Способы запуска синхронных двигателей и типовые схемы: преимущества и недостатки

Синхронные двигатели, как правило, используются для того, чтобы максимально эффективно обеспечить работу крупных электрических приводов.

Оборудование с большой мощностью используют во многих промышленных сферах, его могут применять, например, металлургические или нефтегазовые компании.

Такие предприятия используют агрегаты для вентиляции, компрессоры, электронасосы, системы машин для обработки давлением металлов между вращающимися валками. Сегодня мы представим Вам обзор, как работают синхронные двигатели.

Если сравнивать синхронные электродвигатели с асинхронными двигателями, однозначно у первых более сложный механизм, но также нужно выделить их существенные преимущества:

• Работа синхронных двигателей не особо зависит от интенсивности напряжения.
• Важным плюсом синхронных двигателей являются их сравнительно небольшие габариты, при этом их эффективность и механические функции намного лучше.
• Независимо от того, какие будут колебания нагрузки, это никак не повлияет на обороты и скорость вращения.
• Даже в случае значительных перегрузок на валу, синхронный двигатель будет работать без проблем, компенсируя такие пиковые скачки тем, что будет повышен ток в обмотке возбуждения.
• Синхронные двигатели могут работать так же как компенсаторы, благодаря тому, что они могут производить реактивную энергию. Для этого нужно подать повышенное напряжение на обмотку возбуждения. Если же выставить ток возбуждения в оптимальном режиме, не будет потребляться реактивная энергия, так же она не будет уходить на сеть.

При всех вышеперечисленных преимуществах использования синхронных электродвигателей, мы должны так же отметить один основной недостаток – отсутствие пускового момента. То есть, для запуска двигателя, необходимо использовать отдельное оборудование.

Это как раз и есть основная причина, почему синхронные двигатели долгое время были ограничены в использовании.

Способы запуска

Существует 3 способа запуска синхронного двигателя:

• использование дополнительного двигателя,
• асинхронный запуск,
• частотный запуск.

Для того, чтобы понять какой способ запуска применять, нужно разобраться с роторной конструкцией.

Он может быть выполнен с электромагнитным возбуждением, может состоять из постоянных магнитов, и может иметь комбинированную конструкцию. Кроме этого на роторе есть так называемая демпфирующая обмотка, помимо обмотки возбуждения. Такую короткозамкнутую обмотку называют еще «беличьей клеткой».

Использование дополнительного двигателя

Не самый популярный способ запуска, кроме того, не самый простой в плане технической реализации. Для того чтобы использовать такой способ, нужен еще один двигатель, его нужно присоединить к ротору электродвигателя.

Еще один двигатель нужен для того, чтобы скорость ротора соответствовала полю статора, то есть добиться синхронной скорости. Следующим этапом на обмотку возбуждения ротора будет подаваться постоянное напряжение.

Подача напряжения на обмотку статора выполняется при помощи рубильника, и контролировать процесс мы будем благодаря лампочкам, которые включаются одновременно с рубильником. Рубильник нужно выключить.

Сначала лампочки начнут мигать, но как только номинальные обороты будут достигнуты, лампочки перестанут гореть. Дальше подается напряжение на обмотки статора, а наш синхронный двигатель продолжит работу самостоятельно.

Второй дополнительный разгонный двигатель нужно отключить от сети, иногда необходимо механическое отсоединение.

Асинхронный запуск

Этот метод используется чаще всего, возможность использовать такой способ появилась после того, как была изменена конструкция ротора.

Основное преимущество такого метода, это то, что нам не понадобится дополнительно оборудование, так как конструкция ротора содержит в себе короткозамкнутые стержни демпфирующей обмотки, и это позволит нам осуществить асинхронный режим для запуска.

Разгон электродвигателя будет асинхронным, запускаться он будет тогда, когда на статор будет подано напряжение. Как только будет достигнута необходимая скорость, включится обмотка возбуждения.

Чем больше будет расти скорость оборотов, во время пуска в обмотке возбуждения, тем больше будет расти напряжение.

При этом возникнет магнитный поток, он будет влиять на электроток статора, а также возникнет подавляющий момент, который может спровоцировать остановку ротора.

Чтобы уменьшить нежелательное влияние, нам понадобится резистор (либо разрядный, либо компенсационный), мы соединим его с обмоткой возбуждения.

Такие резисторы имеют форму громоздких боксов, в которых спирали из стали выполняют функцию резистивных элементов.

Это нужно делать обязательно, так, как существует риск поломки благодаря растущему напряжению.

