Введение

Тип электродвигателя переменного тока

Синхронный электродвигатель – это электродвигатель переменного тока, в котором, в установившемся режиме, вращение вала синхронизировано с частотой питающего тока; период вращения точно равен целому числу циклов переменного тока. Синхронные двигатели используют электромагниты в качестве статора, которые создают магнитное поле, вращающееся синхронно с колебаниями тока. Ротор, оснащенный постоянными магнитами или электромагнитами, вращается в такт со статорным полем с той же скоростью, создавая второе синхронизированное вращающееся магнитное поле. Синхронный двигатель называется двойным, если он питается от независимо возбужденных многофазных электромагнитов как на роторе, так и на статоре. Синхронные и асинхронные двигатели являются наиболее широко используемыми электродвигателями переменного тока. Синхронные двигатели вращаются с частотой, жестко связанной с частотой сети, поскольку для создания магнитного поля ротора они не используют явление индукции. Асинхронным двигателям требуется проскальзывание: ротор должен вращаться с частотой немного ниже частоты переменного тока, чтобы индуцировать ток в роторе. Небольшие синхронные двигатели используются в приложениях точного измерения времени, таких как синхронные часы, таймеры в бытовой технике, магнитофоны и прецизионные сервомеханизмы, где требуется точное поддержание скорости вращения; точность зависит от частоты электросети, которая тщательно контролируется в крупных взаимосвязанных энергосистемах. Синхронные двигатели доступны с самовозбуждением, дробными…

Не возбужденные

В невозбужденных двигателях ротор изготавливается из стали. Он вращается синхронно с вращающимся магнитным полем статора, поэтому через него проходит почти постоянное магнитное поле. Внешнее магнитное поле статора намагничивает ротор, индуцируя необходимые для вращения магнитные полюса. Ротор изготавливается из стали с высокой остаточной намагниченностью, такой как кобальтовая сталь. Они производятся в конструкциях с постоянными магнитами, релюктансными и гистерезисными.

Постоянный магнит

Синхронный двигатель с постоянными магнитами (PMSM) использует постоянные магниты, встроенные в ротор, для создания постоянного магнитного поля. Статор содержит обмотки, подключенные к источнику переменного тока, для создания вращающегося магнитного поля (как в асинхронном двигателе). При синхронной скорости полюса ротора синхронизируются с вращающимся магнитным полем. PMSM аналогичны бесщеточным двигателям постоянного тока. Наиболее распространены неодимовые магниты, однако резкие колебания цен на неодим стимулировали исследования ферритовых магнитов. В силу особенностей ферритовых магнитов, магнитная цепь этих машин должна обеспечивать концентрацию магнитного потока, что обычно приводит к применению роторов спицевого типа. Машины, использующие ферритовые магниты, имеют меньшую удельную мощность и удельный крутящий момент по сравнению с машинами на неодимовых магнитах. Для запуска большинства PMSM требуется частотный преобразователь. Однако некоторые оснащены короткозамкнутой обмоткой в роторе для самозапуска – такие двигатели называются двигателями с пуском от сети или самозапускающимися. Они обычно используются в качестве более эффективной замены асинхронным двигателям (благодаря отсутствию скольжения), но необходимо обеспечивать достижение синхронной скорости и устойчивость системы к пульсациям крутящего момента при запуске. Управление PMSM обычно осуществляется с помощью прямого управления крутящим моментом и векторного управления.

Нежелание

Двигатели с релюктансным моментом имеют литой стальной ротор с выступающими (сальентными) зубчатыми полюсами. Обычно число полюсов ротора меньше, чем полюсов статора, чтобы минимизировать пульсации момента и предотвратить одновременное выравнивание всех полюсов – положение, при котором невозможно создать момент. Размер воздушного зазора в магнитной цепи, а следовательно, и релюктанс, минимальны, когда полюса ротора совпадают с (вращающимся) магнитным полем статора, и увеличиваются с углом между ними. Это создает момент, который притягивает ротор к ближайшему полюсу поля статора. При синхронной скорости ротор таким образом "захватывается" вращающимся полем статора. Это не позволяет двигателю запуститься, поэтому полюса ротора обычно имеют обмотки типа "беличья клетка", встроенные в них, для обеспечения момента ниже синхронной скорости. Таким образом, машина запускается как асинхронный двигатель, пока не приблизится к синхронной скорости, когда ротор "подхватывается" и фиксируется в поле статора. Диапазон мощностей релюктансных двигателей простирается от долей лошадиной силы (несколько ватт) до примерно 22 кВт. Небольшие релюктансные двигатели имеют низкий момент и обычно используются в приборостроении. Двигатели умеренного момента, мощностью в несколько лошадиных сил, используют конструкцию с "беличьей клеткой" и зубчатыми роторами. При использовании с регулируемым источником питания частоты все двигатели в системе привода могут работать с одинаковой скоростью. Частота питания определяет рабочую скорость двигателя.

Гистереза

Гистерезисные двигатели имеют цельный, гладкий цилиндрический ротор, отлитый из высококоэрцитивной магнитно-твёрдой кобальтовой стали. Питание может осуществляться от отдельного источника или от генератора, непосредственно соединенного с валом двигателя.

Строительство

Основными компонентами электродвигателей являются статор и ротор. Статоры синхронного и индукционного двигателей схожи по конструкции. Конструкция синхронного двигателя аналогична конструкции синхронного генератора. Рама статора содержит оберточную пластину (за исключением синхронных двигателей с обмоткой ротора). К оберточной пластине крепятся окружные ребра и ключи. Для восприятия веса машины требуются монтажные элементы и фундамент. Обмотка статора синхронного двигателя состоит из трехфазной обмотки. Она питается трехфазным напряжением, а ротор – постоянным током. Для двигателей с возбуждением постоянным током необходимы щетки и контактные кольца для подключения к источнику возбуждения. Обмотка возбуждения может питаться от бесщеточного возбудителя. Цилиндрические роторы (также известные как роторы с гладкими полюсами) используются для двигателей с количеством полюсов до шести. В некоторых машинах или при большом количестве полюсов используется ротор с выступающими полюсами. В большинстве конструкций синхронных двигателей используется неподвижная обмотка якоря и вращающаяся обмотка возбуждения. Эта конструкция имеет преимущество перед двигателями постоянного тока, в которых обмотка якоря является вращающейся.

Операция

Электродвигатели вырабатывают мощность благодаря взаимодействию магнитных полей статора и ротора. В синхронных двигателях статор питается трехфазным током и создает трехфазный вращающийся магнитный поток (и, следовательно, вращающееся магнитное поле). Ротор в конечном итоге синхронизируется с вращающимся магнитным полем и вращается вместе с ним. Как только магнитное поле ротора синхронизируется с вращающимся магнитным полем, двигатель считается синхронным. Возможно использование однофазного (или двухфазного, полученного из однофазного) статора, но в этом случае направление вращения не определено, и машина может начать вращаться в любом направлении, если это не предотвращено пусковым устройством.

Начальные методы

Свыше определенного размера синхронные двигатели не могут запускаться самостоятельно. Это свойство обусловлено инерцией ротора, который не способен мгновенно следовать за вращением магнитного поля статора. Поскольку синхронный двигатель не развивает собственного среднего крутящего момента в состоянии покоя, он не может разогнаться до синхронной скорости без вспомогательного механизма. Электронно-управляемые двигатели могут быть ускорены от нулевой скорости путем изменения частоты тока статора. Небольшие синхронные двигатели часто используются в электромеханических часах или таймерах, работающих от сетевой частоты, для привода зубчатого механизма с необходимой скоростью. Такие небольшие синхронные двигатели способны запускаться без посторонней помощи, если момент инерции ротора и его механической нагрузки достаточно мал. Двигатель ускоряется от скорости скольжения до синхронной скорости в течение ускоряющейся половины цикла релюктантного момента. Возбуждение ротора является одним из способов решения этой проблемы. Кроме того, методы запуска больших синхронных машин включают многократную инверсию полярности полюсов ротора в процессе запуска.

Использование в качестве синхронного конденсатора

Изменяя возбуждение синхронного двигателя, можно добиться работы с отстающим, опережающим и единичным коэффициентом мощности. Возбуждение, при котором коэффициент мощности равен единице, называется нормальным напряжением возбуждения. Величина тока при этом возбуждении минимальна. V-образная характеристика синхронной машины показывает зависимость тока якоря от тока возбуждения. С увеличением тока возбуждения ток якоря сначала уменьшается, затем достигает минимума и после этого возрастает. Точка минимума также соответствует единичному коэффициенту мощности. Эта возможность селективного управления коэффициентом мощности может быть использована для коррекции коэффициента мощности энергосистемы, к которой подключен двигатель. Поскольку большинство энергосистем значительного размера имеют суммарный отстающий коэффициент мощности, наличие перегруженных синхронных двигателей приближает суммарный коэффициент мощности системы к единице, повышая эффективность. Такая коррекция коэффициента мощности обычно является побочным эффектом работы двигателей, уже присутствующих в системе для выполнения механической работы, хотя двигатели могут работать и без механической нагрузки, исключительно для коррекции коэффициента мощности. На крупных промышленных предприятиях, таких как заводы, взаимодействие между синхронными двигателями и другими нагрузками с отстающим коэффициентом мощности может быть учтено при проектировании электрооборудования предприятия.