Синхронный двигатель: принцип работы, устройство, назначение

Синхронные электродвигатели (СД) не так распространены, как асинхронные с короткозамкнутым ротором. Но используются там, где нужен большой крутящий момент и в процессе работы будут происходить частые перегрузки. Также такой тип двигателей используются там, где нужна большая мощность, чтобы приводить в движение механизмы, благодаря высокому коэффициенту мощности и возможности улучшать коэффициент мощности сети, что существенно снизит затраты на электроэнергию и нагрузку на линии. Что такое синхронный двигатель, где он используется и какие у него плюсы минусы мы рассмотрим в этой статье.

Определение и принцип действия

Если говорить простым языком, то синхронным называют электродвигатель, у которого скорость вращения ротора (вала) совпадает со скоростью вращения магнитного поля статора.

Кратко рассмотрим принцип действия такого электродвигателя — он основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля статора, которое обычно создаётся трёхфазным переменным током и постоянного магнитного поля ротора.

Постоянное магнитное поле ротора создаётся за счет обмотки возбуждения или постоянных магнитов. Ток в обмотках статора создаёт вращающееся магнитное поле, тогда как ротор в рабочем режиме представляет собой постоянный магнит, его полюса устремляются к противоположным полюсам магнитного поля статора. В результате ротор вращается синхронно с полем статора, что и является его основной особенностью.

Напомним, что у асинхронного электродвигателя скорость вращения МП статора и скорость вращения ротора отличаются на величину скольжения, а его механическая характеристика «горбатая» с пиком при критическом скольжении (ниже его номинальной скорости вращения).

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

N=60f/p

f – частота тока в обмотке, Гц, p – количество пар полюсов.

Соответственно по этой же формуле определяется скорость вращения вала синхронного двигателя.

Большинство электродвигателей переменного тока, используемых на производстве, выполнены без постоянных магнитов, а с обмоткой возбуждения, тогда как маломощные синхронные двигатели переменного тока выполняются с постоянными магнитами на роторе.

Ток к обмотке возбуждения подводится за счет колец и щеточного узла. В отличие от коллекторного электродвигателя, где для передачи тока вращающейся катушке используется коллектор (набор продольно расположенных пластин), на синхронном установлены кольца поперек одного из концов статора.

Источником постоянного тока возбуждения в настоящее время являются тиристорные возбудители, часто называемые «ВТЕ» (по названию одной из серий таких устройств отечественного производства). Ранее использовалась система возбуждения «генератор-двигатель», когда на одном валу с двигателем устанавливали генератор (он же возбудитель), который через резисторы подавал ток в обмотку возбуждения.

Ротор почти всех синхронных двигателей постоянного тока выполняется без обмотки возбуждения, а с постоянными магнитами, они хоть и похожи по принципу действия на СД переменного тока, но по способу подключения и управления ими очень сильно отличаются от классических трёхфазных машин.

Одной из основных характеристик электродвигателя является механическая характеристика. Она у синхронных электродвигателей приближена к прямой горизонтальной линии. Это значит, что нагрузка на валу не влияет на его обороты (пока не достигнет какой-то критической величины).

Это достигается именно благодаря возбуждению постоянным током, поэтому синхронный электродвигатель отлично поддерживает постоянные обороты при изменяющихся нагрузках, перегрузках и при просадках напряжения (до определенного предела).

Ниже вы видите условное обозначение на схеме синхронной машины.

Конструкция ротора

Как и любой другой, синхронный электродвигатель состоит из двух основных частей:

• Статор. В нём расположены обмотки. Его еще называют якорем.
• Ротор. На нём устанавливают постоянные магниты или обмотку возбуждения. Его также называют индуктором, из-за его предназначения — создавать магнитное поле).

Для подачи тока в обмотку возбуждения на роторе устанавливают 2 кольца (так как возбуждение постоянным током, на одно из них подают «+», а на другое «—»). Щетки закреплены на щеткодержателе.

 

Роторы у синхронных электродвигателей переменного тока бывают двух типов, в зависимости от назначения:

1. Явнополюсные. Четко видны полюса (катушки). Используют при малых скоростях и большом числе полюсов.
2. Неявнополюсные – выглядит как круглая болванка, в прорези на которой уложены провода обмоток. Используют при больших скоростях вращения (3000, 1500 об/мин) и малом числе полюсов.

Пуск синхронного двигателя

Особенностью этого вида электрических машин является то, что его нельзя просто подключить к сети и ожидать его запуска. Кроме того, что для работы СД нужен не только источник тока возбуждения, у него и достаточно сложная схема пуска.

Запуск происходит как у асинхронного двигателя, а для создания пускового момента кроме обмотки возбуждения на роторе размещают и дополнительную короткозамкнутую обмотку «беличью клетку». Её еще называют «демпфирующей» обмоткой, потому что она повышает устойчивость при резких перегрузках.

Ток возбуждения в обмотке ротора при пуске отсутствует, а когда он разгоняется до подсинхронной скорости (на 3-5% меньше синхронной), подаётся ток возбуждения, после чего он и ток статора совершает колебания, двигатель входит в синхронизм и выходит на рабочий режим.

Для ограничения пусковых токов мощных машин иногда уменьшают напряжение на зажимах обмоток статора, подключив последовательно автотрансформатор или резисторы.

Пока синхронная машина запускается в асинхронном режиме к обмотке возбуждения подключаются резисторы, сопротивление которых превышает сопротивление самой обмотки в 5 — 10 раз. Это нужно чтобы пульсирующий магнитный поток, возникающий под действием токов, наводимых в обмотке при пуске, не замедлял разгон, а также чтобы не повредить обмотки из-за индуцируемыми в ней ЭДС.

Виды

Видов таких машин очень много, выше была описана конструкция синхронного электродвигателя переменного тока с обмотками возбуждения, как самого распространенного на производстве. Есть и другие типы, такие как:

• Синхронные двигатели с постоянными магнитами. Это различные электродвигатели, такие как PMSM – permanent magnet synchronous motor, BLDC – Brushless Direct Current и прочие. Отличия, между которыми, состоят в способе управления и форме тока (синусоидальная или трапецивиденая). Их еще называют бесколлекторными или бесщеточными двигателями. Используются в станках, радиоуправляемых моделях, электроинструменте и т.д. Они работают не напрямую от постоянного тока, а через специальный преобразователь.
• Шаговые двигатели — синхронные бесщеточные двигатели, у которых ротор точно удерживает заданное положение, их используют для позиционирование рабочего инструмента в ЧПУ станках и для управления различными элементами автоматических систем (например, положение дроссельной заслонки в автомобиле). Состоят из статора, в этом случае на нём расположены обмотки возбуждения, и ротора, который выполнен из магнито-мягкого или магнито-твёрдого материала. Конструктивно очень похожи на предыдущие типы.
• Реактивные.
• Гистерезисные.
• Реактивно-гистерезисные.

Последние три типа СД также не имеют щеток, они работают за счет особой конструкции ротора. У реактивных СД различают три их конструкции: поперечно-расслоенный ротор, ротор с явновыраженными полюсами и аксиально-расслоенный ротор. Объяснение принципа их работы достаточно сложно, и займет большой объём, поэтому мы опустим его. Такие электродвигатели на практике вы, скорее всего, встретите нечасто. В основном это маломощные машины, используемые в автоматике.

Сфера применения

Синхронные двигатели стоят дороже чем асинхронные, к тому же требуют дополнительного источника постоянного тока возбуждения – это отчасти снижает ширину области применения этого вида электрических машин. Однако, синхронные электродвигатели используют для привода механизмов, где возможны перегрузки и требуется точное поддерживание стабильных оборотов.

При этом чаще всего используются в области больших мощностей — сотен киловатт и единиц мегаватт, и, при этом, пуск и остановка происходят достаточно редко, то есть машины работают круглосуточно долгое время. Такое применение обусловлено тем, что синхронные машины работают с cosФи приближенном к 1, и могут выдавать реактивную мощность в сеть, в результате чего улучшается коэффициент мощности сети и снижается её потребление, что важно для предприятий.

Преимущества и недостатки

Если говорить простыми словами, то у любой электрической машины есть свои плюсы и минусы. У синхронного двигателя положительными сторонами является:

1. Работа с cosФи=1, благодаря возбуждению постоянным током, соответственно они не потребляют реактивной мощности из сети.
2. При работе, с перевозбуждением отдают реактивную мощность в сеть, улучшая коэффициент мощности сети, падение напряжения и потери в ней и повышается КМ генераторов электростанциях.
3. Максимальный момент, развиваемый на валу СД, пропорционален U, а у АД — U² (квадратичная зависимость от напряжения). Это значит, что у СД хорошая нагрузочная способность и устойчивость работы, которые сохраняются при просадке напряжения в сети.
4. В следствие всего этого скорость вращения стабильна при перегрузках и просадках, в пределах перегрузочной способности, особенно при повышении тока возбуждения.

Однако существенным недостатком синхронного двигателя является то, что его конструкция сложнее, чем у асинхронных с КЗ-ротором, нужен возбудитель, без которого он не сможет работать. Всё это приводит к большей стоимости по сравнению с асинхронными машинами и сложностями в обслуживании и эксплуатации.

Пожалуй, на этом достоинства и недостатки синхронных электродвигателей заканчиваются. В этой статье мы постарались кратко изложить общие сведения о синхронных электродвигателях. Если у вас есть чем дополнить материал – пишите в комментариях.

Материалы по теме:

устройство, принцип работы, режимы работы, пуск

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

Устройство

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

Рис. 1. Устройство синхронного электродвигателя

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

Принцип работы

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

Рис. 2. Принцип действия синхронного электродвигателя

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

Рис. 3. Принцип формирования потоков в синхронной электрической машине

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

На графике показана периодичность чередования кривых в зависимости от времени:

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

Оборот поля статора происходит в течении периода, а за счет того, что ротор обладает собственным электромагнитным усилием постоянным во времени, то он синхронно следует за движением переменного магнитного поля, вращаясь вокруг заданной оси. В результате такого вращения происходит синхронное движение ротора вслед за сменой амплитуды ЭДС в витках рабочих обмоток, за счет этого явления электродвигатель и получил название синхронного. Наличие отдельного питания отразилось и на схематическом обозначении таких электрических машин (рисунок 4) в соответствии с ГОСТ 2.722-68.

Рис. 4. Схематическое обозначение синхронного электродвигателя

Отличие от асинхронного двигателя

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

В работе классические модели асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором:

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

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

Рис. 5. Отличие асинхронного от синхронного электродвигателя

Разновидности

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

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

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

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

Рис. 6. Синхронный электродвигатель с постоянными магнитами

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

Рис. 7. Пример реактивного ротора

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

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

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

Режимы работы

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

Генераторный режим

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

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

f = (n*p)/60 ,

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

Синхронный компенсатор

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

Двигательный режим

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

Способы пуска и схемы подключения

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

Рис. 8. Схема пуска синхронного двигателя

 

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

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

Рис. 9. Генераторный способ пуска синхронного двигателя

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

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

Рис. 10. Тиристорная схема пуска синхронного двигателя

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

Применение

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

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

Преимущества и недостатки

К преимуществам такого электродвигателя следует отнести:

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

Среди недостатков синхронных электродвигателей выделяют:

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

Видео версия

Библиографический список

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

Синхронные электродвигатели

Заводы производители синхронных электродвигателей: Элсиб, WEG, VEM, Силовые машины — завод Реостат, ELSIB, Русэлпром

Серии двигателей: ДС, ДСЗ, СД2, СДН, СДНЗ, СДС, СДМ, СДВ, СДП, СДР, IE4, P21R, Wmagnet

 

Применение

Синхронный электродвигатель (СД) – это устройство, работающее в сети переменного тока. У синхронной машины частота вращения ротора соответствует частоте вращения магнитного поля. При выборе электродвигателя необходимо проконсультироваться с заводом производителем. 

СД используются, где пуск и остановка происходят достаточно редко (конвейеры и т.д.), то есть двигатели работают круглосуточно достаточно долгое время. Работа в таких условиях объясняется тем, что синхронные двигатели работают с cos φ приближенном к 1, и могут выдавать реактивную мощность в сеть, в результате чего улучшается коэффициент мощности сети и снижается её потребление, что важно для предприятий.

Синхронные электродвигатели нашли широкое применение в металлургической и металлообрабатывающей промышленности, на объектах нефтедобычи, на насосных станциях городских водоканалов, в целлюлозно­бумажной промышленности и других отраслях.

Применение синхронных двигателей для привода:

• мощных вентиляторов
• мельниц
• конвейеров
• эксгаустеров
• компрессоров
• дробилок

 

Цена на синхронные электродвигатели зависит от типа двигателя, а также от:

• Параметров мощности
• Габарита двигателя(высоты оси вращения)
• Конструктивных особенностей

 

Преимущества синхронных электродвигателей:

• возможность регулирования реактивного тока
• скорость вращения стабильна при перегрузках и просадках, в пределах перегрузочной способности
• устойчивость к колебаниям сетевого напряжения, а также хорошая нагрузочная способность

 

Устройство синхронного двигателя

 

Принцип действия СД основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля статора, которое обычно создаётся трёхфазным переменным током и постоянного магнитного поля ротора.

Синхронный электродвигатель состоит из двух основных частей:

• Статора (якорь) – в этой части двигателя расположены обмотки
• Ротора (индуктор) – в этой части СД устанавливают обмотку возбуждения или постоянные магниты.

Чем отличается синхронный электродвигатель от асинхронного? Главное отличие в роторе двигателя — синхронный двигатель имеет в наличии обмотки на якоре, а асинхронный не имеет.

 

 

Типы синхронных электродвигателей 

  

 

   

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Рис. 293. Схема асинхронного пуска синхронного двигателя;

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

Синхронные электродвигатели. Работа и применение. Особенности

Особенностью работы двигателя является равенство скорости вращения ротора и скорости вращения магнитного потока. Поэтому скорость вала двигателя не зависит и не изменяется от величины подключаемой нагрузки. Это достигается за счет того, что индуктор синхронного электродвигателя является электромагнитом, в некоторых случаях постоянным магнитом.

Количество пар полюсов ротора одинаково с числом пар полюсов у движущегося магнитного поля. Взаимное воздействие этих полюсов дает возможность выравнивания скорости ротора. На валу в этот момент может быть любая по величине нагрузка. Она не влияет на скорость вращения индуктора.

