Характеристики и пусковые свойства синхронных двигателей

Содержание

Модели независимого возбуждения

Моторы ПТ НВ обладают обмоточным возбуждением, подключаемым к отдельному виду источника для электрического питания. В таком случае обмоточная цепь возбуждения ДПТ НВ дополняется реостатом регулировочного типа, а якорная цепь снабжается добавочными или пусковыми реостатными элементами.

Отличительной особенностью такого вида мотора является независимость токового возбуждения от якорного тока, что обуславливается независимым питанием обмоточного возбуждения.

Характеристики электродвигателей с независимым и параллельным возбуждением

Линейная механическая характеристика при независимом типе возбуждения:

ω — показатели вращательной частоты;
U — показатели напряжения на эксплуатируемой якорной цепи;
Ф — параметры магнитного потока;
Rя и Rд — уровень якорного и добавочного сопротивления;
Α — константа конструкции движка.

Данным типом уравнения определяется зависимость вращательной скорости мотора к моменту вала.

Определение и принцип действия

Если говорить простым языком, то синхронным называют электродвигатель, у которого скорость вращения ротора (вала) совпадает со скоростью вращения магнитного поля статора.

Кратко рассмотрим принцип действия такого электродвигателя — он основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля статора, которое обычно создаётся трёхфазным переменным током и постоянного магнитного поля ротора.

Постоянное магнитное поле ротора создаётся за счет обмотки возбуждения или постоянных магнитов. Ток в обмотках статора создаёт вращающееся магнитное поле, тогда как ротор в рабочем режиме представляет собой постоянный магнит, его полюса устремляются к противоположным полюсам магнитного поля статора. В результате ротор вращается синхронно с полем статора, что и является его основной особенностью.

Напомним, что у асинхронного электродвигателя скорость вращения МП статора и скорость вращения ротора отличаются на величину скольжения, а его механическая характеристика «горбатая» с пиком при критическом скольжении (ниже его номинальной скорости вращения).

Скорость, с которой вращается магнитное поле статора, может быть вычислена по следующему уравнению:

N=60f/p

f – частота тока в обмотке, Гц, p – количество пар полюсов.

Соответственно по этой же формуле определяется скорость вращения вала синхронного двигателя.

Большинство электродвигателей переменного тока, используемых на производстве, выполнены без постоянных магнитов, а с обмоткой возбуждения, тогда как маломощные синхронные двигатели переменного тока выполняются с постоянными магнитами на роторе.

Ток к обмотке возбуждения подводится за счет колец и щеточного узла. В отличие от коллекторного электродвигателя, где для передачи тока вращающейся катушке используется коллектор (набор продольно расположенных пластин), на синхронном установлены кольца поперек одного из концов статора.

Источником постоянного тока возбуждения в настоящее время являются тиристорные возбудители, часто называемые «ВТЕ» (по названию одной из серий таких устройств отечественного производства). Ранее использовалась система возбуждения «генератор-двигатель», когда на одном валу с двигателем устанавливали генератор (он же возбудитель), который через резисторы подавал ток в обмотку возбуждения.

Ротор почти всех синхронных двигателей постоянного тока выполняется без обмотки возбуждения, а с постоянными магнитами, они хоть и похожи по принципу действия на СД переменного тока, но по способу подключения и управления ими очень сильно отличаются от классических трёхфазных машин.

Одной из основных характеристик электродвигателя является механическая характеристика. Она у синхронных электродвигателей приближена к прямой горизонтальной линии. Это значит, что нагрузка на валу не влияет на его обороты (пока не достигнет какой-то критической величины).

Это достигается именно благодаря возбуждению постоянным током, поэтому синхронный электродвигатель отлично поддерживает постоянные обороты при изменяющихся нагрузках, перегрузках и при просадках напряжения (до определенного предела).

Ниже вы видите условное обозначение на схеме синхронной машины.

Преимущества и недостатки

Конструктивно синхронные двигатели сложнее асинхронных, но они имеют ряд преимуществ:

Работа синхронных электродвигателей в меньшей степени зависит от колебания напряжения питающей сети.
По сравнению с асинхронными, они имеют больший КПД и лучшие механические характеристики при меньших габаритах.
Скорость вращения не зависит от нагрузки. То есть колебания нагрузки в рабочем диапазоне не влияют на обороты.
Могут работать со значительными перегрузками на валу. Если возникают кратковременные пиковые перегрузки, повышением тока в обмотке возбуждения компенсируют эти перегрузки.
При оптимально подобранном режиме тока возбуждения, электродвигатели не потребляют и не отдают в сеть реактивную энергию, т.е. cosϕ равен единице. Двигатели, работая с перевозбуждением, способны вырабатывать реактивную энергию. Что позволяет их использовать не только в качестве двигателей, но и компенсаторов. Если необходима выработка реактивной энергии, на обмотку возбуждения подается повышенное напряжение.

При всех положительных качествах синхронных электродвигателей у них имеется существенный недостаток – сложность пуска в работу. Они не имеют пускового момента. Для запуска требуется специальное оборудование. Это долгое время ограничивало использование таких двигателей.

Преимущества и недостатки

Конструктивно синхронные двигатели сложнее асинхронных, но они имеют ряд преимуществ:

Работа синхронных электродвигателей в меньшей степени зависит от колебания напряжения питающей сети.
По сравнению с асинхронными, они имеют больший КПД и лучшие механические характеристики при меньших габаритах.
Скорость вращения не зависит от нагрузки. То есть колебания нагрузки в рабочем диапазоне не влияют на обороты.
Могут работать со значительными перегрузками на валу. Если возникают кратковременные пиковые перегрузки, повышением тока в обмотке возбуждения компенсируют эти перегрузки.
При оптимально подобранном режиме тока возбуждения, электродвигатели не потребляют и не отдают в сеть реактивную энергию, т.е. cosϕ равен единице. Двигатели, работая с перевозбуждением, способны вырабатывать реактивную энергию. Что позволяет их использовать не только в качестве двигателей, но и компенсаторов. Если необходима выработка реактивной энергии, на обмотку возбуждения подается повышенное напряжение.

Синхронный двигатель (СД)

Синхронный двигатель — агрегат с индивидуальной конструкцией ротора и индуктором с постоянными магнитами. Отличается улучшенными характеристиками мощности, момента и инерции. Имеет ряд особенностей конструкции и принципе действия.

Устройство

Конструктивно состоит из двух элементов: ротора (вращается) и статора (фиксированный механизм). Роторный узел находится во внутренней части статора, но бывают конструкции, когда ротор расположен поверх статора.

В состав ротора входят постоянные магниты, отличающиеся повышенной коэрцитивной силой.

Конструктивно СД делятся на два типа по полюсам:

Неявно выраженные. Отличаются одинаковой индуктивностью по поперечной и продольной оси.
Явно выраженные. Поперечная и продольная индуктивность имеют разные параметры.

Конструктивно роторы бывают разными устройством и по конструкции.

В частности, магниты бывают:

Наружной установки.
Встроенные.

Статор условно состоит из двух компонентов:

Кожух.
Сердечник с проводами.

Обмотка статорного механизма бывает двух видов:

Распределенная. Ее отличие состоит в количестве пазов на полюс и фазу. Оно составляет от двух и более.
Сосредоточенная. В ней количество пазов на полюс и фазу всего одно, а сами пазы распределяются равномерно по поверхности статорной части. Пара катушек, формирующих обмотку, могут соединяться в параллель или последовательно. Минус подобных обмоток состоит в невозможности влияния на линию ЭДС.

Форма электродвижущей силы электрического синхронного мотора бывает в виде:

Трапеции. Характерна для устройств с явно выраженным полюсом.
Синусоиды. Формируется за счет скоса наконечников на полюсах.

Если говорить в целом, синхронный мотор состоит из следующих элементов:

узел с подшипниками;
сердечник;
втулка;
магниты;
якорь с обмоткой;
втулка;
«тарелка» из стали.

Принцип работы

Сначала к обмоткам возбуждения подводится ток постоянно величины. Он создает магнитное поле в роторной части. Статор устройства содержит обмотку для создания магнитного поля.

Как только на статорную обмотку подается ток переменной величины, по закону Ампера создается крутящий момент, и ротор начинает вращаться с частотой, равной частоте тока в статорном узле. При этом оба параметра идентичны, поэтому и двигатель носит название синхронный.

Роторная ЭДС формируется, благодаря независимому источнику питания, что позволяет менять обороты и не привязываться к мощности подключенных потребителей.

С учетом особенностей работы синхронный электродвигатель не может запуститься самостоятельно при подключении к трехфазному источнику тока.

Сфера применения

Электродвигатель синхронного типа имеет широкую сферу применения, благодаря постоянству частоты вращения.

Эта особенность расширяет сферу его применения:

энергетика: источники реактивной мощности для поддержания напряжения, сохранение устойчивости сети при аварийных просадках;
машиностроение, к примеру, при изготовлении гильотинных ножниц с большими ударными нагрузками;
прочие направления — вращение мощных компрессоров или вентиляторов, генераторы на электростанциях, обеспечение устойчивой работы насосного оборудования и т. д.

Как подключить электродвигатель 380В на 220В

Преимущества и недостатки

После рассмотрения конструктивных особенностей, принципа работы и сферы применения СД подведем итог по положительным / отрицательным особенностям.

Плюсы:

Возможность работы при косинусе Фи равном единице (отношение полезной мощности к полной). Эта особенность улучшает косинус Фи сети. При работе с опережающим током синхронные машины генерируют реактивную мощность, которая поступает к асинхронным моторам и уменьшает потребление «реактива» от генераторов электрических станций.
Высокий КПД, достигающий 97-98%.
Повышенная надежность, объясняемая большим воздушным зазором.
Доступность регулирования перегрузочных характеристик, благодаря изменению тока, подаваемого в ротор.
Низкая чувствительность к изменению напряжения в сети.

Минусы:

Более сложная конструкция и, соответственно, высокая стоимость изготовления.
Трудности с пуском, ведь для этого нужные специальные устройства: возбудитель, выпрямитель.
Потребность в источнике постоянного тока.
Применение только для механизмов, которым не нужно менять частоту вращения.

Пример СД2-85/37-6У3, 500кВт, 1000об/мин, 6000В.

СД2-85/37-6У3, 500кВт, 1000об/мин, 6000В

Принцип работы реактивного двигателя

Переменный ток, проходящий по обмоткам статора, создает в воздушном зазоре электродвигателя. создается, когда ротор пытается установить свою наиболее магнито проводящую ось (d-ось) с приложенным полем, для того чтобы минимизировать магнитное сопротивление в магнитной цепи. Амплитуда момента прямо пропорциональна разницы между продольной Ld и поперечной Lq индуктивностями. Следовательно, чем больше разница, тем больше создаваемый момент.

Линии магнитного поля синхронного реактивного электродвигателя

Главная идея может быть объяснена с помощью рисунка представленного ниже. Объект «a» состоящий из анизотропного материала имеет разную проводимость по оси d и оси q, в то время как изотропный магнитный материал объекта «b» имеет одинаковую проводимость во всех направлениях. Магнитное поле, которое прикладывается к анизотропному объекту «a», создает вращающий момент если существует угол между осью d и линиями магнитного поля. Очевидно, что если ось d объекта «a» не совпадает с линиями магнитного поля, объект будет вносить искажения в магнитное поле. При этом направление искаженных магнитных линий будут совпадать с осью q объекта.

Объект с анизотропной геометрией (a) и изотропной геометрией (b) в магнитном поле

Силовые линии магнитного поля вокруг объекта с анизотропной геометрией

В синхронном реактивном электродвигателе магнитное поле создается синусоидально распределенной обмоткой статора. Поле вращается с синхронной скоростью и может считаться синусоидальным.

В такой ситуации всегда будет существовать момент направленный на то, чтобы уменьшить полную потенциальную энергию системы, путем уменьшения искажения поля по оси q (). Если угол сохранять постоянным, например путем контроля магнитного поля, тогда электромагнитная энергия будет непрерывно преобразовываться в механическую.

Ток статора отвечает за намагничивание и за создание момента, который пытается уменьшить искаженность поля. Управление моментом осуществляется путем контроля фазы тока, то есть угла между вектором тока обмоток статора и d-осью ротора во вращающейся системе координат.

Характеристики синхронного электродвигателя

Хотя асинхронные двигатели считаются более надежными и дешевыми, их синхронные «собратья» имеют некоторые преимущества и широко применяются в различных областях промышленности. К отличительным характеристикам синхронного электродвигателя можно отнести:

Работу при высоком значении коэффициента мощности.
Высокий КПД по сравнению с асинхронным устройством той же мощности.
Сохранение нагрузочной способности даже при снижении напряжения в сети.
Неизменность частоты вращения независимо от механической нагрузки на валу.
Экономичность.

Синхронным двигателям также присущи некоторые недостатки:

Достаточно сложная конструкция, делающая их производство дороже.
Необходимость источника постоянного тока (возбудителя или выпрямителя).
Сложность пуска.
Необходимость корректировать угловую частоту вращения путем изменения частоты питающего напряжения.

Однако в некоторых случаях использование синхронных двигателей предпочтительнее:

Для улучшения коэффициента мощности.
В длительных технологических процессах, где нет необходимости в частых запусках и остановках.

Таким образом, «плюсы» двигателей такого типа значительно превосходят «минусы», поэтому на данный момент они высоко востребованы.

Изучив синхронный двигатель, устройство и принцип его действия и учтя условия, в которых он будет эксплуатироваться, вы сможете быстро и с легкостью подобрать оптимально подходящий для ваших целей тип агрегата (защищенный, закрытый, открытый) и использовать его с максимальной эффективностью.

Источник

Преимущества и недостатки

Конструктивно синхронные двигатели сложнее асинхронных, но они имеют ряд преимуществ:

Работа синхронных электродвигателей в меньшей степени зависит от колебания напряжения питающей сети.
По сравнению с асинхронными, они имеют больший КПД и лучшие механические характеристики при меньших габаритах.
Скорость вращения не зависит от нагрузки. То есть колебания нагрузки в рабочем диапазоне не влияют на обороты.
Могут работать со значительными перегрузками на валу. Если возникают кратковременные пиковые перегрузки, повышением тока в обмотке возбуждения компенсируют эти перегрузки.
При оптимально подобранном режиме тока возбуждения, электродвигатели не потребляют и не отдают в сеть реактивную энергию, т.е. cosϕ равен единице. Двигатели, работая с перевозбуждением, способны вырабатывать реактивную энергию. Что позволяет их использовать не только в качестве двигателей, но и компенсаторов. Если необходима выработка реактивной энергии, на обмотку возбуждения подается повышенное напряжение.

Занятие 38. Пусковые характеристики асинхронного двигателя

График зависимости М = f (s) называется пусковой характеристикой двигателя.

Изменяя значение скольжения от s = 0 до s = 1 и, находя по приведенной формуле значение момента можно пусковую характеристику.

Для устойчивой работы двигателя важно, чтобы автоматически устанавливалось равновесие вращающего и тормозящего моментов: с увеличением нагрузки на валу двигателя должен соответственно возрастать и вращающий момент. Это уравновешивание у работающего асинхронного двигателя осуществляется следующим образом:

Это уравновешивание у работающего асинхронного двигателя осуществляется следующим образом:

при увеличении нагрузки на валу тормозящий момент оказывается больше вращающего, вследствие чего скорость вращения ротора уменьшается – скольжение возрастает.

Повышение скольжения вызывает увеличение вращающего момента, и равновесие моментов восстанавливается при возросшем скольжении.

Однако зависимость вращающего момента от скольжения сложна. В частности, повышение скольжения вызывает увеличение вращающего момента только при изменении скольжения в определенных пределах. За этими пределами нарушенное равновесие моментов не восстанавливается – двигатель останавливается.

На пусковой характеристике имеются три характерных точки, определяющих условия работы двигателя. (А,Б,В)

В точке А двигатель работает устойчиво. Если двигатель под влиянием какой-либо причины уменьшит частоту вращения, то скольжение его возрастет, вместе с ним возрастет вращающий момент. Благодаря этому частота вращения двигателя повысится, и вновь восстановится равновесие электромагнитного и противодействующего моментов Мэм = М2;. В точке Б работа двигателя не может быть устойчива: случайное отклонение частоты вращения приведет либо к остановке двигателя, либо к переходу его в точку А. Следовательно, вся восходящая ветвь характеристики является областью устойчивой работы двигателя, а вся нисходящая часть — областью неустойчивой работы.

Точка Б, соответствующая максимальному моменту, разделяет области устойчивой и неустойчивой работы. Максимальному значению вращающего момента соответствует критическое скольжение Sk. Скольжению S = 1 соответствует пусковой момент. Если величина противодействующего тормозного момента М2больше пускового МП, двигатель при включении не запустится, останется неподвижным.

Рис.38.1. Пусковая характеристика асинхронного двигателя.

Для целей электропривода большое значение имеет зависимость скорости

вращения двигателя от нагрузки на валу n=F(M);

эта зависимость носит назва-

ние механической характеристики(рис.38.2).

По форме своей она отличается от кривой M=F(s)

только положением по отношению к координатным осям.

Рис. 38.2. Механическая характеристика асинхронного двигателя

Источник

Преимущества и недостатки

Конструктивно синхронные двигатели сложнее асинхронных, но они имеют ряд преимуществ:

Работа синхронных электродвигателей в меньшей степени зависит от колебания напряжения питающей сети.
По сравнению с асинхронными, они имеют больший КПД и лучшие механические характеристики при меньших габаритах.
Скорость вращения не зависит от нагрузки. То есть колебания нагрузки в рабочем диапазоне не влияют на обороты.
Могут работать со значительными перегрузками на валу. Если возникают кратковременные пиковые перегрузки, повышением тока в обмотке возбуждения компенсируют эти перегрузки.
При оптимально подобранном режиме тока возбуждения, электродвигатели не потребляют и не отдают в сеть реактивную энергию, т.е. cosϕ равен единице. Двигатели, работая с перевозбуждением, способны вырабатывать реактивную энергию. Что позволяет их использовать не только в качестве двигателей, но и компенсаторов. Если необходима выработка реактивной энергии, на обмотку возбуждения подается повышенное напряжение.

Синхронные двигатели: устройство и принцип действия

Основные части синхронного двигателя – это якорь (статор, неподвижная часть) и индуктор (ротор), разделенные воздушной прослойкой. В пазы статора закладывают трехфазную распределенную обмотку – обычно она соединяется «звездой».

Рис. 2 Схема синхронного двигателя

С началом работы двигателя тока, подаваемые в якорь, создают вращение магнитного поля, которое пересекает поле индуктора, что в результате взаимодействия двух полей переходит в энергию. Поле якоря чаще называют иначе – поле реакции якоря. В генераторах такое получают при помощи индуктора. Входящие в состав индуктора электромагниты постоянного тока принято называть полюсами. При этом индукторы во всех синхронных двигателях могут исполняться по двум схемам – явнополюсной и неявнополюсной, различающиеся между собой расположением полюсов. Чтобы уменьшить значение магнитного сопротивления и тем самым улучшить условия для прохождения магнитного потока, применяют ферромагнитные сердечники. Они располагаются в статоре и роторе, для их изготовления используют специальную марку стали – электротехническую, отличающую высоким содержанием кремния – это позволяет уменьшить вихревые токи и повысить электрическое сопротивление стали.

Рис. 3. Магнитные поля в синхронном двигателе

В основу работы синхронного двигателя положен принцип взаимного влияния полюсов индуктора и магнитного поля, индуцируемого якорем. При запуске осуществляется разгон двигателя до частоты, которая близка по своему значению частоте, с которой происходит в зазоре вращение магнитного поля. Только при выполнении этого условия двигатель переходит в функционирование в синхронном режиме. В данный момент пересекаются магнитные поля, инициируемые индуктором и ротором. Этот момент в технической литературе принято называть входом в синхронизацию.

Работа синхронного двигателя наглядно представлена на видео:

Длительное время в качестве разгонного двигателя использовался стандартный синхронный двигатель, который был механически соединен с синхронным. Благодаря этому, ротор на синхронном двигателе механически разгонялся до подсинхронной скорости, а затем уже самостоятельно, за счет взаимодействия электромагнитных полей, втягивался в синхронизм. Обычно при подборе мощности пускового двигателя исходили из соотношения 10-15% от номинальной мощности разгоняемого двигателя. Такого запаса мощности вполне хватало запустить синхронный двигатель не только в холостую, но даже и при незначительной нагрузке на валу.

Рис. 4 Синхронный двигатель (1) с внешним разгонным (2) двигателем

Такой способ разгона усложняет и существенно удорожает общую стоимость, поэтому в современных двигателях от него отказались в пользу разгона в состоянии асинхронного режима. В этом случае с помощью реостата (короткозамкнутым путем) обмотки индуктора замыкают, как в асинхронном двигателе. Чтобы провести запуск двигателя в таком режиме, на ротор устанавливают короткозамкнутую обмотку, выступающую одновременно и как успокоительная обмотка, устраняющая во время проведения синхронизации раскачивание ротора. В момент, когда скорость вращения достигнет требуемого номинального значения, в индуктор будет подан постоянный ток. Но для двигателей, в которых стоят постоянные магниты, все равно придется для разгона использовать внешние двигатели.

В криогенных синхронных машинах используется так называемая обращенная конструкция, при которой размещение индуктора и якоря выполнено наоборот, т.е. индуктор расположен на статоре, а якорь – на роторе. В таких машинах обмотки возбуждения состоят из материалов, обладающими свойствами сверхпроводимости.