Синхронный двигатель принцип работы: Синхронный двигатель с постоянными магнитами

Синхронный электродвигатель с обмоткой возбуждения

Дмитрий Левкин

Синхронный электродвигатель с обмоткой возбуждения, как и любой вращающийся электродвигатель, состоит из ротора и статора. Статор — неподвижная часть, ротор — вращающаяся часть. Статор обычно имеет стандартную трехфазную обмотку, а ротор выполнен с обмоткой возбуждения. Обмотка возбуждения соединена с контактными кольцами к которым через щетки подходит питание.

Синхронный электродвигатель с обмоткой возбуждения (щетки не показаны)

Постоянная скорость вращения синхронного электродвигателя достигается за счет взаимодействия между постоянным и вращающимся магнитным полем. Ротор синхронного электродвигателя создает постоянное магнитное поле, а статор – вращающееся магнитное поле.

Работа синхронного электродвигателя основана на взаимодействии вращающегося магнитного поля статора и постоянного магнитного поля ротора

Статор: вращающееся магнитное поле

На обмотки катушек статора подается трехфазное переменное напряжение.

В результате создается вращающееся магнитное поле, которое вращается со скоростью пропорциональной частоте питающего напряжения. Подробнее о том, как посредством трехфазного напряжения питания образуется вращающееся магнитное поле можно прочитать в статье «Трехфазный асинхронный электродвигатель».

Взаимодействие между вращающимся (у статора) и постоянным (у ротора) магнитными полями

Ротор: постоянное магнитное поле

Обмотка ротора возбуждается источником постоянного тока через контактные кольца. Магнитное поле создаваемое вокруг ротора возбуждаемое постоянным током показано ниже. Очевидно, что ротор ведет себя как постоянный магнит, так как имеет такое же магнитное поле (в качестве альтернативы можно представить, что ротор сделан из постоянных магнитов). Рассмотрим взаимодействие ротора и вращающегося магнитного поля. Предположим вы придали ротору начальное вращение в том же направлении как у вращающегося магнитного поля. Противоположные полюса вращающегося магнитного поля и ротора будут притягиваться друг к другу и они будут сцепляться с помощью магнитных сил.

Это значит, что ротор будет вращаться с той же скоростью, что и вращающееся магнитное поле, то есть ротор будет вращаться с синхронной скоростью.

Магнитные поля ротора и статора сцепленные друг с другом

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

,

  • где Ns – частота вращения магнитного поля, об/мин,
  • f – частота тока статора, Гц,
  • p – количество пар полюсов.

Это значит, что скорость синхронного электродвигателя может очень точно контролироваться изменением частоты питающего тока. Таким образом эти электродвигатели подходят для высокоточных приложений.

Почему синхронные электродвигатели не запускаются от электрической сети?

Если ротор не имеет начального вращения, ситуация отличается от описанной выше. Северный полюс магнитного поля ротора будет притягиваться к южному полюсу вращающегося магнитного поля, и начнет двигаться в том же направлении. Но так как ротор имеет определенный момент инерции, его стартовая скорость будет очень низкой. За это время южный полюс вращающегося магнитного поля будет замещен северным полюсом. Таким образом появятся отталкивающие силы. В результате чего ротор начнет вращаться в обратную сторону. Таким образом ротор не сможет запуститься.

Демпферная обмотка — прямой запуск синхронного двигателя от электрической сети

Чтобы реализовать самозапуск синхронного электродвигателя без системы управления между наконечниками ротора размещается «беличья клетка», которая также называется демпферной обмоткой. При запуске электродвигателя катушки ротора не возбуждаются. Под действием вращающегося магнитного поля, индуцируется ток в витках «беличьей клетки» и ротор начинает вращаться подобно тому, как запускаются асинхронные двигатели.

Когда ротор достигает своей максимальной скорости, подается питание на обмотку возбуждения ротора. В результате, как говорилось ранее, полюса ротора сцепляются с полюсами вращающегося магнитного поля и ротор начинает вращаться с синхронной скоростью. При вращении ротора с синхронной скоростью, относительное движение между белечьей клеткой и вращающимся магнитным полем равно нулю. Это значит, что отсутствует ток в короткозамкнутых витках, а следовательно «беличья клетка» не оказывает воздействия на синхронную работу электродвигателя.

Синхронные электродвигатели имеют постоянную скорость независящую от нагрузки (при условии что нагрузка не превышает макимально допустимую). Если момент нагрузки больше, чем момент создаваемый самим электродвигателем, то он выйдет из синхронизма и остановиться. Низкое напряжение питания и низкое напряжение возбуждения также могут быть причинами выхода двигателя из синхронизма.

Синхронные электродвигатели могут также использоваться для улучшения коэффициента мощности системы. Когда единственной целью использования синхронных электродвигателей является улучшение коэффициента мощности их называют синхронными компенсаторами. В таком случае вал электродвигателя не соединяется с механической нагрузкой и вращается свободно.

§89. Синхронный двигатель, принцип действия и устройство синхронного двигателя

Синхронный двигатель. Принцип действия и устройство. Синхронный двигатель может работать в качестве генератора и двигателя. Синхронный двигатель выполнен так же, как и синхронный генератор. Его обмотка якоря I (рис. 291, а) подключена к источнику трехфазного переменного тока; в обмотку возбуждения 2 подается от постороннего источника постоянный ток. Благодаря взаимодействию вращающегося магнитного поля 4, созданного трехфазной обмоткой якоря, и поля, созданного обмоткой возбуждения, возникает электромагнитный момент М (рис. 291,б), приводящий ротор 3 во вращение. Однако в синхронном двигателе в отличие от асинхронного ротор будет разгоняться до частоты вращения n = n

1, с которой вращается магнитное поле (до синхронной частоты вращения). Объяс-

Рис. 291. Электрическая (а) и электромагнитная (б) схемы синхронного электродвигателя

няется это тем, что ток в обмотку ротора подается от постороннего источника, а не индуцируется в нем магнитным полем статора и, следовательно, не зависит от частоты вращения вала двигателя. Характерной особенностью синхронного двигателя является постоянная частота вращения его ротора независимо от нагрузки.

Электромагнитный момент. Электромагнитный момент в синхронном двигателе возникает в результате взаимодействия магнитного потока ротора (потока возбуждения Фв) с вращающимся магнитным полем, создаваемым трехфазным током, протекающим по обмотке якоря (потоком якоря Ф

в). При холостом ходе машины оси магнитных полей статора и ротора совпадают (рис. 292,а). Поэтому электромагнитные силы I, возникающие между «полюсами» статора и полюсами ротора, направлены радиально (рис. 292, б) и электромагнитный момент машины равен нулю. При работе машины в двигательном режиме (рис. 292, в и г) ее ротор под действием приложенного к валу внешнего нагрузочного момента Мвн смещается на некоторый угол 0 против направления вращения. В этом случае в результате электромагнитного взаимодействия между ротором и статором создаются электромагнитные силы I, направленные по направлению вращения, т. е. образуется вращающий электромагнитный момент М, который стремится преодолеть действие внешнего момента Мвн. Максимум момента Мmax
соответствует углу ? = 90°, когда оси полюсов ротора расположены между осями «полюсов» статора.

Если нагрузочный момент Мвн, приложенный к валу электродвигателя, станет больше Мmax, то двигатель под действием внешнего момента Мвн останавливается; при этом по обмотке якоря неподвижного двигателя будет протекать очень большой ток. Этот режим называется выпаданием из синхронизма, он является аварийным и не должен допускаться.

При работе машины в генераторном режиме (рис. 292, д и е) ротор под действием приложенного к валу внешнего момента Мвн смещается на угол ? по направлению вращения. При этом создаются электромагнитные силы, направленные против вращения, т. е. образуется тормозной электромагнитный момент М. Таким образом, при изменении значения и направления внешнего момента на валу ротора Мвн изменяется лишь угол ? между осями полей статора и ротора, в то время как в асинхронной машине в этом случае изменяется частота вращения ротора.

Пуск в ход и регулирование частоты вращения. Синхронный двигатель не имеет начального пускового момента. Если подключить обмотку якоря к сети переменного тока, когда ротор неподвижен, а по обмотке возбуждения проходит постоянный ток, то за один период изменения тока электромагнитный момент будет дважды менять свое направление, т. е. средний момент за период будет равен нулю. Следовательно, для пуска в ход синхронного двигателя необходимо разогнать его ротор с помощью внешнего момента до частоты вращения, близкой к синхронной. Для этой цели применяют метод асинхронного пуска. Синхронный двигатель пускают в ход как асинхронный, для чего его снабжают специальной короткозамкнутой пусковой обмоткой 3 (рис. 293). В полюсные наконечники ротора 2 синхронного двигателя закладывают медные или латунные стержни, замкнутые накоротко двумя торцовыми кольцами. Пусковая обмотка выполнена подобно беличьей клетке асинхронной машины, но занимает лишь часть окружности ротора.

В некоторых двигателях специальная короткозамкнутая обмотка

Рис. 292. Электромагнитный момент в синхронной машине, образующийся в различных режимах

Рис. 293. Схема асинхронного пуска синхронного двигателя;

Рис. 294 Устройство пусковой обмотки синхронного двигателя: 1 — ротор; 2 — стержни; 3 — кольцо; 4 — обмотка возбуждения

Принцип работы и строение синхронного электродвигателя

Каков принцип работы синхронного двигателя? Что вам необходимо знать о нем? Как правильно использовать, чтобы ремонт электродвигателя понадобился как можно позже? Эту статью мы составили специально для наших клиентов (как существующих, так и будущих).

Каково строение синхронного двигателя? Какие основные свойства вам необходимо знать и иметь в виду?

  • Оборудование не является самозапускающимся механизмом. Это значит, что для его работы требуется внешнее вмешательство/воздействие. В противном случае система не сможет начать работу на определенной синхронной скорости.
  • Системы могут применяться для увеличения фактора силы. Благодаря уникальному строению и функциональным решениям синхронный двигатель может работать в условиях любых коэффициентов мощности.
  • Двигатель имеет синхронный с частотой электрической сети принцип работы. Это значит, что на вашем объекте обязательно нужно подумать о наличии бесперебойного источника питания, который позволил бы двигателю работать с постоянной заданной скоростью.

Ключевые характеристики синхронных двигателей

Электромеханическое устройство, способное преобразовать электрическую энергию в механическую — ключевая характеристика. Строение синхронного двигателя мало чем отличается от того же 3-фазного асинхронного двигателя. Основным исключением является разве что принцип подачи постоянного тока (он идет на ротор).

В зависимости от типа подключения можно выделить оборудование 2-х видов:

  • Однофазное
  • Трехфазное.

Все трехфазные решения дополнительно разделяются на несколько подтипов. К примеру, на рынке представлены синхронные или асинхронные (также можно встретить и другое название – индукционные) решения.

Принцип работы синхронного двигателя

Чтобы вам проще было понять основные направления, мы представим информацию в кратком и схематичном виде. Если у вас появляются вопросы, то смело можете связаться с нашим специалистом. Опытный мастер расскажет о принципе действия, даст ответы на ваши вопросы, разъяснит те моменты, которые показались вам сложными и непонятными.

Мы работаем для того, чтобы вам было удобно!

  1. Требуется создание электронно-магнитного поля.
  2. Для этого в оборудовании используется 2 электрических ввода (обмотка и ротор).
  3. Обмотка статора включает 3 фазы, которые отвечают за процесс вращения магнитного потока.
  4. На ротор подается постоянный ток, здесь же и производится постоянный поток.

ВАЖНО ЗНАТЬ! Механика проста и понятна: если частота составляет 50 Гц, то в таком случае трехфазному потоку необходимо будет вращаться 3 тысячи оборотов на 60 секунд. Путем простых вычислений становится понятно, что для работы системы нужно 50 оборотов за 1 секунду. Принцип работы синхронного двигателя предусматривает возникновение явления так называемой инерции силы. Чтобы преодолеть ее, требуется сильное механическое воздействие.

Запускаем синхронный двигатель в работу

Оборудование не является самозапускающимся механизмом, о чем мы уже и указывали выше. Для удобства клиентов и заказчиков могут предусматриваться разные способы запуска:

  • С помощью вспомогательного двигателя. В таком случае требуется надежное и прочное соединение; как только магнитное поле замыкается, то связь с «запускающим» двигателем прекращается.
  • Через асинхронный пуск. Принцип работы синхронного двигателя предусматривает использование дополнительной короткозамкнутой обмотки.

Надеемся, вам стало более понятно и ясно, в каком направлении работать дальше, каких требований и критериев придерживаться.

Синхронные двигатели с постоянными магнитами на роторе: управление (синус и/или трапеция)

Например, термин PMSM (СДПМ) может применяться для обозначения двигателя с постоянными магнитами на роторе, независимо от формы его ЭДС, но так же часто его применяют, подразумевая исключительно синусоидальную форму ЭДС двигателя.

Термин BLDC (БДПТ) может применяться для обозначения двигателя с постоянными магнитами на роторе и трапецеидальной ЭДС, а может вообще обозначать не двигатель, а некий мехатронный узел, включающий в себя:

  • двигатель с постоянными магнитами и трапецеидальной ЭДС
  • датчик положения ротора
  • управляемый по сигналам этого датчика полупроводниковый коммутатор.

Собственно этот мехатронный узел, который может, как и двигатель постоянного тока, управляться постоянным напряжением, и породил сам термин BLDC (БДПТ).

Ещё по отношению к синхронным двигателям с постоянными магнитами на роторе в отечественной литературе, можно встретить название «вентильный двигатель».

Попытки автора разобраться с этим термином быстро зашли в тупик, так как в различных источниках обнаружились явные противоречия.

Например, в книге Г.Б. Онищенко «Электрические двигатели» на стр. 47 «вентильным» называется двигатель соответствующий термину BLDC (БДПТ), что предполагает трапецеидальную ЭДС, и это понимаемо.

Но двигатели типа 5ДВМ сам производитель (ЧЭАЗ) называет «вентильными», хотя при этом утверждает, что они имеют синусоидальную ЭДС.

А вот «Википедия»: «Вентильный двигатель следует отличать от бесколлекторного двигателя постоянного тока (БДПТ), который имеет трапецеидальное распределение магнитного поля в зазоре…».

Ну…приехали…

Какой термин, какой форме ЭДС соответствует – непонятно.

А между тем, именно эта форма определяет выбор структуры системы управления двигателем.

Как человек, занимающийся этим управлением, хочу предложить:

  • во избежание путаницы забыть термин «вентильный двигатель»
  • термином БДПТ обозначать не двигатель, а исключительно описанный выше мехатронный узел (аналог двигателя постоянного тока)
  • делить синхронные двигатели с постоянными магнитами на роторе (СДПМ) по типу ЭДС на две группы:
    с синусоидальной ЭДС (далее, для краткости, — СДПМс)
    с трапецеидальной ЭДС (далее, для краткости, — СДПМт)

Управление

При управлении двигателями с синусоидальной ЭДС используется векторное регулирование (подробно описано в книжке по ссылке http://3v-services.com/books/978-5-97060-766-4/978-5-97060-766-4_SimInTech-01.pdf). С точки зрения возможностей и качества управления это наилучший вариант.

Однако и двигатели с трапецеидальной ЭДС в силу более простой конструкции статорных обмоток и возможности более простого управления применяются довольно часто.

Конструкция двигателей

Форма ЭДС определяется конструкцией двигателя.

Ротор синхронных двигателей представляет собой магнит с различным количеством пар полюсов.

На Рис 1. показаны возможные конструкции статорных обмоток. Обычно синусоидальной ЭДС соответствует «распределенная» намотка, а трапецеидальной «сосредоточенная».

Рис.1


Статорная обмотка двигателя с трапецеидальной ЭДС проще и технологичнее, за счёт этого цена такого двигателя несколько ниже.


Далее остановимся более подробно на двигателе с трапецеидальной ЭДС (СДПМт)

Двигатель с одной парой полюсов будет выглядеть в разрезе так, как показано на Рис.2.

Рис.2


На статоре СДПМт намотаны три обмотки (А, В, С), сдвинутые в пространстве на 120º. Каждая обмотка состоит из двух секций, включённых встречно. Таким образом, при протекании тока в обмотке она создаёт внутри двигателя два полюса (положительный и отрицательный), к которым и притягивается магнитный ротор. Поочередное изменение токов в обмотках переключает полюса обмоток и заставляет ротор двигаться вслед за полем. На этом и основан принцип работы двигателя.

Уравнения равновесия статорных обмоток двигателя
Уравнения равновесия статорных обмоток двигателя при его включении в «звезду» в неподвижных фазных координатах АВС имеют вид (1).

(1)

Здесь:

— фазные напряжения

— потокосцепления фазных обмоток

— токи фаз

— активное сопротивление фазной обмотки.


Поток в обмотке каждой фазы формируется из следующих составляющих:

  • поток, наводимый собственным током фазы
  • поток, наводимый магнитными полями других фазных обмоток
  • поток, наводимый в обмотке магнитами ротора.

Проиллюстрируем это системой (2):

(2)


Где:

— индуктивность фазных обмоток

— взаимные индуктивности обмоток

— потокосцепления, наводимые в обмотках магнитом ротора.

В общем случае все индуктивности системы (2) могут являться переменными функциями угла поворота поля .

В частном случае для неявнополюсного двигателя (при цилиндрическом роторе) индуктивности и взаимные индуктивности обмоток не зависят от угла.

Обозначив

— индуктивность фазной обмотки,

— взаимная индуктивность двух фазных обмоток,

и подставив выражения (2) в систему (1), получим выражение (3):

 (3)

Заметив, что производные по времени от потокосцеплений магнитов ротора


есть не что иное, как наводимая магнитами ротора в этих обмотках ЭДС, систему (3) можно переписать в виде (4).

 (4)


Теперь введем понятие единичной функции формы ЭДС.

Единичная функция формы ЭДС — это функция от угла поля (), имеющая единичную амплитуду и повторяющая по форме ЭДС. Для фаз А, В, С обозначим эти функции: 

Используя единичные функции формы, мгновенные ЭДС в фазах можно
представить выражением (5):
 (5)


Где:
 — амплитуда потокосцепления ротора и фазной обмотки
 — скорость вращения поля
 — скорость вращения ротора
 — число пар полюсов двигателя.


Зависимости единичных функций формы ЭДС обмоток СДПМт от угла
поворота поля представлены На Рис.3.

Рис. 3

Вывод формулы для расчёта электромагнитного момента СДПМт

Момент, создаваемый двигателем, является суммой моментов, создаваемых его обмотками.

Посмотрим на уравнение равновесия обмотки фазы А из системы (4).

Умножив обе его части на ток обмотки, получим уравнение для мгновенной электрической мощности обмотки:


Рассмотрим составляющие этой мощности:


 — реактивная мощность обмотки
 — активная мощность, рассеивающаяся в обмотке
 — мощность, создающая электромагнитный момент.


Если пренебречь потерями при переходе электрической мощности в механическую, то можно записать:

,

или:

 (6)

Где:

 — электромагнитный момент двигателя

 — угловая скорость вращения ротора.

Подставив в формулу (6) значения ЭДС из соотношений (5), получим формулу вычисления электромагнитного момента ротора (7).

 (7)

Коммутация обмоток СДПМт

В соответствии с формулой (7) момент СДПМт пропорционален сумме произведений фазных токов на функции формы соответствующих ЭДС.

Максимальное значение ЭДС обмотки соответствует плоским участкам трапеции ЭДС. Если бы нам удалось на этих участках угловой траектории сформировать в обмотках токи некоторой постоянной амплитуды, например, совпадающие по знаку со знаком ЭДС, то это позволило бы сформировать при этих токах максимальный постоянный положительный момент.

Для примера рассмотрим на Рис.3 участок угловой траектории от /6 до /2. На этом участке ЭДС в фазе А имеет максимально отрицательное значение, а в фазе В максимально положительное. Следовательно, для получения положительного момента на этом участке угловой траектории надо обеспечить в фазе А отрицательное, а в фазе В положительное значение тока. Для этого фазу А можно подключить на отрицательный, а фазу В на положительный полюса внешнего источника постоянного напряжения (Udc). При этом фаза С не используется (отключена от источника Udc).

Величина тока, протекающего через обмотки, будет в свою очередь определяться прикладываемым к обмоткам напряжением, величиной ЭДС и параметрами обмоток.

Если рассуждать таким образом, то можно составить таблицу коммутаций обмоток, обеспечивающих в зависимости от положения ротора момент нужного знака (Табл. 1).

Табл.1 Алгоритм коммутации

Обмотки трёхфазного двигателя можно коммутировать на внешний источник напряжения с помощью трехфазного мостового инвертора. Для этого состояние инвертора надо поставить в зависимость от положения ротора. Обычно это делается с помощью датчика положения ротора (ДПР). Этот датчик имеет три канала. Каждый канал выдает за один оборот двигателя импульс, соответствующий половине периода вращения, при этом импульсы в каналах сдвинуты на 120º.

Логическая обработка сигналов ДПР позволяет определить в каком из шести секторов в данный момент находится ротор.

Работа ДПР поясняется Табл. 2.


Возможная структура системы управления моментом СДПМт

Алгоритм, описанный в Табл.1, предполагает протекание одного и того же тока в двух фазах двигателя при единичном значении функции формы ЭДС в обмотках фаз. Поэтому выражение (7) можно переписать в виде (8).

(8)


Где:

— значение тока в фазах

 

То есть значение момента пропорционально величине тока в обмотках двигателя.

Вытекающая из формулы (8) структура системы управления моментом в приводе с СДПМт изображена на Рис.4.

 

 

Рис. 4

 

Данная структура позволяет получить нужный момент, формируя в обмотках двигателя ток необходимой амплитуды, при сохранении алгоритма коммутации (Табл.1).

Эта задача решается с помощью создания на базе трёхфазного мостового инвертора контура тока с ШИМ.

Регулятор тока (ПИ-рег.) формирует сигнал задания напряжения обмоток (U), которое затем реализуется инвертором с ШИМ в соответствии с алгоритмом коммутации (Табл.1).

В качестве сигнала обратной связи в контуре можно использовать  трёхфазно-выпрямленные сигналы датчиков тока фаз или сигнал датчика тока в звене постоянного тока инвертора ().

На основе рассмотренного канала управления моментом можно строить внешние контуры управления скоростью и положением.

Однако
Если бы токи в обмотках спадали до нуля и нарастали до нужного уровня  мгновенно, то  момент двигателя, определяемый их величиной, в установившемся режиме был бы постоянным. В действительности же реальные переходные процессы при коммутации обмоток приводят  к пульсациям момента. В зависимости от параметров обмоток, а также соотношения величин текущей ЭДС и напряжения звена постоянного тока эти пульсации могут быть различны по длительности, амплитуде и знаку.

Кроме этих коммутационных пульсаций в рассматриваемой системе также будут иметь место пульсации момента на частоте ШИМ.

Ниже приведен пример работы модели системы регулирования скорости. Данная модель построена в среде SimInTehc на элементах специализированного тулбокса «Электропривод». Среда позволяет получить максимальное приближение моделируемых процессов к реальности с учетом эффектов временной и уровневой дискретизации.

Часть модели, а именно — модель цифровой системы управления скоростью приведена ниже, на Рис.5. Регулятор скорости системы (Рег.W) выдаёт сигнал момента, который отрабатывается структурой построенной в соответствии с Рис.4.

Рис. 5

 

Для управления был выбран двигатель со следующими параметрами:

Rs=2.875 Ом — сопротивление обмотки фазы

Ls=8.5e-3 Гн – индуктивность фазы

F=0.175 Вб – потокосцепление ротора

Zp=4 —  число пар полюсов

Jr=0. 06 кг∙м2 — момент инерции ротора

Напряжение в звене постоянного тока привода было принято равным 100В.

В контуре тока электропривода использовалась ШИМ с частотой 5кГц.

В процессе регулирования  происходило ступенчатое увеличение частоты при постоянном моменте сопротивления на валу двигателя (10 Нм).

Графики, полученные в процессе работы модели, приведены на Рис.6.

Рис.6

На графике момента видны существенные пульсации.

Отметим, что в основном они связаны именно с переходными процессами при коммутации обмоток и имеют соответственно частоту ушестерённую по отношению к заданной.

Пульсации, связанные с ШИМ, в данном случае, невелики.

Заметим, что коммутационные пульсации существенно возрастают при увеличении момента, что связано с увеличением тока.

Несколько спасает то, что их влияние  на скорость снижает инерция.

А можно ли векторно управлять СДПМт?
Если очень хочется — то можно. Однако и здесь не без особенностей.

Математика и структура стандартной векторной системы управления исходит из синусоидальности поля в зазоре. При трапецеидальной ЭДС это условие нарушается, правда не очень сильно (трапеция это же почти синус).

 А результатом  этого «почти» будут опять же пульсации момента.

Вид модели цифровой системы векторного управления скоростью в среде SimInTech показан на Рис.7.

 

Рис.7

 

Ниже на Рис.8 показан график работы модели уже рассмотренного ранее СДПМт работающего в рассмотренном ранее  режиме, но под управлением векторной системы.

В графике момента мы опять наблюдаем пульсации (хотя по сравнению с предыдущим вариантом они несколько уменьшились).

Причины пульсации при векторном управлении и управлении по ДПР различны, но их частота та же – ушестерённая по отношению к заданной.

Заметим, что вследствие несинусоидальности ЭДС токи в обмотках двигателя также будут принципиально несинусоидальными (это действительно так, хотя в масштабе графика на Рис.8 и не слишком заметно).

 

Рис.8


А можно ли с помощью коммутации обмоток по ДПР управлять двигателем с синусоидальной ЭДС?


С точки зрения автора можно – но не нужно.


 

Наряду с коммутационными пульсациями момента синусоидальность ЭДС (отсутствие плоской вершины трапеции) в данном случае неминуемо вызовет ещё и дополнительные пульсации, снижающие качество регулирования даже по сравнению с управляемым по ДПР двигателем СДПМт.

А при векторном управлении двигателем с синусоидальной ЭДС пульсаций момента не будет.


Для подтверждения этого тезиса ниже (Рис.9) приведены графики работы модели двигателя с рассмотренными ранее параметрами, но с синусоидальной ЭДС и векторной системой управления скоростью.

Видно, что пульсации момента в этом случае практически отсутствуют. При правильной настройке регуляторов системы они связаны только с ШИМ-преобразованием и для данного случая почти не видны.

 

Рис.9

Итоги

Для синхронников с страпецеидальной ЭДС — коммутация по ДПР.

Так же возможно использование и более сложного векторного алгоритма регулирования, что может дать снижение уровня пульсации момента.

Для синхронников с синусоидальной ЭДС лучший вариант это векторное регулирование.

Это сочетание идеально для построения точного электропривода (что собственно и так было понятно).

 

 

Ю.Н. Калачёв

 

 

Список литературы

 

[1]   А. С. Пушкин «Полтава».

Синхронный электродвигатель

Синхронный электродвигатель характеризуется тем, что в нем имеется постоянная частота вращения, поэтому он используется, прежде всего, на тех предприятиях, где нет необходимости в постоянном контроле частоте или частота должна сохраняться постоянной в процессе любых работ. Кроме этого, синхронные электродвигатели обладают достаточно большой мощностью, примерно в 50-100 кВт, поэтому часто применяются на различных металлургических заводах, в шахтах и на других предприятиях, где нужно привести в действие и наладить качественную работу насосов и компрессоров.

Устройство электродвигателя

Главным преимуществом любого синхронного двигателя считается возможность его работы с опережающим током статора, что приводит к тому, что прибор помогает улучшить показатели коэффициента мощности предприятия.

  • Любой синхронный электродвигатель состоит из неподвижного статора, а также вращающегося с определенной периодичностью ротора.
  • В пазах статора размещается обмотка переменного тока, которая питается от сети, а в роторе двигателя расположена обмотка постоянного тока.
  • Основными элементами прибора являются: корпус, сердечник статора, обмотка, ротор, вентилятор, выводы обмотки статора, контактные кольца, возбудитель, а также щетки. 
  • Чаще всего ротор любых синхронных двигателей изготовлен с явно выраженными и неявно выраженными полюсами.

Принцип работы синхронных двигателей

Работа данного типа двигателей характеризуется, в первую очередь, вращением ротора только с определенной синхронной частотой. В таком моторе крутящий момент на валу образуется вследствие взаимодействия вращающегося магнитного поля с постоянным полем. Для пуска прибора на производствах и в быту используют генераторы, передающие постоянный ток, а также тиристорные выпрямители, которые обеспечивают надежность работы.

Синхронные электродвигатели, обладающие малой мощностью, иногда возбуждают с помощью постоянных магнитов или реактивным током статора. Приобрести синхронные электродвигатели Вы можете в нашей компании. Если у Вас возникли сложности, проконсультируйтесь с нашими специалистами по тел. (495) 668 32 90.

Просмотров: 1573

Дата: Воскресенье, 19 Январь 2014

Особенности, устройство и принцип работы синхронного двигателя простым языком | ASUTPP

Электродвигатели прочно закрепились в качестве важнейших составляющих большинства приборов, ежедневно используемых человеком. Одним из видов электрических машин для вращения рабочего органа является синхронный электродвигатель. Особенности устройства и принцип работы синхронного двигателя, мы рассмотрим далее.

Устройство

Устройство синхронного электродвигателя

Устройство синхронного электродвигателя

Конструктивно любой синхронный агрегат представляет собой статор и ротор, объединенные в одном корпусе. Статорная обмотка наматывается в пазы неподвижного магнитопровода, собранного из ферромагнитного материала. Конструкция ротора может включать в себя обмотку, смонтированную на железном каркасе, или постоянный магнит, установленный на валу. Задача и одного, и второго – создать магнитный поток, взаимодействующий с электромагнитным полем статора.

Принцип работы

На основании п.53 ГОСТ 27471-87 понятие синхронного двигателя подразумевает бесконтактную машину, работающую на переменном токе. У которой в установившемся режиме отношение частоты вращения ротора к частоте тока в обмотках якоря не зависит от величины нагрузки при номинальной работе.

Принцип действия синхронного электродвигателя

Принцип действия синхронного электродвигателя

С практической стороны это выглядит следующим образом:

  • на обмотки статора, также называемого якорем, подается трехфазное напряжение;
  • по мере нарастания амплитуды синусоиды в одной фазе, будет пропорционально увеличиваться ток и электромагнитное поле, создаваемое вокруг обмотки;
  • в виду того, что синусоида нарастает во всех трех фазах двигателя поочередно, пик максимального электромагнитного поля будет смещаться от одной обмотки к другой по часовой стрелке;
  • магнитное поле ротора (индуктора) поочередно притягивается собственными полюсами к противоположному по знаку вектору поля статора.

В результате такого взаимодействия возникает поступательное вращение вала синхронного двигателя вокруг своей оси. Так как в индукторе постоянно присутствуют сформированные независимым источником силовые линии, частота его вращения полностью соответствует частоте напряжения, подаваемого в обмотки якоря. Возникает синхронизм в двигателе.

Типы синхронных двигателей

В целом синхронные двигатели подразделяются на несколько категорий, в зависимости от их конструктивных особенностей.

Так, для получения потока возбуждения используют:

  • обмотку на роторе – для обеспечения электромагнитного взаимодействия на обмотку подается питание от стороннего источника;
  • магнитный ротор – вспомогательное магнитное поле ротора создается постоянными магнитами, установленными на нем;
  • реактивный ротор – форма магнитопровода индуктора выполнена таким образом, что силовые линии якоря преломляются до получения синхронного вращения.

В зависимости от конструкции ротора, выделяют явнополюсный и неявнополюсный синхронный двигатель.

Явнополюсный и неявнополюсный ротор

Явнополюсный и неявнополюсный ротор

По режиму работы могут использоваться в качестве электродвигателя, генератора или синхронного компенсатора.

Режимы работы

На практике, каждая электрическая машина может применяться в различных режимах работы:

  • Режим двигателя – агрегат функционирует по принципу преобразования электрической энергии в механическую. Напряжение подается на выводы якоря и преобразуется во вращательное усилие на роторе.
  • Генераторный режим – в этом случае вал двигателя вращается за счет турбины или другого объекта, а с выводов якоря снимается сгенерированное напряжение.
  • Синхронный компенсатор – электродвигатель включается в распределительную сеть на холостом ходу. При этом повышается коэффициент мощности системы за счет потребления реактивной мощности.

P.S. Больше других деталей о синхронном двигателе, а также о том чем он отличается от асинхронного двигателя смотрите в видео:

Бесколлекторный двигатель постоянного тока: особенности и принцип работы

Как работает бесколлекторный двигатель?

Бесколлекторный двигатель постоянного тока имеет на статоре трёхфазную обмотку, и постоянный магнит на роторе. Вращающееся магнитное поле создаётся обмоткой статора, при взаимодействии с которым магнитный ротор приходит в движение. Для создания вращающегося магнитного поля на обмотку статора подаётся система трёхфазных напряжений, которая может иметь различную форму и формируется различными способами. Формирование питающих напряжений (коммутация обмоток) для бесколлекторного двигателя постоянного тока производиться специализированными блоками электроники – контроллером двигателя. 

Заказать бесколлекторный двигатель в нашем каталоге

В простейшем случае обмотки попарно подключаются к источнику постоянного напряжения и по мере того как ротор поворачивается в направлении вектора магнитного поля обмотки статора производится подключение напряжения к другой паре обмоток. Вектор магнитного поля статора при этом занимает другое положение и вращение ротора продолжается. Для определения нужного момента подключения следующих обмоток используется датчик положения ротора, чаще других используются датчики Холла. 


Возможные варианты и специальные случаи

Выпускаемые сейчас бесколлекторные двигатели могут иметь самую разную конструкцию. 

По исполнению статорной обмотки можно выделить двигатели с классической обмоткой, намотанной на стальной сердечник, и двигатели с полой цилиндрической обмоткой без стального сердечника. Классическая обмотка обладает значительно большей индуктивностью, чем полая цилиндрическая обмотка, и соответственно большей постоянной времени. Из-за этого с одной стороны, полая цилиндрическая обмотка допускает более динамичное изменение тока (а, следовательно, и момента), с другой стороны при работе от контроллера двигателя, использующего ШИМ-модуляцию невысокой частоты для сглаживания пульсаций тока, требуются фильтрующие дроссели большего  номинала (а соответственно и большего размера). Кроме того, классическая обмотка, как правило, имеет заметно больший момент магнитной фиксации, а также меньший КПД, чем полая цилиндрическая обмотка.


Ещё одно отличие, по которому разделяются различные модели двигателей – это взаимное расположение ротора и статора – существуют  двигатели с внутренним ротором и двигатели с внешним ротором. Двигатели с внутренним ротором, как правило, имеют более высокие скорости и меньший момент инерции ротора, чем модели с внешним ротором. Благодаря этому двигатели с внутренним ротором имеют более высокую динамику. Двигатели с внешним ротором часто имеют несколько больший номинальный момент при том же наружном диаметре двигателя. 

Отличия от других типов двигателей

Отличия от коллекторных ДПТ. Размещение обмотки на роторе позволило отказаться от щёток и коллектора и избавиться тем самым от подвижного электрического контакта, который значительно снижает надёжность ДПТ с постоянными магнитами. По этой же причине  скорость у бесколлекторных двигателей, как правило, значительно выше, чем у ДПТ с постоянными магнитами. С одной стороны это позволяет увеличить удельную мощность бесколлекторного двигателя, с другой стороны не для всех применений такая высокая скорость является действительно необходимой

Отличия от синхронных двигателей с постоянными магнитами. Синхронные двигатели с постоянными магнитами на роторе очень похожи на бесколлекторные ДПТ по конструкции, однако есть и ряд различий. Во-первых термин синхронный двигатель объединяет в себе много различных видов двигателей, часть из которых предназначены для непосредственной работы от стандартной сети переменного тока, другая часть (например синхронные серводвигатели) может работать только от преобразователей частоты (контроллеров двигателей). Бесколлекторные двигатели, хотя и имеют на статоре трёхфазную обмотку, не допускают непосредственную работу от сетевого напряжения, и обязательно требуют наличия соответствующего контроллера. Кроме того синхронные двигатели предполагают питание напряжением синусоидальной формы в то время как бесколлекторные двигатели допускают питание переменным напряжением ступенчатой формы (блочная коммутация) и даже предполагают его использование в номинальных режимах работы.

Когда нужен бесколлекторный двигатель?

Ответ на этот вопрос достаточно прост – в тех случаях, когда он имеет преимущество перед остальными типами двигателей. Так, например, практически невозможно обойтись без бесколлекторного двигателя в применениях, где требуются большие скорости вращения: свыше 10000 об/мин. Оправдано применение бесколлекторных двигателей также и в тех случаях, когда требуется высокий срок службы двигателя. В тех случаях, когда требуется применять сборку из двигателя с редуктором, однозначно оправдано применение низкоскоростных бесколлекторных двигателей (с большим числом полюсов). Высокоскоростные бесколлекторные двигатели в этом случае будут иметь скорость выше, чем предельно допустимая скорость редуктора, и по этой причине не будет возможности использовать их мощность полностью. Для  применений, где требуется максимально простое управление двигателем (без использования контроллера двигателя) естественным выбором будет коллекторный ДПТ. 

С другой стороны, в условиях повышенной температуры или повышенной радиации проявляется слабое место бесколлекторных двигателей – датчики Холла. Стандартные модели датчиков Холла имеют ограниченную стойкость к радиации и диапазон рабочих температур. Если в подобном применении всё же имеется необходимость использовать бесколлекторный двигатель, то неизбежными становятся заказные исполнения с заменой датчиков Холла на более стойкие к указанным факторам, что увеличивает цену двигателя и сроки поставки.

Принцип работы, типы и применение

В электрических системах, которые мы используем в промышленности, на электростанциях или в быту, двигатели и генераторы стали обычным явлением. В связи со спросом на высокоэффективные и менее энергопотребляющие системы наблюдается изобретение новых моделей этих электрических устройств. Основным расчетным фактором надежной работы двигателей и генераторов является коэффициент мощности . Это отношение приложенной мощности к требуемой мощности.Обычно общее количество электроэнергии, потребляемой предприятиями и предприятиями, рассчитывается на основе коэффициента мощности. Таким образом, коэффициент мощности всегда следует поддерживать равным единице. Но из-за роста реактивной мощности в этих устройствах коэффициент мощности уменьшается. Чтобы поддерживать коэффициент мощности равным единице, вводятся многие методы. Концепция синхронного двигателя — одна из них.


Что такое синхронный двигатель?

Определение синхронного двигателя гласит: «Двигатель переменного тока, в котором в установившемся режиме вращение вала синхронизируется с частотой приложенного тока».Синхронный двигатель работает как двигатель переменного тока, но здесь общее количество оборотов, совершаемых валом, равно целому кратному частоте приложенного тока.

Синхронный двигатель

Синхронный двигатель не использует индукционный ток для работы. В этих двигателях, в отличие от асинхронных двигателей, на stato r присутствуют многофазные электромагниты переменного тока, которые создают вращающееся магнитное поле. Здесь ротор представляет собой постоянный магнит, который синхронизируется с вращающимся магнитным полем и вращается синхронно с частотой приложенного к нему тока.


Конструкция синхронного двигателя

Статор и ротор являются основными компонентами синхронного двигателя. Здесь на корпусе статора имеется оберточная пластина, к которой прикреплены шпонки и периферийные ребра. Опоры, рамы используются для поддержки машины. Для возбуждения обмоток возбуждения постоянным током используются контактные кольца и щетки.

Цилиндрические и круглые роторы используются для 6 полюсов. Роторы с явнополюсными роторами используются, когда требуется большее количество полюсов. Конструкция синхронного двигателя и синхронного генератора аналогична.

Принцип работы синхронного двигателя

Работа синхронных двигателей зависит от взаимодействия магнитного поля статора с магнитным полем ротора. Статор содержит 3-х фазные обмотки и питается 3-х фазным питанием. Таким образом, обмотка статора создает трехфазное вращающееся магнитное поле. На ротор подается постоянный ток.

Ротор входит во вращающееся магнитное поле, создаваемое обмоткой статора, и вращается синхронно. Теперь скорость двигателя зависит от частоты подаваемого тока.

Скорость синхронного двигателя регулируется частотой приложенного тока. Скорость синхронного двигателя можно рассчитать как

Ns = 60f / P = 120f / p

где f = частота переменного тока (Гц)
p = общее количество полюсов на фазу
P = общее количество пар полюсов на фазу.

Если приложена нагрузка, превышающая пробивную нагрузку, двигатель десинхронизируется. Трехфазная обмотка статора дает преимущество определения направления вращения.В случае однофазной обмотки невозможно определить направление вращения, и двигатель может запускаться в любом из направлений. Для управления направлением вращения в этих синхронных двигателях необходимы пусковые устройства.

Способы пуска синхронного двигателя

Момент инерции ротора останавливает крупногабаритные синхронные двигатели от самозапуска. Из-за этой инерции ротора невозможно синхронизировать ротор с магнитным полем статора в момент подачи питания.Поэтому требуется некоторый дополнительный механизм, чтобы помочь ротору синхронизироваться.

В большие двигатели входят индукционные обмотки, которые создают достаточный крутящий момент, необходимый для ускорения. Для очень больших моторов для разгона ненагруженной машины используется пони-мотор. Изменяя частоту тока статора, двигатели с электронным управлением могут ускоряться даже с нулевой скорости.

Для очень маленьких двигателей, когда момент инерции ротора и механическая нагрузка желательно малы, они могут запускаться без каких-либо методов запуска.

Типы синхронных двигателей

В зависимости от метода намагничивания ротора существует два типа синхронных двигателей —

  • без возбуждения.
  • Постоянный ток Возбужден.

Двигатель без возбуждения

В этих двигателях ротор намагничивается внешним полем статора. Ротор содержит постоянное магнитное поле. Для изготовления ротора используется сталь с высокой удерживающей способностью, такая как кобальтовая сталь. Они классифицируются как двигатели с постоянным магнитом, реактивные и гистерезисные.

  • В синхронных двигателях с постоянными магнитами постоянный магнит используется вместе со сталью для конструкции ротора. У них постоянное магнитное поле в роторе, поэтому индукционную обмотку нельзя использовать для запуска. Применяются в качестве безредукторных двигателей лифтов.
Синхронный двигатель с постоянным магнитом
  • Ротор реактивного двигателя выполнен из стального литья с выступающими полюсами. Чтобы минимизировать пульсации крутящего момента, полюса ротора меньше полюсов статора. Содержит обмотку с короткозамкнутым ротором для обеспечения пускового момента ротора.Используется в измерительных приборах.
  • Двигатели с гистерезисом — это самозапускающиеся двигатели. Здесь ротор представляет собой гладкий цилиндр, изготовленный из магнитотвердой кобальтовой стали с высокой коэрцитивной силой. Эти двигатели дороги и используются там, где требуется точная постоянная скорость. Обычно используется в качестве серводвигателей.

Двигатель с возбуждением постоянным током

Здесь ротор возбуждается постоянным током, подаваемым непосредственно через контактные кольца. Также используются индукция переменного тока и выпрямители. Обычно они бывают больших размеров, например, больше 1 лошадиных сил и т. Д.

Двигатель с возбуждением постоянным током

Применения синхронных двигателей

Обычно синхронные двигатели используются там, где требуется точная и постоянная скорость. Эти двигатели с низким энергопотреблением включают в себя позиционирующие машины. Они также применяются в приводах роботов. В шаровых мельницах, часах, проигрывателях пластинок также используются синхронные двигатели. Кроме того, эти двигатели также используются в качестве серводвигателей и синхронизаторов.

Эти двигатели доступны в диапазоне от дробных подковообразных до мощных промышленных размеров.Хотя эти двигатели используются в промышленных масштабах большой мощности, они выполняют две важные функции. Один является эффективным средством преобразования энергии переменного тока в механическую энергию, а другой — коррекцией коэффициента мощности. С каким применением серводвигателя вы сталкивались?

Электродвигатель | Британника

Самый простой тип асинхронного двигателя показан на рисунке в разрезе. Трехфазный набор обмоток статора вставлен в пазы в железе статора. Эти обмотки могут быть подключены по схеме «звезда», обычно без внешнего подключения к нейтральной точке, или по схеме «треугольник».Ротор состоит из цилиндрического стального сердечника с проводниками, размещенными в пазах по всей поверхности. В наиболее обычной форме эти проводники ротора соединены вместе на каждом конце ротора токопроводящим концевым кольцом.

Поперечное сечение трехфазного асинхронного двигателя.

Британская энциклопедия, Inc.

Принцип работы асинхронного двигателя может быть разработан, сначала предположив, что обмотки статора подключены к трехфазному источнику питания и что набор из трех синусоидальных токов, показанных на рисунке, протекает в обмотках статора.На этом рисунке показано влияние этих токов на создание магнитного поля через воздушный зазор машины в течение шести мгновений цикла. Для простоты показана только центральная токопроводящая петля для каждой фазной обмотки. В момент t 1 на рисунке, ток в фазе a является максимально положительным, тогда как ток в фазах b и c составляет половину отрицательного значения. Результатом является магнитное поле с приблизительно синусоидальным распределением вокруг воздушного зазора с максимальным значением наружу вверху и максимальным значением внутрь внизу.В момент времени t 2 на рисунке (т.е. одна шестая цикла позже), ток в фазе c является максимально отрицательным, в то время как в фазе b и фазе a составляет половину значения. положительный. Результатом, как показано на рисунке для t 2 , снова является синусоидально распределенное магнитное поле, но повернутое на 60 ° против часовой стрелки. Исследование распределения тока для t 3 , t 4 , t 5 и t 6 показывает, что магнитное поле продолжает вращаться с течением времени.Поле совершает один оборот за один цикл токов статора. Таким образом, объединенный эффект трех равных синусоидальных токов, равномерно смещенных во времени и протекающих в трех обмотках статора, равномерно смещенных в угловом положении, должен создать вращающееся магнитное поле с постоянной величиной и механической угловой скоростью, которая зависит от частоты электроснабжение.

Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

Вращательное движение магнитного поля относительно проводников ротора вызывает индуцирование в каждом из них напряжения, пропорционального величине и скорости поля относительно проводников.Поскольку проводники ротора закорочены друг с другом на каждом конце, в этих проводниках будут протекать токи. В простейшем режиме работы эти токи будут примерно равны индуцированному напряжению, деленному на сопротивление проводника. Картина токов ротора за момент времени t 1 рисунка показана на этом рисунке. Видно, что токи приблизительно синусоидально распределены по периферии ротора и расположены так, чтобы создавать вращающий момент против часовой стрелки на роторе (т.е.е. крутящий момент в том же направлении, что и вращение поля). Этот крутящий момент ускоряет ротор и вращает механическую нагрузку. По мере увеличения скорости вращения ротора его скорость относительно скорости вращающегося поля уменьшается. Таким образом, индуцированное напряжение уменьшается, что приводит к пропорциональному снижению тока в проводнике ротора и крутящего момента. Скорость ротора достигает постоянного значения, когда крутящий момент, создаваемый токами ротора, равен крутящему моменту, необходимому на этой скорости для нагрузки, без избыточного крутящего момента, доступного для ускорения объединенной инерции нагрузки и двигателя.

Вращающееся поле и токи, которые оно создает в короткозамкнутых проводниках ротора.

Британская энциклопедия, Inc.

Механическая выходная мощность должна обеспечиваться входной электрической мощностью. Первоначальных токов статора, показанных на рисунке, достаточно для создания вращающегося магнитного поля. Чтобы поддерживать это вращающееся поле в присутствии токов ротора, показанных на рисунке, необходимо, чтобы обмотки статора несли дополнительную составляющую синусоидального тока такой величины и фазы, чтобы нейтрализовать влияние магнитного поля, которое в противном случае могло бы возникнуть. токами ротора на рисунке.Полный ток статора в каждой фазной обмотке складывается из синусоидальной составляющей, создающей магнитное поле, и другой синусоиды, опережающей первую на четверть цикла, или 90 °, для обеспечения необходимой электрической мощности. Вторая, или силовая, составляющая тока находится в фазе с напряжением, приложенным к статору, в то время как первая, или намагничивающая, составляющая отстает от приложенного напряжения на четверть цикла или 90 °. При номинальной нагрузке эта намагничивающая составляющая обычно находится в диапазоне 0.От 4 до 0,6 величины силовой составляющей.

Большинство трехфазных асинхронных двигателей работают с обмотками статора, подключенными непосредственно к трехфазному источнику питания постоянного напряжения и постоянной частоты. Типичные напряжения питания находятся в диапазоне от 230 вольт между фазами для двигателей относительно небольшой мощности (например, от 0,5 до 50 киловатт) до примерно 15 киловольт между фазами для двигателей большой мощности до примерно 10 мегаватт.

За исключением небольшого падения напряжения на сопротивлении обмотки статора, напряжение питания согласуется со скоростью изменения магнитного потока в статоре машины во времени.Таким образом, при питании с постоянной частотой и постоянным напряжением величина вращающегося магнитного поля остается постоянной, а крутящий момент примерно пропорционален силовой составляющей тока питания.

В асинхронном двигателе, показанном на предыдущих рисунках, магнитное поле вращается на один оборот за каждый цикл частоты питания. Для источника с частотой 60 Гц скорость поля составляет 60 оборотов в секунду или 3600 оборотов в минуту. Скорость ротора меньше скорости поля на величину, достаточную для того, чтобы индуцировать необходимое напряжение в проводниках ротора для создания тока ротора, необходимого для момента нагрузки.При полной нагрузке скорость обычно на 0,5–5 процентов ниже полевой скорости (часто называемой синхронной скоростью), причем более высокий процент применяется к двигателям меньшего размера. Эта разница в скорости часто называется скольжением.

Другие синхронные скорости могут быть получены с источником постоянной частоты путем создания машины с большим количеством пар магнитных полюсов, в отличие от двухполюсной конструкции, показанной на рисунке. Возможные значения скорости магнитного поля в оборотах в минуту: 120 f / p , где f — частота в герцах (циклов в секунду), а p — количество полюсов (которые должны быть четное число).Данный железный каркас может быть намотан для любого из нескольких возможных количеств пар полюсов с помощью катушек, охватывающих угол приблизительно (360/ p ) °. Крутящий момент, передаваемый от рамы машины, останется неизменным, поскольку он пропорционален произведению магнитного поля и допустимого тока катушки. Таким образом, номинальная мощность рамы, являющаяся произведением крутящего момента и скорости, будет примерно обратно пропорциональна количеству пар полюсов. Наиболее распространенные синхронные скорости для двигателей с частотой 60 Гц — 1800 и 1200 оборотов в минуту.

Принцип работы синхронного двигателя

Статор и ротор являются двумя основными частями синхронного двигателя. Статор — это неподвижная часть двигателя, а ротор — их вращающаяся часть. Статор возбуждается трехфазным источником питания, а ротор возбуждается источником постоянного тока.

Термин «возбуждение» означает индукцию магнитного поля в статоре и роторе двигателя. Основная цель возбуждения — преобразовать статор и ротор в электромагнит.

Трехфазное питание индуцирует северный и южный полюса статора. Трехфазное питание синусоидальное. Полярность (положительная и отрицательная) их волны меняется после каждого полупериода, и по этой причине северный и южный полюсы также меняются. Таким образом, можно сказать, что на статоре возникает вращающееся магнитное поле.

Магнитное поле возникает на роторе из-за источника постоянного тока. Полярность источника постоянного тока становится фиксированной , и, таким образом, на роторе возникает стационарное магнитное поле. Термин «стационарный» означает, что их северный и южный полюсы остаются неизменными.

Скорость вращения вращающегося магнитного поля известна как синхронная скорость . Синхронная скорость двигателя зависит от частоты источника питания и количества полюсов двигателя.

N S = 120f / P

Когда противоположные полюса статора и ротора обращены друг к другу, между ними возникает сила притяжения. Сила притяжения развивает крутящий момент против часовой стрелки.Крутящий момент — это сила, которая перемещает объект во вращение. Таким образом, полюса ротора тянулись к полюсам статора.

После каждого полупериода полюс статора меняется на противоположное. Положение ротора остается неизменным из-за инерции. Инерция — это тенденция объекта оставаться в одном положении.

Когда одинаковые полюса статора и ротора обращены друг к другу, между ними возникает сила отталкивания и крутящий момент развивается по часовой стрелке.

Давайте разберемся в этом с помощью схемы. Для простоты рассмотрим, что у двигателя два полюса. На рисунке ниже противоположные полюсы статора и ротора обращены друг к другу. Так между ними возникает сила притяжения.

После полупериода полюса статора меняются местами. Одинаковые полюса статора и ротора обращены друг к другу, и между ними возникает сила отталкивания.

Неоднонаправленный крутящий момент вызывает пульсацию ротора только в одном месте, и по этой причине синхронный двигатель не запускается автоматически.

Для запуска двигателя ротор вращается с помощью внешних средств. Таким образом, полярность ротора также изменилась вместе со статором. Полюса статора и ротора блокируют друг друга, и в двигателе возникает однонаправленный крутящий момент. Ротор начинает вращаться со скоростью вращающегося магнитного поля, или, можно сказать, с синхронной скоростью.

Скорость двигателя фиксированная, и двигатель постоянно вращается с синхронной скоростью.

Синхронный двигатель — производство и работа

Синхронный двигатель и асинхронный двигатель — наиболее широко используемые типы двигателей переменного тока.Конструкция синхронного двигателя аналогична генератору переменного тока. Та же самая синхронная машина может использоваться как синхронный двигатель или как генератор переменного тока. Синхронные двигатели доступны в широком диапазоне, обычно мощностью от 150 кВт до 15 МВт со скоростью от 150 до 1800 об / мин.

Конструкция синхронного двигателя

Конструкция синхронного двигателя (с явнополюсным ротором) показана на рисунке слева. Как и любой другой двигатель, он состоит из статора и ротора.Сердечник статора изготовлен из тонкой кремниевой пластинки и изолирован поверхностным покрытием, чтобы минимизировать потери на вихревые токи и гистерезис. Внутри статора имеются осевые пазы, в которых размещена трехфазная обмотка статора. Статор намотан трехфазной обмоткой на определенное количество полюсов, равное полюсам ротора.

Ротор синхронных двигателей в основном является явнополюсным. Питание постоянного тока на обмотку ротора подается через контактные кольца. Постоянный ток возбуждает обмотку ротора и создает электромагнитные полюса.В некоторых случаях также можно использовать постоянные магниты. На рисунке выше очень кратко показана конструкция синхронного двигателя .

Работа синхронного двигателя

Статор намотан на такое же количество полюсов, что и ротор, и питается от трехфазного источника переменного тока. Трехфазный источник питания переменного тока создает вращающееся магнитное поле в статоре. Обмотка ротора питается от источника постоянного тока, который намагничивает ротор. Рассмотрим двухполюсную синхронную машину , как показано на рисунке ниже.
  • Теперь полюса статора вращаются с синхронной скоростью (скажем, по часовой стрелке). Если положение ротора таково, что полюс N ротора находится рядом с полюсом N статора (как показано на первой схеме на рисунке выше), то полюса статора и ротора будут отталкиваться друг от друга, и создаваемый крутящий момент будет против часовой стрелки .
  • Полюса статора вращаются с синхронной скоростью, они вращаются очень быстро и меняют свое положение. Но очень скоро ротор не сможет вращаться на тот же угол (из-за инерции), и следующая позиция, вероятно, будет второй схемой на приведенном выше рисунке.В этом случае полюса статора будут притягивать полюса ротора, и создаваемый крутящий момент будет по часовой стрелке.
  • Следовательно, на ротор будет действовать быстро меняющийся крутящий момент, и двигатель не запустится.
Но если ротор вращается до синхронной скорости статора с помощью внешней силы (в направлении вращающегося поля статора), и поле ротора возбуждается около синхронной скорости, полюса статора будут продолжать притягиваться. противоположные полюса ротора (поскольку ротор теперь также вращается вместе с ним, и положение полюсов будет одинаковым на протяжении всего цикла).Теперь ротор будет испытывать однонаправленный крутящий момент. Противоположные полюса статора и ротора заблокируются друг с другом, и ротор будет вращаться с синхронной скоростью.

Характерные особенности синхронного двигателя

  • Синхронный двигатель будет работать либо с синхронной скоростью, либо не будет работать вообще.
  • Единственный способ изменить его скорость — это изменить его частоту питания. (Поскольку Ns = 120f / P)
  • Синхронные двигатели не запускаются автоматически. Им нужна некоторая внешняя сила, чтобы приблизить их к синхронной скорости.
  • Могут работать при любом коэффициенте мощности, как отстающем, так и опережающем. Следовательно, синхронные двигатели могут использоваться для улучшения коэффициента мощности.

Применение синхронного двигателя

  • Поскольку синхронный двигатель может работать как с опережающим, так и с запаздывающим коэффициентом мощности, его можно использовать для улучшения коэффициента мощности. Синхронный двигатель без нагрузки с опережающим коэффициентом мощности подключается к энергосистеме, в которой нельзя использовать статические конденсаторы.
  • Используется там, где требуется высокая мощность при низкой скорости.Такие как прокатные станы, измельчители, смесители, насосы, насосы, компрессоры и т. Д.

Принцип работы синхронного двигателя

  • Электродвигатель — это электромеханическое устройство, преобразующее электрическую энергию в механическую.
  • В зависимости от типа подключения электродвигатели обычно делятся на два типа: однофазный двигатель и трехфазный двигатель.
  • Синхронный двигатель — это трехфазный двигатель, очень похожий на трехфазный генератор переменного тока.
  • Трехфазный синхронный двигатель и трехфазный асинхронный двигатель являются наиболее широко используемыми двигателями переменного тока.
  • Синхронный двигатель также называют двигателем с двойным возбуждением.

Синхронный двигатель состоит из двух частей:

Статор : Статор является обмоткой якоря. Он состоит из трехфазной обмотки, соединенной звездой или треугольником, и возбуждается трехфазным питанием переменного тока.

Ротор: Ротор — обмотка возбуждения. Обмотка возбуждения возбуждается отдельным D.Подача C через контактное кольцо.
Конструкция ротора может быть явнополюсного (выступающий полюс) и невыпадающего полюса (цилиндрический полюс).

Принцип работы синхронного двигателя
  • Синхронный двигатель работает по принципу магнитной блокировки .
  • Когда два сильно различающихся полюса магнитов соединяются вместе, между этими двумя полюсами возникает огромная сила извлечения. В таком состоянии говорят, что два магнита магнитно заблокированы .

  • Если теперь повернуть один из двух магнитов, другие магниты также будут вращаться в том же направлении с той же скоростью из-за сильной силы притяжения.
  • Это явление называется магнитной блокировкой

Для условий магнитной блокировки должны быть два противоположных полюса, и магнитные оси этих двух полюсов должны быть очень близко друг к другу.

  • Рассмотрим синхронный двигатель, статор которого намотан на 2 полюса.
  • Обмотка статора возбуждается трехфазным питанием переменного тока, а обмотка ротора — постоянным током соответственно. Таким образом, в синхронном двигателе создаются два магнитных поля.
  • Когда трехфазная обмотка питается от трехфазного переменного тока, создается вращающееся магнитное поле или магнитный поток.
  • Это магнитное поле или магнитный поток вращается в пространстве со скоростью, называемой синхронной скоростью.
  • Вращающееся магнитное поле или вращающийся поток имеет фиксированное соотношение между числом полюсов и частотой a.c подачей и скоростью вращения.
  • Вращающееся магнитное поле создает эффект, подобный физическому вращению магнитов в пространстве с синхронной скоростью.
  • Итак, для вращающегося магнитного поля

    Где f = частота питания
    P = количество полюсов

Действие синхронного двигателя

  • Предположим, что полюса статора N 1 и S 1 , которые вращаются со скоростью Н, с , а направление вращения — по часовой стрелке.
  • Когда обмотка возбуждения на роторе возбуждается источником постоянного тока, возникают два неподвижных полюса, т.е. N 2 и S 2 .
  • Чтобы установить магнитную блокировку между полюсами статора и ротора, в отличие от полюсов N1 и S2 или N2 и S1 следует приблизить друг к другу.
  • Поскольку полюса статора вращаются и из-за магнитной блокировки полюса ротора будут вращаться в том же направлении вращающегося магнитного поля, что и полюса статора, с той же скоростью Н с .
  • Следовательно, синхронный двигатель вращается только с одной скоростью, которая равна , синхронная скорость .
  • Синхронная скорость зависит от частоты, поэтому при постоянной частоте питания скорость синхронного двигателя будет постоянной независимо от изменения нагрузки.

Характеристики синхронного двигателя
  • Он работает либо с синхронной скоростью, либо не работает совсем. То есть при беге поддерживает постоянную скорость. Скорость не зависит от нагрузки.
  • Он не запускается автоматически. Он должен каким-то образом работать с синхронной скоростью, прежде чем его можно будет синхронизировать с питанием.
  • Может работать в широком диапазоне коэффициентов мощности как с отставанием, так и с опережением.
  • Он остановится, если во время работы противодействующий крутящий момент превысит максимальный крутящий момент, который может развить машина.
  • Скорость синхронного двигателя может регулироваться инверторными блоками.

Применение синхронного двигателя.

Синхронный двигатель находит различное применение для следующих услуг:

  • Коррекция коэффициента мощности
  • Регулировка напряжения
  • Постоянная скорость, Приводы постоянной нагрузки

Коррекция коэффициента мощности
  • Синхронный двигатель с избыточным возбуждением, имеющий ведущий коэффициент мощности, являются широко используется для повышения коэффициента мощности в тех энергосистемах, в которых используется большое количество асинхронных двигателей.
  • Синхронный двигатель с пониженным коэффициентом мощности с пониженным коэффициентом мощности, находящийся под возбуждением, нашел применение при сварке люминесцентным светом и т.

Регулирование напряжения
  • Напряжение на длинных линиях передачи сильно меняется при наличии большой индуктивной нагрузки.
  • Когда линейное напряжение уменьшается из-за индуктивной нагрузки, возбуждение двигателя увеличивается, тем самым повышая его коэффициент мощности, который компенсирует падение напряжения в сети.
  • Если линейное напряжение повышается из-за емкостного эффекта линии, возбуждение двигателя уменьшается, в результате чего его коэффициент мощности отстает, что помогает поддерживать линейное напряжение на нормальном уровне.

Приложение постоянной скорости
  • Благодаря своему высокому КПД и высокоскоростному синхронному двигателю хорошо подходят для нагрузок, где требуется постоянная скорость, таких как центробежный насос, воздуходувки, линейный вал, бумажные фабрики и т. Д.

Принцип работы синхронного двигателя

— Inst Tools

Двигатель — это электромеханическое устройство, преобразующее электрическую энергию в механическую. а трехфазный двигатель, работающий с синхронной скоростью, называется синхронным двигателем.Синхронный двигатель в основном работает по принципу магнитной блокировки между ротором и RMF (вращающимся магнитным полем). Когда два противоположных полюса приближаются друг к другу, если магниты сильные, между этими двумя полюсами возникает огромная сила притяжения. В таком состоянии говорят, что два магнита магнитно заблокированы. Принцип работы синхронного двигателя
: —

Когда трехфазное напряжение прикладывается к электрическим проводникам в определенных геометрических положениях, которые специально расположены (под определенным углом друг от друга), создается вращающееся магнитное поле.этот RMF вращается с синхронной скоростью. Синхронная скорость вращающегося магнитного поля статора зависит от частоты питания и количества полюсов, на которые намотана обмотка статора. если частота переменного тока питание f Гц и статор намотан на число полюсов P, тогда скорость вращающегося магнитного поля является синхронной, определяемой по формуле,

Ns = 120f / P об. / Мин.

Принцип работы синхронного двигателя

Как ротор вращается с синхронной скоростью?

Теперь, чтобы понять концепцию работы синхронного двигателя, рассмотрим двухполюсный простой ротор (показанный на рис.).Синхронный двигатель — это машина с двойным возбуждением, т.е. на него предусмотрены два электрических входа. Обмотка статора, которая состоит из 3-х фазной обмотки, снабжена 3-фазным питанием, а ротор питается постоянным током. Когда на ротор подается постоянный ток, он действует как электромагнит. Как мы знаем, вращающееся магнитное поле вращается с синхронной скоростью, когда два противоположных полюса ротора и заблокированного ротора RMF также вращается с той же скоростью, что и RMF в направлении вращающегося магнитного поля. Следовательно, синхронный двигатель вращается с одной и только одной скоростью i.е. синхронная скорость. Но все зависит от наличия магнитной блокировки между полюсами статора и ротора. На практике полюса статора не могут вывести полюса ротора из их стационарного положения в состояние магнитной блокировки. по этой причине синхронные двигатели не запускаются самостоятельно.

Способы запуска синхронного двигателя: —

1. Метод двигателя Пони:

Синхронные двигатели механически связаны с другим трехфазным асинхронным двигателем или параллельным двигателем постоянного тока.Возбуждение постоянного тока на ротор изначально не подается. Он вращается со скоростью, очень близкой к его синхронной скорости, и после этого на ротор подается постоянное возбуждение. Через некоторое время, когда произойдет магнитная блокировка, питание внешнего двигателя отключается от муфты.

2. метод демпферной обмотки:

При использовании демпферной обмотки синхронный двигатель сначала запускается как трехфазный асинхронный двигатель с использованием демпферной обмотки, и, наконец, он синхронизируется с RMF.
Применение синхронных двигателей

1.Он используется там, где требуется высокая мощность при постоянной скорости. Пример: прокатные станы, измельчители, смесители, насосы, насосы, компрессоры и т. Д.

2. Поскольку синхронный двигатель может работать как с опережающим, так и с запаздывающим коэффициентом мощности, его можно использовать для повышения коэффициента мощности. Синхронный двигатель без нагрузки с опережающим коэффициентом мощности подключается к энергосистеме, в которой нельзя использовать статические конденсаторы.

3.Синхронный двигатель находит применение там, где рабочая скорость меньше (около 500 об / мин) и требуется большая мощность.

Синхронные двигатели

: определение, принцип работы, типы и применение

Двигатели и генераторы — незаменимые части электрической системы, которые мы используем либо в таких отраслях, как электростанции, либо в быту. Потребность в электрических системах, производящих большую энергию и потребляющих меньше энергии, видна в изобретении новых моделей этих электрических устройств. Один из многих видов двигателей, которые пришли нам на помощь в последние десятилетия, — это синхронные двигатели.

В этой статье Linquip мы намерены представить этот двигатель, его принцип работы, основные компоненты и поговорить о его различных типах. Мы знаем, что многие из вас собираются купить такой, поэтому мы поговорим о различных областях применения этого двигателя. Читайте дальше, чтобы получить ответы на свои вопросы по этой теме.

Вначале мы подготовили для вас простое определение синхронных двигателей, которое поможет вам войти в следующие разделы. Давайте начнем!

Что такое синхронный двигатель?

Синхронный двигатель — это двигатель переменного тока, в котором скорость вращения вала совпадает с частотой приложенного тока.Другими словами, принцип работы синхронного двигателя такой же, как и у двигателя переменного тока, но с той разницей, что общее количество оборотов, совершаемых валом в синхронном режиме, равно целому числу, кратному частоте приложенного тока.

Синхронный двигатель не зависит от индукционного тока для своей работы. В этом типе двигателя, в отличие от асинхронных двигателей, на статоре есть многофазные электромагниты переменного тока, которые создают вращающееся магнитное поле. В синхронном режиме ротор состоит из постоянного магнита, который синхронизируется с вращающимся магнитным полем и вращается синхронно с частотой приложенного к нему тока.

В следующих двух разделах вы познакомитесь с конструкцией этого типа двигателя и узнаете, как именно он работает. Пожалуйста, продолжайте читать.

Подробнее о Linquip

Все о типах двигателей постоянного тока и их применении Шунтирующие двигатели постоянного тока

: понятное объяснение принципа работы и компонентов

Как устроен синхронный двигатель?

Как и многие другие двигатели, статор и ротор являются двумя основными компонентами синхронного двигателя.Рама статора синхронного двигателя имеет защитную пластину, к которой прикреплены шпоночные стержни и периферийные ребра. Для поддержки машины используются опоры или рамы, а также контактные кольца и щетки для возбуждения обмоток возбуждения постоянным током.

В синхронном двигателе используются цилиндрические и круглые роторы для 6-полюсных применений. Когда требуется большее количество полюсов, лучше всего использовать роторы с явнополюсными полюсами. Конструкция синхронного двигателя такая же, как и у синхронного генератора переменного тока.

Как работает синхронный двигатель?

Взаимодействие между магнитным полем статора и магнитным полем ротора. Подача трехфазного питания Статор двигателя с трехфазными обмотками. Таким образом, обмотка статора создает вращающееся магнитное поле, имеющее 3 фазы. Как мы упоминали ранее, источник постоянного тока для ротора.

Вращающееся магнитное поле, создаваемое обмоткой статора, находится там, где ротор входит и вращается синхронно.Теперь вам более ясно, что скорость двигателя зависит от частоты подаваемого тока. Фактически, скорость синхронного двигателя контролируется частотой приложенного тока.

Подводя итог вышесказанному, трехфазная обмотка статора синхронного двигателя проводит трехфазный ток и создает трехфазный вращающийся магнитный поток. С другой стороны, ротор также питается постоянным током и производит постоянный магнитный поток. Если учесть, что у нас частота сети 50 Гц, из приведенного выше соотношения мы можем увидеть, что трехфазный вращающийся поток вращается примерно на 3000 оборотов всего за одну минуту или 50 оборотов всего за 1 секунду.

В некоторых случаях бывает, что полюса ротора и статора имеют одинаковую полярность (N-N или S-S). Это вызывает отталкивающую силу на роторе. Эта полярность очень скоро станет С-Ю, и она вызовет силу притяжения. Но из-за инерции ротора он не может вращаться в любом направлении из-за этой силы притяжения или отталкивания, и ротор остается в состоянии покоя. Вот почему синхронный двигатель не запускается автоматически.

Итак, вы ознакомились с общей функцией синхронных двигателей.Теперь, когда вы знаете, какова цель этой конструкции и как она работает, давайте посмотрим, сколько у нее типов и чем они отличаются друг от друга.

Различные типы синхронного двигателя

, основанный на методе намагничивания ротора, существует два типа синхронных двигателей:

  1. Двигатель без возбуждения

  2. Двигатель с возбуждением от постоянного тока

  3. Двигатель без возбуждения

  • В двигателях этого типа ротор намагничивается внешним магнитным полем статора, а ротор имеет постоянное магнитное поле.В этом типе ротора используется сталь с высокой удерживающей способностью, такая как кобальтовая сталь. Это вызывает три других классификации: двигатели с постоянным магнитом, реактивные и гистерезисные двигатели.
  • В синхронных двигателях с постоянными магнитами наряду со сталью используется постоянный магнит. У них постоянное магнитное поле в роторе, поэтому индукционную обмотку нельзя использовать для запуска. Применяются в качестве безредукторных двигателей лифтов.
  • Ротор реактивного электродвигателя выполнен из стального литья с выступающими полюсами.Полюса ротора меньше полюсов статора, чтобы минимизировать пульсации крутящего момента.
  • Двигатели с гистерезисом — это самозапускающиеся двигатели. В синхронных двигателях этого типа ротор представляет собой гладкий цилиндр, изготовленный из твердой кобальтовой стали. Этот тип двигателя дорог и обычно используется там, где требуется точная постоянная скорость.
  1. Двигатель с возбуждением от постоянного тока

Когда ротор синхронного двигателя возбуждается постоянным током, подаваемым непосредственно через контактные кольца, это называется двигателем с возбуждением постоянным током.

Основные характеристики синхронных двигателей

  • Первой особенностью синхронных двигателей является то, что скорость не зависит от нагрузки. Это означает, что на скорость двигателя не влияет изменение нагрузки.
  • Вторая главная особенность заключается в том, что они не запускаются автоматически, и им нужен первичный двигатель, чтобы вращать двигатель с их синхронной скоростью.
  • И последняя основная характеристика — синхронный двигатель работает как с опережающим, так и с запаздывающим коэффициентом мощности.

Где используется синхронный двигатель?

Синхронные двигатели обычно используются там, где требуется точная и постоянная скорость. Эти двигатели с низким энергопотреблением включают в себя позиционирующие машины. Этот вид электродвигателей также применяется в приводах роботов. В некоторых других приложениях используются синхронные двигатели, такие как шаровые мельницы, часы и проигрыватели виниловых пластинок. Кроме того, эти двигатели также используются в качестве серводвигателей и синхронизаторов.

Подробнее о коллекторных двигателях Linquip

: краткое введение в структуру и принцип работы

Заключение

В этой статье мы попытались показать вам, что именно делает синхронный двигатель.Чтобы вам было понятно, мы проанализировали принцип работы синхронных двигателей и подробно остановились на том, как они работают. Мы объяснили, из каких частей он состоит. После этого мы углубились в разные и основные типы. затем мы достигли различных характеристик и функций. Наконец, мы рассказали вам о его приложениях и о том, где он чаще всего используется.

Если у вас есть опыт использования разных типов синхронной передачи, мы будем очень рады услышать ваше мнение в комментариях. Кстати, если у вас есть какие-либо вопросы по этой теме и вы все еще не уверены в этом устройстве, вы можете зарегистрироваться на нашем веб-сайте и дождаться, пока наши специалисты по Linquip ответят на ваши вопросы.Надеюсь, вам понравилась эта статья.

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

2019 © Все права защищены. Карта сайта