Как работают синхронные машины?

Принцип работы синхронного двигателя

Принцип работы синхронного двигателя

В целом, электрический двигатель представляет собой электромеханическое устройство, которое преобразовывает электрическую энергию в механическую.

По типу подключения двигатели бывают однофазные и 3-х фазные. Среди 3-х фазных двигателей наиболее распространенными являются индукционные (асинхронные) и синхронные электродвигатели.

Когда в 3-х фазном двигателе электрические проводники располагаются в определенном геометрическом положении (под определенным углом относительно друг друга), возникает электрическое поле. Образованное электромагнитное поле вращается с определенной скоростью, которая называется синхронной скоростью.

Если в этом вращающемся магнитном поле присутствует электромагнит, он магнетически замыкается с этим вращающимся полем и вращается со скоростью этого поля. Фактически, это нерегулируемый двигатель, поскольку он имеет всего одну скорость, которая является синхронной, и никаких промежуточных скоростей там быть не может. Другими словами, он работает синхронно с частотой сети.

Ниже дана формула синхронной скорости:

Строение синхронного двигателя

Его строение практически аналогично 3-фазному асинхронному двигателю, за исключением того факта, что на ротор подается источник постоянного тока.

На рисунке показано устройство этого типа двигателя. На статор подается 3-х фазное напряжение, а на ротор – источник постоянного тока.

Строение синхронного двигателя

Основные свойства синхронных двигателей:

• Синхронные электродвигатели не являются самозапускающимся механизмом. Они требуют определенного внешнего воздействия, чтобы выработать определенную синхронную скорость.
• Двигатель работает синхронно с частотой электрической сети. Поэтому при обеспечении бесперебойного снабжения частоты он ведет себя так, как двигатель с постоянной скоростью.
• Этот двигатель имеет уникальные характеристики, функционируя под любым коэффициентом мощности. Поэтому они используются для увеличения фактора силы.

Видео: Строение и принцип работы синхронного двигателя

Принципы работы синхронного двигателя

Электронно-магнитное поле синхронного двигателя обеспечивается двумя электрическими вводами. Это обмотка статора, которая состоит из 3-х фаз и предусматривает 3 фазы источника питания и ротор, на который подается постоянный ток.

3 фазы обмотки статора обеспечивают вращение магнитного потока. Ротор принимает постоянный ток и производит постоянный поток. При частоте 50 Гц 3-х фазный поток вращается около 3000 оборотов в 1 минуту или 50 оборотов в 1 секунду. В определенный момент полюса ротора и статора могут быть одной полярности (++ или – – ), что вызывает отталкивания ротора. После этого полярность сразу же меняется (+–), что вызывает притягивание.

Но ротор по причине своей инерции не в состоянии вращаться в любом направлении из-за силы притяжения или силы отталкивания и не может оставаться в состоянии простоя. Он не самозапускающийся.

Чтобы преодолеть инерцию силы, необходимо определенное механическое воздействие, которое вращает ротор в том же направлении, что и магнитное поле, обеспечивая необходимую синхронную скорость. Через некоторое время происходит замыкание магнитного поля, и синхронный двигатель вращается с определенной скоростью.

Способы запуска

• Пуск синхронного двигателя при помощи вспомогательного двигателя. Синхронный двигатель механически соединяется с другим двигателем. Это может быть либо 3-х фазный индукционный двигатель, либо двигатель постоянного тока. Постоянный ток изначально не подается. Двигатель начинает вращаться со скоростью, близкой к синхронной скорости, после чего подается постоянный ток. После того, как магнитное поле замыкается, связь со вспомогательного двигателя прекращается.
• Асинхронный пуск. В полюсных наконечниках полюсов ротора устанавливается дополнительная короткозамкнутая обмотка. При включении напряжения в обмотку статора возникает вращающееся магнитное поле. Пересекая короткозамкнутую обмотку, которая заложена в полюсных наконечниках ротора, это вращающееся магнитное поле индуцирует в ней токи, который взаимодействуя с вращающимся полем статора, приводят ротор во вращение. Когда достигнута синхронная скорость, ЭДС и крутящийся момент уменьшается. И наконец, когда магнитное поле замыкается, крутящий момент также сводится к нулю. Таким образом, синхронность вначале запускается индукционным двигателем с использованием дополнительной обмотки.

Применение

• Синхронный двигатель используется для улучшения коэффициента мощности. Синхронные двигатели широко применяются в энергосистеме, поскольку они работают при любом коэффициенте мощности и имеют экономичные эксплуатационные показатели.
• Синхронные двигатели находят свое применение там, где рабочая скорость не превышает 500 об / мин и требуется увеличить мощность. Для энергетической потребности от 35 кВт до 2500 кВт, стоимость, размер, вес и соответствующего индукционного двигателя будет довольно высоким. Такие двигатели часто используются для работы поршневых насосов, компрессоров, прокатных станков и другого оборудования.

Устройство и принцип действия синхронного двигателя

Отличие от асинхронного мотора

Главное отличие синхронной машины заключается в том, что скорость вращения якоря такая же, как и аналогичная характеристика магнитного потока.

И если в асинхронных моторах используется короткозамкнутый ротор, то в синхронных имеется на нем проволочная обмотка, к которой подводится переменное напряжение.

В некоторых конструкциях используются постоянные магниты. Но это делает двигатель дороже.

Если увеличивать нагрузку, подключаемую к ротору, частота вращения его не изменится. Это одна из ключевых особенностей такого типа машин. Обязательное условие – у движущегося магнитного поля должно быть столько же пар полюсов, сколько у электромагнита на роторе. Именно это гарантирует постоянную угловую скорость вращения этого элемента двигателя. И она не будет зависеть от момента, приложенного к нему.

Конструкция мотора

Устройство и принцип действия синхронных двигателей несложны.

Конструкция включает в себя такие элементы:

1. Неподвижная часть – статор. На ней находится три обмотки, которые соединяются по схеме «звезда» или «треугольник». Статор собран из пластин электротехнической стали с высокой степенью проводимости.
2. Подвижная часть – ротор. На нем тоже имеется обмотка. При работе на нее подается напряжение.

Между ротором и статором имеется прослойка воздуха. Она обеспечивает нормальное функционирование двигателя и позволяет магнитному полю беспрепятственно воздействовать на элементы агрегата. В конструкции присутствуют подшипники, в которых вращается ротор, а также клеммная коробка, расположенная в верхней части мотора.

Как работает двигатель

Если кратко, принцип действия синхронного двигателя, как и любого другого, заключается в преобразовании одного вида энергии в другой. А конкретно – электрической в механическую. Работает мотор таким образом:

1. На статорные обмотки подается переменное напряжение. Оно создает магнитное поле.
2. На обмотки ротора также подается переменное напряжение, создающее поле. Если используются постоянные магниты, то это поле уже по умолчанию имеется.
3. Два магнитных поля взаимопересекаются, противодействуют друг другу – одно толкает другое. Из-за этого двигается ротор. Именно он установлен на шарикоподшипниках и способен свободно вращаться, дать ему нужно только толчок.

