нагрузка становится слишком большой для синхронного двигателя, он немедленно выходит из синхронизма и останавливается.

Рисунок 1 Относительное положение магнитных полей статора и ротора

Конструкция синхронного двигателя

Статор

Статор имеет трехфазную обмотку и того же типа, что и в генераторе или Индукционный двигатель.

Когда эта обмотка запитана переменным током, она создает магнитный поток, который вращается со скоростью, называемой синхронной скоростью. Это та же скорость, с которой синхронная машина должна была бы приводиться в движение, чтобы генерировать переменное напряжение с частотой сети.

Скорость вращающегося магнитного поля может быть получена по следующей формуле:

Ротор

Хотя конструкция ротора генератора аналогична конструкции, он обычно изготавливается с выступающими полюсами.При возбуждении постоянным током он создает чередующиеся северный и южный магнитные полюса, которые притягиваются к полюсам статора.

Принцип работы

Синхронный двигатель работает по принципу магнитного притяжения между двумя магнитными полями противоположной полярности; один - вращающееся магнитное поле статора, а другой - магнитное поле ротора.

Синхронный двигатель имеет крутящий момент только при синхронной скорости, поэтому необходимо предпринять специальные меры, чтобы двигатель набрал скорость и синхронизировался с источником питания.Затем два магнитных поля вращаются с одинаковой скоростью и сцепляются друг с другом.

Влияние нагрузки на синхронный двигатель

Когда синхронный двигатель работает без нагрузки, относительные положения полюсов статора и ротора совпадают (см. Рисунок 1 (a) ).

При приложении нагрузки ротор должен продолжать вращаться с синхронной скоростью, но из-за замедляющего действия нагрузки полюс ротора отстает от полюса статора.Их относительное положение смещено на угол a, который называется «крутящим моментом» или «углом нагрузки» (см. Рисунок 1 (b) ). Чем больше прилагаемая нагрузка, тем больше угол крутящего момента.

Магнитная связь между каждым полюсом статора и ротора искажается в зависимости от приложенной нагрузки. Если нагрузка на двигатель становится чрезмерной, магнитная муфта разрывается, и ротор замедляется до полной остановки.

Когда двигатель вращается с синхронной скоростью, с фиксированным возбуждением постоянного тока в обмотках ротора, магнитный поток ротора разрезает обмотки статора, вызывая напряжение в каждой фазной обмотке.По закону Ленца это напряжение противостоит приложенному напряжению. Фазовое соотношение между этим индуцированным напряжением и приложенным напряжением зависит от относительного положения каждого полюса статора и ротора, которые, в свою очередь, зависят от нагрузки, приложенной к двигателю.

На примере идеального синхронного двигателя без потерь мы можем изучить работу без нагрузки. Пренебрегая потерями в двигателе, на холостом ходу угол крутящего момента равен нулю, поэтому индуцированное напряжение В g и приложенное напряжение В равны и противоположны.Результирующее напряжение В R на обмотках равно нулю, поэтому ток, потребляемый от источника питания, также равен нулю. Это проиллюстрировано векторами на Рис. 2 (a) .

Рисунок 2 Влияние нагрузки на сетевой ток при постоянном возбуждении

Когда на двигатель подается небольшая нагрузка, угол момента α увеличивается, а индуцированное напряжение В g в обмотках статора теперь (180 - α) ° E в противофазе с приложенным напряжением В (см. Рисунок 2 (b) ).

Эти два напряжения объединяются, чтобы создать эффективное напряжение В R на обмотках статора, которого достаточно для отвода тока I от источника питания. Из-за относительно высокой индуктивности обмоток статора линейный ток I в каждой обмотке отстает от каждого результирующего напряжения В R почти на 90 ° E. Это приводит к тому, что линейный ток I отстает от приложенного напряжения на Φ.

По мере увеличения нагрузки увеличивается угол крутящего момента.Это вызывает увеличение результирующего напряжения на В R на каждой обмотке статора (см. Рисунок 2 (c) ). Из-за увеличения значения В R линейный ток I увеличивается, а также увеличивается фазовый угол Φ между приложенным напряжением В и линейным током I . Следовательно, при фиксированном возбуждении любое увеличение нагрузки синхронного двигателя вызовет увеличение линейного тока при более низком коэффициенте мощности.

Эффект возбуждения переменного поля

Если нагрузка, приложенная к синхронному двигателю, постоянна, входная мощность двигателя также постоянна. Когда возбуждение поля ротора изменяется, индуцированное напряжение в каждой обмотке статора также изменяется.

