Синхронный электродвигатель – что это такое и как его использовать?

Содержание
  1. Виды электродвигателей: классификация
  2. Постоянного тока
  3. Коллекторные
  4. Универсальный
  5. Достоинства, недостатки, область применения
  6. Вентильные электродвигатели
  7. Вентильно-индукторный двигатель
  8. С независимым возбуждением
  9. Основные параметры электродвигателя
  10. Момент электродвигателя
  11. Мощность электродвигателя
  12. Механическая мощность
  13. Коэффициент полезного действия электродвигателя
  14. Частота вращения
  15. Момент инерции ротора
  16. Конструкция электродвигателя
  17. Ротор
  18. Коллектор электродвигателя
  19. Статор электрического двигателя
  20. Устройство синхронного электродвигателя
  21. Двигательный принцип
  22. Генераторный режим
  23. Разновидности синхронных машин
  24. Регулирование скорости синхронных двигателей
  25. Строение синхронного двигателя
  26. Принципы работы синхронного двигателя
  27. Характеристики синхронного электродвигателя
  28. Способы запуска
  29. Фазовые колебания
  30. Применение
  31. Синхронные двигатели и компенсаторы
  32. Конструктивные особенности явнополюсного ротора
  33. Возбуждение синхронной машины
  34. Синхронные машины высокой мощности – конструктивные особенности
  35. Турбогенераторы
  36. Гидрогенераторы
  37. Синхронный компенсатор
  38. Дизель-генератор
  39. Преимущества и недостатки
  40. Сфера применения
  41. Синхронный компенсатор
  42. Асинхронный двигатель
  43. Почему асинхронный?
  44. Синхронный и асинхронный двигатель: отличия
  45. В чем ключевое отличие синхронного двигателя от асинхронного
  46. Какой лучше
  47. Таблица
  48. Однофазные электродвигатели
  49. Схемы подключения к однофазной сети
  50. Трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором
  51. Конструкция асинхронного электродвигателя
  52. Принцип работы. Вращающееся магнитное поле
  53. Концепция вращающегося магнитного поля
  54. Действие вращающегося магнитного поля на замкнутый виток
  55. Короткозамкнутый ротор асинхронного двигателя
  56. Управление асинхронным двигателем
  57. Прямое подключение к сети питания
  58. Нереверсивная схема
  59. Реверсивная схема
  60. Плавный пуск асинхронного электродвигателя
  61. Частотное управление асинхронным электродвигателем
  62. Достоинства асинхронных электродвигателей
  63. Недостатки асинхронных электродвигателей
  64. Как проверить двигатель перед запуском
  65. Производители электродвигателей
  66. Российские производители электродвигателей
  67. Производители электродвигателей ближнего зарубежья
  68. Производители электродвигателей дальнего зарубежья

Виды электродвигателей: классификация

Жёсткой классификации электродвигателей нет, но различать их можно по нескольким параметрам. Основные – тип питания и наличие скользящего контакта. Эти позиции можно считать ключевыми и по ним проще ориентироваться. В общем-то, видов электродвигателей не так и много – синхронные, асинхронные, постоянного тока, вентильные. Вот, пожалуй, всё. Другое дело, что в большинстве «категорий» есть достаточно вариантов, которые значительно меняют свойства и характеристики. Но с этим придётся разбираться применительно к каждой конструкции.

Электрические двигатели отличаются типом питания, устройством и назначением

Итак, рассмотрим виды электродвигателей по виду питающего напряжения. Они бывают:

  • постоянного тока;
  • переменного тока:
    • однофазное питание;
    • трехфазное питание;
  • универсальные.

Пояснений требует только универсальный тип. Такой электродвигатель может работать как от постоянного, так и от переменного напряжения. По сути, один вид – универсальный коллекторный двигатель с обмотками возбуждения. К двигателям переменного тока относятся синхронные, асинхронные. На постоянном токе работают коллекторные и вентильные.

Наиболее распространённые виды электродвигателей

По способу передачи электропитания все электродвигатели можно разделить на две группы:

  • с коллектором (щёточные);
  • без коллектора (бесщёточные).

Бесщёточные электродвигатели требуют меньше обслуживания, работают тише, более надёжны. К ним относятся асинхронные с короткозамкнутым ротором (работают от переменного напряжения), вентильные (питаются постоянным напряжением). Остальные имеют коллектор и щётки, через которые на обмотки катушек подаётся напряжение.

Постоянного тока

Двигатели постоянного тока появились еще в конце 19 века. С некоторыми изменениями они используются и сегодня и притом они популярны. Например, вибрирование в современном смартфоне обеспечивает именно двигатель постоянного тока, очень маленький и мощностью в милли ватты, но все же. В большей части игрушек тоже стоят такие движки. Но это не значит, что их не используют в серьёзной технике, ещё как используют. Самые мощные стоят в качестве тяговых на электровозах. У них мощность исчисляется сотнями киловатт (больше 800), а питаются они от напряжения 1,5 кВ.

Типы электромоторов постоянного тока

Коллекторные

Коллекторный двигатель постоянного тока, как и все другие, состоит из неподвижной (статор) и подвижной (якорь) части. На статоре установлены магнитные полюса. Для маломощных моделей ставят постоянные магниты, для мощных добавляют обмотки (называются обмотками возбуждения), которые усиливают магнитное поле.

Ротор представляет собой магнитопровод из металлических пластин, в пазы которого уложены витки медного провода – роторные обмотки. Концы роторных обмоток выведены на коллектор, который представляет собой медные пластины в виде секторов цилиндра. Пластины изолированы друг от друга и от вала, на котором закреплены. Концы обмоток выводятся на коллекторные пластины. Вторая часть коллекторного узла – графитовые щётки со щеткодержателем. Щётки прижимаются к коллекторным пластинам, но не мешают вращению якоря.

Устройство двигателя постоянного тока коллекторного типа

На щетки подаётся напряжение. В определённый момент времени они имеют контакт с какой-то парой пластин на коллекторе (редко щеток бывает четыре). Эта пара пластин подключена к роторным обмоткам, то есть, через щетки на обмотку подаётся питание. Вокруг якоря возникает магнитное поле, которое взаимодействует с магнитным полем статора. Результирующий вектор этого взаимодействия «толкает» якорь, заставляя его вращаться.

Вал прокручивается, щетки контактируют с другой парой пластин, передавая потенциал на другие обмотки, которое проталкивают якорь дальше.

Универсальный

В большей части бытовой техники, которая работает от сети, стоит универсальный коллекторный двигатель. Его отличия от описанного выше незначительны. Как может одна и та же конструкция работать и на постоянном и на переменном напряжении? Всё из-за того, что в этой машине взаимодействуют магнитные поля полюсов и роторных обмоток. Все знают, что поменять направление вращения якоря просто: надо изменить полярность на полюсах или на роторе. А что получится, если их поменять сразу и там, и там? Ничего. Якорь продолжит движение в прежнем направлении. На этом и основана работа коллекторного электродвигателя на переменном токе.

Универсальный коллекторный двигатель в разрезе

Обмотки возбуждения и якоря соединяются последовательно, так, что полярность питания на них меняется практически в одно и то же время. Единственное, что пришлось изменить в универсальном двигателе – сделать сердечник якоря шихтованным. Это необходимо чтобы стабилизировать взаимодействие магнитных полей якоря и полюсов (с обмотками возбуждения).

Достоинства, недостатки, область применения

Почему коллекторные двигатели ставят в большей части бытовой и строительной техники? На то есть несколько причин. Первая: они могут разгоняться до высоких скоростей – до 10 тыс.об/мин. По сравнению с 3 тыс. об/мин, которые развивают асинхронные их ближайшие конкуренты, а это очень неплохо. Вторая причина популярности – ими легко управлять. Частота вращения напрямую зависит от приложенного напряжения, а момент от тока якоря. До появления полупроводников и создания частотных преобразователей, это был единственный тип электродвигателей, который позволял легко и достаточно точно управлять скоростью. Третья причина широкого применения, несложная конструкция и относительно небольшая цена. Четвёртая – они могут иметь хороший крутящий момент даже на небольших оборотах.

