Синхронный двигатель – это электрическая машина, работающая от переменного тока. Главная её особенность которой заключается в том, что скорость (частота), с которой вращается ротор, равна частоте вращения магнитного поля. Именно поэтому частота ротора остается неизменной вне зависимости от подключаемой нагрузки. Этого удается достичь благодаря тому, что ротор синхронного двигателя – это электромагнит (как вариант – постоянный магнит), чье число пар полюсов полностью совпадает с числом пар полюсов у вращающегося магнитного поля. Именно взаимодействие этих полюсов гарантирует постоянство угловой скорости, с которой вращается ротор, вне зависимости от момента, приложенного в любой момент к валу.
Рис. 1 Синхронный двигатель (разрез)
Синхронные двигатели: устройство и принцип действия
Основные части синхронного двигателя – это якорь (статор, неподвижная часть) и индуктор (ротор), разделенные воздушной прослойкой. В пазы статора закладывают трехфазную распределенную обмотку – обычно она соединяется «звездой».
Рис. 2 Схема синхронного двигателя
С началом работы двигателя тока, подаваемые в якорь, создают вращение магнитного поля, которое пересекает поле индуктора, что в результате взаимодействия двух полей переходит в энергию. Поле якоря чаще называют иначе – поле реакции якоря. В генераторах такое получают при помощи индуктора. Входящие в состав индуктора электромагниты постоянного тока принято называть полюсами. При этом индукторы во всех синхронных двигателях могут исполняться по двум схемам – явнополюсной и неявнополюсной, различающиеся между собой расположением полюсов. Чтобы уменьшить значение магнитного сопротивления и тем самым улучшить условия для прохождения магнитного потока, применяют ферромагнитные сердечники. Они располагаются в статоре и роторе, для их изготовления используют специальную марку стали – электротехническую, отличающую высоким содержанием кремния – это позволяет уменьшить вихревые токи и повысить электрическое сопротивление стали.
Рис. 3. Магнитные поля в синхронном двигателе
В основу работы синхронного двигателя положен принцип взаимного влияния полюсов индуктора и магнитного поля, индуцируемого якорем. При запуске осуществляется разгон двигателя до частоты, которая близка по своему значению частоте, с которой происходит в зазоре вращение магнитного поля. Только при выполнении этого условия двигатель переходит в функционирование в синхронном режиме. В данный момент пересекаются магнитные поля, инициируемые индуктором и ротором. Этот момент в технической литературе принято называть входом в синхронизацию.
Работа синхронного двигателя наглядно представлена на видео:
Длительное время в качестве разгонного двигателя использовался стандартный синхронный двигатель, который был механически соединен с синхронным. Благодаря этому, ротор на синхронном двигателе механически разгонялся до подсинхронной скорости, а затем уже самостоятельно, за счет взаимодействия электромагнитных полей, втягивался в синхронизм. Обычно при подборе мощности пускового двигателя исходили из соотношения 10-15% от номинальной мощности разгоняемого двигателя. Такого запаса мощности вполне хватало запустить синхронный двигатель не только в холостую, но даже и при незначительной нагрузке на валу.
Рис. 4 Синхронный двигатель (1) с внешним разгонным (2) двигателем
Такой способ разгона усложняет и существенно удорожает общую стоимость, поэтому в современных двигателях от него отказались в пользу разгона в состоянии асинхронного режима. В этом случае с помощью реостата (короткозамкнутым путем) обмотки индуктора замыкают, как в асинхронном двигателе. Чтобы провести запуск двигателя в таком режиме, на ротор устанавливают короткозамкнутую обмотку, выступающую одновременно и как успокоительная обмотка, устраняющая во время проведения синхронизации раскачивание ротора. В момент, когда скорость вращения достигнет требуемого номинального значения, в индуктор будет подан постоянный ток. Но для двигателей, в которых стоят постоянные магниты, все равно придется для разгона использовать внешние двигатели.
В криогенных синхронных машинах используется так называемая обращенная конструкция, при которой размещение индуктора и якоря выполнено наоборот, т.е. индуктор расположен на статоре, а якорь – на роторе. В таких машинах обмотки возбуждения состоят из материалов, обладающими свойствами сверхпроводимости.
Синхронный двигатель: угловая характеристика
В синхронном двигателе вращающий момент зависит от угла Ø, получающегося между полем статора и осями полюсов ротора и описывается формулой
М = Мм * sin Ø, в которой Мм – максимально возможное значение момента.
Для синхронной машины полученную зависимость М = f (θ) называют угловой характеристикой
Рис. 5 Угловая характеристика работы синхронного двигателя
Видно, что работа синхронного двигателя будет стабильна и устойчива на начальном участке, поэтому обычно выбирает угол Ø, не превышающий значение 30-35°. С ростом угла устойчивость работы существенно снижается, в точке В (Ø = 90, так называемая предельная точка), стабильная работа невозможна. Поэтому момент, который соответствует пределу устойчивости, принято называть опрокидывающим (максимальным) моментом.
Если нагрузка синхронного двигателя превысит Мм, то произойдет выпадение ротора двигателя из режима синхронизма, произойдет его остановка, машина переходит в аварийный режим. Именно поэтому, с учетом резервирования мощности, номинальный момент для двигателя подбирают меньше в 2-3 раза, чем опрокидывающий.
Синхронный двигатель: плюсы и минусы
Несомненным преимуществом синхронных двигателей, если сравнивать их с асинхронными аналогами, является то, что возбуждение постоянным током от независимого источника позволяет работать им при высоком значении cosφ (коэффициента мощности) и даже при условиям с опережающим током. Такая особенность позволяет благодаря подключению синхронного двигателя поднять показатель cosφ для всей сети. Кроме того, следует отметить и другие преимущества:
- благодаря тому, что синхронный двигатель работает с высоким cosφ, это обеспечивает снижение потребляемого тока и уменьшение потерь. По сравнению с асинхронным двигателем, имеющим ту же мощность, КПД синхронного будет выше
- у синхронного двигателя вращающий момент пропорционален действующему напряжению сети (Uc). Поэтому синхронный двигатель даже при снижении напряжения в сети сохраняет нагрузочную способность больше, чем асинхронный. Это говорит о большей надежности такого типа двигателей.
В то же время, если сравнивать конструктивные особенности двух типов двигателей, синхронный и асинхронных, стоит отметить, что конструкция синхронных – сложнее, а значит они будут дороже при производстве. Так же существенным минусом для синхронных двигателей является необходимость наличия источника постоянного тока (выпрямитель или специальный возбудитель). Кроме того, по сравнению с асинхронным двигателем, пуск у них происходит гораздо сложнее. К недостаткам следует отнести и то, что единственная возможность регулировать (корректировать) угловую частоту вращения у синхронного двигателя – это частотное регулирование.
Рис. 6 Синхронные двигатели
В результате сравнительного анализа стоит сделать вывод, что преимущества, характерные для синхронных двигателей (особенно на высокомощных, больше 100 кВт двигателях ) значительно превосходят имеющиеся недостатки. Именно поэтому они получили подавляющее распространение в тех длительных технологических процессах, не требующих производить частые остановки/запуски и где нет необходимости регулировать частоту вращения. На сегодняшних день синхронные двигатели практически безальтернативный вариант для мельниц, насосов, компрессоров, вентиляторов, дробилок, нерегулируемых прокатных станах и в качестве привода для различных преобразовательных агрегатов.
При выборе конкретной модели синхронного двигателя основополагающими являются факторы:
- условия, где будет производиться эксплуатация. От этого зависит тип двигателя (открытый, закрытый, защищенный), защита токоведущих частей и обмоток двигателя от влаги, пыли, высокой температуры, едких паров. При работе во взрывоопасной среде предусматриваются специальные меры защиты, направленные на недопущение искрообразования в машине
- особенности соединения синхронного двигателя с нагрузкой (рабочей машиной).
Поделиться с друзьями: