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: понятие, принцип работы, виды

Синхронный двигатель имеет постоянную частоту вращения при разнообразных нагрузках. Часто такие приборы применяют для приводов машин, которые работают с постоянной неизменной скоростью, например, компрессоры, вентиляторы, насосы и пр.

Особенности синхронных двигателей:

• Высокий коэффициент мощности cosФ=0,9
• Возможность использования синхронных двигателей на предприятиях для увеличения общего коэффициента мощности

Высокий КПД: он больше чем у асинхронного двигателя на (0,5-3%) это достигается за счёт уменьшения потерь в меди и большого CosФ.

• Обладает большой прочностью обусловленной увеличенным воздушным зазором.
• Вращающий момент синхронного двигателя прямо пропорционален напряжению в первой степени. Т.е синхронный двигатель будет менее чувствителен к изменению величины напряжения сети.
• Сложность пусковой аппаратуры и большая стоимость.

Устройство и принцип работы синхронного двигателя

В статоре синхронного двигателя имеется обмотка, которая подключается к сетям трехфазного тока. Она образует собой магнитное поле, которое вращается. Ротор у такой электроэнергетической машины, как синхронный двигатель, состоит из сердечника и обмотки возбуждения. Обмотка подключается через специальные контактные кольца к источнику (обычно это источник постоянного тока или же иногда используют выпрямленный переменный ток). Электрический ток, который протекает через обмотки возбуждения, создает намагничивающее ротор магнитное поле.

Магнитное поле статора, которое вращается, намагничивает ротор. Синхронный двигатель с постоянными магнитами имеет разное электромагнитное сопротивление по поперечной и продольной осям полюсов. Силовые линии у магнитного поля обмотки статора начнут изгибаться, потому что они будут как бы стремиться найти пути с наименьшим сопротивлением. Вследствии специфических свойств силовых магнитных линий поля, в свою очередь, такая деформация его вызовет реактивный момент. Именно поэтому ротор будет вращаться синхронно вместе с магнитным полем статора.

Виды синхронных двигателей

В основном все отличия  в конструктивном исполнении такого устройства — это модификации вращающейся детали. Ротор синхронной машины может быть с явно выраженными полюсами (т.н. «явнополюсный»), и с неявно выраженными полюсами (т.н.«неявнополюсный»).

• Явнополюсный ротор обычно имеет ярко выраженные, выступающие полюса, на которых размещаются катушки возбуждения.
• Неявнополюсный ротор обычно представляет собой цилиндр из ферромагнитного сплава, на поверхности которого фрезеруют пазы в осевом направлении. Впоследствии именно в эти пазы укладывают обмотки возбуждения.

§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 = n

1, 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

Синхронный электродвигатель с обмоткой возбуждения

Дмитрий Левкин

Синхронный электродвигатель с обмоткой возбуждения, как и любой вращающийся электродвигатель, состоит из ротора и статора. Статор — неподвижная часть, ротор — вращающаяся часть. Статор обычно имеет стандартную трехфазную обмотку, а ротор выполнен с обмоткой возбуждения. Обмотка возбуждения соединена с контактными кольцами к которым через щетки подходит питание.

Синхронный электродвигатель с обмоткой возбуждения (щетки не показаны)

Постоянная скорость вращения синхронного электродвигателя достигается за счет взаимодействия между постоянным и вращающимся магнитным полем. Ротор синхронного электродвигателя создает постоянное магнитное поле, а статор – вращающееся магнитное поле.

Работа синхронного электродвигателя основана на взаимодействии вращающегося магнитного поля статора и постоянного магнитного поля ротора

Статор: вращающееся магнитное поле

На обмотки катушек статора подается трехфазное переменное напряжение. В результате создается вращающееся магнитное поле, которое вращается со скоростью пропорциональной частоте питающего напряжения. Подробнее о том, как посредством трехфазного напряжения питания образуется вращающееся магнитное поле можно прочитать в статье «Трехфазный асинхронный электродвигатель».