Конструктивные особенности и принцип работы

Основными составными частями синхронного электродвигателя являются: статор, который неподвижен, и ротор, иными словами называемый индуктором. Статор имеет другое название – якорь, но от этого его суть не меняется. Эти части двигателя разделены прослойкой воздуха. Между пазами заложена трехфазная обмотка, которая чаще всего имеет соединение по схеме звезды.

Когда двигатель после запуска начал работать, токи якоря образуют движущееся магнитное поле, его вращение дает пересечение поля индуктора. В итоге такой работы двух полей возникает энергия. Магнитное поле статора по своей сути является полем его реакции. В работе генераторов такую энергию получают с помощью индукторов.

Полюсами являются электромагниты статора, работающие на постоянном токе. Статоры синхронных моторов могут выполняться по различным схемам: неявнополюсной, а также явнополюсной. Они отличаются положением полюсов.

Для снижения магнитного сопротивления и оптимизации условий прохода магнитного поля используют сердечники из ферромагнитного материала. Они находятся в роторе и якоре. Производятся они из электротехнической стали, которая содержит большое количество кремния. Это дает возможность снизить вихревые токи и увеличить электрическое сопротивление стали.

Синхронные электродвигатели имеют в своей основе принцип взаимодействия полюсов индуктора и статора. Во время пуска двигатель ускоряется до скорости вращения магнитного потока. Только при таком условии электродвигатель начинает действовать в синхронном режиме. При таком процессе магнитные поля образуют пересечение, возникает вход в синхронизацию.

Долгое время для разгона мотора применяли отдельный пусковой двигатель. Его соединяли механическим путем с синхронным мотором. При запуске ротор мотора ускорялся и достигал синхронной скорости. Далее мотор самостоятельно втягивался в синхронное движение. При выборе мощности пускового мотора руководствовались 15% мощности от номинала разгоняемого двигателя. Этого резерва мощности было достаточно для запуска синхронного двигателя, даже при наличии небольшой нагрузки.

Такой метод разгона более сложный, значительно повышает стоимость оборудования. В современных конструкциях синхронные электродвигатели не имеют такой схемы разгона. Применяют другую систему разгона. Реостатом замыкают обмотки индуктора по аналогии с асинхронным двигателем. Для запуска на ротор монтируют короткозамкнутую обмотку, являющуюся также и успокоительной обмоткой, которая предотвращает раскачивание ротора при синхронизации.

При достижении ротором номинальной скорости, к индуктору подключают постоянный ток. Однако, для пуска моторов с постоянными магнитами не обойтись без применения пусковых внешних двигателей.

В криогенных синхронных электродвигателях применяется обращенная конструкция. В ней якорь и индуктор размещены наоборот, индуктор находится на статоре, а якорь расположен на роторе. У таких машин возбуждающие обмотки состоят из сверхпроводимых материалов.

Достоинства и недостатки

Синхронные двигатели имеют основное преимущество по сравнению с асинхронными моторами тот факт, что возбуждение от постоянного тока внешнего источника дает возможность работы при значительной величине коэффициента мощности. Эта особенность дает возможность увеличить значение коэффициента мощности для общей сети благодаря включению синхронного мотора.

Синхронные электродвигатели имеют и другие достоинства:

• Электродвигатели синхронного типа работают с повышенным коэффициентом мощности, что создает уменьшение расхода энергии и снижает потери. КПД синхронного мотора выше при той же мощности асинхронного двигателя.
• Синхронные электродвигатели имеют момент вращения, который прямо зависит от напряжения сети. Поэтому он при уменьшении напряжения сохраняет свою мощность больше асинхронного. Это является фактором надежности подобных конструкций моторов.

Недостатками являются следующие отрицательные моменты:

• При проведении сравнительного анализа конструкций двух моторов, можно отметить, что синхронные электродвигатели выполнены по более сложной схеме, поэтому их стоимость будет выше.
• Следующим недостатком для синхронных моторов стала необходимость в источнике тока в виде выпрямителя, либо другого блока питания постоянного тока.
• Запуск двигателя происходит по сложной схеме.
• Регулировка скорости вала двигателя возможна только одним способом, с помощью применения частотного преобразователя.

В итоге можно сказать, что все-таки преимущества синхронных двигателей перекрывают недостатки. Поэтому двигатели такого вида широко применяются в технологических процессах, где идет постоянный непрерывный процесс, и не требуется частая остановка и запуск оборудования: на мельничном производстве, в компрессорах, дробилках, насосах и так далее.

Выбор двигателя

К вопросу приобретения синхронного электродвигателя нужно подходить, основываясь на следующие факторы:

• Условия эксплуатации электродвигателя. По условиям выбирают тип двигателя, который может быть защищенным, открытым или закрытым. А также синхронные электродвигатели отличаются по защите токовых частей от влаги, температуры, агрессивных сред. Для взрывоопасного производства существуют специальные защиты, предотвращающие образование искр в двигателе.
• Особенности выполнения подключения электродвигателя с потребителем.

Синхронные компенсаторы

Они служат для компенсирования коэффициента мощности в электрической сети и стабилизации номинального значения напряжения в местах подключения нагрузок к двигателю. Нормальным режимом синхронного компенсатора является режим перевозбуждения в момент отдачи в электрическую сеть реактивной мощности.

Такие компенсаторы еще называют генераторами реактивной мощности, так как они предназначены для выполнения такой же задачи, как батареи конденсаторов на подстанциях. Когда мощность нагрузок уменьшается, то часто необходимо действие синхронных компенсаторов в невозбужденном режиме при их потреблении реактивной мощности и индуктивного тока, потому что напряжение в сети старается увеличиться, а для его стабилизации на рабочем уровне нужно нагрузить сеть током индуктивности, который вызывает в сети снижение напряжения питания.

Для таких целей синхронные компенсаторы обеспечиваются регулятором автоматического возбуждения. Регулятор изменяет ток возбуждения таким образом, что напряжение на компенсаторе не изменяется.

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.

Похожие темы:

Синхронный двигатель, принцип работы и устройство, способы пуска и управления

Синхронные двигатели – это машины переменного тока, преобразующие электрическую энергию в механическое вращение приводного вала.

Их особенность проявляется в синхронном взаимодействии вращающейся ЭДС неподвижного статора с электромагнитным полем подвижного ротора.

Для понимания принципа этого взаимодействия важно ознакомиться с существующими разновидностями синхронных агрегатов и их устройством.

УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП РАБОТЫ СИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

При рассмотрении устройства двигателей синхронного типа выделяются следующие основные части:

• литой корпус агрегата;
• неподвижный статор с комплектом обмоток;
• подвижный ротор с приводным валом;
• контактно-щеточный узел.

Статор или якорь электродвигателя набран из листов электротехнической стали, позволяющей усилить создаваемые в нем магнитные потоки.

В специальных пазах размещаются рабочие обмотки, создающие вращающееся магнитное поле. Кроме того, ротор электродвигателя оснащается обмоткой возбуждения, обеспечивающей электромагнитное взаимодействие с вращающимся полем статора.

При подаче напряжения в подвижном узле формируется собственное э/м поле, приводящее к вращению ротора с приводным валом. Контактные кольца с комплектом щеток необходимы для подачи питания на его обмотки.

Контактный узел используются не во всех моделях синхронных электродвигателей (на некоторых роторах устанавливаются постоянные магниты).

Роторные обмотки имеют два исполнения. Первое представлено образцами с явно выраженными полюсами, а второе имеет катушки распределенного типа (в этом варианте они укладываются в пазы ротора). Помимо этого описываемый узел может выполняться в виде короткозамкнутого витка (так называемая «беличья клетка»).

ВИДЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ДВИГАТЕЛЕЙ СИНХРОННОГО ТИПА

По числу обмоток, используемых для создания вращающегося поля статора, все известные модели синхронных двигателей делятся на:

• однофазные;
• трехфазные устройства.

Последние предназначаются для работы в условиях повышенных напряжений и нагрузок, что характерно для условий промышленного производства. Их полезная мощность порой достигает сотен кВт.

В отличие от них однофазные электродвигатели могут подключаться к бытовым электрическим сетям переменного тока частотой 50 Гц и напряжением 220 Вольт. Как правило, эти устройства имеют мощность в пределах от 5 Вт до 10 кВт.

По рабочей эффективности они существенно уступают своим трехфазным аналогам. Однофазная схема включения заметно снижает КПД двигателя и величину его пускового момента. Вместе с тем агрегаты этого типа способны выдерживать большие перегрузки на валу.

ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ СИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ

В сравнении с другими образцами машин переменного тока синхронные имеют следующие бесспорные преимущества:

• постоянство скорости вращения приводного вала при нагрузке, меняющейся в широких пределах;
• высокие показатели кпд и передачи полезной мощности в нагрузку;
• сравнительно низкий коэффициент реактивной составляющей;
• возможность длительной работы в режиме перегрузки;
• меньшая зависимость от колебаний напряжения в питающей сети.

Указанные преимущества и определяют области их применения: мощные вентиляционные системы, конвейерные линии, компрессоры и прокатные станы.

К числу существенных недостатков электродвигателей синхронного типа относят:

• сложность конструкции и сравнительно высокая стоимость;
• технические сложности с запуском электродвигателя в работу;
• потребность в дополнительном источнике постоянного напряжения;
• сложность управления основными параметрами двигателя (скоростью вращения и моментом на валу).

Все перечисленные недостатки синхронных машин переменного тока устраняются за счет использования дополнительных систем плавного запуска. Хорошего результата удается добиться, если для управления работой двигателя используются электронные устройства (частотные преобразователи).

СПОСОБЫ И УСТРОЙСТВА ПЛАВНОГО ПУСКА И УПРАВЛЕНИЯ

Добиться плавного пуска удается за счет использования дополнительного двигателя или же посредством асинхронного запуска.

Первый случай не требует пояснений, а во втором используется принцип асинхронности вращения э/м полей, приводящих к эффекту скольжения на начальном этапе работы. У каждого из этих вариантов имеются свои достоинства и недостатки.

При выборе подходящего для конкретных условий способа запуска обязательно учитываются конструктивные особенности ротора.

Для эффективного управления режимами работы синхронного двигателя используется зависимость частоты вращения ротора от питающего напряжения.

При заданном значении токовой составляющей такое управление сводится к изменению мощности на валу. Реализовать его удается различными способами, но наиболее эффективными считаются электронные устройства (преобразователи).

Для управления режимами работы применяются современные полупроводниковые компоненты. К последним относятся транзисторы, тиристоры и симисторы.

С помощью этих быстродействующих элементов удается менять величину мощности в нагрузке, используя принципы широтно-импульсного или фазоимпульсного регулирования.

  *  *  *

© 2014-2021 г.г. Все права защищены.
Материалы сайта имеют ознакомительный характер, могут выражать мнение автора и не подлежат использованию в качестве руководящих и нормативных документов.

Принцип действия синхронного двигателя

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

Блок: 1/4 | Кол-во символов: 354
Источник: https://www.szemo.ru/press-tsentr/article/ustroystvo-i-printsip-deystviya-sinkhronnogo-dvigatelya/

Устройство

Синхронный главный генератор тепловоза 2ТЭ25КМ: 1 — щётка, 2 — контактное кольцо, 3 — вал ротора, 4 — полюс ротора, 5 — статор

Основными частями синхронной машины являются якорь и индуктор (обмотка возбуждения). Как правило, якорь располагается на статоре, а на отделённом от него зазором роторе находится индуктор — таким образом, по принципу действия синхронная машина представляет собой как бы «вывернутую наизнанку» машину постоянного тока, переменный ток для обмотки якоря которой не получается с помощью коллектора, а подводится извне.

Якорь представляет собой одну или несколько обмоток переменного тока. В двигателях токи, подаваемые в якорь, создают вращающееся магнитное поле, которое сцепляется с полем индуктора, и таким образом происходит преобразование энергии. Поле якоря оказывает воздействие на поле индуктора и называется поэтому также полем реакции якоря. В генераторах поле реакции якоря создаётся переменными токами, индуцируемыми в обмотке якоря от индуктора.

Индуктор состоит из полюсов — электромагнитов постоянного тока или постоянных магнитов (в микромашинах). Индукторы синхронных машин имеют две различные конструкции: явнополюсную или неявнополюсную. Явнополюсная машина отличается тем, что полюса ярко выражены и имеют конструкцию, схожую с полюсами машины постоянного тока. При не явнополюсной конструкции обмотка возбуждения укладывается в пазы сердечника индуктора, весьма похоже на обмотку роторов асинхронных машин с фазным ротором, с той лишь разницей, что между полюсами оставляется место, не заполненное проводниками (так называемый большой зуб). Неявнополюсные конструкции применяются в быстроходных машинах, чтобы уменьшить механическую нагрузку на полюса.

Для уменьшения магнитного сопротивления, то есть для улучшения прохождения магнитного потока, применяются ферромагнитные сердечники ротора и статора. В основном они представляют собой шихтованную (набранную из отдельных листов) конструкцию из электротехнической стали.

Блок: 2/7 | Кол-во символов: 1978
Источник: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%B8%D0%BD%D1%85%D1%80%D0%BE%D0%BD%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D0%BC%D0%B0%D1%88%D0%B8%D0%BD%D0%B0

Конструкции и типы синхронного электродвигателя с постоянными магнитами

Синхронный электродвигатель с постоянными магнитами, как и любой вращающийся электродвигатель, состоит из ротора и статора. Статор — неподвижная часть, ротор — вращающаяся часть.

Синхронный электродвигатель со встроенными постоянными магнитами

Обычно ротор располагается внутри статора электродвигателя, также существуют конструкции с внешним ротором — электродвигатели обращенного типа.

Конструкции синхронного двигателя с постоянными магнитами: слева — стандартная, справа обращенная.

Ротор состоит из постоянных магнитов. В качестве постоянных магнитов используются материалы с высокой коэрцитивной силой.

Электродвигатель с неявно выраженными полюсами имеет равную индуктивность по продольной и поперечной осям Ld = Lq, тогда как у электродвигателя с явно выраженными полюсами поперечная индуктивность не равна продольной Lq ≠ Ld.

Сечение роторов с разным отношением Ld/Lq. Черным обозначены магниты. На рисунке д, е представлены аксиально-расслоенные роторы, на рисунке в и з изображены роторы с барьерами.