Вот и все. Теперь остается только использовать полученную механическую энергию в нужных целях. Но требуется знать, как правильно вывести в нормальный режим синхронный двигатель. Принцип работы у него отличается от асинхронного. Поэтому требуется придерживаться определенных правил.

Для этого электродвигатель подключают к оборудованию, которое необходимо привести в движение. Обычно это механизмы, которые должны работать практически без остановок – вытяжки, насосы и прочее.

Синхронные генераторы

Обратная конструкция – синхронные генераторы. В них процессы протекают немного иначе. Принцип действия синхронного генератора и синхронного двигателя отличаются, но не существенно:

1. На обмотку статора не подается напряжение. С нее оно снимается.
2. На обмотку ротора подается переменное напряжение, которое необходимо для создания магнитного поля. Потребление электроэнергии крайне маленькое.
3. Ротор электрогенератора раскручивается при помощи дизельного или бензинового двигателя либо же силой воды, ветра.
4. Вокруг ротора имеется магнитное поле, которое двигается. Поэтому в обмотке статора индуцируется ЭДС, а на концах появляется разность потенциалов.

Но в любом случае требуется стабилизировать напряжение на выходе генераторной установки. Для этого достаточно запитать роторную обмотку от источника, напряжение которого постоянно и не изменяется при колебаниях частоты вращения.

Полюсы обмоток двигателя

В конструкции ротора имеются постоянные или электрические магниты. Их обычно называют полюсами. На синхронных машинах (двигателях и генераторах) индукторы могут быть двух типов:

1. Явнополюсными.
2. Неявнополюсными.

Они различаются между собой только взаимным расположением полюсов. Для уменьшения сопротивления со стороны магнитного поля, а также улучшения условий для проникновения потока, используются сердечники, изготовленные из ферромагнетиков.

Эти элементы располагаются как в роторе, так и в статоре. Для изготовления используются только сорта электротехнической стали. В ней очень много кремния. Это отличительная особенность такого вида металла. Это позволяет существенно уменьшить вихревые токи, повысить электрическое сопротивление сердечника.

Воздействие полюсов

В основе конструкции и принципа действия синхронных двигателей лежит обеспечение влияния пар полюсов ротора и статора друг на друга. Для обеспечения работы нужно разогнать индуктор до определенной скорости. Она равна той, с которой вращается магнитное поле статора. Именно это позволяет обеспечить нормальную работу в синхронном режиме. В момент, когда происходит запуск, магнитные поля статора и ротора взаимно пересекаются. Это называется «вход в синхронизацию». Ротор начинает вращаться со скоростью, как у магнитного поля статора.

Запуск электродвигателей синхронного типа

Самое сложное в работе синхронного мотора – это его запуск.

Именно поэтому его используют крайне редко. В

едь конструкция усложняется за счет системы запуска.

На протяжении долгого времени работа синхронного двигателя зависела от разгонного асинхронника, механически соединенным с ним.

Что это значит? Второй тип двигателя (асинхронный) позволял разогнать ротор синхронной машины до подсинхронной частоты.

Обычные асинхронники не требуют специальных устройств для запуска, достаточно только подать рабочее напряжение на обмотки статора.

После того, как будет достигнута требуемая скорость, происходит отключение разгонного двигателя. Магнитные поля, которые взаимодействуют в электрическом моторе, сами выводят его на работу в синхронном режиме. Для разгона потребуется другой двигатель. Его мощность должна составлять примерно 10-15 % от аналогичной характеристики синхронной машины. Если нужно вывести в режим электродвигатель 1 кВт, для него потребуется разгонный мотор мощностью 100 Вт. Этого вполне достаточно, чтобы машина смогла работать как в режиме холостого хода, так и с незначительной нагрузкой на валу.

Более современный способ разгона

Стоимость такой машины оказывалась намного выше. Поэтому проще использовать обычный асинхронный мотор, пусть и много у него недостатков. Но именно его принцип работы и был использован для уменьшения габаритов и стоимости всей установки. При помощи реостата производится замыкание обмоток на роторе. В итоге двигатель становится асинхронным. А запустить его оказывается намного проще – просто подается напряжение на обмотки статора.

Во время выхода на подсинхронную скорость возможно раскачивание ротора. Но это не происходит за счет работы его обмотки. Напротив, она выступает в качестве успокоителя. Как только частота вращения будет достаточной, производится подача постоянного напряжения на обмотку индуктора. Двигатель выводится в синхронный режим. Но такой способ можно воплотить только в том случае, если используются моторы с обмоткой на роторе. Если там применяется постоянный магнит, придется устанавливать дополнительный разгонный электродвигатель.

Преимущества и недостатки синхронных моторов

Основное преимущество (если сравнивать с асинхронными машинами) – за счет независимого питания роторной обмотки агрегаты могут работать и при высоком коэффициенте мощности. Также можно выделить такие достоинства, как:

1. Снижается ток, потребляемый электродвигателем, увеличивается КПД. Если сравнивать с асинхронным мотором, то эти характеристики у синхронной машины оказываются лучше.
2. Момент вращения прямо пропорционален напряжению питания. Поэтому даже если снижается напряжение в сети, нагрузочная способность оказывается намного выше, нежели у асинхронных машин. Надежность устройств такого типа существенно выше.

Но вот имеется один большой недостаток – сложная конструкция. Поэтому при производстве и последующих ремонтах затраты окажутся выше. Кроме того, для питания обмотки ротора обязательно требуется наличие источника постоянного тока. А регулировать частоту вращения ротора можно только с помощью преобразователей – стоимость их очень высокая. Поэтому синхронные моторы используются там, где нет необходимости часто включать и отключать агрегат.

Синхронные и асинхронные двигатели, их отличия и разница в применении

Синхронный двигатель

Этот тип двигателя способен работать одновременно и в качестве генератора, и как, собственно, двигатель. Его устройство сродни синхронному генератору. Характерной особенностью двигателя является неизменяемая частота роторного вращения от нагрузки.

Эти виды двигателей широко применяются во многих сферах, например, для электрических проводов, которым необходима постоянная скорость.

Принцип работы синхронного двигателя

В основу его функционирования положено взаимодействие вращающегося магнитного поля якоря и магнитных полей индукторных полюсов. Обычно якорь находится в статоре, а индуктор распологается в роторе. Для мощных моторов используются электрические магниты для полюсов, а для слабых — постоянные.

Принцип работы синхронного двигателя включает в себя (кратковременно) и асинхронный режим, который обычно применяют для разгона до необходимой (то есть номинальной) скорости вращения. В это время индукторные обмотки замыкаются накоротко или посредством реостата. После достижения необходимой скорости индуктор начинают питать постоянным током.

