Схема подключения электродвигателя синхронного


Принцип действия синхронного двигателя

Содержание:

Прежде чем рассматривать принцип действия синхронного двигателя, необходимо помнить, что это электрическая машина, работающая на переменном токе, у которой ротор вращается с частотой, которая равна частоте вращения магнитного поля в воздушной прослойке.

Синхронный двигатель состоит из основных частей – якоря и индуктора. Обычно, его исполнение сделано таким образом, что якорь расположен на статоре, а индуктор – на роторе, отделенном воздушной прослойкой. Данные агрегаты обладают высоким коэффициентом мощности. Существенным плюсом является возможность их использования в сетях с любым напряжением.

Устройство синхронного двигателя

Конструкция синхронного двигателя состоит из двух основных частей – статора и ротора. Статор является неподвижной частью агрегата, а ротор – подвижной. В состав якоря входят одна или несколько обмоток переменного тока. При работе двигателя токи, поступающие в якорь, приводят к вращению магнитного поля, пересекающегося с полем индуктора и преобразующего энергию. Поле якоря носит другое название – поле реакции якоря. В генераторе такое поле создается с помощью индуктора.

В состав индуктора входят электромагниты постоянного тока, называемые полюсами. Во всех синхронных электродвигателях индукторы бывают двух конструкций – явнополюсная и не явнополюсная, отличающиеся расположением полюсов. Конструкция статора включает в себя корпус и сердечник, в состав которого входят двух- и трехфазные обмотки. Сами обмотки могут быть распределенными и сосредоточенными.

Чтобы уменьшить магнитное сопротивление и улучшить прохождение магнитного потока, используются ферромагнитные сердечники, расположенные в роторе и статоре, для изготовления которых используется электротехническая сталь. Она обладает интересными свойствами, например, повышенным содержанием кремния, с целью повышения ее электрического сопротивления и уменьшения вихревых токов.

Каждый синхронный электродвигатель обладает важным параметром – электромагнитным моментом. Он возникает в том случае, когда магнитный поток ротора начинает взаимодействовать с вращающимся магнитным полем. Данное поле образуется под влиянием трехфазного тока, протекающего по обмотке якоря.

В режиме холостого хода происходит совпадение осей магнитных полей ротора и статора. Поэтому электромагнитные силы, возникающие между их полюсами, принимают радиальное направление и значение электромагнитного момента агрегата становится равным нулю. При переходе устройства в двигательный режим, на ротор начинает воздействовать внешние нагрузочный момент, приложенный к валу. В результате, происходит смещение ротора на величину определенного угла против направления вращения.

Подобное электромагнитное взаимодействие между ротором и статором приводит к созданию электромагнитных сил, направленных в сторону вращения. Таким образом, действие вращающегося электромагнитного момента стремится к преодолению действия внешнего момента. Максимальное значение электромагнитного момента образует угол 90 градусов, при расположении полюсов ротора между осями полюсов статора.

Если значение нагрузочного момента, приложенного к валу двигателя, превысит максимальный электромагнитный момент, в этом случае двигатель остановится под влиянием внешнего момента. Из-за этого в неподвижном двигателе по обмотке якоря будет проходить очень высокий ток. Данный режим является аварийным, он представляет собой выпадение из синхронизма и на практике не должен допускаться.

Как работает синхронный двигатель

Принцип действия синхронного двигателя основывается на взаимном влиянии магнитных полей якоря и полюсов индуктора. При обращенной конструкции агрегата расположение якоря и индуктора выполнено наоборот, то есть, первый расположен на роторе, а другой – на статоре. Такой вариант используют криогенные синхронные машины, у которых в состав обмоток возбуждения входят материалы со свойствами сверхпроводимости.

При запуске двигателя его разгоняют до частоты близкой к той, с которой в зазоре вращается магнитное поле. Только после этого он переходит в синхронный режим. В данной ситуации происходит пересечение магнитных полей якоря и индуктора. Этот момент получил название входа в синхронизацию.

При разгоне используется состояние асинхронного режима, когда происходит замыкание обмоток индуктора с помощью реостата или короткозамкнутым путем, подобно асинхронным машинам. Для того, чтобы осуществлять запуск в таком режиме, ротор оснащается короткозамкнутой обмоткой, которая одновременно является успокоительной обмоткой, способной устранить раскачивание ротора во время синхронизации. После того, как скорость становится близко к номинальной, в индуктор подается постоянный ток.

Таким образом, синхронный двигатель это не только двигатель, но и своеобразный генератор, поскольку у них одинаковое конструктивное исполнение. Схема работы двигателя будет следующей. Обмотка якоря подключается к трехфазному переменному току, а к обмотке возбуждения от постороннего источника подается постоянный ток. Вращающееся магнитное поле, созданное трехфазной обмоткой и поле, созданное обмоткой возбуждения, взаимодействуют между собой. Это вызывает появление электромагнитного момента, приводящего ротор во вращающееся состояние.

Для двигателей, где установлены постоянные магниты, применяются специальные внешние разгонные двигатели. В отличие от асинхронных устройств, разгон ротора в синхронном двигателе должен достигнуть частоты вращения магнитного поля. Это связано с подачей в обмотку ротора тока из постороннего источника, а не индуцируется в нем под действием магнитного поля статора, следовательно, на него не влияет частота вращения вала. В результате, синхронный двигатель переменного тока приобретает постоянную частоту вращения ротора вне зависимости от нагрузки. Специфический принцип работы этих устройств оказал влияние на их пуск и регулировку частоты вращения.

Схема запуска двигателя и его регулировка

У синхронных двигателей отсутствует начальный пусковой момент. При подключении якорной обмотки к источнику переменного тока, электромагнитный момент дважды изменить свое направление за один период изменения тока. Это происходит, когда ротор находится в неподвижном состоянии, а в обмотке возбуждения протекает постоянный ток.

Таким образом, величина среднего момента в течение одного периода будет иметь нулевое значение. Чтобы увидеть, как работает синхронный двигатель при пуске, нужно выполнить разгон его ротора под действием внешнего момента до вращения с частотой, приближенной к синхронной.