Ротор синхронного двигателя c поверхностной установкой постоянных магнитов

Ротор синхронного двигателя со встроенными магнитами

Статор состоит из корпуса и сердечника с обмоткой. Наиболее распространены конструкции с двух- и трехфазной обмоткой.

В зависимости от конструкции статора синхронный двигатель с постоянными магнитами бывает:
• с распределенной обмоткой;
• с сосредоточенной обмоткой.

Статор электродвигателя с распределенной обмоткой

Статор электродвигателя с сосредоточенной обмоткой

Распределенной называют такую обмотку, у которой число пазов на полюс и фазу Q = 2, 3,…., k.

Сосредоточенной называют такую обмотку, у которой число пазов на полюс и фазу Q = 1. При этом пазы расположены равномерно по окружности статора. Две катушки, образующие обмотку, можно соединить как последовательно, так и параллельно. Основной недостаток таких обмоток — невозможность влияния на форму кривой ЭДС .

Схема трехфазной распределенной обмотки

Схема трехфазной сосредоточенной обмотки

Форма обратной ЭДС электродвигателя может быть:
• трапецеидальная;
• синусоидальная.

Форма кривой ЭДС в проводнике определяется кривой распределения магнитной индукции в зазоре по окружности статора.

Известно, что магнитная индукция в зазоре под явно выраженным полюсом ротора имеет трапециидальную форму. Такую же форму имеет и наводимая в проводнике ЭДС. Если необходимо создать синусоидальную ЭДС, то полюсным наконечникам придают такую форму, при которой кривая распределения индукции была бы близка к синусоидальной. Этому способствуют скосы полюсных наконечников ротора .

Блок: 2/4 | Кол-во символов: 2989
Источник: https://engineering-solutions.ru/motorcontrol/pmsm/

Принцип синхронного двигателя

Основной принцип такой же, как и для всех двигателей. Это взаимная индукция между обмоткой статора и ротора, которая делает любой двигатель работоспособным. Кроме того, когда 3-фазная обмотка питается от 3-фазного источника питания, то создается магнитный поток постоянной величины, но вращающийся с синхронной скоростью.

Чтобы легко понять работу синхронного двигателя, давайте рассмотрим только два полюса в статоре и роторе. Как показано на рисунке, статор имеет два полюса Ns и S. Эти полюса, находясь под напряжением, создают вращающееся магнитное поле. Они вращаются с синхронной скоростью и позволяют считать направление вращения по часовой стрелке. Если полюса ротора находятся в положении, показанном на рисунке, то полюса отталкиваются друг от друга. Итак, северный полюс в статоре отталкивает северный полюс ротора. Также южный полюс статора отталкивает юг ротора. Это заставляет ротор вращаться в направлении против часовой стрелки. Таким образом, через полпериода полюса статора меняются местами, что приводит их в положение противоположенных полюсов, которые притягивают друг друга . Т.е. южный полюс статора и северный полюс ротора притягиваются и магнитно сцепляются.

В этом положении полюсы Ns притягивают S, а полюсы Ss притягивают N. Эти противоположные полюса ротора и статора начинают вращаться в том же направлении, что и полюса статора. Это заставляет ротор вращаться в одном направлении и с синхронной скоростью, которая равна скорости вращения полюсов статора. Таким образом, поскольку положение полюсов статора продолжает изменяться с быстрой скоростью и реверсированием, полюса ротора также вращаются и поворачиваются так же, как и статор, таким образом вызывая вращение ротора с постоянной, синхронной скоростью и в том же направлении. Приобрести синхронный двигатель можно, перейдя по ссылке ниже:

Блок: 2/6 | Кол-во символов: 1853
Источник: https://meanders.ru/sinhronnyj-dvigatel-teorija-raboty-i-ego-stroenie.shtml

Как работает синхронный двигатель

Принцип действия синхронного двигателя основывается на взаимном влиянии магнитных полей якоря и полюсов индуктора. При обращенной конструкции агрегата расположение якоря и индуктора выполнено наоборот, то есть, первый расположен на роторе, а другой – на статоре. Такой вариант используют криогенные синхронные машины, у которых в состав обмоток возбуждения входят материалы со свойствами сверхпроводимости.

При запуске двигателя его разгоняют до частоты близкой к той, с которой в зазоре вращается магнитное поле. Только после этого он переходит в синхронный режим. В данной ситуации происходит пересечение магнитных полей якоря и индуктора. Этот момент получил название входа в синхронизацию.

При разгоне используется состояние асинхронного режима, когда происходит замыкание обмоток индуктора с помощью реостата или короткозамкнутым путем, подобно асинхронным машинам. Для того, чтобы осуществлять запуск в таком режиме, ротор оснащается короткозамкнутой обмоткой, которая одновременно является успокоительной обмоткой, способной устранить раскачивание ротора во время синхронизации. После того, как скорость становится близко к номинальной, в индуктор подается постоянный ток.

Таким образом, синхронный двигатель это не только двигатель, но и своеобразный генератор, поскольку у них одинаковое конструктивное исполнение. Схема работы двигателя будет следующей. Обмотка якоря подключается к трехфазному переменному току, а к обмотке возбуждения от постороннего источника подается постоянный ток. Вращающееся магнитное поле, созданное трехфазной обмоткой и поле, созданное обмоткой возбуждения, взаимодействуют между собой. Это вызывает появление электромагнитного момента, приводящего ротор во вращающееся состояние.

Для двигателей, где установлены постоянные магниты, применяются специальные внешние разгонные двигатели. В отличие от асинхронных устройств, разгон ротора в синхронном двигателе должен достигнуть частоты вращения магнитного поля. Это связано с подачей в обмотку ротора тока из постороннего источника, а не индуцируется в нем под действием магнитного поля статора, следовательно, на него не влияет частота вращения вала. В результате, синхронный двигатель переменного тока приобретает постоянную частоту вращения ротора вне зависимости от нагрузки. Специфический принцип работы этих устройств оказал влияние на их пуск и регулировку частоты вращения.

Блок: 3/5 | Кол-во символов: 2407
Источник: https://electric-220.ru/news/princip_dejstvija_sinkhronnogo_dvigatelja/2013-12-05-465

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.

Блок: 4/4 | Кол-во символов: 1561
Источник: https://www.szemo.ru/press-tsentr/article/ustroystvo-i-printsip-deystviya-sinkhronnogo-dvigatelya/

Схема запуска двигателя и его регулировка

У синхронных двигателей отсутствует начальный пусковой момент. При подключении якорной обмотки к источнику переменного тока, электромагнитный момент дважды изменить свое направление за один период изменения тока. Это происходит, когда ротор находится в неподвижном состоянии, а в обмотке возбуждения протекает постоянный ток.

Таким образом, величина среднего момента в течение одного периода будет иметь нулевое значение. Чтобы увидеть, как работает синхронный двигатель при пуске, нужно выполнить разгон его ротора под действием внешнего момента до вращения с частотой, приближенной к синхронной.

Сам запуск агрегата может производиться разными способами:

• В первом случае используется схема асинхронного включения, основой которой служит глухо подключенный возбудитель. Данный способ применяется при статическом моменте нагрузки ниже 0,4, когда отсутствует падение напряжения. Сопротивление разряда замыкается в обмотке возбуждения, за счет чего исключаются перебои с возбуждением обмотки во время впуска, поскольку незначительная скорость вращения ротора приводит к перенапряжению. Когда скорость становится близкой к синхронной, контактор реагирует на это изменение, в результате происходит переключение обмотки возбуждения из разрядного сопротивления непосредственно на якорь возбудителя.
• Во втором варианте пуска используется тиристорный возбудитель. Этот способ считается более надежным из-за высокого КПД. Управление возбуждением значительно облегчается. Подача возбуждение осуществляется автоматически с помощью электромагнитного реле.

Блок: 4/5 | Кол-во символов: 1590
Источник: https://electric-220.ru/news/princip_dejstvija_sinkhronnogo_dvigatelja/2013-12-05-465

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.

Блок: 4/5 | Кол-во символов: 1163
Источник: https://www.asutpp.ru/princip-raboty-sinxronnogo-dvigatelya.html

Различия синхронных и асинхронных двигателей

Все электродвигатели переменного тока по принципу действия могут быть асинхронными и синхронными. В первом случае вращение ротора будет медленнее, по сравнению с магнитным полем, а во втором – вращение ротора и магнитного поля происходит с одинаковой скоростью.

В асинхронном двигателе вращающееся переменное магнитное поле создается обмотками, закрепленными на статоре. Концы этих обмоток выведены в общую клеммную коробку. Во избежание перегрева на валу двигателя устанавливается вентилятор. Ротор выполнен из металлических стержней, замкнутых с двух сторон между собой. Он представляет единое целое с валом и получил название короткозамкнутого ротора.

Вращение магнитного поля происходит под действием постоянной смены полюсов. Соответственно, в обмотках изменяется направление тока. На скорость вращения вала оказывает влияние количество полюсов магнитного поля.

Синхронный электродвигатель конструктивно отличается от асинхронных агрегатов. Здесь вращение ротора и магнитного поля происходит с одинаковой скоростью. Напряжение на ротор для зарядки обмоток подается с помощью щеток, а не индуцируется действием переменного магнитного поля. Направление тока в обмотках изменяется одновременно с направлением магнитного поля, поэтому вал синхронного двигателя всегда вращается в одну сторону.

Блок: 5/5 | Кол-во символов: 1342
Источник: https://electric-220.ru/news/princip_dejstvija_sinkhronnogo_dvigatelja/2013-12-05-465

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».

Блок: 5/6 | Кол-во символов: 949
Источник: https://meanders.ru/sinhronnyj-dvigatel-teorija-raboty-i-ego-stroenie.shtml

Кол-во блоков: 16 | Общее кол-во символов: 17219
Количество использованных доноров: 6
Информация по каждому донору:

1. https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%B8%D0%BD%D1%85%D1%80%D0%BE%D0%BD%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D0%BC%D0%B0%D1%88%D0%B8%D0%BD%D0%B0: использовано 1 блоков из 7, кол-во символов 1978 (11%)
2. https://electric-220.ru/news/princip_dejstvija_sinkhronnogo_dvigatelja/2013-12-05-465: использовано 3 блоков из 5, кол-во символов 5339 (31%)
3. https://meanders.ru/sinhronnyj-dvigatel-teorija-raboty-i-ego-stroenie.shtml: использовано 2 блоков из 6, кол-во символов 2802 (16%)
4. https://www.szemo.ru/press-tsentr/article/ustroystvo-i-printsip-deystviya-sinkhronnogo-dvigatelya/: использовано 2 блоков из 4, кол-во символов 1915 (11%)
5. https://www.asutpp.ru/princip-raboty-sinxronnogo-dvigatelya.html: использовано 2 блоков из 5, кол-во символов 2196 (13%)
6. https://engineering-solutions.ru/motorcontrol/pmsm/: использовано 1 блоков из 4, кол-во символов 2989 (17%)

Принцип работы, типы и применение

В электрических системах, которые мы используем в промышленности, на электростанциях или в быту, двигатели и генераторы стали обычным явлением. В связи со спросом на высокоэффективные и менее энергопотребляющие системы наблюдается изобретение новых моделей этих электрических устройств. Основным расчетным фактором надежной работы двигателей и генераторов является коэффициент мощности . Это отношение приложенной мощности к требуемой мощности.Обычно общее количество электроэнергии, потребляемой предприятиями и производителями, рассчитывается на основе коэффициента мощности. Таким образом, коэффициент мощности всегда следует поддерживать равным единице. Но из-за роста реактивной мощности в этих устройствах коэффициент мощности уменьшается. Чтобы поддерживать коэффициент мощности равным единице, вводятся многие методы. Концепция синхронного двигателя — одна из них.

Что такое синхронный двигатель?

Определение синхронного двигателя гласит: «Двигатель переменного тока, в котором в установившемся режиме вращение вала синхронизируется с частотой приложенного тока».Синхронный двигатель работает как двигатель переменного тока, но здесь общее количество оборотов, совершаемых валом, равно целому кратному частоте приложенного тока.

Синхронный двигатель

Синхронный двигатель не использует индукционный ток для работы. В этих двигателях, в отличие от асинхронных двигателей, на stato r присутствуют многофазные электромагниты переменного тока, которые создают вращающееся магнитное поле. Здесь ротор представляет собой постоянный магнит, который синхронизируется с вращающимся магнитным полем и вращается синхронно с частотой приложенного к нему тока.

Конструкция синхронного двигателя

Статор и ротор являются основными компонентами синхронного двигателя. Здесь на корпусе статора имеется оберточная пластина, к которой прикреплены шпонки и периферийные ребра. Опоры, рамы используются для поддержки машины. Для возбуждения обмоток возбуждения постоянным током используются контактные кольца и щетки.

Цилиндрические и круглые роторы используются для 6 полюсов. Роторы с явнополюсными роторами используются, когда требуется большее количество полюсов. Конструкция синхронного двигателя и синхронного генератора аналогична.

Принцип работы синхронного двигателя

Работа синхронных двигателей зависит от взаимодействия магнитного поля статора с магнитным полем ротора. Статор содержит 3-х фазные обмотки и питается 3-х фазным питанием. Таким образом, обмотка статора создает трехфазное вращающееся магнитное поле. На ротор подается постоянный ток.

Ротор входит во вращающееся магнитное поле, создаваемое обмоткой статора, и вращается синхронно. Теперь скорость двигателя зависит от частоты подаваемого тока.

Скорость синхронного двигателя регулируется частотой приложенного тока. Скорость синхронного двигателя можно рассчитать как

.

Ns = 60f / P = 120f / p

где, f = частота переменного тока (Гц)
p = общее количество полюсов на фазу
P = общее количество пар полюсов на фазу.

Если применяется нагрузка, превышающая пробивную, двигатель десинхронизируется. Трехфазная обмотка статора дает преимущество определения направления вращения.В случае однофазной обмотки невозможно определить направление вращения, и двигатель может запускаться в любом из направлений. Для управления направлением вращения в этих синхронных двигателях необходимы пусковые устройства.

Способы пуска синхронного двигателя

Момент инерции ротора останавливает крупногабаритные синхронные двигатели от самозапуска. Из-за этой инерции ротора невозможно синхронизировать ротор с магнитным полем статора в момент подачи питания.Поэтому требуется некоторый дополнительный механизм, чтобы помочь ротору синхронизироваться.