Возбуждение синхронной машины

Для питания обмотки возбуждения предусмотрено наличие возбудителя, в его качестве выступает генератор постоянного тока, якорь которого сопряжен с валом машины, посредством использования механического устройства.

По способу возбуждения синхронные машины подразделяются на два типа:

1. Возбуждение независимого вида.
2. Самовозбуждение.

При независимом возбуждении схема подразумевает наличие подвозбудителя, который питает: обмотку главного возбудителя, реостат для регулировки, устройства управления, регуляторы напряжения и т. д. Кроме этого способа, возбуждение может осуществляться от генератора, выполняющего вспомогательную функцию, он приводится в работу от двигателя синхронного или асинхронного типа.

Для самовозбуждения, питание обмотки происходит через выпрямитель, работающий на полупроводниках или ионного типа.

Для турбо- и гидрогенераторов используют тиристорные устройства возбуждения. Ток возбуждения регулируется в автоматическом режиме при помощи регулятора возбуждения. Для синхронных машин малой мощности характерно использование регулировочных реостатов, они включены в цепь обмотки возбуждения.

Асинхронный двигатель

Данный вид устройста представляет механизм, направленный на трансформацию электрической энергии переменного тока в механическую. Из самого названия «асинхронный» можно сделать вывод, что речь идет о неодновременном процессе. И действительно, частота вращения магнитного поля статора здесь выше роторной всегда. Такое устройство состоит из статора цилиндрической формы и ротора, в зависимости от вида которого асинхронные двигатели короткозамкнутые могут быть и с фазным ротором.

Синхронные электрические машины. Принцип действия

Синхронно (от греч. σύγχρονα, σύγ — вместе, χρονα – время) — используется в русском языке для обозначения (наименования) процессов совпадающих во времени.

Синхронными, в электротехнике, принято называть машины переменного тока, в процессе работы которых частоты вращения ротора и вращающегося магнитного поля статора равны (n2= n1, рис.1,а). Конструктивно ротор синхронных машин выполняется так, что в его обмотках ЭДС. не индуктируется (как в асинхронных, где ЭДС индуктируется полем статорных обмоток), а магнитное поле создаётся как результат протекания постоянного тока подводимого от внешнего источника ЭДС, или с помощью постоянных магнитов.

На рис.1,б изображена схема подключения синхронной электрической машины как двигателя, где при наличии напряжения U1 на статорных обмотках 3 и Uв на обмотке 4 ротора 2 последний будет вращаться. При этом, частота вращения ротора, в установившемся режиме, будет соответствовать частоте вращения магнитного поля создаваемого обмотками статора.

Рис.1. Электромагнитная схема синхронной машины (а) и схема её подключение, как двигателя, к сети трёхфазного тока (б) , где: 1- статор, 2 – ротор, 3 — обмотка статора , 4 — обмотка возбуждения , 5- контактные кольца, 6 – щётки, n2 – частота вращения ротора, n1 – частота вращения магнитного поля статора.

Синхронные машины очень часто применяют не только как двигатели, но и как генераторы. Если вместо внешнего напряжения U1 (рис.1,б ) к выводам обмоток статора подключить нагрузку, а на обмотку ротора подать Uв (посредством контактных колец 5 и щёток 6) и начать его вращать, например соединив его с валом другого двигателя, то как результат пересечения потоком возбуждения ротора проводников обмоток статора на его фазных обмотках начнёт индуктироваться переменная э.д.с.(напряжение) и по нагрузке потечёт ток. Зависимость частоты сгенерированного таким образом напряжения от частоты вращения магнитного потока ротора:

f1 = p x n2 / 60 (1)

где: f1 – частота сгенерированного напряжения; n2 – частота вращения магнитного поля ротора; p – число пар полюсов электрической машины (генератора).

В обмотках статора (при подключённой к ним нагрузке), в свою очередь, начнёт протекать ток создающий вращающееся магнитное поле статора:

n1 = 60 x f1 / p (2)

где: n1 – частота вращающегося магнитного поля статора; f1 – частота сгенерированного в обмотках статора напряжения; p – число пар полюсов электрической машины (генератора).

Из выражений (1) и (2) следует, что n1= n2 а это означает, что частоты вращения ротора и магнитного поля статора равны, т.е. синхронны. Поэтому рассматриваемую нами машину называют синхронной. Для такой машины характерно, что результирующее магнитное поле вращается с той же частотой что и ротор, т.к. результирующий магнитный поток Фрез. создаётся в результате взаимодействий МДС обмотки возбуждения ротора(индуктора) и обмотки статора(якоря).

Для установившихся режимов работы синхронной машины характерны следующие особенности:

• как в двигательном так и в генераторном режимах, ротор машины вращается с частотой равной частоте вращающегося магнитного поля создаваемого статором, то есть n2= n1 (рис.1,а) ;
• частота изменений индуктируемой в обмотках статора(якоря) ЭДС Е , пропорциональна частоте вращения ротора(индуктора);
• в обмотке ротора э.д.с. не индуктируется, а подводится извне, то есть её МДС создаётся от внешнего источника возбуждения Uв и не зависит от режима работы (двигательного или генераторного).

Очень часто вместо обмоток ротора, для создания МДС, используют набор из постоянных магнитов, что исключает необходимость использования внешнего источника возбуждения Uв.

В энергетике, синхронные машины , главным образом, применяют для преобразования механической энергии от первичных двигателей(или турбин) в электрическую энергию переменного тока, то есть в качестве генераторов. В других отраслях большее применение находят двигатели.

Синхронные двигатели бывают: с обмотками возбуждения, с постоянными магнитами, реактивные, гистерезисные, реактивно-гистерезисные, шаговые. Маломощные синхронные микродвигатели широко используют в системах автоматики, бытовых приборах, фотоаппаратах, часах и так далее. Двигатели с постоянными магнитами различной мощности применяют, в следящих приводах систем ЧПУ, в бытовой и автомобильной технике, и так далее.

Трехфазные синхронные машины широко применяют в промышленных установках, а однофазные в приводах компрессоров, вентиляторов, в автоматических приборах и так далее.

По сравнению с асинхронными, синхронные электрические двигатели выгодно отличаются гораздо большей мощностью и полезной нагрузкой. При ударных нагрузках намного лучше, чем асинхронные сохраняют постоянство частоты вращения, что немаловажно, особенно в таких отраслях как металлургия и металлообработка. Синхронные электрические двигатели могут развивать мощность до 20 тыс. киловатт и “более”…

К недостаткам синхронных электрических машин можно отнести их конструктивную сложность, наличие внешнего возбуждения обмоток ротора, сложность запуска “в отдельных случаях”, относительно высокая стоимость.

Похожие материалы:

• Принцип действия машины постоянного тока
• Вторичные реле максимального тока прямого действия
• Вторичные реле максимального тока косвенного действия
• Какими будут машины на основе машинного обучения?
• Как 5G сможет изменить производственные и…
• Готовы ли вы и ваши производственные машины к…

Синхронный и асинхронный двигатель: отличия

Отличие работы двигателей — в роторе. У синхронного типа он заключается в постоянном или электрическом магните. Благодаря притягиванию разноименных полюсов вращающееся поле статора влечет и магнитный ротор. Их скорость получается одинаковой. Отсюда и название — синхронный.

В нем можно добиться, в отличие от асинхронного, даже опережения напряжения по фазам. Тогда устройство, подобно батареям конденсатора, может применяться для увеличения мощности.

Асинхронные двигатели, в свою очередь, просты и надежны, но их недостатком является трудность регулировки частоты вращения. Для реверсирования трехфазного асинхронного двигателя (то есть изменения направления его вращения в противоположную сторону) меняют расположение двух фаз или двух линейных проводов, приближающихся к обмотке статора.

Если рассматривать частоту вращения, то имеют и здесь синхронный и асинхронный двигатель отличия. В синхронном типе этот показатель является постоянным, в отличие от асинхронного. Поэтому первый используют там, где необходима постоянная скорость и полная управляемость, например, в насосах, вентиляторах и компрессорах.

Выявить на том или ином устройстве наличие рассматриваемых типов приборов очень просто. На асинхронном двигателе будет не круглое число оборотов (например, девятьсот тридцать в минуту), в то время как на синхронном — круглое (например, тысяча оборотов в минуту).

И те, и другие моторы управляются достаточно сложно. Синхронный тип имеет жесткую характеристику механики: при любой меняющейся нагрузке на вал мотора частота вращения будет одной и той же. При этом нагрузка, конечно, должна меняться с учетом того, чтобы двигатель способен ее выдержать, иначе это приведет к поломке механизма.

Так устроен синхронный и асинхронный двигатель. Отличия обоих видов обуславливают сферу их использования, когда один вид справляется с задачей оптимальным образом, для другого это будет проблематичным. В то же время можно встретить и комбинированные механизмы.

Типы синхронных машин

Существует несколько разновидностей подобных машин, это:

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.

Что такое синхронный двигатель и где он используется

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

• Определение и принцип действия
• Конструкция ротора
• Пуск синхронного двигателя
• Виды
• Сфера применения
• Преимущества и недостатки

Определение и принцип действия

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Ниже вы видите условное обозначение на схеме синхронной машины.

Конструкция ротора

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

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

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

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

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

Пуск синхронного двигателя

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

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

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

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

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

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

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

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

Сфера применения

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

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

Преимущества и недостатки

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

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

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

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

Синхронные машины

Механическая энергия превращается в электрическую почти исключительно синхронными генератор а м и. Так называются электрические машины, у которых скорость вращения ротора жестко связана с числом пар полюсов и частотой тока,

п = (f • 60)/p

При промышленной частоте f = 50 гц и р = 1, 2, 3 и т. д. роторы синхронных машин имеют скорости вращения п = 3 000, 1 500, 1 000 об/мин и т. д. Синхронные генераторы, приводимые во вращение быстроходными паровыми турбинами, называются турбогенераторами и имеют обычно п = 3 000, 1 500 об/мин. Число пар полюсов их 1, 2.

Синхронные генераторы, которые вращаются гидравлическими турбинами, использующими энергию воды рек и водохранилищ, называются гидрогенераторами. Так как гидравлическая турбина не может в этом случае быть быстроходной, то для получения тока стандартной частоты 50 гц число пар полюсов гидрогенератора приходится делать большим. Так, гидрогенераторы Братской ГЭС по 225 000 квт, 15 750 в, cos φ = 0,85 построены на п = 125 об/мин при р = 24. Гидрогенераторы Красноярской ГЭС на 500 000 квт, 15 750 в, cos φ = 0,85 имеют п = = 93,8 об/мин и р = 32.

Рис. 11-1. Общий вид ротора турбогенератора.

Синхронные машины работают также и в режиме электродвигателей, с успехом заменяя асинхронные электродвигатели больших мощностей. Они применяются для привода мощных насосов и воздуходувок.

Синхронные двигатели, работающие вхолостую и имеющие поэтому облегченную механическую конструкцию, называются синхронными компенсаторами и служат для улучшения cos φ сетей и к. п. д. электростанций.

УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ СИНХРОННОЙ МАШИНЫ

Синхронные машины имеют две основные части: статоре помещенной на нем обмоткой, в которой наводится э. д. с. и поэтому называемой обмоткой якоря, и ротор, который при нормальном исполнении машин не сет полюсы с обмоткой возбуждения. Обмотка статора (якоря) вполне подобна обмотке статора асинхронного дви гателя (рис. 10-9 — 10-12 ). Ротор турбогенераторов имеет вид цилиндра, с помещенной в пазах его обмоткой воз буждения (рис. 11-1). Пазы ротора и секция обмотки воз буждения схематически показаны на рис. 11-2. Ротор тихо ходной машины имеет выступающие полюсы подобно показанному схематически на рис. 11-3.

Во всех случаях ток в обмотке возбуждения 1 подводится через щетки 2 и контактные кольца 3 от возбудителя В — специального генератора постоянного тока обычно параллельного возбуждения (рис. 11-4), помещенного на общем валу с ротором или механически соединенного с ним. В последнее время постоянный ток для возбуждения получают иногда от ртутных и полупроводниковых выпрямителей.

Рис. 11-2. Ротор турбо генератора без обмотки и одна секция обмотки возбуждения.

Для машин малой мощности иногда применяют обращенную конструкцию, при которой полюсы неподвижны, а обмотка якоря вращается.

Генератор работает следующим образом. Ротор машины (рис. 11-3, 11-4) приводится во вращение первичным двигателем с номинальной скоростью, которая поддерживается постоянной автоматическим регулятором скорости двигателя.

После этого возбуждают генератор, подавая ток возбуждения I_в в обмотку ротора 1. Вращающийся с постоянной скоростью поток полюсов Ф_в, пересекая обмотку якоря 4 (рис. 11-4), наводит в ней э. д. с.

называемую э. д. с. холостого хода.

Рис. 11-3. Схема тихоходного синхронного генератора.

Характеристика холостого хода синхронного генератора Е₀ = f (I_в) при I = 0 и f = const вполне аналогична такой же характеристике генератора постоянного тока с независимым возбуждением.

Статья на тему Синхронные машины

Синхронные машины: возбуждение, устройство, принцип работы

Синхронными машинами называют устройства частота вращения ротора, в которых она всегда равна или же кратна аналогичному показателю магнитного поля внутри воздушного зазора, которое создается за счет тока проходящего по якорной обмотке. В основе работы данного типа машин лежит принцип электромагнитной индукции.

1. Возбуждение синхронных машин
2. Устройство синхронной машины
3. Принцип действия синхронных машин

Возбуждение синхронных машин

Возбуждение синхронных машин может производиться за счет электромагнитного воздействия или же постоянного магнита. В случае с электромагнитным возбуждением применяется специальный генератор постоянного тока, который и питает обмотку, в связи со своей основной функцией данное устройство получило название возбудитель. Стоит отметить, что система возбуждения также делится на два вида по способу воздействия – прямой и косвенный. Прямой метод возбуждения подразумевает, что вал синхронной машины напрямую соединен механическим способом с ротором возбудителя. Косвенный же метод предполагает, что для того чтобы заставить ротор вращаться используется другой двигатель, например асинхронная электромашина.

Наибольшее распространение сегодня получил именно прямой метод возбуждения. Однако в тех случаях, когда предполагается работа системы возбуждения с мощными синхронными электромашинами применяют генераторы независимого возбуждения, на обмотку которых ток подается с другого источника постоянного тока, называемого подвозбудителем. Несмотря на всю громоздкость, данная система позволяет добиться большей стабильности в работе, а также более тонкой настройки характеристик.

Устройство синхронной машины

У синхронной электрической машины существует две основных составляющих части: индуктор (ротор) и якорь (статор). Самой оптимальной и потому распространенной на сегодняшний день является схема, когда якорь располагают на статоре, в то время как индуктор располагается на роторе. Обязательным условием для функционирования механизма является наличие между этими двумя частями воздушной прослойки. Якорь в данном случае представляет собой неподвижную часть устройства (статор). Он может состоять как из одной, так и из нескольких обмоток, в зависимости от необходимой мощности магнитного поля, которое он должен создавать. Сердечник статора, как правило, набирается из отдельных тонких листов электротехнической стали.

Индуктор в синхронных электрических машинах представляет собой электромагнит, при этом концы его обмотки выводятся непосредственно на контактные кольца на валу. Во время работы индуктор возбуждается постоянным током, благодаря которому ротор и создает электромагнитное поле, взаимодействующее с магнитным полем якоря. Таким образом, благодаря постоянному току, возбуждающему индуктор, достигается постоянная частота вращения магнитного поля внутри синхронной машины.

Принцип действия синхронных машин

В основе принципа работы синхронной машины лежит взаимодействие двух типов магнитных полей. Одно из этих полей образуется якорем, другое же возникает вокруг возбуждаемого постоянным током электромагнита – индуктора. Непосредственно после выхода на рабочую мощность магнитное поле создаваемое статором и вращающееся внутри воздушной прослойки, сцепляется с магнитными полями на полюсах индуктора. Таким образом, для того чтобы синхронная машина достигла рабочей частоты вращения, требуется определенное время на ее разгон. После того как машина разгоняется до необходимой частоты, на индуктор подается питание от источника постоянного тока.

Вопрос 56. Синхронные машины. Типы синхронных машин и их устройство. Принцип действия синхронных машин. Способы возбуждения синхронных машин.

Синхронные машины — это такие машины, в которых частота вращения ротора совпадает с частотой вращения магнитного поля статора. Основными частями синхронной машины являются якорь и индуктор. Наиболее частым исполнением является, якорь располагается на статоре, а на отделённом от него воздушным зазором роторе находится индуктор. Якорь представляет собой одну или несколько обмоток переменного тока. В двигателях токи, подаваемые в якорь, создают вращающееся магнитное поле, которое сцепляется с полем индуктора, и таким образом происходит преобразование энергии. В генераторах поле реакции якоря создаётся переменными токами, индуцируемыми в обмотке якоря от индуктора. Индуктор состоит из полюсов — электромагнитов постоянного тока или постоянных магнитов. Индукторы синхронных машин имеют две различные конструкции: явнополюсную или неявнополюсную. Явнополюсная машина отличается тем, что полюса ярко выражены и имеют конструкцию, схожую с полюсами машины постоянного тока. При неявнополюсной конструкции обмотка возбуждения укладывается в пазы сердечника индуктора, весьма похоже на обмотку роторов асинхронных машин с фазным ротором, с той лишь разницей, что между полюсами оставляется место, незаполненное проводниками (так называемый большой зуб). Неявнополюсные конструкции применяются в быстроходных машинах, чтобы уменьшить механическую нагрузку на полюса. Для уменьшения магнитного сопротивления, применяют ферромагнитные сердечники ротора и статора. В основном они представляют собой шихтованную конструкцию из электротехнической стали. Любая синхронная машина нуждается в процессе возбуждения — наведения в ней магнитного поля. Основным способом возбуждения синхронных машин является электромагнитноевозбуждение, сущность которого состоит в том, что на полюсах ротора располагают обмотку возбуждения. При про­хождении по этой обмотке постоянного тока возни­кает МДС возбуждения, которая наводит в магнит­ной системе машины магнитное поле. Для питания обмотки возбуждения применяются специальные генераторы постоянного тока независимого возбуждения, называемые возбудителями В, обмотка возбуждения которого (ОВ) получала пита­ние постоянного тока от другого генератора (параллельного возбуждения), называемого подвозбудителем (ПВ). Ротор синхронной машины и якоря возбудителя и подвозбудителя располагаются на общем валу и вращаются одновременно. При этом ток в обмотку возбуждения синхронной машины поступает через контактные кольца и щетки. Для регулирования тока возбуждения применяют регу­лировочные реостаты, включаемые в цепи возбуж­дения возбудителя (r₁)и подвозбудителя (r₂).

Получила применение в синхронных генераторах бескон­тактная система электромагнитного возбуждения, при которой синхронный генератор не имеет контактных колец на роторе.

В качестве возбудителя и в этом случае применяют генератор переменного тока, у которого обмотка, в которой наводится ЭДС (обмотка якоря), расположена на роторе, а обмот­ка возбуждения расположена на статоре. В результате обмотка якоря возбудителя и обмотка возбуждения синхронной машины оказываются вращающимися, и их электрическое соединение осу­ществляется непосредственно, без контактных колец и щеток. Но так как возбудитель является генератором переменного тока, а об­мотку возбуждения необходимо питать постоянным током, то на выходе обмотки якоря возбудителя включают полупроводниковый преобразователь, закрепленный на валу синхронной машины и вращающийся вместе с обмоткой возбуждения синхронной маши­ны и обмоткой якоря возбудителя. Питание постоянным током обмотки возбуждения возбудителя осуществляется от подвозбудителя (ПВ) — генератора постоянного тока. В синхронных генераторах, в том числе гидрогенераторах, получил распространение принцип самовозбуждения, когда энергия переменного тока, необходимая для возбуждения, отбирается от обмотки статора синхронного генератора и через понижающий трансформатор и выпрямительный полупро­водниковый преобразователь (ПП) преобразуется в энергию по­стоянного тока. Принцип самовозбуждения основан на том, что первоначальное возбуждение генератора происходит за счет остаточного магнетизма магнитопровода машины.

Вопрос 58. Характеристики синхронного генератора: холостого хода, короткого замыкания, внешняя характеристика, регулировочная, нагрузочная, угловые характеристики. Их вид и анализ.Характеристика холостого хода синхронного генератора. Имеет прямолинейные и криволинейные участки, что связано с насыщением стали магнитной системы. Характеристика к.з: Это зависимость тока статора от тока возбужденияпри замкнутых выводах обмотки статора и постоянной частоте вращения. Машина будет работать на прямолинейном участке нагрузочной характеристики, и характеристика к.з. будет прямолинена.Внешняя характеристика. Представляет собой зависимость напряжения на выводах обмотки статора от тока нагрузки: U₁ = f (I₁) при I_в = const; соs φ₁, = const; n₁ = n_ном = const.Регулировочная характеристика. Она показывает, как следует изменять ток возбуждения генератора при изменениях нагрузки, что­бы напряжение на зажимах генератора оставалось неизменно равным номинальному: I_в = f (I₁) при U₁ = U_1ном = const; n₁ = n_ном = const и cos φ₁ = const.++++Рисунки

Вопрос 57. Магнитное поле и реакция якоря синхронной машины. Уравнение напряжений синхронного генератора. Векторные диаграммы синхронного генератора при различных видах нагрузок.Воздействие МДС обмотки статора (якоря) на МДС обмотки возбуждения называется реакци­ей якоря. Реакция якоря оказывает влияние на рабочие свойства синхронной машины, так как изменение магнитного поля в маши­не сопровождается изменением ЭДС, наведенной в обмотке стато­ра, а следовательно, изменением и рада других величин, связан­ных с этой ЭДС. Влияние реакции якоря на работу синхронной машины зависит от значения и характера нагрузки. Синхронные генераторы, как правило, работают на смешан­ную нагрузку (активно-индуктивную или активно-емкостную). Но для выяснения вопроса о влиянии реакции якоря на работу син­хронной машины целесообразно рассмотреть случаи работы гене­ратора при нагрузках предельного характера, а именно: активной, индуктивной и емкостной. При активной нагрузке ток в обмотке статора совпадает по фазе с ееЭДС . Это означает, что максимальной будет соот­ветствовать максимальному току. Показав по правилу «буравчика» направление магнитных потоков обмоток возбуждения и статора, видим, что поток статора Ф направлен перпендикулярно потоку возбуждения Фо, т. е. имеет место поперечная реакция якоря. В синхронной машине поперечная реакция якоря приводит к тем же последствиям, что и в машине постоянного тока искажается результирующее поле машины. Магнит­ное поле ослабляется под набегающим краем полюса и усиливает­ся под сбегающим краем полюса. Так как усиление поля ограни­чено насыщением стали, а ослабление не ограничено, результирующий магнитный поток машины уменьшается. Это ведет к уменьшению ЭДС машины. При индуктивной нагрузке ток статора отстает от ЭДС по фазе на 90°. Поэтому, когда ток статора достигнет мак­симума, ротор успеет провернуться на 90° и поток статора Ф_г на­правлен вдоль оси полюса ротора противоположно основному по­току Фо- Таким образом, поток статора при индуктивной нагрузке ослабляет поле машины, и реакция якоря оказывает продольно-размагничивающее действие. При емкостной нагрузке ток статора опережает ЭДС на 90°, и ток будет максимальным тогда, когда ротор еще не довернется до вертикального положения на 90°, и потоки статора и обмотки возбуждения будут совпадать. При этом магнитное по­ле машины усиливается, реакция якоря — продольно-намагничивающаяся .

Вопрос 60. Параллельная работа синхронных генераторов. Необходимость и условия включения на параллельную работу синхронных генераторов. Способы включения синхронных генераторов на параллельную работу.Применение нескольких параллельно включенных синхронных генераторов вместо одного генератора суммарной мощности необходимо для обеспечения бесперебойного энергоснабжения в случае аварии в каком-либо генераторе или отключения его для ремонта. Для включения синхронного генератора на параллельную работу необходимо выполнить следующие условия: 1. Напряжение подключаемой машины должно быть равно напряжению сети или работающей машины. 2. Частота подключаемого генератора должна быть равна частоте сети. 3. Напряжения всех фаз подключаемой машины должны быть противоположны по фазе напряжениям соответствующих фаз сети или работающей машины. 4. Для подключения на параллельную работу трехфазного синхронного генератора необходимо также обеспечить одинаковое чередование фаз подключаемой машины и сети.Приведение генератора в состояние, удовлетво­ряющее всем указанным условиям, называют син­хронизацией. Несоблюдение любого из условий син­хронизации приводит к появлению в обмотке статора больших уравнительных токов, чрезмерное значение которых может явиться причиной аварии.Включить генератор в сеть с параллельно рабо­тающими генераторами можно или способом точной синхронизации, или способом самосинхронизацииСпособ точной синхронизации. Сущность это­го способа состоит в том, что, прежде чем включить генератор в сеть, его приводят в состояние, удовле­творяющее всем вышеперечисленным условиям. Момент соблюдения этих условий, т. е. момент син­хронизации, определяют прибором, называемым синхроноскопом. Способ самосин­хронизации. Ротор не­возбужденного генера­тора приводят во вра­щение первичным дви­гателем до частоты вращения, отличающейся от синхронной не более чем на 2—5%, затем генератор подключают к сети. Для того чтобы избежать перенапряжений в обмотке ротора в момент подключения генератора к сети, ее замыкают на некоторое активное Сопротивление. Так как в момент подключения генератора к сети его ЭДС равна нулю (генератор не возбужден), то под действием напряжения сети в обмотке статора наблюдается резкий бросок тока, превышающий номинальное значение тока генератора. Вслед за включением обмотки статора в сеть подключают обмотку возбуждения к источнику постоянного тока и синхронный генера­тор под действием электромагнитного момента, действующего на его ротор, втягивается в синхронизм, т. е. частота вращения ротора становится синхронной. При этом ток статора быстро уменьшается.

Вопрос 62. Синхронные машины специального назначения. Реактивные синхронные, гистерезесные, шаговые двигатели. Назначение, устройство и принцип действия.Реактивный двигатель представляет собой явнополюсную синхронную машину без обмотки возбуждения. Поток двигателя и его вращающий момент создается м. д. с. реакции якоря, отсюда и название — реактивный двигатель. Момент двигателя М_двозникает за счет дополнительной мощности Р_д, имеющей место вследствие неодинаковой проводимости ротора по осям d и q. На выгоднейшим отношением x_q/x_d можно считать величину, близкую к 0,5.У реактивных двигателей отсутствует начальный пусковой момент. Поэтому их роторы снабжаются короткозамкнутой пусковой обмоткой. При синхронном вращении короткозамкнутая обмотка является успокоительной, демпфирующей колебания ротора. Недостаток реактивных двигателей — низкий максимальный момент, коэффициент мощности (cosφ = 0,5) и к. п. д. У двигателей мощностью в несколько десятков ватт η=35÷40%, а у двигателей мощностью в несколько ватт η

Принцип действия синхронной машины.

Синхронная машина состоит из двух основных частей:

Синхронная машина имеет две основные обмотки.

Одна обмотка подключает­ся к источнику постоянного тока. Протекающий по этой обмотке ток создает основное магнитное поле машины. Эта обмотка располагается на полюсах и называется обмот­кой возбуждения.

Иногда у машин небольшой мощ­ности обмотка возбуждения отсутствует, а магнитное поле создается постоянными магнитами.

Другая обмотка явля­ется обмоткой якоря. В ней индуктируется основная ЭДС машины. Она укладывается в пазы якоря и состоит из од­ной, двух или трех обмоток фаз. Наибольшее распростра­нение в синхронных машинах нашли трехфазные обмотки якоря.

В синхронных машинах чаще всего находит применение конструкция, при которой, обмотка якоря располагается на статоре, а обмотка возбуждения — на роторе (рис.34.1). Синхронные машины небольшой мощности иногда имеют обращенное исполнение, когда обмотка якоря располагает­ся на роторе, а обмотка возбуждения — на полюсах стато­ра (рис. 34.2). В электромагнитном отношении обе конструкции равноценны.

Рис. 34.1. Конструктивный вариант синхронной машины, при котором обмотка якоря располагается на статоре, а обмотка возбуждения – на роторе.

Рис. 34.1. Конструктивный вариант синхронной машины, при котором обмотка якоря располагается на роторе, а обмотка возбуждения – на статоре.

Однако из практических соображений более предпочтительной является первая конструкция, так как в этом случае к скользящим контактам на роторе под­водится мощность возбуждения, составляющая 0,3-3 % номинальной мощности машины.

Во втором варианте сколь­зящие контакты следовало бы рассчитывать на полную мощность машины. Для мощных машин, имеющих относи­тельно высокое напряжение и большие токи, обеспечить удовлетворительную работу таких контактов весьма затруднительно.

В дальнейшем будут рассматриваться синхронные машины, выполненные по первому (основному) конструктивному варианту.

Рассмотрим принцип действия синхронного генератора. Если через обмотку возбуждения протекает постоянный ток, то он создает постоянное во времени магнитное поле с чередующейся полярностью. При вращении полюсов и, следовательно, магнитного поля относительно проводников обмотки якоря в них индуктируются переменные ЭДС, которые, суммируясь, определяют результирующие ЭДС фаз.

Если на якоре уложены три одинаковые обмотки, маг­нитные оси которых сдвинуты в пространстве на электри­ческий угол, равный 120°, то в этих обмотках индуктируют­ся ЭДС, образующие трехфазную систему.

Частота индук­тируемых в обмотках ЭДС зависит от числа пар полюсов р и частоты вращения ротора п:

Для получения ЭДС необходимой частоты число пар полюсов и частота вращения должны находиться в опреде­ленной зависимости между собой.

Так, для получения стан­дартной частоты f₁= 50 Гц при р=1нужно иметь частоту вращения n = 3000 об/мин, а при р = 24 n = 125 об/мин.

Если к трехфазной обмотке якоря синхронного генера­тора подсоединить нагрузку, то возникший ток создаст вра­щающееся магнитное поле якоря. Частота вращения этого поля относительно статора

Заменяя в этой формуле частоту ее значением из предыдущей формулы, полу­чаем

n₁ = n.

Равенство частот вращения ротора пи поля якоря n₁ является характерной особенностью синхронной машины, обусловившей ее название.

При работе синхронной машины двигателем трехфазная обмотка якоря присоединяется к трехфазной сети. При этом образуется вращающееся магнитное поле с частотой вращения n₁. Это поле, взаимодействуя с полем полюсов ротора, создает вращающий момент. Чтобы этот момент имел одно и то же направление, поля должны быть непо­движны относительно друг друга. Это имеет место, если ротор и, следовательно, его магнитное поле вращаются с частотой, равной n₁. Поэтому в синхронном двигателе ро­тор как при холостом ходе, так и при нагрузке вращается с постоянной частотой, равной частоте вращения поля n₁.

Дата добавления: 2014-12-24 ; просмотров: 1780 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Принцип действия синхронной машины

Назначение.

Синхронные машины используют в качестве генераторов и двигателей. Синхронные генераторы вырабатывают электрическую энергию трехфазного тока. Почти все генераторы переменного тока, устанавливаемые на больших и малых электрических станциях, являются синхронными. Синхронные двигатели используют, главным образом, для мощных электрических приводов.

Синхронные генераторы применяют на тепловозах с электрической передачей переменно-постоянного тока: напряжение, полученное от синхронного генератора, выпрямляется полупроводниковыми преобразователями и подается на тяговые двигатели постоянного тока

Устройство

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

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

Индуктор состоит из полюсов -электромагнитов постоянного тока или постоянных магнитов (в микромашинах). Индукторы синхронных машин имеют две различные конструкции: явнополюсную или неявнополюсную.

Явнополюсная машина отличается тем, что полюса ярко выражены и имеют конструкцию, схожую с полюсами машины постоянного тока.

При неявнополюсной конструкции обмотка возбуждения укладывается в пазы сердечника индуктора, весьма похоже на обмотку роторов асинхронных машин с фазным ротором, с той лишь разницей, что между полюсами оставляется место, не заполненное проводниками (так называемый большой зуб). Неявнополюсные конструкции применяются в быстроходных машинах, чтобы уменьшить механическую нагрузку на полюса.

Для уменьшения магнитного сопротивления, то есть для улучшения прохождения магнитного потока, применяются ферромагнитные сердечники ротора и статора. В основном они представляют собой шихтованную (набранную из отдельных листов) конструкцию из электротехнической стали, имеющей повышенное содержание кремния, что повышает её электрическое сопротивление и уменьшает тем самым вихревые токи.

Принцип действия.

Статор 1 синхронной машины (рис. 6.1, а) выполнен так же, как и асинхронной: на нем расположена трехфазная (в общем случае многофазная) обмотка 3. Обмотку ротора 4, питаемую от источника постоянного тока, называют обмоткой возбуждения, так как она создает в машине магнитный поток возбуждения.

Рис. 6.1. Электромагнитная схема синхронной машины и схема её включения

Вращающуюся обмотку ротора соединяют с внешним источником постоянного тока посредством контактных колец 5 и щеток 6 (рис. 6.1, б). При вращении ротора 2 с некоторой частотой n₂ поток возбуждения пересекает проводники обмотки статора и индуцирует в ее фазах переменную ЭДС Е, изменяющуюся с частотой

Если обмотку статора подключить к какой-либо нагрузке, то проходящий по этой обмотке многофазный ток I_а создает вращающееся магнитное поле, частота вращения которого

Из (6.1) и (6.2) следует, что n₁ = n₂, т. е. что ротор вращается с той же частотой, что и магнитное поле статора. Поэтому рассматриваемую машину называют синхронной. Результирующий магнитный поток Ф_рез синхронной машины создается совместным действием МДС обмотки возбуждения и обмотки статора, и результирующее магнитное поле вращается в пространстве с той же частотой, что и ротор.

