Синхронный двигатель

Схема и альтернат функционирования СГ

Принцип работы гена следующий: ротор вращается от источника энергии, в роли которого может выступать автодвигатель, электромотор или турбина. Ротор – это один из основных элементов СГ, который еще называют индуктором. Обмотка возбуждения находится внутри него.

Кроме индуктора, важным элементом СГ является статор. Он представляет собой неподвижную часть.

Помимо ротора и статора в состав гена входит еще много дополнительных элементов, таких как обмотки, выпрямитель, катушка и т.д.

Функционирование синхронного генератора

Примечательно, что СГ может функционировать в двух режимах: как источник питания, и как двигатель. Все зависит от силы прибора.

Различают графики работы СГ: график работы в качестве гена и схемограмма функционирования в роли двигателя. СГ принимает механическую энергию, а выпускает электрическую, в первом случае. Во втором – наоборот, принимает электрическую, выпускает механическую.

В качестве гена переменного тока прибор используется в автомобилях, на электростанциях, а в качестве мотора – когда нужен двигатель, функционирующий с ПКЧ (регулярным вращением).

По сути, всю работу СГ можно представить, как функционирование электромагнитной индукции. Когда задействован режим ХХ, якорная катушка внутри прибора разомкнута. Магнитполе агрегата формируется в данном случае только обмоткой индуктора. Когда же задействовано вращение, в приборе присутствует постоянная частота и магнитполе передвигается посредством шунта статорной обмотки. Иными словами, в гене появляется ЭДС (скалярная величина).

Графики работы гена синхронного

Обмотка возбуждения в СГ – это важный элемент, создающий в гене первоначальное магнитполе для задействования катушки якоря.

Отличительным свойством СГ физики называют жесткую связь между частотой переменной ЭДС и частотой вращения индуктора. Все это выражается такой вот формулой.

Формула 1

Число пи в данной формуле, это количество полюсов обмотки индуктора и статора.

Функциональная схема СГ представлена на фото ниже.

Функциональная схема СГ

3-фазная электрообмотка, которая находится на статоре, ничем не разнится от обмотки того же типа АГ. Магнит с электрообмоткой нашел место на индукторе (на фото отмечен цифрой 2). Питание он получает посредством подачи неизменного напряжения через контактно-щеточный узел.

На схеме ПД отмечен двигатель, его вал. В качестве него, как и говорилось выше, может быть использован не только автомотор, но и турбина либо иной источник механической энергии

Индуктор СГ задействуется с синхронной скоростью, что очень важно, и в буквальном смысле, определяет характерные черты этого вида гена

Магнитполе индуктора тоже вращается с синхронной амплитудой, тем самым, индуцируя симметричную 3-фазную систему ЭДС.

С1, С2 и С3 на схеме – это клеммозажимы статорной обмотки. Именно через них с подключением нагрузки в фазах появляются токи, энергия, создающая вращающееся магнитполе. Амплитуда вращения этого поля идентична частоте вращения индуктора. Получается, что в СГ магнитполя статора и индуктора совершают обороты с равной скоростью – синхронно.

Тут пришло время представить другую формулу.

Формула 2

Она показывает, что при неизменной амплитуде вращения ротора, обозначенного латинской n, схемограмма ЭДС статорной обмотки будет непременно определяться, как закономерность рассредотачивания магнитиндукции.

Асинхронные и синхронные двигатели: устройство

Электрические двигатели представляют собой агрегаты для преобразования электроэнергии в энергию механическую. Основу конструкции двигателя (как синхронного, так и асинхронного типа) составляют следующие элементы:

• неподвижный (статор);
• вращающийся (ротор).

Статоры электродвигателей обеих категорий имеют схожий принцип устройства. В специальные пазы (осевые прорези) уложены токонесущие проводки из меди или алюминия. Функцией статора является создание вращающегося магнитного поля. Ротор (с обмоткой возбуждения) закреплен на валу двигателя и вращается под воздействием возникающей электродвижущей силы.

Синхронный и асинхронный двигатель отличия

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.Асинхронный двигатель
В его пазах расположены токопроводящие стержни из алюминия или меди, соединенные своими концами с кольцами из такого же материала, которые производят короткое замыкание этих стержней. Поэтому, ротор и называется короткозамкнутым. Вихревые токи, взаимодействующие с полем, вызывают вращение ротора со скоростью, меньшей, чем скорость вращения самого поля. Таким образом, весь двигатель получил название асинхронного. Это движение получило название относительного скольжения, поскольку скорости ротора и магнитного поля неравны и магнитное поле не пересекается с токопроводящими стержнями ротора. Поэтому, они не создают вращающийся момент.
Принципиальным отличием обоих видов двигателей является исполнение ротора. В синхронном он представляет собой постоянный магнит относительно небольшой мощности или такой же электромагнит. Вращающийся магнит, создающий магнитное поле статора, приводит в движение магнитный ротор. Скорость движения статора и ротора, в этом случае, одинаковая. Поэтому, данный двигатель получил название синхронного.
Особенности синхронного двигателя
Синхронный двигатель отличается возможностью значительного опережения током напряжения по фазе. Повышая коэффициент мощности по типу конденсаторных батарей.
Асинхронные электродвигатели отличаются простотой конструкции и надежностью в эксплуатации. Единственный недостаток этих агрегатов заключается в достаточной трудности регулировки частоты их вращения. Трехфазные асинхронные двигатели могут быть легко реверсированы, то есть вращение двигателя может измениться на противоположное направление. Для этого, достаточно изменить место расположения двух линейных проводов или фаз, которые замыкаются на обмотку статора

В отличие от синхронного, это простой и дешевый двигатель, применяющийся повсеместно.
Синхронный и асинхронный двигатель имеет еще и такое важное отличие, как постоянная частота вращения у первого при различных нагрузках. Поэтому их применяют в приводах машин, требующих постоянных скоростей, например, в компрессорах, насосах или вентиляторах, поскольку они очень легки в управлении.

electric-220.ru

Способы запуска

• Пуск синхронного двигателя при помощи вспомогательного двигателя. Синхронный двигатель механически соединяется с другим двигателем. Это может быть либо 3-х фазный индукционный двигатель, либо двигатель постоянного тока. Постоянный ток изначально не подается. Двигатель начинает вращаться со скоростью, близкой к синхронной скорости, после чего подается постоянный ток. После того, как магнитное поле замыкается, связь со вспомогательного двигателя прекращается.
• Асинхронный пуск. В полюсных наконечниках полюсов ротора устанавливается дополнительная короткозамкнутая обмотка. При включении напряжения в обмотку статора возникает вращающееся магнитное поле. Пересекая короткозамкнутую обмотку, которая заложена в полюсных наконечниках ротора, это вращающееся магнитное поле индуцирует в ней токи, который взаимодействуя с вращающимся полем статора, приводят ротор во вращение. Когда достигнута синхронная скорость, ЭДС и крутящийся момент уменьшается. И наконец, когда магнитное поле замыкается, крутящий момент также сводится к нулю. Таким образом, синхронность вначале запускается индукционным двигателем с использованием дополнительной обмотки.

Способы возбуждения синхронных генераторов

Самым распространенным способом создания основного магнитного потока синхронных генераторов является электромагнитное возбуждение, состоящее в том, что на полюсах ротора располагают обмотку возбуждения, при прохождении по которой постоянного тока, возникает МДС, создающая в генераторе магнитное поле.
До последнего времени для питания обмотки возбуждения применялись преимущественно специальные генераторы постоянного тока независимого возбуждения, называемые возбудителями В (рис. 1.3, а). Обмотка возбуждения (ОВ) получает питание от другого генератора (параллельного возбуждения), называемого подвозбудителем (ПВ).
Ротор синхронного генератора, возбудителя и подвозбудителя располагаются на общем валу и вращаются одновременно. При этом ток в обмотку возбуждения синхронного генератора поступает через контактные кольца и щётки. Для регулирования тока возбуждения применяют регулировочные реостаты, включаемые в цепи возбуждения возбудителя r₁ и подвозбудителя r₂ .
В синхронных генераторах средней и большой мощности процесс регулирования тока возбуждения автоматизируют.

В синхронных генераторах получила применение также бесконтактная система электромагнитного возбуждения, при которой синхронный генератор не имеет контактных колец на роторе. В качестве возбудителя в этом случае применяют обращенный синхронный генератор переменного тока В (рис. 1.3, б). Трехфазная обмотка 2 возбудителя, в которой наводится переменная ЭДС, расположена на роторе и вращается вместе с обмоткой возбуждения синхронного генератора и их электрическое соединение осуществляется через вращающийся выпрямитель 3 непосредственно, без контактных колец и щёток. Питание постоянным током обмотки возбуждения 1 возбудителя В осуществляется от подвозбудителя ПВ – генератора постоянного
тока. Отсутствие скользящих контактов в цепи возбуждения синхронного генератора позволяет повысить её эксплуатационную надёжность и увеличить КПД.

В синхронных генераторах, в этом числе гидрогенераторах, получил распространение принцип самовозбуждения (рис. 1.4, а), когда
энергия переменного тока, необходимая для возбуждения, отбирается от обмотки статора синхронного генератора и через понижающий
трансформатор и выпрямительный полупроводниковый преобразователь ПП преобразуется в энергию постоянного тока. Принцип самовозбуждения основан на том, что первоначальное возбуждение генератора происходит за счёт остаточного магнетизма машины.

На рис. 1.4, б представлена структурная схема автоматической системы самовозбуждения синхронного генератора (СГ) с выпрямительным трансформатором (ВТ) и тиристорным преобразователем (ТП), через которые электроэнергия переменного тока из цепи статора СГ после преобразования в постоянный ток подаётся в обмотку возбуждения. Управление тиристорным преобразователем осуществляется посредством автоматического регулятора возбуждения АРВ, на вход которого поступают сигналы напряжения на входе СГ (через трансформатор напряжения ТН) и тока нагрузки СГ (от трансформатора тока ТТ). Схема содержит блок защиты (БЗ), обеспечивающий защиту обмотки возбуждения (ОВ) от перенапряжения и токовой перегрузки.

Мощность, затрачиваемая на возбуждение, обычно составляет от 0,2 до 5 % полезной мощности (меньшее значение относится к генераторам большой мощности).
В генераторах малой мощности находит применение принцип возбуждения постоянными магнитами, расположенными на роторе машины. Такой способ возбуждения даёт возможность избавить генератор от обмотки возбуждения. В результате конструкция генератора существенно упрощается, становится более экономичной и надёжной. Однако, из-за высокой стоимости материалов для изготовления постоянных магнитов с большим запасом магнитной энергии и сложности их обработки применение возбуждения постоянными магнитами ограничено машинами мощностью не более нескольких киловатт.

Синхронные генераторы составляют основу электроэнергетики, так как практически вся электроэнергия во всём мире вырабатывается посредством синхронных турбо- или гидрогенераторов.

Так же синхронные генераторы находят широкое применение в составе стационарных и передвижных электроустановок или станций в комплекте с дизельными и бензиновыми двигателями.

Синхронные машины высокой мощности – конструктивные особенности

Ввиду использования значительной величины мощности, синхронная установка подвергается значительному механическому воздействию, а также электромагнитной нагрузке, вследствие чего происходит существенный нагрев различных частей машин, для чего необходимо выполнить интенсивное охлаждение машины. Чтобы сохранить определенные габаритные размеры, для получения необходимого значения мощности, выполняют машины с различными особенностями, диктующими подразделение машин на несколько типов, это: турбогенераторы, гидрогенераторы, дизель-генераторы, синхронные компенсаторы, синхронные двигатели.

Турбогенераторы

Конструкция машины исполнена с горизонтальной осью и работает за счет использования турбины, ротор обязательно неявнополюсного исполнения. Скорость вращения вала отличается максимально возможным числом оборотов вращения и составляет 3000 об/мин.

За счет того, что в машине всего два полюса, ее конструктивная часть отличается уменьшенными габаритами и весом. При использовании такого агрегата на АЭС, применяют машины с количеством оборотов вала 1500 об/мин, с 4 полюсами, диаметр ротора меньше длины его активной части. Система, используемая для охлаждения, применяет поверхностный и косвенный принудительный обдув, иногда применяют косвенное водородное или водяное и масляное охлаждение.

Гидрогенераторы

Функционирование гидрогенератора осуществляется при использовании гидравлической турбины, обладающей невысоким количеством оборотов вала от 50 до 500 об/мин. Ротор явнополюсного исполнения отличается наличием большого числа пар полюсов. Его диаметр для некоторых типов гидрогенераторов может доходить до 16 м., тогда как длина составляет всего 1,75 м. Его мощность достигает 640 МВ*А.

Вал может располагаться вертикально. Гидрогенератор и турбина объединены одним валом ротора, также на нем может быть установлен возбудитель, подвозбудитель и синхронный генератор, который осуществляет питание электрических двигателей, предназначенных для регулировки турбины. Главное усилие в машине приходится на опорный подшипник, он способен выдержать вес роторов всего оборудования, динамические усилия и давление воды, приложенное к турбинным лопастям. Система охлаждения в устройствах этого типа выполняется с помощью омывания капсулы, в которую заключены объединенные одним валом элементы синхронного агрегата.

Синхронный компенсатор

Машина генерирует реактивную мощность и работает в двигательном режиме холостого хода, использующего активную сетевую нагрузку. Конструкция явнополюсного исполнения обычно присутствует до восьми пар полюсов. Ротор изготовлен облегченным, так как на валу отсутствует какая-либо нагрузка. Часто используется герметизированная конструкция машины, без вывода наружу вала компенсатора, система охлаждения работает за счет использования водорода, закаченного при большом давлении, внутрь.

Дизель-генератор

Машина имеет в своей конструкции явнополюсный ротор и подразумевает горизонтальную установку вала. Особенность – использование одного опорного подшипника, в качестве второй опоры используется подшипник вала генератора. На едином с ними валу установлен возбудитель.

Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта, буду рад, если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное. Всего доброго.

Область применения

Область применения синхронных двигателей обусловлена рядом их особенностей, а именно:

• — стабильностью частоты вращения как при колебании напряжения в питающей электросети, так и при изменении величины механической нагрузки на валу;
• — возможностью работы с очень высоким коэффициентом мощности — вплоть до единицы.

Первое качество делает синхронные двигатели незаменимыми в качестве приводных для прецизионных обрабатывающих станков. Также часто синхронные двигатели используются для привода мощных насосных, компрессорных и вентиляционных установок. Этим же свойством обусловлено их практически исключительное применение в качестве гидрогенераторов и турбогенераторов на электрических станциях. Вторая особенность синхронных двигателей делает привлекательным его использование в качестве источника реактивной энергии, что позволяет гибко регулировать значение коэффициента мощности и уровня напряжения в сети. При правильном заключении договоров на электроснабжение можно получить экономию средств, имея повышенное значение косинуса-фи. При работе синхронного двигателя с коэффициентом мощности, равном единице, двигатель потребляет из сети только активную мощность, за счет чего снижаются потери мощности в питающих линиях электропередачи. Это обусловлено тем, что потери в линиях пропорциональны полной электрической мощности, а величина последней в рассматриваемом случае снижается, что происходит за счет уменьшения реактивной составляющей вплоть до нуля. Работающий на холостом ходу в режиме перевозбуждения синхронный двигатель представляет собой синхронный компенсатор.

Мощный синхронный двигатель, оснащенный системами автоматической регулировки возбуждения с обратной связью по напряжению, а также форсирования тока возбуждения – это инструмент для регулирования и перераспределения потоков реактивной мощности и уровня напряжения в электрической сети. Выбор синхронных двигателей при проектировании и в процессе реконструкции электросетей крупных потребителей обеспечивает повышение устойчивости работы энергосистемы, разгрузку линий электропередачи, улучшение качества электроэнергии, дает возможность минимизировать затраты на покупку электрической энергии.

Источник

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:

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.

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.