Индукционная обмотка включена в большие двигатели, которые создают достаточный крутящий момент, необходимый для ускорения. Для очень больших моторов для разгона ненагруженной машины используется пони-мотор. Изменяя частоту тока статора, двигатели с электронным управлением могут ускоряться даже с нулевой скорости.

Для очень маленьких двигателей, когда момент инерции ротора и механическая нагрузка желательно малы, они могут запускаться без каких-либо методов запуска.

Типы синхронных двигателей

В зависимости от способа намагничивания ротора различают два типа синхронных двигателей —

• Без возбуждения.
• Постоянный ток Возбужден.

Двигатель без возбуждения

В этих двигателях ротор намагничивается внешним полем статора. Ротор содержит постоянное магнитное поле. Для изготовления ротора используется сталь с высокой удерживающей способностью, такая как кобальтовая сталь. Они классифицируются как двигатели с постоянным магнитом, реактивные и гистерезисные.

• В синхронных двигателях с постоянными магнитами постоянный магнит используется вместе со сталью для конструкции ротора. У них постоянное магнитное поле в роторе, поэтому индукционную обмотку нельзя использовать для запуска. Применяются в качестве безредукторных двигателей лифтов.

Синхронный двигатель с постоянными магнитами

• В реактивных двигателях ротор выполнен из стального литья с выступающими полюсами. Чтобы минимизировать пульсации крутящего момента, полюса ротора меньше полюсов статора. Содержит обмотку с короткозамкнутым ротором для обеспечения пускового момента ротора.Используется в измерительных приборах.
• Двигатели с гистерезисом — это самозапускающиеся двигатели. Здесь ротор представляет собой гладкий цилиндр, изготовленный из магнитотвердой кобальтовой стали с высокой коэрцитивной силой. Эти двигатели дороги и используются там, где требуется точная постоянная скорость. Обычно используется в качестве серводвигателей.

Двигатель с возбуждением от постоянного тока

Здесь ротор возбуждается постоянным током, подаваемым непосредственно через контактные кольца. Также используются индукция переменного тока и выпрямители. Обычно они бывают больших размеров, например, больше 1 лошадиных сил и т. Д.

Двигатель с возбуждением от постоянного тока

Применение синхронных двигателей

Обычно синхронные двигатели используются в приложениях, где требуется точная и постоянная скорость. Эти двигатели с низким энергопотреблением включают в себя позиционирующие машины. Они также применяются в приводах роботов. В шаровых мельницах, часах, проигрывателях пластинок также используются синхронные двигатели. Кроме того, эти двигатели также используются в качестве серводвигателей и синхронизаторов.

Эти двигатели доступны в диапазоне от дробных подковообразных до мощных промышленных размеров.Хотя эти двигатели используются в промышленных масштабах большой мощности, они выполняют две важные функции. Один является эффективным средством преобразования энергии переменного тока в механическую энергию, а другой — коррекцией коэффициента мощности. С каким применением серводвигателя вы сталкивались?

Синхронные двигатели

: определение, принцип работы, типы и применение

— Объявление —

Двигатели и генераторы — незаменимые части электрической системы, которые мы используем либо в таких отраслях, как электростанции, либо в быту.Потребность в электрических системах, производящих большую энергию и потребляющих меньше энергии, видна в изобретении новых моделей этих электрических устройств. Один из многих видов двигателей, которые пришли нам на помощь в последние десятилетия, — это синхронные двигатели.

В этой статье Linquip мы намерены представить этот двигатель, его принцип работы, основные компоненты и поговорить о его различных типах. Мы знаем, что многие из вас собираются купить такой, поэтому мы поговорим о различных областях применения этого двигателя.Читайте дальше, чтобы получить ответы на свои вопросы по этой теме.

Вначале мы подготовили для вас простое определение синхронных двигателей, которое поможет вам войти в следующие разделы. Давай начнем!

Что такое синхронный двигатель?

Синхронный двигатель — это двигатель переменного тока, в котором скорость вращения вала совпадает с частотой приложенного тока. Другими словами, принцип работы синхронного двигателя такой же, как у двигателя переменного тока, но с той разницей, что общее количество оборотов, совершаемых валом в синхронном режиме, равно целому числу, кратному частоте приложенного тока.

Синхронный двигатель не зависит от индукционного тока для своей работы. В этом типе двигателя, в отличие от асинхронных двигателей, на статоре есть многофазные электромагниты переменного тока, которые создают вращающееся магнитное поле. В синхронном режиме ротор состоит из постоянного магнита, который синхронизируется с вращающимся магнитным полем и вращается синхронно с частотой приложенного к нему тока.

В следующих двух разделах вы познакомитесь с конструкцией этого типа двигателя и узнаете, как именно он работает.Пожалуйста, продолжайте читать.

Подробнее о Linquip

Все о типах двигателей постоянного тока и их применении Шунтирующие двигатели постоянного тока

: понятное объяснение принципа работы и компонентов

Как устроен синхронный двигатель?

Как и многие другие двигатели, статор и ротор являются двумя основными компонентами синхронного двигателя. Рама статора синхронного двигателя имеет защитную пластину, к которой прикреплены шпоночные стержни и периферийные ребра. Для поддержки машины используются опоры или рамы, а также контактные кольца и щетки для возбуждения обмоток возбуждения постоянным током.

В синхронном двигателе используются цилиндрические и круглые роторы для 6-полюсных применений. Когда требуется большее количество полюсов, лучше всего использовать роторы с явнополюсными полюсами. Конструкция синхронного двигателя такая же, как и у синхронного генератора переменного тока.

Как работает синхронный двигатель?

Взаимодействие между магнитным полем статора и магнитным полем ротора. Подача трехфазного питания Статор двигателя с трехфазными обмотками.Таким образом, обмотка статора создает вращающееся магнитное поле, имеющее 3 фазы. Как мы упоминали ранее, источник постоянного тока для ротора.

Вращающееся магнитное поле, создаваемое обмоткой статора, находится там, где ротор входит и вращается синхронно. Теперь вам более ясно, что скорость двигателя зависит от частоты подаваемого тока. Фактически, скорость синхронного двигателя контролируется частотой приложенного тока.

Подводя итог вышесказанному, трехфазная обмотка статора синхронного двигателя проводит трехфазный ток и создает трехфазный вращающийся магнитный поток.С другой стороны, ротор также питается постоянным током и производит постоянный магнитный поток. Если учесть, что у нас частота сети 50 Гц, из приведенного выше соотношения мы можем увидеть, что трехфазный вращающийся поток вращается примерно на 3000 оборотов всего за одну минуту или 50 оборотов всего за 1 секунду.

В некоторых случаях бывает, что полюса ротора и статора имеют одинаковую полярность (N-N или S-S). Это вызывает отталкивающую силу на роторе. Эта полярность очень скоро станет С-Ю, и она вызовет силу притяжения.Но из-за инерции ротора он не может вращаться в любом направлении из-за этой силы притяжения или отталкивания, и ротор остается в состоянии покоя. Вот почему синхронный двигатель не запускается автоматически.

Итак, вы ознакомились с общей функцией синхронных двигателей. Теперь, когда вы знаете, какова цель этой конструкции и как она работает, давайте посмотрим, сколько у нее типов и чем они отличаются друг от друга.

Различные типы синхронного двигателя

, основанный на методе намагничивания ротора, существует два типа синхронных двигателей:

1. Двигатель без возбуждения

2. Двигатель с возбуждением от постоянного тока

3. Двигатель без возбуждения

• В двигателях этого типа ротор намагничивается внешним магнитным полем статора, а ротор имеет постоянное магнитное поле.В этом типе ротора используется сталь с высокой удерживающей способностью, такая как кобальтовая сталь. Это приводит к трем другим классификациям: двигатели с постоянным магнитом, реактивные и гистерезисные двигатели.
• В конструкции синхронных двигателей с постоянными магнитами наряду со сталью используется постоянный магнит. У них постоянное магнитное поле в роторе, поэтому индукционную обмотку нельзя использовать для запуска. Применяются в качестве безредукторных двигателей лифтов.
• Ротор реактивного электродвигателя изготовлен из стального литья с выступающими полюсами.Полюса ротора меньше полюсов статора, чтобы минимизировать пульсации крутящего момента.
• Двигатели с гистерезисом — это самозапускающиеся двигатели. В синхронных двигателях этого типа ротор представляет собой гладкий цилиндр, изготовленный из твердой кобальтовой стали. Этот тип двигателя дорог и обычно используется там, где требуется точная постоянная скорость.

2. Двигатель с возбуждением от постоянного тока

Когда ротор синхронного двигателя возбуждается постоянным током, подаваемым непосредственно через контактные кольца, это называется двигателем с возбуждением постоянным током.

Основные характеристики синхронных двигателей

• Первой особенностью синхронных двигателей является то, что скорость не зависит от нагрузки. Это означает, что на скорость двигателя не влияет изменение нагрузки.
• Вторая основная особенность заключается в том, что они не запускаются автоматически, и им нужен первичный двигатель, чтобы вращать двигатель с их синхронной скоростью.
• И последняя основная характеристика — синхронный двигатель работает как с опережающим, так и с запаздывающим коэффициентом мощности.

Где используется синхронный двигатель?

Синхронные двигатели обычно используются там, где требуется точная и постоянная скорость. Эти двигатели с низким энергопотреблением включают в себя позиционирующие машины. Этот вид электродвигателей также применяется в приводах роботов. В некоторых других приложениях используются синхронные двигатели, такие как шаровые мельницы, часы и проигрыватели виниловых пластинок. Кроме того, эти двигатели также используются в качестве серводвигателей и синхронизаторов.

Подробнее о коллекторных двигателях Linquip

: краткое введение в структуру и принцип работы

Заключение

В этой статье мы попытались показать вам, что именно делает синхронный двигатель.Чтобы вам было понятно, мы проанализировали принцип работы синхронных двигателей и подробно остановились на том, как они работают. Мы объяснили, из каких частей он состоит. После этого мы углубились в разные и основные типы. затем мы достигли различных характеристик и функций. Наконец, мы рассказали вам о его приложениях и о том, где он чаще всего используется.

Если у вас есть опыт использования разных типов синхронной передачи, мы будем очень рады услышать ваше мнение в комментариях. Кстати, если у вас есть какие-либо вопросы по этой теме и вы все еще не уверены в этом устройстве, вы можете зарегистрироваться на нашем веб-сайте и дождаться, пока наши специалисты по Linquip ответят на ваши вопросы.Надеюсь, вам понравилась эта статья.

— Реклама —

Электродвигатель — Энциклопедия New World

Вращающееся магнитное поле как сумма магнитных векторов от трех фазных катушек

Электродвигатель преобразует электрическую энергию в кинетическую. Обратная задача — преобразование кинетической энергии в электрическую — выполняется генератором или динамо-машиной. Во многих случаях два устройства различаются только своим применением и незначительными деталями конструкции, а некоторые приложения используют одно устройство для выполнения обеих ролей.Например, тяговые двигатели, используемые на локомотивах, часто выполняют обе задачи, если локомотив оснащен динамическими тормозами.

Большинство электродвигателей работают за счет электромагнетизма, но также существуют двигатели, основанные на других электромеханических явлениях, таких как электростатические силы и пьезоэлектрический эффект. Фундаментальный принцип, на котором основаны электромагнитные двигатели, заключается в том, что на любой токоведущий провод, находящийся внутри магнитного поля, действует механическая сила. Сила описывается законом силы Лоренца и перпендикулярна как проводу, так и магнитному полю.

Большинство магнитных двигателей являются вращающимися, но существуют и линейные двигатели. В роторном двигателе вращающаяся часть (обычно внутри) называется ротором, а неподвижная часть — статором. Ротор вращается, потому что провода и магнитное поле расположены так, что вокруг оси ротора создается крутящий момент. Двигатель содержит электромагниты, намотанные на раму. Хотя эту раму часто называют арматурой, этот термин часто используют ошибочно. Правильно, якорь — это та часть двигателя, на которую подается входное напряжение.В зависимости от конструкции машины в качестве якоря может выступать либо ротор, либо статор.

Двигатели постоянного тока

Электродвигатели различных типоразмеров. Ротор от маленького мотора постоянного тока 3В. Этот двигатель имеет 3 катушки, и коммутатор можно увидеть на ближнем конце.

Один из первых электромагнитных роторных двигателей был изобретен Майклом Фарадеем в 1821 году и состоял из свободно висящего провода, погруженного в бассейн с ртутью. Постоянный магнит был помещен в середину ртутной ванны.Когда через провод пропускался ток, он вращался вокруг магнита, показывая, что ток порождал круговое магнитное поле вокруг провода. Этот мотор часто демонстрируется на школьных уроках физики, но иногда вместо токсичной ртути используется рассол (соленая вода). Это простейшая форма класса электродвигателей, называемых униполярными двигателями. Более поздняя доработка — Колесо Барлоу.

В другой ранней конструкции электродвигателя использовался поршень возвратно-поступательного действия внутри переключаемого соленоида; концептуально его можно рассматривать как электромагнитную версию двухтактного двигателя внутреннего сгорания.Томас Давенпорт построил небольшой электродвигатель постоянного тока в 1834 году, используя его для управления игрушечным поездом по круговой дороге. Он получил на нее патент в 1837 году.

Современный двигатель постоянного тока был изобретен случайно в 1873 году, когда Зеноб Грамм соединил вращающуюся динамо-машину со вторым аналогичным устройством, приведя его в действие как двигатель. Машина Грамма была первым промышленно полезным электродвигателем; более ранние изобретения использовались в качестве игрушек или лабораторных диковинок.

Классический двигатель постоянного тока имеет вращающийся якорь в виде электромагнита.Поворотный переключатель, называемый коммутатором, меняет направление электрического тока дважды за цикл, чтобы он протекал через якорь, так что полюса электромагнита толкаются и притягиваются к постоянным магнитам на внешней стороне двигателя. Когда полюса электромагнита якоря проходят через полюса постоянных магнитов, коммутатор меняет полярность электромагнита якоря. В этот момент переключения полярности импульс поддерживает классический двигатель в нужном направлении.(См. Диаграммы ниже.)

• Вращение двигателя постоянного тока

• Простой электродвигатель постоянного тока. Когда катушка запитана, вокруг якоря создается магнитное поле. Левая сторона якоря отодвигается от левого магнита и тянется вправо, вызывая вращение.

• Якорь продолжает вращаться.

