Что такое синхронный двигатель

Синхронный электродвигатель

Синхронный двигатель – тип электрических машин с равной частотой вращения вала и крутящегося магнитного поля неподвижного узла. За счет относительно сложной конструкции такие двигатели не так распространены, как асинхронные двигатели, однако, в некоторых случаях являются практически незаменимыми.

Рассмотрим конструкцию синхронных электродвигателей, их преимущества и недостатки.

Принцип работы

Принцип действия синхронных электрических машин основан на сцеплении крутящегося магнитного поля статора и постоянного магнитного поля ротора.

При этом концепция та же, что у асинхронного двигателя: при подаче трехфазного напряжения на обмотки неподвижного узла, сдвинутые на 1200, возникает магнитное поле с попеременно меняющимися полюсами.

При этом на обмотки ротора подается постоянный ток, который наводит постоянное магнитное поле.

При подаче переменного трехфазного напряжения на статор и постоянного тока на ротор, разноименные полюса магнитного поля ротора будут притягиваться к соответствующим полюсам вращающегося поля статора. При таком взаимодействии возникает крутящий момент, который вращает вал. При этом его скорость будет равна частоте вращающегося магнитного поля, наводимого обмотками неподвижного узла. Наглядно принцип действия синхронных электрических машин представлен на рисунке ниже.

Конструкция и виды синхронных двигателей

Синхронные двигатели с роторными обмотками – самые распространенные электрические машины такого типа. Силовые агрегаты состоят из следующих основных узлов:

• Станины и корпуса. Элементы конструкции предназначены для размещения других узлов и опоры.
• Статора. Неподвижная часть включает сердечник и трехфазные обмотки переменного тока.
• Ротора. Вращающийся узел состоит из магнитопровода с уложенной в нем обмотки постоянного тока.
• Вала. Элемент конструкции предназначен для подключения механической нагрузки, на нем также размещены катушки возбуждения.
• Контактных колец. Узлы предназначены для подачи постоянного напряжения на обмотки ротора.

Конструкция синхронных двигателей может различаться в зависимости от вида. Например, в электрических машинах типа СДПМ для создания магнитного поля применяют постоянные магниты, такие электродвигатели также не имеют электрических колец. Различают роторы явно и неявнополюсной конструкции. Первые применяют в двигателях приводов низкооборотистого оборудования, работающего при значительной нагрузке.

Электродвигатели с неявнополюсным вращающимся узлом используют в скоростных приводах. По конструкции статора различают синхронные электрические машины с распределенной (на рисунке слева) и сосредоточенной обмоткой (на рисунке справа).

В асинхронных двигателях ЭДС вращающегося узла наводится под воздействием магнитного поля статора. Вследствие этого возникает разница между скоростями вращения магнитного поля и ротора, называемая скольжением. Синхронные электрические машины не имеют скольжения, благодаря чему такие двигатели можно применять в приводах точных механизмов.

К преимуществам синхронных двигателей с роторными обмотками также относят высокую перегрузочную способность, увеченный к.п.д (может достигать до 95%), пропорциональную зависимость момента на валу от питающего напряжения, стабильную скорость при переменной нагрузке. К недостаткам синхронных машин относят относительную сложность конструкции, наличие источника постоянного тока для обмотки возбуждения, сложность пусковой схемы.

Способы пуска и возбуждения синхронных двигателей

Синхронные машины требуют источник постоянного тока для питания обмотки ротора. Наибольшее распространение получили статические системы возбуждения на базе тиристорных преобразователей. Системы с генератором постоянного тока на валу электродвигателя уже практически не применяют.

Электропитание тиристорных возбудителей осуществляется от трансформатора, включенного в одну сеть с двигателем. Системы позволяют регулировать напряжение, коэффициент мощности, величину реактивной составляющей обмоток статора.

Синхронные электрические машины не могут запускаться прямым включением в сеть, так как смена полюсов вращающегося магнитного поля происходит слишком быстро, из-за инерции разгон ротора до синхронной скорости невозможен.

Существует несколько схем пуска электродвигателей синхронного типа.

Двигательный. Запуск синхронного двигателя осуществляется за счет разгона ротора до синхронной частоты при помощи вспомогательной электрической машины. При этом электродвигатель включается в сеть после достижения синхронной частоты, после чего вспомогательный двигатель останавливают. Двигательные схемы считаются морально устаревшими, из-за высокой стоимости и значительных габаритов и массы их уже практически не применяют.

Асинхронный. Синхронные двигатели с асинхронным стартом имеют дополнительную обмотку типа «беличья клетка» на полюсных наконечниках ротора. Пуск электродвигателя осуществляется при отсутствии постоянного тока в обмотке возбуждения, как у асинхронных электрических машин. После разгона до скорости, близкой к синхронной, на роторную катушку подают постоянный ток, двигатель начинает работать в синхронном режиме. Во время старта, до входа в синхронизм, роторную обмотку замыкают на сопротивление, это необходимо для ограничения тока, наводимого полем статора при пуске и разгоне. Такой метод позволяет осуществлять запуск синхронной машины напрямую от сети. К недостаткам относят значительный пусковой ток, затруднение старта под нагрузкой.

Частотный. При этом электродвигатель подключают к частотному преобразователю. Пуск электрической машины осуществляется путем подачи напряжения низкой частоты и плавного ее увеличения до номинального значения, двигатель все время работает в режиме синхронизма. Такой способ позволяет уменьшить время переходных процессов и пусковые токи, снизить тепловые нагрузки, осуществлять пуск синхронных электрических машин под нагрузкой. Недостатком способа является относительно высокая цена специализированного преобразователя частоты. Частотный пуск – наиболее перспективный, он позволяет устранить многие недоставки синхронных электрических машин.

Типы синхронных электродвигателей

Электрические силовые агрегаты с синхронной частотой вращения применяют для решений приводов самого различного назначения: оборудования для инженерных систем и промышленности, бытовых и производственных механизмов. Кроме электрических машин с роторными обмотками, существует еще несколько типов синхронных двигателей. Рассмотрим их типы и конструкцию подробнее.

Двигатели с постоянными магнитами

Конструкция СДПМ напоминает синхронные двигатели с обмотками ротора. Главное отличие – наличие постоянных магнитов на вращающейся части вместо обмоток. Электродвигатели с постоянными магнитами не требуют источника постоянного тока для питания обмотки возбуждения.

• Упрощенная в сравнении синхронным двигателем с обмотками ротора конструкция.
• Увеличенный к.п.д.
• Улучшенное отношение масса/мощность.
• Возможность точного управления моментом и скоростью.

СДПМ имеют более высокую стоимость, что несколько ограничивает их использование. Область применения электрических машин – приводы средней и малой мощности.

Синхронный реактивный двигатель

Вращение вала таких электродвигателей осуществляется за счет разности магнитной проводимости ротора в поперечной и продольной плоскости. Чем больше эти значения отличаются, тем выше крутящий момент на валу электрической машины. Конструкция статора реактивных электродвигателей не отличается от стандартных синхронных электрических машин с распределенной или сосредоточенной трехфазной обмоткой.

Варианты конструкции крутящейся части: с явновыраженными полюсами (слева), аксиально-расслоенная (по середине) и поперечно-расслоенная (справа).

Синхронный реактивный двигатель обладает следующими достоинствами:

• Простая конструкция ротора без магнитов и обмоток.
• Небольшой нагрев.
• Низкая инеркцинность.
• Возможность задания скорости в широком диапазоне.

К недостаткам электрических машин относят невысокий коэффициент мощности. Область применения таких двигателей – приводы маломощного оборудования и механизмов.

Гистерезисный двигатель

Принцип действия гистерезисных электрических машин основан на явлении гитерезиса магнитовтвердых материлов. Крутящий момент возникает под действием остаточного намагничивания ротора, которое осуществляется магнитным полем статора электродвигателя, в остальном принцип работы электродвиагателей сходен с СДПМ.

Вращающаяся часть гистерезисных двигателей имеет неявнополюсную сборуную конструкцию. К приемуществам электрических машин относятся:

• Простой старт без дополнительной аппаратуры.
• Отсутвие высоких пусковых токов.
• Плавный вход в синхронный режим.
• Простая конструкция.
• Более высокий коэффициент мощности чем у реактивных синхронных двигателей.

К недостаткам относят высокую цену, которая обсуловлена стоимостью магнитотвердых материалов с широкой петлей гистерезиса для ротора.

Реактивно-гистерезисный электродвигатель

Реактивно-гистерезисный двигатели – тип синхронных электрических машин с явнополюсным ротаторном. Пуск осуществляется за счет крутящего момента, возникающего при взаимодействии вращающегося магнитного поля статора и гистерезиса ротора.

