принцип работы и устройство (фото)

Синхронный электродвигатель – электрическая установка, действующая от сети переменного и постоянного тока. Синхронная машина улучшает коэффициент мощности. Данные моторы используются довольно часто в электрической системе, потому что они подходят для любой сети напряжения и обладают высокими экономическими данными.

Область применения

• конвейеры,
• мощные вентиляторы,
• мельницы,
• эксгаустеры,
• компрессоры,
• дробилки,
• прокатные станки.

Преимущества и недостатки

Синхронный электродвигатель имеет сложнее структуру, чем асинхронный, но обладает некоторыми достоинствами.

Главным положительным качеством данных агрегатов является способность поддерживать оптимальный режим реактивной энергии. Из-за автоматического регулирования силы тока двигателя, он работает, не употребляя, не давая реактивную энергию, значение коэффициента мощности равняется 1. Если нужна реактивная энергия, она будет производиться синхронным мотором.

Данным двигателям не страшны перебои в сети, которой равен их максимальный момент. А значение критического момента равно квадрату напряжения.

Агрегат выдерживает большую перегрузку, которую можно еще увеличить автоматически повышением тока при необходимости непродолжительной нагрузки на вал. Он имеет постоянную скорость вращения независимо от нагрузки.

Трехфазный синхронный двигатель дороже обычного асинхронного из-за сложного механизма и особого устройства.

Еще недостатком оказывается надобность в постоянном источнике энергии, функции которого выполняет выпрямитель или специализированный возбудитель.

Устройство электродвигателя

Синхронный мотор имеет две основные части — статор и ротор. Неподвижная часть называется статором, а подвижный элемент ротором.

Однофазный двигатель с короткозамкнутым ротором, расположенным в статоре или снаружи в двигателях обращенного вида. В основе ротора — постоянные магниты. Материал магнитов имеет высокую коэрцитивную силу. Полюсы ротора могут быть явно и неявно выраженными. Синхронный двигатель с короткозамкнутым ротором бывает с магнитами на поверхности или с уже встроенными.

Статор представлен корпусом и сердечником, состоящим из двухфазных и трехфазных обмоток. Обмотка бывает распределенная и сосредоточенная. У распределенной насчитываются пазы полюса и фазы Q= 2,3.

У сосредоточенной обмотки пазы полюса и фазы Q=1. Пазы размещены на одинаковом расстоянии на окружности неподвижной части двигателя. Катушки статора соединяются последовательно или параллельно. Такие обмотки не могут влиять на форму кривой ЭДС. Электродвижущая сила имеет трапецеидальную и синусоидальную форму. У явно выраженного полюса форма ротора и наводимая электродвижущая сила проводника является трапециевидной формы (а). При необходимости создания синусоидальной ЭДС, полюсные наконечники приобретают другую форму, где величина кривой распределения индукции близкая синусоидальной. Осуществление возможно благодаря наличию скосов на наконечнике полюса ротора.

Ротор синхронного двигателя переменного тока: а — явно выраженный полюс, 6 — неявно выраженный полюс.

Неявно выраженные полюса обладают равной индуктивностью продольных и поперечных осей, а явно выраженные полюса имеют одинаковую величину поперечной и продольной индуктивности (б).

Принцип действия

Принцип действия электрической машины переменного тока: 1 — статор, 2 — ротор.

У однофазного двигателя отсутствует пусковой момент. При подключении обмотки якоря к сети переменного тока, ротор неподвижен, в обмотку возбуждения поступает постоянный ток, за время одного изменения напряжения, два раза происходит смена направления электромагнитного момента. Значение среднего момента равняется нулю. Ротор разгоняется посредством внешнего момента до вращающейся частоты, которая приближается к синхронности.

Из-за высокого значения коэффициента мощности обеспечивается снижение потребления электричества, уменьшаются потери. В сравнении с асинхронным механизмом с такой же мощностью, синхронный двигатель имеет КПД выше. Так как крутящийся момент аналогичен напряжению сети. Даже снижение напряжения не влияет на нагрузочную способность. Что свидетельствует о надежности механизма.

Тип подключения делится на однофазный и трехфазный. Синхронные агрегаты чаще бывают трехфазными. При положении проводников трехфазного двигателя в определенной геометрической позиции появляется электромагнитное поле, которое вращается с одновременной скоростью. При имении магнита во вращающемся поле, они замыкают, крутятся параллельно. Двигатель можно назвать нерегулируемым, так как его скорость постоянная.

Пуск электродвигателя

Существует два способа пуска синхронной машины.

1. Асинхронное включение

Схема пуска на основе глухо подключенного возбудителя, применима для статистического момента нагрузки менее 0,4, без падений напряжения.

Асинхронный пуск с помощью трансформатора

В обмотке возбуждения замыкается сопротивление разряда, избегая тем самым перебои возбуждения обмотки на впуске, потому как на небольшой скорости вращения ротора возникают перенапряжения. Если скорость приближается к синхронной, реагирует контактор, а обмотка возбуждения переключается из разрядного сопротивления на якорь возбудителя.

2. Применение тиристорного возбудителя

Возбуждение, осуществляемое при помощи электромагнитного реле

Пуск с тиристорным возбудителем более надежный, обладает высоким КПД. Легче становится управление возбуждением, напряжение шин, остановка в аварийном режиме. Во многих моделях электродвигателей установлены тиристорные возбудители. Подача возбуждения работает автоматически функцией скорости и тока.

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.

Синхронный двигатель. Пуск синхронного двигателя.

Конструкция синхронного двигателя такая же, как и у синхронного генератора. При подаче тока в трехфазную обмотку статора в нем возникает вращающееся магнитное поле. Частота вращения его определяется формулой: n = 60 f / p, где f — частота тока питающей сети, р — число пар полюсов на статоре.

Принцип действия синхронного двигателя

Ротор, зачастую являющийся электромагнитом, будет строго следовать за вращающимся магнитным полем, то есть его частота вращения n₂ = n₁. Рассмотрим принцип действия синхронного двигателя на следующей условной модели (рис. 1). Пусть магнитное поле статора будет смоделировано системой вращающихся магнитных полюсов N — S.

Принцип действия синхронного двигателя

Рис. 1

Ротор двигателя тоже представляет собой систему электромагнитов S — N, которые сцеплены с полюсами на статоре. Если нагрузка на двигателе отсутствует, то оси полюсов статора будут совпадать с осями полюсов ротора (θ = 0). Если же к ротору подключена механическая нагрузка, то оси полюсов статора и ротора могут расходиться на некоторый угол θ. Однако магнитное сцепление ротора со статором будет продолжаться, и частота вращения ротора будет равна синхронной частоте статора (n₂ = n₁). При больших значениях ротор может выйти из сцепления и двигатель остановится.

Главное преимущество синхронного двигателя перед асинхронным — это обеспечение синхронной скорости вращения ротора при значительных колебаниях нагрузки.

Пуск синхронного двигателя

Как мы показали выше, синхронное вращение ротора обеспечивается магнитным сцеплением полюсов ротора с вращающимся магнитным полем статора. В первый момент пуска двигателя вращающееся магнитное поле статора возникает практически мгновенно. Ротор же, обладая значительной инерционной массой, прийти в синхронное вращение сразу не сможет. Его надо разогнать до подсинхронной скорости каким-то дополнительным устройством.

Долгое время роль разгонного двигателя играл обычный асинхронный двигатель, механически соединенный с синхронным. Ротор синхронного двигателя приводится во вращение до подсинхронной скорости. Далее двигатель сам втягивается в синхронизм. Обычно мощность пускового двигателя составляет 5-15 % от мощности синхронного двигателя. Это позволяет пускать в ход синхронный двигатель только вхолостую или при малой нагрузке на валу.

Применение пускового двигателя мощностью, достаточной для пуска синхронного двигателя под нагрузкой делает такую установку громоздкой и дорогой. В последнее время используется так называемая система асинхронного пуска синхронных двигателей. С этой целью в полюсные наконечники забивают стержни, напоминающие собою короткозамкнутую обмотку асинхронного двигателя.

Система асинхронного пуска синхронного двигателя

Рис. 2

В начальный период пуска синхронный двигатель работает как асинхронный, а в последующем — как синхронный. В целях безопасности обмотку возбуждения в начальном периоде пуска закорачивают, а на заключительном подключают к источнику постоянного тока.

Конструкция и принцип работы синхронного двигателя

          Мы рассмотрели различные особенности трехфазного генератора переменного тока. Подобно генератору постоянного тока, это реверсивная машина. Если на статор трехфазного генератора переменного тока подается трехфазное питание, он может работать как двигатель. Поскольку он приводится в движение с синхронной скоростью , он называется синхронным генератором.

Поэтому, если генератор переменного тока работает как двигатель, он будет вращаться с синхронной скоростью. Такое устройство, которое преобразует электрическую энергию в механическую энергию, работающую с синхронной скоростью, называется синхронным двигателем.0003 синхронный двигатель работает только на синхронной скорости и не может работать на скорости, отличной от синхронной. Его скорость постоянна независимо от нагрузки, несомненно, его скорость меняется на мгновение в момент загрузки.

       В этой главе мы обсудим, как работает синхронный двигатель и

принцип работы трехфазного синхронного двигателя . Прежде чем приступить к изучению синхронного двигателя, необходимо изучить создание магнитного поля. вращающееся магнитное поле (RMF) очень важно для понимания работы синхронного двигателя .

Конструкция трехфазного синхронного двигателя:

      Подобно машине постоянного тока, в которой нет конструктивных различий между генератором и двигателем, нет разницы между конструкцией синхронного двигателя и генератора переменного тока, поскольку оба являются синхронными машинами.

Конструкция синхронного двигателя в основном аналогична генератору переменного тока с вращающимся полем. Состоит из двух частей:

i) Статор : Состоит из трехфазной обмотки, соединенной звездой или треугольником. Он возбуждается трехфазным переменным током. поставлять.

ii) Ротор : Ротор представляет собой обмотку возбуждения, конструкция которой может быть явно выраженной (выступающий полюс) или неявнонаправленной (цилиндрической). Практически в большинстве синхронных двигателей используется явно выраженная конструкция, т.е. обмотка возбуждается от отдельного источника постоянного тока через контактные кольца.

Конструкция трехфазного синхронного двигателя

Обязательно прочтите:

• Принцип работы синхронного генератора или генератора переменного тока

Принцип работы синхронного двигателя:

           Синхронный двигатель работает по принципу магнитной блокировки. Когда два разных полюса приближаются друг к другу, если магниты сильные, между этими двумя полюсами существует огромная сила притяжения. В таком состоянии два магнита называются магнитно запертыми. Если теперь один из двух магнитов вращается, то другой также вращается в том же направлении с той же скоростью из-за силы притяжения, т.е. из-за условия магнитного запирания. Принцип схематически показан на рисунке ниже.

Принцип магнитного запирания

        Таким образом, чтобы иметь условие магнитной блокировки, должны существовать два разных полюса, и магнитные оси двух должны быть расположены очень близко друг к другу. Давайте посмотрим на применение этого принципа синхронного двигателя .

       Рассмотрим трехфазный синхронный двигатель, статор которого имеет 2 полюса. Два магнитных поля создаются в синхронном двигателе за счет возбуждения обмоток статора и ротора трехфазным переменным током.

питания и постоянного тока питания соответственно. Когда трехфазная обмотка возбуждается трехфазным переменным током. питания, то поток, создаваемый трехфазной обмоткой, всегда имеет вращающийся тип. Такой магнитный поток вращается в пространстве со скоростью, называемой синхронная скорость . Этот магнит называется вращающимся магнитным полем .

            Вращающееся магнитное поле создает эффект, аналогичный физическому вращению магнитов в пространстве с синхронной скоростью. Так статор синхронного двигателя производит один магнит, который так же хорошо вращается в пространстве с синхронной скоростью. Синхронная скорость вращающегося магнитного поля статора зависит от частоты питания и числа полюсов, на которые намотана обмотка статора. Если частота питания переменного тока равна f Гц, а статор намотан на количество полюсов P, то скорость Вращающее магнитное поле синхронно дано,

NS = 120F/P R.P.M

В этом случае, так как статор намотает для, скажем, 2 полюса, с подачей 50 Гц, скорость вращающегося магнитного поля будет 3000 об.

Этот эффект аналогичен физическому вращению двух полюсов со скоростью Ns об/мин. Для простоты понимания предположим, что полюса статора – это N1 и S1 , которые вращаются со скоростью Ns.

           Направление вращения вращающегося магнитного поля указано по часовой стрелке. Когда обмотка возбуждения на роторе возбуждается источником постоянного тока, она также создает два полюса, предполагая, что конструкция ротора является двухполюсной, явного типа. Пусть эти полюса будут N2 и S2.

             Теперь один магнит вращается со скоростью Ns, имея полюса N1 и S1, в то время как при запуске ротор неподвижен, т.е. второй магнит неподвижен, имея полюса N2 и S2. Если каким-то образом разноименные полюса N1 и S2 или S1 и N2 приблизить друг к другу, между полюсами статора и ротора может установиться магнитная блокировка.

          Поскольку полюса статора вращаются, из-за магнитного поля ротор также будет вращаться в том же направлении, что и полюса статора, т.е. в направлении вращающегося магнитного поля , с той же скоростью, т. е. Ns.

       Следовательно, синхронный двигатель вращается с одной и только одной скоростью, т.е.

синхронная скорость . Но это все зависит от наличия магнитной блокировки между полюсами статора и ротора. Практически невозможно, чтобы полюса статора вытягивали полюса ротора из их стационарного положения в состояние магнитной блокировки. Следовательно, синхронные двигатели не являются самозапускающимися. Давайте подробно рассмотрим причину этого.

Почему синхронный двигатель не запускается самостоятельно?

        Предположим, что вращающееся магнитное поле эквивалентно физическому вращению двух полюсов статора N1 и S1.

      Рассмотрим момент, когда два полюса находятся в таком положении, когда магнитная ось статора вертикальна вдоль AB, как показано на рисунке ниже (a). В этот момент полюса ротора произвольно расположены, как показано на рисунке ниже.

  

       В этот момент ротор неподвижен и разные полюса будут пытаться притянуться друг к другу. Из-за этого ротор будет подвергаться мгновенному крутящему моменту в направлении против часовой стрелки, как показано на рисунке (а).

(a) Действие синхронного двигателя                     (b) Действие синхронного двигателя

       Полюса статора теперь вращаются очень быстро, т.е. со скоростью Ns об/мин. За счет инерции, прежде чем ротор едва повернется в направлении вращающего момента против часовой стрелки, которому он подвергается, полюса статора меняют свое положение. Рассмотрим момент последней половины периода, когда полюса статора точно поменялись местами, но из-за инерции ротор не может вращаться из своего начального положения. Это показано на рисунке (b).

        В этот момент из-за того, что разные полюса пытаются притянуться друг к другу, ротор будет подвергаться крутящему моменту в направлении по часовой стрелке. Это приведет к вращению ротора в направлении вращения магнитного поля . Но прежде чем это произойдет, полюса статора снова меняют свое положение, меняя направление крутящего момента, действующего на ротор.

Ключевой момент : В результате средний крутящий момент, действующий на ротор, равен нулю. И, следовательно, синхронный двигатель не запускается самостоятельно .

Примечание : Вопрос очевиден: что произойдет, если случайно положение ротора окажется таким, что противоположные полюса ротора и статора будут обращены друг к другу? Но из-за большой инерции ротора ротор не может вращаться вместе с полюсами статора. Отсюда снова создается разность положений магнитных осей и ротор подвергается реверсивному крутящему моменту.

           Это связано с тем, что скорость, с которой вращается вращающееся магнитное поле, настолько высока, что ротор не может вращаться из исходного положения из-за инерции ротора. Так что в любом случае, каким бы ни было начальное положение ротора, синхронный двигатель не является самозапускающимся.

Процедура запуска синхронного двигателя:

        Теперь предположим, что ротор вращается каким-то внешним средством со скоростью, почти равной синхронной скорости . И тогда ротор возбуждается, чтобы произвести свои полюса. Теперь в некоторый момент статор и ротор, в отличие от полюсов, окажутся обращенными друг к другу так, что их магнитные оси будут близки друг к другу. Затем сила притяжения между ними приводит их обоих в состояние магнитной блокировки.

          После установления магнитной блокировки полюса ротора и статора продолжают занимать те же относительные положения. Благодаря этому ротор постоянно испытывает однонаправленный крутящий момент в направлении вращающегося магнитного поля. Следовательно, ротор вращается с синхронной скоростью, которая называется синхронной с 9.0003 вращающееся магнитное поле .

         Внешнее устройство, используемое для вращения ротора на скорости, близкой к синхронной, можно снять после установления синхронизма. Затем ор продолжает свое вращение на Ns благодаря магнитному запиранию. По этой причине синхронный двигатель работает только на синхронной скорости и не вращается ни на какой другой скорости, кроме синхронной. Эта операция показана на рисунках (а) и (б) ниже.

Однонаправленный крутящий момент ротора

             Обмотка возбуждения, т. е. ротор, питается от источника постоянного тока, необходимо поддерживать магнитную блокировку, пока двигатель работает.

Обязательно прочтите:

• Обмотки якоря генератора переменного тока и типы обмоток якоря

            Таким образом, общая процедура запуска синхронного двигателя может быть сформулирована следующим образом: питание на трехфазную обмотку. Это даст вращающееся магнитное поле вращение с синхронной скоростью Нс об/мин.

2. Затем приведите ротор в движение каким-либо внешним средством, например, дизельным двигателем, в направлении вращающегося магнитного поля со скоростью, очень близкой или равной синхронной скорости.

3. Включите подачу постоянного тока на ротор, который создаст полюса ротора. Теперь есть два поля: одно вращающееся магнитное поле, создаваемое статором, а другое создается ротором, который физически вращается почти с той же скоростью, что и 9.0003 вращающееся магнитное поле .

4. В определенный момент оба поля магнитно блокируются. Поле статора приводит поле ротора в синхронизм. Затем можно удалить внешнее устройство, используемое для вращения ротора. Но ротор будет продолжать вращаться с той же скоростью, что и вращающееся магнитное поле т.е. Ns из-за магнитной блокировки.

Ключевой момент : Итак, суть обсуждения в том, что для запуска синхронного двигателя требуется какое-то устройство, вращающее ротор со скоростью, очень близкой или равной синхронная скорость .

Заключение: 

         Теперь мы обсудили конструкцию и принцип работы синхронного двигателя . Вы можете скачать эту статью в формате pdf, ppt.

Комментарий ниже для любых запросов.

Принцип работы трехфазного синхронного двигателя

Синхронный двигатель работает по принципу магнитной блокировки. Когда два противоположных полюса приближаются друг к другу, если магниты сильные, между этими двумя полюсами существует огромная сила притяжения. В таком состоянии говорят, что два магнита магнитно заперты.

Если теперь один из двух магнитов вращается, другой также вращается в том же направлении с той же скоростью из-за силы притяжения, т.е. из-за состояния магнитной блокировки. Принцип схематически показан на рис.1.

Рис. 1 Принцип магнитного замка

Таким образом, чтобы иметь условие магнитной блокировки, должны существовать два разных полюса, и магнитные оси двух должны быть сдвинуты очень близко друг к другу. Давайте посмотрим на применение этого принципа в случае синхронного двигателя.

Рассмотрим трехфазный синхронный двигатель, статор которого имеет 2 полюса. Два магнитных поля создаются в синхронном двигателе за счет возбуждения обеих обмоток, статора и ротора трехфазным переменным током. питания и постоянного тока питания соответственно. Когда трехфазная обмотка возбуждается трехфазным переменным током. подача потока, создаваемого трехфазной обмоткой, всегда вращательного типа, что уже обсуждалось в предыдущем посте. Такой магнитный поток вращается в пространстве со скоростью, называемой синхронной скоростью. Это магнитное поле называется вращающимся магнитным полем. Вращающееся магнитное поле создает эффект, аналогичный физическому вращению магнитов в пространстве с синхронной скоростью. Так статор синхронного двигателя производит один магнит, который так же хорошо вращается в пространстве с синхронной скоростью. Синхронная скорость вращающегося магнитного поля статора зависит от частоты питания и числа полюсов, на которые намотана обмотка статора. если частота переменного тока питание составляет f Гц, а статор намотан на количество полюсов P, тогда скорость вращающегося магнитного поля синхронна и определяется выражением

N _с   = 120f/P об/мин.

В этом случае, поскольку статор намотан, скажем, на 2 полюса, с питанием 50 Гц, скорость вращающегося магнитного поля будет 3000 об/мин. Этот эффект подобен физическому вращению двух полюсов со скоростью N _с  об/мин. Для простоты понимания предположим, что полюса статора N ₁  и S ₁  вращаются со скоростью N _s . Направление вращения вращающегося магнитного поля, скажем, по часовой стрелке.

Когда обмотка возбуждения на роторе возбуждается постоянным током. питания, он также производит два полюса, предполагая, что конструкция ротора двухполюсная, явного типа. Пусть эти полюса будут N ₂ и S ₂ .

Теперь один магнит вращается на N _s с полюсами N ₁  и S ₁ , в то время как при запуске ротор неподвижен, т.