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

Ротор: постоянное магнитное поле

Обмотка ротора возбуждается источником постоянного тока через контактные кольца. Магнитное поле создаваемое вокруг ротора возбуждаемое постоянным током показано ниже. Очевидно, что ротор ведет себя как постоянный магнит, так как имеет такое же магнитное поле (в качестве альтернативы можно представить, что ротор сделан из постоянных магнитов). Рассмотрим взаимодействие ротора и вращающегося магнитного поля. Предположим вы придали ротору начальное вращение в том же направлении как у вращающегося магнитного поля. Противоположные полюса вращающегося магнитного поля и ротора будут притягиваться друг к другу и они будут сцепляться с помощью магнитных сил. Это значит, что ротор будет вращаться с той же скоростью, что и вращающееся магнитное поле, то есть ротор будет вращаться с синхронной скоростью.

Магнитные поля ротора и статора сцепленные друг с другом

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

,

• где N_s – частота вращения магнитного поля, об/мин,
• f – частота тока статора, Гц,
• p – количество пар полюсов.

Это значит, что скорость синхронного электродвигателя может очень точно контролироваться изменением частоты питающего тока. Таким образом эти электродвигатели подходят для высокоточных приложений.

Почему синхронные электродвигатели не запускаются от электрической сети?

Если ротор не имеет начального вращения, ситуация отличается от описанной выше. Северный полюс магнитного поля ротора будет притягиваться к южному полюсу вращающегося магнитного поля, и начнет двигаться в том же направлении. Но так как ротор имеет определенный момент инерции, его стартовая скорость будет очень низкой. За это время южный полюс вращающегося магнитного поля будет замещен северным полюсом. Таким образом появятся отталкивающие силы. В результате чего ротор начнет вращаться в обратную сторону. Таким образом ротор не сможет запуститься.

Демпферная обмотка — прямой запуск синхронного двигателя от электрической сети

Чтобы реализовать самозапуск синхронного электродвигателя без системы управления между наконечниками ротора размещается «беличья клетка», которая также называется демпферной обмоткой. При запуске электродвигателя катушки ротора не возбуждаются. Под действием вращающегося магнитного поля, индуцируется ток в витках «беличьей клетки» и ротор начинает вращаться подобно тому, как запускаются асинхронные двигатели.

Когда ротор достигает своей максимальной скорости, подается питание на обмотку возбуждения ротора. В результате, как говорилось ранее, полюса ротора сцепляются с полюсами вращающегося магнитного поля и ротор начинает вращаться с синхронной скоростью. При вращении ротора с синхронной скоростью, относительное движение между белечьей клеткой и вращающимся магнитным полем равно нулю. Это значит, что отсутствует ток в короткозамкнутых витках, а следовательно «беличья клетка» не оказывает воздействия на синхронную работу электродвигателя.

Синхронные электродвигатели имеют постоянную скорость независящую от нагрузки (при условии что нагрузка не превышает макимально допустимую). Если момент нагрузки больше, чем момент создаваемый самим электродвигателем, то он выйдет из синхронизма и остановиться. Низкое напряжение питания и низкое напряжение возбуждения также могут быть причинами выхода двигателя из синхронизма.

Синхронные электродвигатели могут также использоваться для улучшения коэффициента мощности системы. Когда единственной целью использования синхронных электродвигателей является улучшение коэффициента мощности их называют синхронными компенсаторами. В таком случае вал электродвигателя не соединяется с механической нагрузкой и вращается свободно.

Синхронные электродвигатели: устройство, схема

Особенностью синхронных электродвигателей является то, что у магнитного потока и ротора скорости вращения одинаковы. По этой причине ротор электрического двигателя не изменяет свою скорость при увеличение нагрузки. На роторе находится обмотка, которая создает магнитное поле.

