Синхронный электродвигатель- устройство, работа и применение

Синхронный двигатель является электрической машиной, работающей в сети переменного тока. Синхронными электрические машины называются потому, что частота вращения вала ротора точно соответствует частоте магнитного поля, индуцируемого статором.

Как любая вращающаяся электрическая машина, синхронный двигатель состоит из ротора, в данном случае являющегося индуктором и статора, именуемого также якорем. На роторе (индукторе) выполнена обмотка возбуждения, которая питается напряжением постоянного тока через коллекторный механизм. На статоре намотана обмотка переменного тока, которая образует магнитное поле. Само же магнитное поле движеся по кругу, то есть. вращается При взаимодействии с полем индуктора создает вращающий электромагнитный момент на роторе.
Первоначально запуск двигателя осуществляется в асинхронном режиме, то есть, с короткозамкнутым ротором. В этом режиме машина, являющаяся по сути асинхронной, разгоняется до скорости, приближающейся к синхронной.

Затем на обмотку индуктора подается постоянный ток (перед этим обмотка, естественно, размыкается) и осуществляется так называемый «вход в синхронизм».

Область применения синхронных двигателей обусловлена рядом их особенностей, а именно:

• — стабильностью частоты вращения как при колебании напряжения в питающей электросети, так и при изменении величины механической нагрузки на валу;
• — возможностью работы с очень высоким коэффициентом мощности — вплоть до единицы.

Первое качество делает синхронные двигатели незаменимыми в качестве приводных для прецизионных обрабатывающих станков. Также часто синхронные двигатели используются для привода мощных насосных, компрессорных и вентиляционных установок. Этим же свойством обусловлено их практически исключительное применение в качестве гидрогенераторов и турбогенераторов на электрических станциях.

Вторая особенность синхронных двигателей делает привлекательным его использование в качестве источника реактивной энергии, что позволяет гибко регулировать значение коэффициента мощности и уровня напряжения в сети. При правильном заключении договоров на электроснабжение можно получить экономию средств, имея повышенное значение косинуса-фи.
При работе синхронного двигателя с коэффициентом мощности, равном единице, двигатель потребляет из сети только активную мощность, за счет чего снижаются потери мощности в питающих линиях электропередачи. Это обусловлено тем, что потери в линиях пропорциональны полной электрической мощности, а величина последней в рассматриваемом случае снижается, что происходит за счет уменьшения реактивной составляющей вплоть до нуля.
Работающий на холостом ходу в режиме перевозбуждения синхронный двигатель представляет собой синхронный компенсатор.

То есть, генератор реактивной мощности, который способен обеспечивать потребность реактивной мощности узла потребления, к которому он подключен.

Мощный синхронный двигатель, оснащенный системами автоматической регулировки возбуждения с обратной связью по напряжению, а также форсирования тока возбуждения – это инструмент для регулирования и перераспределения потоков реактивной мощности и уровня напряжения в электрической сети.

Выбор синхронных двигателей при проектировании и в процессе реконструкции электросетей крупных потребителей обеспечивает повышение устойчивости работы энергосистемы, разгрузку линий электропередачи, улучшение качества электроэнергии, дает возможность минимизировать затраты на покупку электрической энергии.

Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта, буду рад если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное.

7.4 Принцип работы синхронного двигателя (сд)

Устройство синхронного двигателя практически идентично устройству синхронного генератора. Принцип действия: ток, протекающий в обмотке статора образует вращающееся магнитное поле, которое своими полюсами притягивает разноименные полюса ротора, вследствие чего частота вращения ротора совпадает с частотой вращения поля статора, т.е. ротор вращается с синхронной частотой N₀ (N₀=f/p) f – частота p – число полюсов.

Для того чтобы запустить синхронный двигатель, его частота вращения ротора должна быть приблизительно равна синхронной частоте. После того как частота вращения ротора станет близкой к синхронной частоте, ротор втягивается в синхронизм, то есть начинает вращаться синхронно с частотой поля. В роторе СД размещают короткозамкнутую обмотку по типу «беличьей клетки». В таком случае первый этап пуска СД представляет собой пуск асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором, при этом обмотка возбуждения синхронного генератора отличается от источника энергии и замыкается на сопротивлении. После того как частота вращения ротора приблизится к синхронной, в обмотку ротора подается напряжение, а двигатель работает в нормальном режиме. СД как потребитель эл. Энергии может различаться по типу потребляемой реактивной энергии, т.е. они могут работать потребителями чисто активной энергии, как потребитель реактивной энергии, носящий емкостной характер. Св-во синх-го двиг-ля поглощать индуктивную, реактивную мощность используется в энергетике для улучшения cos (коэффициента мощности) в цепи.

