Синхронные двигатели: Понятие, устройство, принцип действия

Технический и технологический прогресс на месте не стоит, за счет чего производственные мощности постепенно оснащаются новыми типами электропривода. Но из-за характерных черт ряд агрегатов не убирают из употребления. В нашем материале речь пойдет о синхронных движках.

Общие понятия и сфера применения

  Под синхронным электрическим двигателем понимают механизм, частота вращения ротора которого совпадает с частотой прокручивания статора, которое запускается электрическим током из сети. Говоря простыми словами, ротор и статор вращаются одновременно, поэтому движок получил такое название. Синхронные агрегаты работают в режимах двигателя и генератора. Поэтому, иногда их называют синхронными генераторами. Такие устройства обычно используют разные электростанции, генерирующие большинство электроэнергии. Производительность приборов составляет от 1 000 мегаватт и больше. Обычно синхронные движки применяют там, где требуется повышенная мощность, чтобы запускать компрессоры, насосы, мельницы и другие агрегаты, где не требуется корректировка повторения циркуляции и постоянных запусков и прекращений работы. Главными специфическими чертами механизма, одновременно вращающего ротор и статор, выступают:

• Беспрерывная резвость вала при любой тяге;
• Возможность регулировки показателей производительности при смене тока возбуждения.

При перевозбуждении агрегат превращается в компенсатор, улучшающий общий косинус Ф сети.

Устройство и сущность

Основой агрегата, как и всякого подобного движка, являются статор и ротор. Стоит ознакомиться с этими составными частями. Под статором понимают недвижимую часть механизма, состоящую из основа и сердечника, собранного из тонких и изолированных листов. В последней части предусмотрены пазы для укладывания трехфазной обмотки. Конструкция статоров бывает разной – цилиндрическая или сегментированная. Каркасы тоже бывают разных типов – цельными или разъемными. Последние удобны при перевозке, починке и монтаже. Ротором называют вращающуюся часть агрегата. На нем установлен сердечник с возбуждающей обмоткой либо магниты. Оба эти элемента могут быть сборными или цельными. Ротор подразделяется на:

• Неявнополюсный, представляющий собой стальной цилиндр, обладающий пазами с продольной перфорацией, предназначенными для обмотки возбуждения.
• Явнополюсный – компонент наделен сердечником на полюсах, выступающим над плоскостью ротора.

В синхронных машинах используется определенный тип ротора, на что влияет мощность и количество оборотов. В бесшумных механизмах применяется ротор с явнополюсной компоновкой, а в приборах с повышенной частотой кручения ставят неявнополюсный, что зависит от влияния центробежных сил. Электрообмотка своими концами выводится на кольца, получающих ток через щетки.

Способы возбуждения

Работа роторного синхронного движка зависит от приведения в действия источника магнитодвижущей силы. Это может быть генератор, у которого магнитное поле сцепляется с обмоткой статора и приводит к ним электрическую силу. У мотора происходит взаимодействие магнитных полей составляющих элементов. Существуют два способа возбуждения – электромагнитное или с обмоткой, и с постоянными магнитами. Первые довольно широко распространены. В этой схеме при прохождении постоянного тока через подмотку появляется движущаяся магнитная сила, приводящая магнитное поле в системе механизма. В недалеком прошлом стимуляцию синхронных агрегатов осуществляли генераторы постоянного тока со схемой самовозбуждения или с независимым типом возбуждения. В последнем варианте подается ток в возбудительную обмотку. Применялся дополнительный компенсатор переменного тока, работающий параллельно. Под самовозбуждением, характерным для синхронных движков и гидрогенераторов, понимают процесс преобразования энергии постоянного тока, которая необходима для стимулирования, в силу постоянного тока. Это происходит через понижающий трансформатор и специальный преобразователь. В генераторах, обладающих самовозбудительным свойством, обмотка полюсов питается электричеством, вырабатываемым самим прибором. То есть, нет необходимости организовывать отдельный источник энергии. Выделяют следующие виды самовозбуждения, зависящие от алгоритма включения обмотки:

• Параллельное – ток якоря прибора распределяется на ток нагрузки и ток возбуждения. Последний обычно невелик, и тогда генератор не испытывает высокие нагрузки. Обычно эти агрегаты используют как источники питания на автомобилях, кораблях или самолетах.
• Последовательное. Обмотка статора и возбудительное обматывание между собой соединяются по последовательной схеме. Такие приборы редко используются.
• Смешанное. Эти агрегаты обладать обмотками возбуждения, имеющие согласно и встречно подключенные возбудительные обмотки. Напряжение остается прежним при возрастании или снижении тяги. Приборы применяются, когда требуется достаточная стабильность электропитания при смене нагрузки.