Иногда используются мощные постоянные магниты. Обычно в синхронных машинах на роторе столько же обмоток, сколько и на статоре. Так получается выровнять скорости вращения магнитного потока и ротора. Нагрузка, которая подключена к электродвигателю, на скорость не влияет вообще.

Конструкция электродвигателя

Устройство синхронного электродвигателя состоит из следующих элементов:

1. Неподвижная часть — статор, на котором располагаются обмотки.
2. Подвижный ротор, его иногда называют индуктором или якорем.
3. Передние и задние крышки.
4. Подшипники, устанавливаемые на роторе.

Между якорем и статором имеется свободное пространство. В пазах закладываются обмотки, они соединяются в звезду. Как только на двигатель подается напряжение, по обмотке якоря начинает протекать ток. Образуется магнитное поле вокруг индуктора. Но на статор тоже подаётся напряжение. И здесь возникает магнитный поток. Эти поля смещены относительно друг друга.

Как работает синхронный мотор

В синхронных машинах электромагниты на статоре являются полюсами, так как они работают на постоянном токе. Всего существует две схемы, по которым соединяются обмотки статоров:

1. Явнополюсная.
2. Неявнополюсная.

Для того чтобы снизить магнитное сопротивление и оптимизировать условия прохода поля, применяются сердечники, изготовленные из ферромагнетиков. Они имеются как в статоре, так и в роторе.

Изготавливаются они из специальных сортов электротехнической стали, в которой содержится огромное количество такого элемента, как кремний. С помощью этого удается значительно понизить вихревой ток, а также увеличить электрическое сопротивление металла.

В основе работы синхронных электродвигателей лежит взаимодействие полюсов статора и ротора. При запуске происходит ускорение до скорости движения потока. Именно в таких условиях электрический двигатель действует в синхронном режиме.

Метод запуска с помощью дополнительного электромотора

Ранее использовались специальные двигатели для запуска, которые соединялись с мотором при помощи механических устройств (ременной передачей, цепной, и пр.). Во время запуска ротор начинал вращаться и, постепенно ускоряясь, достигал значения синхронной скорости. После этого электродвигатель сам начинал работать. Именно такой принцип действия у синхронного электродвигателя, независимо от конструкции и производителя.

Обязательным условием является то, что пусковой электродвигатель должен иметь мощность около 15% от аналогичной характеристики разгоняемого мотора. Такой мощности оказывается вполне достаточно, чтобы запустить любой синхронный электродвигатель, даже если к нему подключена небольшая нагрузка. Этот метод довольно сложный, а себестоимость всего оборудования значительно повышается.

Современный метод запуска

Современные конструкции синхронных электродвигателей не оснащаются подобными схемами для разгона. Используется другая система запуска. Примерно таким образом происходит включение синхронной машины:

1. При помощи реостата замыкаются обмотки ротора. В результате якорь становится короткозамкнутым, как на простых асинхронных электродвигателях.
2. На роторе имеется еще и короткозамкнутая обмотка, которая является успокоительной, с ее помощью предотвращается качание якоря во время синхронизации.
3. Как только якорь достигает минимальной скорости вращения, к его обмоткам подключается постоянный ток.
4. Если используются постоянные магниты, то применять внешние пусковые двигатели придется обязательно.

Существуют криогенные синхронные электромоторы, в которых используется конструкция обращенного типа. Обмотки возбуждения изготавливаются из сверхпроводниковых материалов.

Преимущества синхронных машин

Асинхронные и синхронные электродвигатели имеют очень схожие конструкции, но различия всё равно имеются. В последних имеется явное преимущество в том, что происходит возбуждение от источника постоянного тока. В этом случае может мотор работать при очень большом коэффициенте мощности. Существуют также другие преимущества синхронных двигателей:

1. Они работают с завышенным коэффициентом. Это позволяет уменьшить расход электроэнергии, а также существенно снижает потери тока. Коэффициент полезного действия синхронной машины будет намного выше, нежели у асинхронного двигателя с такой же мощностью.
2. Крутящий момент напрямую зависит от того, какое напряжение в питающей сети. Даже при условии, что напряжение в сети уменьшится, мощность сохранится.

Но всё равно асинхронные машины используется намного чаще, нежели синхронная. Дело в том, что они имеют большую надежность, простую конструкцию, не требуют дополнительного ухода.

Недостатки синхронных двигателей

Оказывается, что недостатков у синхронных машин намного больше. Вот только основные:

1. Схема синхронного электродвигателя довольно сложная, она состоит из большого количества элементов. Именно по этой причине себестоимость устройства оказывается очень высокой.
2. Обязательно нужно использовать для питания индуктора источник постоянного тока. Это значительно усложняет всю конструкцию.
3. Процедура запуска электрического двигателя довольно сложная, нежели у асинхронных машин.
4. Произвести регулировку частоты вращения ротора можно только при помощи использования частотных преобразователей.

В целом же, преимущества существенно перекрывают недостатки синхронных электродвигателей. По этой причине они очень часто используются там, где необходимо вести непрерывный постоянный производственный процесс, где не нужно часто останавливать и запускать оборудование. Синхронные машины можно встретить в мельницах, дробилках, насосах, компрессорах. Они редко выключаются, работают почти постоянно. За счет применения таких моторов можно достичь существенной экономии электроэнергии.

Устройство и принцип действия синхронной машины

Устройство синхронных машин. Синхронные машины вне зависимости от режима работы состоят из двух основных частей: неподвижного статора, выполняющего функции якоря и ротора, вращающегося внутри статора и служащего индуктором (рис. 4.1).

Статор трехфазной синхронной машины аналогичен статору трехфазного асинхронного двигателя. Он состоит из корпуса /, цилиндрического сердечника 2, набранного из отдельных пластин электротехнической стали, и трехфазной обмотки 3, уложенной в пазы сердечника.

Ротор синхронной машины представляет собой электромагнит постоянного тока, который создает магнитное поле, вращающееся вместе с ротором. Ротор имеет обмотку возбуждения 4, которая через специальные контактные кольца 5 питается постоянным током от выпрямителя или от небольшого генератора постоянного тока, называемого возбудителем.

В отечественной энергетике также используются синхронные машины с «бесщеточным» возбуждением. Обмотка ротора таких машин питается от выпрямителя, вращающегося вместе с ротором. Выпрямитель в свою очередь получает питание от возбудителя, имеющего вращающуюся вместе с ротором трехфазную обмотку, возбуждаемую неподвижными постоянными магнитами.

Роторы синхронных машин бывают двух типов: с явно выраженными и неявно выраженными полюсами.

Роторы с явно выраженными полюсами (рис. 4.1) применяются в сравнительно тихоходных машинах (80 – 1000 об/мин), например гидрогенераторах; они имеют значительноечисло полюсов. Конструктивно роторы этого типа (рис. 4.2) состоят из вала 6, ступицы 7, полюсов 8, укрепляемых в шлицах ступицы, полюсных катушек 4 возбуждения, размещенных на полюсах. Поверхность полюсного наконечника полюсов имеет такой профиль, что магнитная индукция в воздушном зазоре машины распределяется примерно по синусоидальному закону. Для быстроходных машин (турбогенераторы, синхронные двигатели, турбокомпрессоры и т. п.) явнополюсная конструкция ротора неприменима из-за сравнительно большого диаметра ротора и возникающих в связи с этим недопустимо больших центробежных сил.

Большей механической прочностью обладает ротор с неявно выраженными полюсами. Он состоит (рис. 4.3) из сердечника 1 и обмотки возбуждения 2. Сердечник изготовляется из стальной поковки цилиндрической формы. На его внешней поверхности фрезеруются пазы, в которые закладывается обмотка возбуждения.

Обмотка возбуждения распределяется в пазах сердечника так, чтобы создаваемое ею магнитное поле было распределено в пространстве по закону, близкому к синусоидальному.

Принцип работы и ЭДС синхронного генератора. Работа синхронного генератора основана на явлении электромагнитной индукции. При холостом ходе обмотка якоря (статора) разомкнута, и магнитное поле машины образуется только обмоткой возбуждения ротора (рис. 4.4). При вращении ротора синхронного генератора от проводного двигателя ПД с постоянной частотой n_о магнитное поле ротора, пересекая проводники фазных обмоток статора AX, BY, CZ (рис.4.4,а) наводит в них ЭДС  , где B – магнитная индукция в воздушном зазоре между статором и ротором;  l – активная длина проводника;  – линейная скорость пересечения проводников магнитным полем.

Выше отмечалось,  что индукция В в воздушном зазоре распределена по синусоидальному закону , где — угол, отсчитываемый от нейтральной линии, поэтому ЭДС в одном проводнике .

Обозначив, получим , т.е. ЭДС в проводниках обмоток статора изменяется по синусоидальному закону.

ЭДС отдельных проводников каждой обмотки статора сдвинуты по фазе относительно друг друга, поэтому они суммируются геометрически  (аналогично ЭДС статора асинхронного двигателя – см. п. 3.8.1). Действующее значение ЭДС одной фазы определяется выражением:

где  – обмоточный коэффициент; – частота синусоидальных ЭДС; — число витков одной фазы обмотки статора; — число пар полюсов; – максимальный магнитный поток полюса ротора; – синхронная частота вращения.

Катушки отдельных фаз статора сдвинуты в пространстве на электрический угол, равный 120⁰, и их ЭДС образуют симметричную трёхфазную систему.

Изменяя ток возбуждения , можно регулировать магнитный поток ротора и пропорциональную ему ЭДС генератора. На рис. 4.5 представлена зависимость , снятая при номинальной частоте вращения .

Эта зависимость называется характеристикой холостого хода. Форма характеристики напоминает форму кривой намагничивания ферромагнитного сердечника. Характерной особенностью её является отсутствие пропорциональности между магнитным потоком и током возбуждения , что обусловлено явлением насыщения магнитной системы машины.

Принцип действия и вращающий момент синхронного двигателя. Принцип действия синхронного двигателя основан на явлении притяжения разноименных полюсов двух магнитных полей – статора и ротора.  Вращающееся поле статора с полюсами N и S создается при питании обмоток статора от трёхфазной сети аналогично вращающемуся полю асинхронного двигателя (на рис. 4.6 полюсы статора N и S показаны штриховкой, вращаются они против часовой стрелки с частотой ). Поле ротора создается постоянным током, протекающим по обмотке ротора.

Предположим, что ротор каким-либо способом разогнан до синхронной частоты вращения против часовой стрелки. Тогда полюсы ротора и будут вращаться с частотой ; произойдет «сцепление» этих полюсов с разноименными полюсами статора и (см. штрихованные линии на рис. 4.6).

В режиме идеального холостого хода (момент сопротивления ) оси магнитных полей статора и ротора совпадают (рис. 4.6.а). При этом на полюсы ротора действуют радиальные силы и, которые не создают ни вращающего момента, ни момента сопротивления.

Если к валу машины приложить механическую нагрузку, которая создает момент сопротивления , ось ротора и его полюсов , сместится в сторону отставания на угол (рис. 4.6,б). Теперь вращающее поле статора как бы “ведёт” за собой поле ротора и сам ротор. Тангенциальные составляющие и создают вращающий момент , где — радиус ротора.

Машина работает в двигательном режиме, её вращающий момент преодолевает момент сопротивления механической нагрузки.

При увеличении момента механической нагрузки на валу ротора угол увеличивается (до некоторого предела), что приводит к увеличению вращающегося момента двигателя , причем частота вращения ротора остается неизменной и равной .

Противодействующий момент и противо-ЭДС. При работе синхронной машины в режиме нагруженного генератора (на схеме рис. 4.4,б нагрузка Zн подключена к обмоткам статора через выключатель Q) по обмоткам статора протекает ток, который создает своё вращающееся магнитное поле. В генераторном режиме, в отличие от двигательного режима, полюсы ротора опережают на угол полюсы магнитного поля статора. В результате взаимодействия разноименных полюсов статора и ротора на ротор действует момент, направленный против вращения, т.е. тормозной момент . В установившемся режиме момент уравновешивает вращающийся момент приводного двигателя: .

При работе синхронной машины в режиме двигателя поле ротора пересекает витки трехфазной обмотки статора и в ней индуцируется ЭДС, которая согласно правилу Ленца действует навстречу току статора. По этой причине её называют противо-ЭДС. В установившемся режиме противо-ЭДС почти полностью уравновешивает напряжение сети .

Таким образом, при работе синхронной машины на нагрузку (электрическую или механическую) в обмотке статора индуцируется ЭДС Е и возникает момент ротора .

Реакция якоря в синхронной машине. Реакция якоря – это воздействие поля якоря (статора) на магнитное поле машины. При работе синхронной машины на нагрузку (электрическую в режиме генератора  и механическую в режиме двигателя) по обмоткам статора (якоря) протекают синусоидальные токи, которые создают вращающееся магнитное поле статора. Ротор имеет частоту вращения , поэтому частота ЭДС и тока статора , где — число пар полюсов машины. Частота вращения магнитного поля статора . Следовательно, поля ротора и статора вращаются с одной и той же частотой ; они взаимодействуют между собой и образуют результирующее вращающееся магнитное поле машины. Взаимодействие полей зависит от характера нагрузки и режима работы машины.

Рассмотрим реакцию якоря на примере двухполюсного синхронного генератора с неявно выраженными полюсами ротора, работающего на различную по характеру нагрузку .

При активной нагрузке с сопротивлением R ЭДС фазы обмотки статора и её ток совпадают по фазе и достигают максимума в тот момент, когда ось mm₁ магнитного потока ротора Ф₀ перпендикулярна оси nn₁ катушки обмотки статора (например, АX на рис. 4.7,а). Магнитный поток статора Ф_я замыкается по сердечникам статора и ротора через воздушный зазор. Таким образом, в случае активной нагрузки ось потока ротора Ф₀ опережает ось потока статора Ф_я на электрический угол, равный 90⁰ (поперечная реакция якоря). При этом результирующий магнитный поток машины (ось qq₁) поворачивается относительно потока ротора Ф₀^{на угол в направлении, противоположном направлению вращению ротора.}

При чисто индуктивной нагрузке X_L ток в обмотке статора отстаёт от ЭДС на 90⁰ и поэтому достигает максимума в тот момент времени, когда полюс ротора повернётся на 90⁰ по направлению вращения (рис. 4.7,б). В этом случае магнитный поток статора оказывается направленным навстречу магнитному потоку ротора и размагничивает машину ().

При емкостной нагрузке X_C ток в фазе статора опережает ЭДС на 90⁰ и поэтому достигает максимума в тот момент, когда полюс ротора не доходит на 90⁰ до оси mm₁ (рис. 4.7,в). Магнитный поток статора в этом случае оказывается направленным согласно с магнитным потоком ротора и намагничивает машину  ().

При работе синхронной машины в режиме двигателя ток в статоре при том же направлении вращения имеет противоположное направление. Ось результирующего потока двигателя оказывается повернута относительно потока ротора на угол , но не против направления вращения, как у генератора, а по направлению вращения.

Таким образом, реакция якоря в синхронной машине изменяет как поток машины, так и его направление (в отличие от асинхронной машины, у которой ). Изменение Ф_рез приводит к изменению ЭДС, что неблагоприятно сказывается на работе потребителей электроэнергии при работе машины в режиме генератора. Уменьшение неблагоприятного влияния реакции якоря достигается уменьшением магнитного потока статора за счёт увеличения воздушного зазора между ротором и статором синхронной машины.