Дальнейшая работа двигателя в синхронном режиме – за счет реактивного момента и остаточного намагничивания. Таким образом, двигатели совмещают достоинства реактивных и гистерезисных электрических машин:

• Простота конструкции.
• Самозапуск без дополнительного оборудования.
• Возможность работы от однофазной электросети.

К недостаткам относятся низкие КПД и cosφ. Область применения реактивно-гистерезисных двигателей: микроприводы различного назначения.

Синхронный двигатель: устройство и принцип работы

Синхронный электродвигатель – это электрическое устройство, которое преобразует электроэнергию в механическую, обеспечивая вращение вала. Его основная особенность заключается в том, что скорость вращения ротора синхронизирована с частотой переменного тока подаваемого питания.

Синхронные электродвигатели являются важной частью современных систем электропривода. Они широко применяются на промышленных предприятиях, где требуется точное управление скоростью и надежная работа.

Устройство синхронного электродвигателя

Устройство включает в себя несколько ключевых компонентов, которые работают совместно, чтобы обеспечить стабильную и эффективную работу:

• Статор является неподвижной частью. Он состоит из стальных ламелированных пакетов, в которые вкладываются обмотки. Обмотки статора обычно выполнены в трехфазном исполнении и размещены на определенном расстоянии друг от друга. По этим обмоткам поступает переменное напряжение, создающее магнитное поле вокруг статора.
• Ротор является вращающейся частью. Он может быть выполнен в виде обмоток, намотанных на железный каркас (обмоточный тип), либо из постоянных магнитов. Помещается внутри статора, располагается на валу и вращается с той же скоростью, что и магнитное поле статора.
• Подшипники и вал позволят ротору свободно вращаться внутри статора. Качество и точность подшипников влияет на эффективность и долговечность двигателя.
• Коммутационная система позволяет подавать электрический ток на обмотки статора в нужной последовательности. Для этого используются щетки и коллекторы для устройств с обмоточным ротором, либо более сложные системы для моделей с постоянно-магнитным элементом.

Синхронные двигатели, особенно в больших и интенсивно работающих системах, требуют эффективной системы охлаждения. Это помогает предотвратить перегрев двигателя и обеспечивает его стабильную работу. Устройства могут быть помещены в защитную оболочку или корпус, который защищает их от воздействия окружающей среды, пыли, влаги и других внешних факторов.

Принцип работы синхронного электродвигателя

Основан на взаимодействии магнитных полей статора и ротора. Это взаимодействие обеспечивает синхронное вращение ротора с определенной скоростью, связанной с частотой переменного тока, подаваемого на статор. При работе индуктора создается магнитное поле, которое меняет свою полярность согласно частоте переменного тока. Это магнитное поле образует вращающееся поле, которое называется вращающимся магнитным полем статора.

Ротор находится внутри вращающегося магнитного поля статора. Если он также содержит обмотки, то под воздействием вращающегося магнитного поля он начинает выстраиваться параллельно этому полю и вращаться в синхронном режиме с ним. Если ротор является постоянным магнитом, то он будет «захвачен» вращающимся полем статора.

Скорость вращения ротора определяется частотой переменного тока и числом пар полюсов. Одним из преимуществ является возможность точного управления скоростью вращения. Это достигается с помощью частотных преобразователей, которые изменяют частоту тока, подаваемого на статор, что влияет на скорость вращения ротора.

Характеристики синхронного электродвигателя

Конкретные характеристики двигателя могут различаться в зависимости от их конструкции, применения и производителя. Основные характеристики:

• номинальная мощность – максимальная мощность, которую двигатель способен развивать при номинальных условиях работы;
• напряжение питания (переменного тока) – 380 В или 220 В;
• частота переменного тока (Гц) – 50 или 60 Гц;
• число пар полюсов на статоре или роторе – влияет на синхронную скорость вращения двигателя, например, 4 пары полюсов дают показатель 1500 об/мин (при частоте 50 Гц);
• эффективность (%) – отношение выходной механической мощности к входной электрической мощности, высокий показатель свидетельствует о том, что меньше энергии теряется в виде тепла;
• коэффициент мощности – показывает, насколько активная мощность близка к полной, близкое к 1 значение описывает мало реактивной мощности;
• момент инерции ротора (кг·м²) – указывает на его инерционные свойства (важно при оценке динамических характеристик двигателя);
• класс изоляции – указывает на максимальную температуру, которую может выдержать покрытие;
• класс защиты (IP) – указывает на степень защищенности корпуса от пыли и влаги (IP55, IP65);
• вес (кг) – масса устройства влияет на его установку и транспортировку;
• тип охлаждения – воздушное или жидкостное.

