Лекция
Привет, Вы узнаете о том , что такое синхронный электродвигатель переменного тока, Разберем основные их виды и особенности использования. Еще будет много подробных примеров и описаний. Для того чтобы лучше понимать что такое синхронный электродвигатель переменного тока, синхронный электродвигатель, синхронный двигатель, схема пуска, схемы пуска , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Электротехника, Схемотехника, Аналоговые устройства.
синхронный электродвигатель — это электрический двигатель переменного тока, частота вращения ротора которой равна частоте вращения магнитного поля в воздушном зазоре.
Основными частями синхронной машины являются якорь и индуктор (обмотка возбуждения). Как правило, якорь располагается на статоре, а на отделенном от него 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 не получается с 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 создается 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 не явнополюсной 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.
Синхронный электродвигатель с постоянными магнитами, как и любой вращающийся электродвигатель, состоит из ротора и статора. Статор - неподвижная часть, ротор - вращающаяся часть.
Обычно ротор располагается внутри статора электродвигателя, также существуют конструкции с внешним ротором - электродвигатели обращенного типа.
Как всякая электромашина, синхронная машина может работать в режимах двигателя и генератора.
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 градусов, 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 
[Гц] связана с частотой вращения ротора 
[об/мин] соотношением:
,
где 
— число пар полюсов.
Часто синхронные генераторы используют вместо коллекторных машин для генерации постоянного тока, подключая их обмотки якоря к трехфазным выпрямителям — на тепловозах (например, ТЭП70, 2ТЭ116), автомобилях, летательных аппаратах. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Это сделано из-за намного больших надежности и межремонтного ресурса синхронных машин.
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 подается через скользящий контакт щетка-кольцо), в маломощных, к примеру, в двигателях жестких дисков — постоянные магниты. Существует обращенная 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 обмотку возбуждения. В некоторых случаях (например, на тепловозах) возбудитель установлен отдельно и приводится через повышающий редуктор.
Частота вращения ротора [об/мин] остается неизменной, жестко связанной с частотой сети [Гц] соотношением:
,
где — число пар полюсов статора, 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 емкостного на индуктивный. Перевозбужденные 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), в том числе в запуске, асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором.
Гидрогенератор — явнополюсный синхронный генератор, предназначенный для выработки электрической энергии в работе от гидравлической турбины (при низких скоростях вращения, 50 — 600 мин–1).
Турбогенератор — неявнополюсный синхронный генератор, предназначенный для выработки электрической энергии в работе от паровой или газовой турбины при высоких скоростях вращения ротора — 6000 (редко), 3000, 1500 об/мин.
Синхронный компенсатор — синхронный двигатель, предназначенный для выработки реактивной мощности, работающий без нагрузки на валу (в режиме холостого хода); при этом по обмотке якоря проходит практически только реактивный ток. Синхронный компенсатор может работать в режиме улучшения коэффициента мощности или в режиме стабилизации напряжения. Дает индуктивную нагрузку.
Машина двойного питания (в частности АСМ) — синхронная машина с питанием обмоток ротора и статора токами разной частоты, за счет чего создаются несинхронные режимы работы.
Ударный генератор — синхронный генератор (как правило, трехфазного тока), предназначенный для кратковременной работы в режиме короткого замыкания (КЗ).
Сельсин — маломощная синхронная машина, используемая как датчик угла поворота либо в паре с другим сельсином для передачи угла поворота без прямой механической связи.
Также существуют безредукторные, шаговые, индукторные, гистерезисные, бесконтактные синхронные двигатели.
В классической синхронной машине имеется слабое место — контактные кольца со щетками, изнашивающиеся быстрее других частей машины из-за электроэрозии и простого механического износа. Кроме того, искрение щеток может стать причиной взрыва. Поэтому сначала в авиации, а позже и в других областях (в частности, на автономных дизель-генераторах) получили распространение бесконтактные трехмашинные синхронные генераторы. В корпусе такого агрегата размещены три машины — подвозбудитель, возбудитель и генератор, их роторы вращаются на общем валу. Подвозбудитель — синхронный генератор с возбуждением от вращающихся на роторе постоянных магнитов, его напряжение подается в блок управления генератором, где выпрямляется, регулируется и подается в обмотку статора возбудителя. Поле статора наводит в обмотке возбудителя ток, выпрямляемый размещенным на валу блоком вращающихся выпрямителей (БВВ) и идущий в обмотку возбуждения генератора. Генератор уже вырабатывает ток, идущий к потребителям.
Такая схема обеспечивает как отсутствие иных механических частей в двигателе, кроме подшипников, так и автономность работы генератора — все время, пока генератор вращается, подвозбудитель дает напряжение, которое может быть использовано для питания цепей управления генератором.