Сам запуск агрегата может производиться разными способами:

Различия синхронных и асинхронных двигателей

Все электродвигатели переменного тока по принципу действия могут быть асинхронными и синхронными. В первом случае вращение ротора будет медленнее, по сравнению с магнитным полем, а во втором – вращение ротора и магнитного поля происходит с одинаковой скоростью.

В асинхронном двигателе вращающееся переменное магнитное поле создается обмотками, закрепленными на статоре. Концы этих обмоток выведены в общую клеммную коробку. Во избежание перегрева на валу двигателя устанавливается вентилятор. Ротор выполнен из металлических стержней, замкнутых с двух сторон между собой. Он представляет единое целое с валом и получил название короткозамкнутого ротора.

Вращение магнитного поля происходит под действием постоянной смены полюсов. Соответственно, в обмотках изменяется направление тока. На скорость вращения вала оказывает влияние количество полюсов магнитного поля.

Синхронный электродвигатель конструктивно отличается от асинхронных агрегатов. Здесь вращение ротора и магнитного поля происходит с одинаковой скоростью. Напряжение на ротор для зарядки обмоток подается с помощью щеток, а не индуцируется действием переменного магнитного поля. Направление тока в обмотках изменяется одновременно с направлением магнитного поля, поэтому вал синхронного двигателя всегда вращается в одну сторону.

electric-220.ru

Типовые схемы пуска синхронных электродвигателей | Полезные статьи - Кабель.РФ

На сегодняшний день использование синхронных двигателей получило широкое распространение в сфере производства оборудования, работающего с постоянной скоростью, которое применяется в разных сферах человеческой деятельности. В связи с этим, существует несколько способов запуска синхронных электродвигателей, наиболее распространенные варианты которых будут представлены ниже.

Способы пуска синхронного электродвигателя

Способы пуска синхронного электродвигателя достаточно сложны, в этом заключается один из основных недостатков электродвигателей данного типа. Запуск синхронных электродвигателей осуществляется либо посредством воздействия вспомогательного пускового двигателя, либо с помощью асинхронного пуска. Рассмотрим каждый из способов в отдельности.

Асинхронный пуск синхронного электродвигателя

Асинхронный пуск синхронного электродвигателя предполагает расположение дополнительной короткозамкнутой обмотки в полюсных наконечниках полюсов ротора. Это необходимо, чтобы обеспечить во время пуска вывод чрезмерно большой Э.Д.С., образующейся в обмотке (1), что является возможным благодаря замыканию рубильника (2) на соединение (3). Благодаря тому, что магнитное поле, возникающее в результате включения напряжения трехфазной сети в обмотке статора (4), пересекает короткозамкнутую обмотку (пусковую обмотку), находящуюся в полюсных наконечниках ротора, индуктируются токи.

Действие этих токов в сочетании с вращающимся полем статора, запускают во вращение ротор, который постепенно набирает обороты. Достигнув 95-97% количества оборотов рубильник (2) ротора переходит в состояние, которое вынуждает обмотку ротора включить сеть постоянного напряжения.

Асинхронный пуск синхронного электродвигателя не лишен недостатков, точнее сказать, недостатка, которым является большой пусковой ток, который по значению может превышать в 7 раз рабочий ток. Столь высокое значение пускового тока является причиной падения напряжения в сети, что негативно сказывается на функционировании других потребителей энергии. Одним из наиболее распространенных вариантов решения упомянутого недостатка является использование автотрансформатора для понижения напряжения, а также использование тиристорных возбудителей для пуска синхронных электродвигателей, которые отличаются высоким К.П.Д. Именно высокое значение К.П.Д. во многом определило выбор тиристорных возбудителей в качестве комплектов большей части выпускаемых синхронных электродвигателей крупных размеров. К тому же, применение тиристорных возбудителей позволяет автоматизировать процесс подачи возбуждения синхронному двигателю. Автоматизация может быть реализована 2-мя способами: подача возбуждения синхронному двигателю в функции скорости и подача возбуждения синхронному двигателю в функции тока. При этом контроль подачи возбуждения синхронному двигателю в функции тока осуществляется с помощью реле тока.

На сегодняшний момент именно асинхронный пуск синхронных двигателей получил наибольшее распространение, так как его достаточно просто реализовать, а работает он крайне надежно.

Пуск синхронного двигателя при помощи вспомогательного двигателя

Пуск синхронного двигателя при помощи вспомогательного двигателя предполагает запуск синхронного электродвигателя благодаря работе другого двигателя, работа которого позволяет ротору синхронного двигателя развернуть полюса, осуществляя дальнейшее вращение совершенно самостоятельно. Чтобы запуск произошел, нужно создать условия, при которых количество пар полюсов асинхронного двигателя было бы меньше количества пар полюсов синхронного двигателя. Порядок запуска синхронного двигателя предполагает включение рубильника (3), пуск вспомогательного асинхронного двигателя (2), осуществляющего разворот ротора синхронного двигателя (1) до скорости, которая соответствует скорости поля статора. Далее включаются полюсы ротора после включения рубильника (4). При включении синхронного двигателя в сеть трехфазного тока, требуется синхронизация, осуществляемая реостатом (5). Реостат организует возбуждение, позволяющее установить напряжение обмотки статора, определяемое вольтметром V, равное напряжению в сети, которое указывает вольтметр V1.

При разомкнутом рубильнике лампы (6), расположенные параллельно ножам рубильника (7), буду мигать. По мере того, как будет меняться скорость ращения вспомогательного асинхронного двигателя, лампы будут постепенно начинать мигать все реже, пока все они не погаснут в раз. Это сигнал того, что синхронный двигатель пора включать в сеть трехфазного тока рубильником (7). Так как ротор двигателя далее может вращаться без помощи, то вспомогательный двигатель (2) пора отключать от сети посредством рубильника (3).

Это сложная процедура, являющаяся самым главным недостатком такого варианта асинхронного электродвигателя, что определяет крайне редкие случаи ее практической реализации.

cable.ru

Схемы подключения асинхронного и синхронного однофазных двигателей

Сегодня мы рассмотрим подключение однофазного двигателя переменного тока. К таким относят асинхронные и синхронные моторы, питающиеся от одной фазы, которая обычно имеет напряжение 220 Вольт. Они очень распространены в бытовой сфере и мелком производстве, частном предпринимательстве.

Подключение однофазного асинхронного двигателя

Для разгона асинхронного двигателя требуется создать вращающееся магнитное поле. С этим легко справляется трехфазный источник питания, где фазы сдвинуты друг относительно друга на 120 градусов. Но если речь идет о том, как подключить однофазный электродвигатель, то встает проблема: без сдвига фаз вал не начнет вращаться.

Внутри однофазного асинхронного мотора располагаются две обмотки: пусковая и рабочая. Если обеспечить сдвиг фаз в них, то магнитное поле станет вращающимся. А это главное условие для запуска электродвигателя. Сдвигать фазы можно путем добавочного сопротивления (резистора) или индуктивной катушки. Но чаще всего используют емкости – пусковой и/или рабочий конденсаторы.

С пусковой емкостью

В большинстве случаев схема включает в себя только пусковой конденсатор. Он активен только во время запуска мотора. Поэтому способ хорош, когда пуск обещает быть тяжелым, в противном случае вал не сможет разгоняться из-за небольшого начального момента. После разгона пусковой конденсатор отключается, и работа продолжается без него.

Схема подключения двигателя со вспомогательной емкостью представлена на рисунке выше. Для ее реализации вам потребуется реле или, как минимум, одна кнопка, которую вы будете зажимать на 3 секунды во время запуска мотора в ход. Вспомогательный конденсатор вместе со вспомогательной обмоткой включаются в цепь лишь на некоторое время.

Такая схема обеспечивает оптимальный начальный крутящий момент, если имеют место незначительные броски переменного тока во время пуска. Но есть и недостаток – при работе в номинальном режиме технические характеристики падают. Это обусловлено формой магнитного поля рабочей обмотки: оно у нее овальное, а не круговое.

С рабочей емкостью

Если пуск легкий, а работа тяжелая, то вместо пускового конденсатора понадобится рабочий. Схема подключения показана ниже. Особенность заключается в том, что рабочая емкость вместе с рабочей обмоткой включена в цепь постоянно.

Схема обеспечивает хорошие характеристики при работе в номинальном режиме.

С обоими конденсаторами

Компромиссное решение – использование вспомогательной и рабочей емкости одновременно. Этот способ идеален, если двигатель переменного тока пускается в ход уже с нагрузкой, и сама работа тяжела для него. Посмотрите, схема ниже – это словно две схемы (с рабочей и вспомогательной емкостью), наложенные друг на друга. При запуске на несколько секунд будет включаться пусковой механизм, а второй накопитель будет активен все время: от пуска до завершения работы.

Расчет емкостей

Наибольшую сложность для начинающих представляет расчет емкости конденсаторов. Профессионалы подбирают их опытным путем, прислушиваясь к мотору во время запуска и работы. Так они определяют, подходит накопитель, или нужно поискать другой. Но с небольшой погрешностью в большинстве случаев емкость можно рассчитать так:

Пример: у вас асинхронный однофазный электродвигатель на 2 кВт. Это 2000 Ватт. Значит, при подключении с рабочей емкостью нужно запастись накопителем 1,4-1,6 мкФ. Для пусковой потребуется 3,5-4 мкФ.

Подключение однофазного синхронного электродвигателя

Несмотря на сложность конструкции синхронных двигателей, они имеют много преимуществ перед асинхронными. Главное – это низкая чувствительность к скачкам напряжения, ведущих к резкому уменьшению или увеличению силы тока. Не менее значим и тот факт, что синхронные моторы могут работать даже с перегрузкой, не говоря уже об оптимальном режиме реактивной энергии и вращении вала с постоянной скоростью. Однако подключение – трудоемкий процесс, и это уже недостаток.

Метод разгона

Нельзя пустить в ход однофазный синхронный двигатель, просто подав питание на его обмотки. Потому что в момент включения направление питающего тока в статорных намотках соответствует рисунку (а). В это время на ротор, который еще находится в состоянии покоя, действует пара сил, которая будет пытаться крутить вал по часовой стрелке. Но через половину периода в статорных намотках ток поменяет свое направление. Поэтому пара сил будет уже действовать в обратном направлении, поворачивая вал против часов стрелки, как на рисунке (б). Поскольку ротор обладает большой инертностью, он так и не сдвинется с места.

Чтобы заставить ротор вращаться, необходимо, чтобы он успевал сделать хотя бы половину оборота, чтобы изменение направления тока не повиляло на его вращение. Это возможно, если разогнать вал при помощи посторонних сил. Это можно сделать двумя путями:

  1. Вручную;
  2. С использованием второго двигателя.

Собственной силой рук можно разогнать только маломощные синхронные электродвигатели. А для средне- и высокомощных агрегатов придется использовать другой мотор.

При разгоне с посторонней силой ротор начинает вращаться со скоростью, близкой к синхронной. Потом только включается обмотка возбуждения, и затем – статорная намотка.

Асинхронный пуск синхронного мотора

Если в наконечниках на полюсах ротора уложены стержни из металла, и они соединены между собой по бокам кольцами, то мотор должен запускаться асинхронным методом. Эти стержни играют роль вспомогательной обмотки, которая есть у асинхронного двигателя. При этом намотку возбуждения закорачивают с помощью разрядного резистора, а статорную обмотку подключают к сети. Только так можно обеспечить такой же разгон, как и у асинхронного электродвигателя. Но после того, как скорость вращения максимально приблизится к синхронной (достаточно 95% от нее), намотку возбуждения соединяют с источником постоянного тока. Скорость становится полностью синхронной, что влечет за собой снижение ЭДС индукции вспомогательной обмотки вплоть до нуля. И она отключается автоматически.

Важно! Вспомогательные металлические стержни должны обладать высоким активным сопротивлением. В противном случае пусковой момент будет недостаточным для разгона ротора. А закорачивать намотку возбуждения необходимо по одной простой причине: если этого не сделать, то у нее в момент пуска случится пробой, потому что она задает вращение в том же направление, что и пусковая обмотка.

Схема и способ подключения вашего двигателя будет зависеть от того, какой он у вас: синхронный или асинхронный. В учет идет также мощность мотора, а также способ пуска: с нагрузкой или без. Разобраться в рисунках вам поможет элементарное понимание механики и электромагнитных явлений.

electricdoma.ru

Схемы подключения электродвигателей к сети переменного тока 220 вольт

Для того чтобы разобраться, как подключить электродвигатель конкретного типа, необходимо понимать принципы его работы и особенности конструкции. Существует множество электродвигателей разных типов. По способу подключения к сети переменного тока они бывают трехфазные, двухфазные или однофазные. По способу питания обмотки ротора делятся на синхронные и асинхронные.

Принцип действия электродвигателя демонстрирует простейший опыт, который всем нам показывали в школе — вращение рамки с током в поле постоянного магнита.

Рамка с током — это аналог ротора, неподвижный магнит — статор. Если в рамку подать ток, она повернется перпендикулярно направлению магнитного поля и застынет в этом положении. Если заставить магнит крутиться, рамка будет вращаться с той же скоростью, то есть синхронно с магнитом. У нас получился синхронный электродвигатель. Но у нас магнит — это статор, а он по определению неподвижен. Как заставить вращаться магнитное поле неподвижного статора?

Для начала заменим постоянный магнит катушкой с током. Это обмотка нашего статора. Как известно из той же школьной физики, катушка с током создает магнитное поле. Последнее пропорционально величине тока, а полярность зависит от направления тока в катушке. Если подать в катушку переменный ток, получим переменное поле.

Магнитное поле — векторная величина. Переменный ток в питающей сети имеет синусоидальную форму.

Нам поможет очень наглядная аналогия с часами. Какие векторы вращаются постоянно перед нашими глазами? Это часовые стрелки. Представим, что в углу комнаты висят часы. Секундная стрелка вращается, делая один полный оборот в минуту. Стрелка — вектор единичной длины.

Тень, которую стрелка отбрасывает на стену, меняется как синус с периодом в 1 минуту, а тень, отбрасываемая на пол — как косинус. Или синус, сдвинутый по фазе на 90 градусов. Но вектор равен сумме своих проекций. Другими словами, стрелка равна векторной сумме своих теней.

Двухфазный синхронный электродвигатель

Расположим на статоре две обмотки под углом в 90 градусов, то есть взаимно перпендикулярно. Подадим в них синусоидальный переменный ток. Фазы токов сдвинем на 90 градусов. Имеем два вектора взаимно перпендикулярных, меняющихся по синусоидальному закону со сдвигом фаз на 90 градусов. Суммарный вектор будет вращаться подобно часовой стрелке, делая один полный оборот за период частоты переменного тока.

У нас получился двухфазный синхронный электродвигатель. Откуда взять токи, сдвинутые по фазе для питания обмоток? Наверное, не всем известно, что вначале распределительные сети переменного тока были двухфазными. И лишь позднее, не без борьбы, уступили место трехфазным. Если бы не уступили, то наш двухфазный электромотор можно было подключить напрямую к двум фазам.

Но победили трехфазные сети, для которых были разработаны трехфазные электродвигатели. А двухфазные электромоторы нашли свое применение в однофазных сетях в виде конденсаторных двигателей.

Современные распределительные сети переменного тока выполнены по трехфазной схеме.

Трехфазный асинхронный двигатель

Ток в ротор синхронного двигателя подается от источника питания. Но мы знаем из той же школьной физики, что ток в катушке можно создать переменным магнитным полем. Можно просто замкнуть концы катушки на роторе. Можно даже оставить всего один виток, как в рамке. А ток пусть индуцирует вращающееся магнитное поле статора.

  1. В момент старта ротор неподвижен, а поле статора вращается.
  2. Поле в контуре ротора меняется, наводя электрический ток.
  3. Ротор начнет догонять поле статора. Но никогда не догонит, так как в этом случае ток в нем перестанет наводиться.
  4. В асинхронном двигателе ротор всегда вращается медленнее магнитного поля.
  5. Разница скоростей называется скольжением. Подключение асинхронного двигателя не требует подачи тока в обмотку ротора.

У синхронных и асинхронных электродвигателей есть свои достоинства и недостатки, но факт состоит в том, что большинство двигателей, применяемых в промышленности на сегодняшний день — это асинхронные трехфазные двигатели.

Если оставить на роторе короткозамкнутый виток, а на статоре одну катушку, то мы получим удивительную конструкцию — асинхронный однофазный двигатель.

На первый взгляд кажется, что такой двигатель работать не должен. Ведь в роторе нет тока, а магнитное поле статора не вращается. Но если ротор рукой толкнуть в любую сторону, двигатель заработает! И вращаться он будет в ту сторону, в которую его подтолкнули при пуске.

Объяснить работу этого двигателя можно, представив неподвижное переменное магнитное поле статора как сумму двух полей, вращающихся навстречу друг другу. Пока ротор неподвижен, эти поля уравновешивают друг друга, поэтому однофазный асинхронный двигатель не может стартовать самостоятельно. Если же ротор внешним усилием привести в движение, он будет вращаться попутно с одним вектором и навстречу другому.

Попутный вектор будет тянуть ротор за собой, встречный — тормозить.

Можно показать, что из-за разности встречной и попутной скоростей влияние попутного вектора будет сильнее, и двигатель будет работать в асинхронном режиме.

Схема включения

Возможно подключение нагрузок к трехфазной сети по двум схемам — звездой и треугольником. При подключении звездой начала обмоток соединяются между собой, а концы подключаются к фазам. При включении треугольником конец одной обмотки подключается к началу другой.

В схеме включения звездой обмотки оказываются под фазным напряжением 220 В., при включении треугольником — под линейным 380 В.

При включении треугольником двигатель развивает не только большую мощность, но и большие пусковые токи. Поэтому иногда используют комбинированную схему — старт звездой, затем переключение в треугольник.

Направление вращения определяется порядком подключения фаз. Для изменения направления достаточно поменять местами любые две фазы.

Подсоединение к однофазной сети

Трехфазный двигатель можно включать в однофазную сеть, хотя и с потерей мощности, если одну из обмоток подключить через фазосдвигающий конденсатор. Однако при таком включении двигатель сильно теряет в своих параметрах, поэтому этот режим использовать не рекомендуется.

Подключение на 220 вольт

В отличие от трехфазного, двухфазный мотор изначально предназначен для включения в однофазную сеть. Для получения сдвига фаз между обмотками включается рабочий конденсатор, поэтому двухфазные двигатели называют еще конденсаторными.

Емкость рабочего конденсатора рассчитывается по формулам для номинального рабочего режима. Но при отличии режима от номинального, например, при пуске баланс обмоток нарушается. Для обеспечения пускового режима на время старта и разгона параллельно рабочему подключается дополнительный пусковой конденсатор, который должен отключаться при выходе на номинальные обороты.

Как включить однофазный асинхронный двигатель

Если не нужен автоматический запуск, асинхронный однофазный двигатель имеет самую простую схему включения. Особенностью этого типа является невозможность автоматического старта.

Для автоматического пуска используется вторая пусковая обмотка как в двухфазном электромоторе. Пусковая обмотка подключается через пусковой конденсатор только для старта и после этого должна быть отключена вручную или автоматически.

tokar.guru

Синхронные электродвигатели. Работа и применение. Особенности

Особенностью работы двигателя является равенство скорости вращения ротора и скорости вращения магнитного потока. Поэтому скорость вала двигателя не зависит и не изменяется от величины подключаемой нагрузки. Это достигается за счет того, что индуктор синхронного электродвигателя является электромагнитом, в некоторых случаях постоянным магнитом.

Количество пар полюсов ротора одинаково с числом пар полюсов у движущегося магнитного поля. Взаимное воздействие этих полюсов дает возможность выравнивания скорости ротора. На валу в этот момент может быть любая по величине нагрузка. Она не влияет на скорость вращения индуктора.

Конструктивные особенности и принцип работы

Основными составными частями синхронного электродвигателя являются: статор, который неподвижен, и ротор, иными словами называемый индуктором. Статор имеет другое название – якорь, но от этого его суть не меняется. Эти части двигателя разделены прослойкой воздуха. Между пазами заложена трехфазная обмотка, которая чаще всего имеет соединение по схеме звезды.

Когда двигатель после запуска начал работать, токи якоря образуют движущееся магнитное поле, его вращение дает пересечение поля индуктора. В итоге такой работы двух полей возникает энергия. Магнитное поле статора по своей сути является полем его реакции. В работе генераторов такую энергию получают с помощью индукторов.

Полюсами являются электромагниты статора, работающие на постоянном токе. Статоры синхронных моторов могут выполняться по различным схемам: неявнополюсной, а также явнополюсной. Они отличаются положением полюсов.

Для снижения магнитного сопротивления и оптимизации условий прохода магнитного поля используют сердечники из ферромагнитного материала. Они находятся в роторе и якоре. Производятся они из электротехнической стали, которая содержит большое количество кремния. Это дает возможность снизить вихревые токи и увеличить электрическое сопротивление стали.

Синхронные электродвигатели имеют в своей основе принцип взаимодействия полюсов индуктора и статора. Во время пуска двигатель ускоряется до скорости вращения магнитного потока. Только при таком условии электродвигатель начинает действовать в синхронном режиме. При таком процессе магнитные поля образуют пересечение, возникает вход в синхронизацию.

Долгое время для разгона мотора применяли отдельный пусковой двигатель. Его соединяли механическим путем с синхронным мотором. При запуске ротор мотора ускорялся и достигал синхронной скорости. Далее мотор самостоятельно втягивался в синхронное движение. При выборе мощности пускового мотора руководствовались 15% мощности от номинала разгоняемого двигателя. Этого резерва мощности было достаточно для запуска синхронного двигателя, даже при наличии небольшой нагрузки.

Такой метод разгона более сложный, значительно повышает стоимость оборудования. В современных конструкциях синхронные электродвигатели не имеют такой схемы разгона. Применяют другую систему разгона. Реостатом замыкают обмотки индуктора по аналогии с асинхронным двигателем. Для запуска на ротор монтируют короткозамкнутую обмотку, являющуюся также и успокоительной обмоткой, которая предотвращает раскачивание ротора при синхронизации.

При достижении ротором номинальной скорости, к индуктору подключают постоянный ток. Однако, для пуска моторов с постоянными магнитами не обойтись без применения пусковых внешних двигателей.

В криогенных синхронных электродвигателях применяется обращенная конструкция. В ней якорь и индуктор размещены наоборот, индуктор находится на статоре, а якорь расположен на роторе. У таких машин возбуждающие обмотки состоят из сверхпроводимых материалов.

Достоинства и недостатки

Синхронные двигатели имеют основное преимущество по сравнению с асинхронными моторами тот факт, что возбуждение от постоянного тока внешнего источника дает возможность работы при значительной величине коэффициента мощности. Эта особенность дает возможность увеличить значение коэффициента мощности для общей сети благодаря включению синхронного мотора.

Синхронные электродвигатели имеют и другие достоинства:Недостатками являются следующие отрицательные моменты:

В итоге можно сказать, что все-таки преимущества синхронных двигателей перекрывают недостатки. Поэтому двигатели такого вида широко применяются в технологических процессах, где идет постоянный непрерывный процесс, и не требуется частая остановка и запуск оборудования: на мельничном производстве, в компрессорах, дробилках, насосах и так далее.

Выбор двигателя
К вопросу приобретения синхронного электродвигателя нужно подходить, основываясь на следующие факторы:
Синхронные компенсаторы

Они служат для компенсирования коэффициента мощности в электрической сети и стабилизации номинального значения напряжения в местах подключения нагрузок к двигателю. Нормальным режимом синхронного компенсатора является режим перевозбуждения в момент отдачи в электрическую сеть реактивной мощности.

Такие компенсаторы еще называют генераторами реактивной мощности, так как они предназначены для выполнения такой же задачи, как батареи конденсаторов на подстанциях. Когда мощность нагрузок уменьшается, то часто необходимо действие синхронных компенсаторов в невозбужденном режиме при их потреблении реактивной мощности и индуктивного тока, потому что напряжение в сети старается увеличиться, а для его стабилизации на рабочем уровне нужно нагрузить сеть током индуктивности, который вызывает в сети снижение напряжения питания.

Для таких целей синхронные компенсаторы обеспечиваются регулятором автоматического возбуждения. Регулятор изменяет ток возбуждения таким образом, что напряжение на компенсаторе не изменяется.

Сфера применения

Широкое использование электродвигателей асинхронного типа со значительными недогрузками делает работу станций и энергосистем сложнее, так как уменьшается коэффициент мощности системы, это ведет к незапланированным потерям, к их неполному использованию по активной мощности. В связи с этим появилась необходимость в использовании двигателей синхронного типа, особенно для приводов механизмов значительной мощности.

Если сравнивать синхронные электродвигатели с асинхронными, то достоинством синхронных стала их работа коэффициентом мощности равном 1, благодаря действию возбуждения постоянным током. При этом они не расходуют реактивную мощность из питающей сети, а если работают с перевозбуждением, то даже отдают некоторую величину реактивной мощности для сети.

В итоге коэффициент мощности сети улучшается, и снижаются потери напряжения, увеличивается коэффициент мощности генераторов электростанций. Наибольший момент синхронного электродвигателя прямо зависит от напряжения, а у синхронного электромотора – от квадрата напряжения.

Поэтому, при уменьшении напряжения синхронный электромотор имеет по-прежнему значительную нагрузочную способность. Также, применение возможности повышения возбуждающего тока синхронных моторов дает возможность повышать их надежность эксплуатации при внезапных снижениях напряжения, и оптимизировать в таких случаях работу всей энергосистемы.

Из-за большой величины воздушного промежутка дополнительные потери в стальных сердечниках и в роторе синхронных моторов меньше, чем у двигателей асинхронного вида. Поэтому КПД синхронных моторов чаще бывает больше.

Однако устройство синхронных моторов намного сложнее, а также необходим возбудитель или другое устройство питания возбуждения. Поэтому синхронные моторы имеют более высокую стоимость по сравнению с асинхронными с короткозамкнутым ротором.

Запуск и регулировка скорости у синхронных электродвигателей имеет свои сложности. Но при больших мощностях их преимущества превосходят недостатки. Поэтому они применяются во многих местах, где не нужны частые пуски, остановки оборудования, а также нет необходимости в регулировки оборотов двигателя с приводом механизмов насосов, компрессоров, мельниц и т.д.

Похожие темы:

electrosam.ru

Способы подключения электродвигателей

Вначале рассмотрим разницу между устройствами 380 и 220 вольт. Настолько очевидна, насколько непонятна непосвященным. Привыкли, каждый домашний прибор подключается двумя проводами, один является фазой, второй – схемной землей. Большая часть техники заземляется. Если речь касается однофазных двигателей, делается на случай пробоя обмотки-корпус. Фаза появится на кожухе — хорошего мало. Рассмотрим способы подключения электродвигателей согласно типу, начнем количеством фаз – одна или три.

Трехфазные и однофазные двигатели

Схемы подключения двигателя звезда, треугольник

Предваряя обсуждение подключения двигателя звезда/треугольник, начитаем теорию. Трехфазный и однофазный двигатели снабжены иногда тремя проводами подключения. Бросьте далеко ходить. Возьмем следующие два случая:

  1. Трехфазный двигатель имеет внутреннюю коммутацию обмоток схемой звезда. Полюсы  снабжены одной общей точкой. Три фазы подключаются к противоположным концам обмоток. Катушки абсолютно идентичные, одинаковые. Внутри создается вращающееся движущееся поле, за счет которого движется вал. Ротор представлен барабаном силумина с медными прожилками. Ток не подводится, магнитные полюсы образуют путем наведенных токов. Захватываются вращающим полем ротора, начинается движение. Особенностью конструкции назовем невозможность (без специальных мер) подключения сети 230 вольт. Потребовалось бы соединить обмотки схемой треугольника, сделать невозможно. Разумеется, статор можно вскрыть, найти общую точку, сделать три отвода, разорвав контакты меж катушками. Второй особенностью двигателя является отсутствие нулевого провода. Многих положение дел ставит в тупик – куда девается ток? Заряды двигаются по проводам меж фазами. Закон электротехники гласит: для подключения трех фаз нагрузке необязательно иметь общий провод, если потребление трех ветвей одинаковое. В противном случае понадобится нейтраль предоставить. Жизненный пример: допустим, нужно подключить на 380 вольт электрочайник. Маразм? Каждая фаза амплитудой 230 вольт, рабочие хотят кипятку — невозможно отказать. Берем одну из фаз, другой вывод вилки вешаем на нейтраль. Учтите, фазы в пределах одного потребителя нужно нагружать поровну (грубо говоря, по чайнику каждой линии дайте), иначе негативные последствия коснутся питающего трансформатора подстанции.

    Электрические коммутации двигателя

  2. Однофазный двигатель может иметь три вывода. Заземление ни при чем, идет отдельно ушком на корпус. Что касается трех выводов, питают пусковую (либо конденсаторную), рабочую обмотку. Одни провод общий, будет схемная земля. Без сего двигатель работать откажется. Правда, трехфазный двигатель проще? Потому используют производства. Что касается подключения однофазного двигателя, одна катушка обычно имеет большее сопротивление. Разница значительнее, двукратной показывает пусковую обмотку. Сопротивление большего номинала. Нужно параллельно повесить конденсатор (емкость определяется, например, минимальным потребляемым током), когда вал раскрутится, цепь обрывается. Иначе, спустя промежуток времени, пусковая обмотка выйдет из строя вследствие чрезмерного перегрева. Если двигатель конденсаторный (бифилярный), цепь с конденсатором работает постоянно. Нормальный режим, благодаря сдвигу фаз, созданному реактивным элементом, образуется вращающееся поле статора нужной формы.

Итак, лежит два двигателя, видом похожие, подключать нужно разным образом. Важной частью корпуса выступает схема подключения электродвигателя. Расположена на шильдике, выбита на кожухе. Становится понятно, на сколько фаз рассчитан мотор, как врубить в цепь. Информация отсутствует — попробуем доработать недочет своими руками. Понадобится китайский тестер.

У трехфазного двигателя три контакта попарно будут давать одинаковое сопротивление, равное удвоенному значению номинала обмотки. Мотор 230 вольт результаты измерений даст неодинаковые:

Нейтраль присоединяем меж обмотками, отводит ток дисбаланса. Толщина проводки вдвое меньше, нежели фаз. Методика отключения в нужный момент пусковой обмотки использует пускозащитные реле. Вручную не контролируют.

Вопрос приобретения узла тесно касается использования специальных справочников. Чужеродное пускозащитное реле с данным типом электродвигателя использовать категорически нельзя. Велика вероятность некорректной работы, выхода прибора из строя. Практически умельцы вручную обрывают цепь. Способ неправильный, имеет право существовать.

Добавим, что пропадание одной фазы может негативно сказаться на некоторых типах моторов. Экспериментируя с агрегатом, реализуя подключение двигателя звезда-треугольник, старайтесь избегать ситуаций. Принято осуществлять пуск специальными защитными автоматами, вырубающими питание при возникновении опасности.

Синхронные, асинхронные, коллекторные двигатели

Помимо количества фаз видим конструктивный признак. С точки зрения потребителя момент является главным. Коллекторные двигатели используются бытовой техникой преимущественно. Поставить на замену асинхронные с аналогичными параметрами, нерентабельно. Коллекторный двигатель получается намного меньшего размера (зато перегревается сильнее). Важно определить тип. Хотя по большому счету трехфазные электродвигатели асинхронного типа являются доминирующим звеном сельскохозяйственных, гаражных, других применений. Вопрос питания обсуждается отдельно.

Обсудим три типа двигателей:

Электродвигатель

  1. Коллекторные снабжают двумя-четырьмя выводами. Последнее делает возможным реверс. Поменяем полярность включения статора, ротора. Коллекторные двигатели отличаются возможность работы от переменного и постоянного тока. В последнем случае характеристики получаются оптимальными. Становится возможным благодаря постоянно переключающимся рабочим обмоткам ротора (секции коллектора). Поле статора постоянное. Главное, чтобы присутствовала нужная полярность. Схема подключения электродвигателя постоянного тока напоминает переменный. Скорость вращения вала регулируется амплитудой питающего напряжения. Либо берется делитель, сформированный силовым ключом, либо отсекается часть цикла синусоиды. Эффект получается схожий: падает действующее значение напряжения.
  2. Асинхронные двигатели по факту доминирующими в промышленности. Реверс образуется изменением полярности включения пусковой обмотки однофазных двигателей, коммутацией последовательности фаз трехфазных. Изменение скорости реализуется аналогичным путем. Варьирование амплитуды питающего напряжения. Асинхронные двигатели обладают плохой приспособленностью к смене скоростей. Очередная причина редкого применения в бытовой технике. Пришла пора сказать: коллекторные двигатели обычно рассчитаны на одну фазу, асинхронные питаются напряжением 380 вольт. Расстановка сил образуется, благодаря соответствующей коммутации обмоток. На практике реализуется подключением электродвигателя треугольником, звездой. Удается воспроизвести вращающееся поля внутри статора. Почему схема подключения асинхронного двигателя звездой непригодна напряжению 230 вольт. Приходится создать сдвиги фаз, становится возможным для схемы треугольника. На одну обмотку подается сетевое напряжение 230 вольт, на вторую – сдвинутое конденсатором на 90 градусов, на третьей образуется разница, изменяемая по нужному закону. Далеко от идеала: подключения электродвигателя звездой и треугольником неравноценны.

    Синхронный двигатель

  3. Синхронные двигатели называются за вращение вала по закону изменения питающего напряжения. В бытовой технике, промышленности используется редко, исключая область сервоприводов. Асинхронные двигатели названы за скорость вращения вала, отличающуюся от частоты питающего напряжения. Вал проскальзывает, эффект используется регулировать обороты. Синхронные двигатели стоят особняком, сфера использования ограничена. Чем отличаются таким особенным. Хороший КПД. Ротор выполняется по схеме с токосъемником, лишен щеток, отсутствует необходимость разделения поверхности сегментами (ток поступает постоянно). Вроде делает возможным применение, где коллекторные моторы пасуют. Замечены некоторые проблемы. Трехфазный синхронный двигатель невозможно запустить вращением фаз статора. Вал за счет инерционности не поддается полю. Приходится применять изыски раскрутки. Тема интересная. Ротор синхронного двигателя питается постоянным током, обмотки — одной-тремя фазами, определяется типом мотора.

Давайте пойме отличие синхронных двигателей от асинхронных. Литература вопрос тщательно обходит. Ответ лежит на поверхности: поле статора синхронного двигателя намного сильнее, ротор намагничен (либо фазный) поэтому вращение  не проскальзывает. Обеспечивается синхронность вращения вала питающему напряжению. Частота определена количества полюсов. Чтобы решить проблемы со стартом (см. выше), используются, например, такие методики:

  1. Вал синхронного двигателя с барабаном, снабженным беличьей клеткой, врубается при пуске через реостат. Образуется поле, как в асинхронном двигателе, захватывающее вал, служит стартовым рычагом. Обороты набраны — цепь разрывается. Реостат нужен погасить токи индукции. Выбирайте сопротивление в 7-8 больше, нежели номинал «беличьей клетки».
  2. Иногда заметите на роторе синхронного двигателя – не поверите – коллектор. Старт выполняется за счет щеток, в дальнейшем из работы выключаются.

И если подключение асинхронного двигателя звезда-треугольник изъедено сполна, синхронные двигатели обсуждаются мало. Встречаются нечасто.

vashtehnik.ru

Синхронные электродвигатели: устройство, схема

Особенностью синхронных электродвигателей является то, что у магнитного потока и ротора скорости вращения одинаковы. По этой причине ротор электрического двигателя не изменяет свою скорость при увеличение нагрузки. На роторе находится обмотка, которая создает магнитное поле.

Иногда используются мощные постоянные магниты. Обычно в синхронных машинах на роторе столько же обмоток, сколько и на статоре. Так получается выровнять скорости вращения магнитного потока и ротора. Нагрузка, которая подключена к электродвигателю, на скорость не влияет вообще.

Конструкция электродвигателя

Устройство синхронного электродвигателя состоит из следующих элементов:

  1. Неподвижная часть — статор, на котором располагаются обмотки.
  2. Подвижный ротор, его иногда называют индуктором или якорем.
  3. Передние и задние крышки.
  4. Подшипники, устанавливаемые на роторе.

Между якорем и статором имеется свободное пространство. В пазах закладываются обмотки, они соединяются в звезду. Как только на двигатель подается напряжение, по обмотке якоря начинает протекать ток. Образуется магнитное поле вокруг индуктора. Но на статор тоже подаётся напряжение. И здесь возникает магнитный поток. Эти поля смещены относительно друг друга.

В синхронных машинах электромагниты на статоре являются полюсами, так как они работают на постоянном токе. Всего существует две схемы, по которым соединяются обмотки статоров:

  1. Явнополюсная.
  2. Неявнополюсная.

Для того чтобы снизить магнитное сопротивление и оптимизировать условия прохода поля, применяются сердечники, изготовленные из ферромагнетиков. Они имеются как в статоре, так и в роторе.

Изготавливаются они из специальных сортов электротехнической стали, в которой содержится огромное количество такого элемента, как кремний. С помощью этого удается значительно понизить вихревой ток, а также увеличить электрическое сопротивление металла.

В основе работы синхронных электродвигателей лежит взаимодействие полюсов статора и ротора. При запуске происходит ускорение до скорости движения потока. Именно в таких условиях электрический двигатель действует в синхронном режиме.

Метод запуска с помощью дополнительного электромотора

Ранее использовались специальные двигатели для запуска, которые соединялись с мотором при помощи механических устройств (ременной передачей, цепной, и пр.). Во время запуска ротор начинал вращаться и, постепенно ускоряясь, достигал значения синхронной скорости. После этого электродвигатель сам начинал работать. Именно такой принцип действия у синхронного электродвигателя, независимо от конструкции и производителя.

Обязательным условием является то, что пусковой электродвигатель должен иметь мощность около 15% от аналогичной характеристики разгоняемого мотора. Такой мощности оказывается вполне достаточно, чтобы запустить любой синхронный электродвигатель, даже если к нему подключена небольшая нагрузка. Этот метод довольно сложный, а себестоимость всего оборудования значительно повышается.

Современный метод запуска

Современные конструкции синхронных электродвигателей не оснащаются подобными схемами для разгона. Используется другая система запуска. Примерно таким образом происходит включение синхронной машины:

  1. При помощи реостата замыкаются обмотки ротора. В результате якорь становится короткозамкнутым, как на простых асинхронных электродвигателях.
  2. На роторе имеется еще и короткозамкнутая обмотка, которая является успокоительной, с ее помощью предотвращается качание якоря во время синхронизации.
  3. Как только якорь достигает минимальной скорости вращения, к его обмоткам подключается постоянный ток.
  4. Если используются постоянные магниты, то применять внешние пусковые двигатели придется обязательно.

Существуют криогенные синхронные электромоторы, в которых используется конструкция обращенного типа. Обмотки возбуждения изготавливаются из сверхпроводниковых материалов.

Преимущества синхронных машин

Асинхронные и синхронные электродвигатели имеют очень схожие конструкции, но различия всё равно имеются. В последних имеется явное преимущество в том, что происходит возбуждение от источника постоянного тока. В этом случае может мотор работать при очень большом коэффициенте мощности. Существуют также другие преимущества синхронных двигателей:

  1. Они работают с завышенным коэффициентом. Это позволяет уменьшить расход электроэнергии, а также существенно снижает потери тока. Коэффициент полезного действия синхронной машины будет намного выше, нежели у асинхронного двигателя с такой же мощностью.
  2. Крутящий момент напрямую зависит от того, какое напряжение в питающей сети. Даже при условии, что напряжение в сети уменьшится, мощность сохранится.

Но всё равно асинхронные машины используется намного чаще, нежели синхронная. Дело в том, что они имеют большую надежность, простую конструкцию, не требуют дополнительного ухода.

Недостатки синхронных двигателей

Оказывается, что недостатков у синхронных машин намного больше. Вот только основные:

  1. Схема синхронного электродвигателя довольно сложная, она состоит из большого количества элементов. Именно по этой причине себестоимость устройства оказывается очень высокой.
  2. Обязательно нужно использовать для питания индуктора источник постоянного тока. Это значительно усложняет всю конструкцию.
  3. Процедура запуска электрического двигателя довольно сложная, нежели у асинхронных машин.
  4. Произвести регулировку частоты вращения ротора можно только при помощи использования частотных преобразователей.

В целом же, преимущества существенно перекрывают недостатки синхронных электродвигателей. По этой причине они очень часто используются там, где необходимо вести непрерывный постоянный производственный процесс, где не нужно часто останавливать и запускать оборудование. Синхронные машины можно встретить в мельницах, дробилках, насосах, компрессорах. Они редко выключаются, работают почти постоянно. За счет применения таких моторов можно достичь существенной экономии электроэнергии.

fb.ru


Смотрите также