Один из популярных видов электродвижков — коллекторный двигатель

Все эти свойства определили широкую область применения коллекторных двигателей постоянного тока. Они стоят на стиральных машинах, в дрелях, миксерах и т.д. Везде, где требуются высокие скорости, возможность плавной регулировки, хороший крутящий момент.

Но наличие щеток, которые искрят и стираются, вносит свои коррективы. Этот узел требует постоянного ухода, часто щетки приходится заменять, коллектор чистить. Кроме того, он является причиной ещё двух неприятных моментов. Первая – шумная работа. Для строительной техники или промышленного оборудования это, возможно, и не очень критично, но для бытовой – существенный минус. Вторая неприятность – щетки перескакивают с одной пары на другую, так что потребление тока получается импульсным, что плохо влияет на параметры питания и создаёт радиопомехи. Это оказывает влияние на работающие рядом приборы с радиоуправлением. Это не только игрушки, но и разного рода пульты ДУ. Для сглаживания этих скачков на входе ставят конденсаторы, они сглаживают пульсации и убирают помехи.

Вентильные электродвигатели

Эти двигатели называют ещё вентильно-индукторными, безколлекторным или безщеточными. Бывают вентильные двигатели двух типов – «обычный» и с самовозбуждением. Причем отличаются и по устройству и по функциям.

Вентильные двигатели независимо от типа предусматривают электронное управление

Вентильно-индукторный двигатель

Если сравнивать виды электродвигателей по размеру, вентильные будут самыми маленькими. Что характерно, работают они от постоянного тока, причём питаются им статорные обмотки, ротор обмоток не имеет, а сделан из постоянных магнитов. Причём и ротор, и статор имеют зубчатое строение. В «комплект» входит датчик холла, небольшой современный контроллер, который определяет положение ротора и в зависимости от его положения подаёт питание на ту или другую пару обмоток на статоре. То есть, вентильный двигатель управляется при помощи электронного прибора.

Конструкция вентильного безколлекторного электродвигателя

Принцип работы, наверное, уже понятен. Питание подаётся на одну пару обмоток, вокруг неё возникает магнитное поле. К этому полю притягивается ближайший полюс магнита. Далее, питание переключается на следующую пару обмоток, магнит притягивается туда. Так и получается вращение ротора. Чем быстрее переключается питание, тем быстрее скорость вращения ротора. Как видим, никаких щеток, только магнитная индукция. Это и есть основной плюс, а минус – в «пульсирующем» характере крутящего момента. Потому вентильно-индукционные двигатели не применяются в транспорте, мало кому понравиться, если колёса будут прокручиваться рывками. Тем не менее рассматривая эти виды электродвигателей, приходим к выводу, что этот имеет четыре существенных плюса: простота конструкции, хорошая управляемость скоростью, отсутствие коллектора и четвёртый – малые габариты. Всё это позволяет заменять ими асинхронные движки в некоторых случаях.

С независимым возбуждением

Этот вид электродвигателей стоит выделить отдельно, так как он значительно отличается как по устройству, так и по характеристикам и области применения. Начнём с того, что ротор состоит из двух отдельных магнитных пакетов, разнесённых на некотором расстоянии друг от друга. Полюса двух пакетов ориентированы так, чтобы результирующий момент был равен нулю (согласованное положение). Обмотка возбуждения крепится к статору хотя и обмотана вокруг ротора, но его она не касается. Магнитная система статора также собрана из металлических пластин. По характеру трёхфазная распределённая, три фазных обмотки со смещением друг относительно друга на 120°. Обмотка статора по размерам слегка больше либо равна собранному ротору (оба пакета охватывает магнитное поле).

Вентильно-индукционный электродвигатель с самовозбуждением

Питание подаётся на одну из обмоток статора. Поле, наводимое, в роторе поворачивает его так, чтобы оно совпало с полем статора. Причём поле одновременно наводится в двух пакетах, так что движение не такое скачкообразное, как у предыдущей модели. Питание переключается на следующую обмотку, вращение продолжается.

Чем хорош этот вид электродвигателей? Плюсов много. Легко управлять скоростью вращения, как у синхронных машин с обмоткой возбуждения, доступно векторное управление. Можно увеличивать или уменьшать скорость, регулировать момент. В нём нет магнитов, которые стоят немало, да ещё могут размагнититься. И еще один плюс, нет коллектора и щеток. Минус, все-таки есть. Этот вид электродвигателей нельзя запитать напрямую от сети – требуется преобразователь. И ещё, он имеет более сложную конструкцию, чем описанный выше вариант. Зато крутящий момент более плавный и практически линейный.

Основные параметры электродвигателя

Момент электродвигателя

Вращающий момент (синонимы: вращательный момент, крутящий момент, момент силы) – векторная физическая величина, равная произведению радиус вектора, проведенного от оси вращения к точке приложения силы, на вектор этой силы.

,

  • где M – вращающий момент, Нм,
  • F – сила, Н,
  • r – радиус-вектор, м
Справка: Номинальный вращающий момент Мном, Нм, определяют по формуле

,

  • где Pном – номинальная мощность двигателя, Вт,
  • nном – номинальная частота вращения, мин-1 [4]

Начальный пусковой момент – момент электродвигателя при пуске.

Справка: В английской системе мер сила измеряется в унция-сила (oz, ozf, ounce-force) или фунт-сила (lb, lbf, pound-force)

1 oz = 1/16 lb = 0,2780139 N (Н)
1 lb = 4,448222 N (Н)

момент измеряется в унция-сила на дюйм (oz∙in) или фунт-сила на дюйм (lb∙in)

1 oz∙in = 0,007062 Nm (Нм)
1 lb∙in = 0,112985 Nm (Нм)

Мощность электродвигателя

Мощность электродвигателя – это полезная механическая мощность на валу электродвигателя.

Механическая мощность

Мощность – физическая величина, показывающая какую работу механизм совершает в единицу времени.

,

  • где P – мощность, Вт,
  • A – работа, Дж,
  • t – время, с

Работа – скалярная физическая величина, равная произведению проекции силы на направление F и пути s, проходимого точкой приложения силы [2].

,

  • где s – расстояние, м

Для вращательного движения

,

  • где – угол, рад,

,

  • где – углавая скорость, рад/с,

Таким образом можно вычислить значение механической мощности на валу вращающегося электродвигателя

Справка: Номинальное значение – значение параметра электротехнического изделия (устройства), указанное изготовителем, при котором оно должно работать, являющееся исходным для отсчета отклонений.

Коэффициент полезного действия электродвигателя

Коэффициент полезного действия (КПД) электродвигателя – характеристика эффективности машины в отношении преобразования электрической энергии в механическую.

,

  • где – коэффициент полезного действия электродвигателя,
  • P1 – подведенная мощность (электрическая), Вт,
  • P2 – полезная мощность (механическая), Вт
    При этом потери в электродвигатели обусловлены:
  • электрическими потерями – в виде тепла в результате нагрева проводников с током;
  • магнитными потерями – потери на перемагничивание сердечника: потери на вихревые токи, на гистерезис и на магнитное последействие;
  • механическими потерями – потери на трение в подшипниках, на вентиляцию, на щетках (при их наличии);
  • дополнительными потерями – потери вызванные высшими гармониками магнитных полей, возникающих из-за зубчатого строения статора, ротора и наличия высших гармоник магнитодвижущей силы обмоток.

КПД электродвигателя может варьироваться от 10 до 99% в зависимости от типа и конструкции.

Международная электротехническая комиссия (International Electrotechnical Commission) определяет требования к эффективности электродвигателей. Согласно стандарту IEC 60034-31:2010 определено четыре класса эффективности для синхронных и асинхронных электродвигателей: IE1, IE2, IE3 и IE4.

Частота вращения

  • где n – частота вращения электродвигателя, об/мин

Момент инерции ротора

Момент инерции – скалярная физическая величина, являющаяся мерой инертности тела во вращательном движении вокруг оси, равна сумме произведений масс материальных точек на квадраты их расстояний от оси

,

  • где J – момент инерции, кг∙м2,
  • m – масса, кг
Справка: В английской системе мер момент инерции измеряется в унция-сила-дюйм (oz∙in∙s2)

1 oz∙in∙s2 = 0,007062 kg∙m2 (кг∙м2)

Момент инерции связан с моментом силы следующим соотношением

,

  • где – угловое ускорение, с-2 [2]

,

Справка: Определение момента инерции вращающейся части электродвигателя описано в ГОСТ 11828-86

Конструкция электродвигателя

Центральный процесс функционирования электрического двигателя постоянного тока (коротко ДПТ) – нагнетание крутящего момента за счет напряжения, подаваемого на роторные катушки. Процесс становится возможным благодаря 4 конструктивным элементам:

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

Ротор

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

Коллектор электродвигателя

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

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

Статор электрического двигателя

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

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.

Двигательный принцип

Принцип действия синхронного двигателя основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля якоря и магнитного поля полюсов индуктора. Обычно якорь расположен на статоре, а индуктор — на роторе. В мощных двигателях в качестве полюсов используются электромагниты (ток на ротор подаётся через скользящий контакт щетка – кольцо), в маломощных — постоянные магниты. Существует обращённая конструкция двигателей, в которой якорь расположен на роторе, а индуктор — на статоре (в устаревших двигателях, а также в современных криогенных синхронных машинах, в которых в обмотках возбуждения используются сверхпроводники.)

Запуск двигателя. Двигатель требует разгона до частоты, близкой к частоте вращения магнитного поля в зазоре, прежде чем сможет работать в синхронном режиме. При такой скорости вращающееся магнитное поле якоря сцепляется с магнитными полями полюсов индуктора (если индуктор расположен на статоре, то получается, что вращающееся магнитное поле вращающегося якоря (ротора) неподвижно относительно постоянного поля индуктора (статора), если индуктор на роторе, то магнитное поле вращающихся полюсов индуктора (ротора) неподвижно относительно вращающегося магнитного поля якоря (статора)) — это явление называется «вход в синхронизм».

Для разгона обычно используется асинхронный режим, при котором обмотки индуктора замыкаются через реостат или накоротко, как в асинхронной машине, для такого режима запуска в машинах на роторе делается короткозамкнутая обмотка, которая также выполняет роль успокоительной обмотки, устраняющей “раскачивание” ротора при синхронизации. После выхода на скорость близкую к номинальной (>95%) индуктор запитывают постоянным током.

В двигателях с постоянными магнитами применяется внешний разгонный двигатель.

Часто на валу ставят небольшой генератор постоянного тока, который питает электромагниты.

Также используется частотный пуск, когда частоту тока якоря постепенно увеличивают от 0 до номинальной величины. Или наоборот, когда частоту индуктора понижают от номинальной до 0, т.е. до постоянного тока.

Синхронные двигатели при изменении возбуждения меняют импеданс с емкостного на индуктивный. Перевозбуждённые СД на холостом ходу применяют в качестве компенсаторов реактивной мощности. Синхронные двигатели в промышленности обычно применяют при единичных мощностях свыше 300 кВт, при меньших мощностях обычно применяется более простой (и надежный) асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором.

Генераторный режим

Обычно синхронные генераторы выполняют с якорем, расположенным на статоре, для удобства отвода электрической энергии. Поскольку мощность возбуждения невелика по сравнению с мощностью, снимаемой с якоря (0,3…2%), подвод постоянного тока к обмотке возбуждения с помощью двух контактных колец не вызывает особых затруднений. Принцип действия синхронного генератора основан на явлении электромагнитной индукции; при вращении ротора магнитный поток, создаваемый обмоткой возбуждения, сцепляется поочередно с каждой из фаз обмотки статора, индуцируя в них ЭДС. В наиболее распространенном случае применения трехфазной распределенной обмотки якоря в каждой из фаз, смещенных друг относительно друга на 120 градусов, индуцируется синусоидальная ЭДС. Соединяя фазы по стандартным схемам «треугольник» или «звезда», на выходе генератора получают трехфазное напряжение, являющееся общепринятым стандартом для магистральных электросетей.

Часто синхронные генераторы используют вместо коллекторных машин для генерации постоянного тока, подключая их обмотки якоря к трехфазным выпрямителям.

Разновидности синхронных машин

Гидрогенератор — явнополюсный синхронный генератор, предназначенный для выработки электрической энергии в работе от гидравлической турбины (при низких скоростях вращения 50-600 об/мин).

Турбогенератор — неявнополюсный синхронный генератор, предназначенный для выработки электрической энергии в работе от паровой или газовой турбины при высоких скоростях вращения ротора (6000 (редко), 3000, 1500 об/мин.)

Синхронный компенсатор — синхронный двигатель, предназначенный для выработки реактивной мощности, работающий без нагрузки на валу (в режиме холостого хода); при этом по обмотке якоря проходит практически только реактивный ток. Синхронный компенсатор может работать в режиме улучшения коэффициента мощности или в режиме стабилизации напряжения. Дает ёмкостную нагрузку.

Машина двойного питания (в частности АСМ) — синхронная машина с питанием обмоток ротора и статора токами разной частоты, за счёт чего создаются несинхронные режимы работы

Ударный генератор — синхронный генератор (как правило, трёхфазного тока), предназначенный для кратковременной работы в режиме короткого замыкания (КЗ).

Также существуют безредукторные, шаговые, индукторные, гистерезисные, бесконтактные синхронные двигатели.

Регулирование скорости синхронных двигателей

После вхождения синхронного двигателя в синхронизм его скорость при изменениях момента нагрузки на валу до некоторого максимального значения Мтах остается постоянной и равной синхронной скорости Поскольку изменение числа пар полюсов у серийно выпускаемых двигателей не применяется, то частотное
(Электропривод переменного тока)

Строение синхронного двигателя

В принципе, его строение практически аналогично 3-фазному асинхронному двигателю, за исключением того факта, что на ротор подается источник постоянного тока (в этом мы разберёмся позже). А пока рассмотрим основное строение данного типа двигателя.

На рисунке показано устройство этого типа двигателя. На статор подается 3-х фазное напряжение, а на ротор – источник постоянного тока.

Строение синхронного двигателя

Основные свойства синхронных двигателей:

  • Синхронные электродвигатели не являются самозапускающимся механизмом. Они требуют определенного внешнего воздействия, чтобы выработать определенную синхронную скорость.
  • Двигатель работает синхронно с частотой электрической сети. Поэтому при обеспечении бесперебойного снабжения частоты он ведет себя так, как двигатель с постоянной скоростью.
  • Этот двигатель имеет уникальные характеристики, функционируя под любым коэффициентом мощности. Поэтому они используются для увеличения фактора силы.

Видео: Строение и принцип работы синхронного двигателя

Принципы работы синхронного двигателя

Электронно-магнитное поле синхронного двигателя обеспечивается двумя электрическими вводами. Это обмотка статора, которая состоит из 3-х фаз и предусматривает 3 фазы источника питания и ротор, на который подается постоянный ток.

3 фазы обмотки статора обеспечивают вращение магнитного потока. Ротор принимает постоянный ток и производит постоянный поток. При частоте 50 Гц 3-х фазный поток вращается около 3000 оборотов в 1 минуту или 50 оборотов в 1 секунду. В определенный момент полюса ротора и статора могут быть одной полярности (++ или – – ), что вызывает отталкивания ротора. После этого полярность сразу же меняется (+–), что вызывает притягивание.

Но ротор по причине своей инерции не в состоянии вращаться в любом направлении из-за силы притяжения или силы отталкивания и не может оставаться в состоянии простоя. Он не самозапускающийся.

