Схема синхронного и асинхронного двигателя

Что такое синхронный двигатель и как он работает?

В качестве устройства преобразования электрической энергии в механическую в промышленности и быту используется синхронный электродвигатель. В сравнении с другими типами электрических машин он получил меньшее распространение, но в отведенных сферах является незаменимым фаворитом. В чем особенность синхронных агрегатов и как их применяют на практике, мы рассмотрим в данной статье.

Схемы подключения асинхронного и синхронного однофазных двигателей

Сегодня мы рассмотрим подключение однофазного двигателя переменного тока. К таким относят асинхронные и синхронные моторы, питающиеся от одной фазы, которая обычно имеет напряжение 220 Вольт. Они очень распространены в бытовой сфере и мелком производстве, частном предпринимательстве.

Асинхронный электродвигатель: устройство, принцип работы, виды

Одним из наиболее распространенных типов электрических машин в мире является асинхронный электродвигатель. За счет высокой надежности и неприхотливости в работе такие агрегаты получили широкое распространение в самых различных отраслях промышленности и сельского хозяйства, они помогают решать бытовые и общепроизводственные задачи любой сложности. Поэтому в данной статье мы детально рассмотрим особенности асинхронных двигателей.

Как работает электродвигатель [для чайников]

Сегодня электродвигатели всё чаще приходят на замену безнадежно устаревшим бензиновым агрегатам и используются как в современном транспорте, так и в многочисленных электронных устройствах. Примеры использования этих силовых агрегатов можно встретить повсюду. Вибровызов в телефоне осуществляется благодаря работе электродвигателя, современный электровелосипед тоже едет благодаря электродвигателю и даже «любимое» метро — всё это электродвигатели.

Разновидностей электродвигателей сегодня существует огромное количество, но есть один важный фактор, который будет практически для всех них схожим. Речь идёт о физике работы этого типа устройств. Отметим, что далеко не все они будут использовать в своей работе описываемый далее принцип, но большая часть электродвигателей работают именно так. Как минимум, физический эффект, на котором всё это держится, сохраняется. Прежде, чем обсуждать подробно физику процесса, благодаря которому происходит вращение электродвигателя, рассмотрим сначала конструкцию простейшего двигателя.

Синхронный двигатель с постоянными магнитами

Главное отличие между синхронным двигателем с постоянными магнитами (СДПМ) и асинхронным электродвигателем заключается в роторе. Проведенные исследования 1 показывают, что СДПМ имеет КПД примерно на 2% больше, чем высоко эффективный (IE3) асинхронный электродвигатель, при условии, что статор имеет одинаковую конструкцию, а для управления используется один и тот же частотный преобразователь. При этом синхронные электродвигатели с постоянными магнитами по сравнению с другими электродвигателями обладают лучшими показателями: мощность/объем, момент/инерция и др.

Устройство

Конструктивно синхронный электродвигатель состоит из неподвижного элемента, подвижной части, обмоток различного назначения, может комплектоваться коллекторным узлом. Далее рассмотрим каждую составляющую синхронного агрегата более детально на рабочем примере (рисунок 1).

  • Статор или якорь – выполняется из электротехнической стали монолитным или наборным из шихтованного железа. Предназначен для размещения рабочей обмотки, проводит силовые линии электромагнитного поля, формируемого протекающими токами.
  • Обмотка на статоре – изготавливается из медных проводников, в зависимости от типа статора синхронного электродвигателя может выполняться различными методами, способами намотки и расположения проводников. Применяется для подачи напряжения питания и формирования рабочего магнитного потока.
  • Ротор с обмоткой возбуждения – предназначен для взаимодействия с магнитным полем статора. В результате подачи напряжения на обмотку возбуждения в роторе электродвигателя создается собственное магнитное поле, задающее состояние вращающегося элемента.
  • Вал – используется для передачи вращательного усилия от электродвигателя к подключаемой к нему нагрузке. В большинстве случаев это основание, на котором крепиться шихтовка или полюса ротора, подшипники, кольца, пластины и другие вспомогательные элементы.
  • Контактные кольца – применяются для подачи питания на обмотки ротора, но устанавливаются не во всех моделях синхронных агрегатов. Питание производиться через специальный преобразователь переменного напряжения в постоянное.
  • Корпус – предназначен для защиты от воздействия внешних факторов, обеспечивает синхронному двигателю достаточную прочность и герметичность, в зависимости от условий его эксплуатации.

Асинхронный электродвигатель

Итак, надо начать с рассмотрения конструкции асинхронной модели. Основное отличие от синхронной – это наличие трех обмоток в статоре, концы которых выводятся для подключения в клеммную коробку. Вторая основная часть мотора – ротор цельного типа, торцы которого замыкаются между собой, отсюда, в принципе, и название – короткозамкнутый.

Дополнением конструкции является крыльчатка, с помощью которой охлаждается двигатель. Устанавливается крыльчатка на вал (ротор) электрического мотора. Сам ротор держится и вращается в подшипниках, установленных в двух крышках корпуса. Обратите внимание, что именно подшипники и являются самым уязвимым местом агрегата. Именно они чаще всего выходят из строя. Правда, заменить их не очень сложно.

По какому принципу работает асинхронный двигатель? Внутри корпуса мотора, где расположены обмотки статора, возникает магнитное поле, которое действует на ротор, заставляя его вращаться под действием возникшей электродвижущей силы. Но вращение ротора может быть только в том случае, если скорость вращения магнитного поля будет быстрее вращения самого вала двигателя. Если скорости будут одинаковыми, то электродвижущая сила не появится.

Но в любом случае этого произойти не может, потому что здесь несколько причин, сдерживающих скорость вращения ротора.

  • Трение в подшипниках.
  • Нагрузка на сам вал.

Но самое главное, что магнитные полюса в асинхронном двигателе постоянно меняются, что влияет на смену направлений тока в статоре электродвигателя. То есть, в определенное время ток начинает вращаться «на нас», а в следующий промежуток «от нас». Именно поэтому такие двигатели называются асинхронными, у них просто нет стабильного направления тока.

Синхронный двигатель

Что касается скорости вращения ротора, то тут необходимо сделать одно замечание. Этот показатель будет зависеть от того, сколько полюсов одномоментно подключено к питанию. К примеру, максимальная скорость вращения вала будет при двух подключенных полюсах. Чтобы снизить данный показатель, необходимо добавить еще два полюса, то есть, увеличить их вдвое.

И еще один недостаток. Асинхронные двигатели при работе обладают разной скоростью вращения вала. К примеру, на холостом ходу это может быть одна величина, при нагрузке она резко снижается. По сути, получается так, что изменение частоты тока влияет на скорость вала. Другого способа изменить скорость вращения не существует.

Конструкция простейшего электродвигателя

Самый простой вариант электродвигателя

Простейший электродвигатель

Опять-таки, отметим, что рассматриваемая конструкция — это далеко не единственный вариант реализации подобных устройств. Однако, большая часть приборов работает именно так и среди бытовых приборов или в транспорте вы вряд ли обнаружите что-то другое. Поэтому, рассмотрим простейшую схему и элементарный вариант реализации прибора.

Конструкция самого простого электродвигателя является довольно примитивной. Он состоит из статора и ротора. Всё это убрано в корпус и подсоединяется проводами к источнику электрической энергии. Ещё есть подшипники, но это вещь сугубо механическая и нас сейчас не особенно интересует.

Части двигателя

Статор — это неподвижная часть. Преимущественно неподвижная часть представлена постоянными магнитами. Но бывает и обратный вариант, когда на статоре выполнена обмотка. Различие обусловлено тем, в сети какого типа работает двигатель — постоянного или переменного тока.

Ротор — это подвижная часть, которая, как правило является якорем, а на нем выполнена обмотка. К ротору подходят щётки, на которые подается электрический ток.

Щетки подключаются проводами к источнику питания. Именно они «передают электричество». Но щетки есть не во всех конструкциях двигателей.

Вся конструкция смонтирована в корпус и в закрытом виде представляет собой готовый к работе силовой агрегат. Иногда на ротор двигателя ещё добавляется крыльчатка вентилятора, которая обеспечивает циркуляцию воздуха через агрегат и его дополнительное охлаждение. Так обычно монтируются двигатели постоянного тока.

На валу двигателя мы получаем крутящий момент, который прекрасно можно использовать для своих нужд. Например, передать его посредством зубчатой передачи на редуктор или использовать непосредственно для получения полезной работы (как в вентиляторе дома).

Женщина доила корову, а воде отражалось всё наоборот. Такое может быть и с конструкцией электродвигателя. Тогда намотка там будет на статоре, вместо ротора. Это уже будут двигатели переменного тока. Сам же ротор будет выполнен или из постоянных магнитов, или выглядеть как короткозамкнутая клетка (её ещё именуют беличье колесо).

Бывает также, что и статор, и ротор электродвигателя представляют собой обмотки. Тогда картина незначительно меняется. Правда смысл всё равно сохраняется прежним. Про принципы конструирования таких машин мы поговорим чуть позже.

Конструкции и типы синхронного электродвигателя с постоянными магнитами

Синхронный электродвигатель с постоянными магнитами, как и любой вращающийся электродвигатель, состоит из ротора и статора. Статор – неподвижная часть, ротор – вращающаяся часть.

СДПМ

Обычно ротор располагается внутри статора электродвигателя, также существуют конструкции с внешним ротором – электродвигатели обращенного типа.

Ротор состоит из постоянных магнитов. В качестве постоянных магнитов используются материалы с высокой коэрцитивной силой.

    По конструкции ротора синхронные двигатели делятся на: ; .

Электродвигатель с неявно выраженными полюсами имеет равную индуктивность по продольной и поперечной осям Ld = Lq, тогда как у электродвигателя с явно выраженными полюсами поперечная индуктивность не равна продольной Lq ≠ Ld.

Сечение роторов с разным отношением Ld/Lq

    Также по конструкции ротора СДПМ делятся на: ; .

SPMSM

IPMSM

Статор состоит из корпуса и сердечника с обмоткой. Наиболее распространены конструкции с двух- и трехфазной обмоткой.

    В зависимости от конструкции статора синхронный двигатель с постоянными магнитами бывает:
  • с распределенной обмоткой;
  • с сосредоточенной обмоткой.

Статор электродвигателя с распределенной обмоткой

Сосредоточенная обмотка

Распределенной называют такую обмотку, у которой число пазов на полюс и фазу Q = 2, 3. k.

Сосредоточенной называют такую обмотку, у которой число пазов на полюс и фазу Q = 1. При этом пазы расположены равномерно по окружности статора. Две катушки, образующие обмотку, можно соединить как последовательно, так и параллельно. Основной недостаток таких обмоток – невозможность влияния на форму кривой ЭДС [2].

Схема распределенной обмотки

Схема сосредоточенной обмотки

    Форма обратной ЭДС электродвигателя может быть:
  • трапецеидальная;
  • синусоидальная.

Форма кривой ЭДС в проводнике определяется кривой распределения магнитной индукции в зазоре по окружности статора.

Известно, что магнитная индукция в зазоре под явно выраженным полюсом ротора имеет трапециидальную форму. Такую же форму имеет и наводимая в проводнике ЭДС. Если необходимо создать синусоидальную ЭДС, то полюсным наконечникам придают такую форму, при которой кривая распределения индукции была бы близка к синусоидальной. Этому способствуют скосы полюсных наконечников ротора [2].

Принцип работы

В основе работы синхронного электродвигателя лежит взаимодействие магнитного потока, генерируемого рабочими обмотками с постоянным магнитным потоком. Наиболее распространенной моделью синхронной электрической машины является вариант с рабочей обмоткой на статоре и обмоткой возбуждения на роторе.

Принцип действия синхронного электродвигателя

Рис. 2. Принцип действия синхронного электродвигателя

Как видите на рисунке 2 выше, в обмотку статора подается трехфазное напряжение из сети, которое формирует переменное магнитное поле. На обмотки ротора электродвигателя подано постоянное напряжение, которое индуцирует такой же постоянный магнитный поток у полюсов. Для наглядности рассмотрим процесс на упрощенной модели синхронного агрегата (рисунок 3).

Принцип формирования потоков в синхронной электрической машине

Рис. 3. Принцип формирования потоков в синхронной электрической машине

При подаче питания на фазные витки статора электродвигателя первый пик амплитуды тока и ЭДС взаимоиндукции приходиться на фазу A, затем B и фазу C.

На графике показана периодичность чередования кривых в зависимости от времени:

  • в точке 1 максимальная ЭДС EA формирует максимальный поток, а электродвижущие силы фаз EB и EC равны между собой и противоположны по знаку, они дополняют результирующую силу.
  • в точке 2 пика достигает ЭДС EB, а электродвижущие силы фаз EA и EC становятся равны между собой и противоположны по знаку, они дополняют результирующую силу, в результате чего магнитное поле совершает вращательное движение.
  • в точке 3 максимум приходиться на ЭДС EC, а электродвижущие силы фаз EB и EA вместе дополняют результирующую силу и снова смещают вектор поля по часовой стрелке.

Оборот поля статора происходит в течении периода, а за счет того, что ротор обладает собственным электромагнитным усилием постоянным во времени, то он синхронно следует за движением переменного магнитного поля, вращаясь вокруг заданной оси. В результате такого вращения происходит синхронное движение ротора вслед за сменой амплитуды ЭДС в витках рабочих обмоток, за счет этого явления электродвигатель и получил название синхронного. Наличие отдельного питания отразилось и на схематическом обозначении таких электрических машин (рисунок 4) в соответствии с ГОСТ 2.722-68.

Схематическое обозначение синхронного электродвигателя

Рис. 4. Схематическое обозначение синхронного электродвигателя

Основные достоинства и недостатки

  1. Асинхронные агрегаты не требуют какого-либо дополнительного источника питания. Синхронным необходим дополнительный источник постоянного тока для подачи напряжения на обмотки.
  2. Синхронники обладают относительно невысокой чувствительностью к перепадам сетевого напряжения и стабильностью вращения вне зависимости от нагрузки.
  3. Индукционные двигатели не требуют наличия контактных колец, за исключением двигателей с фазным ротором, которые их имеют для плавного пуска или регулирования скорости. В синхронных двигателях больше уязвимых мест, так как используются контактные кольца со щетками. Следовательно, детали быстрее изнашиваются и контакт между ними ослабевает.
  4. Синхронники нуждаются во вспомогательных пусковых механизмах, так как не обладают функцией самопуска. Для индукционных электродвигателей, имеющих собственные пусковые моменты, такой механизм не требуется.

Принцип работы синхронного двигателя

Принцип действия синхронного электродвигателя основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля статора и постоянного магнитного поля ротора. Концепция вращающегося магнитного поля статора синхронного электродвигателя такая же, как и у трехфазного асинхронного электродвигателя.

Принцип работы синхронного двигателя основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля статора и постоянного магнитного поля ротора.

Магнитный поток синхронного двигателя

Магнитное поле ротора, взаимодействуя с синхронным переменным током обмоток статора, согласно закону Ампера, создает крутящий момент, заставляя ротор вращаться (подробнее).

Постоянные магниты, расположенные на роторе СДПМ, создают постоянное магнитное поле. При синхронной скорости вращения ротора с полем статора, полюса ротора сцепляются с вращающимся магнитным полем статора. В связи с этим СДПМ не может сам запуститься при подключении его напрямую к сети трехфазного тока (частота тока в сети 50Гц).

Какой агрегат лучше

В заключение нужно отметить, что говорить, якобы один мотор лучше другого, нельзя. Однако, асинхронные модели надежнее в эксплуатации, отличаются простотой конструкции. Если агрегаты не перегружать, то их длительным сроком службы пользователь может остаться довольным.

Достоинством синхронной модели является то, что можно легко установить высокий коэффициент мощности. Поэтому модель является гораздо более эффективной, но по цене она будет соответственно дороже. Машины применяются в системах с требуемой мощностью 100 кВт и более.

Физический принцип работы электродвигателя постоянного тока

Если мы вспомним закон Ампера, то будет понятно, что на проводник с током в магнитном поле действует некоторая сила. Именно это обстоятельство позволяет получить вращающийся якорь.

Вспомним самый простой опыт, который показывают школьникам. Рамку с током помещают в магнитное поле и она начинает двигаться. Правда двигается она недолго, а скорее дергается. Всему виной несовпадение векторов. Размести мы магниты слегка иначе и получили бы постоянное движение.

Силы Ампера, действующие на боковые стороны рамки, будут создавать вращающий момент, величина которого пропорциональна магнитной индукции, силе тока в рамке, ее площади S и зависит от угла a между вектором магнитной индукции и нормалью к рамке.

Рамка с током в магнитном поле

Рамка с током в магнитном поле

В представленной ситуации рамка будет вращаться только тогда, когда вектора Fа будут не деформировать её, а придавать вращательное движение.

Вот так крутится рамка

Для этого в данном примере рамку нужно повернуть на 90 градусов. Теперь представим, что якорь нашего двигателя весь состоит из таких рамок, их очень много. Это улучшит процесс движения.

Вот и получился самый простой электрический двигатель постоянного тока.

Теперь представим, как будет выглядеть поведение такого двигателя при включении в цепь с переменным током. Он начнет танцевать в разные стороны. Ведь переменный электрический ток отличается тем, что регулярно меняет своё направление. Рамка с током, через которую он проходит, будет также менять направление своего движения. Крутиться равномерно такая штука не сможет. Поэтому, в переменных сетях используется двигатели переменного тока. Двигатель постоянного тока конечно же сможет работать в переменной сети, но для этого нужно использовать выпрямитель перед ним.

Правда бывают и универсальные электродвигатели, которые одинаково комфортно юзаются и там, и там. Но про это чуть позже.

Разновидности

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

  • питающему напряжению;
  • частоте рабочего напряжения;
  • количеству оборотов.

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

  • С обмоткой возбуждения на роторе – синхронизирующее усилие создается за счет подачи питания от преобразователя.
  • С магнитным ротором – на валу устанавливается постоянный магнит, выполняющий те же функции, что и обмотка возбуждении, но без необходимости подпитки (см. рисунок 6).

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

Пример реактивного ротора

Рис. 7. Пример реактивного ротора

В зависимости от наличия полюсов все синхронные электродвигатели можно подразделить на:

  • явнополюсные – в конструкции четко видны обособленные полюса с обмотками, применяются для малых скоростей;
  • неявнополюсные – полюс не выделяется, такие модели устанавливают для высоких скоростей;

В зависимости от расположения рабочих обмоток различают прямые (на статоре) и обращенные (рабочие обмотки на роторе).

Синхронный и асинхронный двигатели переменного тока

Двигатели переменного тока подразделяют на синхронные и асинхронные. Для постоянного тока это разделение не имеет особого смысла. Ведь там нет как такового понятия фаза и изменения направления тока.

Логика работы в обоих двигателях одинаковая. Но, судя по названию, в асинхронном что-то должно происходить ни в такт с основным процессом.

Синхронный и асинхронный двигатели отличаются преимущественно конструкцией ротора.

В роторе синхронного двигателя предусмотрена обмотка с независимой подачей напряжения или постоянные магнитики. Они толкают ротор относительно пульсирующего магнитного поля.

Ротор синхронного двигателя

У асинхронного ротора ток формируется с помощью магнитного статорного поля. В соответствии с законом электромагнитной индукции под действием прямого и обратного магнитных потоков в обмотке ротора станет действовать электродвижущая сила. Ротор похож по своей конструкции на колесо для грызуна. Но бывают и варианты с обмоткой, расположенной определенным образом.

Ротор асинхронного двигателя

В синхронном двигателе поля статора и ротора взаимодействуют друг с другом и имеют равную скорость. Ротор вращается в соответствии и точно в такт с полем статора. Частота вращения ротора синхронна частоте тока обмотки статора.

У асинхронных агрегатов имеет место разность магнитного поля роторного и статорного механизма на величину скольжения. Это то самое проскальзывание. Обороты асинхронного двигателя под нагрузкой всегда на величину скольжения отстают от вращения магнитного поля статора.

Не забываем, что обмотка ротора асинхронного двигателя, будь-то клетка или катушки под 120 градусов, является замкнутым контуром. В ней наводится ЭДС, а возникающий магнитный поток придает вращение ротору, отталкиваясь от пульсирующего магнитного поля статора. Движется эта кухня в направлении движения магнитного потока статора. Вращающий электромагнитный момент пытается уравнять скорости вращения магнитных полей статора и ротора, но это не всегда получается (а лучше сказать — никогда). Ведь уровнять эти моменты можно лишь в случае, если создавать поля одновременно, как в синхронном двигателе. Также влияет механическая нагрузка, которая подключена к валу ротора и мешает догнать поле. Но и в свободном состоянии эти цифры будут различаться. Ведь у любого механизма имеется некоторая инертность, а на время появления поля в замкнутой клетке (т.е. роторе асинхронного двигателя) тоже требуется время.

Вообщем-то, это основные вещи, которые вам следует уяснить. Всё остальное — это погружение в особенности конструкций конкретных агрегатов.

Способы пуска и схемы подключения

Для запуска синхронного электродвигателя требуется дополнительное поле, независимое от воздействия сети. В то же время, на стартовом этапе запуск представляет собой асинхронный процесс, пока агрегат не достигнет синхронной скорости.

Схема пуска синхронного двигателя

Рис. 8. Схема пуска синхронного двигателя

При подаче напряжения на якорь возникает ток в его обмотках и генерация ЭДС в железе ротора, который обеспечивает асинхронное движение до того момента, пока не начнется питание обмоток возбуждения.

Еще одним распространенным вариантом пуска является использование дополнительных генераторов, которые могут располагаться на валу или устанавливаться отдельно. Такой метод обеспечивает дополнительное стартовое усилие за счет стороннего крутящего момента.

Генераторный способ пуска синхронного двигателя

Рис. 9. Генераторный способ пуска синхронного двигателя

Как видите на рисунке 9, начальное вращение мотора М осуществляется за счет генератора G, который призван вывести устройство на подсинхронную скорость. Затем генератор выводится из рабочей цепи путем размыкания контактов КМ или автоматически при установке рабочих характеристик. Дальнейшее поддержание синхронного режима происходит за счет подачи постоянного напряжения в обмотку возбуждения.

Помимо этого на практике используется схема пуска с полупроводниковыми преобразователями. На рисунке 10 приведен способ тиристорного преобразователя и с установкой вращающихся выпрямителей.

Тиристорная схема пуска синхронного двигателя

Рис. 10. Тиристорная схема пуска синхронного двигателя

В первом случае запуск синхронного электродвигателя характеризуется нулевым напряжением от преобразователя UD. За счет ЭДС скольжения через стабилитроны VD осуществляется открытие тиристоров VS. В цепь обмотки возбуждения вводится резистор R, предназначенный для предотвращения пробоя изоляции. По мере разгона электродвигателя ЭДС скольжения пропорционально снизится и произойдет запирание стабилитронов VD, цепочка заблокируется, и обмотка возбуждения получит питание постоянным напряжением через UD.

Применение

Область применения синхронных электрических машин охватывает производство электрической энергии на электростанциях. По видам генераторы подразделяются на турбинные, дизельные и гидравлические, в зависимости от способа приведения их во вращение.

Также их используют в качестве электродвигателей, которые могут переносить существенные перегрузки в процессе эксплуатации. Такие двигатели устанавливаются на вентиляторах, компрессорах, силовых агрегатах и прочем оборудовании. Отдельная категория электродвигателей применяется в точном оборудовании, где важна синхронизация операций и процессов.

Оцените статью
Рейтинг автора
4,8
Материал подготовил
Егор Новиков
Наш эксперт
Написано статей
127
А как считаете Вы?
Напишите в комментариях, что вы думаете – согласны
ли со статьей или есть что добавить?
Добавить комментарий