Що таке синхронний двигун і де він використовується

Синхронні електродвигуни (СД) не так поширені, як асинхронні з короткозамкненим ротором. Але використовуються там, де потрібен великий крутний момент і в процесі роботи будуть відбуватися часті перевантаження. Також такий тип двигунів використовуються там, де потрібна велика потужність, щоб приводити в рух механізми, завдяки високому коефіцієнту потужності та можливості покращувати коефіцієнт потужності мережі, що істотно знизить витрати на електроенергію і навантаження на лінії. Що таке синхронний двигун, де він використовується і які у нього плюси мінуси ми розглянемо в цій статті.

Визначення та принцип дії

Якщо говорити простою мовою, то синхронним називають електродвигун, у якого швидкість обертання ротора (вала) збігається зі швидкістю обертання магнітного поля статора.

Коротко розглянемо принцип дії такого електродвигуна - він заснований на взаємодії магнітного поля статора, яке зазвичай створюється трифазним змінним струмом і постійного магнітного поля ротора.

Постійне магнітне поле ротора створюється за рахунок обмотки збудження або постійних магнітів. Струм в обмотках статора створює обертове магнітне поле, тоді як ротор в робочому режимі являє собою постійний магніт, його полюса спрямовуються до протилежних полюсів магнітного поля статора. В результаті ротор обертається синхронно з полем статора, що і є його основною особливістю.

Нагадаємо, що у асинхронного електродвигуна швидкість обертання МП статора і швидкість обертання ротора відрізняються на величину ковзання, а його механічна характеристика «горбата» з піком при критичному ковзанні (нижче його номінальної швидкості обертання).

Швидкість, з якою обертається магнітне поле статора, може бути обчислена по наступному рівнянню:

N = 60f / p

f - частота струму в обмотці, Гц, p - кількість пар полюсів.

Відповідно з цієї ж формулою визначається швидкість обертання валу синхронного двигуна.

Більшість електродвигунів змінного струму, які використовуються на виробництві, виконані без постійних магнітів, а з обмоткою збудження, тоді як малопотужні синхронні двигуни змінного струму виконуються з постійними магнітами на роторі.

Струм до обмотки збудження підводиться за рахунок кілець і щіткового вузла. На відміну від колекторного електродвигуна, де для передачі струму обертається котушці використовується колектор (набір поздовжньо розташованих пластин), на синхронному встановлені кільця поперек одного з кінців статора.

Джерелом постійного струму збудження в даний час є тиристорні збудники, часто звані «ВТЕ» (за назвою однієї з серій таких пристроїв вітчизняного виробництва). Раніше використовувалася система збудження «генератор-двигун», коли на одному валу з двигуном встановлювали генератор (він же збудник), який через резистори подавав струм в обмотку збудження.

Ротор майже всіх синхронних двигунів постійного струму виконується без обмотки збудження, а з постійними магнітами, вони хоч і схожі за принципом дії на СД змінного струму, але за способом підключення і управління ними дуже сильно відрізняються від класичних трифазних машин.

Однією з основних характеристик електродвигуна є механічна характеристика. Вона у синхронних електродвигунів наближена до прямої горизонтальної лінії. Це означає, що навантаження на валу не впливає на його обороти (поки не досягне якоїсь критичної величини).

Це досягається саме завдяки порушенню постійним струмом, тому синхронний електродвигун відмінно підтримує постійні обороти при змінюються навантаженнях, перевантаженнях і при просадках напруги (до певної межі).

Конструкція ротора

Як і будь-який інший, синхронний електродвигун складається з двох основних частин:

  • Статор. У ньому розташовані обмотки. Його ще називають якорем.
  • Ротор. На ньому встановлюють постійні магніти або обмотку збудження. Його також називають індуктором, через його призначення - створювати магнітне поле).

Для подачі струму в обмотку збудження на роторі встановлюють 2 кільця (так як збудження постійним струмом, на одне з них подають «+», а на інше «-»). Щітки закріплені на щіткотримачі.

Ротори у синхронних електродвигунів змінного струму бувають двох типів, в залежності від призначення:

  • Явнополюсні. Чітко видно полюса (котушки). Використовують при малих швидкостях і великій кількості полюсів.
  • Неявнополюсні - виглядає як кругла болванка, в прорізи на якій покладені дроти обмоток. Використовують при великих швидкостях обертання (3000, 1500 об / хв) і малому числі полюсів.

Пуск синхронного двигуна

Особливістю цього виду електричних машин є те, що його не можна просто підключити до мережі і очікувати його запуску. Крім того, що для роботи СД потрібен не тільки джерело струму збудження, у нього і досить складна схема пуску.

Запуск відбувається як у асинхронного двигуна, а для створення пускового моменту крім обмотки збудження на роторі розміщують і додаткову короткозамкненим обмотку «білячу клітку». Її ще називають «демпфирующей» обмоткою, тому що вона підвищує стійкість при різких перевантаженнях.