Выбор конкретных характеристик зависит от требований основного технологического оборудования и условий его эксплуатации. Синхронные электродвигатели находят применение в различных областях, таких как горнодобывающие, обогатительные и металлургические комбинаты, производство минеральных удобрений, цементная и нефтегазовая промышленность.

Что такое синхронный двигатель, устройство и принцип действия синхронного двигателя

В быту и на производстве преобладает использование электроэнергии. Поэтому большинство приборов и станков работает от электрических машин. Уже внедрено много видов агрегатов и у каждого свои качества. Для получения неизменной механической силы большой мощности или генерации огромного объема электроэнергии во многих областях востребованы синхронные двигатели (СД).

Общее определение синхронного электродвигателя

Каждая электрическая машина работает по следующему принципу:

• от источника питания на обмотку якоря и статора подается ток;
• в обмотке статора генерируется магнитное поле, возбуждающее электродвижущую силу (ЭДС);
• при вращении магнитное поле воздействует на обмотку ротора и заставляет его вращаться.

При этом вращение ротора по отношению к магнитному полю бывает двух вариантов:

1. Зависимое. Величина крутящего момента ротора определяется круговым движением ЭДС, но угловая скорость различна. Такие двигатели называются асинхронными.
2. Одинаковое. Скорость вращения ЭДС и якоря одинаковая и не меняется в течение всего времени работы. По такому принципу действия и существует понятие синхронный электродвигатель.

Для получения различной угловой скорости требуется независимое возбуждение обмотки статора и якоря от разных источников. Такого же эффекта можно достичь при параллельном возбуждении, если между источником питания и проводником статора подсоединить реостат. Этим усложняется схема асинхронных двигателей.

Синхронным машинам не требуется дополнительных устройств для включения. Поэтому их стоимость и расходы на обслуживание ниже.

Конструкция и принцип действия

Все электродвигатели имеют общую основу и состоят из статора и ротора. Обмотка статора принимает ток от источника трехфазной сети или электростанции и генерирует ЭДС. Магнитное поле действует на обмотку ротора и приводит его в движение. Таким способом электрическая сила преобразуется в механическую энергию.

Но у асинхронных двигателей скорость ЭДС всегда выше ротора. Для получения одинаковой механической силы требуется больше электроэнергии, что делает его менее выгодным. Поэтому для работы крупногабаритного оборудования используются синхронные электродвигатели.

Электрические машины работают и в обратном порядке с включением в качестве генератора. Подавляющее большинство электростанций, генерирующих до Мегаватт электроэнергии, функционируют под управлением синхронного двигателя.

Скорость вращения СД определяется только параметрами ЭДС, зависимой от подаваемого тока. Следовательно, нагрузка на вал не снижает обороты и синхронный двигатель можно использовать в качестве компенсатора.

Устройство статора

Синхронный электродвигатель может работать от постоянного и переменного тока. Конкретный тип питания для подключения или генерации тока определяется конструкцией статора и его назначением.

Машины постоянного тока

Ток непрерывно действует на обмотку возбуждения. Поэтому для получения максимального КПД статор представлен сплошным цилиндром, а обмотка в нем непрерывная. При такой конструкции в любой момент времени ток будет поступать на катушку.

Электродвигатели и генераторы постоянного тока выгодны для включения оборудования и автономного питания удаленных объектов в условиях отсутствия сетей. В быту синхронные двигатели постоянного тока не применимы. Требуется выпрямление тока, из-за которого размер устройства увеличится, а управление им усложнится.

Машины переменного тока

Такие электродвигатели отличаются секционной конфигурацией статора (который по форме схож с коллектором якоря). Переменный ток одно фазной электросети действует прерывисто как синусоида с частотой 50 Гц (т.е. 50 раз в секунду затухает). Технически синхронный электродвигатель постоянного тока можно подключить к одно фазной сети, но скорость вращения будет ниже. Это связано с тем, что заряд не будет поступать на отдельные участки обмотки статора из-за периодичного затухания. Для трехфазной сети он не подходит.

Поэтому обмотки возбуждения в виде сплошного кольца нерентабельны. Вместо них в синхронных машинах переменного тока внедрены пластины одинакового размера, расположенные вокруг ротора. У каждого сегмента на внутренней поверхности есть пазы, в которые закладывается одинаковое количество витков (из которых состоит обмотка возбуждения).