Выбор простой и надежной схемы пуска имеет большое значение для эксплуатации двигателей и синхронных компенсаторов. Наиболее распространенной в настоящее время является простейшая и вместе с тем наиболее надежная схема прямого пуска от полного напряжения сети, исключение составляют двигатели с очень тяжелыми условиями пуска или очень мощные двигатели и компенсаторы, вызывающие при пуске недопустимые снижения напряжения в сети.
В случаях, когда прямой пуск неприемлем, напряжение, подводимое к двигателю при пуске, снижается включением в цепь статора реактора или, в редких случаях, автотрансформатора. Конструкции всех асинхронных и синхронных двигателей предусматривают возможность асинхронного пуска. С этой целью у синхронных двигателей с частотой вращения до 1500 об/ мин на роторе в явно выраженных полюсах расположена пусковая обмотка в виде замкнутых стержней. Возможность асинхронного пуска турбодвигателей с частотой вращения 3000 об/мин обеспечивается прежде всего токами в бочке неявнополюсного ротора, а также медными клиньями, заложенными в пазы.
Выбор пускового реактора для синхронного двигателя и компенсатора принципиально не отличается от выбора реактора для асинхронного двигателя. Для синхронных двигателей большой мощности в ряде случаев целесообразно применение питания от отдельных трансформаторов (блок-трансформаторов) с мощностью блок-трансформатора, в большинстве случаев соответствующей мощности установленного двигателя. В этом случае за счет отказа от выключателя на стороне двигателя установка оказывается весьма простой. Только при частых тяжелых пусках может потребоваться увеличение мощности трансформатора по условию его нагрева.
Реакторный пуск и пуск при работе по схеме блока двигатель-трансформатор имеет неоспоримые преимущества перед пуском через автотрансформатор. Например, напряжение на двигателе или компенсаторе при пуске через постоянно включенные реактор и трансформатор по мере снижения пускового тока плавно возрастает, и в конце пуска это напряжение незначительно отличается от номинального.
Рис. Схемы прямого пуска синхронных электродвигателей с электромашинными возбудителями постоянного тока:
а - обмотка ротора глухо подключена к якорю возбудителя;
б - включена на разрядный резистор:
в - включена на якорь возбудителя через разрядный резистор.
Поэтому при реакторном пуске шунтирование реактора происходит практически без толчка (см., например, рис., б) в отличие от автотрансформаторного пуска, где приходится принимать специальные меры, усложняющие схему пуска, для ограничения толчка тока при переключении от пускового напряжения на полное напряжение сети.
Требования некоторых трансформаторных заводов об ограничении пускового тока, приводящие к завышению мощности блок-трансформатора, исходя из необходимости ограничения динамических усилий на обмотке, следует считать неоправданными. Согласно ГОСТ обмотка трансформатора должна выдерживать без повреждения токи короткого замыкания на выводах любой из его обмоток при номинальном напряжении на другой. Эти токи заведомо существенно больше токов при пуске двигателя, соизмеримого по мощности с трансформатором. Динамические усилия в трансформаторе, пропорциональные квадрату тока, получаются соответственно значительно меньшими гарантированных.
Практика применения схемы блоков трансформатор-двигатель вполне себя оправдала. При применении электромашинной системы возбуждения, как можно заключить из рассматриваемых выше процессов в этих системах при пуске двигателя (компенсатора), предпочтение следует отдавать схемам глухого подключения возбудителя к ротору двигателя (компенсатора), если это допустимо по условиям пуска. Сопротивление в цепи возбуждения возбудителя при этом должно быть подобрано таким образом, чтобы при номинальной угловой скорости напряжение на двигателе (компенсаторе), отключенном от сети, было равно напряжению сети или несколько больше.
Пуск двигателя (компенсатора) происходит следующим образом: включается главный выключатель, двигатель (компенсатор) разворачивается, возбуждается и втягивается в синхронизм плавно, без толчков и без вмешательства персонала или каких-либо элементов автоматики, дающих команду на возбуждение машины. Эта схема применима для двигателей и компенсаторов, как имеющих возбудитель на одном валу, так и питающихся от отдельно стоящего двигатель-генератора. В последнем случае пуск агрегата возбуждения должен осуществляться одновременно с пуском двигателя или компенсатора замыканием блок-контактов выключателя основного двигателя.
При прямом включении в сеть обмотки статора и глухоподключенном возбудителе схема пуска синхронной машины (рис. а) также проста, как и схема пуска асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором. Проведенные испытания и накопленный опыт эксплуатации вместе с тем показывают, что область применения схемы пуска синхронных двигателей с постоянно подключенным возбудителем ограничивается практически двигателями относительно небольшой мощности, - как правило, не свыше 2000 кВт. Схема непригодна для двигателей, запускающихся с нагрузкой выше 0,4-0,6 номинальной мощности, из-за провала в кривой асинхронного момента в области малых скольжений и малоэффективна для двигателей, у которых контактор возбуждения оказывается необходимым для гашения поля или осуществления схемы ресинхронизации. Например, проведенные исследования показали неприемлимость данной схемы на синхронных двигателях СДМ-20-49-60, 2000 кВт, применяемых для привода шаровых углеразмольных мельниц Ш-50 и Ш-50А на энергоблоках 300 МВт мощных тепловых электростанций. Кривая вращающего момента при пуске этих мельниц имеет резко выраженный пульсирующий характер, в результате чего на вал воздействует знакопеременная нагрузка.
При включении двигателя с глухоподключенным к ротору возбудителем кривая вращающего момента имеет особо неблагоприятный характер, поэтому успешный пуск таких агрегатов оказался возможным только по схеме с включением обмотки ротора на якорь возбудителя через разрядный резистор (рис. в). При прямом пуске механические усилия в лобовых частях обмотки статора асинхронных и синхронных двигателей и компенсаторов возрастают, но, как правило, за счет падения напряжения в сети оказываются меньше тех усилий, которые получаются при близких коротких замыканиях.
Большинство электродвигателей допустимо переводить на прямой пуск без дополнительного усиления креплений лобовых частей обмоток. Однако в отдельных случаях (большие кратности пускового тока при малых снижениях напряжения сети, слабое закрепление лобовых частей обмоток статора) такое усиление может потребоваться. С этой целью можно рекомендовать установку дополнительных дистанционных распорок и взаимную перевязку соседних лобовых частей в местах ранее установленных и дополнительных распорок.
Из практики эксплуатации известны многочисленные случаи применения прямого пуска для асинхронных двигателей с фазным ротором, переделанных на короткозамкнутые или пускаемые без реостата в цепи ротора, а также для двигателей, ранее пускавшихся от автотрансформатора или через реактор. Опыт подтвердил целесообразность перевода этих двигателей на прямой пуск. Пуск без нагрузки двухскоростных электродвигателей следует всегда производить на меньшей угловой скорости. Если необходима работа на большей угловой скорости, то следует после пуска двигателя на меньшей угловой скорости переключить вращающийся двигатель на большую угловую скорость. При таком пуске суммарные потери за время пуска будут иметь минимальное значение.
Чтобы производственные механизмы работали с максимальной эффективностью, необходимо правильно подобрать электрический двигатель, который будет применяться в качестве привода. В этой статье мы рассмотрим, чем отличаются асинхронные и синхронные двигатели с точки зрения конструктивных особенностей, функциональности и экономичности.
Электрические двигатели представляют собой агрегаты для преобразования электроэнергии в энергию механическую. Основу конструкции двигателя (как синхронного, так и асинхронного типа) составляют следующие элементы:
Статоры электродвигателей обеих категорий имеют схожий принцип устройства. В специальные пазы (осевые прорези) уложены токонесущие проводки из меди или алюминия. Функцией статора является создание вращающегося магнитного поля. Ротор (с обмоткой возбуждения) закреплен на валу двигателя и вращается под воздействием возникающей электродвижущей силы.
Главное отличие синхронного от асинхронного двигателя заключается в устройстве ротора.
Роторы синхронных двигателей представляют собой постоянные или электрические магниты. Постоянное магнитное поле, создаваемое ими, взаимодействует с вращающимся магнитным полем статора.
В случае с асинхронным двигателем (который также называют индукционным) в пазы ротора вставляются короткозамкнутые металлические пластины. Кроме короткозамкнутой разновидности, применяются также фазные роторы, снабженные контактными кольцами, которые после разбега замыкаются накоротко.
В результате соотношение частоты оборотов двигателя, находящегося под нагрузкой, с частотой вращения, которая присуща магнитному полю статора, для разных типов двигателя следующее:
На основе понимания того, чем отличается асинхронный двигатель от синхронного, можно сформулировать главные преимущества и недостатки этих двигателей.
Двигатели синхронной разновидности сложнее в использовании, поскольку они:
Для асинхронных моделей характерны:
При этом синхронные двигатели обладают более широкими возможностями с точки зрения коэффициента мощности, а также менее чувствительны к перепадам напряжения, но стоимость таких агрегатов выше, что делает их использование менее выгодным.
Исследование, описанное в статье про синхронный электродвигатель переменного тока, подчеркивает ее значимость в современном мире. Надеюсь, что теперь ты понял что такое синхронный электродвигатель переменного тока, синхронный электродвигатель, синхронный двигатель, схема пуска, схемы пуска и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Электротехника, Схемотехника, Аналоговые устройства
Комментарии
Оставить комментарий
Электротехника, Схемотехника, Аналоговые устройства
Термины: Электротехника, Схемотехника, Аналоговые устройства