Чтобы преодолеть инерцию силы, необходимо определенное механическое воздействие, которое вращает ротор в том же направлении, что и магнитное поле, обеспечивая необходимую синхронную скорость. Через некоторое время происходит замыкание магнитного поля, и синхронный двигатель вращается с определенной скоростью.

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.

Способы запуска

  • Пуск синхронного двигателя при помощи вспомогательного двигателя. Синхронный двигатель механически соединяется с другим двигателем. Это может быть либо 3-х фазный индукционный двигатель, либо двигатель постоянного тока. Постоянный ток изначально не подается. Двигатель начинает вращаться со скоростью, близкой к синхронной скорости, после чего подается постоянный ток. После того, как магнитное поле замыкается, связь со вспомогательного двигателя прекращается.
  • Асинхронный пуск. В полюсных наконечниках полюсов ротора устанавливается дополнительная короткозамкнутая обмотка. При включении напряжения в обмотку статора возникает вращающееся магнитное поле. Пересекая короткозамкнутую обмотку, которая заложена в полюсных наконечниках ротора, это вращающееся магнитное поле индуцирует в ней токи, который взаимодействуя с вращающимся полем статора, приводят ротор во вращение. Когда достигнута синхронная скорость, ЭДС и крутящийся момент уменьшается. И наконец, когда магнитное поле замыкается, крутящий момент также сводится к нулю. Таким образом, синхронность вначале запускается индукционным двигателем с использованием дополнительной обмотки.

Фазовые колебания

Раскачка фазы синхронного двигателя вызваны:

  1. Различными нагрузками
  2. Пульсирующими частотами питания.

Когда синхронный двигатель нагружен (например, компрессоры, насосы и т.д.). Когда нагрузка увеличивается, его ротор возвращается назад на угол соединения «β». При дальнейшем увеличении нагрузки этот угол «β» дополнительно увеличивается, чтобы справиться с возросшей нагрузкой. В этой ситуации, если нагрузка внезапно уменьшается, ротор перегружается, а затем оттягивается, чтобы приспособить новую нагрузку к двигателю. Таким образом, ротор начинает колебаться, как маятник, в своем новом положении, соответствующем его новой нагрузке, пытаясь восстановить равновесие. Если период времени этих колебаний совпадает с собственной частотой станка, то устанавливается резонанс, что может вывести машину из синхронизма. Для демпфирования таких колебаний используются «демпфирующие решетки», известные как «обмотки короткозамкнутых клеток».

Применение

  • Синхронный двигатель используется для улучшения коэффициента мощности. Синхронные двигатели широко применяются в энергосистеме, поскольку они работают при любом коэффициенте мощности и имеют экономичные эксплуатационные показатели.
  • Синхронные двигатели находят свое применение там, где рабочая скорость не превышает 500 об / мин и требуется увеличить мощность. Для энергетической потребности от 35 кВт до 2500 кВт, стоимость, размер, вес и соответствующего индукционного двигателя будет довольно высоким. Такие двигатели часто используются для работы поршневых насосов, компрессоров, прокатных станков и другого оборудования.
 

Синхронные двигатели и компенсаторы

Синхронные двигатели В сравнении с асинхронными двигателями они имеют большие преимущества: 1. Могут работать с cos#? = l и не потреблять реактивную мощность из сети. 2. Момент синхронного двигателя пропорционален напряжению М = U (у асинхронного двигателя М = U2)….
(Электрические машины и трансформаторы)

Конструктивные особенности явнополюсного ротора

Явнополюсной ротор

В первом случае, ротор имеет два или более явно выраженных полюса. Стержни (катушки), крепятся в пазах посредством использования клиньев из немагнитного изоляционного материала.

Стержни исполняют функцию обмоток возбуждения. Сердечник изготавливается из электротехнической стали. В полюсных наконечниках располагаются стержни обмотки, предназначенной для пуска, они выполняются из латуни, для которой характерно высокое удельное сопротивление.

Аналогичная обмотка, «беличья клетка», которая имеет в своей конструкции катушки из меди, используется для устройства генераторов, она выполняет демпфирующую роль и выступает успокоителем, потому как способствует снижению неустойчивости ротора, появляющейся во время переходного режима.

Прекращение колебаний происходит после возникновения вихревых токов, появляющихся при замыканиях в роторе с полюсами значительного веса.

Неявнополюсный ротор применяется для конструкций синхронных агрегатов большой мощности. Они отличаются высокими скоростными характеристиками. Число оборотов вала может достигать предела порядка 3000 об/мин.

Этот параметр обуславливает невозможность использования явнополюсного ротора в высокоскоростных машинах в связи с трудностью крепления полюсов и обмоток возбуждения при небольшом количестве пар полюсов.

Магнитопровод ротора изготовлен, как единое целое с валом машины и выполняется из единой поковки. Набор его производится из прочной легированной стали, в пазах осуществляется формирование обмотки из медных с серебряной присадкой проводников, это делается для повышенной термической стойкости.

Возбуждение синхронной машины

Для питания обмотки возбуждения предусмотрено наличие возбудителя, в его качестве выступает генератор постоянного тока, якорь которого сопряжен с валом машины, посредством использования механического устройства.

По способу возбуждения синхронные машины подразделяются на два типа:

  1. Возбуждение независимого вида.
  2. Самовозбуждение.

При независимом возбуждении схема подразумевает наличие подвозбудителя, который питает: обмотку главного возбудителя, реостат для регулировки, устройства управления, регуляторы напряжения и т. д. Кроме этого способа, возбуждение может осуществляться от генератора, выполняющего вспомогательную функцию, он приводится в работу от двигателя синхронного или асинхронного типа.

Для самовозбуждения, питание обмотки происходит через выпрямитель, работающий на полупроводниках или ионного типа.

Для турбо- и гидрогенераторов используют тиристорные устройства возбуждения. Ток возбуждения регулируется в автоматическом режиме при помощи регулятора возбуждения. Для синхронных машин малой мощности характерно использование регулировочных реостатов, они включены в цепь обмотки возбуждения.

Синхронные машины высокой мощности – конструктивные особенности

Ввиду использования значительной величины мощности, синхронная установка подвергается значительному механическому воздействию, а также электромагнитной нагрузке, вследствие чего происходит существенный нагрев различных частей машин, для чего необходимо выполнить интенсивное охлаждение машины. Чтобы сохранить определенные габаритные размеры, для получения необходимого значения мощности, выполняют машины с различными особенностями, диктующими подразделение машин на несколько типов, это: турбогенераторы, гидрогенераторы, дизель-генераторы, синхронные компенсаторы, синхронные двигатели.

Турбогенераторы

Конструкция машины исполнена с горизонтальной осью и работает за счет использования турбины, ротор обязательно неявнополюсного исполнения. Скорость вращения вала отличается максимально возможным числом оборотов вращения и составляет 3000 об/мин.

За счет того, что в машине всего два полюса, ее конструктивная часть отличается уменьшенными габаритами и весом. При использовании такого агрегата на АЭС, применяют машины с количеством оборотов вала 1500 об/мин, с 4 полюсами, диаметр ротора меньше длины его активной части. Система, используемая для охлаждения, применяет поверхностный и косвенный принудительный обдув, иногда применяют косвенное водородное или водяное и масляное охлаждение.

Гидрогенераторы

Функционирование гидрогенератора осуществляется при использовании гидравлической турбины, обладающей невысоким количеством оборотов вала от 50 до 500 об/мин. Ротор явнополюсного исполнения отличается наличием большого числа пар полюсов. Его диаметр для некоторых типов гидрогенераторов может доходить до 16 м., тогда как длина составляет всего 1,75 м. Его мощность достигает 640 МВ*А.