Синхронный электродвигатель переменного тока проектируется и собираются таким образом, чтобы расстояние между пластинами статора совпадало с длиной волны синусоиды переменного тока в общей сети. В результате в момент пикового значения заряд всегда поступает на область обмотки одной из пластин. Расчет углового расстояния между секциями для статора любого диаметра не сложно провести, когда известна частота тока и скорость вращения (50 Гц и 3000 об./мин соответственно).

Особенности статора

У синхронных двигателей переменного тока статор бывает явнополюсным и неявнополюсным. Первый тип представлен секциями с обмотками на противоположных сторонах. При такой конструкции в некоторые моменты пикового значения ток не будет возбуждать ЭДС и угловая скорость ротора снизится. В процессе разбора СД сразу видно симметричное положение обмоток статора, отсюда и понятие явнополюсный двигатель.

Особенность параметров таких электродвигателей в скорости вращения менее 3000 об./мин без использования преобразователя при подключении оборудования к электросети. Но КПД таких синхронных машин на единицу расходуемой электроэнергии ниже. Востребованы двигатели только в случаях, когда требуется компактные размеры и низкая скорость вращения.

Секции неявнополюсного статора расположены равноудалено друг от друга. Все синхронные электродвигатели переменного тока в бытовых приборах являются неявнополюсными. А для регулирования скорости вращения в них присутствует частотный преобразователь. Использоваться в качестве генератора переменного тока может только синхронный двигатель с неявнополюсным статором.

Ротор

Служит вращательным элементом СД для воспроизведения механической силы. Для передачи крутящего момента рабочему механизму ротор соединен с валом. У двигателей постоянного тока к якорю на подшипниках скольжения присоединен неподвижный коллектор. Назначение механизма в постоянной передаче начального момента движения. Сам по себе ротор при подаче питания немного прокрутится и остановится.

Обмотка статора синхронных электродвигателей переменного тока возбуждается периодично при пиковом значении. Аналогично действует ЭДС на якорь, вращая его импульсивно, а не в любой момент времени. Поэтому необходимость в коллекторе отпадает. Вместо него используется токопроводящее немагнитное кольцо.

Преимущества агрегата

У каждой машины есть свои плюсы и минусы. Для синхронного двигателя можно выделить следующие достоинства:

1. Зависимость вращения ротора от напряжения (и наоборот). Характеристика полностью линейна и легко рассчитывается, что позволяет сконструировать двигатель или генератор с требуемыми параметрами.
2. Низкая себестоимость. Для выпуска синхронных двигателей (особенно переменного тока) под конкретный режим вращения требуется меньше затрат.
3. Выпуск машины с конкретной механической мощностью. Комбинированием секций статора можно получить агрегат с определенной скоростью вращения вала.
4. Независимость от нагрузок. Возможно подключение электродвигателя к рабочему телу крупногабаритного оборудования для компенсации потерь при его вращении.
5. Простота обслуживания. Синхронные агрегаты редко включают сопутствующие устройства типа реостатов и преобразователей, что упрощает поиск поломки и ремонт.

Но главное преимущество электрического синхронного двигателя — это высокий КПД. Для сравнения, у асинхронных аналогов поле возбуждения быстрее скорости вращения ротора, поэтому ему требуется больше электроэнергии.

Достоинства перед асинхронным двигателем

Обмотки статора и якоря асинхронных машин возбуждаются током с разными характеристиками и это существенный недостаток. В случае проблем с питанием одного проводника или поломкой реостата можно не заметить неполадок. При этом электродвигатель продолжит работать в прежнем режиме, а обмотка может уже плавиться.

Синхронные двигатели лишены этого недостатка. Благодаря принципу действия их работу проще контролировать. В случаях перебоя на генераторе или в трехфазной сети изменится скорость ЭДС, а за ней синхронно и вращение ротора. Оператор это сразу же заметит по нехарактерному шуму от агрегата и успеет принять меры. Хотя на современном производстве много защитного оборудования на участке цепи потребителя, никто не застрахован от их поломки.

Эксплуатация

При бережном использовании синхронный двигатель прослужит установленный производителем срок. Для сохранения ресурса агрегата важно придерживаться следующих правил:

1. Проводить плановое обслуживание. Трехфазные электродвигатели промышленных агрегатов работают в тяжелых условиях. На клеммах подключения скапливается грязь, а в корпус попадает пыль. Периодично требуется проверять агрегат и при необходимости очищать и промазывать его.
2. Запускать без нагрузок. Каждый мотор рассчитан на конкретную эксплуатацию. Если пренебрегать рекомендациями производителя или увеличивать штатную мощность (повышая предельные обороты), агрегат часто ломается.
3. Обеспечивать защиту оборудования. Любой электродвигатель может прийти в негодность от перебоев на генераторе или в общей сети. Достаточно подключения на участке цепи автомата, а к оборудованию — источника бесперебойного питания. В случае проблем с источником ток будет выровнен, а в критической ситуации агрегат обесточен. Применение минимальных мер по защиты убережет от преждевременной поломки.

Эти требования актуальны и для генераторов, работающих по схеме синхронного мотора.

Основные неисправности

Несмотря на качество сборки, любая машина может выйти из строя и синхронный двигатель не исключение. В процессе эксплуатации оборудования чаще наступают следующие неполадки:

• Перегрев. Его провоцирует неэффективный вывод избыточного тепла, который часто происходит из-за пыли и грязи внутри корпуса электродвигателя. Из-за перегрева разрушается изоляция обмоток, и витки соприкасаются между собой. Это приводит к прохождению тока по короткому маршруту и замыканию. Если дефектная машина продолжает работать, возрастает сопротивление материала проводника и избыточная теплоемкость, приводящая к деформации и обрыву обмотки.
• Замыкание в цепи питания. Сбои на генераторе также приводят к деформации и разрушению витков обмотки, как и в случае длительного перегрева. Разница в том, что сверхтоки образовались еще на источнике питания, а не в обмотке вследствие контакта разных витков.
• Разбалансировка вала. Из-за неравномерной нагрузки на ротор происходит нарушение центра масс и его смещение относительно исходной оси вращения. В результате нарушается передача крутящего момента и появляется избыточный шум. КПД синхронного электрического двигателя падает. Последующая работа при разбалансировке приводит к ускоренному износу и разрушению подшипников скольжения якоря.
• Отсутствие питания. При неаккуратном обслуживании можно случайно задеть обмотку возле контактов и оборвать ее. В этом случае питания вообще не будет и мотор не запустится. В большинстве случаев при обрыве конца обмотку можно восстановить без замены.
• Вибрации. Если электрическая машина надежно закреплена, вибрации создаются рабочим механизмом из-за грубой передачи крутящего момента. Подобная ситуация наблюдается из-за расцентровки валов. В зависимости от длительности такой работы, синхронный двигатель может получить разную степень механического урона, вплоть до микротрещин у корпуса.

В большинстве случаев от нарушений в цепи питания спасают контрольно-измерительные приборы, и электродвигатель получает незначительный урон. Механические неисправность обнаруживаются оператором по нехарактерной работе (сильный нагрев корпуса, чрезмерная шумность, вибрации). Однако применение оперативных мер не всегда уберегают от поломки. И даже при бережной эксплуатации со временем наступить штатный износ детали машины. Поэтому со временем синхронный электродвигатель выходит из строя. Восстановить своими руками его не получится. И дело не в отсутствии знаний или опыта.

Для ремонта синхронного двигателя требуется профессиональный стенд со сложным оборудованием. Также большое значение имеет подробное исследование дефектов, которые помогут в определении причины поломок. Если их не выявить и не устранить, после восстановления в течение короткого времени электродвигатель снова может сломаться. Как правило, половина неисправностей наступает из-за дефектов на стороне (источник питания, рабочий механизм оборудования, рама или консоль).

У синхронных двигателей превосходные качества производительности и долговечности. СД имеют высокий КПД, способны работать в тяжелых условиях и выдавать большую механическую мощность, а также генерировать Мегаватты электроэнергии. Но со временем любые электрические машины изнашиваются и требуют восстановления.

Компания «Хельд» занимается ремонтом электромоторов любой сложности. Специалисты ремонтируют агрегаты после получения серьезного урона:

• обрыв обмотки якоря или статора;
• деформация ламелей;
• износ подшипников;
• разрушение изоляции;
• разбалансировка ротора.

Если ваш двигатель очень старый и подает признаки износа, мастера продлят его ресурс в оперативные сроки. Ремонт агрегатов занимает от двух дней. Если вам нужно восстановить бытовой или промышленный электромотор — обращайтесь к нам. Мастер быстро осмотрит оборудование и сообщит стоимость со сроками ремонта.

Что такое синхронный двигатель и как он работает?

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).

• 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.

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).

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.

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.

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).

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.

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.

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.

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.

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