Кіріспе
АЖ қозғалтқышының түрі. Синхронды электр қозғалтқышы – тұрақты күйде білік айналуы, желілік токтың жиілігімен синхронды түрде болатын АЖ электр қозғалтқышы; айналу периоды АЖ циклдарының толық санына тең. Синхронды қозғалтқыштарда статор электр магниттерінен тұрады, олар токтың тербелісімен синхронды түрде айналатын магниттік өріс жасайды. Ротордағы тұрақты магниттер немесе электромагниттер статор өрісімен бірдей жылдамдықпен айналып, екінші синхронды айналатын магниттік өріс құрайды. Егер ротор мен статорда тәуелсіз қозған көп фазалы АЖ электромагниттерімен қоректендірілсе, синхронды қозғалтқыш "қос қоректендіріледі" деп аталады. Синхронды және индукциялық қозғалтқыштар – ең көп қолданылатын АЖ қозғалтқыштары. Синхронды қозғалтқыштар ротордың магниттік өрісін жасау үшін индукцияға тәуелді болмайтындықтан, желілік жиілікке сәйкес жылдамдықпен айналады. Индукциялық қозғалтқыштарға сырғанау қажет: роторда ток тудыру үшін ротор АЖ айнымалы тогынан сәл төменгі жиілікте айналуы керек. Кіші синхронды қозғалтқыштар синхронды сағаттарда, құрылғылардағы таймерлерде, магнитофондарда және қозғалтқыштың нақты жылдамдықпен жұмыс істеуі қажет болғандағы жоғары дәлдікті сервомеханизмдерде қолданылады; дәлдік электр желісінің жиілігіне байланысты, ол ірі біріктірілген желі жүйелерінде қатаң бақыланады. Синхронды қозғалтқыштар өздігінен қозған, бөлшектеп
A synchronous electric motor is an AC electric motor in which, at steady state, the rotation of the shaft is synchronized with the frequency of the supply current; the rotation period is exactly equal to an integer number of AC cycles. Synchronous motors use electromagnets as the stator of the motor which create a magnetic field that rotates in time with the oscillations of the current. The rotor with permanent magnets or electromagnets turns in step with the stator field at the same rate and as a result, provides the second synchronized rotating magnet field. A synchronous motor is termed doubly fed if it is supplied with independently excited multiphase AC electromagnets on both the rotor and stator. Synchronous and induction motors are the most widely used AC motors. Synchronous motors rotate at a rate locked to the line frequency since they do not rely on induction to produce the rotor's magnetic field. Induction motors require slip: the rotor must rotate at a frequency slightly slower than the AC alternations in order to induce current in the rotor. Small synchronous motors are used in timing applications such as in synchronous clocks, timers in appliances, tape recorders and precision servomechanisms in which the motor must operate at a precise speed; accuracy depends on the power line frequency, which is carefully controlled in large interconnected grid systems. Synchronous motors are available in self excited, fractional
Қатты емес
Қоздырылмаған моторларда ротор болаттан жасалады. Ол статордың айналмалы магнит өрісімен синхронды түрде айналады, сондықтан оның ішіндегі магнит өрісі дерлік тұрақты болады. Сыртқы статор өрісі роторды магниттеу арқылы оны айналдыруға қажетті магниттік полюстерді тудырады. Ротор кобальт болат сияқты жоғары магниттелу қабілетіне ие болаттан жасалады. Олар тұрақты магнит, релюктанс және гистерезис типтерінде өндіріледі:
Тұрақты магнит
Тұрақты магнитті синхронды қозғалтқыш (PMSM) роторға орнатылған тұрақты магниттерді пайдаланып, тұрақты магниттік өріс құрайды. Статорда айналмалы магниттік өріс (асинхронды қозғалтқыштағыдай) жасау үшін АЖ тогымен қосылған орамдар орналасқан. Синхронды жылдамдықта ротор полюстері айналмалы магниттік өріспен синхронды болады. PMSM-дер щеткасыз тұрақты ток қозғалтқыштарына ұқсас. Неодим магниттері ең көп қолданылады, бірақ неодим магниттері бағасының күрт өзгеруі феррит магниттерін зерттеуге түрткі болды. Феррит магниттерінің ерекшеліктеріне байланысты, осы машиналардың магниттік тізбегі магниттік ағынды шоғырландыруға қабілетті болуы керек, әдетте бұл спицалы роторларды пайдалануға әкеледі. Феррит магниттерін қолданатын машиналар неодим машиналарынмен салыстырғанда қуат және айналу моментінің тығыздығы төмен болады. Көптеген PMSM-дерді іске қосу үшін жиілігі өзгертілетін жетек қажет. Дегенмен, кейбіреулерінде роторға бастапқы айналу үшін қосалқы қозғалтқыш (squirrel cage) орнатылады. Олар көбінесе индукциялық қозғалтқыштарды ауыстыру үшін қолданылады (сығудың болмауына байланысты), бірақ жүйе синхронды жылдамдыққа жететінін және іске қосылған кезде айналу моментінің тербелісіне төтеп бере алатынын қамтамасыз ету қажет. PMSM-дер әдетте тікелей айналу моментін басқару және өріс бағытталған басқару арқылы басқарылады.
Қиындық
Қарсылықты қозғалтқыштардың қатты болаттан құйылған роторы және сыртқа шығыңқы тісті полюстері болады. Әдетте, ротор полюстерінің саны статор полюстерінен кем болады, бұл айналу моментінің тербелісін азайту және полюстердің бірдей уақытта тікелей сызықта орналасуына, яғни момент тудыра алмайтын жағдайға жол бермеу үшін жасалады. Магниттік тізбектегі ауа саңылауының мөлшері, демек қарсылық, полюстер статордың (айналмалы) магниттік өрісімен сәйкес келгенде ең төменгі шағында болады және олардың арасындағы бұрышпен бірге артады. Бұл роторды статор өрісінің ең жақын полюсіне қарай тартатын айналу моментін жасайды. Синхронды жылдамдықта ротор айналмалы статор өрісіне "бекітіледі". Бұл қозғалтқышты іске қосуға мүмкіндік бермейді, сондықтан ротор полюстерінде, әдетте, синхронды жылдамдықтан төмен айналу моментін қамтамасыз ету үшін, "клеткалы орама" (squirrel cage windings) орналасқан. Сондықтан машина синхронды жылдамдыққа жақындағанша индукциялық қозғалтқыш ретінде жұмыс істейді, содан кейін ротор "тартылып" статор өрісіне бекітіледі. Қарсылықты қозғалтқыштардың конструкциялық ерекшеліктері жартылай ат күшінен (бірнеше ватттан) шамамен 22 кВт-қа дейін ауытқиды. Кішкентай қарсылықты қозғалтқыштардың айналу моменті төмен болады және көбінесе өлшеу құралдарында қолданылады. Орташа айналу моменті бар, көп ат күшіне ие моторлар тісті роторлармен және "клеткалы орама" (squirrel cage) конструкциясымен жасалады. Реттелетін жиіліктегі қуат көзімен қолданылғанда, жетек жүйесіндегі барлық моторлар бірдей жылдамдықпен жұмыс істей алады. Қуат көзінің жиілігі мотордың жұмыс жылдамдығын анықтайды.
Гистереза
Гистерезистік қозғалтқыштардың қатты, тегіс, цилиндрлі роторы бар, ол жоғары коэрцитивті магниттік "қатты" кобальт болаттан құйылған. Электр қуаты жеке көзден немесе мотор білігіне тікелей қосылған генератордан берілуі мүмкін.
Құрылыс
Электр қозғалтқыштарының негізгі компоненттері – статор және ротор. Синхронды және индукциялық моторлардың статорлары құрылысы жағынан ұқсас. Синхронды мотордың құрылысы синхронды генератордың құрылысына ұқсас. Статор қаңқасында орама пластинасы болады (жұмбалы роторлы синхронды қос қоректендірілген электр машиналарын қоспағанда). Айналма пластинаға шеңберлік қабырғалар мен кілттер бекітіледі. Машинаның салмағын ұстап тұру үшін рамалық тіреулер мен негіздер қажет. Синхронды статор орамы 3 фазалық орамадан тұрады. Ол 3 фазалық қуатпен жабдықталған, ал ротор тұрақты токпен жабдықталған. Тұрақты токпен қоздырылатын моторларға қоздыру қуатына қосылу үшін щеткалар мен сырғалар қажет. Өріс орамын щеткасыз қоздырғыш қоздыра алады. Цилиндрлі, дөңгелек роторлар (сонымен қатар, полюсі шығыңқы емес ротор деп те аталады) алты полюске дейін қолданылады. Кейбір машиналарда немесе көп полюстер қажет болған жағдайда, полюсі шығыңқы ротор қолданылады. Көптеген синхронды моторлар стационарлық якорь және айналатын өріс орамасын қолданады. Бұл құрылыс түрі тұрақты токпен жұмыс істейтін моторларға қарағанда артықшылыққа ие, онда якорь айналатын түрде қолданылады.
Операция
Электр қозғалтқыштары статор мен ротордың магнит өрістерінің өзара әрекеттесуінен қуат тудырады. Синхронды қозғалтқыштарда статор 3 фазалы токпен жұмыс істейді және 3 фазалы айналмалы магнит ағысын (соның салдарынан айналмалы магнит өрісін) тудырады. Ротор айналмалы магнит өрісімен синхронды болып, оның ілесінде айналады. Ротор өрісі айналмалы магнит өрісімен бекітілгеннен кейін, қозғалтқыш синхронды деп есептеледі. Бір фазалы (немесе бір фазадан туындаған екі фазалы) статор да мүмкін, бірақ мұндай жағдайда айналу бағыты белгіленбеген және іске қосу құрылғыларының араласуы болмаса, машина кез келген бағытта іске қосылуы мүмкін.
Бастау әдістері
Белгілі бір өлшемнен асып кеткенде синхронды қозғалтқыштар өздігінен іске қосыла алмайды. Бұл қасиет ротордың инерциясына байланысты; ол статордың магниттік өрісінің айналысына дер кезінде ілесе алмайды. Синхронды қозғалтқыш тоқтаған кезде орташа қозғалтқыш моментін өндірмейді, сондықтан қосымша механизмсыз синхронды жылдамдыққа дейін үдеу мүмкін емес. Электрондық басқаруы бар қозғалтқыштарды статор тогының жиілігін өзгерту арқылы нөлдік жылдамдықтан үдетуге болады. Шағын синхронды қозғалтқыштар электр желісінің жиілігін пайдаланып, дұрыс жылдамдықпен беріліс механизмін іске қосатын электрлік-механикалық сағаттарда немесе таймерлерде кеңінен қолданылады. Егер ротордың инерция моменті мен оның механикалық жүктемесі жеткілікті кішкентай болса, мұндай шағын синхронды қозғалтқыштар көмексіз іске қосылуы мүмкін. Қозғалтқыш, қарсылық моментінің үдеу кезеңіндегі жарты цикл ішінде тайғанақ жылдамдығынан синхронды жылдамдыққа дейін үдейді. Роторды қуатпен қамтамасыз ету мәселені шешудің бір жолы. Сонымен қатар, үлкен синхронды машиналарды іске қосу әдістеріне іске қосылған кезде ротор полюстерінің қайталама полярлық инверсиясы кіреді.
Синхронды конденсатор ретінде пайдалану
Синхронды қозғалтқыштың қозуын өзгерту арқылы, оны кешіктірілген, алдынғы және бірлік қуат коэффициентімен жұмыс істеуге болады. Қуат коэффициенті бірлікке тең болатын қозу, нормативтік қозу кернеуі деп аталады. Осы қозудағы ток шамасы ең төменгі болады. Синхронды машинаның V қисығы арматура тогын өріс тогының функциясы ретінде көрсетеді. Өріс тогының артуымен арматура тогы алдымен төмендейді, содан кейін ең төменгі мәнге жетеді, одан кейін артады. Ең төменгі нүкте – қуат коэффициенті бірлікке тең болатын нүкте. Қуат коэффициентін таңдап басқару мүмкіндігі, қозғалтқыш қосылған қуат жүйесінің қуат коэффициентін түзету үшін пайдаланылуы мүмкін. Көптеген маңызды жүйелердің қуат коэффициенті кешіктірілген болғандықтан, артық қозуға ие синхронды қозғалтқыштар жүйенің қуат коэффициентін бірлікке жақындатып, тиімділікті арттырады. Мұндай қуат коэффициентін түзету көбінесе жүйеде механикалық жұмыс атқару үшін орнатылған қозғалтқыштардың қосалқы нәтижесі болып табылады, бірақ қозғалтқыштарды тек қуат коэффициентін түзету үшін механикалық жүктемесіз де іске қосуға болады. Ірі өнеркәсіптік кәсіпорындарда, мысалы, зауыттарда синхронды қозғалтқыштар мен басқа кешіктірілген жүктемелер арасындағы өзара әрекеттесу, кәсіпорынның электрлік жобасында нақты қарастырылуы мүмкін.