• Когда якорь выравнивается по горизонтали, коммутатор меняет направление тока через катушку на противоположное, меняя местами магнитное поле.Затем процесс повторяется.

Электродвигатель постоянного тока с возбуждением от возбуждения

Постоянные магниты на внешней стороне (статоре) двигателя постоянного тока могут быть заменены электромагнитами. Изменяя ток возбуждения, можно изменять соотношение скорость / крутящий момент двигателя. Обычно обмотка возбуждения размещается последовательно (последовательная обмотка), с обмоткой якоря для получения низкоскоростного двигателя с высоким крутящим моментом, параллельно (шунтирующая обмотка) с якорем для получения высокоскоростного двигателя с низким крутящим моментом, или имеют обмотку частично параллельно, а частично последовательно (составная обмотка) для баланса, обеспечивающего стабильную скорость в широком диапазоне нагрузок. Раздельное возбуждение также является обычным, с фиксированным напряжением поля, скорость регулируется изменением напряжения якоря. Дальнейшее уменьшение тока возбуждения возможно для получения еще более высокой скорости, но, соответственно, более низкого крутящего момента, что называется режимом «слабого поля».

Теория

Если вал двигателя постоянного тока вращается под действием внешней силы, двигатель будет действовать как генератор и создавать электродвижущую силу (ЭДС). Это напряжение также генерируется при нормальной работе двигателя.Вращение двигателя создает напряжение, известное как противо-ЭДС (CEMF) или противо-ЭДС, поскольку оно противодействует приложенному напряжению на двигателе. Следовательно, падение напряжения на двигателе состоит из падения напряжения из-за этой CEMF и паразитного падения напряжения, возникающего из-за внутреннего сопротивления обмоток якоря.

Поскольку CEMF пропорциональна скорости двигателя, при первом запуске или полном останове электродвигателя CEMF отсутствует. Следовательно, ток через якорь намного выше.Этот высокий ток создаст сильное магнитное поле, которое запустит вращение двигателя. По мере вращения двигателя CEMF увеличивается до тех пор, пока не станет равным приложенному напряжению, за вычетом паразитного падения напряжения. В этот момент через двигатель будет протекать меньший ток.

Регулировка скорости

Обычно скорость вращения двигателя постоянного тока пропорциональна приложенному к нему напряжению, а крутящий момент пропорционален току. Регулировка скорости может быть достигнута с помощью регулируемых выводов аккумуляторной батареи, переменного напряжения питания, резисторов или электронного управления.Направление двигателя постоянного тока с обмоткой возбуждения можно изменить, поменяв местами подключения возбуждения или якоря, но не то и другое вместе. Обычно это делается с помощью специального набора контакторов (контакторов направления).

Эффективное напряжение можно изменять, вставляя последовательный резистор или используя переключающее устройство с электронным управлением, состоящее из тиристоров, транзисторов или, ранее, ртутных дуговых выпрямителей. В цепи, известной как прерыватель, среднее напряжение, приложенное к двигателю, изменяется путем очень быстрого переключения напряжения питания.Поскольку отношение «включено» к «выключено» изменяется для изменения среднего приложенного напряжения, скорость двигателя изменяется. Процент времени включения, умноженный на напряжение питания, дает среднее напряжение, приложенное к двигателю.

Поскольку двигатель постоянного тока с последовательной обмоткой развивает максимальный крутящий момент на низкой скорости, он часто используется в тяговых устройствах, таких как электровозы и трамваи. Другое применение — стартеры для бензиновых и небольших дизельных двигателей. Серийные двигатели никогда не должны использоваться в приложениях, где привод может выйти из строя (например, ременные передачи).По мере ускорения двигателя ток якоря (и, следовательно, возбуждения) уменьшается. Уменьшение поля заставляет двигатель ускоряться (см. «Слабое поле» в последнем разделе), пока он не разрушит себя. Это также может быть проблемой для железнодорожных двигателей в случае потери сцепления, поскольку, если быстро не взять под контроль двигатели, они могут развивать скорость намного выше, чем при нормальных обстоятельствах. Это может вызвать проблемы не только для самих двигателей и шестерен, но и из-за разницы в скорости между рельсами и колесами, это также может вызвать серьезные повреждения рельсов и ступеней колес, поскольку они быстро нагреваются и охлаждаются.Ослабление поля используется в некоторых электронных элементах управления для увеличения максимальной скорости электромобиля. В простейшей форме используется контактор и резистор ослабления поля, электронное управление контролирует ток двигателя и подключает резистор ослабления поля в цепь, когда ток двигателя уменьшается ниже заданного значения (это будет, когда двигатель работает на полной расчетной скорости). Как только резистор включен в цепь, двигатель увеличит скорость выше своей нормальной скорости при номинальном напряжении. Когда ток двигателя увеличивается, система управления отключает резистор и становится доступным крутящий момент на низкой скорости.

Одним из интересных методов управления скоростью двигателя постоянного тока является управление Уорда-Леонарда. Это метод управления двигателем постоянного тока (обычно с шунтирующей или составной обмоткой), который был разработан как метод обеспечения двигателя с регулируемой скоростью от источника переменного тока (переменного тока), хотя он не лишен своих преимуществ в схемах постоянного тока. Источник переменного тока используется для привода двигателя переменного тока, обычно асинхронного двигателя, который приводит в действие генератор постоянного тока или динамо-машину. Выход постоянного тока из якоря напрямую подключен к якорю двигателя постоянного тока (обычно идентичной конструкции).Шунтирующие обмотки возбуждения обеих машин постоянного тока возбуждаются через переменный резистор от якоря генератора. Этот переменный резистор обеспечивает исключительно хорошее управление скоростью от состояния покоя до полной скорости и постоянный крутящий момент. Этим методом управления был метод de facto от его разработки до тех пор, пока он не был заменен твердотельными тиристорными системами. Он находил применение практически в любой среде, где требовалось хорошее управление скоростью, от пассажирских лифтов до обмотки головок больших шахтных карьеров и даже промышленного технологического оборудования и электрических кранов.Его основным недостатком было то, что для реализации схемы требовалось три машины (пять в очень больших установках, поскольку машины постоянного тока часто дублировались и управлялись тандемным переменным резистором). Во многих случаях установка мотор-генератор часто оставалась постоянно работающей, чтобы избежать задержек, которые в противном случае были бы вызваны ее запуском по мере необходимости. Есть множество устаревших установок Ward-Leonard, которые все еще используются.

Универсальные двигатели

Вариантом электродвигателя постоянного тока с обмоткой является универсальный электродвигатель . Название происходит от того факта, что он может использовать переменный ток или постоянный ток, хотя на практике они почти всегда используются с переменным током. Принцип заключается в том, что в двигателе постоянного тока с обмоткой поля ток как в поле, так и в якоре (и, следовательно, результирующие магнитные поля) будут чередоваться (обратная полярность) в одно и то же время, и, следовательно, генерируемая механическая сила всегда в одном и том же направлении. . На практике двигатель должен быть специально спроектирован для работы с переменным током (необходимо учитывать импеданс, а также пульсирующую силу), и получаемый в результате двигатель, как правило, менее эффективен, чем эквивалентный чистый двигатель DC .При работе на нормальных частотах линии электропередачи максимальная мощность универсальных двигателей ограничена, а двигатели мощностью более одного киловатта встречаются редко. Но универсальные двигатели также составляют основу традиционного железнодорожного тягового двигателя. В этом приложении для поддержания высокого электрического КПД они работали от очень низкочастотных источников переменного тока с частотой 25 Гц и 16 ² / ₃ Гц. Поскольку это универсальные двигатели, локомотивы, использующие эту конструкцию, также обычно могли работать от третьего рельса с питанием от постоянного тока.

Преимущество универсального двигателя заключается в том, что источники питания переменного тока могут использоваться на двигателях, которые имеют типичные характеристики двигателей постоянного тока, в частности, высокий пусковой момент и очень компактную конструкцию, если используются высокие скорости вращения. Отрицательный аспект — проблемы с обслуживанием и коротким сроком службы, вызванные коммутатором. В результате такие двигатели обычно используются в устройствах переменного тока, таких как миксеры для пищевых продуктов и электроинструменты, которые используются только с перерывами. Непрерывное управление скоростью универсального двигателя, работающего от переменного тока, очень легко достигается с помощью тиристорной схемы, в то время как ступенчатое регулирование скорости может быть выполнено с помощью нескольких отводов на катушке возбуждения.Бытовые блендеры, рекламирующие множество скоростей, часто сочетают в себе катушку возбуждения с несколькими ответвлениями и диод, который может быть вставлен последовательно с двигателем (в результате чего двигатель работает на полуволновом постоянном токе с 0,707 среднеквадратичного напряжения линии питания переменного тока).

В отличие от двигателей переменного тока, универсальные двигатели могут легко превышать один оборот за цикл сетевого тока. Это делает их полезными для таких приборов, как блендеры, пылесосы и фены, где требуется высокая скорость работы. Моторы многих пылесосов и триммеров для сорняков превышают 10 000 об / мин, Dremel и другие подобные миниатюрные шлифовальные машины часто превышают 30 000 об / мин.Теоретический универсальный двигатель, которому разрешено работать без механической нагрузки, будет превышать скорость, что может привести к его повреждению. В реальной жизни, однако, различное трение подшипников, «парусность» якоря и нагрузка любого встроенного охлаждающего вентилятора — все это предотвращает превышение скорости.

Из-за очень низкой стоимости полупроводниковых выпрямителей в некоторых приложениях, в которых раньше использовался универсальный двигатель, теперь используется чистый двигатель постоянного тока, обычно с полем постоянного магнита. Это особенно верно, если полупроводниковая схема также используется для регулирования скорости.

Преимущества универсального двигателя и распределения переменного тока сделали установку низкочастотной системы распределения тягового тока экономичной для некоторых железнодорожных установок. На достаточно низких частотах характеристики двигателя примерно такие же, как если бы двигатель работал от постоянного тока.

Двигатели переменного тока (переменного тока)

В 1882 году Никола Тесла определил принцип вращающегося магнитного поля и впервые применил вращающееся силовое поле для работы машин.Он использовал этот принцип для разработки уникального двухфазного асинхронного двигателя в 1883 году. В 1885 году Галилео Феррарис независимо исследовал эту концепцию. В 1888 году Феррарис опубликовал свое исследование в докладе Королевской академии наук в Турине.

Введение двигателя Теслы с 1888 г. и далее положило начало так называемой Второй промышленной революции, сделав возможным эффективное производство и распределение электроэнергии на большие расстояния с использованием системы передачи переменного тока, также изобретенной Тесла (1888 г.).До изобретения вращающегося магнитного поля двигатели работали, непрерывно пропуская проводник через постоянное магнитное поле (как в униполярных двигателях).

Тесла предположил, что коммутаторы из машины могут быть удалены, и устройство может работать во вращающемся силовом поле. Его учитель профессор Пошель заявил, что это было бы похоже на создание вечного двигателя. ^[1] Тесла позже получит патент США 0416194 (PDF), Электродвигатель (декабрь 1889 г.), который напоминает двигатель, изображенный на многих фотографиях Теслы.Этим классическим электромагнитным двигателем переменного тока был асинхронный двигатель .

Энергия статора	Энергия ротора	Всего поставлено энергии	Развиваемая мощность
10	90	100	900
50	50	100	2500

В асинхронном двигателе , поле и якорь в идеале имели одинаковую напряженность поля, а сердечники поля и якоря были одинакового размера.Полная энергия, потребляемая для работы устройства, равнялась сумме энергии, затраченной на якорь и катушку возбуждения. ^[2] Мощность, развиваемая при работе устройства, равна произведению энергии, затрачиваемой в катушках якоря и возбуждения. ^[3]

Михаил Осипович Доливо-Добровольский позже изобрел трехфазный «клеть-ротор» в 1890 году. Успешная коммерческая многофазная система генерации и передачи на большие расстояния была спроектирована Алмерианом Декером в Mill Creek No.1 ^[4] в Редлендс, Калифорния. ^[5]

Детали и типы

Типичный двигатель переменного тока состоит из двух частей:

1. Внешний неподвижный статор с катушками, на которые подается переменный ток для создания вращающегося магнитного поля, и;
2. Внутренний ротор, прикрепленный к выходному валу, которому крутящий момент создается вращающимся полем.

В зависимости от типа используемого ротора существует два основных типа двигателей переменного тока:

• Синхронный двигатель, который вращается точно с частотой питающей сети или долей частоты питающей сети, и;
• Асинхронный двигатель, который вращается немного медленнее и обычно (хотя и не всегда) имеет форму двигателя с короткозамкнутым ротором.

Трехфазные асинхронные двигатели переменного тока

Трехфазные асинхронные двигатели переменного тока мощностью 1 л.с. (746 Вт) и 25 Вт с небольшими двигателями от проигрывателя компакт-дисков, игрушек и привода считывателя компакт-дисков и DVD-дисков.

Там, где имеется многофазный источник питания, обычно используется трехфазный (или многофазный) асинхронный двигатель переменного тока, особенно для двигателей большей мощности. Разность фаз между тремя фазами многофазного источника питания создает вращающееся электромагнитное поле в двигателе.

Благодаря электромагнитной индукции вращающееся магнитное поле индуцирует ток в проводниках в роторе, который, в свою очередь, создает уравновешивающее магнитное поле, которое заставляет ротор вращаться в направлении вращения поля.Ротор всегда должен вращаться медленнее, чем вращающееся магнитное поле, создаваемое многофазным источником питания; в противном случае в роторе не будет создаваться уравновешивающее поле.

Асинхронные двигатели являются рабочими лошадками промышленности, и двигатели мощностью до 500 кВт (670 лошадиных сил) производятся в строго стандартизированных размерах корпуса, что делает их практически полностью взаимозаменяемыми между производителями (хотя стандартные размеры в Европе и Северной Америке отличаются). Очень большие синхронные двигатели могут иметь выходную мощность в десятки тысяч кВт для трубопроводных компрессоров, приводов в аэродинамической трубе и наземных преобразовательных систем.

В асинхронных двигателях используются два типа роторов.