Струм збудження в обмотці ротора при пуску відсутня, а коли він розганяється до підсинхронних швидкості (на 3-5% менше синхронної), подається струм збудження, після чого він і ток статора робить коливання, двигун входить в синхронізм і виходить на робочий режим.

Для обмеження пускових струмів потужних машин іноді зменшують напругу на затискачах обмоток статора, підключивши послідовно автотрансформатор або резистори.

Поки синхронна машина запускається в асинхронному режимі до обмотці збудження підключаються резистори, опір яких перевищує опір самої обмотки в 5 - 10 разів. Це потрібно щоб пульсуючий магнітний потік, що виникає під дією струмів, що наводяться в обмотці при пуску, які не сповільнював розгін, а також щоб не пошкодити обмотки через індукованими в ній ЕРС.

Види

Видів таких машин дуже багато, вище була описана конструкція синхронного електродвигуна змінного струму з обмотками збудження, як найпоширенішого на виробництві. Є й інші типи, такі як:

  • Синхронні двигуни з постійними магнітами. Це різні електродвигуни, такі як PMSM - permanent magnet synchronous motor, BLDC - Brushless Direct Current та інші. Відмінності, між якими, складаються в способі управління і формі струму (синусоїдальна або трапецівіденая). Їх ще називають безколекторними або бесщеточними двигунами. Використовуються в верстатах, радіокеровані моделі, електроінструменті і т.д. Вони працюють не безпосередньо від постійного струму, а через спеціальний перетворювач.
  • Крокові двигуни - синхронні бесщеточние двигуни, у яких ротор точно утримує задане положення, їх використовують для позиціонування робочого інструмента в ЧПУ верстатах і для управління різними елементами автоматичних систем (наприклад, положення дросельної заслінки в автомобілі). Складаються з статора, в цьому випадку на ньому розташовані обмотки збудження, і ротора, який виконаний з магніто-м'якого або магніто-твердого матеріалу. Конструктивно дуже схожі на попередні типи.
  • Реактивні.
  • Гістерезисні.
  • Реактивно-гістерезисні.

Останні три типи СД також не мають щіток, вони працюють за рахунок особливої ​​конструкції ротора. У реактивних СД розрізняють три їх конструкції: поперечно-розшарований ротор, ротор з явновираженнимі полюсами і аксіально-розшарований ротор. Пояснення принципу їх роботи досить складно, і займе великий обсяг, тому ми опустимо його. Такі електродвигуни на практиці ви, швидше за все, зустрінете нечасто. В основному це малопотужні машини, використовувані в автоматиці.

Сфера використання

Синхронні двигуни коштують дорожче ніж асинхронні, до того ж вимагають додаткового джерела постійного струму збудження - це частково знижує ширину області застосування цього виду електричних машин. Однак, синхронні електродвигуни використовують для приводу механізмів, де можливі перевантаження і потрібне точне підтримання стабільних оборотів.

При цьому найчастіше використовуються в області великих потужностей - сотень кіловат і одиниць мегават, і, при цьому, пуск і зупинка відбуваються досить рідко, тобто машини працюють цілодобово довгий час. Таке застосування зумовлено тим, що синхронні машини працюють з cosФі наближеному до 1, і можуть видавати реактивну потужність в мережу, в результаті чого поліпшується коефіцієнт потужності мережі і знижується її споживання, що важливо для підприємств.

Переваги і недоліки

Якщо говорити простими словами, то у будь-якої електричної машини є свої плюси і мінуси. У синхронного двигуна позитивними сторонами є:

  • Робота з cosФі = 1, завдяки порушенню постійним струмом, відповідно вони не споживають реактивної потужності з мережі.
  • При роботі, з перепорушенням віддають реактивну потужність в мережу, покращуючи коефіцієнт потужності мережі, падіння напруги і втрати в ній і підвищується КМ генераторів електростанціях.
  • Максимальний момент, що розвивається на валу СД, пропорційний U, а у АТ - U² (квадратична залежність від напруги). Це означає, що у СД хороша здатність навантаження і стійкість роботи, які зберігаються при осіданні напруги в мережі.
  • В наслідок усього цього швидкість обертання стабільна при перевантаженнях і просадках, в межах перевантажувальної здатності, особливо при підвищенні струму збудження.

Однак суттєвим недоліком синхронного двигуна є те, що його конструкція складніше, ніж у асинхронних з КЗ-ротором, потрібен збудник, без якого він не зможе працювати. Все це призводить до більшої вартості в порівнянні з асинхронними машинами і складнощами в обслуговуванні і експлуатації.

Мабуть, на цьому достоїнства і недоліки синхронних електродвигунів закінчуються. У цій статті ми постаралися коротко викласти загальні відомості про синхронних електродвигунах. Якщо у вас є чим доповнити матеріал - пишіть в коментарях.

Додати коментар


Захисний код
Оновити