Синхронный электродвигатель является полезным аппаратом, для многих систем, в состав которых он входит. Применяется широко на различных производствах, например электро-станциях или компрессорных. Этот сложный агрегат требует к себе особого внимания, учета техники безопасности, а также верных расчетов, для правильной и эффективной работы. В данной статье подробно рассмотрены все аспекты конструкции, рабочих функций и физических формул для этого агрегата.
Сравнение синхронного и асинхронного двигателей
- У двигателей обмотки статора питаются от сети переменного тока (трехфазный синхронный двигатель)
- В отличии от асинхронного, двигатель синхронный требует еще и постоянный ток маленькой мощности
- Если рассматривать пусковые механизмы, то асинхронные двигатели в этом плане проще, чем синхронные
- Частота вращения синхронных двигателей – это величина постоянная, у асинхронных – нет
- Асинхронные двигатели могут регулировать частоту вращения, а синхронные – нет
- Коэффициент мощности синхронного двигателя можно изменять в широком диапазоне
- Работа возможна с cos φ = 1. Асинхронный двигатель работает только с cos φ < 1
- Геометрические размеры синхронных двигателей меньше
- Синхронные электродвигатели применяют чаще
Устройство и принцип действия синхронного двигателя
Основными частями синхронного двигателя являются якорь и индуктор. Якорь прикрепляется к статору, а индуктор к ротору с воздушной прослойкой.
В принцип действия заложено вращение магнитного поля якоря, а также его взаимодействие с магнитным полем полюсов индуктора.
В двигателях, имеющих большую мощность, полюсами являются электромагниты.
Ток попадает на ротор через щетку-кольцо.
В двигателях с малой мощностью электромагниты – это постоянные магниты. Данные аппараты используются при любом напряжении и обладают высокими показателями мощности.
Устройство двигателя
Основными частями в конструкции двигателя являются статор и ротор. Статор неподвижен, а ротор напротив подвижен. Якорь на статоре имеет одну или более обмоток переменного тока. Токи, доходящие до якоря, заставляют вращаться магнитное поле, которое в свою очередь пересекается с полем индуктора и преобразует энергию. Поле якоря является полем реакции якоря, которое продуцируется с помощью индуктора.
Устройство статора
- Первая часть – это корпус, изготовленный из немагнитного материала, например чугуна или алюминия. При больших размерах двигателей, производство корпуса проходит при помощи сварки. Тогда они нуждаются в воздушном охлаждении. Для увеличения показателя теплоотдачи, поверхность корпуса оборудована ребрами. Так же на поверхности имеются подшипниковые щиты, кожух вентилятора и клеммная коробка. Такие детали как лапы или фланцы являются крепежными и делаются снаружи.
- Второй составляющей является сердечник, сделанный из пластин, произведенных из электротехнической стали, толщина которой 0,5 мм. В связи с этим происходит уменьшение вихревых токов. Пластины комплектуются в пакеты сердечника, соединяются скобами или швами и проходят обработку изоляционным лаком в несколько раз. Сердечник устанавливают в станине стопорными болтами.
- Еще один элемент – это обмотки статора. Друг относительно друга они располагаются на 120 градусов (около 3 штук), заходят в пазы на изнаночной стороне сердечника. Материалом изготовления является изолированный медный или алюминиевый провод, имеющий круглое или квадратное сечение. Cинхронный электродвигатель включается в трехфазную сеть, при помощи клеммной коробки, на которой выведены концы обмоток.
Обмотки в статорах соединяются
- способ «звезда», концы всех обмоток сходятся в одной точке
- способ «треугольник», обмотки соединяются последовательно в замкнутый контур
Способ «треугольник» предназначен для наименьшего напряжения, а «звезда» – наибольшего.
Устройство ротора
Ротор — это часть генератора или электродвигателя, которая способна совершать движение. Составные части:
- Сердечник, состоящий из металлических пластин, перемежающихся с диэлектриком.
- Обмотка состоит из медной проволоки, размещенной вокруг сердечника. Проволока изолирована лаком и имеет пропитку из эпоксидной смолы.
- Коллектор соединен с обмоткой. Местоположение его на валу. Сам по себе он является блоком с контактами из меди, со скользящими графитовыми щетками.
- Вал — это стержень из стали. Он оснащен креплениями для подшипников качения, резьбой, выемками или пазами.
- Крыльчатка вентилятора, размещенная на валу, работающая как охладитель при работе двигателя.
Принципы работы синхронного двигателя
Ротор генерирует поток возбуждения, который вращается с определенной частотой и проходит через витки статорной обмотки, тем самым совершая индуцирование в фазах с переменной ЭДС, изменяемой с частотой. Формула:
f1=pn2/60
Когда статор берет на себя нагрузку, ток в обмотке генерирует магнитное поле, совершающее вращательные движения со скоростью равной скорости вращения ротора. Сила обмотки на статоре и обмоток возбуждения, а так же результирующего вращающегося магнитного поля, генерируют результирующий магнитный поток.
Разновидности
Виды синхронных двигателей:
- шаговые модели
- без редукторные
- индукторные
- гистерезисные
- бесконтактные
- С явно полюсным ротором
- Неявнополюсным ротором
В зависимости от рабочего режима:
- СД с электромеханическими приводами
- СД с генераторными устройствами
Еще есть разделение на:
- Гидрогенератор, вырабатывающий электроэнергию от гидравлических турбин
- Турбогенератор, работающий совместно с паровой или газовой турбиной
- Электрооборудование для повышения коэффициента мощности электротехнических установок или для стабилизации напряжения в сети
- Ударный генератор, служащий для кратковременного использования в режиме короткого замыкания
- Установка двойного питания, обеспечивающая несинхронные рабочие режимы
- Сельсин, представляющий собой маломощное устройство, выполняющее функции датчика угла поворота
Сфера применения
Электродвигатели синхронные используются в:
- Как привод автоматических систем
- В высокоскоростных приводах станков
- Металлообрабатывающих центрах
- В роботостроении
- Погружных насосных агрегатах
- Как привод мощных воздуходувок доменной печи
- Для угольных и цементных мельниц
- Компрессорных, насосных и вентиляционных установок
- В прецизионных обрабатывающих станках
- В подъёмно-транспортных машинах
- В конвейерах и прокатных станах
- В высокопроизводительных гильотинных ножницах
- Для привода глубинных насосных установок на нефтяных промыслах, на нефтегазоперерабатывающих заводах и перекачивающих станций магистральных трубопроводов
- Для поддержания стабильного уровня напряжения
Преимущества и недостатки синхронных моторов
Достоинство:
- Высокий коэффициент мощности, почти равный 1
- Может увеличить сети при избыточном возбуждении
- КПД больше на 1,5%, по сравнению с другими
- Есть возможность изменения перегрузочной способности двигателя
- Механическая характеристика высокого уровня
- Практически не зависит от вращающего момента и колебаний напряжения сети
- Способность преобразовывать электрическую энергию в механическую и наоборот
- Низкая чувствительность к перепадам сетевого напряжения, что допускает подключение к питанию с относительно нестабильными показателями
- Повышенную надежность привода
Недостатки:
- Сложная и дорогая конструкция
- Нуждается постоянно в токе
- Пусковой механизм более сложный
- Частота вращения трудно регулируется
- Невозможность прямого запуска, что вызывает ряд неудобств при эксплуатации
- Ограниченная сфера применения, допускающая только построение приводов с неизменной скоростью
- Небольшое количество включений и выключений с сетевым питанием постоянного тока
Способы пуска синхронных двигателей
Для начала вспомним что, основная характеристика синхронного двигателя зависит от конструкции ротора.
- синхронные двигатели постоянного тока
- синхронный двигатель переменного тока
- синхронные двигатели с постоянными магнитами
- короткозамкнутый ротор
Они имеют разный тип, момент пуска и частоту вращения ротора.
- с помощью дополнительного двигателя
- асинхронный
- частотный запуск
Способы запуска
Запуск при помощи вспомогательного электромотора. Вал возбужденного электродвигателя совершает вращательные движения, набирает определенную частоту и подключается к электросети при помощи синхронизирующего устройства. После этого вспомогательный привод прекращает работу.
Пуск синхронного двигателя происходит благодаря асинхронному мотору, имеющему фазный ротор с количеством полюсов на 2 меньше, чем синхронный электродвигатель.
Асинхронный запуск
Обмотки — это латунные или металлические стержни, с двух сторон замкнутые медными кольцами.
Когда осуществляется запуск, обмотка возбуждения (ОВ) замыкается на резисторе, а цепь статора подключается к сети электропитания.
Поле статорного устройства, которое совершает вращательные движения, индуцирует в стержнях ЭДС, после этого в них возникают токи.
Вследствие взаимодействия с магнитным потоком статора, каждый стержень, ощущает действие электромагнитной силы Fэм, генерирующей вращение.
Когда наступает пред синхронная скорость, ОВ осуществляет подключение к источнику постоянного питания.
Ротор разгоняется до синхронизма. Асинхронный момент становится равен нулю.
Пуск осуществляется при замкнутой ОВ на активное электросопротивление.
Частотное включение
Происходит с помощью пониженного напряжения при малой токовой частоте.
Базовым моментом является источник питания, регулирующий частоту под положенные нормы.
Когда скорости сравняются, стартовую частоту питающего тока медленно увеличивают, разгоняя ротор до номинального значения.
Применение
Применяются на производстве электрической энергии и на электростанциях.
Служат как электродвигатели, для высоких перегрузок при работе. Используются на вентиляторах, компрессорах, силовых агрегатах и др. Могут быть применены в точном оборудовании.
Для управления необходимы частотные преобразователи и серво контроллеры. По способам делят: скалярный, векторный и трапецеидальный.
Схема подключения
В процессе подключения якорной обмотки к источнику переменного тока, электромагнитный момент дважды изменит свое направление за один период изменения тока. При роторе в неподвижном состоянии, с постоянным током в обмотке возбуждения.
Величина среднего момента в одном периоде равна 0.
Способы запуска:
— схема асинхронного включения, при глухо подключенном возбудителе.
— с использованием тиристорного возбудителя.
Полюсы обмоток двигателя
Ротор синхронного двигателя обладает постоянными или электрическими магнитами или полюсами.
Индукторы подразделяются на:
- Явно полюсные
- Неявнополюсные
Отличие в расположении полюсов.
Воздействие полюсов
- При работе происходит воздействие пар полюсов ротора и статора друг на друга.
- Индуктор при этом разгоняется до определенной скорости — вращения магнитного поля статора.
- Происходит качественная работа в синхронном режиме.
- При запуске, магнитные поля статора и ротора пересекаются.
- Происходит «вход в синхронизацию».
- Ротор начинает вращательные движения со скоростью, как у магнитного поля статора.
Более современный способ разгона, выполняется при моторах с обмоткой на роторе:
- Реостат замыкает обмотки на роторе.
- Двигатель превращается в асинхронный.
- Запуск осуществляется при подаче напряжения на обмотки статора.
- При достаточной частоте вращения, осуществляется подача постоянного напряжения на обмотку индуктора.
- Двигатель работает в синхронном режиме.
Запуск синхронных электродвигателей
Как работает синхронный двигатель?
Вращающееся поле генерируется трехфазным током в цепях статора. Мощность, растущая на валу электродвигателя, компенсируется мощностью, приходящей из питающей сети. Взаимодействие тока статорного устройства с полем роторного механизма стимулируется возникновение крутящего момента.
Скорости ротора и поля статорного узла синхронны. В случае разницы полюса роторно-статорного механизма встанут друг напротив друга. Магнитная связь нарушится, т.к. одноименные полюса отталкиваются. Ротор остановится. Обеспечение одновременности вращения для синхронного двигателя – обязательное условие деятельности.
Пуска в работу с прямым сетевым подключением не начнется. Роторный механизм не может быстро достичь частоты поля статора, при этом вращение последнего устанавливается одновременно с подключением к сети электропитания. В следствии этого между полюсами возбужденного роторного узла и вращающегося поля устойчивая связь, создающая вращающий момент, не возникает.
Режимы работы
Режим генератора — это когда генератор запускает движение ротора, на обмотке есть постоянное напряжение, отсюда извлекается ток. Поле вращается с ротором, пересекая обмотку статора и генерируя в них равный по модулю и частоте ЭДС.
Режим силового агрегата, когда к обмотке ротора подключается 3-х фазная электросеть, а к обмотке статора – постоянный ток. Начинается вращающий момент и ротор совершает вращательные движения со скоростью, равной скорости магнитного поля.
Режим синхронной компенсации существует для стабилизации нормативов мощности электросети, обеспечивая стабильное напряжение на больших нагрузках электросети.
Генераторный режим
Генераторный режим – вал двигателя совершает вращательные движения за счет турбины или другого объекта, а с выводов якоря снимается сгенерированное напряжение.
Синхронные генераторы
Электрическая машина, преобразующая механическую энергию в электрическую, при вращении внутри магнитного поля. Имеет в себе статор и ротор, которые соединены с электрическими цепями, и генерирует электрическую энергию.
Синхронный компенсатор
Синхронный электрический аппарат, с более легкой конструкцией, использующий режим электродвигателя без нагрузки на валу при меняющем параметры токе возбуждения. Универсальное компенсирующее устройство. Стабилизирует напряжение в электросетях, в различных точках ЛЭП, при помощи перемены значений тока возбуждения и повышении показателя мощности сети.
Двигательный режим
Возможен при подаче рабочего трехфазного напряжения на обмотки якоря. Далее электромагнитное поле якоря толкает магнитное поле ротора, что стимулирует вал во вращательные движения.
Механические неисправности
Выплавки баббита в подшипниках скольжения, разрушения сепаратора, шариков или роликов в подшипниках качения, деформации вала ротора, образования глубоких дорожек на поверхности коллектора или контактных колец, ослабления крепления сердечников полюсов и статоров к станине, обрыва бандажей или их сползания, ослабления прессовки сердечников, ухудшения охлаждения машины из-за засорения охлаждающих каналов.
Электрические неисправности
Пробой изоляции на корпус и между фазами, обрыва проводников в обмотке, замыкания между витками обмотки, нарушения контактов и соединений (паяных и сварных), недопустимого снижения сопротивления изоляции вследствие ее старения или чрезмерного увлажнения, нарушения межлистовой изоляции магнитопроводов, чрезмерного искрения в коллекторных машинах.
Уравнения равновесия статорных обмоток сдпмт в системе авс
Поток в обмотке каждой фазы имеет следующе составляющие:
- наводимый собственным током фазы
- наводимый магнитными полями других фазных обмоток
- наводимый в обмотке магнитами ротора
В связи с этим:
Если:
— это ЭДС, тогда:
Единичная функция формы ЭДС — это функция от угла поля 
. Для фаз А,В,С:
Тогда:
График:
Формула для расчета электромагнитного момента сдпмт
Коммутация обмоток сдпмт
Возможная структура системы управления моментом сдпмт
Протекание одного и того же тока в двух фазах двигателя возможно при единичном значении функции формы ЭДС в обмотках фаз. Как следствие:
Благодаря этому формируется в обмотках двигателя ток нужной амплитуды, с сохранением коммутации.
Для этого необходимо создать на трёхфазном мостовом инверторе контур тока с ШИМ.
Регулятор тока генерирует сигнал задания напряжения обмоток, оно реализуется инвертором с ШИМ по алгоритму коммутации.
Сигналом обратной связи в контуре является трёхфазно-выпрямленные сигналы датчиков тока фаз или сигнал датчика тока в звене постоянного тока инвертора.
Таким образом, можно строить внешние контуры управления скоростью и положением.
Векторное управление сдпмт
Модель векторного управления.
Ниже изображен график работы СДПМТ под управлением векторной системы.
В графике происходят пульсации.
При не синусоидальности ЭДС токи в обмотках двигателя тоже несинусоидальные.
При векторном управлении двигателем с синусоидальной эдс пульсаций момента не будет
Пульсации момента почти нет. Регуляторы системы связаны только с ШИМ-преобразованием.
Работа двигателя с синусоидальной ЭДС
Управление синхронным двигателем с помощью коммутации обмоток по дпр двигателем с синусоидальной эдс
Коммутационные пульсации момента вызывают дополнительные пульсации, ухудшающие качество регулирования даже по сравнению с управляемым по ДПР двигателем СДПМт.
Про реактивную мощность
Индуктивный или емкостной ток является реактивным. Производимая мощность является реактивной. Сопротивления току, оказывающие катушкой или конденсатором -реактивные сопротивления.
В случае когда состав мощности включает реактивную составляющую, то активная мощность такая же как напряжение, умноженное на ток и умноженное на cos φ, где φ — это угол сдвига синусоид тока и напряжения на круговой диаграмме.