Асинхронный электродвигатель, электрическая асинхронная машина для преобразования электрической энергии в механическую. Принцип работы асинхронного электродвигателя основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля, возникающего при прохождении трехфазного переменного тока по обмоткам обмоткам статора, с током, индуктированным полем статора в обмотках ротора, в результате чего возникают механические усилия, заставляющие ротор вращаться в сторону вращения магнитного поля при условии, что частота вращения ротора n меньше частоты вращения поля

n₁

. При рассмотрении возможных способов пуска в ход асинхронных двигателей необходимо учитывать следующие основные положения: 1) двигатель должен развивать при пуске достаточно большой пусковой момент, который должен быть больше статического момента сопротивления на валу, чтобы ротор двигателя мог прийти во вращение и достичь номинальной скорости вращения; 2) величина пускового тока должна быть ограничена таким значением, чтобы не происходило повреждения двигателя и нарушения нормального режима работы сети; 3) схема пуска должна быть по возможности простой, а количество и стоимость пусковых устройств — малыми.

Прямой пуск применяется для пуска асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором. Двигатели этого типа малой и средней мощности обычно проектируют так, чтобы при непосредственном подключении обмотки статора к сети возникающие пусковые токи не создавали чрезмерных электродинамических усилий и превышений температуры, опасных с точки зрения механической и термической прочности основных элементов машины. Однако при прямом пуске двигателей большой мощности, особенно при подключении их к недостаточно мощным электрическим сетям, могут возникать чрезмерно большие падения напряжения (свыше 10—15%). В этом случае прямой пуск для двигателей с короткозамкнутым ротором не применяют и пускают их при пониженном напряжении. Прямой пуск асинхронного двигателя широко применяют в технике. Недостатками его являются большой пусковой ток и сравнительно небольшой пусковой момент.

Что такое синхронная машина? — его Основные принципы

Синхронная машина включает как синхронные двигатели, так и синхронные генераторы.

Система переменного тока имеет некоторые преимущества перед системой постоянного тока. Поэтому система переменного тока используется исключительно для производства, передачи и распределения электроэнергии. Машина, которая преобразует механическую энергию в электрическую энергию переменного тока, называется синхронным генератором или генератором переменного тока. Однако, если одна и та же машина может работать как двигатель, это известно как Синхронный двигатель.

Синхронная машина – это машина переменного тока, удовлетворительная работа которой зависит от соблюдения следующего соотношения.

Где,

• N _с — синхронная скорость в оборотах в минуту (об/мин)
• f — частота питания
• P — количество полюсов машины.

При подключении к системе электроснабжения синхронная машина всегда поддерживает вышеуказанное соотношение, показанное в уравнении (1).

Если синхронная машина, работающая как двигатель, не может поддерживать среднюю скорость (N _s ), машина не будет развивать достаточный крутящий момент для поддержания вращения и остановится.

Тогда двигатель считается Pulled Out of Step.

В случае, когда синхронная машина работает как генератор, она должна работать с фиксированной скоростью, называемой синхронной скоростью, чтобы генерировать мощность на определенной частоте. Поскольку все приборы или машины предназначены для работы на этой частоте. В некоторых странах значение частоты равно 50 герц .

Синхронная машина — это просто электромеханический преобразователь, который преобразует механическую энергию в электрическую или наоборот. Фундаментальное явление или закон, который делает возможными эти преобразования, известен как Закон электромагнитной индукции и Закон взаимодействия.

Подробное описание приведено ниже.

Закон электромагнитной индукции

Этот закон также называют первым законом электромагнитной индукции Фарадея. Этот закон относится к производству ЭДС, т. е.; ЭДС индуцируется в проводнике всякий раз, когда он пересекает магнитное поле, как показано ниже:

Закон взаимодействия

Этот закон относится к производству силы или крутящего момента, т. е. всякий раз, когда проводник с током помещается в магнитное поле, за счет взаимодействия магнитного поля, создаваемого проводником с током и основным поле, на проводник действует сила, создающая крутящий момент. Рисунок показан ниже:

Трехфазная синхронная машина

• Машина, которая используется в бытовых приборах, например, небольшая машина, используемая в воздухоохладителях, холодильных установках, вентиляторах, кондиционерах и т. д.
• Однако большие машины переменного тока являются синхронными машинами трехфазного типа по следующим причинам.
• При одинаковом размере рамы трехфазные машины имеют мощность почти в 1,5 раза выше, чем у однофазных машин.
• Трехфазная мощность передается и распределяется более экономично, чем однофазная.
• Трехфазные двигатели самозапускающиеся (кроме синхронных двигателей).
• Трехфазные двигатели имеют абсолютно равномерный постоянный крутящий момент, тогда как однофазные двигатели имеют пульсирующий крутящий момент.

В малой синхронной машине обмотка возбуждения размещена на статоре, а обмотка якоря на роторе, тогда как в большой синхронной машине обмотка возбуждения размещена на роторе, а обмотка якоря на статоре .

23. Синхронная машина — преобразование электроэнергии EE2E11

В этой лекции мы изучим устройство и принцип работы синхронной машины. Статор синхронной машины имеет трехфазную обмотку переменного тока, которую также называют обмоткой якоря. Ротор имеет либо обмотку возбуждения, питаемую постоянным током, либо постоянные магниты для создания магнитного поля.

Прослушав лекцию, мы сможем рассказать о конструкции и принципах работы синхронной машины. Мы должны уметь применять эквивалентную схему для решения задач и понимать, что такое угол мощности, и использовать его для расчетов.

23.1. Принцип работы синхронной машины

Начнем с принципа работы синхронной машины.

Если на роторе установлены магниты, при вращении ротора в воздушном зазоре синхронной машины будет создаваться вращающееся магнитное поле. Как мы изучали в прошлой лекции, в трехфазной обмотке будут индуцироваться симметричные трехфазные напряжения, если три фазы сдвинуты друг к другу на 120 градусов.

Предполагая, что ротор вращается против часовой стрелки, а фаза в фазе также расположена в последовательности a-b-c, трехфазное наведенное напряжение можно описать как

\[\начать{разделить} \начать{выравнивать} e_a(t) &= E_m\sin(\omega t) \\ e_b(t) &= E_m\sin(\omega t-\frac{2\pi}{3}) \\ e_c(t) &= E_m\sin(\omega t+\frac{2\pi}{3}) \end{выравнивание} \end{split}\]

Из прошлой лекции, если количество витков каждой фазы \(N\), угловая скорость вращения \(\omega\), амплитуда плотности потока \(E_m\ ), радиус внутренней поверхности статора \(r\), то среднеквадратичное значение наведенного напряжения равно

\[ E = \frac{|E_m|}{\sqrt{2}} = \frac{2\omega NB_mlr}{\sqrt{2}}. \]

По-видимому, индуцированное напряжение пропорционально как плотности потока, так и угловой скорости вращения. Константа наведенного напряжения определяется как \(k_e\), поэтому

\[ E = k_e\omega B_m. \]

Таким образом, индуцированное напряжение можно контролировать, изменяя скорость вращения \(\omega\) и магнитное поле \(B_m\).

Индуцированное напряжение имеет ту же частоту, что и электрическая скорость ротора \(\omega_e = p\omega_m\), где \(p\) — число пар полюсов, \(\omega_m\) — механический угол ротора скорость. Ротор вращается на синхронная скорость , поэтому мы называем этот тип электрической машины синхронной машиной .

Если мы запитаем трехфазную обмотку трехфазными токами той же последовательности фаз и той же частоты, что и индуктивное напряжение, из трехфазной части этого курса, мы знаем, что будет получена постоянная передача мощности.

Если мы изучим магнитное поле внутри воздушного зазора, мы увидим, что вращающееся магнитное поле также будет создаваться трехфазными токами статора, которые движутся с той же скоростью, что и магнитное поле, создаваемое обмоткой ротора.

23.2. Конструкция синхронной машины

Затем мы изучаем структуру синхронной машины.

Для трехфазной синхронной машины якорь статора всегда имеет трехфазную симметричную обмотку.

Со стороны ротора может быть несколько различных конструкций. В зависимости от того, как генерируется магнитное поле ротора, мы имеем

Ротор с постоянными магнитами

Магнитное поле ротора создается постоянными магнитами, установленными на роторе.

Ротор с обмоткой возбуждения

Магнитное поле ротора создается обмоткой возбуждения, установленной на роторе.

В зависимости от того, имеет ли ротор гладкую поверхность, имеем

Неявнонаправленный ротор

Воздушный зазор равномерный, т. е. ротор не имеет явно выраженных полюсов.

Явновидный ротор

Ротор имеет явно выраженные полюса, вследствие чего воздушный зазор неоднороден.

Статор имеет трехфазную клемму для приема или передачи трехфазных токов. Ток возбуждения в обмотке возбуждения должен быть постоянным. Для подачи постоянного тока возбуждения на вращающуюся обмотку ротора используется щеточно-контактный механизм. В правом нижнем углу слайда вы можете найти упрощенную схему синхронной машины.

23.3. Пример

Здесь мы показываем несколько примеров практического применения синхронных машин.

Синхронные машины широко используются в электросетях. Здесь вы видите синхронную машину, используемую на электростанции, левая часть установки — машину возбуждения, которая используется для генерирования постоянного тока возбуждения для питания обмотки возбуждения. Из поперечного сечения видно, что синхронная машина является неявнонаправленной синхронной машиной. Обычно неявнонаправленные синхронные генераторы, используемые для электростанций, имеют 2 полюса и используются в высокоскоростных приложениях с высокой скоростью (3000 об / мин для 50 Гц), например, на тепловых электростанциях и атомных электростанциях. Первичными двигателями в этих приложениях обычно являются паровые турбины или газовые турбины.

Здесь показан ротор и конструкция синхронного генератора, используемого для тепловой электростанции.

На фото показан момент установки синхронного генератора на гидроэлектростанции. Обычно на гидроэлектростанциях используются явнополюсные синхронные генераторы. Скорость вращения обычно низкая, а количество полюсов велико, поэтому на низкой скорости можно достичь 50 или 60 Гц.

Помимо производства электроэнергии, синхронные машины также используются в приложениях, требующих высокой мощности или высокой эффективности. Например, в современных сервоприводах и электромобилях широко используются синхронные машины с постоянными магнитами. Поскольку синхронному генератору с постоянными магнитами не требуется ток возбуждения для создания магнитного поля ротора, они могут обеспечить высокую эффективность, компактные размеры и улучшенную динамику.

23.4. Эквивалентная схема

Подобно машине постоянного тока, эквивалентная схема может использоваться для расчета производительности синхронной машины.

Если мы предположим, что индуцированные напряжения и токи трех фаз сбалансированы и симметричны, то мы можем просто рассчитать электрические характеристики для одной фазы. Затем можно рассчитать трехфазную мощность путем умножения однофазной мощности на три. Поэтому для расчета производительности достаточно использовать однофазную эквивалентную схему.

Внизу показана эквивалентная схема одной фазы. Эквивалентная схема здесь соответствует обозначению двигателя. Кроме того, мы предполагаем, что ротор не является явно выраженным, поэтому индуктивность фазы не изменяется при вращении ротора. Однофазное входное напряжение \(\mathbf{V}_{in}\) и фазное индуцированное напряжение \(\mathbf{E}\) являются векторами. Импеданс фазы помещается между ними, что должно быть комплексным импедансом, поскольку мы сейчас имеем дело с электрической цепью переменного тока. Здесь \(X_s\) также называется синхронное реактивное сопротивление .

23.5. Решение задач

Теперь воспользуемся эквивалентной схемой для решения нескольких задач.

В первом примере вычисляется частота по количеству полюсов и скорости вращения ротора. Если количество полюсов равно \(P\), количество пар полюсов будет

. \[ р = \ гидроразрыв {P} {2}. \]

Согласно соотношению между электрическим углом \(\theta_e\) и механическим углом \(\theta\): \(\theta_e = p\theta\), имеем

\[ f = \frac{np}{60} = \frac{nP/2}{60}. \]

Наведенное напряжение пропорционально скорости или частоте, поэтому мы имеем

\[ \frac{E_{новый}}{E_{старый}} = \frac{n_{новый}}{n_{старый}} = \frac{f_{новый}}{f_{старый}}, \]

, если оставить ток возбуждения неизменным.

Второй пример — расчет коэффициента мощности и индуктивного напряжения по известной мощности, входному напряжению и фазовому импедансу.

Сначала мы должны преобразовать линейное напряжение в линейное в фазное.

Поскольку машина подает мощность на механическую нагрузку, входная мощность равна

\[ P_{in} = P_{out} + P_{cu}, \]

где \(P_{cu}\) — потери в статоре, \(P_{out}\) — выходная мощность.

Поскольку использовалась эквивалентная схема для каждой фазы, здесь мы также преобразуем мощность в мощность для каждой фазы для расчета коэффициента мощности.

Зная коэффициент мощности \(\mathrm{pf} = \cos \phi\), мы можем получить комплексный ток как 92\фи}. \end{выравнивание} \end{split}\]

Здесь знак перед элементом синуса отрицательный, потому что коэффициент мощности отстает.

Затем из закона напряжения Кирхгофа получают фазное индуцированное напряжение,

\[ \mathbf{E} = \mathbf{V}_{in} — \mathbf{I}(r+jX_s). \]

Имейте в виду, что здесь используется обозначение двигателя.

Пример аналогичен предыдущему. Однако теперь мы должны следовать обозначениям генератора.

Сначала необходимо рассчитать фазный ток по мощности и коэффициенту мощности. Обратите внимание, что синхронная машина подключена треугольником, поэтому \(I_{line} = \sqrt{3} I_{\phi}\).

23.6. Домашнее задание

Мы можем применить эквивалентную схему для решения домашнего задания.