Всё про синхронный двигатель

10 Feb 2023 в 15:49
Синхронный двигатель - один из самых эффективных двигателей. Возможность контролировать коэффициент мощности делает его очень востребованным, особенно для низкоскоростных приводов. В этой статье мы рассмотрим синхронный двигатель, его устройство, принцип работы, типы, характеристики, способы запуска, применение, модель/фазовую диаграмму, преимущества и недостатки.

Что такое синхронный двигатель?
Синхронный двигатель - это двигатель переменного тока, у которого в установившемся состоянии вращение вала синхронизировано с частотой подаваемого тока; период вращения точно равен целому числу циклов переменного тока.
Синхронный двигатель

Эти двигатели содержат многофазные электромагниты переменного тока на статоре двигателя, которые создают магнитное поле, вращающееся в такт колебаниям сетевого тока. Синхронный двигатель имеет двойное питание, если он снабжен независимо возбуждаемыми многофазными электромагнитами переменного тока как на роторе, так и на статоре.

Конструкция синхронного двигателя
Конструкция синхронного двигателя такая же, как и у других двигателей. Статор и ротор являются основными частями синхронного двигателя, в то время как корпус является кожухом, а статор и ротор составляют электрическую и магнитную цепи синхронного двигателя. Основными компонентами двигателя являются:
Статор
Ротор
Возбудитель
Корпус

Компоненты синхронного двигателя
Компоненты и конструкция синхронного двигателя

Статор
Статор - это неподвижная часть двигателя. Он имеет цилиндрический каркас, в котором имеются пазы для размещения обмоток. Статор состоит из сердечника, который обычно изготавливается из стали. Этот сердечник изолирован для предотвращения протекания вихревых токов.
Компоненты статора
Компоненты статора

Цепь обмотки статора называется обмоткой статора. Она питается трехфазным переменным током.
Ротор
Ротор - это вращающаяся часть, которая вращается точно с той же скоростью, что и магнитное поле статора. Он возбуждается от источника постоянного тока.
Ротор состоит из определенного числа полюсов, которое зависит от скорости и частоты машины.
Типы конструкции ротора в синхронном двигателе
Существует два типа конструкции ротора в синхронных двигателях. Это:
Роторы с явно выраженными полюсами
Роторы с неявно выраженными полюсом
Роторы с явно выраженными полюсами
В роторах с явно выраженными полюсами полюса выступают над поверхностью ротора.
Ротор с  явно выраженными полюсами

Роторы с неявно выраженными полюсами
В роторах с неявно выраженными полюсами обмотки размещаются в пазах, обработанных в роторе.
Ротор с неявно выраженными полюсами

Возбудитель
Это небольшой генератор, размещенный в роторе, который обеспечивает мощность возбуждения для возбуждения. Он состоит из обмотки возбуждения и обмотки якоря. Обмотка возбуждения размещается в статоре, а обмотка якоря - в роторе машины.
Корпус
Он защищает двигатель и охватывает весь узел.

Принцип работы синхронного двигателя
Работа синхронного двигателя заключается в том, что ротор следует за вращающимся магнитным полем статора и вращается с приближающейся к нему скоростью. Обмотка ротора возбуждается от источника постоянного тока, а обмотка статора - от источника переменного тока.
Принцип работы синхронного двигателя

Принцип работы синхронного двигателя заключается в следующем:
Благодаря трехфазному переменному току, обмотка статора создает трехфазное вращающееся магнитное поле.
Обмотка ротора создает постоянное магнитное поле.
При некоторых оборотах полюса двух магнитных полей притягиваются друг к другу, в то время как в некоторые моменты они отталкиваются друг от друга.
Ротор не начнет вращаться из-за своей инерции. Поэтому внешний источник обеспечит начальное вращение.
Как только ротор начнет двигаться с синхронной скоростью, внешний источник отключается.
Магнитное поле ротора создается не за счет магнитного поля ротора, а за счет индукции. Следовательно, воздушный зазор между ротором и статором не должен быть очень маленьким.

Типы синхронных двигателей
Синхронные двигатели можно разделить на два типа в зависимости от способа намагничивания ротора.
Синхронные двигатели без возбуждения
Синхронные двигатели с возбуждением постоянным током (DC)

Синхронный двигатель без возбуждения
Ротор состоит из стали. При синхронной скорости он вращается вместе с вращающимся магнитным полем статора, поэтому через него проходит почти постоянное магнитное поле. Ротор изготавливается из высокоретенционной стали, такой как кобальтовая сталь.
Синхронные двигатели без возбуждения выпускаются в трех исполнениях:
гистерезисные синхронные двигатели
синхронные двигатели с редуктором
синхронные двигатели с постоянным магнитом

Гистерезисные синхронные двигатели
Гистерезисные двигатели - это однофазные двигатели, ротор которых изготовлен из ферромагнитного материала. Роторы обладают высоким свойством потери гистерезиса. Они изготавливаются из хрома, кобальтовой стали или алнико.
Гистерезисный синхронный двигатель

Они самозапускаются и не нуждаются в дополнительной обмотке. Они имеют широкую петлю гистерезиса, что означает, что после намагничивания в определенном направлении, для обратного намагничивания требуется большое обратное магнитное поле.

Редукционный синхронный двигатель
Редуктивность всегда минимальна, когда кусок железа вращается, чтобы пройти путь магнитного потока. Когда полюса выровнены с магнитным полем статора, редуктанс увеличивается с увеличением угла между ними. Это создает вращающий момент, притягивающий ротор к полюсу, расположенному ближе к полюсу статора.
Редукционный синхронный двигатель

Полюса ротора обычно имеют короткозамкнутую обмотку, чтобы обеспечить крутящий момент ниже синхронной скорости для запуска двигателя.

Синхронные двигатели с постоянным магнитом
Двигатель с постоянными магнитами использует постоянные магниты в стальном роторе для создания постоянного магнитного потока. Ротор фиксируется, когда скорость близка к синхронной.
Синхронный двигатель с постоянным магнитом

Статор содержит обмотку, которая подключена к источнику переменного тока для создания вращающегося магнитного поля. Двигатели с постоянными магнитами похожи на бесщеточные двигатели постоянного тока.

Синхронный двигатель с возбуждением постоянным током (DC)
Требует подачи постоянного тока на ротор для создания магнитного поля. Он имеет как обмотку статора, так и обмотку ротора. Постоянный ток может подаваться от отдельного источника постоянного тока или от генератора постоянного тока, подключенного к валу двигателя.

Характеристики синхронного двигателя
Ниже приведены некоторые ключевые характеристики синхронного двигателя, которые отличают его от других двигателей:
Скорость
Скорость вращения варьируется от 150 об/мин до 1800 об/мин. Скорость синхронна и не зависит от условий нагрузки. Скорость всегда остается постоянной от холостого хода до полной нагрузки.
Пусковой момент
Для запуска синхронного двигателя требуется внешняя сила, так как он не имеет пускового момента.
Номинальная мощность
Номинальная мощность синхронных двигателей варьируется от 150 кВт до 15 МВт.
Эффективность
Синхронные двигатели являются высокоэффективными машинами, их КПД намного выше, чем у асинхронных двигателей.
Обслуживание
В синхронных двигателях используется бесщеточный возбудитель, что снижает проблему технического обслуживания.

Способы запуска синхронного двигателя
Как мы все знаем, синхронные двигатели не могут самозапускаться, так как не имеют пускового момента. Поэтому для запуска двигателя используются различные способы. Внешняя сила используется при запуске для повышения скорости до синхронной. Три основных способа:
Снизить частоту статора до безопасного пускового уровня.
Использовать внешний первичный двигатель.
Использование демпферной обмотки.

Модельная диаграмма и фазораспределительная диаграмма синхронного двигателя
В синхронном двигателе структура поля стимулируется постоянным током. Из-за вращающегося магнитного поля в обмотке статора индуцируется напряжение, которое называется противо-ЭДС (E).
Модельная диаграмма синхронного двигателя

Эффект реакции якоря заменяется фиктивной реактивностью (Xa). Когда Xa объединяется с реактивностью утечки якоря, это дает синхронную реактивность (Xs). Когда Xs объединяется с эффективным сопротивлением якоря (Re), получается синхронный импеданс (Zs).

Фазораспределительная диаграмма синхронного двигателя
Фазораспределительная диаграмма синхронного двигателя

Для построения фазовой диаграммы в качестве опорного фазовращателя берется напряжение Vt, при этом необходимо соблюдать следующие пункты:
Если машина работает как асинхронный двигатель, то направление тока якоря будет противоположно направлению ЭДС возбуждения.
Фаза возбуждения ЭДС всегда отстает от фазы напряжения на зажимах.

Области применения синхронного двигателя включают в себя:
Основное применение синхронного двигателя - это "коррекция коэффициента мощности", что означает увеличение коэффициента мощности системы.
Синхронные двигатели используются для регулирования напряжения
Синхронные двигатели обычно используются для низкоскоростных нагрузок большой мощности.
Синхронные двигатели обычно используются в воздушных и газовых компрессорах и вакуумных насосах.
Синхронные двигатели также находят свое применение в дробилках, мельницах и измельчителях.
Они также используются в дымососах, вентиляторах и воздуходувках.

Преимущества синхронного двигателя
К преимуществам синхронного двигателя относятся:
Преимуществом использования синхронного двигателя является возможность контроля коэффициента мощности. Возбужденный синхронный двигатель имеет лучший коэффициент мощности и работает параллельно с асинхронными двигателями, тем самым улучшая коэффициент мощности системы.
Скорость остается постоянной независимо от нагрузки в синхронных двигателях. Это качество помогает в промышленном оборудовании, где требуется постоянная скорость независимо от нагрузки.
Синхронные двигатели имеют более широкие воздушные зазоры, чем асинхронные двигатели, что делает их механически более устойчивыми.
Электромагнитная мощность в синхронных двигателях изменяется линейно в зависимости от напряжения.
Синхронные двигатели обычно работают с более высоким КПД (более 90%), особенно на низкой скорости, по сравнению с асинхронными двигателями.

Недостатки синхронного двигателя
К недостаткам синхронного двигателя относятся:
Синхронные двигатели требуют возбуждения постоянного тока, который подается от внешних источников.
Эти двигатели не являются самозапускающимися двигателями и нуждаются во внешнем устройстве для запуска и синхронизации.
Стоимость одного кВт мощности обычно выше, чем у асинхронных двигателей.
Если не регулировать частоту входящего питания, то невозможно регулировать скорость.
Они не могут быть запущены под нагрузкой, так как их пусковой момент равен нулю.
Требуются коллекторные кольца и щетки, что приводит к высоким эксплуатационным расходам.
Синхронные двигатели не могут быть полезны для приложений, требующих частого запуска машин.
Категория: Электрика
Случайная статья: Измерения и испытания cиловых трансформаторов