В синхронной машине обмотку, в которой индуцируется ЭДС и проходит ток нагрузки, называют обмоткой якоря, а часть машины, на которой расположена обмотка возбуждения,- индуктором. Следовательно, в приведенной машине (рис. 6.1) статор является якорем, а ротор — индуктором. Для принципа действия и теории работы машины не имеет значения — вращается якорь или индуктор, поэтому в некоторых случаях применяют синхронные машины с обращенной конструктивной схемой: обмотку якоря, к которой подключают нагрузку, располагают на роторе, а обмотку возбуждения, питаемую постоянным током, — на статоре. Такую машину называют обращённой. Обращенные машины имеют сравнительно небольшую мощность, так как у них затруднен отбор мощности от обмотки ротора.

Синхронная машина может работать автономно в качестве генератора, питающего подключенную к ней нагрузку, или параллельно с сетью, к которой присоединены другие генераторы. При работе параллельно с сетью она может отдавать или потреблять электрическую энергию, т. е. работать генератором или двигателем. При подключении обмотки статора к сети с напряжением U и частотой f₁ проходящий по обмотке ток создает, так же как в асинхронной машине, вращающееся магнитное поле, частота вращения которого определяется по (6.2). В результате взаимодействия этого поля с током I_в, проходящим по обмотке ротора, создается электромагнитный момент М, который при работе машины в двигательном режиме является вращающим, а при работе в генераторном режиме — тормозным. В рассматриваемой машине в отличие от асинхронной поток возбуждения (холостого хода) создается обмоткой постоянного тока, расположенной обычно на роторе. В установившемся режиме ротор неподвижен относительно магнитного поля и вращается с частотой вращения п₁ = п₂ независимо от механической нагрузки на валу ротора или электрической нагрузки.

Таким образом, для установившихся режимов работы синхронной машины характерны следующие особенности:

а) ротор машины, работающей как в двигательном, так и в генераторном режимах, вращается с постоянной частотой, равной частоте вращающегося магнитного поля, т. е. п₂ = п₁;

б) частота изменения ЭДС Е, индуцируемой в обмотке якоря, пропорциональна частоте вращения ротора;

в) в установившемся режиме ЭДС в обмотке возбуждения не индуцируется; МДС этой обмотки определяется только током возбуждения и не зависит от режима работы машины.

Как всякая электромашина, синхронная машина может работать в режимах двигателя и генератора.

Генераторный режим

Обычно синхронные генераторы выполняют с якорем, расположенным на статоре, для удобства отвода электрической энергии. Поскольку мощность возбуждения невелика по сравнению с мощностью, снимаемой с якоря (0,3. 2%), подвод постоянного тока к обмотке возбуждения с помощью двух контактных колец не вызывает особых затруднений.

Принцип действия синхронного генератора основан на явлении электромагнитной индукции; при вращении ротора магнитный поток, создаваемый обмоткой возбуждения, сцепляется поочередно с каждой из фаз обмотки статора, индуцируя в них ЭДС. В наиболее распространенном случае применения трехфазной распределенной обмотки якоря в каждой из фаз, смещенных друг относительно друга на 120°, индуцируется синусоидальная ЭДС. Соединяя фазы по стандартным схемам «треугольник» или «звезда», на выходе генератора получают трехфазное напряжение, являющееся общепринятым стандартом для магистральных электросетей.

Частота индуцируемой ЭДС f [Гц] связана с частотой вращения ротора n [об/мин] соотношением:

,

где — число пар полюсов ротора.

Часто синхронные генераторы используют вместо коллекторных машин для генерации постоянного тока, подключая их обмотки якоря к трехфазным выпрямителям.

Двигательный режим

Принцип действия синхронного двигателя основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля якоря и магнитного поля полюсов индуктора. Обычно якорь расположен на статоре, а индуктор — на роторе. В мощных двигателях в качестве полюсов используются электромагниты (ток на ротор подаётся через скользящий контакт щётка-кольцо), в маломощных, к примеру, в двигателях жёстких дисков- постоянные магниты. Существует обращённая конструкция двигателей, в которой якорь расположен на роторе, а индуктор — на статоре (в устаревших двигателях, а также в современных криогенных синхронных машинах, в которых в обмотках возбуждения используются сверхпроводники.)

Запуск двигателя. Двигатель требует разгона до частоты, близкой к частоте вращения магнитного поля в зазоре, прежде чем сможет работать в синхронном режиме. При такой скорости вращающееся магнитное поле якоря сцепляется с магнитными полями полюсов индуктора (если индуктор расположен на статоре, то получается, что вращающееся магнитное поле вращающегося якоря (ротора) неподвижно относительно постоянного поля индуктора (статора), если индуктор на роторе, то магнитное поле вращающихся полюсов индуктора (ротора) неподвижно относительно вращающегося магнитного поля якоря (статора)- это явление называется «вход в синхронизм».

Для разгона обычно используется асинхронный режим, при котором обмотки индуктора замыкаются через реостат или накоротко, как в асинхронной машине, для такого режима запуска в машинах на роторе делается короткозамкнутая обмотка, которая также выполняет роль успокоительной обмотки, устраняющей «раскачивание» ротора при синхронизации. После выхода на скорость, близкую к номинальной (>95% — так называемая подсинхронная скорость), индуктор запитывают постоянным током.

В двигателях с постоянными магнитами применяется внешний разгонный двигатель либо частотно-регулируемый пуск, также частотное регулирование применяют на всех типах СД в рабочем режиме — например, на тяговых двигателях скоростного электропоезда TGV. Двигатели старых электропроигрывателей требовали ручного пуска — прокрутки пластинки рукой, позже в проигрывателях стали применяться асинхронные двигатели.

Иногда на валу крупных машин ставят небольшой генератор (постоянного тока или переменного тока с выпрямлением), т.н. «возбудитель», который питает электромагниты.

Частота вращения ротора n [об/мин] остаётся неизменной, жёстко связанной с частотой сети f [Гц] соотношением:

,

где — число пар полюсов ротора, в зависимости от нагрузки машины меняется лишь угол нагрузки (угол тета) -электрический угол отставания или опережения поля возбуждения по отношению к полю якоря. При угле нагрузки более 90 электрических градусов машина выпадает из синхронизма — останавливается, если вал перегружен тормозным моментом, либо уходит на повышенные обороты, если машина работает в режиме генератора и недогружена электрической нагрузкой.

Синхронные двигатели при изменении возбуждения меняют косинус фи с ёмкостного на индуктивный. Перевозбуждённые СД на холостом ходу применяют в качестве компенсаторов реактивной мощности. Синхронные двигатели в промышленности обычно применяют при единичных мощностях свыше 300 кВт (воздуходувки, водоперекачивающие и нефтеперекачивающие насосы), к примеру, типа СТД, при меньших мощностях обычно применяется более простой (и надежный) асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором.