Отличительные особенности синхронных и асинхронных электродвигателей
На чтение 7 минОпубликованоОбновлено
Приводы синхронного и асинхронного типа обладают существенными отличиями. Конструктивные и технические особенности обуславливают разницу в их работе, влияют на функциональные возможности и применение. Изобретение машины переменного тока привнесло в мир приводной техники высокую надежность и конструктивную простоту. На базе асинхронных двигателей конфигурируют автоматизированные приводы разной сложности. Средством управления в этом случае выступает частотный преобразователь. Несмотря на единый способ питания, асинхронный агрегат имеет особенности построения, чем отличается от синхронной машины.
Отличия в конструкции
Конструирование синхронного и асинхронного двигателя выполнено из условия оптимизации работы, структуры и функциональности своих предшественников. Они являются преобразователями электроэнергии и осуществляют ее превращение в механическую работу (движение вала) и наоборот (генераторный режим) посредством электромагнитной индукции. Согласно закону физики при перемещении подключенного к питанию проводника в магнитном поле возникает электродвижущая сила, которая его вращает.Обладая идентичными функциональными блоками – индуктором (индукторным колесом или статором), формирующим магнитный поток и ротором (якорем), передающим механическую энергию, синхронные и асинхронные электроприводы имеют свои различия. Основные состоят в конструкции и перемещении якоря относительно движения магнитного поля индуктора.Статоры в машинах обоих типов действуют одинаково, тогда как способ вращения роторных устройств отличается. Разница между синхронным и асинхронным двигателем состоит в совпадении скоростных величин якоря и поля. В первом случае скорость ротора и магнитного потока совпадает. Этот принцип работы стал основой понятия привода. Во втором синхронная скорость не обеспечивается, и всегда есть различие между скоростными параметрами якорного устройства и магнитного поля в статоре.Внешне отличие синхронного от асинхронного двигателя незначительно, поэтому визуально сложно определить тип мотора. Единственное, что поможет – это присутствие ребер охлаждения асинхронного электродвигателя (АД). Среди других структурных особенностей выделяют:
способ подачи токовой нагрузки на цепь якоря: независимый у синхронных двигателей (СД) и формируемый полем индуктора у АД;
наличие явно выраженных магнитных полюсов у ротора СД с наличием постоянных магнитов или электромагнитов;
способ формирования роторной электроцепи: у СД – трехфазная обмотка возбуждения в виде катушек или сплошная, равномерно распределенная по поверхности цилиндрического якоря; у АД – алюминиевые стержни или витки цепи, уложенные в выштампованные пазы якорного механизма.
Устройство ротора, принцип его питания и действия обуславливают применение синхронных и асинхронных машин.
Различия в работе
Небольшая разница в конструкции и электропитании формирует существенное отличие синхронного от асинхронного двигателя. Работа приводов, их технические и эксплуатационные возможности влияют на спрос и использование электроприводов.Пуск синхронного двигателя с помощью только от питающей сети не производится, что связано с инерционностью роторного узла и высокой скоростью вращающегося поля. Вследствие этого скорость вращения якоря необходимо увеличить до параметров магнитного потока. Если мощность мотора большая, то разгон производится вспомогательным электродвигателем или преобразователем частоты. Маломощное оборудование запускается посредством пусковых обмоток (демпферных), с которыми машины работают как устройство с короткозамкнутым ротором. Отличие синхронного двигателя состоит в том, что они имеют постоянную скорость, не зависящую от нагрузки.АД отличаются от синхронных машин принципом вращения роторного блока. Якорь всегда отстает от магнитного потока, сохраняя разность скоростных параметров. Эта разница (около 1–8%) обеспечивает присутствие тока и момента. В зависимости от величины нагрузки, которую преодолевает роторный механизм, разность в скоростях будет меняться: чем больше нагрузка, тем меньше скоростная характеристика якоря. Поэтому электропривод такого типа называют асинхронный электродвигатель. В отличие от синхронных, он не может самостоятельно обеспечивать скорость вращения, равную аналогичному параметру поля. Преобразование однофазного в трехфазный переменный ток для питания АД обеспечивает электронный фазорасщепитель, состоящий из выпрямителя и инвертора.
Области применения
Синхронный и асинхронный двигатель отличия которых рассмотрены выше, имеют свои области применения. Благодаря стабильности частоты вращения СД используют для электроприводов средней и большой мощности, работающих длительно с постоянной скоростью. Характерное отличие синхронного двигателя, заключающееся в опережающем коэффициенте мощности при определенном токе возбуждения, позволяет его использовать для компенсации реактивной мощности предприятий. Также, синхронные двигатели имеют следующие прикладные сферы:
энергетическая отрасль: поддержка параметров напряжения, устойчивости электросети при авариях;
машиностроительная индустрия: изготовления оборудования для резки металлопроката;
синхронный генератор на электростанциях;
приводы мощных компрессорных установок;
насосные и вентиляторные агрегаты.
Широкое применение асинхронного электродвигателя обусловлено его надежной и вместе с тем простой конструкцией. Они функциональны как в бытовой, инженерной, так и в производственной сфере. Асинхронными машинами обеспечивают эффективные приводы:
технологического оборудования в тяжелой промышленности;
инженерных систем вентиляции, водоотведения, водоснабжения;
бытовых приборов.
Электроприводы асинхронных и синхронных типов находят широкое применение в промышленной автоматизации. Они участвуют в работе простых электроприводов и сложных сервосистем, построение и принцип действия которых основаны на получении обратной связи. Датчики считывают данные о том, какая угловая скорость асинхронного двигателя, а частотный преобразователь на основании полученной информации управляет мотором.
Положительные качества
Как и любое техническое устройство СД и асинхронные двигатели имеют свои сильные и слабые стороны. Свойства со знаком «плюс» или «минус» обусловлены конструктивными и техническими различиями электрооборудования. Какой двигатель установить для простого или высокоскоростного электропривода напрямую зависит от того, чем отличается синхронный двигатель от асинхронного. В связи с этим выделяют следующие достоинства СД:
возможность работать как генератор и обеспечивать компенсацию реактивной мощности, вырабатываемой электростанциями; эта способность особенно важна для промышленных предприятий, поскольку синхронный генератор, работая с опережающим током, увеличивает коэффициент мощности электросети, уменьшает нагрузку на трансформаторы, кабели, улучшает качестве электроэнергии и, как результат, способствует лучшей отдаче от асинхронных моторов;
высокий коэффициент полезного действия порядка 97-98%;
возможность изменять перегрузочные параметры посредством разных характеристик тока, питающего роторный механизм;
низкий порог чувствительности к перепадам напряжения в электросети, что является важным отличием от асинхронных электромоторов;
высокая надежность работы благодаря воздушному зазору больших размеров.
АД имеет свои преимущества перед устройством синхронного типа и характеризуются:
более простой и надежной конструкцией, обусловленной трехфазным принципом подключения и упрощенным конструированием, понятным для чайников;
способностью запускаться напрямую, в то время как пуск синхронного двигателя с прямым сетевым подключением невозможен;
экономичным энергопотреблением, что значит снижение эксплуатационных затрат;
доступной относительно низкой ценой, чем отличаются от СД;
универсальностью применения, особенно в местах с частотно-регулируемыми электроприводами с обратной связью; в этом случае для вращения асинхронного мотора с требуемыми оборотами устанавливают электронное устройство управления;
способностью работать от одно- и трехфазной сети, что позволяет использовать этот двигатель в местах с отсутствием развитой инфраструктуры.
Положительным моментом АД также является способность самозапускаться после потери и возобновления электропитания. Этот тип машин лучше и по затратам на обслуживание. При эксплуатации достаточно производить чистку элементов машины от загрязнений, протягивать контакты и лишь спустя полтора десятка лет заменить подшипники в двигателях.
Отрицательные моменты
Сравнительная характеристика относительно «минусов» позволит сделать полноценное сравнение рассматриваемых типов моторов и решить окончательно, какой двигатель оптимально подойдет под существующие условия. Относительно отрицательных сторон отличие синхронной эл/машины заключается в:
более сложном конструировании, что отражается на его стоимости;
неудобстве с запуском, поскольку пуск синхронного двигателя с прямым подключением не производится;
ограниченности использования, так как эти виды приводов предназначены только для оборудования с неизменной частотой вращения и с питанием от сети постоянного тока.
Асинхронный двигатель отличается от синхронника и характеризуется следующими недостатками:
повышенным нагревом механизма, что вызывает необходимость увеличивать площадь охлаждения корпуса, делая его ребристым; дополнительно это позволяет визуально отличить мотор;
невысоким пусковым КПД и повышенной реактивностью, ограничивающей число пусков в определенный отрезок времени, чем отличается асинхронный двигатель не в лучшую сторону;
неспособностью работать на сетевом напряжении менее 220В;
возникновением эффекта «скольжения»; об этом свидетельствует отставание частоты якоря от магнитного потока индуктора;
высокой токовой нагрузкой в момент пуска, в чем заключается основная проблема машин мощностью более 10 кВт; значение пускового тока может превышать номинальную величину в шести или восьмикратном размере и длиться в течение 5 – 10 секунд.
Конструирование синхронного и асинхронного двигателя выполнено из условия оптимизации работы, структуры и функциональности своих предшественников. Они являются преобразователями электроэнергии и осуществляют ее превращение в механическую работу (движение вала) и наоборот (генераторный режим) посредством электромагнитной индукции. Согласно закону физики при перемещении подключенного к питанию проводника в магнитном поле возникает электродвижущая сила, которая его вращает. Обладая идентичными функциональными блоками – индуктором (индукторным колесом или статором), формирующим магнитный поток и ротором (якорем), передающим механическую энергию, синхронные и асинхронные электроприводы имеют свои различия. Основные состоят в конструкции и перемещении якоря относительно движения магнитного поля индуктора. 
Статоры в машинах обоих типов действуют одинаково, тогда как способ вращения роторных устройств отличается. Разница между синхронным и асинхронным двигателем состоит в совпадении скоростных величин якоря и поля. В первом случае скорость ротора и магнитного потока совпадает. Этот принцип работы стал основой понятия привода. Во втором синхронная скорость не обеспечивается, и всегда есть различие между скоростными параметрами якорного устройства и магнитного поля в статоре. Внешне отличие синхронного от асинхронного двигателя незначительно, поэтому визуально сложно определить тип мотора. Единственное, что поможет – это присутствие ребер охлаждения асинхронного электродвигателя (АД). Среди других структурных особенностей выделяют:
Пуск синхронного двигателя с помощью только от питающей сети не производится, что связано с инерционностью роторного узла и высокой скоростью вращающегося поля. Вследствие этого скорость вращения якоря необходимо увеличить до параметров магнитного потока. Если мощность мотора большая, то разгон производится вспомогательным электродвигателем или преобразователем частоты. Маломощное оборудование запускается посредством пусковых обмоток (демпферных), с которыми машины работают как устройство с короткозамкнутым ротором. Отличие синхронного двигателя состоит в том, что они имеют постоянную скорость, не зависящую от нагрузки. 
АД отличаются от синхронных машин принципом вращения роторного блока. Якорь всегда отстает от магнитного потока, сохраняя разность скоростных параметров. Эта разница (около 1–8%) обеспечивает присутствие тока и момента. В зависимости от величины нагрузки, которую преодолевает роторный механизм, разность в скоростях будет меняться: чем больше нагрузка, тем меньше скоростная характеристика якоря. Поэтому электропривод такого типа называют асинхронный электродвигатель. В отличие от синхронных, он не может самостоятельно обеспечивать скорость вращения, равную аналогичному параметру поля. Преобразование однофазного в трехфазный переменный ток для питания АД обеспечивает электронный фазорасщепитель, состоящий из выпрямителя и инвертора.