В современном мире в синхронных моторах за возбуждение отвечают тристорные приборы, которые включаются в сеть переменного тока и автоматически управляемые возбудительным током в разных эксплуатационных режимах установки. Это самый надежный способ, ибо у них высокий КПД. На заводах обычно выпускают тристоры для различного электронапряжения с возможным показателем постоянного тока, равным 320 ампер. В маломощных «синхронниках» применяется схема возбуждения постоянными магнитами. В этом случае на индукторе находятся магниты постоянного действия, что позволяет не использовать возбудительную обмотку. В итоге, каркас машины становится проще, надежнее и экономичнее. Но из-за нехватки материалов приходится использовать девайсы, мощность которых едва достигает нескольких киловатт.

Условия самовозбуждения

Автовозбуждение синхронного двигателя с параллельными обмотками возбуждения может происходить, если:

• Имеется остаточный магнитный поток полюсов.
• Правильное соединение концов возбудительной обмотки или верного направления прокручивания.

Чтобы возникла автоматическая стимуляция хватит того, чтобы остаточный поток составлял 2-3% от номинального. Атавистическая струя с такими показателями всегда присутствует в уже активированном механизме. Но если прекратилось намагничивание, то нужно пропустить ток от стороннего источника через обмотку возбуждения. Когда необходимые правила уже соблюдены, то небольшая ЭДС, которая индуктируется в статоре потоком магнитных частиц, становится причиной появления в возбудительной обмотке небольшого тока, вызывающего увеличение движения полюсов. Этот процесс длится, пока электрическая сила генератора не получит определенное значение. Чтобы добиться нормального функционирования электрических приборов, необходимо присутствие на зажимах компенсатора стабильного электронапряжения, которое не зависит от смены общей тяги. Это решается при помощи корректировки настроек. Реостаты вполне могут замыкать обмотку, но если этого не произошло, тогда повышается электродвижущая сила самоиндукции, которая вполне может нарушить изоляционный материал. При коротком замыкании, энергия распространяется как тепло, и тогда генератор не разрушается. Здесь е стоит применять наружное питание, так как содержащийся в сердечнике электромагнит, самовозбуждает параллельные обмотки. Чтобы увеличить остаточный магнетизм в возбудительных катушках сердечники изготавливают из литой стали. В процессе последовательного самовозбуждения генерируется ток, который не отличается от мощности направленных частиц генератора. На холостом ходе нагрузка нулевая, и возбуждение отсутствует. Убрать или скорректировать эти параметры невозможно. Чтобы запустить стимуляцию нужно к зажимам прибора подсоединить источник наружной нагрузки. Это как раз и есть недочет последовательно подключенных обмоток. Это используется только для устройств, у которых есть постоянная нагрузка. При смешанном самовозбждении смягчается вибрация напряжения при обозначенной тяговой силе. Это и есть главное достоинство таких приборов, но конструкция достаточно сложна, и как следствие, дороговата. Короткие замыкания движки такого плана не переносят.  

Специфика и принцип действия

Подмотка якоря синхронного движка подключается к электрической сети с тремя фазами, а на индукторную обмотку передается ток от возбудителя. Но скорость ротора развивается постепенно из-за внушительной степени инерционности и отсутствия пускового момента. Существуют два способа разгона агрегата до синхронной скорости:

• Использование дополнительной установки.
• Асинхронная активация.

Последний вариант самый популярный. На роторе «синхронника» находятся два элемента – возбудительная и короткозамкнутая обмотка. Синхронный и асинхронный движки имеют одинаковую схему работы. Статор сообщается с ротором, после чего индуктор вращается. После того, как часть раскручивается, ток подается в обмотку возбуждения, а сопротивление выключается. Во время запуска возбудительный компонент замыкается на резисторы, где сопротивляемость в разы больше сопротивления обматывания. После того, как движок достигает синхронной скорости в короткозамкнутой обмотке не возникает электродвижущая сила. Синхронизм на агрегате пропадает:

• Когда нет возбуждения
• Когда низкое напряжение в питании сети.
• Когда наблюдается перегруз.

В остальных случаях, ротор и статор продолжают взаимодействовать между собой.

Отличия синхронных и асинхронных двигателей

Характерными отличительными чертами таких установок является конструктивная специфика индукторов. По внешним признакам «синхронник» и «асинхронник» отличить невозможно, если конечно, у последнего есть дополнительные охладительные ребра. Синхронный принцип функционирования заключается в том, что на роторе имеется обмотка с независимой передачей электрического напряжения. Мотор с асинхронной схемой обладает током, который подается с помощью магнитного поля статора. Но якоря у обоих типов моторчика не имеют серьезных конструктивных различий. Эти типы создают магнитное поле, а в синхронном электродвижке магнитные поля индуктора и якоря сообщаются друг с другом, а скоростные показатели элементов идентичны. «Асинхронники» наделены контактными кольцами и металлическими пластинками с коротким замыканием в роторных пазах. Эти компоненты призваны обеспечить разность магнитных полей ротора и статора на величину скольжения. Для асинхронных моторов характерные следующие недочеты:

• Установки плохо выдерживают нагрузки
• Запуск производится с существенным усилием
• Скорость оборотов легко изменяется из-за нагруженности вала

Чтобы избавиться от таких недостатков сначала придумали «асинхронник» с фазным индуктором, но затем очередь дошла и до синхронной машины.

Типы установок

В нынешнем промышленном производстве и приборах бытового назначения синхронные моторы решают самые разные задачи. Но их конструкции разные, и можно выделить несколько категорий, по которым подразделяются агрегаты. Их можно выделить по таким признакам:

• Питающее электронапряжение
• Частота рабочей тяги
• Число оборотов

Подразделяют моторы и методу получения магнитного поля индуктора:

• С возбудительной обмоткой на роторе – усилие синхронизации возникает при питании от трансформатора.
• С магнитным индуктором – на вал ставится магнит постоянного действия, только ему дополнительное питание не требуется.
• С реактивным ротором – сердечник пропускает преломление магнитных линий, что и запускает компонент. Из-за действия магнитного поля продольные и поперечные элементы в индукторе имеют разные показатели, что и приводит к обороту пластин за полем.

Делят моторчики еще и от размещения рабочих обмоток. Это прямые, расположенные на статоре, и обращенные, которые находятся на роторе.

Функциональные режимы

Основная масса синхронных электродвижков наделены обратимой опцией. Их можно использовать в разных назначениях, причем существующие два режима отличаются разными методами передачи действий на машину. Электродвигатель синхронного порядка работает по таким регламентам:

• Генераторный режим
• Синхронный компенсатор
• Режим движка

В первом варианте применяются электродвижки, наделенные фазными обмотками, находящимися на статоре. Это в значительной степени упрощает процесс передачи производительности в электросеть. Выработка тока осуществляется при действии электромагнитного поля возбудительной обмотки генератора с подмотками статора. Во втором случае при холостом ходе агрегат берет из сети огромную мощность. В практической реализации этот режим применяется для улучшения индекса производительности или для стабилизации параметров сетевого напряжения. Третий режим проявляется при передаче рабочего трехфазного электронапряжения на обмотки статора. Далее якорное электромагнитное поле начинает толкать магнитное поле индуктора, и вал начинает вращаться. Но в действительности режим двигателя не так-то прост, так как мощным агрегатам не удается достигнуть скоростных показателей, тогда для запуска придумали методы и схемы соединения.

Специальные синхронные агрегаты

Есть еще один повод для классификации синхронных движков. Например, в автоматике применяются маломощные электродвижки с показателями производительности до 500 ВТ. По этому принципы выделяют такие типы:

• Гистерезисные
• Шаговые

Под гистерезисным движком понимают устройство синхронной схемы, в котором крутящий момент образуется при появлении гистерезиса при перемагничивании ферромагнитного материала индуктора. Якорь здесь напоминает статор обычного мотора переменного тока, а ротор выполнен в форме стального цилиндра без обмотки. Ротор – это постоянный магнит, который проворачивается с синхронной скоростью. Этот моторчик характеризуется простотой, надежностью, хорошим пусковым моментом и высоким коэффициентом полезного действия. Шаговые электромоторы – установки, наделенные способностью переиначивать команду, которая передается в виде импульсов в определенный поворотный угол или в положение ротора без индикаторов обратной связи. У шаговых движков могут быть разные виды – с активным ротором или реактивные, а работать они могут в разных режимах.

Запуск синхронных электродвигателей

Это самая сложная задача в функционировании синхронного двигателя с электрическим исполнением. Это обусловлено спецификой конструкции. В течение продолжительного времени работа «синхронника» зависела от разгонного асинхронного электрического механизма, которые был соединен с «синхронником». Асинхронные моторы не нуждаются в наличии особых приборов для приведения в действие – хватает только дать напряжение на обмотки якоря. Как только скорость достигла нужных показателей, отключается разгонный агрегат. Магнитные поля, сообщающиеся в электромоторе, сами запускают его в режиме синхронизации. Разгон делает иной моторчик с мощностью 10-15% от машины с подобными параметрами. Но если требуется запуск киловаттного электромотора, то нужно использовать разгонный движок с показателями производительности в 100 Ватт. Этого хватит, чтобы установка функционировала нагрузкой и без тяги.

Современный метод разгона

Эта установка будет стоить дороже, поэтому эксперты советуют применить «асинхронник», несмотря на то, что он морально устарел и отличается большим количеством недостатков. Но ведь именно и его функционирующая схема легла в основу синхронных движков и послужила для снижения размеров и цены установки. Реостат используется для того, чтобы на индукторе замкнулись обмотки. Тогда «синхронник» превращается в «асинхронник». Запускать его легко - нужно передать электричество на якорные обмотки. При разгоне синхронной скорости ротор может раскачиваться и успокаивать индукторные обмотки. После достижения нужной частоты оборотов, ток передается на роторные подмотки, а на движке активируется синхронный режим. Но этот метод можно использовать , если в наличие есть движки с роторным обматыванием. При наличии постоянного магнита, ставится дополнительный моторчик для разгона.

Где купить

Синхронные электродвигатели разных типов предлагаются на разных площадках. Это и специализированные магазины, торгующие такой продукцией, и люди, ранее использовавшие данные моторы, и решившие их продать за ненадобностью. Отдельно стоит обратить внимание на интернет-магазины. Эти платформы в последнее время приобрели широкую популярность и предлагают достаточно обширный спектр разных движков с синхронной схемой взаимодействия. Но также можно указать и на сайты, где тоже есть подержанные моторчики, купленные на разных аукционах за рубежом. Обычно их качество очень хорошее, несмотря на небольшой износ. Но при выборе товара лучше воспользоваться рекомендациями.  

Как выбрать: полезные советы

Найти синхронный электромотор на рынке – не проблема, но часто от правильного выбора зависит и работа устройства. Поэтому, при покупке установки следует придерживаться таких правил:

• Как эксплуатировать моторчик. По этому критерию подбирают вид движка – открытый, закрытый, защищенный. Защита может быть от влаги, температуры и влияния агрессивной среды. Но есть и специальные средства, с помощью которых можно избежать искр в моторчике.
• Как выполнено подключение мотора с потребителем.

Обращая внимание на эти пункты, можно без проблем выбрать настоящий синхронный электрический двигатель.

Производители

Компании, которые изготавливают сихронные электрические двигатели можно условно разделить на:

• Российские
• Ближнего зарубежья
• Дальнего зарубежья.

Среди отечественных изготовителей такой продукции выделяют Армавирский завод электротехнического оборудования, Баранчинский электромеханический завод, Владимирский электромоторный завод, ВНИТИ ЭМ, ЭВИ, ИОЛЛА, предприятие «Электродвигатель» из Красногорска, воронежский МЭЛ и другие производственные мощности, расположенные в российских городах. В ближнем зарубежье электродвижки с синхронной схемой выпускаются на белорусских «Электродвигателе» и Полесьеэлектромаш, украинских «Укрэлектромаш», «Электромашина», «Электромотор, «Электротяжмаш» и молдавский «Электромаш». В дальнем зарубежье ведущими фирмами выступают американские Ametek, Emerson Electric Corporation, General Eletric, Johnson Electric Holdings Limited, Regal Beloit Corporation, немецкие Baumueller, Liebherr, Nord, Rexrot Bosch Group, Siemens AG, словенские Domel, швейцарские ABB Limited, Maxon Motor, японская Nidec Corpration и бразильская WEG.  

Плюсы и минусы

  У электрической машины с синхронной схемой имеются такие достоинства:

• Высокие производительные коэффициенты
• Использование «синхронников» на производстве для повышения индекса мощности
• Повышенный КПД, который в разы больше, чем у «асинхронника»
• Хорошая степень прочности
• Отсутствие чувствительности к изменению показателей напряжения в электросети

Но, несмотря на очевидные преимущества есть и ряд недостатков. Это сложность пусковой конструкции и высокая цена агрегата. Синхронные моторы используются для запуска механизмов, которым не нужно перемена частоты оборотов. Но и запитка роторной обмотки требует источник постоянного тока, а корректировать частоту вращений индуктора можно при помощи трансформаторов, а это тоже дорого стоит. Выходит, что «синхронники» используют тогда, когда не требуется часто отключать или включать конкретный прибор. https://youtu.be/LLwcpfUjl44