Векторная диаграмма на рисунке Рисунок 3 (a) на обороте представляет условия для данной нагрузки при единичном коэффициенте мощности. Потребляемая мощность на фазу составляет VI 1 . Если возбуждение поля ротора уменьшается, индуцированное напряжение В g уменьшается (см. Рисунок 3 (b) ).Это приводит к тому, что линейный ток I 2 отстает от приложенного напряжения В на Φ 2 .

Поскольку нагрузка и, следовательно, потребляемая мощность постоянны, составляющая мощности I 2 должна оставаться такой же, как I 1 in Рисунок 3 (a) . Линейный ток I 2 должен увеличиваться, чтобы приспособиться к запаздывающему коэффициенту мощности. Следовательно, уменьшение возбуждения постоянного поля вызывает увеличение линейного тока и запаздывающий коэффициент мощности.

Рисунок 3 Эффект изменения возбуждения постоянным током

Если возбуждение постоянным током увеличивается, индуцированное напряжение В g увеличивается (см. Рисунок 3 (c)). Таким образом, линейный ток I 3 будет опережать приложенное напряжение В на Φ 3 , а также будет больше, чем I 1 в Рис. то же, за счет того, что нагрузка остается постоянной.Следовательно, увеличение возбуждения постоянного тока вызывает увеличение линейного тока и ведущего коэффициента мощности.

Можно увидеть, что если возбуждение синхронного двигателя при постоянной нагрузке изменяется от низкого до более высокого значения, то:

1. Ток статора постепенно уменьшается, достигает минимума, а затем снова увеличивается

2. Коэффициент мощности, сначала отстающий, постепенно увеличивается, становится единым, когда ток статора минимален, а затем снова уменьшается, но становится опережающим.

Следует соблюдать осторожность при настройке возбуждения синхронного двигателя. Есть пределы, до которых его можно безопасно принять.

Чрезмерное возбуждение и недовозбуждение может привести к нестабильности синхронного двигателя. Как только эти пределы превышены, мощность, производимая двигателем, уменьшается, и опасность перегрузки становится неизбежной, поскольку машина превышает свои проектные пределы.

Наиболее очевидная ситуация - это одна из недовозбуждения , где магнитная связь между вращающимся полем и ротором настолько ослаблена, что нагрузка превышает крутящий момент двигателя, и она теряет синхронность.

Избыточное возбуждение создает ситуацию, когда линейный ток и механическая нагрузка превышают номинальную полную нагрузку машины, и магнитная связь становится настолько жесткой, что изменения нагрузки вызывают чрезмерные механические напряжения на валу двигателя.

Охота в синхронных двигателях

Изменение нагрузки на синхронный двигатель вызывает изменение значения угла крутящего момента (см. Рисунок 1 ). В общем, инерция ротора препятствует мгновенному переходу к новым условиям, в результате чего ротор смещается за точку равновесия и затем должен сам исправляться.

В то время как ротор и вращающееся поле в статоре все еще вращаются с синхронной средней скоростью, изменение нагрузки на ротор вызывает периодические колебания вокруг точки равновесия. Эти всплески или колебания вызывают нежелательные колебания линейного тока двигателя.

Обычный метод гашения этих скачков - использование демпферной обмотки, называемой амортизирующей обмоткой . Он состоит из медных шин, встроенных в полюсные поверхности ротора и закороченных на каждом конце (см. Рисунок 4).Любой скачок напряжения вызывает наведенное напряжение в медных шинах. В результате создается магнитное поле, противодействующее эффекту помпажа.

Рисунок 4 Выступающий полюс с обмотками амортизатора

Часто закорачивающие стержни удлиняются вокруг ротора, что приводит к обмотке ротора типа «беличья клетка» вокруг выступающих полюсов. Демпфируя любую тенденцию ротора к сбою, они также могут способствовать запуску двигателя, действуя как секции обмотки с короткозамкнутым ротором.Фактически эта обмотка позволяет запускать двигатель как асинхронный.

Применение синхронных двигателей

Коррекция коэффициента мощности

Возможность регулировки коэффициента мощности синхронного двигателя во время его работы может быть успешно использована в промышленности как средство коррекции коэффициент мощности нагрузок, питаемых от сети установки.

Синхронный двигатель может работать без нагрузки, но чаще он используется для привода какого-либо оборудования, необходимого для работы установки; например, воздушные или гидравлические компрессоры, высокочастотные генераторы переменного тока, большие вентиляторы и воздуходувки или системы подачи воды под высоким давлением.

Дополнительным преимуществом может быть экономический стимул, предлагаемый распределительными организациями для обеспечения определенного минимального значения коэффициента мощности в установке. Например, плата за кВтч может быть уменьшена, если коэффициент мощности не упадет ниже 0,75 или подобного Рисунок . В тех случаях, когда распределяется большая мощность и требуется коррекция коэффициента мощности, специально разработанные синхронные двигатели работают без подключенной нагрузки. В этих условиях синхронный двигатель с избыточным возбуждением называется «синхронным конденсатором» или «конденсатором».

Контроль напряжения

Важным применением является контроль напряжения на линиях передачи . Синхронные двигатели устанавливаются в подходящих местах вдоль линии, и их возбуждение регулируется по желанию, чтобы заставить их потреблять запаздывающие или опережающие токи для повышения или понижения напряжения. Когда синхронные двигатели устанавливаются в этих условиях, повышается стабильность напряжения в линии передачи.

Низкоскоростные приводы

Синхронный двигатель имеет хороший КПД, а на низких скоростях его высокая начальная стоимость адекватно компенсируется сравнительно более низкими эксплуатационными расходами.На низких скоростях асинхронный двигатель имеет снижающийся КПД, в то время как синхронный двигатель сохраняет высокий КПД.

Головки для дробления горных пород и руды

Для этого применения требуется дробильная головка, которая движется очень медленно и имеет очень тяжелый вращающийся маховик для обеспечения кинетической энергии при внезапных ударных нагрузках на дробящую головку.

Способы пуска синхронных двигателей

Вспомогательные двигатели

Некоторые синхронные двигатели оснащены специальным двигателем, предназначенным для использования только в период пуска.Вспомогательный двигатель приводит синхронный двигатель в движение до определенной скорости, на которой он сначала синхронизируется, а затем подключается к источнику питания. Это дорогостоящий метод, особенно если требуются высокие пусковые моменты.

Запуск асинхронного двигателя

В этом методе пониженное линейное напряжение подается на обмотки статора, а обмотка постоянного тока на роторе закорачивается. С помощью обмоток амортизатора вся машина ведет себя как асинхронный двигатель, разгоняясь до скорости немного ниже синхронизма.

В надлежащее время короткое замыкание устраняется с обмотки ротора, на обмотку ротора подается постоянный ток, а на обмотку статора подается полное линейное напряжение. Поскольку скорость лишь немного меньше синхронной скорости, поле ротора может синхронизироваться с полем статора и ускоряться до синхронизма.

Синхронный двигатель - обзор

Коэффициент мощности для переменного тока

Коэффициент мощности - это коэффициент, на который умножается кажущаяся мощность в кВА для получения фактической мощности, кВт, в системе переменного тока.Это отношение синфазной составляющей линейного тока к общему току [39].

В асинхронных двигателях намагничивающая составляющая тока всегда отстает на 90 °. Следовательно, линейный ток отстает при всех нагрузках; величина зависит от нагрузки тока намагничивания.

В синхронных двигателях возбуждение обеспечивается отдельным источником постоянного тока, либо в виде отдельной мотор-генераторной установки (M-G), либо в виде возбудителя, установленного непосредственно на валу двигателя. Ток можно заставить опережать в разной степени, изменяя величину напряженности поля.Коэффициент мощности двигателей может быть отстающим, единичным или опережающим. При использовании переменного тока потребляемая мощность, называемая активной или фактической мощностью , считается энергией, используемой резистивной нагрузкой [40]. Синхронный двигатель обеспечивает единицу или опережающий фактор, а асинхронный двигатель обеспечивает единицу или запаздывающий фактор.

Применяя надлежащую величину возбуждения постоянного тока к полюсам возбуждения синхронного двигателя, он работает с единичным коэффициентом мощности. Синхронные двигатели с коэффициентом мощности Unity предназначены для работы именно таким образом.Полная нагрузка, с возбуждением, они не требуют от линии отставания реактивной кВА, а также не подают в линию опережающую реактивную кВА; они работают с единичным коэффициентом мощности с минимальным током статора и, следовательно, с самым высоким КПД [15].

Проконсультируйтесь с квалифицированным инженером-электриком о типах двигателей, предлагаемых для технологического предприятия; такая оценка сочетания синхронных и асинхронных двигателей поможет определить новый коэффициент мощности для установки, потому что чистый коэффициент запаздывания для станций означает, что вся мощность для этой установки будет стоить больше, чем если бы коэффициент был единичным или опережающим.Из Brown and Cadick [40]:

Полная мощность = EI, или ВА, или кВА

Активная мощность = EICosθ, или Вт, или кВт

Примечание: θ = угол вектора тока между полной и активной мощностью на векторной диаграмме

Реактивная мощность = EISinθ, или VAR, или kVAR

Расчетный коэффициент мощности:

F p = активная мощность / полная мощность

F p = EICosθ / (EI) = cosθ

F p = Вт / (ВАр) = (кВт) / (кВАр)

Обратите внимание, что реактивная мощность предъявляет требования к энергосистеме, но не создает никакой полезной работы.

(20-13) Номинальная мощность двигателяVA = (л.с.) (0,746) (Eff) (powerfactor)

Плата за электроэнергию основана на потребляемой мощности в кВАр; таким образом, чем ниже коэффициент мощности, тем выше плата за потребление. См. Полезные обсуждения этого вопроса в Планкенхорне [41], Валода [42] и Лазаре [43]. Плата за электроэнергию зависит от требований VAR; таким образом, чем ниже коэффициент мощности, тем выше плата за потребление.

На большинстве технологических предприятий необходимо соблюдать осторожность, чтобы поддерживать подходящий коэффициент мощности для своей системы, в противном случае может быть наложен штраф на затраты на электроэнергию.Если коэффициент мощности падает ниже некоторого установленного значения, например 0,8, затраты на электроэнергию увеличиваются, потому что фактическая мощность (в виде тока), необходимая для работы (в лошадиных силах), значительно меньше, чем общая мощность, подаваемая в систему установки. Разница в том, что он попадает в поле намагничивания (реактивный ток), что не соответствует реальной работе. Добавляя синхронные двигатели или конденсаторы к системе с полностью индуктивной нагрузкой, вы можете поднять коэффициент мощности с запаздывающего состояния до единицы (или почти до единицы). Синхронные двигатели могут быть спроектированы так, чтобы обеспечивать переменные величины опережающего коэффициента мощности.Это исследование или баланс, который необходимо учитывать при проектировании станции, а рекомендации должны быть подготовлены компетентными инженерами-электриками.

Обычно коэффициент мощности синхронного двигателя равен единице (1,0) или 0,8. Значения опережения 0,7 или 0,6 дадут большую коррекцию опережения для другой запаздывающей системы.

Рисунок 20-13 иллюстрирует работу с коэффициентом мощности для различных типов оборудования.

Рисунок 20-13. Коэффициент мощности различных устройств и то, как синхронные двигатели улучшают коэффициент мощности.

(Используется с разрешения: EM Synchronizer, 200-SYN-42, © 1955. Dresser-Rand Company.)

Асинхронному двигателю обычно требуется от 0,3 до 0,6 реактивного намагничивания кВА на л.с. или рабочую нагрузку, но опережающую мощность 0,8. Синхронный двигатель с коэффициентом усиления будет обеспечивать мощность от 0,4–0,6 кВА корректирующего намагничивания на л.с. в зависимости от переносимой механической нагрузки. Таким образом, равные подключенные л.с. в асинхронных двигателях и синхронных двигателях с опережающим коэффициентом мощности 0,8 приведут к коэффициенту мощности системы, приблизительно равному единице [39].

(20–14) реактивная, кВА = (totalalkVA) 2– (кВт) 2

Это всегда запаздывание для асинхронного двигателя. Для синхронного двигателя с коэффициентом мощности (PF) = 1,0 кВА и кВт равны, а для любого коэффициента мощности меньше 1,0, то есть 0,9, 0,8, 0,7 и т. Д., Коэффициент мощности является опережающим. Также см. Ссылки [44–46].

Что такое синхронный двигатель? - Определение, конструкция, работа и ее особенности

Определение: Двигатель, работающий с синхронной скоростью, известен как синхронный двигатель.Синхронная скорость - это постоянная скорость, при которой двигатель создает электродвижущую силу . Синхронный двигатель используется для преобразования электрической энергии в механическую.

Конструкция синхронного двигателя

Статор и ротор - две основные части синхронного двигателя. Статор становится неподвижным и несет на себе обмотку якоря двигателя. Обмотка якоря является основной обмоткой, из-за которой в двигателе индуцируется ЭДС .Вращатель несет обмотки возбуждения. В роторе индуцируется основной поток поля. Ротор имеет две конструкции: ротор с явнополюсным ротором и ротор с явнополюсным ротором.

Синхронный двигатель использует явнополюсный ротор. Слово выступ означает, что полюса ротора выступают в сторону обмоток якоря . Ротор синхронного двигателя выполнен из листовой стали. Пластины уменьшают потери на вихревые токи, возникающие в обмотке трансформатора.Ротор с явнополюсным ротором в основном используется для создания средне- и тихоходных двигателей. Для получения в двигателе используется высокоскоростной цилиндрический ротор.

Работающий синхронный двигатель

Статор и ротор - две основные части синхронного двигателя. Статор - это неподвижная часть, а ротор - это вращающаяся часть машины. На статор двигателя подается трехфазный переменный ток.

Статор и ротор возбуждаются отдельно. Возбуждение - это процесс создания магнитного поля на частях двигателя с помощью электрического тока.

Когда на статор подается трехфазное питание, между статором и зазором ротора возникает вращающееся магнитное поле. Поле с подвижной полярностью известно как вращающееся магнитное поле. Вращающееся магнитное поле возникает только в многофазной системе. Из-за вращающегося магнитного поля на статоре развиваются северный и южный полюса.

Ротор возбуждается источником постоянного тока. Источник постоянного тока индуцирует северный и южный полюса ротора.Поскольку питание постоянного тока остается постоянным, магнитный поток на роторе остается неизменным. Таким образом, поток имеет фиксированную полярность. Северный полюс развивается на одном конце ротора, а южный - на другом.

Переменный ток синусоидальный. Полярность волны меняется в каждом полупериоде, т.е. волна остается положительной в первой половине цикла и становится отрицательной во второй половине цикла. Положительный и отрицательный полупериод волны развивает северный и южный полюса статора соответственно.

Когда ротор и статор имеют одинаковые полюса на одной стороне, они отталкиваются друг от друга. Если у них противоположные полюса, они притягиваются друг к другу. Это легко понять с помощью рисунка, показанного ниже: Ротор притягивается к полюсу статора в течение первого полупериода питания и отталкивается во втором полуцикле. Таким образом, ротор начинает пульсировать только в одном месте. Это причина, по которой синхронный двигатель не запускается автоматически.

Первичный двигатель используется для вращения двигателя. Первичный двигатель вращает ротор с синхронной скоростью. Синхронная скорость - это постоянная скорость машины, значение которой зависит от частоты и числа полюсов машины.

Когда ротор начинает вращаться с синхронной скоростью, первичный двигатель отключается от двигателя. И питание постоянного тока подается на ротор, из-за чего на их концах развиваются северный и южный полюс

Северный и южный полюса ротора и статора взаимно блокируются.Таким образом, ротор начинает вращаться со скоростью вращающегося магнитного поля. И двигатель работает с синхронной скоростью. Скорость двигателя можно изменить только путем изменения частоты источника питания.

Основные характеристики синхронного двигателя

  • Скорость синхронного двигателя не зависит от нагрузки, т.е. изменение нагрузки не влияет на скорость двигателя.
  • Синхронный двигатель не запускается автоматически. Первичный двигатель используется для вращения двигателя с синхронной скоростью.
  • Синхронный двигатель работает как с опережающим, так и с запаздывающим коэффициентом мощности.

Синхронный двигатель также может запускаться с помощью демпферных обмоток.

Типы синхронных двигателей: полное описание

- Реклама -

Добро пожаловать в блог Linquip. Сегодня и в этой статье мы рассмотрим типы синхронных двигателей. Как вы, возможно, знаете, обычно в электрическом строительстве могут быть два основных типа наиболее часто используемых двигателей.Электрическая система может получить выгоду от одного из этих электродвигателей. Первый называется синхронным двигателем, а второй - асинхронным. Мы объясним различия между этими двумя электродвигателями позже и в другой статье. Здесь мы только обсудим типы синхронных двигателей и поговорим об их особенностях.

Чтобы получить обзор того, с чем вы столкнетесь в этой статье, мы должны сказать, что для тех, кто не знаком с синхронным двигателем, мы подготовили простое определение того, что это такое и как он работает очень кратко и кратко.В третьем разделе этой статьи мы собираемся подробнее рассказать о различных типах синхронных двигателей и о том, чем они отличаются по конструкции и принципу действия.

Наша команда собрала всю необходимую информацию по этой теме, чтобы избавиться от необходимости читать разноплановый контент на других веб-сайтах. Оставайтесь с нами до конца, чтобы найти ответ на свой вопрос по этой теме. Впереди у нас долгий путь, так что сделайте глубокий вдох, сядьте поудобнее и продолжайте читать эту статью до конца.

Что такое синхронный двигатель?

Электродвигатели - это электромеханические устройства, преобразующие электрическую энергию в механическую.По типу ввода они подразделяются на однофазные и трехфазные двигатели. Наиболее распространенными типами трехфазных двигателей являются синхронные двигатели и асинхронные двигатели. Когда трехфазные электрические проводники размещаются в определенных геометрических положениях, то есть под определенным углом друг к другу, создается электрическое поле. Вращающееся магнитное поле вращается с определенной скоростью, известной как синхронная скорость.

Если в этом вращающемся магнитном поле присутствует электромагнит, то электромагнит магнитно блокируется этим вращающимся магнитным полем и вращается с той же скоростью, что и вращающееся поле.Вот почему мы называем этот тип двигателей синхронными двигателями, поскольку скорость ротора двигателя такая же, как и вращающееся магнитное поле.

Подробнее о синхронных двигателях Linquip

: определение, принцип работы, типы и применение

Общая конструкция синхронных двигателей

В предыдущем разделе мы говорили о том, что такое синхронный двигатель и почему он называется синхронным. Фактически, это было введение для тех, кто не знаком с синхронными двигателями.В этом разделе мы кратко обсудим общую структуру синхронных двигателей, а после этого раздела мы перейдем к основной истории, то есть к типам синхронных двигателей.

Статор и ротор являются двумя основными частями синхронного двигателя. Статор становится неподвижным и несет на себе обмотку якоря двигателя. Обмотка якоря является основной обмоткой, из-за которой в двигателе индуцируется ЭДС. Вращатель несет на себе обмотки возбуждения, и в роторе индуцируется основной поток поля.Ротор имеет две конструкции: ротор с явнополюсным ротором и ротор с невыпадающими полюсами.

В синхронном двигателе используется ротор с явнополюсным ротором. Слово выступ означает, что полюса ротора направлены к обмоткам якоря. Ротор синхронного двигателя выполнен из листовой стали. Но почему в роторе используются стальные листы? Пластины уменьшают потери на вихревые токи, возникающие в обмотке трансформатора. Ротор с явнополюсным ротором в основном используется для создания средне- и тихоходных двигателей.Для получения в двигателе используется высокоскоростной цилиндрический ротор.

Типы синхронных двигателей

Что ж, теперь, когда у всех нас есть хорошее представление о синхронных двигателях, лучше сразу перейти к сути вопроса. Синхронные двигатели можно разделить на два типа в зависимости от того, как намагничен ротор.

  1. Синхронные двигатели без возбуждения
  2. Синхронные двигатели с постоянным током (DC) с возбуждением.

Сначала мы будем иметь дело с синхронными двигателями без возбуждения и их подгруппами и различными конструкциями, а затем мы будем иметь дело с синхронными двигателями с возбуждением от постоянного тока (DC).

1) Невозбужденный синхронный двигатель

В этом типе ротор изготовлен из стали с высокой удерживающей способностью, такой как кобальтовая сталь. На синхронной скорости он вращается с вращающимся магнитным полем статора, поэтому через него проходит почти постоянное магнитное поле. Из-за полевого взаимодействия статора с ротором он становится электромагнитом, и у него есть северный и южный полюса, которые взаимодействуют с полюсами поля статора, таким образом, ротор перемещается.

Синхронные двигатели этого типа делятся на три категории и доступны в трех исполнениях, каждая из которых имеет уникальные особенности:

  1. Синхронные двигатели с гистерезисом
  2. Реактивные синхронные двигатели
  3. Синхронные двигатели с постоянными магнитами
A) Гистерезисные синхронные двигатели Двигатели

Двигатели с гистерезисом представляют собой однофазные двигатели с ротором из ферромагнитного материала.Роторы обладают высокими потерями на гистерезис. Они состоят из хрома, кобальтовой стали или алнико. Они самозапускаются и не нуждаются в дополнительной намотке. Он имеет широкую петлю гистерезиса, что означает, что он намагничивается в заданном направлении; для изменения намагниченности требуется большое обратное магнитное поле.

B) Синхронные двигатели с сопротивлением

Вторая конструкция синхронных двигателей без возбуждения - это сопротивление, которое всегда минимально, когда кусок железа вращается для завершения пути магнитного потока.Сопротивление увеличивается с увеличением угла между ними, когда полюса совмещены с магнитным полем статора. Это создаст крутящий момент, вынуждающий ротор выровняться с полюсом рядом с полем статора. В полюса ротора обычно встроена обмотка с короткозамкнутым ротором, чтобы обеспечить крутящий момент ниже синхронной скорости для запуска двигателя.

C) Синхронные двигатели с постоянными магнитами

Двигатель с постоянными магнитами использует постоянные магниты в стальном роторе для создания постоянного магнитного потока.Ротор блокируется, когда скорость близка к синхронной. Обмотка статора подключена к источнику переменного тока для создания вращающегося магнитного поля. Двигатели с постоянными магнитами похожи на бесщеточные двигатели постоянного тока.

2) Синхронный двигатель с возбуждением постоянным током (DC)

Синхронный двигатель с возбуждением постоянным током требует источника постоянного тока для ротора для создания магнитного поля. Он имеет как обмотку статора, так и обмотку ротора. Постоянный ток может подаваться от отдельного источника постоянного тока или генератора постоянного тока, подключенного к валу двигателя.

Заключение

В этой статье мы предоставили всю важную информацию о различных типах синхронных двигателей. мы привели базовое определение того, что такое синхронный двигатель, а затем перешли к конструкции и внедрению компонентов. В заключительном разделе мы рассказали о различных типах и конструкциях синхронных двигателей. Мы подробно рассказали о каждом типе и объяснили особенности.

Если у вас есть опыт использования любых типов синхронных двигателей и вы знаете о них больше, мы будем очень рады услышать ваше мнение в комментариях на нашем сайте Linquip.Более того, если у вас есть какие-либо вопросы по этой теме, вы можете зарегистрироваться на нашем сайте и ждать, пока наши специалисты ответят на ваши вопросы. Надеюсь, вам понравилась эта статья.

- Реклама -

Принцип работы, способы запуска и типы

Синхронный двигатель - это тип двигателя переменного тока, который работает с постоянной скоростью, известной как синхронная скорость. Ротор синхронного двигателя всегда поддерживает синхронизм с вращающимся магнитным полем статора.

Даже колебания нагрузки не изменяют синхронизм двигателя.Следовательно, синхронные двигатели используются в приложениях с постоянной скоростью. Но задумывались ли вы, как синхронный двигатель работает и выдает постоянную скорость? Если нет, продолжайте читать эту статью, чтобы узнать все о синхронных двигателях.

Конструкция синхронного двигателя

Основные части трехфазного синхронного двигателя:

Статор

Статор синхронного двигателя

Это стационарная часть машины, несущая обмотку якоря.Трехфазное питание обмотки статора создает вращающееся магнитное поле в воздушном зазоре между статором и ротором.

Ротор

Ротор синхронного двигателя

Это вращающаяся часть машины, несущая обмотку возбуждения. Для возбуждения обмотки возбуждения требуется источник постоянного тока. После возбуждения ротор становится постоянным магнитом и взаимодействует с полем статора.

Итак, для работы синхронного двигателя требуются два источника возбуждения. Следовательно, синхронные двигатели также известны как машины с двойным возбуждением.

Принцип работы синхронного двигателя

Магнитные полюса одинаковой полярности отталкиваются друг от друга, в то время как магнитные полюса противоположной полярности притягиваются. Этот закон магнитного притяжения лежит в основе работы синхронных двигателей. Давайте подробно разберемся в применении этого принципа.

Работа синхронных двигателей

Предположим, что ротор с явным полюсом находится внутри периферии статора. Когда мы подаем трехфазное питание на статор, он создает вращающееся магнитное поле в воздушном зазоре между статором и ротором.
При возбуждении обмоток ротора источником постоянного тока ротор становится постоянным магнитом с фиксированной полярностью, как показано на рисунке.

Двойное возбуждение синхронного двигателя

Предположим, что ротор неподвижен и находится в положении, показанном на рисунке.

Ротор стремится вращаться по часовой стрелке

Случай 1:

В этот момент северный полюс статора притягивает южный полюс ротора, и ротор стремится двигаться по часовой стрелке (потому что поле статора вращается по часовой стрелке).

Дело 2:

Но после полупериода полярность полюсов статора меняется на обратную (из-за характера питания переменного тока). Но полярность ротора остается прежней (потому что он возбуждается источником постоянного тока). Итак, теперь магнитные полюса одинаковой полярности обращены друг к другу, как показано на рисунке.

Ротор имеет тенденцию вращаться против часовой стрелки.

