На рис.7.7 приведены характеристики синхронных двигателей СДВ 17-39-12 и СДВ-17-59-12 (С – синхронный, Д – двигатель, В – для привода вентиляторов, 17 – габарит, 39 и 59 – длина сердечника статора, см, 12 – число полюсов) и ВДС 325/49-16. Характеристики синхронных двигателей (рис.7.7) имеют ряд преимуществ по сравнению с характеристиками , :
возможность работы с опережающим коэффициентом мощности;
более низкие потери;
синхронная вращения в независимости от нагрузки;
возможность плавного регулирования реактивной мощности и более высокое качество в узлах нагрузки;
способность сохранять устойчивую работу при колебаниях в питающей сети.
Последняя особенность связана с тем, что у синхронного двигателя максимальный момент пропорционален напряжению, а у АД – квадрату – рис.7.4.
Синхронные двигатели, наряду с наличием на роторе обмотки возбуждения, имеют и мощную демпферную систему, обеспечивающую пуск и разгон ротора до подсинхронной частоты вращения в асинхронном режиме, с замкнутой на гасительное сопротивление обмоткой возбуждения. По достижении подсинхронной частоты вращения осуществляется синхронизация двигателя путем включения АГП и доведение его частоты вращения до синхронной. Синхронизация усложняется при высоких коэффициентах загрузки двигателя, а в системе собственных нужд электростанций возможности разгрузки на период синхронизации отсутствуют – рис.7.7.
Недостатком синхронных электродвигателей является необходимость отключения АГП и перевод их в асинхронный режим даже при кратковременных глубоких понижениях питающего напряжения, связанных с неудаленными и ошибочным отключением рабочих вводов питания. При использовании синхронных двигателей на электростанциях они будут участвовать в самозапуске наряду с другими асинхронными двигателями в условиях более низких питающих напряжений по сравнению с пуском отдельного . При этом условия синхронизации усложняются.
Исходя из высокой чувствительности синхронных электродвигателей к глубоким понижениям напряжения, трудности синхронизации в условиях самозапуска, отсутствие необходимости компенсации реактивной мощности в системе СН ввиду небольшой удаленности синхронных генераторов, синхронные электродвигатели нашли ограниченное применение в системе СН электростанций. Синхронные электродвигатели используются для питания потребителей, не влияющих на немедленное прекращение технологического процесса: часть циркуляционных насосов, приводы компрессоров и вентиляторов, мельниц, дробилок. Перечисленные механизмы обычно имеют промежуточные бункеры топлива и запасы перекачиваемого рабочего тела в ресиверах.
В виде примера в табл.7.2 изображена мельница-вентилятор с приводным синхронным двигателем марки СДМЗ2-22-61-40УХЛ4, предназначенным для привода шаровых и стержневых мельниц. В обозначении типа:
С – синхронный, Д – двигатель, М – для привода мельниц, З – закрытого исполнения, 2 – вторая серия, 22 – габарит, 61 – длина сердечника статора, см, 40 – число полюсов, УХЛ4 – климатическое исполнение и категория размещения по ГОСТ. Пуск двигателя асинхронный прямой при номинальном напряжении сети с включением в цепь обмотки возбуждения разрядного сопротивления. В процессе пуска среднее на зажимах двигателя должно быть не менее 0,85Uном, минимальное в начале пуска – не менее 0,8Uном. Двигатель допускает два пуска подряд из холодного состояния или один пуск из горячего состояния при условии, что средний статический момент сопротивления механизма на валу за время пуска не превышает 0,8М ном при моменте инерции приводимого механизма не более указанного в табл.7.2. Возбуждение двигателя осуществляется от тиристорных возбудителей. Обращаем внимание на низкую частоту вращения электродвигателей серии СДМЗ2 в пределах 100 – 150 об/мин, на которые асинхронные двигатели не выпускаются.
Особенностью работы двигателя является равенство скорости вращения ротора и скорости вращения магнитного потока. Поэтому скорость вала двигателя не зависит и не изменяется от величины подключаемой нагрузки. Это достигается за счет того, что индуктор синхронного электродвигателя является электромагнитом, в некоторых случаях постоянным магнитом.
Количество пар полюсов ротора одинаково с числом пар полюсов у движущегося магнитного поля. Взаимное воздействие этих полюсов дает возможность выравнивания скорости ротора. На валу в этот момент может быть любая по величине нагрузка. Она не влияет на скорость вращения индуктора.
Конструктивные особенности и принцип работы
Основными составными частями синхронного электродвигателя являются: статор, который неподвижен, и ротор, иными словами называемый индуктором. Статор имеет другое название – якорь, но от этого его суть не меняется. Эти части двигателя разделены прослойкой воздуха. Между пазами заложена трехфазная обмотка, которая чаще всего имеет соединение по .
Когда двигатель после запуска начал работать, токи якоря образуют движущееся магнитное поле, его вращение дает пересечение поля индуктора. В итоге такой работы двух полей возникает энергия. Магнитное поле статора по своей сути является полем его реакции. В работе генераторов такую энергию получают с помощью индукторов.
Полюсами являются электромагниты статора, работающие на постоянном токе. Статоры синхронных моторов могут выполняться по различным схемам: неявнополюсной, а также явнополюсной. Они отличаются положением полюсов.
Для снижения магнитного сопротивления и оптимизации условий прохода магнитного поля используют сердечники из ферромагнитного материала. Они находятся в роторе и якоре. Производятся они из электротехнической стали, которая содержит большое количество кремния. Это дает возможность снизить вихревые токи и увеличить электрическое сопротивление стали.
Синхронные электродвигатели имеют в своей основе принцип взаимодействия полюсов индуктора и статора. Во время пуска двигатель ускоряется до скорости вращения магнитного потока. Только при таком условии электродвигатель начинает действовать в синхронном режиме. При таком процессе магнитные поля образуют пересечение, возникает вход в синхронизацию.
Долгое время для разгона мотора применяли отдельный пусковой двигатель. Его соединяли механическим путем с синхронным мотором. При запуске ротор мотора ускорялся и достигал синхронной скорости. Далее мотор самостоятельно втягивался в синхронное движение. При выборе мощности пускового мотора руководствовались 15% мощности от номинала разгоняемого двигателя. Этого резерва мощности было достаточно для запуска синхронного двигателя, даже при наличии небольшой нагрузки.
Такой метод разгона более сложный, значительно повышает стоимость оборудования. В современных конструкциях синхронные электродвигатели не имеют такой схемы разгона. Применяют другую систему разгона. Реостатом замыкают обмотки индуктора по аналогии с асинхронным двигателем. Для запуска на ротор монтируют короткозамкнутую обмотку, являющуюся также и успокоительной обмоткой, которая предотвращает раскачивание ротора при синхронизации.
При достижении ротором номинальной скорости, к индуктору подключают постоянный ток. Однако, для пуска моторов с постоянными магнитами не обойтись без применения пусковых внешних двигателей.
В криогенных синхронных электродвигателях применяется обращенная конструкция. В ней якорь и индуктор размещены наоборот, индуктор находится на статоре, а якорь расположен на роторе. У таких машин возбуждающие обмотки состоят из сверхпроводимых материалов.
Достоинства и недостатки
Синхронные двигатели имеют основное преимущество по сравнению с асинхронными моторами тот факт, что возбуждение от постоянного тока внешнего источника дает возможность работы при значительной величине коэффициента мощности. Эта особенность дает возможность увеличить значение коэффициента мощности для общей сети благодаря включению синхронного мотора.
Синхронные электродвигатели имеют и другие достоинства:
- Электродвигатели синхронного типа работают с повышенным коэффициентом мощности, что создает уменьшение расхода энергии и снижает потери. КПД синхронного мотора выше при той же мощности асинхронного двигателя.
- Синхронные электродвигатели имеют момент вращения, который прямо зависит от напряжения сети. Поэтому он при уменьшении напряжения сохраняет свою мощность больше асинхронного. Это является фактором надежности подобных конструкций моторов.
Недостатками являются следующие отрицательные моменты:
- При проведении сравнительного анализа конструкций двух моторов, можно отметить, что синхронные электродвигатели выполнены по более сложной схеме, поэтому их стоимость будет выше.
- Следующим недостатком для синхронных моторов стала необходимость в источнике тока в виде выпрямителя, либо другого блока питания постоянного тока.
- Запуск двигателя происходит по сложной схеме.
- Регулировка скорости вала двигателя возможна только одним способом, с помощью применения частотного преобразователя.
В итоге можно сказать, что все-таки преимущества синхронных двигателей перекрывают недостатки. Поэтому двигатели такого вида широко применяются в технологических процессах, где идет постоянный непрерывный процесс, и не требуется частая остановка и запуск оборудования: на мельничном производстве, в компрессорах, дробилках, насосах и так далее.
Выбор двигателя
К вопросу приобретения синхронного электродвигателя нужно подходить, основываясь на следующие факторы:
- Условия эксплуатации электродвигателя. По условиям выбирают тип двигателя, который может быть защищенным, открытым или закрытым. А также синхронные электродвигатели отличаются по защите токовых частей от влаги, температуры, агрессивных сред. Для взрывоопасного производства существуют специальные защиты, предотвращающие образование искр в двигателе.
- Особенности выполнения подключения электродвигателя с потребителем.
Синхронные компенсаторы
Они служат для компенсирования коэффициента мощности в электрической сети и стабилизации номинального значения напряжения в местах подключения нагрузок к двигателю. Нормальным режимом синхронного компенсатора является режим перевозбуждения в момент отдачи в электрическую сеть .
Такие компенсаторы еще называют генераторами реактивной мощности, так как они предназначены для выполнения такой же задачи, как батареи конденсаторов на подстанциях. Когда мощность нагрузок уменьшается, то часто необходимо действие синхронных компенсаторов в невозбужденном режиме при их потреблении реактивной мощности и индуктивного тока, потому что напряжение в сети старается увеличиться, а для его стабилизации на рабочем уровне нужно нагрузить сеть током индуктивности, который вызывает в сети снижение напряжения питания.
Для таких целей синхронные компенсаторы обеспечиваются регулятором автоматического возбуждения. Регулятор изменяет ток возбуждения таким образом, что напряжение на компенсаторе не изменяется.
Сфера применения
Широкое использование электродвигателей асинхронного типа со значительными недогрузками делает работу станций и энергосистем сложнее, так как уменьшается коэффициент мощности системы, это ведет к незапланированным потерям, к их неполному использованию по активной мощности. В связи с этим появилась необходимость в использовании двигателей синхронного типа, особенно для приводов механизмов значительной мощности.
Если сравнивать синхронные электродвигатели с асинхронными, то достоинством синхронных стала их работа коэффициентом мощности равном 1, благодаря действию возбуждения постоянным током. При этом они не расходуют реактивную мощность из питающей сети, а если работают с перевозбуждением, то даже отдают некоторую величину реактивной мощности для сети.
В итоге коэффициент мощности сети улучшается, и снижаются потери напряжения, увеличивается коэффициент мощности генераторов электростанций. Наибольший момент синхронного электродвигателя прямо зависит от напряжения, а у синхронного электромотора – от квадрата напряжения.
Поэтому, при уменьшении напряжения синхронный электромотор имеет по-прежнему значительную нагрузочную способность. Также, применение возможности повышения возбуждающего тока синхронных моторов дает возможность повышать их надежность эксплуатации при внезапных снижениях напряжения, и оптимизировать в таких случаях работу всей энергосистемы.
Из-за большой величины воздушного промежутка дополнительные потери в стальных сердечниках и в роторе синхронных моторов меньше, чем у двигателей асинхронного вида. Поэтому КПД синхронных моторов чаще бывает больше.
Однако устройство синхронных моторов намного сложнее, а также необходим возбудитель или другое устройство питания возбуждения. Поэтому синхронные моторы имеют более высокую стоимость по сравнению с асинхронными с короткозамкнутым ротором.
Запуск и регулировка скорости у синхронных электродвигателей имеет свои сложности. Но при больших мощностях их преимущества превосходят недостатки. Поэтому они применяются во многих местах, где не нужны частые пуски, остановки оборудования, а также нет необходимости в регулировки оборотов двигателя с приводом механизмов насосов, компрессоров, мельниц и т.д.
Перевод электродвигателей с коллекторного узла управления на полупроводниковые устройства контроля позволил оптимизировать силовые агрегаты. Модернизация затронула и мощностные параметры, и конструкционные характеристики. Наиболее выраженным отличием стало уменьшение габаритов, что позволило использовать такие агрегаты в небольших по размерам приборах и установках. Типичным примером реализации бесколлекторного привода является вентильный двигатель, работающий в условиях постоянного тока. Он обеспечивает существенные технико-экономические преимущества в процессе эксплуатации, но не избавлен и от недостатков.
Конструкция и устройство двигателя
Техническая инфраструктура формируется двумя сегментами - непосредственно механикой и управляющим комплексом. С точки зрения конструкционного устройства агрегат во многом похож на традиционное наполнение электромеханических роторных двигателей. Соответственно, в состав электромотора входят ротор, статор и обмотка. Причем статор представляет собой набор из отдельных изолированных листов, выполненных из стального сплава. В процессе работы они способствуют понижению вихревых токов. В нем как раз и находится обмотка, которая может иметь разное количество фаз. Начинка элемента образована стальным сердечником, а обмотка представляет собой медные волокна. Для защиты применяется корпус, на поверхности которого также предусматриваются средства физического крепления.
Что касается ротора, то он сформирован постоянными магнитами. В зависимости от модификации, он может иметь до шестнадцати пар чередующихся полюсов. Прежде для изготовления роторов применялись ферритовые магниты, что было обусловлено их ценовой доступностью. Сегодня же на первый план выходят эксплуатационные характеристики вентильного двигателя - в частности крутящий момент, который варьируется от 1 до 70 Нм. Пропускная же частота в среднем находится в пределах 2-4 тыс. оборотов. Для достижения таких показателей требуется магнит с высокой степенью индукции, поэтому производители перешли на использование редкоземельных сплавов. Такие магниты не просто дают более высокую производительность, но и обладают меньшими размерами. Отчасти и этот переход способствовал оптимизации габаритов вентильного электродвигателя. Отдельно стоит рассмотреть компоненты управляющего сегмента.
Система управления
Если электромеханическая часть состоит преимущественно из трех компонентов, в числе которых ротор, статор и несущая конструкция в виде корпуса, то управляющая инфраструктура более сегментирована - количество элементов может достигать нескольких десятков. Другое дело, что их можно поделить на виды. В единственном числе будет представлен только инвертор. Он отвечает за функции коммутации, осуществляя подключение и переключение фаз. Основные же задачи контроля с подачей сигналов выполняют датчики. Главным из них является детектор положения ротора. Кроме этого, в состав управляющего блока вводится и система регуляции сигналов. Это узел с ключами, посредством которого реализуется связь датчиков и электромеханической начинки.
Информацию о позиции ротора обрабатывает микропроцессор. Внешне интерфейс этого блока представляет собой панель управления. На приеме она работает с сигналами широтно-импульсной модуляции (ШИМ-сигнал). Если предусматривается подача низковольтных сигналов, то в управляющем блоке устанавливается и транзисторный мост. Он преобразует сигнал в силовое напряжение, которое в дальнейшем подается на электродвигатель. Наличие датчиков с системой обработки импульсов как раз и отличает управление вентильным двигателем от средств контроля щеточно-коллекторных агрегатов. Другое дело, что возможность внедрения электронной аппаратуры с датчиками допускается и в коллекторных машинах наряду с механическими системами управления.
Принцип работы
Вентильный электродвигатель в процессе работы создает индукцию магнитных полюсов через ротор. На фоне генерации электромагнитного воздействия формируется сопротивление. Иными словами, активизируется функция ротора, после чего он передает крутящий момент целевому агрегату. В условиях переменной скорости магнетизм может быть оптимизирован для более производительной работы с реверсом. Опять же, датчик положения ротора сообщает данные для регуляции в соответствии с фазами напряжения. Гибкость и оперативность настройки параметров ротора и количества фаз позволяет эффективнее регулировать работу механизма. Весь цикл демонстрирует процесс преобразования электроэнергии в физическую мощь (механическая энергия), которую вырабатывает генератор. Причем если резко отсоединить агрегат от сети, то преобразуемая в данный момент энергия будет возвращена статору.
Важным условием поддержания достаточной производительности является стабильность двигателя. Критерием оценки этой характеристики будет его плавность, достигаемая понижением пульсаций. Для этого нужно знать вектор вращения потока статора, чтобы он был синхронен с функцией ротора. Координация разных потоков вращения как раз и достигается взаимодействием датчиков и коммутатора, которым управляются вентильные двигатели. Принцип работы этой связки позволяет с высокой точностью определять, к какой фазе нужно подключать ротор, определяя также оси. В нужной последовательности панель управления через микропроцессор попеременно подключает и отключает разные фазы.
Особенности синхронных моделей
Вышеописанный принцип работы как раз иллюстрирует работу синхронного двигателя. То есть в нем реализуется взаимодействие полюсов индуктора и статорного магнитного поля. Но и в таких системах могут быть свои различия. Например, и синхронный, и асинхронный двигатель могут оснащаться электромагнитами. В случае с синхронными агрегатами такого типа ток будет направляться на ротор, минуя контакт щетка-кольцо. Постоянные же магниты применяются в двигателях, базирующихся на жестких дисках. Также существуют и обращенные конструкции. В них якорные потоки находятся на роторе, а индукция - на статоре.
Для включения синхронного двигателя требуется высокий разгон по частоте, чтобы появилась возможность подстройки вращения двух функциональных компонентов. В конструкциях, где индуктор находится на статоре, поле ротора остается неподвижным относительно якоря. И напротив, если устройство предполагает обратную конструкцию, то «ввод в синхронизацию» будет осуществляться через ожидание статора. Момент ожидания зависит от того, с какой нагрузкой работает вентильный двигатель, и какая частота является оптимальной для активизации его индуктора.
Особенности асинхронных агрегатов
В асинхронных двигателях ротор не вращается в противоположном направлении. Его нельзя назвать обратным синхронному агрегату с точки зрения взаимодействия магнитных потоков ротора и статора. И синхронный, и асинхронный двигатель предполагают следование одного поля за другим. Другое дело, что во втором случае ротор, к примеру, может быть «догоняющим». Он следует за генерацией индукционного момента.
В стандартной конструкции статор генерирует электромагнитное поле, заставляя через определенное время вращаться и ротор. Принципиальным отличием между двумя типами двигателей является и то, что индуктор не является генератором возбуждения магнитного поля ротора. Поэтому вентильный электродвигатель асинхронного типа может автономно заставлять вращаться ротор с определенной частотой от обмотки статора. Это вовсе не значит, что два механизма работают отдельно, но их функции не так тесно взаимосвязаны, как в случае с синхронными двигателями. Это же касается и скорости. Например, если в синхронном агрегате будет частота вращения на 3000 об./мин для индуктора и ротора, то асинхронный принцип работы для того же ротора может снизить эту величину до 2910 об./мин.
Вентильно-индукторный двигатель
Можно сказать, что все вентильные электромоторы являются индукторными. В той или иной степени принцип индукции закладывается в синхронный и асинхронный агрегаты. Но есть также модели, в которых индукция способствует самонамагничиванию. Иначе эту машину можно назвать самовозбуждающейся. В традиционном исполнении вентильно-индукторный двигатель этого типа имеет простую конструкцию, питается от однополярных импульсов тока и работает с теми же датчиками ротора. Однако из-за нюансов энергоснабжения его нельзя подключать напрямую к сети. В итоге требуется введение в инфраструктуру специальных преобразователей.
С другой стороны, в данной конструкции присутствуют практически все достоинства синхронных агрегатов. Самым явным из них является широкий спектр частот вращения. Например, вентильно-реактивный двигатель с возможностью самовозбуждения способен выдавать порядка 100 тыс. оборотов. Это уже быстроходные электродвигатели, для которых используются комплектующие высокой степени прочности.
Разновидности агрегатов по количеству фаз
Простейшее исполнение такого электродвигателя - это однофазные агрегаты, которые предусматривают минимальное количество контактов между электронной аппаратурой и механикой. Соответственно, отсюда вытекают и слабые места конструкции, среди которых ограничения в положении ротора и сильные пульсации. Двухфазные модели способны формировать воздушный зазор, а также при определенных условиях обеспечивать асимметрию полюсов. Опять же, такие машины грешат высокой степенью пульсации, однако их можно использовать в тех случаях, когда связка статора с обмоткой является обязательным условием. Трехфазный вентильный двигатель характеризуется сочетанием невысокой скорости, но хорошей силовой отдачей. Поэтому его чаще используют как в сборке бытовых приборов, так и в изготовлении промышленной техники. Также существуют четырех- и шестифазные модели вентильных электромоторов, но это уже сегменты специализированных установок, которые дорого стоят и обладают крупными габаритами.
Преимущества электродвигателей
Благодаря конструкционной оптимизации вентильная силовая техника обеспечивает множество эксплуатационных преимуществ. В их числе стоит отметить быстродействие, гибкость в настройке, точность определения позиции ротора (с помощью датчика), широкие возможности технической подстройки и т.д. При скромных энергозатратах можно получить высокую силовую отдачу. Что еще важно, вентильный электродвигатель задействует небольшой ресурс механического действия, а это благоприятно сказывается и на его сроке эксплуатации. Низкий уровень термического воздействия на элементную базу обуславливает отсутствие перегревов, поэтому детали лишь в редких случаях требуют замены по причине износа.
Недостатки электродвигателя
Специалисты отмечают два основных минуса таких электродвигателей. В первую очередь это сложность конструкции. Не механической части, а именно электронной основы, которая обеспечивает управление мотором. Применение микропроцессоров, датчиков, инверторов и сопутствующей электротехнической фурнитуры требует соответствующего подхода к обеспечению надежности работы компонентов системы. Таким образом, повышается и стоимость обслуживания техники. Вместе с этим, отмечается и дороговизна магнитов, на которых базируется вентильный двигатель даже в простых однофазных исполнениях. На практике пользователи стараются заменять недешевые элементы и расходники, вместе с этим упрощая и систему управления. Но такие меры сами по себе требуют определенных ресурсов, не говоря о том, что снижается эффективность двигателя.
Заключение
Концепция использования электроники в составе традиционных роторных двигателей не всегда оправдывается в процессе эксплуатации. Связано это со сферами применения такого оснащения. Чаще всего это традиционные области производства, где совсем не обязательно подключение электронных систем управления. Инновационная начинка заставляет пересматривать производственные циклы, точечно модернизируя технологические процессы. К тому же стоимость двигателя, которая варьируется от 15 до 20 тыс. руб., не добавляет привлекательности этой продукции. Обычные аналоги на контроллерах с электромеханическими реле обходятся дешевле, не говоря о том, что их легче интегрировать в процессе сборки продукции.
И все же появляются направления, в которых высоко ценится именно полупроводниковое управление с датчиками роторов. Как правило, это высокотехнологичное оборудование, выпуском которого занимаются крупные компании. Причем на выходе они предоставляют продукцию разного уровня, в том числе и для бытового применения.
Принципиальное отличие синхронного двигателя от асинхронного заключается в исполнении ротора. Последний у синхронного двигателя представляет собой магнит, выполненный (при относительно небольших мощностях) на базе постоянного магнита или на основе электромагнита. Поскольку разноименные полюсы магнитов притягиваются, то вращающееся магнитное поле статора, которое можно интерпретировать как вращающийся магнит, увлекает за собой магнитный ротор, причем их скорости равны. Это объясняет название двигателя - синхронный.
В заключение отметим, что в отличие от асинхронного двигателя, у которого обычно не превышает 0,8…0,85, у синхронного двигателя можно добиться большего значения и сделать даже так, что ток будет опережать напряжение по фазе. В этом случае, подобно конденсаторным батареям, синхронная машина используется для повышения коэффициента мощности.
Асинхронные двигатели имеют простую конструкцию и надежны в эксплуатации. Недостатком асинхронных двигателей является трудность регулирования их частоты вращения.
Чтобы реверсировать трехфазный асинхронный двигатель (изменить направление вращения двигателя на противоположное), необходимо поменять местами две фазы, то есть поменять местами два любых линейных провода, подходящих к обмотке статора двигателя.
Т.е это достаточно дешевый двигатель, который применяется везде, синхронную машину найти крайне тяжело.
В отличие от асинхронного двигателя частота вращения синхронного двигателя постоянная при различных нагрузках. Синхронные двигатели находят применение для привода машин постоянной скорости (насосы, компрессоры, вентиляторы) ими легко управлять.
Отличить можно по кол-ву оборотов на табличке (если там явно не указан тип машины), у асинхронного не круглое число оборотов, 950 об/мин у синхронной машины 1000 об/мин.
Синхронные двигатели управляются также сложно как и асинхронные, т.к. требуют управления частотой подводимого напряжения. Они имеют абсолютно жесткую механическую характеристику, это означает, что как бы не менялась нагрузка на валу двигателя, он будет иметь одну и ту же частоту вращения. Естественно, нагрузка должна меняться в разумных пределах, есть значение критического момента нагрузки, при котором двигатель "выпадает" из синхронного режима, что чревато его поломкой. К основным недостаткам относится то, что обмотку возбуждения необходимо питать постоянным током, также наличие скользящего контакта "щетка-контактное кольцо", сложность пуска.
Чаще всего синхронные машины используют в качестве генераторов, вообще подавляющее большинство генераторов - синхронные, начиная с тех, которые устанавливаютс на автомобилях, и заканчивая теми, которые стоят на АЭС. Из всех других они наиболее надежны, имеют наибольший КПД, проще других в обслуживании.
КПД машины не зависит от косинуса фи электрической машины. КПД зависит восновном только от потерь в обмотке (потери в меди), в магнитопроводе (потери в стали), механических потерь и дополнительных потерь. Также КПД машины зависит от ее нагрузки, при этом максимум (КПД) наблюдается в точке, когда потери в стали и в меди равны, как правило это наблюдается, когда нагрузка составляет 75-80% от номинальной мощности машины.
Учитывая особенности производства электрических машин имеем что с ростом мощности выпущенной машины, потери растут не пропорционально, поэтому мощные электрические машины могут иметь КПД достигающий 99%.
Ротор движется «сам по себе». В нем изначально нет ни магнитного поля, на него не подается никакого электрического напряжения. Он даже не обязан быть сделанным из железа - магнитного металла. Ну а вот, поди ж ты, стоит подключить к двигателю трехфазное напряжение, и ротор закрутился. Безо всякого подталкивания. Но по-своему.
Два вида электродвигателей переменного тока
Асинхронные двигатели - наивная простота
Ротор то догоняет волну, то слегка отстает, потому что синхронно с ней бежать просто не может. Такое явление назвали «скольжением», догнав бегущее магнитное поле, ротор с беличьей клеткой теряет магнитную индукцию и дальше некоторое время просто скользит по инерции. А когда трение или нагрузка вынуждают его отстать от бегущего поля, он опять «почувствует» в себе изменения силовых линий обгоняющего его поля и снова обретет индукцию, а вместе с этим и силы двигаться.
То есть, ротор слегка проскальзывает: то догоняет бегущее равномерно по кругу магнитное поле, то «забывает, зачем бежал» и слегка приотстает, то снова «спохватывается» и опять стремится догнать. Постепенно эти отклонения стабилизируются - в зависимости от трения в подшипниках и величины нагрузки на вал - и асинхронный двигатель начинает работать просто со скоростью вращения, чуть меньшей частоты напряжения на статоре. Эта разница частот и называется частотой скольжения.
Двигатели синхронные: сложное в простом
Для того, чтобы ротор был связан с бегущей волной магнитного поля катушек статора жестким образом, придумали электродвигатель синхронный. А проблема решается просто. В роторе вместо изменяющегося магнитного поля от короткозамкнутых токов беличьей клетки нужно использовать постоянные магниты и их магнитное поле.
Вариантов два. Или это поле от постоянного магнита, закрепленного в роторе, или это поле от электромагнитов, установленных в роторе вместо такого магнита.
Обычный магнит, конечно, проще. Но тогда для стандартного функционирования таких электромоторов нужно, чтобы на них на всех - а используются тысячи электромоторов - магниты были строго одинаковы. Иначе параметры движения будут разными, а магниты еще имеют свойство размагничиваться.
Электромагнит, установленный в роторе двигателя, легче заставить вырабатывать поле нужного качества, но требуется электрический ток для его работы. Такой ток, который называется током возбуждения, в свою очередь нужно где-то брать и как-то на ротор подавать.
1 – ротор,
2 – коллектор возбуждения
Отсюда и происходит некоторое разнообразие конструкций синхронных двигателей. Но важнее всего то, что синхронные двигатели крутят свой вал строго синхронно частоте бегающего по кругу поля катушек статора, то есть скорость их вращения точно равна - или кратна (если обмоток статора больше трех) - частоте переменного тока в питающей сети.
Однако кроме всего прочего, синхронный двигатель обладает свойством полной обратимости. Потому что синхронный электродвигатель - это тот же самый генератор электрического тока, но работающий «в обратную сторону». В генераторе некоторая механическая сила вращает вал с ротором, и от этого в обмотках статора возникает наведенное электрическое напряжение от вращающегося магнитного поля ротора. А отличие синхронного двигателя от генератора в том, что напряжение в катушках статора порождает бегающее по кругу магнитное поле, которое, взаимодействуя с постоянным магнитным полем ротора, толкает его, чтобы ротор тоже вращался.
Только если в генераторе вращению ротора можно механически придать любую скорость, и от этого будет изменяться частота переменного тока, им генерируемого, то в синхронном двигателе такой роскоши нет. Синхронный двигатель вращается со скоростью изменения напряжения в сети, а оно у нас выдерживается строго в 50 герц.
Отличия и недостатки этих двигателей
Отличия синхронного и асинхронного двигателей ясны из их названий. Собственно, плюсы имеют и тот, и другой вариант конструкции. Ниже перечислены плюсы, которыми отличаются оба двигателя - синхронный и асинхронный.
Асинхронный двигатель отличается от синхронного следующими параметрами:
- простота конструкции и невысокая стоимость;
- нет скользящих контактов, надежность в эксплуатации;
- напряжение прикладывается к неподвижным катушкам статора;
- ротор очень прост по конструкции;
- при запуске и разгоне постепенно наращивает мощность;
- возможность реверсировать направление вращения, просто поменяв местами две питающих фазы;
- при остановке движения (слишком большая механическая нагрузка на вал ротора) никакой аварии не происходит, может произойти перегрев беличьей клетки.
Отличия синхронного двигателя от асинхронного заключаются в следующем:
- стабильная скорость вращения вне зависимости от нагрузки на вал;
- невысокая чувствительность к перепадам напряжения в сети;
- при уменьшении механической нагрузки способен по инерции работать как генератор, не забирая энергию, а отдавая ее в сеть;
- высокий КПД;
- способен компенсировать реактивную мощность сети.
Но у каждого имеются и присущие только ему недостатки.
Асинхронный имеет следующие отрицательные черты:
- трудность регулировки частоты вращения;
- невысокая частота вращения;
- зависимость отставания частоты вращения от нагрузки на ось;
- при работе ротор нагревается за счет короткозамкнутых токов - требуется дополнительное охлаждение.
Недостатки синхронного двигателя:
- сложнее по конструкции;
- в некоторых конструкциях для проводки тока возбуждения в обмотки ротора используется коллектор, как в двигателе постоянного тока;
- труднее запускается.
Несмотря на различия, оба электрических двигателя нашли себе применение в технике и используются в самых разных исполнениях и размерах.