После того, как будет достигнута под синхронная частота вращения, резистор будет отключен от обмотки возбуждения.

Дальше при помощи генератора, либо тиристорного возбудителя (ВТЕ, либо ТВУ и тд., зависит от серии), на обмотку пойдет постоянное напряжение. После этого двигатель перейдет в синхронный режим.

Помимо тех плюсов, которые мы описали выше, так же нужно понимать и недостатки такого запуска.

Главное – это значительные пусковые токи, которые могут стать причиной просадки напряжения питающей сети. Если такое случится, остальные синхронные машины, которые задействованы на той же линии, могут остановиться.

В такой ситуации сработают защитные функции из-за низкого напряжения. Чтобы избежать такой ситуации, понадобятся компенсационные устройства, которые мы подключим к цепи обмоток статора, таким образом мы ограничим пусковые токи.

Можно использовать:

1. Дополнительные реакторы либо резисторы для ограничения пусковых токов. Когда произойдет разгон, они шунтируются, и сетевое напряжение пойдет на обмотки статора.
2. Автотрансформаторы. Их можно применять, чтобы понизить напряжение на входе.
   

   Как только будет достигнута скорость оборотов, не менее 95-97 процентов, будет выполнено переключение. Автотрансформаторы будут отключены, при этом на обмотки будет подано напряжение сети переменного тока. После этого двигатель начнет работать синхронно.

   Данный метод используют не часто, он достаточно дорогой, и емкий по техническим параметрам. Кроме того, трансформаторы очень часто могут ломаться.

Частотный запуск

Если необходимо запустить мощные агрегаты от 1 до 10 МВт, используется еще один метод запуска для синхронных двигателей — это так называемый частотный запуск. Устройства для частотного запуска, как правило, имеют стандартное напряжение от 6 до 10 Кв.

Применяется такой запуск и в легком режиме (используя вентиляторную нагрузку), и в режиме тяжелого пуска (задействуется привод шаровых мельниц). В таких случаях используется специальное устройство.

На схеме показан наглядный образец приспособления с очень плавным запуском: когда двигатель будет запущен, устройство включится, дальше будет выведено из схемы, и в результате двигатель будет напрямую подключен к сети.

Это точно такая же система, как у низковольтных и высоковольтных устройств, которые работают по схеме частотного преобразования.

При таком принципе можно запустить несколько двигателей благодаря одному устройству, а пусковой момент будет при этом доходить до 100%.

Системы возбуждения

Современные приспособления, предназначенные для контроля уровня возбуждения – это тиристорные возбудители ВТЕ.

Несмотря на то, что еще совсем недавно для этого использовали генератор независимого возбуждения, сегодня они перестали быть актуальными. Давайте рассмотрим функции тиристорных возбудителей ВТЕ:

• создают необходимый режим для пуска синхронного двигателя;
• поддерживают параметры тока возбуждения;
• ограничивают крайние уровни тока, автоматом регулируют напряжение возбуждения, если возникает нагрузка;
• в случае, если питающий ток будет понижен, они моментально увеличивают ток возбуждения;
• если отключится питающая сеть, они мгновенно гасят поле ротора;
• в случае проблем с изоляцией, оповещают о проблеме;
• проверяют состояние обмотки возбуждения, если двигатель не работает;
• осуществляют асинхронный и синхронный запуск, при работе высоковольтным частотным преобразованием.

Все эти функции говорят о надежности подобных систем возбуждения. Ну а главный их минус – это дорогостоящее оборудование.

Подводя итоги нашего обзора отметим, что асинхронный способ запуска на сегодня самый популярный, запуск с дополнительным электродвигателем практически никем не используется, частотный запуск эффективный, но имеет очень высокую цену.

Синхронный двигатель. Пуск синхронного двигателя.

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

Принцип действия синхронного двигателя

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

Принцип действия синхронного двигателя

Рис. 1

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

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

Пуск синхронного двигателя

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

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

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

Система асинхронного пуска синхронного двигателя

Рис. 2

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

Методы пуска синхронного двигателя

12 апреля 2020 г.

Устройство, которое преобразует электрическую энергию в механическую, работающую с синхронной скоростью, называется синхронным двигателем. Его скорость постоянна независимо от нагрузки. Это машина с двойным возбуждением, потому что ее обмотка возбуждения возбуждается от отдельного источника постоянного тока.

Но синхронный двигатель не запускается самостоятельно. Средний крутящий момент синхронного двигателя равен нулю при пуске. Для чистого среднего крутящего момента необходимо вращать ротор со скоростью, очень близкой к синхронной скорости. Это возможно с помощью различных методов на практике. Для запуска синхронного двигателя используются следующие методы:

Использование пони-двигателей :

Используя маленькие пони-двигатели, такие как небольшой асинхронный двигатель, мы можем запустить синхронный двигатель. Этот небольшой асинхронный двигатель соединен с ротором синхронного двигателя. Функция этого асинхронного двигателя состоит в том, чтобы привести ротор синхронного двигателя к синхронной скорости.

Как только ротор достигает синхронной скорости, вспомогательный двигатель отсоединяется от ротора. Синхронный двигатель продолжает вращаться с синхронной скоростью, подавая возбуждение постоянного тока на ротор через контактные кольца. Следует помнить, что двигатель, используемый в качестве пони-двигателя, должен иметь меньшее количество полюсов, чем используемый синхронный двигатель.

Использование небольшой машины постоянного тока:

В приведенном выше методе мы видим небольшой асинхронный двигатель для запуска двигателя. Здесь мы используем двигатель постоянного тока вместо асинхронного двигателя, чтобы перевести двигатель в режим синхронного двигателя. Как только двигатель постоянного тока приводит ротор синхронного двигателя к синхронной скорости. Двигатель начинает действовать как генератор постоянного тока и начинает возбуждать обмотку возбуждения синхронного двигателя.

Использование демпферной обмотки:

Когда на синхронный двигатель подается трехфазное питание, он не запускается. Чтобы запустить его, на ротор помещаются медные стержни, замкнутые на обоих концах (аналогично ротору с короткозамкнутым ротором асинхронного двигателя), эти стержни или обмотка известны как демпферная обмотка.

Теперь при подаче питания обмотка возбуждения создает вращающееся магнитное поле. За счет используемой демпферной обмотки ротор начинает вращаться как асинхронный двигатель, т. е. с меньшей синхронной скоростью при пуске. Как только возбуждение постоянного тока подается на обмотку возбуждения, двигатель переходит в синхронный режим.

Демпферная обмотка используется для пуска двигателя и, следовательно, может использоваться только для целей пуска. Поскольку, когда ротор вращается с синхронной скоростью, относительное движение между демпферной обмоткой и вращающимся магнитом будет равным, и, следовательно, ЭДС индукции и ток будут равны нулю. Демпферная обмотка будет вне цепи.

В качестве асинхронного двигателя с контактными кольцами (синхронный асинхронный двигатель):

В этом методе внешний реостат соединяется с ротором через контактные кольца. Здесь концы демпферной обмотки выведены из двигателя и соединены либо в звезду, либо в треугольник. Реостат включен последовательно с ротором.

При запуске высокое сопротивление подключается к ротору для ограничения тока, потребляемого двигателем. Поскольку двигатель запускается как асинхронный двигатель с контактными кольцами при запуске, он потребляет большие токи.

Когда двигатель набирает скорость, сопротивление цепи ротора постепенно отключается. Когда скорость приближается к синхронной скорости, на ротор подается возбуждение постоянного тока, и он приводится в синхронизм.

На приведенном выше рисунке показан реостат, соединенный с контуром ротора через контактные кольца. Из рисунка видно, что при подаче постоянного тока ток «I» протекает через положительную клемму, затем он делится как «I/2» через каждую фазу в точке звезды. Из этих методов демпферная обмотка является наиболее распространенным методом пуска синхронного двигателя.

Различные способы запуска синхронного двигателя

11 июня 2022 г.

17 декабря 2016 г.

Поскольку мы уже знаем, что синхронный двигатель не запускается самостоятельно, и мы уже обсуждали wh y, синхронный двигатель не запускается самостоятельно . Итак, вот общий метод для запуска синхронного двигателя.

1. Трехфазная обмотка получает трехфазное питание переменного тока. Теперь создается вращающееся магнитное поле, которое вращается с синхронной скоростью Ns об/мин.

2. Теперь заставьте ротор вращаться в направлении вращающегося магнитного поля со скоростью, очень близкой к синхронной скорости, используя внешнее оборудование, такое как дизельный двигатель.

3. Теперь включите источник постоянного тока, подаваемый на ротор, чтобы образовались полюса ротора. Теперь есть два поля, одно из которых представляет собой вращающееся магнитное поле, создаваемое статором, а другое создается ротором, который физически вращается почти одновременно. скорость как у вращающегося магнитного поля.

4. В определенный момент оба поля магнитно заблокированы. Поле статора синхронизирует поле ротора. Теперь мы можем удалить внешнее устройство, используемое для вращения ротора. Но ротор будет продолжать вращаться с той же скоростью, что и вращающегося магнитного поля, т.

е. Ns из-за магнитной блокировки .

Ключевой момент: Таким образом, основной смысл этого обсуждения заключается в том, чтобы запустить синхронный двигатель , ему требуется какое-то устройство для вращения ротора со скоростью, очень близкой или равной синхронной скорости.

Необходимо прочитать:

• Вращающееся магнитное поле (RMF) в синхронных машинах
• Обмотки якоря генератора переменного тока и типы обмоток якоря

Методы запуска синхронного двигателя:

        Мы должны подумать об альтернативе вращения ротора со скоростью, почти равной скорости синхронного двигателя. Таким образом, это может быть возможно при использовании различных методов запуска синхронного двигателя . Ниже приведены различных способов запуска синхронного двигателя .

1. Использование двигателей Pony

2. Использование демпферной обмотки

3. В качестве контактного кольца Асинхронный двигатель

4. Использование небольшой машины постоянного тока, соединенной с ней

1. Использование двигателей Pony:

       В этом методе некоторые внешние устройства, такие как небольшой асинхронный двигатель, используются для приближения ротора к синхронному двигателю. Это внешнее устройство называется Pony Motor 9.0048 .

         Когда ротор достигает синхронной скорости, включается возбуждение постоянного тока на ротор. Через некоторое время развивается синхронизм, а затем отключается пони-двигатель. Благодаря синхронизму активатор продолжает вращаться как синхронный двигатель.

2. Использование демпферной обмотки:

            В синхронном двигателе мы имеем обычную обмотку возбуждения и в дополнение к этой дополнительной обмотке, состоящей из медных стержней, помещаем в пазы на торцах полюсов. Эти стержни закорачивают с помощью концевых колец. .Эта дополнительная обмотка на роторе называется Демпферная обмотка . Эта обмотка короткозамкнута, она действует как короткозамкнутая обмотка ротора асинхронного двигателя. Принципиальная схема этой демпферной обмотки показана на рисунке ниже.

          Когда статор возбуждается трехфазным питанием, двигатель начинает вращаться как асинхронный двигатель на субсинхронной скорости. Затем постоянный ток питание подается на обмотку возбуждения. В определенный момент двигатель включается в синхронизм и начинает вращаться с синхронной скоростью. Поскольку ротор вращается с синхронной скоростью, относительное движение между демпферной обмоткой и вращающимся магнитным полем равно нулю. Следовательно, когда двигатель работает как синхронный двигатель, в демпферной обмотке не может быть наведенной ЭДС.

           Таким образом, демпферная обмотка активна только при пуске, чтобы при пуске двигатель работал как асинхронный двигатель. После этого он отключается от цепи. потребляет большой ток при запуске, поэтому пускатели асинхронных двигателей, такие как звезда-треугольник, автотрансформатор и т. д., используются для запуска синхронного двигателя в качестве асинхронного двигателя.

3. В качестве асинхронного двигателя с контактными кольцами:

           Вышеуказанные метод запуска синхронного двигателя в качестве асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором не обеспечивает высокого пускового момента. Поэтому для достижения этого вместо короткого замыкания демпферной обмотки он предназначен для формирования трехфазной обмотки, соединенной звездой или треугольником.

          Три конца этой обмотки выведены через контактные кольца. Тогда внешний реостат можно включить последовательно с цепью ротора. Таким образом, когда статор возбуждается, двигатель запускается как асинхронный двигатель с контактными кольцами и благодаря сопротивлению, добавленному в ротор, обеспечивает высокий пусковой крутящий момент.

         По мере того, как двигатель набирает скорость, сопротивление постепенно отключается. на ротор подается возбуждение, затем двигатель приводится в синхронизм и начинает вращаться с синхронной скоростью . Демпферная обмотка закорачивается закорачиванием контактных колец.

         Добавленное к ротору начальное сопротивление не только обеспечивает высокий пусковой момент, но и ограничивает высокий бросок пускового тока. Следовательно, оно действует как пускатель сопротивления ротора. 9Синхронный двигатель 0047, запущенный этим методом , называется асинхронным двигателем с контактными кольцами, показан на рисунке ниже.

          Из приведенного выше рисунка видно, что одна и та же трехфазная обмотка ротора действует как обычная обмотка ротора за счет короткого замыкания двух фаз. От положительной клеммы ток «I» течет в одной из фаз, которая делится на две другие фазы в начальной точке по 1/2 через каждую, когда переключатель находится в положении постоянного тока.