Роторы с короткозамкнутым ротором: В большинстве двигателей переменного тока используется ротор с короткозамкнутым ротором, который можно найти практически во всех бытовых и легких промышленных двигателях переменного тока. Беличья клетка получила свое название от своей формы — кольца на обоих концах ротора, с перемычками, соединяющими кольца по всей длине ротора. Обычно это литой алюминий или медь, залитые между железными пластинами ротора, и обычно видны только концевые кольца.Подавляющее большинство токов ротора будет проходить через стержни, а не через ламинаты с более высоким сопротивлением и обычно покрытые лаком. Очень низкие напряжения при очень высоких токах типичны для шин и концевых колец; В двигателях с высоким КПД часто используется литая медь для уменьшения сопротивления ротора.

В работе двигатель с короткозамкнутым ротором можно рассматривать как трансформатор с вращающейся вторичной обмоткой — когда ротор не вращается синхронно с магнитным полем, индуцируются большие токи ротора; большие токи ротора намагничивают ротор и взаимодействуют с магнитными полями статора, чтобы синхронизировать ротор с полем статора.Двигатель с короткозамкнутым ротором без нагрузки при синхронной скорости будет потреблять электроэнергию только для поддержания скорости ротора с учетом потерь на трение и сопротивление; по мере увеличения механической нагрузки будет увеличиваться и электрическая нагрузка — электрическая нагрузка по своей природе связана с механической нагрузкой. Это похоже на трансформатор, где электрическая нагрузка первичной обмотки связана с электрической нагрузкой вторичной обмотки.

Вот почему, например, двигатель вентилятора с короткозамкнутым ротором может приглушать свет в доме при запуске, но не приглушает свет, когда его вентиляторный ремень (и, следовательно, механическая нагрузка) снимается.Кроме того, остановившийся двигатель с короткозамкнутым ротором (перегруженный или с заклинившим валом) будет потреблять ток, ограниченный только сопротивлением цепи, при попытке запуска. Если что-то еще не ограничивает ток (или не отключает его полностью), вероятным результатом является перегрев и разрушение изоляции обмотки.

Практически каждая стиральная машина, посудомоечная машина, отдельный вентилятор, проигрыватель и т. Д. Использует какой-либо вариант двигателя с короткозамкнутым ротором.

Ротор с обмоткой: Альтернативная конструкция, называемая ротором с обмоткой, используется, когда требуется регулировка скорости.В этом случае ротор имеет такое же количество полюсов, что и статор, а обмотки выполнены из проволоки, соединенной с контактными кольцами на валу. Угольные щетки подключают контактные кольца к внешнему контроллеру, например, к переменному резистору, который позволяет изменять скорость скольжения двигателя. В некоторых мощных приводах с регулируемой скоростью вращения ротора энергия частоты скольжения улавливается, выпрямляется и возвращается в источник питания через инвертор.

По сравнению с роторами с короткозамкнутым ротором, двигатели с фазным ротором дороги и требуют обслуживания контактных колец и щеток, но они были стандартной формой для регулирования скорости до появления компактных силовых электронных устройств.Транзисторные инверторы с частотно-регулируемым приводом теперь можно использовать для управления скоростью, а двигатели с фазным ротором становятся все реже. (Транзисторные инверторные приводы также позволяют использовать более эффективные трехфазные двигатели, когда доступен только однофазный сетевой ток, но это никогда не используется в бытовых приборах, потому что это может вызвать электрические помехи и из-за высоких требований к мощности.)

Используются несколько способов запуска многофазного двигателя. Там, где допустимы большой пусковой ток и высокий пусковой момент, двигатель можно запустить через линию, подав полное линейное напряжение на клеммы (Direct-on-line, DOL).Если необходимо ограничить пусковой пусковой ток (если мощность двигателя больше, чем у источника питания при коротком замыкании), используется пуск с пониженным напряжением с использованием последовательных катушек индуктивности, автотрансформатора, тиристоров или других устройств. Иногда используется метод пуска со звезды на треугольник, когда катушки двигателя сначала соединяются звездой для ускорения нагрузки, а затем переключаются на треугольник, когда нагрузка достигает скорости. Этот метод более распространен в Европе, чем в Северной Америке.Транзисторные приводы могут напрямую изменять приложенное напряжение в зависимости от пусковых характеристик двигателя и нагрузки.

Этот тип двигателя становится все более распространенным в тяговых приложениях, таких как локомотивы, где он известен как асинхронный тяговый двигатель.

Скорость в этом типе двигателя традиционно изменялась за счет наличия дополнительных наборов катушек или полюсов в двигателе, которые можно включать и выключать для изменения скорости вращения магнитного поля. Однако развитие силовой электроники означает, что частота источника питания теперь также может быть изменена, чтобы обеспечить более плавное управление скоростью двигателя.

Трехфазные синхронные двигатели переменного тока

Если соединения с катушками ротора трехфазного двигателя сняты на контактных кольцах и подают отдельный ток возбуждения для создания непрерывного магнитного поля (или если ротор состоит из постоянного магнита), результат называется синхронным. двигатель, потому что ротор будет вращаться синхронно с вращающимся магнитным полем, создаваемым многофазным источником питания.

Синхронный двигатель также может использоваться как генератор переменного тока.

В настоящее время синхронные двигатели часто приводятся в действие транзисторными частотно-регулируемыми приводами. Это значительно облегчает запуск массивного ротора большого синхронного двигателя. Они также могут запускаться как асинхронные двигатели с использованием обмотки с короткозамкнутым ротором, которая имеет общий ротор: как только двигатель достигает синхронной скорости, ток в обмотке с короткозамкнутым ротором не индуцируется, поэтому он мало влияет на синхронную работу двигателя. , помимо стабилизации скорости двигателя при изменении нагрузки.

Синхронные двигатели иногда используются в качестве тяговых двигателей.

Двухфазные серводвигатели переменного тока

Типичный двухфазный серводвигатель переменного тока имеет короткозамкнутый ротор и поле, состоящее из двух обмоток: 1) главной обмотки постоянного напряжения (AC) и 2) обмотки управляющего напряжения (AC) в квадратуре с основная обмотка так, чтобы создавать вращающееся магнитное поле. Электрическое сопротивление ротора намеренно повышено, чтобы кривая скорость-крутящий момент была достаточно линейной.Двухфазные серводвигатели по своей сути являются высокоскоростными устройствами с низким крутящим моментом, которые в значительной степени приспособлены для управления нагрузкой.

Однофазные асинхронные двигатели переменного тока

Трехфазные двигатели по своей природе создают вращающееся магнитное поле. Однако, когда доступна только однофазная мощность, вращающееся магнитное поле должно создаваться другими способами. Обычно используются несколько методов.

Обычным однофазным двигателем является двигатель с экранированными полюсами, который используется в устройствах, требующих низкого крутящего момента, таких как электрические вентиляторы или другие небольшие бытовые приборы.В этом двигателе небольшие одновитковые медные «затеняющие катушки» создают движущееся магнитное поле. Часть каждого полюса окружена медной катушкой или лентой; индуцированный ток в перемычке противодействует изменению потока через катушку (закон Ленца), так что максимальная напряженность поля перемещается через поверхность полюса в каждом цикле, создавая необходимое вращающееся магнитное поле.

Другим распространенным однофазным двигателем переменного тока является асинхронный двигатель с расщепленной фазой , обычно используемый в основных бытовых приборах, таких как стиральные машины и сушилки для одежды.По сравнению с двигателями с экранированными полюсами эти двигатели обычно могут обеспечивать гораздо больший пусковой крутящий момент за счет использования специальной пусковой обмотки в сочетании с центробежным переключателем.

В электродвигателях с расщепленной фазой пусковая обмотка спроектирована с более высоким сопротивлением, чем рабочая обмотка. Это создает цепь LR, которая немного сдвигает фазу тока в пусковой обмотке. Когда двигатель запускается, пусковая обмотка подключается к источнику питания через набор подпружиненных контактов, на которые нажимает еще не вращающийся центробежный переключатель.

Фаза магнитного поля в этой пусковой обмотке сдвинута по сравнению с фазой сетевого питания, что позволяет создать движущееся магнитное поле, которое запускает двигатель. Когда двигатель достигает скорости, близкой к расчетной, срабатывает центробежный выключатель, размыкая контакты и отсоединяя пусковую обмотку от источника питания. Тогда двигатель работает только на ходовой обмотке. Пусковую обмотку необходимо отключить, так как это приведет к увеличению потерь в двигателе.

В конденсаторном пусковом двигателе , пусковой конденсатор вставлен последовательно с пусковой обмоткой, создавая LC-цепь, которая способна к гораздо большему фазовому сдвигу (и, следовательно, гораздо большему пусковому крутящему моменту). Конденсатор, естественно, увеличивает стоимость таких двигателей.

Другой вариант — двигатель с постоянным разделенным конденсатором (PSC) (также известный как конденсаторный двигатель запуска и работы). Этот двигатель работает аналогично двигателю с конденсаторным пуском, описанному выше, но здесь нет переключателя центробежного пуска, а вторая обмотка постоянно подключена к источнику питания.Двигатели PSC часто используются в кондиционерах, вентиляторах и воздуходувках, а также в других случаях, когда требуется регулируемая скорость.

Отталкивающие двигатели — однофазные двигатели переменного тока с фазным ротором, аналогичные универсальным двигателям. В отталкивающем двигателе щетки якоря закорочены вместе, а не соединены последовательно с полем. Было изготовлено несколько типов отталкивающих двигателей, но наиболее часто использовался асинхронный двигатель с отталкивающим пуском (RS-IR).Двигатель RS-IR оснащен центробежным переключателем, который замыкает все сегменты коммутатора, так что двигатель работает как асинхронный после разгона до полной скорости. Двигатели RS-IR используются для обеспечения высокого пускового момента на ампер в условиях низких рабочих температур и плохого регулирования напряжения источника. По состоянию на 2006 год продано немного отталкивающих двигателей любого типа.

Однофазные синхронные двигатели переменного тока

Небольшие однофазные двигатели переменного тока также могут быть сконструированы с намагниченными роторами (или несколькими вариантами этой идеи).Роторы в этих двигателях не требуют индуцированного тока, поэтому они не скользят назад против частоты сети. Вместо этого они вращаются синхронно с частотой сети. Из-за высокой точности скорости такие двигатели обычно используются для питания механических часов, проигрывателей виниловых пластинок и ленточных накопителей; раньше они также широко использовались в приборах точного времени, таких как ленточные самописцы или механизмы привода телескопа. Синхронный двигатель с расщепленными полюсами — это одна из версий.

Моментные двигатели

Моментный двигатель — это особый вид асинхронного двигателя, который может работать неограниченное время при остановке (с заблокированным от вращения ротором) без повреждений.В этом режиме двигатель будет прикладывать постоянный крутящий момент к нагрузке (отсюда и название). Обычное применение моментного двигателя — это двигатели подающей и приемной катушек в ленточном накопителе. В этом приложении, приводимые в действие низким напряжением, характеристики этих двигателей позволяют приложить к ленте относительно постоянное легкое натяжение независимо от того, протягивает ли ведущую ленту мимо головок ленты. Управляемые более высоким напряжением (и, следовательно, обеспечивающие более высокий крутящий момент), моментные двигатели также могут работать в режиме быстрой перемотки вперед и назад, не требуя каких-либо дополнительных механизмов, таких как шестерни или муфты.В компьютерном мире моментные двигатели используются с рулевыми колесами с обратной связью по усилию.

Шаговые двигатели

По конструкции тесно связаны с трехфазными синхронными двигателями переменного тока шаговые двигатели, в которых внутренний ротор, содержащий постоянные магниты или большой железный сердечник с выступающими полюсами, управляется набором внешних магнитов, которые переключаются электронно. Шаговый двигатель также можно рассматривать как нечто среднее между электродвигателем постоянного тока и соленоидом. Поскольку каждая катушка поочередно получает питание, ротор выравнивается с магнитным полем, создаваемым обмоткой возбуждения под напряжением.В отличие от синхронного двигателя, в его применении двигатель не может вращаться непрерывно; вместо этого он «шагает» от одного положения к другому, когда обмотки возбуждения последовательно включаются и отключаются. В зависимости от последовательности ротор может вращаться вперед или назад.

Двигатель с постоянными магнитами

Двигатель с постоянными магнитами аналогичен обычному двигателю постоянного тока, за исключением того факта, что обмотка возбуждения заменена постоянными магнитами. Таким образом, двигатель будет действовать как двигатель постоянного тока с постоянным возбуждением (двигатель постоянного тока с независимым возбуждением).

Эти двигатели обычно имеют небольшую мощность, до нескольких лошадиных сил. Они используются в небольших приборах, транспортных средствах с батарейным питанием, в медицинских целях, в другом медицинском оборудовании, таком как рентгеновские аппараты. Эти двигатели также используются в игрушках и в автомобилях в качестве вспомогательных двигателей для регулировки сиденья, электрических стеклоподъемников, люка в крыше, регулировки зеркал, электродвигателей нагнетателя, вентиляторов охлаждения двигателя и т.п.

Последняя разработка — двигатели ПСМ для электромобилей.- Высокая эффективность — Минимальный запирающий момент и крутящий момент неровности поверхности — Небольшая занимаемая площадь, компактные размеры — Низкий вес источник [3]

Бесщеточные двигатели постоянного тока

Многие ограничения классического коллекторного двигателя постоянного тока связаны с необходимостью прижимания щеток к коммутатору. Это создает трение. На более высоких скоростях щеткам становится все труднее поддерживать контакт. Щетки могут отскакивать от неровностей поверхности коллектора, создавая искры.Это ограничивает максимальную скорость машины. Плотность тока на единицу площади щеток ограничивает мощность двигателя. Неидеальный электрический контакт также вызывает электрические помехи. Щетки со временем изнашиваются и требуют замены, а сам коллектор подлежит износу и техническому обслуживанию. Сборка коммутатора на большой машине — дорогостоящий элемент, требующий точной сборки многих деталей.

Эти проблемы устранены в бесщеточном двигателе. В этом двигателе механический «вращающийся переключатель» или узел коммутатора / щеточного устройства заменен внешним электронным переключателем, синхронизированным с положением ротора.Бесщеточные двигатели обычно имеют КПД 85-90 процентов, тогда как двигатели постоянного тока с щеткой обычно имеют КПД 75-80 процентов.

На полпути между обычными двигателями постоянного тока и шаговыми двигателями лежит область бесщеточных двигателей постоянного тока. Построенные аналогично шаговым двигателям, они часто используют внешний ротор с постоянным магнитом , три фазы управляющих катушек, одно или несколько устройств на эффекте Холла для определения положения ротора и соответствующую приводную электронику. В специализированном классе контроллеров бесщеточных двигателей постоянного тока для определения положения и скорости используется обратная связь по ЭДС через основные фазовые соединения вместо датчиков Холла.Эти двигатели широко используются в электрических радиоуправляемых транспортных средствах и упоминаются моделистами как двигатели outrunner (поскольку магниты находятся снаружи).

Бесщеточные двигатели постоянного тока обычно используются там, где требуется точное управление скоростью, в дисководах компьютеров или в видеомагнитофонах, шпинделях в приводах компакт-дисков, компакт-дисков (и т. Д.), А также в механизмах офисных изделий, таких как вентиляторы, лазерные принтеры и копировальные аппараты. . У них есть несколько преимуществ перед обычными моторами:

• По сравнению с вентиляторами переменного тока, использующими электродвигатели с экранированными полюсами, они очень эффективны и работают намного холоднее, чем эквивалентные электродвигатели переменного тока.Такой холодный режим работы приводит к значительному увеличению срока службы подшипников вентилятора.
• Без изнашиваемого коммутатора срок службы бесщеточного двигателя постоянного тока может быть значительно больше по сравнению с двигателем постоянного тока, использующим щетки и коммутатор. Коммутация также имеет тенденцию вызывать большое количество электрических и радиочастотных помех; без коммутатора или щеток бесщеточный двигатель может использоваться в электрически чувствительных устройствах, таких как аудиооборудование или компьютеры.
• Те же устройства на эффекте Холла, которые обеспечивают коммутацию, также могут обеспечивать удобный сигнал тахометра для приложений с замкнутым контуром (сервоуправлением).В вентиляторах сигнал тахометра может использоваться для получения сигнала «вентилятор исправен».
• Двигатель можно легко синхронизировать с внутренними или внешними часами, что позволяет точно регулировать скорость.
• Бесщеточные двигатели не имеют шансов искрообразования, в отличие от щеточных двигателей, что делает их более подходящими для сред с летучими химическими веществами и топливом.

Современные бесщеточные двигатели постоянного тока имеют мощность от долей ватта до многих киловатт. В электромобилях используются более мощные бесщеточные двигатели мощностью до 100 кВт.Они также находят значительное применение в высокопроизводительных электрических моделях самолетов.

Двигатели постоянного тока без сердечника

Ничто в конструкции любого из описанных выше двигателей не требует, чтобы железные (стальные) части ротора действительно вращались; крутящий момент действует только на обмотки электромагнитов. Этим фактом пользуется бесщеточный электродвигатель постоянного тока , специализированная форма щеточного электродвигателя постоянного тока. Эти двигатели, оптимизированные для быстрого разгона, имеют ротор без железного сердечника.Ротор может иметь форму заполненного обмоткой цилиндра внутри магнитов статора, корзины, окружающей магниты статора, или плоского блинчика (возможно, сформированного на печатной монтажной плате), проходящего между верхним и нижним магнитами статора. Обмотки обычно стабилизируются путем пропитки эпоксидной смолой.

Поскольку ротор намного легче по весу (массе), чем обычный ротор, сформированный из медных обмоток на стальных пластинах, ротор может ускоряться намного быстрее, часто достигая механической постоянной времени менее 1 мс.Это особенно верно, если в обмотках используется алюминий, а не более тяжелая медь. Но поскольку в роторе нет металлической массы, которая могла бы служить радиатором, даже небольшие двигатели без сердечника часто должны охлаждаться принудительным воздухом.

Эти двигатели обычно использовались для привода приводов магнитных лентопротяжных устройств и до сих пор широко используются в высокопроизводительных системах с сервоуправлением.

Двигатели линейные

Линейный двигатель — это, по сути, электродвигатель, который «раскручен» так, что вместо создания крутящего момента (вращения) он создает линейную силу по всей своей длине, создавая бегущее электромагнитное поле.

Линейные двигатели чаще всего представляют собой асинхронные двигатели или шаговые двигатели. Вы можете найти линейный двигатель в поезде на магнитной подвеске (Transrapid), где поезд «летит» над землей.

Электродвигатель двойного питания

Электродвигатели с двойным питанием или Электромашины с двойным питанием включают в себя две группы многофазных обмоток с независимым питанием, которые активно участвуют в процессе преобразования энергии (т. Е. С двойным питанием), причем по крайней мере один из комплектов обмоток управляется электроникой для синхронной работы от скорость от субсинхронной до сверхсинхронной.В результате электродвигатели с двойной подачей питания представляют собой синхронные машины с эффективным диапазоном скорости с постоянным крутящим моментом, который в два раза превышает синхронную скорость для данной частоты возбуждения. Это вдвое больше диапазона скоростей с постоянным крутящим моментом, чем у электрических машин с одиночным питанием, в которых используется одна активная обмотка. Теоретически этот атрибут имеет привлекательные разветвления по стоимости, размеру и эффективности по сравнению с электрическими машинами с одинарным питанием, но двигатели с двойным питанием трудно реализовать на практике.

Электромашины с двойным питанием и бесщеточным ротором с двойным питанием, бесщеточные электрические машины с двойным питанием и так называемые бесщеточные электрические машины с двойным питанием являются единственными примерами синхронных электрических машин с двойным питанием.

Электродвигатель с однополярным питанием

Электродвигатели с однополярным питанием или Электромашины с однополярным питанием включают в себя набор с одной многофазной обмоткой, которые активно участвуют в процессе преобразования энергии (т. Е. С однополярным питанием). Электромашины с однополярным питанием работают либо по индукционным (т.е. асинхронным), либо по синхронным принципам. Комплект активной обмотки может иметь электронное управление для оптимальной производительности. Индукционные машины демонстрируют пусковой момент и могут работать как автономные машины, но синхронные машины должны иметь вспомогательные средства для запуска и практической работы, такие как электронный контроллер.

Асинхронные двигатели (т. Е. С короткозамкнутым ротором или с фазным ротором), синхронные двигатели (т. Е. С возбуждением от поля, двигатели с постоянным магнитом или бесщеточные двигатели постоянного тока, реактивные двигатели и т. Д.), Которые обсуждаются на этой странице, являются примеры двигателей с однополярным питанием. Безусловно, двигатели с однополярным питанием — это преимущественно устанавливаемые двигатели.

Двигатель с двумя механическими портами

Электродвигатели с двумя механическими портами (или электродвигатели DMP) считаются новой концепцией электродвигателей.Точнее, электродвигатели DMP — это на самом деле два электродвигателя (или генератора), занимающие один и тот же корпус. Каждый двигатель работает по традиционным принципам электродвигателя. Электрические порты, которые могут включать в себя электронную опору электродвигателей, связаны с одним электрическим портом, в то время как два механических порта (вала) доступны снаружи. Теоретически ожидается, что физическая интеграция двух двигателей в один увеличит удельную мощность за счет эффективного использования в противном случае ненужной площади магнитного сердечника.Механика интеграции, например, для двух механических валов, может быть довольно экзотической.

Наномотор с нанотрубками

Исследователи из Калифорнийского университета в Беркли разработали подшипники вращения на основе многослойных углеродных нанотрубок. Прикрепив золотую пластину (размером порядка 100 нм) к внешней оболочке подвешенной многослойной углеродной нанотрубки (например, вложенных углеродных цилиндров), они могут электростатически вращать внешнюю оболочку относительно внутреннего ядра.Эти подшипники очень прочные; Устройства колебались тысячи раз без признаков износа. Работа была сделана на месте в SEM. Эти наноэлектромеханические системы (НЭМС) являются следующим шагом в миниатюризации, которая в будущем может найти применение в коммерческих целях.

На этом рендере можно увидеть процесс и технологию.

Пускатели электродвигателей

Противо-ЭДС помогает сопротивлению якоря ограничивать ток через якорь. При первом подаче питания на двигатель якорь не вращается.В этот момент противоэдс равна нулю, и единственным фактором, ограничивающим ток якоря, является сопротивление якоря. Обычно сопротивление якоря двигателя меньше одного Ом; поэтому ток через якорь при подаче питания будет очень большим. Этот ток может вызвать чрезмерное падение напряжения, что повлияет на другое оборудование в цепи. Или просто отключите устройства защиты от перегрузки.

• Следовательно, возникает необходимость в дополнительном сопротивлении последовательно с якорем для ограничения тока до тех пор, пока вращение двигателя не создаст противодействующую ЭДС.По мере увеличения вращения двигателя сопротивление постепенно снижается.

Трехточечный пускатель

Входящая мощность обозначается как L1 и L2. Компоненты, обозначенные пунктирными линиями, образуют трехточечный стартер. Как следует из названия, есть только три соединения с пускателем. Подключения к якорю обозначены как A1 и A2. Концы катушки возбуждения (возбуждения) обозначены как F1. и F2. Для управления скоростью полевой реостат соединен последовательно с шунтирующим полем.Одна сторона линии соединена с рычагом стартера (на схеме обозначена стрелкой). Рычаг подпружинен, поэтому он вернется в положение «Выкл.», Которое не удерживается ни в каком другом положении.

• На первом этапе плеча полное линейное напряжение прикладывается к полю шунта. Поскольку полевой реостат обычно устанавливается на минимальное сопротивление, скорость двигателя не будет чрезмерной; кроме того, двигатель будет развивать большой пусковой крутящий момент.
• Стартер также соединяет электромагнит последовательно с шунтирующим полем.Он будет удерживать рычаг в положении, когда рычаг соприкасается с магнитом.
• Между тем это напряжение подается на шунтирующее поле, а пусковое сопротивление ограничивает прохождение тока к якорю.
• По мере того, как двигатель набирает скорость, нарастает противо-ЭДС, рычаг медленно перемещается в положение короткого замыкания.

Стартер четырехточечный

Четырехточечный стартер устраняет недостаток трехточечного стартера. В дополнение к тем же трем точкам, которые использовались с трехточечным стартером, другая сторона линии, L1, является четвертой точкой, подведенной к стартеру.Когда рычаг перемещается из положения «Выкл.», Катушка удерживающего магнита подключается к линии. Удерживающий магнит и пусковые резисторы работают так же, как и в трехпозиционном пускателе.

• Возможность случайного размыкания цепи возбуждения весьма мала. Четырехточечный пускатель обеспечивает защиту двигателя от обесточивания. В случае сбоя питания двигатель отключается от сети.

См. Также

Компоненты:

• Центробежный переключатель
• Коммутатор (электрический)
• Контактное кольцо

Ученые и инженеры:

Приложения:

• Настольная пила
• Электромобиль
• Коррекция коэффициента мощности

Другое:

• Электротехника
• Электрический элемент
• Электрогенератор
• Список тем по электронике
• Список технологий
• Теорема о максимальной мощности
• Мотор-генератор
• Контроллер мотора
• Способ движения
• Электроэнергия однофазная
• Хронология развития двигателей и двигателестроения

Примечания

1. ↑ Первые годы Теслы PBS.org .
2. ↑ Патент США 0416194, «Электродвигатель», декабрь 1889 г.
3. ↑ Патент США 0416194, «Электродвигатель», декабрь 1889 г.
4. ↑ [1] electrichistory.com .
5. ↑ [2] redlandsweb.com .

Список литературы

• Бедфорд Б. Д., Р. Г. Хофт и др. 1964. Принципы инверторных цепей. Нью-Йорк: John Wiley & Sons, Inc. ISBN 0471061344. (Для управления скоростью двигателя с регулируемой частотой используются схемы инвертора)
• Чиассон, Джон Н.2005. Моделирование и высокопроизводительное управление электрическими машинами. , Нью-Йорк, Нью-Йорк: Wiley-IEEE Press. ISBN 047168449X.
• Fink, Donald G .; Бити, Х. Уэйн (1978). Стандартное руководство для инженеров-электриков, одиннадцатое издание. Нью-Йорк, Нью-Йорк: Макгроу-Хилл. ISBN 007020974X.
• Фицджеральд, А. Э., Чарльз Кингсли младший, Стивен Д. Уманс. 2002. Электрические машины. Колумбус, Огайо: McGraw-Hill Science / Engineering / Math. ISBN 0073660094.
• Хьюстон, Эдвин Дж.; Артур Кеннелли, (1902) Последние типы динамо-электрических машин. , авторское право — American Technical Book Company 1897, Нью-Йорк, Нью-Йорк: P.F. Кольер и сыновья. ASIN: B000874XH6
• Купхальдт, Тони Р. Уроки электрических цепей — Том II. 2000-2006. Глава 13 ДВИГАТЕЛИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА. дата обращения 11 апреля 2006 г.
• Пелли, Б. Р. (1971). Тиристорные преобразователи с фазовым управлением и циклоконвертеры. Хобокен, Нью-Джерси: John Wiley & Sons. ISBN 0471677906
• Шейнфилд Д.Дж. (2001). Промышленная электроника для инженеров, химиков и техников. Норвич, Нью-Йорк: Издательство Уильяма Эндрю. ISBN 0815514670.
• Смит, А.О. Электродвигатели переменного и постоянного тока. [4]. accessdate 11.04.2006

Внешние ссылки

Все ссылки получены 18 сентября 2017 г.

кредитов

Энциклопедия Нового Света Писатели и редакторы переписали и завершили статью Википедия в соответствии со стандартами New World Encyclopedia .Эта статья соответствует условиям лицензии Creative Commons CC-by-sa 3.0 (CC-by-sa), которая может использоваться и распространяться с указанием авторства. Кредит предоставляется в соответствии с условиями этой лицензии, которая может ссылаться как на участников Энциклопедии Нового Света, участников, так и на самоотверженных добровольцев Фонда Викимедиа. Чтобы процитировать эту статью, щелкните здесь, чтобы просмотреть список допустимых форматов цитирования. История более ранних публикаций википедистов доступна исследователям здесь:

История этой статьи с момента ее импорта в Энциклопедию Нового Света :

Примечание. Некоторые ограничения могут применяться к использованию отдельных изображений, на которые распространяется отдельная лицензия.

Электродвигатель

— Принципы работы трехфазного двигателя — роторный, полевой, синхронный и магнитный

Основное различие между двигателями переменного и постоянного тока заключается в том, что магнитное поле, создаваемое статором, вращается в корпусе переменного тока. Через клеммы вводятся три электрические фазы, каждая фаза питает отдельный полюс поля. Когда каждая фаза достигает своего максимального тока, магнитное поле на этом полюсе достигает максимального значения. По мере уменьшения тока уменьшается и магнитное поле.Поскольку каждая фаза достигает своего максимума в разное время в пределах цикла тока, тот полюс поля, магнитное поле которого является наибольшим, постоянно изменяется между тремя полюсами, в результате чего магнитное поле, видимое ротором, вращается. Скорость вращения магнитного поля, известная как синхронная скорость, зависит от частоты источника питания и количества полюсов, создаваемых обмоткой статора. Для стандартного источника питания 60 Гц, используемого в США, максимальная синхронная скорость составляет 3600 об / мин.

В трехфазном асинхронном двигателе обмотки ротора не подключены к источнику питания, а по сути являются короткозамкнутыми. Наиболее распространенный тип обмотки ротора, обмотка с короткозамкнутым ротором, очень напоминает ходовое колесо, используемое в клетках для песчанок . Когда двигатель первоначально включен, а ротор неподвижен, проводники ротора испытывают изменяющееся магнитное поле, распространяющееся с синхронной скоростью. Согласно закону Фарадея, эта ситуация приводит к индукции токов вокруг обмоток ротора; величина этого тока зависит от импеданса обмоток ротора.Поскольку условия для работы двигателя теперь выполнены, то есть проводники с током находятся в магнитном поле, ротор испытывает крутящий момент и начинает вращаться. Ротор никогда не может вращаться с синхронной скоростью, потому что не будет относительного движения между магнитным полем и обмотками ротора, и ток не может быть индуцирован. Асинхронный двигатель имеет высокий пусковой момент.

В двигателях с короткозамкнутым ротором скорость двигателя определяется нагрузкой, которую он передает, и числом полюсов, создающих магнитное поле в статоре.Если некоторые полюса включаются или выключаются, скорость двигателя можно регулировать с приращением. В двигателях с фазным ротором сопротивление обмоток ротора может быть изменено извне, что изменяет ток в обмотках и, таким образом, обеспечивает непрерывное регулирование скорости.

Трехфазные синхронные двигатели сильно отличаются от асинхронных двигателей. В синхронном двигателе ротор использует катушку под напряжением постоянного тока для создания постоянного магнитного поля. После того, как ротор приближается к синхронной скорости двигателя, северный (южный) полюс магнита ротора блокируется с южным (северным) полюсом вращающегося поля статора, и ротор вращается с синхронной скоростью.Ротор синхронного двигателя обычно включает в себя обмотку с короткозамкнутым ротором, которая используется для запуска вращения двигателя до подачи питания на катушку постоянного тока. Беличья клетка не действует на синхронных скоростях по причине, описанной выше.

Однофазные асинхронные и синхронные двигатели, используемые в большинстве бытовых ситуаций, работают по принципам, аналогичным принципам, описанным для трехфазных двигателей. Однако для создания пусковых моментов необходимо внести различные модификации, поскольку одна фаза не будет генерировать только вращающееся магнитное поле.Следовательно, в асинхронных двигателях используются конструкции с разделенной фазой, конденсатором , пуском или заштрихованными полюсами. Синхронные однофазные двигатели, используемые для таймеров, часов, магнитофонов и т. Д., Основаны на схемах сопротивления или гистерезиса.

Каков принцип работы трехфазного асинхронного двигателя?

Электродвигатель преобразует электрическую энергию в механическую, которая затем подается на различные типы нагрузок. Двигатели переменного тока работают от источника переменного тока и делятся на синхронные, однофазные, трехфазные асинхронные двигатели и двигатели специального назначения.Из всех типов трехфазные асинхронные двигатели наиболее широко используются в промышленности, главным образом потому, что для них не требуется пусковое устройство.

Трехфазный асинхронный двигатель получил свое название от того факта, что ток ротора индуцируется магнитным полем, а не электрическими соединениями.

Принцип действия трехфазного асинхронного двигателя основан на создании вращающегося магнитного поля (среднеквадратичное).

Создание вращающегося магнитного поля

Статор асинхронного двигателя состоит из нескольких перекрывающихся обмоток, смещенных на электрический угол 120 °.Когда первичная обмотка или статор подключены к трехфазному источнику переменного тока, создается вращающееся магнитное поле, которое вращается с синхронной скоростью.

Направление вращения двигателя зависит от последовательности фаз линий питания и порядка, в котором эти линии подключены к статору. Таким образом, изменение мест подключения любых двух первичных клемм к источнику питания изменит направление вращения на противоположное.

Число полюсов и частота приложенного напряжения определяют синхронную скорость вращения статора двигателя.Двигатели обычно имеют 2, 4, 6 или 8 полюсов. Синхронная скорость, термин, обозначающий скорость вращения поля, создаваемого первичными токами, определяется следующим выражением.

Синхронная скорость вращения = (120 x частота питания) / Число полюсов статора

Производство магнитного потока

Вращающееся магнитное поле в статоре — это первая часть работы. Чтобы создать крутящий момент и, таким образом, вращаться, роторы должны пропускать ток.В асинхронных двигателях этот ток исходит от проводников ротора. Вращающееся магнитное поле, создаваемое в статоре, пересекает токопроводящие стержни ротора и индуцирует электродвижущую силу (ЭДС).

Обмотки ротора асинхронного двигателя либо замкнуты через внешнее сопротивление, либо напрямую закорочены. Следовательно, ЭДС, индуцированная в роторе, заставляет ток течь в направлении, противоположном направлению вращающегося магнитного поля в статоре, и приводит к скручивающему движению или крутящему моменту в роторе.

Как следствие, скорость ротора не достигает синхронной скорости среднеквадратичного значения в статоре. Если бы скорости совпадали, ЭДС не было бы. индуцированный в роторе, ток не будет течь, и, следовательно, не будет создаваться крутящий момент. Разница между скоростями статора (синхронной скорости) и ротора называется скольжением.

Вращение магнитного поля в асинхронном двигателе имеет то преимущество, что не требуется никаких электрических соединений с ротором.

В результате получается мотор:

• Самозапуск
• Взрывозащищенный (из-за отсутствия контактных колец или коммутаторов и щеток, которые могут вызвать искрение)
• Прочная конструкция
• Недорого
• Легче в обслуживании

Принцип работы синхронного двигателя

• Электродвигатель — электромеханическое устройство, преобразующее электрическую энергию в механическую.
• В зависимости от типа подключения электродвигатели обычно делятся на два типа: однофазный двигатель и трехфазный двигатель.
• Синхронный двигатель — это трехфазный двигатель, очень похожий на трехфазный генератор переменного тока.
• 3-фазный синхронный двигатель и 3-фазный асинхронный двигатель являются наиболее широко используемыми двигателями переменного тока.
• Синхронный двигатель также называется двигателем с двойным возбуждением.

Синхронный двигатель состоит из двух частей:

Статор : Статор — это обмотка якоря.Он состоит из трехфазной обмотки, соединенной звездой или треугольником, и возбуждается трехфазным питанием переменного тока.

Ротор: Ротор — обмотка возбуждения. Обмотка возбуждения возбуждается отдельным источником постоянного тока через контактное кольцо.
Конструкция ротора может быть явнополюсного (выступающий полюс) и невыпадающего полюса (цилиндрический полюс).

Принцип работы синхронного двигателя

• Синхронный двигатель работает по принципу магнитной блокировки .
• Когда два полюса непохожих друг на друга сильных и непохожих магнитов сводятся вместе, между этими двумя полюсами возникает огромная сила извлечения. В таком состоянии говорят, что два магнита магнитно заблокированы .

• Если теперь повернуть один из двух магнитов, другие магниты также будут вращаться в том же направлении с той же скоростью из-за сильной силы притяжения.
• Это явление называется магнитным замком

Для условия магнитной блокировки должны быть два противоположных полюса, и магнитные оси этих двух полюсов должны быть очень близко друг к другу.

• Рассмотрим синхронный двигатель, статор которого намотан на 2 полюса.
• Обмотка статора возбуждается трехфазным питанием переменного тока, а обмотка ротора — постоянным током соответственно. Таким образом, в синхронном двигателе создаются два магнитных поля.
• Когда трехфазная обмотка питается от трехфазного переменного тока, создается вращающееся магнитное поле или магнитный поток.
• Это магнитное поле или поток вращается в пространстве со скоростью, называемой синхронной скоростью.
• Вращающееся магнитное поле или вращающийся поток имеет фиксированное соотношение между числом полюсов, частотой переменного тока и скоростью вращения.
• Вращающееся магнитное поле создает эффект, подобный физическому вращению магнитов в пространстве с синхронной скоростью.
• So для вращающегося магнитного поля
  
  Где f = частота питания
  P = количество полюсов

Работа синхронного двигателя

• Предположим, что полюса статора N ₁ и S ₁ , которые вращаются со скоростью N _с , а направление вращения — по часовой стрелке.
• Когда обмотка возбуждения на роторе возбуждается источником постоянного тока, она создает два неподвижных полюса, то есть N ₂ и S _{2 .}
• Чтобы установить магнитную блокировку между полюсами статора и ротора, в отличие от полюсов N1 и S2 или N2 и S1 следует приблизить друг к другу.
• Поскольку полюса статора вращаются и из-за магнитной блокировки полюса ротора будут вращаться в том же направлении вращающегося магнитного поля, что и полюса статора, с той же скоростью Н _s .
• Следовательно, синхронный двигатель вращается только с одной скоростью, которая равна , синхронная скорость .
• Синхронная скорость зависит от частоты, поэтому при постоянной частоте питания скорость синхронного двигателя будет постоянной независимо от изменения нагрузки.

Характеристики синхронного двигателя

• Он работает либо с синхронной скоростью, либо совсем не работает. То есть при беге поддерживает постоянную скорость. Скорость не зависит от нагрузки.
• Он не запускается автоматически. Он должен каким-то образом работать с синхронной скоростью, прежде чем его можно будет синхронизировать с питанием.
• Может работать в широком диапазоне коэффициентов мощности как с отставанием, так и с опережением.
• Он остановится, если во время работы противодействующий крутящий момент превысит максимальный крутящий момент, который может развить машина.
• Скорость синхронного двигателя может регулироваться инверторными блоками.

Применение синхронного двигателя.

Синхронный двигатель находит различное применение для следующих услуг:

• Коррекция коэффициента мощности
• Регулировка напряжения
• Постоянная скорость, приводы с постоянной нагрузкой

Коррекция коэффициента мощности

• Синхронный двигатель с избыточным возбуждением, имеющий ведущий коэффициент мощности, широко используется для улучшения коэффициента мощности в тех энергосистемах, в которых используется большое количество асинхронных двигателей.

• Синхронный двигатель с пониженным коэффициентом мощности с пониженным коэффициентом мощности, находящийся под возбуждением, нашел применение при сварке люминесцентным светом и т. Д.

Регулирование напряжения

• Напряжение на длинных линиях передачи сильно меняется при наличии большой индуктивной нагрузки.
• Когда линейное напряжение уменьшается из-за индуктивной нагрузки, возбуждение двигателя увеличивается, тем самым повышая его коэффициент мощности, который компенсирует падение напряжения в линии.
• Если линейное напряжение повышается из-за емкостного эффекта линии, возбуждение двигателя уменьшается, что приводит к отставанию его коэффициента мощности, что помогает поддерживать линейное напряжение на его нормальном значении.

Применение постоянной скорости

• Благодаря своему высокому КПД и высокоскоростному синхронному двигателю они хорошо подходят для нагрузок, где требуется постоянная скорость, таких как центробежный насос, воздуходувки, линейный вал, бумажные фабрики и т. Д.

Принцип работы синхронного двигателя

— Inst Tools

Двигатель — это электромеханическое устройство, преобразующее электрическую энергию в механическую. а трехфазный двигатель, работающий с синхронной скоростью, называется синхронным двигателем.Синхронный двигатель в основном работает по принципу магнитной блокировки между ротором и RMF (вращающимся магнитным полем). Когда два противоположных полюса приближаются друг к другу, если магниты сильные, между этими двумя полюсами возникает огромная сила притяжения. В таком состоянии говорят, что два магнита магнитно заблокированы. Принцип работы синхронного двигателя
: —

Когда трехфазное напряжение прикладывается к электрическим проводникам в определенных геометрических положениях, которые специально расположены (под определенным углом друг от друга), создается вращающееся магнитное поле.этот RMF вращается с синхронной скоростью. Синхронная скорость вращающегося магнитного поля статора зависит от частоты питания и количества полюсов, на которые намотана обмотка статора. если частота переменного тока питание f Гц и статор намотан на число полюсов P, тогда скорость вращающегося магнитного поля является синхронной, определяемой по формуле,

Ns = 120f / P об. / Мин.

Принцип работы синхронного двигателя

Как ротор вращается с синхронной скоростью?

Теперь, чтобы понять концепцию работы синхронного двигателя, рассмотрим двухполюсный простой ротор (показанный на рис.).Синхронный двигатель — это машина с двойным возбуждением, т.е. на него предусмотрены два электрических входа. Обмотка статора, которая состоит из 3-х фазной обмотки, снабжена 3-фазным питанием, а ротор питается постоянным током. Когда на ротор подается постоянный ток, он действует как электромагнит. Как мы знаем, вращающееся магнитное поле вращается с синхронной скоростью, когда два противоположных полюса ротора и заблокированного ротора RMF также вращается с той же скоростью, что и RMF в направлении вращающегося магнитного поля. Следовательно, синхронный двигатель вращается с одной и только одной скоростью i.е. синхронная скорость. Но все зависит от наличия магнитной блокировки между полюсами статора и ротора. На практике полюса статора не могут вывести полюса ротора из их стационарного положения в состояние магнитной блокировки. по этой причине синхронные двигатели не запускаются автоматически.

Способы запуска синхронного двигателя: —

1. Метод двигателя Пони:

Синхронные двигатели механически связаны с другим трехфазным асинхронным двигателем или параллельным двигателем постоянного тока.Возбуждение постоянного тока на ротор изначально не подается. Он вращается со скоростью, очень близкой к его синхронной скорости, и после этого на ротор подается постоянное возбуждение. Через некоторое время, когда произойдет магнитная блокировка, питание внешнего двигателя отключается от муфты.

2. метод демпферной обмотки:

При использовании демпферной обмотки синхронный двигатель сначала запускается как трехфазный асинхронный двигатель с использованием демпферной обмотки, и, наконец, он синхронизируется с RMF.