Поскольку полюса одного типа отталкиваются друг от друга, южный полюс статора отталкивается от южного полюса ротора, а ротор стремится вращаться против часовой стрелки.
После следующего полупериода ситуация становится похожей на случай 1, а случай 2 следует в следующем полупериоде.

Итак, делаем вывод, что крутящий момент, действующий на ротор синхронного двигателя, не является однонаправленным. Он испытывает пульсирующий крутящий момент, из-за которого ротор не вращается ни в каком направлении. Итак, теперь возникает вопрос, как заставить вращаться ротор и запустить двигатель?

Способы пуска синхронного двигателя

Итак, мы увидели, что даже после подачи на ротор надлежащего источника постоянного тока он пульсирует вокруг своей оси.Или, можно сказать, синхронные двигатели не самозапускаются. Итак, нарушение инерции покоя требует дополнительной помощи. Это может быть достигнуто с помощью:

  • Использование внешнего первичного двигателя
  • Использование демпферных обмоток в роторе

Во-первых, давайте посмотрим, как внешний первичный двигатель заставляет ротор двигаться.

Использование внешнего первичного двигателя

Внешний первичный двигатель сначала вращает ротор этого двигателя с синхронной скоростью. Как только ротор синхронизируется с вращающимся полем, внешний первичный двигатель отключается.Теперь, благодаря магнитной блокировке, двигатель остается синхронизированным и вращается с синхронной скоростью.

Использование демпферных обмоток в роторе

Демпферная обмотка на роторе

** Изображение предоставлено: IOP Science

Это наиболее распространенный метод запуска двигателя этого типа. В этом методе используются жесткие медные стержни внутри пазов полюсов ротора. Торцевые кольца замыкают медные стержни, и их расположение похоже на обмотку беличьей клетки.

Так как же он вращает ротор?

Вращающееся магнитное поле статора индуцирует ток в демпферной обмотке.Он создает силу, которая заставляет ротор двигаться.

Итак, изначально ротор запускается как асинхронный двигатель. Когда ротор достигает определенной скорости, обмотки ротора возбуждаются источником постоянного тока, и ротор становится магнитом.

В результате вращающееся магнитное поле статора синхронно с ним тянет ротор. Следовательно, двигатель начинает работать с синхронной скоростью.

Типы синхронных двигателей

Мы можем разделить синхронные двигатели на два типа в зависимости от их возбуждения.

  • Двигатели синхронные без возбуждения
  • Двигатели синхронные с возбуждением от тока

Давайте сначала узнаем о синхронном двигателе без возбуждения.

Синхронный двигатель без возбуждения

Эти двигатели не требуют источника постоянного тока для возбуждения ротора. Вместо этого используется ротор из стали с высокой удерживающей способностью (кобальтовая сталь).

Следовательно, ротор сохраняет магнитные свойства и действует как постоянный магнит. Исходя из этого, мы можем разделить синхронные двигатели без возбуждения на три типа.

  • Гистерезис двигателя
  • Электродвигатель реактивного сопротивления
  • Двигатель с постоянными магнитами
Гистерезис двигателя
Двигатель с гистерезисом

В нем используется гладкий цилиндрический ротор из твердой кобальтовой стали. Из-за широкой петли гистерезиса кобальтовой стали ротор изначально движется со скольжением. Когда ротор набирает скорость, поле статора синхронизирует ротор.

Электродвигатель реактивного сопротивления
Реактивный двигатель

В синхронном реактивном двигателе используется явнополюсный ротор.На рисунке ниже показан ротор с явным полюсом. Поскольку ротор не является симметричным, сопротивление воздушного зазора также неоднородно. Сопротивление становится минимальным, когда ротор выравнивается с магнитным полем статора. Следовательно, он создает крутящий момент, который всегда пытается выровнять ротор с вращающимся магнитным полем.

Двигатель с постоянными магнитами

A Двигатель с постоянными магнитами

В этом двигателе используется постоянный магнит для создания постоянного магнитного поля. Вращающееся магнитное поле статора взаимодействует с полем ротора и заставляет ротор двигаться.Благодаря магнитной блокировке между ними (статором и ротором) они остаются синхронизированными.

Синхронный двигатель с возбуждением током

Он использует источник постоянного тока для возбуждения ротора. После возбуждения ротор становится постоянным магнитом и создает постоянное магнитное поле.

Для запуска этих двигателей требуется демпферная обмотка. Таким образом, сначала они запускаются как асинхронные двигатели, а после достижения синхронизма работают как синхронные двигатели.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *