Синхронный двигатель, принцип и теория работы, строение и применение

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:

N=60f/p

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.

Как работает

Начнем с самого главного, что в электродвигателях движение ротора создается за счет вращающегося магнитного поля, которое, в свою очередь, образуется за счет движения электрического тока в обмотке статора. Это и есть основной принцип действия асинхронного двигателя.

Если более глубоко начать разбираться в процессах, действующих внутри движка, то начнем с определения частоты вращения поля. Для этого можно воспользоваться формулой:

n=60*f/p, где

• f – это частота электрической сети питания, измеряемая в герцах (Гц);
• p – это количество пар полюсов.

Образованное магнитное поле пронизывает собой сразу две обмотки: и статора, и ротора. Именно под ее действием образуется электродвижущая сила, которая и вращает моторный вал. При этом в статоре образуется электродвижущая сила самоиндукции. Она, во-первых, направлена против приложенного напряжения в подающей сети. Во-вторых, она же сдерживает ток.

Но как же при этом создается вращение вала? Все дело в том, что под действием электродвижущей силы ротора во вторичной обмотке появляется ток. Именно он, взаимодействуя с вращающимся магнитным полем, создает определенную электромагнитную силу, которая его и вращает. Кстати, направление действия можно определить по правилу левой руки.

У магнитного поля есть два полюса: северный и южный. Если берем за основу правило левой руки, то полюса вращаются относительно статора против часовой стрелки. То есть, они все время перемещаются. По сути, на этом и основан принцип работы асинхронного двигателя.

Итак, на проводник, где проводит электрический ток, действует электромагнитная сила, о которой уже выше упоминалось. Это суммарная величина, которая образует электромагнитный момент вращения. По-простому, момент движется по направлению вращения самого магнитного поля. Если момент имеет большую величину, то ротор будет обязательно вращаться.

Кстати, электродвижущая сила в обмотках зависит от разности частоты вращения ротора и магнитного поля. Вторая величина должна быть больше первой. И чем данная разница будет больше, тем выше электродвижущая сила. То есть, получается так, что асинхронный двигатель может работать только в том случае, если величина частоты вращения магнитного поля будет больше частоты вращения ротора. Это и есть основное условия работы.

Отсюда и название самого мотора, потому что вал вращается не синхронно с магнитным полем. Вот такой принцип работы и устройство.

Сфера применения

Асинхронный электродвигатель нашел применение во всех сферах деятельности человека. Те что питаются от одной фазы (от 220В) можно встретить в исполнительных механизмах малой мощности или в бытовой технике и инструменте, например:

• в стиральной машине типа «малютка» и других старых советских моделей;
• в бетономешалке;
• в вентиляторе;
• в вытяжке;
• и даже в газонокосилках верхнего ценового сегмента.

На производстве в трёхфазных сетях:

• автоматические задвижки;
• грузоподъёмные механизмы (краны и лебедки);
• вентиляция;
• компрессоры;
• насосы;
• дерево- и металообрабатывающие станки и другое.

Также АД используется в электротранспорте, а в последнее время в интернете активно рекламируют асинхронный двигатель с обмоткой типа «Славянка» и, так называемое, мотор-колесо Дуюнова, о чем вы можете узнать из видеоролика разработчика.

Область применения асинхронных двигателей настолько обширна, что один только список будет длиннее чем эта статья, поэтому каждый электрик должен знать, как он устроен, для чего нужен и где применяется. Подведем итоги и перечислим плюсы и минусы этих устройств.

Плюсы:

1. Простая конструкция.
2. Низкая стоимость.
3. Почти не требуют обслуживания.

Главный недостаток — сложность регулировки оборотов, по сравнению с теми же двигателями постоянного тока или универсальными коллекторными машинами. Соответственно и сложно организовать плавный пуск больших машин, и чаще это делают с помощью дорогого частотного преобразователя.

На этом мы и заканчиваем рассмотрение асинхронных электродвигателей и их области применения. Надеемся, после прочтения статья вам стало понятно, что это такое и как работает данная электрическая машина!

Материалы по теме:

• Как выбрать частотный преобразователь по мощности и току
• Отличие переменного тока от постоянного
• Фазное и линейное напряжение

Опубликовано:
23.04.2019
Обновлено: 23.04.2019

Принцип работы синхронного двигателя

основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля статора и постоянного магнитного поля ротора. статора синхронного электродвигателя такая же, как и у трехфазного асинхронного электродвигателя.

Принцип работы синхронного двигателя основан на взаимодействии статора и постоянного магнитного поля ротора.

Запустить

Остановить

Вращающееся магнитное поле синхронного электродвигателя

Магнитное поле ротора, взаимодействуя с синхронным переменным током обмоток статора, согласно , создает , заставляя ротор вращаться ().

Постоянные магниты, расположенные на роторе СДПМ, создают постоянное магнитное поле. При синхронной скорости вращения ротора с полем статора, полюса ротора сцепляются с вращающимся магнитным полем статора. В связи с этим СДПМ не может сам запуститься при подключении его напрямую к сети трехфазного тока (частота тока в сети 50Гц).

Устройство

Синхронный главный генератор тепловоза : 1 — щётка, 2 — контактное кольцо, 3 — вал ротора, 4 — полюс ротора, 5 — статор

Основными частями синхронной машины являются якорь и индуктор (обмотка возбуждения). Как правило, якорь располагается на статоре, а на отделённом 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 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 не явнополюсной конструкции обмотка возбуждения укладывается в пазы сердечника индуктора, весьма похоже на обмотку роторов асинхронных машин , 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.

Работа трехфазных электродвигателей

Самое главное достоинство трехфазной системы электроснабжения состоит в том, что создается электрическое поле, имеющее способность вращаться. Если на неподвижном статоре располагаются три обмотки с магнитомягкими (материалы, способны с легкостью перемагничиваться) сердечниками, а в дальнейшем происходит подача напряжения последовательно от каждой из фаз, то сердечники постепенно намагничиваются от поступающего тока и создают магнитное поле, перемещающееся в пределах окружности.

Асинхронный трехфазный электродвигатель применяется в разных отраслях промышленности и в сельском хозяйстве.

Скорость вращения магнитного поля в статоре можно легко снизить, используя чисто конструктивные методы, к примеру, увеличив число обмоток на окружности вдвое (из трех до шести).

Асинхронные двигатели

Изобретатель М. О. Доливо-Добровольский придумал, как можно усовершенствовать двигатель избавившись от коллекторов, имеющих ряд недостатков. Так, он предложил обмотку ротора выполнять в виде короткозамкнутых витков, ток в которых будет заводить переменное магнитное поле статора. Внешне такое решение представляет собой два кольца, соединенных между собой поперечными проводниками, — «бельчье колесо». Такой устройство еще называется двигателем с короткозамкнутым ротором.

Принцип действия примерно следующий: при запуске переменное поле статора возбудит в проводниках сильный ток, что приведет к намагничиванию сердечника ротора, он будет притянут статорными магнитами и начнет вращение. Чтобы ток стабильно появлялся в замкнутых витках, необходимы постоянные колебания магнитного поля, поэтому ротор вращается медленнее магнитного поля. Именно от такого «запаздывания» двигатели начали называть асинхронными, а разница вращений — скольжение.

Скольжение является переменной величиной. При запуске оно достигает максимальных значений, постепенно уменьшаясь и достигая минимальных значений на холостом ходу (примерно 3%). Если есть нагрузка на вал, скольжение пропорционально увеличивается и возрастает вместе с нагрузками (около 7%).

Особенности трехфазных асинхронных двигателей

Конструкция этого типа оказалась настолько удачной, что большинство электроприводов всего мира производятся на базе трехфазных асинхронных устройств, имеющих короткозамкнутый ротор. Они имеют ряд преимуществ, в частности, обладают:

• Исключительной простотой, надежностью и долговечностью;
• Удобством обслуживания и ремонта;
• Возможностью изменять направление вращения ротора. Для это нужно всего лишь переключить два любые фазные провода;
• Возможностью работы в качестве генератора: при применении электромагнитного торможения мотор начнет отдавать энергию в сеть.

Простота переключения фазных проводов может быть как преимуществом, так и недостатком

Производя замену силового кабеля, нужно особое внимание уделять оборудованию, запомнить, как оно ранее было подключено. Делая монтаж, следует обязательно перепроверить на запасном двигателе фазировку проводов, ведь оборудование может запросто выйти из строя, если сделана неверная фазировка

Слабые стороны асинхронного трехфазного двигателя:

• Значительный пусковой ток, превышающий номинальный примерно в 5 раз. Это значит, что нужно устанавливать защитные автоматы двигателей только класса D.
• Малый момент на валу при запуске. При значительной инерции понадобится двигатель большей мощности.