Устройство и принцип работы синхронного генератора

Серводвигатели

Эти двигатели занимают свою особую нишу – они работают в оборудовании, где требуется точное регулирование положения и скорости движений. Эти устройства специально разработаны как электродвигатели с якорем малого диаметра, но развивающие высокий крутящий момент. Чем меньше якорь, тем меньше инерция и, следовательно, электродвигатель быстрее разгоняется, и машина работает быстрее.

Серводвигатели оснащают также системами управления по обратной связи: по сигналам тахометра, датчиков линейных перемещений и аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Благодаря управлению по сигналам от этих приборов увеличивается точность движений и регулирования скорости машин. Серводвигатели применяют в оборудовании и системах, где требуется высокая точность движений: в роботизированном оборудовании, штабелерах и подобных складских машинах. Электродвигатели этого типа применяют также в оборудовании и системах, где необходима большая точность синхронизации – в машинах, выполняющих установку (позиционирование) грузов на стеллажах автоматизированных складов.

Основные отличия

Наличие обмоток на якоре является одним из основных отличий между двумя типами двигателей

Несмотря на внешнее сходство, асинхронные двигатели и устройства синхронного типа имеют несколько принципиальных отличий:

• ротор асинхронных моторов не нуждается в токовом питании, а индукция полюсов зависит от магнитного поля статора;
• ротор в синхронном двигателе обладает обмоткой возбуждения в условиях независимого питания;
• обороты в асинхронном моторе под нагрузкой отстают по величине скольжения от вращений магнитного поля внутри статора;
• обороты в синхронных двигателях соответствуют частоте «оборотов» магнитного поля в статоре и постоянны в условиях разных нагрузок.

Статоры в двигателях асинхронного и синхронного типа характеризуются одинаковым устройством и создают вращающееся магнитное поле.

Синхронные двигатели способны работать с одновременным совмещением функций мотора и генератора.

Чем отличается синхронный двигатель от асинхронного

На сегодняшний день асинхронные электродвигатели более распространены, однако они не универсальны. В некоторых ситуациях их использование нельзя считать эффективным решением производственных задач. В таких ситуациях промышленное применение синхронных двигателей считается более оправданным. В чем же разница между синхронными и асинхронными двигателями?

Под электродвигателем в целом понимается электрическая машина, преобразующая электрическую энергию в механическую при помощи ротора. Такое устройство применяется в различных промышленных механизмах.

Ключевое отличие синхронного и асинхронного двигателей заключается в принципе работы. Синхронный двигатель состоит из ротора и стартера. На роторе имеется обмотка возбуждения, на которую подается постоянный ток. Таким образом, формируется магнитное поле ротора. На стартере, в свою очередь, также имеется обмотка, формирующая свое магнитное поле только уже посредством подачи переменного тока. Частота вращения ротора синхронна частоте подаче тока, отсюда и название двигателя. Характерной особенностью синхронного электродвигателя является способность поддерживать номинальные обороты вне зависимости от мощности нагрузки.

Асинхронный электродвигатель работает по иному принципу. На роторе такого механизма обмотка отсутствует. Вместо нее находятся соединенные стержни. Ротор такого плана называется «беличья клетка». Он не питается током, а полюса на нем индуцируются магнитным полем статора. Под влиянием механической нагрузки частота вращения рамки меньше частоты вращения магнита, то есть частоты не синхронны.

Следует учитывать, что отличить синхронный двигатель от асинхронного по внешним признакам невозможно. Статоры этих механизмов устроены одинаково. Кроме того, функция этих типов электродвигателей одна и та же — создание вращающегося магнитного поля статора. Единственное весомое отличие асинхронного и синхронного двигателей – устройство ротора.

Выбирая между синхронным и асинхронным электродвигателем необходимо отталкиваться от производственных задач. В случаях, когда для работы требуется поддержание постоянных оборотов при различных нагрузках предпочтительнее использовать синхронные двигатели. К примеру, в строительных кранах или гильотинных ножницах. Надо сказать, что асинхронные двигатели в промышленности распространены гораздо больше. Ими оснащены всевозможные станки, транспортеры, вентиляторы, насосы, словом, любое оборудование со стабильной нагрузкой. В их работе снижение оборотов при повышенной нагрузке не является критичным отклонением.

Важное отличие синхронных двигателей – дороговизна. Производство таких механизмов имеет более высокую стоимость, поэтому приобретение и дальнейшее обслуживание также потребует больших вложений

Выводы:

1. Асинхронный и синхронный двигатели отличаются принципом работы.
2. В синхронном двигателе частота вращения ротора соответствует частоте подаче тока.
3. Синхронный двигатель может поддерживать номинальные обороты при любой нагрузке, асинхронный – нет.
4. Асинхронные двигатели в промышленности распространены гораздо больше, чем синхронные.
5. Синхронные двигатели дороже, чем асинхронные.

Устройство синхронного двигателя

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.

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.

Фазовые колебания

Раскачка фазы синхронного двигателя вызваны:

1. Различными нагрузками
2. Пульсирующими частотами питания.

Когда синхронный двигатель нагружен (например, компрессоры, насосы и т.д.). Когда нагрузка увеличивается, его ротор возвращается назад на угол соединения «β». При дальнейшем увеличении нагрузки этот угол «β» дополнительно увеличивается, чтобы справиться с возросшей нагрузкой. В этой ситуации, если нагрузка внезапно уменьшается, ротор перегружается, а затем оттягивается, чтобы приспособить новую нагрузку к двигателю. Таким образом, ротор начинает колебаться, как маятник, в своем новом положении, соответствующем его новой нагрузке, пытаясь восстановить равновесие. Если период времени этих колебаний совпадает с собственной частотой станка, то устанавливается резонанс, что может вывести машину из синхронизма. Для демпфирования таких колебаний используются «демпфирующие решетки», известные как «обмотки короткозамкнутых клеток».

Подключение асинхронного двигателя

Трехфазный переменный ток

Электрическая сеть трехфазного переменного тока получила наиболее широкое распространение среди электрических систем передачи энергии. Главным по сравнению с однофазной и двухфазной системами является ее экономичность. В трехфазной цепи энергия передается по трем проводам, а токи текущие в разных проводах сдвинуты относительно друг друга по фазе на 120°, при этом синусоидальные ЭДС на разных фазах имеют одинаковую частоту и амплитуду.

Трехфазный ток (разница фаз 120°)

Звезда и треугольник

Трехфазная обмотка статора электродвигателя соединяется по схеме в зависимости от напряжения питания сети. Концы трехфазной обмотки могут быть: соединены внутри электродвигателя (из двигателя выходит три провода), выведены наружу (выходит шесть проводов), выведены в распределительную коробку (в коробку выходит шесть проводов, из коробки три).

Фазное напряжение — разница потенциалов между началом и концом одной фазы

Другое определение для соединения «звезда»: фазное напряжение это разница потенциалов между линейным проводом и нейтралью (обратите внимание, что у схемы «треугольник» отсутствует нейтраль)

Линейное напряжение — разность потенциалов между двумя линейными проводами (между фазами).

Звезда	Треугольник	Обозначение
		Uл, Uф — линейное и фазовое напряжение, В,
		Iл, Iф — линейный и фазовый ток, А,
		S — полная мощность, Вт
		P — активная мощность, Вт

Внимание: Несмотря на то, что мощность для соединений в звезду и треугольник вычисляется по одной формуле, подключение одного и того же электродвигателя разным способом в одну и туже электрическую сеть приведет к потреблению разной мощности. При этом не правильное подключение электродвигателя, может привести к расплавлению обмоток статора.

Пример: Допустим электродвигатель был подключен по схеме «звезда» к трехфазной сети переменного тока Uл=380 В (соответственно Uф=220 В) и потреблял ток Iл=1 А

Полная потребляемая мощность:

S = 1,73∙380∙1 = 658 Вт.

Теперь изменим схему соединения на «треугольник», линейное напряжение останется таким же U_л=380 В, а фазовое напряжение увеличится в корень из 3 раз U_ф=U_л=380 В. Увеличение фазового напряжения приведет к увеличению фазового тока в корень из 3 раз. Таким образом линейный ток схемы «треугольник» будет в три раза больше линейного тока схемы «звезда». А следовательно и потребляемая мощность будет в 3 раза больше:

S = 1,73∙380∙3 = 1975 Вт.

Таким образом, если двигатель рассчитан на подключение к трехфазной сети переменного тока по схеме «звезда», подключение данного электродвигателя по схеме «треугольник» может привести к его поломке.

Если в нормальном режиме электродвигатель подключен по схеме «треугольник», то для уменьшения пусковых токов на время пуска его можно соединить по схеме звезда. При этом вместе с пусковым током уменьшится также пусковой момент.

Подключение электродвигателя по схеме звезда и треугольник

Обозначение выводов статора трехфазного электродвигателя

Обозначение выводов обмоток статора вновь разрабатываемых трехфазных машин согласно ГОСТ 26772-85

Схема соединения обмоток, наименование фазы и вывода	Обозначение вывода
Начало	Конец
Открытая схема (число выводов 6)
первая фаза	U1	U2
вторая фаза	V1	V2
третья фаза	W1	W2
Соединение в звезду (число выводов 3 или 4)
первая фаза	U
вторая фаза	V
третья фаза	W
точка звезды (нулевая точка)	N
Соединение в треугольник (число выводов 3)
первый вывод	U
второй вывод	V
третий вывод	W

Обозначение выводов обмоток статора ранее разработанных и модернизируемых трехфазных машин согласно ГОСТ 26772-85

Схема соединения обмоток, наименование фазы и вывода	Обозначение вывода
Начало	Конец
Открытая схема (число выводов 6)
первая фаза	C1	C4
вторая фаза	C2	C5
третья фаза	C3	C6
Соединение звездой (число выводов 3 или 4)
первая фаза	C1
вторая фаза	C2
третья фаза	C3
нулевая точка
Соединение треугольником (число выводов 3)
первый вывод	C1
второй вывод	C2
третий вывод	C3

В чём же отличия синхронного и асинхронного электродвигателей?

Если поставить рядом два современных электродвигателя одного и другого типа, то по внешним признакам их отличить трудно даже специалисту.

По существу, их главное отличие рассмотрено в приведённых примерах принципов работы этих электродвигателей. Они отличаются по конструкции роторов
. Ротор синхронного электродвигателя состоит из обмоток, а ротор асинхронного представляет собой набор пластин.

Статоры одного и другого электродвигателей почти неотличимы и представляют собой набор обмоток, однако, статор синхронного электродвигателя может быть набран из постоянных магнитов.

Обороты синхронного двигателя соответствуют частоте подаваемого на него тока, а обороты асинхронного несколько отстают от частоты тока.

Отличаются они и по сферам применения
. Например, синхронные электродвигатели ставят для привода оборудования, которое работает с постоянной скоростью вращения (насосы, компрессоры и т.д.) не снижая её с увеличением нагрузки. А вот асинхронные электродвигатели снижают частоту вращения при увеличении нагрузки.

Синхронные электродвигатели конструктивно сложней, а значит, и дороже асинхронных электродвигателей.

Ротор движется «сам по себе». В нем изначально нет ни магнитного поля, на него не подается никакого электрического напряжения. Он даже не обязан быть сделанным из железа — магнитного металла. Ну а вот, поди ж ты, стоит подключить к двигателю трехфазное напряжение, и ротор закрутился. Безо всякого подталкивания. Но по-своему.

Объяснение принципа работы асинхронного электродвигателя для «чайников»

Вспоминаем описание рисунка в предыдущем примере. Та же рамка, расположенная между полюсами подковообразного магнита, только её концы не имеют полуколец, они соединены между собой.

Теперь начинаем вращать вокруг рамки подковообразный магнит. Вращаем его медленно и наблюдаем за поведением рамки. До некоторых пор рамка остаётся неподвижной, а потом, при повороте магнита на определённый угол, рамка начинает вращение вслед за магнитом. Вращение рамки запаздывает по сравнению со скоростью вращения магнита, т.е. она вращается не синхронно с ним – асинхронно. Вот и получается, что это примитивный асинхронный электродвигатель.

Вообще-то роль магнитов в настоящем асинхронном двигателе служат обмотки, расположенные в пазах статора, на которые подаётся ток. А роль рамки, выполняет ротор, в пазы которого вставлены металлические пластины, соединённые между собой на коротко. Поэтому такой ротор называется короткозамкнутым.

Принципы работы

Все электродвигатели имеют неподвижный статор и вращающийся ротор. Разница между асинхронным и синхронным двигателями состоит в принципах создания полюсов. В асинхронном электродвигателе они создаются явлением индукции. Во всех других электродвигателях используются постоянные магниты или катушки с током, создающие магнитное поле.

Особенности синхронных двигателей

Ведущие агрегаты синхронной машины — якорь и индуктор. Якорем является статор, а индуктор располагается на роторе. Под действием переменного тока в якоре образуется вращающееся магнитное поле. Оно сцепляется с магнитным полем индуктора, образованным полюсами постоянных магнитов или катушек с постоянным током. В результате этого взаимодействия энергия электричества преобразуется в кинетическую энергию вращения.

Ротор синхронной машины имеет частоту вращения такую же, как у поля статора. Достоинства синхронных электродвигателей:

• Конструктивно используется и как двигатель, и как генератор.
• Частота вращения, не зависящая от нагрузки.
• Большой коэффициент полезного действия.
• Малая трудоёмкость в ремонте и обслуживании.
• Высокая степень надёжности.

Синхронные машины широко используются как электродвигатели большой мощности для небольшой скорости вращения и постоянной нагрузки. Генераторы применяются там, где требуется автономный источник питания.

Имеются у синхронной машины и недостатки:

• Требуется источник постоянного тока для питания индуктора.
• Отсутствует начальный пусковой момент, для запуска требуется применение внешнего момента или асинхронного пуска.
• Щётки и коллекторы быстро выходят из строя.

Современные синхронные агрегаты содержат в индукторе дополнительно к обмотке, питаемой постоянным током, ещё и пусковую короткозамкнутую обмотку, которая предназначена для пуска в асинхронном режиме.

Отличительные черты асинхронных двигателей

Вращающееся магнитное поле статора асинхронного двигателя наводит индукционные токи в роторе, которые образуют собственное магнитное поле. Взаимодействие полей приводит ротор во вращение. Частота вращения ротора при этом отстаёт от частоты вращения магнитного поля. Именно это свойство отражено в названии двигателя.

Асинхронные электродвигатели бывают двух типов: с короткозамкнутым и с фазным ротором.

Бытовые приборы, такие как вентилятор или пылесос, обычно снабжены двигателями с короткозамкнутым ротором, который представляет собой «беличье колесо». Все стержни замыкаются приваренными с обеих сторон дисками. Взаимодействие магнитного поля статора с наведёнными токами в роторе образовывает электромагнитную силу, которая действует на ротор в направлении вращения поля статора. Крутящий момент на валу электродвигателя создаётся всеми электромагнитными силами от каждого проводника.

В электродвигателе с фазным ротором применяется тот же статор, что и для мотора с короткозамкнутым ротором. А в ротор добавляются обмотки трёх фаз, соединённые в «звезду». К ним можно при пуске двигателя подключать реостаты, регулирующие пусковые токи. С помощью реостатов можно регулировать и частоту вращения двигателя.

Достоинствами асинхронных двигателей можно назвать:

• Питание непосредственно от сетей переменного тока.
• Простоту устройства и сравнительно невысокую стоимость.
• Возможность использования в бытовых приборах с применением однофазного подключения.
• Низкое потребление энергии и экономичность.

Серьёзные недостатки — сложная регулировка частоты вращения и большие теплопотери. Для предотвращения перегрева корпус агрегата делается ребристым, и на вал электродвигателя устанавливается крыльчатка для охлаждения.

Отличие в характеристиках электродвигателей

Конструктивные особенности и рабочие характеристики электродвигателей имеют решающее значение при выборе агрегатов. От этого зависит проектирование трансмиссий и всех силовых узлов механизмов. При выборе двигателя нужно опираться на общность и главные отличия в свойствах машин:

Синхронный и асинхронный электродвигатели находят каждый своё применение. Синхронные двигатели рекомендуется использовать везде при высоких мощностях, где присутствует непрерывный производственный процесс и не нужно часто перезапускать агрегаты или регулировать частоту вращения. Они используются в конвейерах, прокатных станах, компрессорах, камнедробилках и т. д. Современный синхронный электродвигатель имеет такой же быстрый запуск, как и асинхронный, но он меньше и экономичнее, чем асинхронный, равный по мощности.

Асинхронные электродвигатели с фазным ротором применяются там, где нужен большой пусковой момент и частые остановки агрегатов. Например, в лифтах и башенных кранах. Асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором получили широкое применение из-за простоты устройства и удобства в эксплуатации.

Используя достоинства разных агрегатов и то, чем отличается синхронный двигатель от асинхронного, можно делать обоснованный выбор того или иного мотора при проектировании машин, станков и другого оборудования.

Электродвигатели бывают двух основных типов — синхронные и асинхронные. Что представляют собой те и другие?

Особенности и применение разных видов электродвигателей

У каждого типа двигателей есть достоинства и недостатки по сравнению с другими. Это определяет область их применения. Применение разных типов электромашин зависит от их особенностей конструкции и принципа действия.

Достоинства и использование асинхронных электродвигателей

Такие машины имеют достоинства перед синхронными аппаратами:

• простота конструкции и низкая цена; аппараты с фазным ротором позволяют регулировать скорость вращения и осуществлять плавный пуск без использования преобразователей частоты;
• большое разнообразие мощностей — от нескольких ватт до десятков киловатт.

Кроме достоинств есть недостатки:

• падение скорости вращения при росте нагрузки;
• более низкий КПД и большие габариты, чем у синхронных аппаратов той же мощности;
• кроме активной, такие аппараты потребляют реактивную (индуктивную) мощность, что ведёт к необходимости устанавливать компенсаторы или дополнительно оплачивать реактивную электроэнергию.

Используются такие машины практически везде, где необходимо приведение в движение механизма и есть трёхфазное напряжение 380 вольт.

Применение синхронных машин

• Регулировка путём изменения тока возбуждения cos φ. Это позволяет уменьшить ток потребления, габариты и сечение подводящего кабеля, а также увеличить КПД. Кроме того, такие аппараты используются в качестве компенсаторов реактивной мощности.
• Менее чувствительны к колебаниям напряжения и обладают большей перегрузочной способностью, особенно к ударным нагрузкам. Способность к превышению мощности повышается путём перевозбуждения обмоток ротора. Благодаря этому такие двигатели используются в экскаваторах, гильотинных ножницах и других подобных механизмах.
• Частота вращения не меняется при изменения нагрузки. Поэтому синхронные машины применяются в прецизионных станках в металлургии, машиностроении и деревообатывающей промышленности.

Существуют различные виды электродвигателей, и очень часто возникает вопрос, в чем же отличия между синхронным и асинхронным двигателем. В асинхронном обмотки, расположенные в статоре, создают вращающееся магнитное поле, взаимодействующее с токами, образующимися в роторе, благодаря чему он приходит во вращающееся состояние. Поэтому, в настоящее время, наиболее популярным считается простой и надежный асинхронный электродвигатель, имеющий короткозамкнутый ротор.

В чём же отличия синхронного и асинхронного электродвигателей?

Если поставить рядом два современных электродвигателя одного и другого типа, то по внешним признакам их отличить трудно даже специалисту.

По существу, их главное отличие рассмотрено в приведённых примерах принципов работы этих электродвигателей. Они отличаются по конструкции роторов. Ротор синхронного электродвигателя состоит из обмоток, а ротор асинхронного представляет собой набор пластин.

Статоры одного и другого электродвигателей почти неотличимы и представляют собой набор обмоток, однако, статор синхронного электродвигателя может быть набран из постоянных магнитов.

Обороты синхронного двигателя соответствуют частоте подаваемого на него тока, а обороты асинхронного несколько отстают от частоты тока.

Отличаются они и по сферам применения. Например, синхронные электродвигатели ставят для привода оборудования, которое работает с постоянной скоростью вращения (насосы, компрессоры и т.д.) не снижая её с увеличением нагрузки. А вот асинхронные электродвигатели снижают частоту вращения при увеличении нагрузки.

Синхронные электродвигатели конструктивно сложней, а значит, и дороже асинхронных электродвигателей.