Вал может располагаться вертикально. Гидрогенератор и турбина объединены одним валом ротора, также на нем может быть установлен возбудитель, подвозбудитель и синхронный генератор, который осуществляет питание электрических двигателей, предназначенных для регулировки турбины. Главное усилие в машине приходится на опорный подшипник, он способен выдержать вес роторов всего оборудования, динамические усилия и давление воды, приложенное к турбинным лопастям. Система охлаждения в устройствах этого типа выполняется с помощью омывания капсулы, в которую заключены объединенные одним валом элементы синхронного агрегата.

Синхронный компенсатор

Машина генерирует реактивную мощность и работает в двигательном режиме холостого хода, использующего активную сетевую нагрузку. Конструкция явнополюсного исполнения обычно присутствует до восьми пар полюсов. Ротор изготовлен облегченным, так как на валу отсутствует какая-либо нагрузка. Часто используется герметизированная конструкция машины, без вывода наружу вала компенсатора, система охлаждения работает за счет использования водорода, закаченного при большом давлении, внутрь.

Дизель-генератор

Машина имеет в своей конструкции явнополюсный ротор и подразумевает горизонтальную установку вала. Особенность – использование одного опорного подшипника, в качестве второй опоры используется подшипник вала генератора. На едином с ними валу установлен возбудитель.

Преимущества и недостатки

Основными минусами этого вида двигателя являются:

  • необходимость питания обмотки постоянным током;
  • сложность запуска;
  • скользящий контакт.

Большинство генераторов, где бы они ни использовались, являются синхронными. Преимуществами таких двигателей в целом являются:

  • самая высокая надежность;
  • самый большой коэффициент полезного действия
  • простота обслуживания.

Сфера применения

Широкое использование электродвигателей асинхронного типа со значительными недогрузками делает работу станций и энергосистем сложнее, так как уменьшается коэффициент мощности системы, это ведет к незапланированным потерям, к их неполному использованию по активной мощности. В связи с этим появилась необходимость в использовании двигателей синхронного типа, особенно для приводов механизмов значительной мощности.

Если сравнивать синхронные электродвигатели с асинхронными, то достоинством синхронных стала их работа коэффициентом мощности равном 1, благодаря действию возбуждения постоянным током. При этом они не расходуют реактивную мощность из питающей сети, а если работают с перевозбуждением, то даже отдают некоторую величину реактивной мощности для сети.

В итоге коэффициент мощности сети улучшается, и снижаются потери напряжения, увеличивается коэффициент мощности генераторов электростанций. Наибольший момент синхронного электродвигателя прямо зависит от напряжения, а у синхронного электромотора – от квадрата напряжения.

Поэтому, при уменьшении напряжения синхронный электромотор имеет по-прежнему значительную нагрузочную способность. Также, применение возможности повышения возбуждающего тока синхронных моторов дает возможность повышать их надежность эксплуатации при внезапных снижениях напряжения, и оптимизировать в таких случаях работу всей энергосистемы.

Из-за большой величины воздушного промежутка дополнительные потери в стальных сердечниках и в роторе синхронных моторов меньше, чем у двигателей асинхронного вида. Поэтому КПД синхронных моторов чаще бывает больше.

Однако устройство синхронных моторов намного сложнее, а также необходим возбудитель или другое устройство питания возбуждения. Поэтому синхронные моторы имеют более высокую стоимость по сравнению с асинхронными с короткозамкнутым ротором.

Запуск и регулировка скорости у синхронных электродвигателей имеет свои сложности. Но при больших мощностях их преимущества превосходят недостатки. Поэтому они применяются во многих местах, где не нужны частые пуски, остановки оборудования, а также нет необходимости в регулировки оборотов двигателя с приводом механизмов насосов, компрессоров, мельниц и т.д.

Синхронный компенсатор

Упрощенная конструкция для холостого хода называется компенсатором.

Потребление электричества, помимо активной мощности, нуждается в реактивной мощности. Генератор вырабатывает реактивную мощность с минимальными затратами. Переход реактивной мощности генератора связан с потерями на линии передач. Поэтому применение компенсаторов является обоснованным экономически. При возбуждении синхронные двигатели не используют напряжение сети, а при перевозбуждении отдают реактивную мощность.

Синхронный электродвигатель применяется в сети переменного и постоянного тока, обеспечивая высокую надежность работы. Этот двигатель улучшит коэффициент мощности предприятия.

Асинхронный двигатель

Данный вид устройста представляет механизм, направленный на трансформацию электрической энергии переменного тока в механическую. Из самого названия «асинхронный» можно сделать вывод, что речь идет о неодновременном процессе. И действительно, частота вращения магнитного поля статора здесь выше роторной всегда.
Такое устройство состоит из статора цилиндрической формы и ротора, в зависимости от вида которого асинхронные двигатели короткозамкнутые могут быть и с фазным ротором.

Почему асинхронный?

Скорость магнитных полей ротора и статора аналогична, но первый на 8–100 отстает от второго по фазе, что и обеспечивает асинхронную работу основных элементов (отсюда и название). Особенность таких электрических двигателей – создание очень больших пусковых токов. Это характерно для классических короткозамкнутых устройств (тех самых, при запуске которых мигает свет). Для снижения риска перегрузок при их эксплуатации применяется ряд мер:

  • в машинах с высокими показателями мощности используют фазный якорь с тремя соединенными «звездой» обмотками;
  • подключение роторных обмоток осуществляется не напрямую к электросети, а через коллектор (щетки, пластины), соединенный с пусковым реостатом.

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

Синхронный и асинхронный двигатель: отличия

Отличие работы двигателей – в роторе. У синхронного типа он заключается в постоянном или электрическом магните. Благодаря притягиванию разноименных полюсов вращающееся поле статора влечет и магнитный ротор. Их скорость получается одинаковой. Отсюда и название — синхронный.

В нем можно добиться, в отличие от асинхронного, даже опережения напряжения по фазам. Тогда устройство, подобно батареям конденсатора, может применяться для увеличения мощности.

Асинхронные двигатели, в свою очередь, просты и надежны, но их недостатком является трудность регулировки частоты вращения. Для реверсирования трехфазного асинхронного двигателя (то есть изменения направления его вращения в противоположную сторону) меняют расположение двух фаз или двух линейных проводов, приближающихся к обмотке статора.

Если рассматривать частоту вращения, то имеют и здесь синхронный и асинхронный двигатель отличия. В синхронном типе этот показатель является постоянным, в отличие от асинхронного. Поэтому первый используют там, где необходима постоянная скорость и полная управляемость, например, в насосах, вентиляторах и компрессорах.

Выявить на том или ином устройстве наличие рассматриваемых типов приборов очень просто. На асинхронном двигателе будет не круглое число оборотов (например, девятьсот тридцать в минуту), в то время как на синхронном — круглое (например, тысяча оборотов в минуту).

И те, и другие моторы управляются достаточно сложно. Синхронный тип имеет жесткую характеристику механики: при любой меняющейся нагрузке на вал мотора частота вращения будет одной и той же. При этом нагрузка, конечно, должна меняться с учетом того, чтобы двигатель способен ее выдержать, иначе это приведет к поломке механизма.

Так устроен синхронный и асинхронный двигатель. Отличия обоих видов обуславливают сферу их использования, когда один вид справляется с задачей оптимальным образом, для другого это будет проблематичным. В то же время можно встретить и комбинированные механизмы.

 

В чем ключевое отличие синхронного двигателя от асинхронного

Главное отличие синхронного от асинхронного двигателя заключается в устройстве ротора.

Роторы синхронных двигателей представляют собой постоянные или электрические магниты. Постоянное магнитное поле, создаваемое ими, взаимодействует с вращающимся магнитным полем статора.

В случае с асинхронным двигателем (который также называют индукционным) в пазы ротора вставляются короткозамкнутые металлические пластины. Кроме короткозамкнутой разновидности, применяются также фазные роторы, снабженные контактными кольцами, которые после разбега замыкаются накоротко.

В результате соотношение частоты оборотов двигателя, находящегося под нагрузкой, с частотой вращения, которая присуща магнитному полю статора, для разных типов двигателя следующее:

  • равное для агрегатов синхронного типа;
  • неравное для асинхронных двигателей (наблюдается постоянное отставание от скорости вращения магнитного поля статора, равное величине скольжения).

На основе понимания того, чем отличается асинхронный двигатель от синхронного, можно сформулировать главные преимущества и недостатки этих двигателей.

Какой лучше

Итак, в статье были разобраны устройство и принцип действия двух видов электродвигателей. Говорить о том, что какой-то из них лучше, нельзя. Но отметим, что асинхронные модели проще в конструктивном аспекте. Они надежнее в эксплуатации. Если их не перегружать, то срок службы может быть очень длительным. К сожалению, синхронные виды этим похвастаться не могут. Графитовые щетки быстро изнашиваются, им требуется замена. Но если не уследить, и графит сотрется полностью, то металлические держатели щеток начнут истирать токосъемное кольцо. А его выход из строя – это не только полный выход из строя двигателя, это большое количество искр (трение металла о металл) и возможность появления более серьезных неприятностей.

 

Таблица

Синхронный двигатель Асинхронный двигатель
Вращение ротора и магнитного поля в синхронных двигателях осуществляется с одинаковой частотой Вращение ротора и магнитного поля в асинхронных агрегатах осуществляется с разной частотой
Имеет часто более сложную конструкцию Обычно имеет менее сложную конструкцию
Оптимален при необходимой мощности в 100 кВт и выше Оптимален при необходимой мощности менее 100 кВт

Однофазные электродвигатели

Асинхронные двигатели переменного тока имеют одну рабочую обмотку. При протекании синусоидального напряжения по обмотке статора создается пульсирующее магнитное поле, изменяющееся по величине, но неподвижное в пространстве.

Основная проблема возникает при пуске двигателя.

В теории возможно запустить его, физически воздействуя на вал и задав вращение в любую сторону. На практике же выделяют 4 способа пуска однофазного двигателя:

  1. Электродвигатель CSIR с пуском с помощью конденсатора, работа через обмотку.
    Наиболее многочисленная группа однофазных электродвигателей, ограничена мощностью 1,1 кВт. Конденсатор последовательно соединён с пусковой обмоткой, он создаёт отставание между пусковой и главной обмотками.
    Это способствует сдвигу фаз пусковой и рабочей обмотки, образуя появление вращающегося поля, влияя на возникновение вращающего момента. При достижении рабочей частоты вращения открывается пускатель, и двигатель продолжает работать в обычном режиме.
  2. Электродвигатель CSCR с пуском через конденсатор, работа через конденсатор.
    Двигатели CSCR работают с постоянно подключённым конденсатором к пусковой обмотке и подключаемым при включении пусковым конденсатором. Являются лучшим вариантом для работы в сложных условиях. Конденсатор последовательно соединён с пусковой обмоткой, что обеспечивает высокий пусковой момент.
    Электродвигатели CSCR – это самые мощные однофазные двигатели, их мощность достигает 11 кВт.
    Могут использоваться для работы с низким током нагрузки и при более высоком КПД, что даёт преимущества: в частности, обеспечивает работу двигателя с меньшими скачками температур по сравнению с другими однофазными электродвигателями.
  3. Электродвигатель RSIR с пуском через сопротивление, работа через обмотку.
    Этот тип двигателей ещё называют: “электродвигатель с расщеплённой фазой”. Имеют ограничение по мощности до 0,25 кВт.
    Наиболее дешёвый вариант однофазных электродвигателей.
    Пусковое устройство двигателя RSIR имеет две обмотки статора, одна из которых используется только для пуска, диаметр этой обмотки меньше, что увеличивает сопротивление. Это создаёт отставание вращающегося поля, что приводит двигатель в движение.
    Электронный пускатель отсоединяет пусковую обмотку при достижении приблизительно 75% от номинального значения. После чего двигатель продолжает работу в обычном режиме.
    Примечание: данный тип электродвигателя имеет высокие пусковые токи от 700 до 1000% от номинального значения тока.
    Продолжительный пуск может быть губительным для обмотки вследствие перегрева двигателя. Это означает, что их нельзя использовать там, где нужен большой пусковой момент.
  4. Электродвигатель PSC с постоянным разделением ёмкости.
    Данный электродвигатель оснащён постоянно включённым конденсатором, последовательно соединённым с пусковой обмоткой. Двигатель PSC не имеет конденсатора, который используется только для пуска. “Пусковая” обмотка становится вспомогательной в момент, когда двигатель достигает рабочей частоты вращения.
    Наиболее подходят для областей применения с продолжительным рабочим циклом.
    Есть ограничение по мощности – 2,2 кВт.

Схемы подключения к однофазной сети

Здесь все достаточно просто. Мы должны соединить конденсатор между двумя фазами. В схеме со звездой это будет выглядеть вот так.

Для того, чтобы поменять вращение двигателя, нам надо просто поменять местами фазу (L) и ноль (N) местами.

Ну и все то же самое касается и со схемой подключения “треугольник”.

Трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором

Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором – это асинхронный электродвигатель, у которого ротор выполнен с короткозамкнутой обмоткой в виде беличьей клетки [1].

Конструкция асинхронного электродвигателя

Трехфазный асинхронный электродвигатель, как и любой электродвигатель, состоит из двух основных частей – статора и ротора. Статор – неподвижная часть, ротор – вращающаяся часть. Ротор размещается внутри статора. Между ротором и статором имеется небольшое расстояние, называемое воздушным зазором, обычно 0,5-2 мм.

Статор асинхронного двигателя
Ротор асинхронного двигателя

Статор состоит из корпуса и сердечника с обмоткой. Сердечник статора собирается из тонколистовой технической стали толщиной обычно 0,5 мм, покрытой изоляционным лаком. Шихтованная конструкция сердечника способствует значительному снижению вихревых токов, возникающих в процессе перемагничивания сердечника вращающимся магнитным полем. Обмотки статора располагаются в пазах сердечника.

Корпус и сердечник статора асинхронного электродвигателя
Конструкция шихтованного сердечника асинхронного двигателя

Ротор состоит из сердечника с короткозамкнутой обмоткой и вала. Сердечник ротора тоже имеет шихтованную конструкцию. При этом листы ротора не покрыты лаком, так как ток имеет небольшую частоту и оксидной пленки достаточно для ограничения вихревых токов.

Принцип работы. Вращающееся магнитное поле

Принцип действия трехфазного асинхронного электродвигателя основан на способности трехфазной обмотки при включении ее в сеть трехфазного тока создавать вращающееся магнитное поле.

Вращающееся магнитное поле – это основная концепция электрических двигателей и генераторов.

Остановить

Вращающееся магнитное поле асинхронного электродвигателя

Частота вращения этого поля, или синхронная частота вращения прямо пропорциональна частоте переменного тока f1 и обратно пропорциональна числу пар полюсов р трехфазной обмотки.

,

  • где n1 – частота вращения магнитного поля статора, об/мин,
  • f1 – частота переменного тока, Гц,
  • p – число пар полюсов

Концепция вращающегося магнитного поля

Чтобы понять феномен вращающегося магнитного поля лучше, рассмотрим упрощенную трехфазную обмотку с тремя витками. Ток текущий по проводнику создает магнитное поле вокруг него. На рисунке ниже показано поле создаваемое трехфазным переменным током в конкретный момент времени

Остановить

Магнитное поле прямого проводника с постоянным током
Магнитное поле создаваемое обмоткой

Составляющие переменного тока будут изменяться со временем, в результате чего будет изменяться создаваемое ими магнитное поле. При этом результирующее магнитное поле трехфазной обмотки будет принимать разную ориентацию, сохраняя при этом одинаковую амплитуду.

Магнитное поле создаваемое трехфазным током в разный момент времени
Ток протекающий в витках электродвигателя (сдвиг 60°)
Остановить

Вращающееся магнитное поле

Действие вращающегося магнитного поля на замкнутый виток

Теперь разместим замкнутый проводник внутри вращающегося магнитного поля. По закону электромагнитной индукции изменяющееся магнитное поле приведет к возникновению электродвижущей силы (ЭДС) в проводнике. В свою очередь ЭДС вызовет ток в проводнике. Таким образом, в магнитном поле будет находиться замкнутый проводник с током, на который согласно закону Ампера будет действовать сила, в результате чего контур начнет вращаться.

Влияние вращающегося магнитного поля на замкнутый проводник с током

Короткозамкнутый ротор асинхронного двигателя

По этому принципу также работает асинхронный электродвигатель. Вместо рамки с током внутри асинхронного двигателя находится короткозамкнутый ротор по конструкции напоминающий беличье колесо. Короткозамкнутый ротор состоит из стержней накоротко замкнутых с торцов кольцами.

Короткозамкнутый ротор “беличья клетка” наиболее широко используемый в асинхронных электродвигателях (показан без вала и сердечника)

Трехфазный переменный ток, проходя по обмоткам статора, создает вращающееся магнитное поле. Таким образом, также как было описано ранее, в стержнях ротора будет индуцироваться ток, в результате чего ротор начнет вращаться. На рисунке ниже Вы можете заметить различие между индуцируемыми токами в стержнях. Это происходит из-за того что величина изменения магнитного поля отличается в разных парах стержней, из-за их разного расположения относительно поля. Изменение тока в стержнях будет изменяться со временем.

Остановить

Вращающееся магнитное поле пронизывающее короткозамкнутый ротор
Магнитный момент действующий на ротор

Вы также можете заметить, что стержни ротора наклонены относительно оси вращения. Это делается для того чтобы уменьшить высшие гармоники ЭДС и избавиться от пульсации момента. Если стержни были бы направлены вдоль оси вращения, то в них возникало бы пульсирующее магнитное поле из-за того, что магнитное сопротивление обмотки значительно выше магнитного сопротивления зубцов статора.

Управление асинхронным двигателем

    Способы подключения асинхронного электродвигателя к сети питания:
  • прямое подключение к сети питания
  • подключение от устройства плавного пуска
  • подключение от преобразователя частоты
Варианты подключения асинхронного электродвигателя с помощью магнитного пускателя (слева), устройства плавного пуска (посеридине) и частотного преобразователя (справа). Схемы представлены в упрощенном виде.
FU1-FU9 – плавкие предохранители, KK1 – тепловое реле, KM1 – магнитный пускатель, L1-L3 – контакты для подключения к сети трехфазного переменного тока, M1-M3 – асинхронные электродвигатели, QF1-QF3 – автоматические выключатели, UZ1 – устройство плавного пуска, UZ2 – преобразователь частоты

Прямое подключение к сети питания

Использование магнитных пускателей позволяет управлять асинхронными электродвигателями путем непосредственного подключения двигателя к сети переменного тока.

С помощью магнитных пускателей можно реализовать схему:

  • нереверсивного пуска: пуск и остановка;
  • реверсивного пуска: пуск, остановка и реверс.

Использование теплового реле позволяет осуществить защиту электродвигателя от величин тока намного превышающих номинальное значение.

Нереверсивная схема

Нереверсивная схема подключения трехфазного асинхронного электродвигателя к трехфазной сети переменного электрического тока через магнитный пускатель
L1, L2, L3 – контакты для подключения к сети трехфазного переменного тока, QF1 – автоматический выключатель, SB1 – кнопка остановки, SB2 – кнопка пуска, KM1 – магнитный пускатель, KK1 – тепловое реле, HL1 – сигнальная лампа, M – трехфазный асинхронный двигатель

Реверсивная схема

Реверсивная схема подключения трехфазного асинхронного электродвигателя к трехфазной сети переменного электрического тока через магнитные пускатели
L1, L2, L3 – контакты для подключения к сети трехфазного переменного тока, QF1 – автоматический выключатель, KM1, KM2 – магнитные пускатели, KK1 – тепловое реле, M – трехфазный асинхронный двигатель, SB1 – кнопка остановки, SB2 – кнопка пуска “вперед”, SB3 – кнопка пуска “назад” (реверс), HL1, HL2 – сигнальные лампы

Недостатком прямой коммутации обмоток асинхронного электродвигателя с сетью является наличие больших пусковых токов, во время запускаэлектродвигателя.

Плавный пуск асинхронного электродвигателя

В задачах, где не требуется регулировка скорости электродвигателя во время работы для уменьшения пусковых токов используется устройство плавного пуска.

Устройство плавного пуска защищает асинхронный электродвигатель от повреждений вызванных резким увеличением потребляемой энергии во время пуска путем ограничения пусковых токов. Устройство плавного пуска позволяет обеспечить плавный разгон и торможение асинхронного электродвигателя.

Устройство плавного пуска дешевле и компактнее частотного преобразователе. Применяется там, где регулировка скорости вращения и момента требуется только при запуске.

Частотное управление асинхронным электродвигателем

Для регулирования скорости вращения и момента асинхронного двигателя используют частотный преобразователь. Принцип действия частотного преобразователя основан на изменении частоты и напряжения переменного тока.

    Использование частотного преобразователя позволяет:
  • уменьшить энергопротребление электродвигателя;
  • управлять скоростью вращения электродвигателя (плавный запуск и остановка, регулировка скорости во время работы);
  • избежать перегрузок электродвигателя и тем самым увеличить его срок службы.
Функциональная схема частотно-регулируемого привода
    В зависимости от функционала частотные преобразователи реализуют следующие методы регулирования асинхронным электродвигателем:
  • скалярное управление
  • векторное управление.

Скалярное управление является простым и дешевым в реализации, но имеет следующие недостатки – медленный отклик на изменение нагрузки и небольшой диапазон регулирования. Поэтому скалярное управление обычно используется в задачах, где нагрузка либо постоянна, либо изменяется по известному закону (например, управление вентиляторами).

Скалярное управление асинхронным двигателем с датчиком скорости

Векторное управление используется в задачах, где требуется независимо управлять скоростью и моментом электродвигателя (например, лифт), что, в частности, позволяет поддерживать постоянную скорость вращения при изменяющемся моменте нагрузки. При этом векторное управление является самым эффективным управлением с точки зрения КПД и увеличения времени работы электродвигателя.

Среди векторных методов управления асинхронными электродвигателями наиболее широкое применение получили: полеориентированное управление и прямое управление моментом.

Полеориентированное управления асинхронным электродвигателем по датчику положения ротора

Полеориентированное управление позволяет плавно и точно управлять параметрами движения (скоростью и моментом), но при этом для его реализации требуется информация о направлениии вектора потокосцепления ротора двигателя.

    По способу получения информации о положении потокосцепления ротора электродвигателя выделяют:
  • полеориентированное управление по датчику;
  • полеориентированное управление без датчика: положение потокосцепления ротора вычисляется математически на основе той информации, которая имеется в частотном преобразователе (напряжение питания, напряжения и токи статора, сопротивление и индуктивность обмоток статора и ротора, количество пар полюсов двигателя).
Полеориентированное управления асинхронным электродвигателем без датчика положения ротора

Прямое управление моментом имеет простую схему и высокую динамику работы, но при этом высокие пульсации момента и тока.

Достоинства асинхронных электродвигателей

С короткозамкнутым ротором С фазным ротором
1. Простое устройство и схема запуска 1. Небольшой пусковой ток
2. Низкая цена изготовления 2. Возможность регулировать скорость вращения
3. С увеличением нагрузки скорость вала не меняется 3. Работа с небольшими перегрузками без изменения частоты вращения
4. Способен переносить перегрузки краткие по времени 4. Можно применять автоматический пуск
5. Надежен и долговечен в эксплуатации 5. Имеет большой вращающий момент
6. Подходит для любых условий работы
7. Имеет высокий коэффициент полезного действия
 

Недостатки асинхронных электродвигателей

С короткозамкнутым ротором С фазным ротором
1. Не регулируется скорость вращения ротора 1. Большие габариты
2. Маленький пусковой момент 2. Коэффициент полезного действия ниже
3. Высокий пусковой ток 3. Частое обслуживание из-за износа щеток
4. Некоторая сложность конструкции и наличие движущихся контактов

Асинхронные электродвигатели являются очень эффективными устройствами с отличными механическими характеристиками, и благодаря этому они являются лидерами по частоте применения.

Как проверить двигатель перед запуском

Перед тем, как запустить асинхронный двигатель в работу, желательно его проверить на работоспособность. С чего же начать?

Внешний осмотр двигателя. Проверьте, нет ли сколов, вмятин, покрутите вал двигателя. Он должен крутиться плавно и без рывков в обе стороны. Этим действием вы проверяете подшипники, на которых держится ротор двигателя. Если вал двигателя подклинивает, то на это могут быть несколько причин: разбиты посадочные места под подшипники, убитые подшипники, либо ротор затирает статор. Для того, чтобы выяснить причину, нужно будет полностью разобрать двигатель и выяснить реальную проблему. Если все ок, то двигаемся к следующему шагу.

Проверяем обмотки двигателя. Для этого берем мультиметр, ставим его на измерение сопротивления и проверяем сопротивление обмоток. Если обмотки подключены по схеме “звезда”, то нам будет достаточно замерять сопротивление между клеммами, куда подается напряжение питания. Делается это в три этапа.

Раз.

Два.

Три.

Во всех трех случаях сопротивление должно быть одинаково. Допускается отклонение в несколько Ом.

Этими тремя действиями мы проверили обмотки нашего двигателя и убедились, что они все целые.

И заключительный шаг. Проверяем, не звонятся ли обмотки на землю. Так как все обмотки так или иначе соединяются между собой, достаточно будет встать щупом мультиметра на любую из обмоток, а вторым щупом встать на корпус двигателя. Переключатель на мультиметре поставить на измерение МОм.

В идеале должно получиться бесконечно большое сопротивление, в реале от 100 МОм и выше. Если сопротивление очень маленькое, что то около 1-10 Ом, то это означает, что какая-то из обмоток двигателя звонится на землю, что категорически недопустимо. На практике если же сопротивление меньше 1 МОм, то надо выяснить причину и устранить ее. Скорее всего в двигатель попала влага, грязь, либо произошел пробой диэлектрика медного провода. В этом случае поможет только полная разборка и визуальное выяснение причины.

Все те же самые операции применяются и к двигателю со схемой подключения “треугольник”.

 

Производители электродвигателей

  • Российские производители электродвигателей
  • Производители электродвигателей ближнего зарубежья
  • Производители электродвигателей дальнего зарубежья

Российские производители электродвигателей

Регион Производитель Асинхронный двигатель Синхронный двигатель УД КДПТ
АДКР АДФР СДОВ СДПМ, серво СРД, СГД Шаговый КДПТ ОВ КДПТ ПМ
Краснодарский край Армавирский электротехнический завод
Свердловская область Баранчинский электромеханический завод
Владимир Владимирский электромоторный завод
Санкт-Петербург ВНИТИ ЭМ
Москва ЗВИ
Московский электромеханический завод имени Владимира Ильича
Пермь ИОЛЛА
Республика Марий Эл Красногорский завод “Электродвигатель”
Воронеж МЭЛ
Новочеркасск Новочеркасский электровозостроительный завод
Санкт-Петербург НПО “Электрические машины”
Томская область НПО Сибэлектромотор
Новосибирск НПО Элсиб
Удмуртская республика Сарапульский электрогенераторный завод
Киров Электромашиностроительный завод Лепсе
Санкт-Петербург Ленинградский электромашиностроительный завод
Псков Псковский электромашиностроительный завод
Ярославль Ярославский электромашиностроительный завод
Аббревиатура:
  • АДКР – асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором
  • АДФР – асинхронный двигатель с фазным ротором
  • СДОВ – синхронный двигатель с обмоткой возбуждения
  • СДПМ – синхронный двигатель с постоянными магнитами
  • СРД – синхронный реактивный двигатель
  • СГД – синхронный гистерезисный двигатель
  • УД – универсальный двигатель
  • КДПТ – коллекторный двигатель постоянного тока
  • КДПТ ОВ – коллекторный двигатель постоянного тока с обмотками возбуждения
  • КДПТ ПМ – коллекторный двигатель постоянного тока с постоянными магнитами

Производители электродвигателей ближнего зарубежья

Страна Производитель Асинхронный двигатель Синхронный двигатель УД КДПТ
АДКР АДФР СДОВ СДПМ, серво СРД, СГД Шаговый КДПТ ОВ КДПТ ПМ
Беларусь Могилевский завод “Электродвигатель”
Беларусь Полесьеэлектромаш
Украина Харьковский электротехнический завод “Укрэлектромаш”
Молдова Электромаш
Украина Электромашина
Украина Электромотор
Украина Электротяжмаш

Производители электродвигателей дальнего зарубежья

Страна Производитель Асинхронный двигатель Синхронный двигатель УД КДПТ
АДКР АДФР СДОВ СДПМ, серво СРД, СГД Шаговый КДПТ ОВ КДПТ ПМ
Швейцария ABB Limited
США Allied Motion Technologies Inc.
США Ametek Inc.
США Anaheim automation
США Arc System Inc.
Германия Baumueller
Словения Domel
США Emerson Electric Corporation
США General Electric
США Johnson Electric Holdings Limited
Германия Liebherr
Швейцария Maxon motor
Япония Nidec Corporation
Германия Nord
США Regal Beloit Corporation
Германия Rexroth Bosch Group
Германия Siemens AG
Бразилия WEG
    Источники

    • https://elektroznatok.ru/oborudovanie/elektrodvigateli
    • https://engineering-solutions.ru/motorcontrol/motor/
    • https://reductor58.ru/library/printsip-raboty-elektrodvigatelya
    • https://www.szemo.ru/press-tsentr/article/ustroystvo-i-printsip-deystviya-sinkhronnogo-dvigatelya/
    • https://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/31137
    • https://ozlib.com/817463/tehnika/pusk_sinhronizatsiya_sinhronnyh_dvigateley
    • https://www.asutpp.ru/princip-raboty-sinxronnogo-dvigatelya.html
    • https://meanders.ru/sinhronnyj-dvigatel-teorija-raboty-i-ego-stroenie.shtml
    • https://podvi.ru/elektrodvigatel/ustrojstvo-i-princip-dejstviya-sinxronnyx-mashin.html
    • https://FB.ru/article/234304/sinhronnyiy-i-asinhronnyiy-dvigatel-otlichiya-printsip-rabotyi-primenenie
    • https://electrosam.ru/glavnaja/jelektrooborudovanie/ustrojstva/sinkhronnye-elektrodvigateli/
    • https://electricvdele.ru/elektrooborudovanie/elektrodvigateli/sinhronnyj-elektrodvigatel.html
    • https://www.szemo.ru/press-tsentr/article/asinkhronnye-i-sinkhronnye-dvigateli/
    • https://onlineelektrik.ru/eoborudovanie/edvigateli/sinxronnyj-i-asinxronnyj-dvigatel-otlichiya-po-konstrukcii-i-principu-raboty.html
    • https://TheDifference.ru/chem-otlichaetsya-sinhronnyj-dvigatel-ot-asinhronnogo/
    • https://RusAutomation.ru/stati/asinhronnye-elektrodvigateli-princip-raboty
    • https://www.RusElectronic.com/induction-motor/
    • https://engineering-solutions.ru/motorcontrol/induction3ph/
    • https://odinelectric.ru/equipment/ustrojstvo-vidy-i-princip-dejstvija-asinhronnyh-jelektrodvigatelej

    Рейтинг
    ( Пока оценок нет )
    Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
    Все об устройстве автомобилей, советы, помощь
    Добавить комментарий

    ;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: