Чем отличается синхронный двигатель от асинхронного для чайников кратко, простыми словами, сравнение по конструкции и принципу действия

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.

Разновидности

В современной промышленности и бытовых приборах синхронные электродвигатели используются для решения самых разнообразных задач. Как результат, существенно разнятся и их конструктивные особенности. На практике выделяют несколько критериев, по которым разделяются виды синхронных агрегатов. В соответствии с ГОСТ 16264.2-85 могут подразделяться по таким техническим характеристикам:

В зависимости от способа получения поля ротора выделяют такие типы синхронных электродвигателей:

С реактивным ротором — конструкция выполнена таким образом, что в его сердечнике происходит преломление магнитных линий, приводящее всю конструкцию в движение (см. рисунок 7). Под воздействием силового поля поперечные и продольные составляющие в роторе не равны за счет чего пластины поворачиваются вслед за полем.

Положительные и отрицательные стороны

Как вы уже догадались, у любого механизма есть свои сильные и слабые стороны. У синхронных электродвигателей положительные характеристики заключаются в том, что:

Они взаимодействуют с коэффициентом мощности, который стремиться к 1. А значит, экономят потребление сети.
Во время перегрузок они отдают реактивную мощность в сеть, тем самым улучшая косинус фи.
Критическое значение, которое образуется на валу синхронного двигателя, равноU, а уасинхронного — U² (квадратичная корреляция от напряжения). Это означает, что первый – способен хорошо переносить нагрузки, стабилен в своей работе, и не взаимодействует с напряжением в электросети.
Как результат – темп движения устойчив при перенапряжениях и провисаниях, особенно при увеличении электротока возбуждения.

Но не все так гладко. Значительный недостаток синхронного двигателя заключается в том, что его устройство труднее, чем у асинхронного. Здесь необходим побудитель, без которого машина просто не будет работать.

Эти факторы влияют на сравнительно большую стоимость и вызывают некоторые трудности в обслуживании и эксплуатации механизма.

Собственно на этом список положительных и отрицательных черт электродвигателей постоянного тока исчерпан. В этой публикации наша команда попыталась доступно и коротко описать основные характеристики синхронных двигателей.

Если вы хотите поделиться более полной информацией, напишите ее внизу под этой статьей. Спасибо!

Ротор — синхронная машина

Модификация конструктивного исполнения электрических машин.| Индукторная машина с двумя роторами.

Роторы синхронных машин, рассчитанных на частоту вращения 1500 и 3000 об / мин и выше, обычно выполняются неявнополюсными. При этом обмотка возбуждения укладывается в профрезерованные в роторе пазы.

Роторы синхронных машин бывают двух типов: явнополюсные и неявнополюсные.

Ротор синхронной машины по существу представляет электромагнит — неявнополюсный ( рис. 16 — 1) или явнополюсный ( рис. 16 — 2), обмотка которого питается постоянным током возбуждения. Последний поступает в ротор через контактные кольца и щетки от внешнего источника постоянного тока — возбудителя.

Ротор синхронной машины представляет электромагнит постоянного тока. Его обмотка питается постоянным током от постороннего источника. Она служит для создания постоянного магнитного поля ротора, и называют ее обмоткой возбуждения. Соединение обмотки ротора с источником постоянного тока осуществляется с помощью двух контактных колец на валу и неподвижных щеток. В качестве источника постоянного тока для питания обмотки возбуждения ротора применяется отдельный генератор постоянного или переменного тока. Последний подключается к обмотке возбуждения через управляемые выпрямители. Генератор, питающий обмотку возбуждения, называется возбудителем. Обычно он монтируется на одном валу с ротором генератора. Мощность, требуемая для питания обмотки возбуждения, невелика, соответственно мощность возбудителя составляет примерно 0 3 — 5 % номинальной мощности синхронной машины. Возможно также питание обмотки возбуждения от сети переменного тока, подключенной к статору, через выпрямители.

Ротор синхронной машины возбуждается постоянным током. Так как его полюса неподвижны по отношению к его обмотке, ротор должен вращаться синхронно с потоком якоря. Только при синхронной скорости полюса ротора неподвижны относительно поля якоря. При любой другой скорости вследствие относительного перемещения полей возбуждения и якоря ротор будет то ускоряться, то замедляться и средний электромагнитный момент будет равен нулю. Если нет среднего момента, машина не может ни поглощать ( как генератор), ни развивать ( как двигатель) механическую мощность.

Ротор невыраженными сами.

Ротор синхронной машины, как было указано, служит для создания основного магнитного потока. По конструкции различают роторы с явновыражен-ными и неявновыраженными полюсами.

Ротор синхронной машины выполняется или с явно выраженными полюсами, или в виде цилиндрического ротора с неяано выраженными полюсами. Первый тип ротора применяется в тихоходных машинах с большим числом полюсов. Второй т п ротора используется в быстроходных машинах.

Ротор синхронной машины выполняется или с явно выраженными полюсами, или в виде цилиндрического ротора с неявно выраженными полюсами. Первый тип ротора применяется в тихоходных машинах с большим числом полюсов. Второй тип ротора используется в быстроходных машинах.

Ротор синхронной машины представляет собой электромагнит с сосредоточенной ( явнополюсный ротор) или распределенной ( неявнопо-люсный ротор) обмоткой, называемой обмоткой возбуждения, к которой через контактные кольца и щетки подведен постоянный ток возбуждения. Число пар полюсов ротора равно числу пар полюсов обмотки статора. Ротор и его магнитное поле с потоком Ф вращаются с частотой П По, равной частоте вращения магнитного поля статора.

Ротор синхронной машины имеет обмотку возбуждения, питаемую через два контактных кольца и щетки постоянным током от постороннего источника.

Роторы синхронных машин выполняются явнополюсными и-неявно Еолюсными.

Советуем изучить — Мощность трехфазной цепи при несимметричной нагрузке

Ротор со стержневой обмоткой.

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 возбудителяr 1 и подвозбудителяr 2 . 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 обмотка2 возбудителя, в которой наводится переменная ЭДС, расположена на роторе и вращается вместе с обмоткой возбуждения синхронного генератора и их электрическое соединение осуществляется через вращающийся выпрямитель3 непосредственно, без контактных колец и щёток. Питание постоянным током обмотки возбуждения1 возбудителя В осуществляется от подвозбудителяПВ – 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 статораСГ после преобразования в постоянный ток подаётся в обмотку возбуждения. Управление тиристорным преобразователем осуществляется посредством автоматического регулятора возбужденияАРВ , на вход которого поступают сигналы напряжения на входеСГ (через трансформатор напряженияТН ) и тока нагрузкиСГ (от трансформатора токаТТ ). 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.

Запуск трехфазного электродвигателя

https://youtube.com/watch?v=gX2gH3GfCU4

Специфика данного типа движка состоит в том, что от простого подсоединения к сети, действовать они не начнут. Поэтому, для запускания синхронного двигателя требуется не только импульс электротока, но и знания о довольно непростой схеме подключения.

Начало работы двигателя осуществляется аналогично синхронному. А вот для производства пускового элемента, кроме мотка возбуждения, на подвижной части устанавливают вспомогательную короткозамкнутую обмотку под названием «беличья клетка».

В силу того, что она увеличивает стойкость к резким перегрузкам, ее еще именуют демпфирующей.

https://youtube.com/watch?v=9Ym38FxfqIQ

Чтобы регулировать пусковой электроток у мощных двигателей, можно снизить напряжение на зажимах мотков неподвижной его части. Для этого используют автотрансформаторы либо другой пассивный элемент цепи, со значением электрического сопротивления.

К обмотке возбуждения подсоединяются резисторы. Желательно, чтобы их сопротивление было больше обмотки в 2-10 раз. Подсоединение нужно выполнять во время запуска механизма в асинхронном режиме.

Это необходимо для того, чтобы силовой поток, который образуется под влиянием токов, не тормозил разбег, и, чтобы не повредить обмотки из-за действующих электродвижущих сил.

Особенности и устройство ДПТ

ДПТ представляет собой вращающуюся электрическую машину, работающую от постоянного тока. В зависимости от направления потока мощности проводится различие между двигателем (электродвигатель с электрической и механической мощностью) и генератором (электрический генератор, на который подаётся механическая мощность, а также электроэнергия). ДПТ могут запускаться под нагрузкой, их скорость легко изменить. В режиме генератора ДПТ преобразует напряжение переменного тока, подаваемое ротором, в пульсирующее постоянное напряжение.

История изобретения

Основываясь на развитии первых гальванических элементов в первой половине XIX века, первыми электромеханическими преобразователями энергии были машины постоянного тока. Первоначальная форма электродвигателя была разработана в 1829 году, а в 1832 году француз Ипполит Пиксии построил первый генератор. Антонио Пачинотти построил в 1860 году электродвигатель постоянного тока с многокомпонентным коммутатором. Фридрих фон Хефнер-Алтенек разработал барабанный якорь в 1872 году, который открыл возможность промышленного использования в области крупномасштабного машиностроения.

https://youtube.com/watch?v=uPdv7l9zx2c

Конструкция двигателя

Чтобы понять принцип действия ДПТ, нужно сначала изучить его конструктивные особенности, одной из которых является то, что в магнитном поле постоянного магнита установлен вращающийся проводящий контур.

Упрощая эту структуру, можно сказать, что двигатель состоит из двух основных компонентов:

Основной магнит (постоянный магнит), который прикреплён к статору. Магнитное поле также может быть электрически сгенерировано. На статоре находятся так называемые возбуждающие обмотки (катушки).
Проводящая петля (арматура) на сердечнике якоря, обычно состоящая из слоистых металлических листов.

Обе конструкции называются двигателями постоянного тока с внешним возбуждением. Электродинамический закон указывает, что токопроводящая петля проводника в магнитном поле представляет собой силу , зависящую от тока и напряжённости магнитного поля . Токопроводящий проводник окружен круговым магнитным полем. Если объединить магнитное поле магнитного поля с магнитным полем проводящей петли, можно обнаружить суперпозицию двух полей, а также результирующий силовой эффект.

Каждая токопроводящая катушка развивает собственное магнитное поле, и магнитное поле постоянного магнита накладывается на магнитное поле нижней половины катушки и поле верхней половины катушки. Линии поля постоянного магнитного поля всегда одного направления, они всегда показывают с севера на южный полюс. Напротив, поля двух половин катушки имеют противоположные направления.

В левой части поля половины катушки полевые линии поля возбудителя и поля катушки имеют одно и то же направление. Благодаря этому силовому эффекту в противоположном направлении на нижнем и верхнем концах арматуры создаётся крутящий момент, который вызывает вращательное движение якоря.

https://youtube.com/watch?v=bLpn8IersUA

Якорь представляет собой так называемый двутавровый якорь. Эта конструкция получила название из-за своей формы, которая напоминает два составных «Т». Катушки якоря соединены с платами коммутатора (коллектора). Подача тока в обмотке якоря обычно осуществляется через угольные щётки, которые обеспечивают скользящий контакт с вращающимся коммутатором и подают катушкам электричество. Щётки изготавливаются из самосмазывающихся графитов, частично смешанных с медным порошком для небольших двигателей.

Области применения, особые свойства и преимущества

Использовать как синхронный конденсатор

V-образная кривая синхронной машины

Изменяя возбуждение синхронного двигателя, он может работать с запаздывающим, опережающим и единичным коэффициентами мощности. Возбуждение, при котором коэффициент мощности равен единице, называется нормальным напряжением возбуждения . Величина тока при таком возбуждении минимальна. Напряжение возбуждения, большее, чем нормальное возбуждение, называется избыточным напряжением возбуждения, напряжение возбуждения, меньшее, чем нормальное возбуждение, называется избыточным напряжением возбуждения. Когда двигатель чрезмерно возбужден, противо-ЭДС будет больше, чем напряжение на клеммах двигателя. Это вызывает эффект размагничивания из-за реакции якоря.

Кривая V синхронной машины показывает зависимость тока якоря от тока возбуждения. С увеличением тока возбуждения ток якоря сначала уменьшается, затем достигает минимума, затем увеличивается. Минимальная точка — это также точка, при которой коэффициент мощности равен единице.

Эта возможность выборочного управления коэффициентом мощности может использоваться для коррекции коэффициента мощности системы питания, к которой подключен двигатель. Поскольку большинство энергосистем любого значительного размера имеют чистый запаздывающий коэффициент мощности, присутствие перевозбужденных синхронных двигателей приближает коэффициент полезной мощности системы к единице, повышая эффективность. Такая коррекция коэффициента мощности обычно является побочным эффектом двигателей, уже присутствующих в системе, для обеспечения механической работы, хотя двигатели могут работать без механической нагрузки просто для обеспечения коррекции коэффициента мощности. На крупных промышленных предприятиях, таких как заводы, взаимодействие между синхронными двигателями и другими отстающими нагрузками может явным образом учитываться при проектировании электрических систем предприятия.

Предел устойчивости установившегося состояния

Тзнак равноТМаксимумгрех⁡(δ){\ Displaystyle \ mathbf {T} = \ mathbf {T} _ {\ text {max}} \ sin (\ delta)}

куда,

Т{\ displaystyle \ mathbf {T}} крутящий момент

δ{\ displaystyle \ delta} угол крутящего момента

ТМаксимум{\ displaystyle \ mathbf {T} _ {\ text {max}}} максимальный крутящий момент

здесь,

ТМаксимумзнак равно3VEИксsωs{\ displaystyle \ mathbf {T} _ {\ text {max}} = {\ frac {{\ mathbf {3}} {\ mathbf {V}} {\ mathbf {E}}} {{\ mathbf {X_ { s}}} {\ omega _ {s}}}}}

При приложении нагрузки угол крутящего момента увеличивается. При = 90 ° крутящий момент будет максимальным. Если нагрузка будет приложена и дальше, двигатель потеряет синхронизм, поскольку крутящий момент двигателя будет меньше момента нагрузки. Максимальный момент нагрузки, который может быть приложен к двигателю без потери его синхронизма, называется пределом устойчивости синхронного двигателя в установившемся режиме.
δ{\ displaystyle \ delta}δ{\ displaystyle \ delta}

Другой

Синхронные двигатели особенно полезны в приложениях, требующих точного управления скоростью или положением:

Скорость не зависит от нагрузки во всем рабочем диапазоне двигателя.
Скорость и положение можно точно контролировать с помощью элементов управления разомкнутым контуром (например, шаговых двигателей ).
Приложения с низким энергопотреблением включают в себя позиционирующие машины, где требуется высокая точность, и приводы роботов .
Они сохранят свое положение, когда постоянный ток подается как на статор, так и на обмотки ротора.
Часы, приводимые в действие синхронным двигателем, в принципе так же точны, как частота сети его источника питания. (Хотя небольшие отклонения частоты будут происходить в течение любых заданных нескольких часов, операторы сети активно регулируют частоту сети в более поздние периоды для компенсации, тем самым поддерживая точность тактовых импульсов с приводом от двигателя; см. электросети .)
Повышенная эффективность в низкоскоростных приложениях (например, в шаровых мельницах ).

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.

Режимы работы

Большинство электрических машин обладают обратимой функцией, не составляют исключения и синхронные агрегаты. Их также можно использовать в качестве электрического привода или в качестве генератора, вырабатывающего электроэнергию. Оба режима отличаются способом воздействия на электрическую машину – подачу напряжения на рабочие обмотки или приведение в движение ротора за счет механического усилия.

Генераторный режим

Для производства электроэнергии в сеть используются именно синхронные генераторы. В большинстве случаев для этой цели используются электрические машины с фазными обмотками на статоре, что существенно упрощает процесс съема мощности и дальнейшей передачи ее в сеть. Физически генерация происходит при воздействии электромагнитного поля обмотки возбуждения синхронного генератора с обмотками статора. Силовые линии поочередно пересекают фазные витки и наводят в них ЭДС взаимоиндукции, в результате чего на клеммных выводах возникает напряжение.

Частота получаемого напряжения напрямую зависит от скорости вращения вала и вычисляется по формуле:

где n – скорость вращения вала, измеряемая в оборотах за минуту, p – количество пар полюсов.

Синхронный компенсатор

В виду физических особенностей синхронного электродвигателя при холостом ходе аппарата он потребляет из сети реактивную мощность, что позволяет существенно улучшить cosφ системы, практически приближая его к 1.На практике режим синхронного компенсатора используется как для улучшения коэффициента мощности, так и для стабилизации параметров напряжения сети.

Двигательный режим

В синхронной машине двигательный режим осуществляется при подаче рабочего трехфазного напряжения на обмотки якоря. После чего электромагнитное поле якоря начинает толкать магнитное поле ротора, и вал приходит во вращение. Однако на практике двигательный режим осуществляется не так просто, так как мощные агрегаты не могут самостоятельно набрать необходимый ресурс скорости. Поэтому во время запуска используют специальные методы и схемы подключения.

Чем отличается синхронный двигатель от асинхронного