Синхронный электродвигатель с обмоткой возбуждения

Аналогия с муфтой

Рассматривая принцип действия асинхронного электродвигателя, используемого в промышленных машинах, и его технические характеристики, нужно сказать про вращающуюся муфту механического сцепления . Крутящий момент на валу привода должен равняться крутящему моменту на ведомом валу. Кроме того, следует подчеркнуть, что эти два момента являются одним и тем же, поскольку крутящий момент линейного преобразователя вызывается трением между дисков внутри самой муфты.

Электромагнитная муфта сцепления

Похожий принцип действия и у тягового двигателя с фазным ротором. Система такого мотора состоит из восьми полюсов (из которых 4 – основные, а 4 – добавочные), и остовы. На основных полюсах расположены медные катушки. Вращение такого механизма обязано зубчатой передаче, которая получает крутящий момент от вала якоря, так же называемого сердечником. Включение в сеть, производится четырьмя гибкими кабелями. Основное назначение многополюсного электродвигателя – приведение в движение тяжелой техники: тепловозы, тракторы, комбайны и в некоторых случаях, станки.

Citroen Berlingo, 2015 г.

Электродвигатели постоянного тока

Двигатели постоянного тока широко применяются в качестве привода электротранспорта, промышленного оборудования, а также микропривода исполнительных механизмов. Такие электрические машины обладают следующими преимуществами:

• Возможность регулировки частоты вращения путем изменения напряжения в обмотке возбуждения. При этом крутящий момент на валу ДПТ (двигатели постоянного тока) остается неизменным.
• Высокий к.п.д. (коэффициент полезного действия) у машин постоянного тока несколько выше, чем у самых распространенных асинхронных двигателей переменного тока. При неполной нагрузке на валу к.п.д. ДПТ выше на 10-15%.
• Возможность изготовления ДПТ небольших габаритов. Практически все используемые микроприводы рассчитаны на постоянный ток.
• Простота схем управления. Для пуска, реверса и регулирования скорости и момента не требуется сложного электронного оборудования и большого количества аппаратов для коммутации.
• Возможность работы в режиме генератора. Электродвигатели такого типа можно использовать в качестве источников постоянного тока.
• Высокий пусковой момент. ДПТ используют в составе электроприводов кранов, тяговых и грузоподъемных механизмов, где требуется запуск под значительной нагрузкой.

ДПТ различают по способу возбуждения, они бывают:

• С постоянными магнитами. Такие двигатели отличаются малыми габаритами. Основная область их применения – микроприводы.
• С электромагнитным возбуждением.

Электрические машины с электромагнитами такого типа получили самое широкое распространение. Их классифицируют по способу подключения обмотки статора:

• Двигатели с параллельным возбуждением. Обмотки якоря и статора в электрической машине такого типа соединены параллельно. Такие электрические машины не требуют дополнительного источника питания для обмотки возбуждения, скорость вращения ротора практически не зависит от нагрузки. Их используют для привода металлорежущих станков и другого оборудования.
• Электродвигатели с последовательно включенной обмоткой статора. ДПТ этого типа имеют значительный пусковой момент. Их применяют в качестве привода электротранспорта и промышленных установок с необходимостью пуска под нагрузкой.
• Двигатели с независимым возбуждением. Для питания обмотки статора таких электромашин используется независимый источник постоянного тока. ДПТ такого типа отличаются широким диапазоном регулирования скоростей.
• Электрические машины со смешанным возбуждением. Электромагнит возбуждения в таких двигателях поделен на 2 части. Одна из них включена параллельно, вторая последовательно обмотке якоря. Электрические машины такого типа используются в механизмах и оборудовании, где необходим высокий пусковой момент, а также переменная и постоянная скорость при переменном моменте.

Как вращается ротор

Вращающийся магнитный поток проходит через воздушный зазор между статором, ротором и обмоткой неподвижных проводников в роторе. Этот вращающийся поток, создает напряжение в проводниках ротора, тем самым заставляя наводиться в них ЭДС. В соответствии с законом Фарадея электромагнитной индукции, именно это относительное движение между вращающимся магнитным потоком и неподвижными обмотками ротора, которые возбуждает ЭДС, и является основой вращения.

Двигатель с короткозамкнутым ротором, в котором проводники ротора образовывают замкнутую цепь, в следствии чего возникает ЭДС наводящая ток в нем, направление задается законом Ленса, и является таким, чтобы противодействовать причине его возникновения. Относительное движение ротора между вращающимся магнитным потоком и неподвижным проводником и является его действием к вращению. Таким образом, чтобы уменьшить относительную скорость, ротор начинает вращаться в том же направлении, что и вращающийся поток на обмотках статора, пытаясь поймать его. Частота наведенной на него ЭДС такая же, как частота питания.

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.

Асинхронные двигатели

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.

Устройство двигателя

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.

Синхронный электродвигатель (или генератор)

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.

Устройство генераторов

Существует обратный вариант синхронных двигателей — синхронные генераторы. Они работают немного иначе:

1. Обмотка неподвижного статора не пропускает напряжение. Наоборот, с нее оно снимается.
2. Сквозь роторную обмотку подается переменное напряжение, при этом расход электрической энергии совсем небольшой.
3. Движение генератора обусловлено дизельным или бензиновым двигателем. Также его может раскручивать сила воды или ветра.
4. В статорной обмотке происходит индукция ЭДС, а на концах появляется разность потенциала. Это объясняется движущимся магнитным полем вокруг ротора.

В зависимости от конструктивных особенностей ротор может быть оборудован постоянными или электрическими магнитами или так называемыми полюсами. Что касается индукторов, то в синхронных установках они бывают:

1. Явнополюсными.
2. Неявнополюсными.

Отличаются эти типы друг от друга только взаимным расположением полюсов. Чтобы снизить сопротивление магнитного поля и улучшить проникновение тока, механизм оснащают сердечниками, которые выполнены из ферромагнетиков. Сердечники находятся и в роторе, и в статоре, а для их изготовления задействуется исключительно электротехническая сталь. Дело в том, что этот материал содержит в себе большое количество кремния, существенно снижающего вихревые токи и улучшающего электрическое сопротивление сердечника.

23 факта для общего развития (на тему «век живи — век учись»)

Система трехфазного тока

Техническое значение имеет применение системы трехфазного переменного тока в качестве системы трехфазного тока, основ­ной особенностью которой является то, что сумма всех напряжений и токов всегда равна нулю.

Электрические цепи называются фазами т. Совокупность электрических цепей, в кото­рых напряжения одной частоты оказывают воздействие и имеют фазовый, сдвиг назы­ваются многофазными системами. Много­фазная система состоит из ветвей обмотки. В многофазной системе может быть п = 3 симметричных систем (рис. «Симметричные системы» ). Во всех сим­метричных системах — за исключением ну­левой системы — сумма всех векторов равна нулю. При количестве фаз т получаем п симметричных систем в зависимости от угла сдвига фаз а:

а = 2π n/m

Задача обмоток — создание вращающегося поля. Асинхронные двигатели имеют такую же конструкцию статора. В воздушном за­зоре должно создаваться магнитное поле с постоянной амплитудой, вращающееся с по­стоянной угловой скоростью. Чтобы создать это поле, временные положения фаз токов должны совпадать с пространственными по­ложениями соответствующих ветвей. У про­стой симметричной системы (п = 1) с т = 3 три ветви (обозначаемые как U, V и W) и, следовательно, обмотки должны быть равно­мерно распределены по окружности. На рис. «Обмотка двухполюсного двигателя с одной парой полюсов на каждую ветвь»  показано расположение обмотки с тремя ветвями, с одной катушкой на каждую пару полюсов и ветвь. Схемы соединений фаз регламентируются стандартом DIN EN 60034, часть 8.

Создание вращающегося поля

п =т =

а_еI = 360°·1/3  = 120°.

При одной катушке на каждую пару полюсов и ветвь создаваемое магнитное поле враща­ется против часовой стрелки, при этом «ин­дикаторная полоска», смещающаяся вправо на рисунке а, «Создание вращающегося поля с одной катушкой на ветвь» (при а = 90°), показывает ток фазы в каждой из ветвей на рис. Ь, «Создание вращающегося поля с одной катушкой на ветвь» в на­правлении магнитного потока. Расположение образует пару полюсов. Соответствующие магнитные потоки проходят вертикально к плоскости ветвей обмотки (рис. Ь, «Создание вращающегося поля с одной катушкой на ветвь»).

Поток Ф_Res (рис. с, «Создание вращающегося поля с одной катушкой на ветвь»), получаемый из трех ветвей, а также его направление достигаются геометрическим сложением трех отдельных потоков Ф_U, Ф_V И Ф_W.

Продвижение индикаторной полоски на угол а = 180° приводит к реверсированию на­правления тока в ветви W и, следовательно, к дальнейшему повороту созданного поля Ф_Res вправо (рис. «Создание вращающегося поля с одной катушкой на ветвь 2»).

(рОбмотка с двумя парами полюсов на каждую ветвь

a_m = 360° · (1/mp) = 60°.

Электрически эффективный угол остается без изменения. В случае как двухполюсного, так и четырехполюсного расположения поле вращается против часовой стрелки (рис. «Создание вращающегося поля с двумя катушками на ветвь» ). Чаcтоту вращения поля:

n_d = f_n/p

можно вычислить на основании частоты в линии f_n и количества пар полюсов р. При р = 1 частота вращения поля равна частоте в линии (табл. «Частота вращающихся полей» ).

Вместе с количеством пар полюсов можно вычислить межполюсное расстояние:

τ_p = d_si /2π

d_sia_eia_m.a_ei=p—a_m.a_eiτ_p

РЕКОМЕНДУЮ ЕЩЁ ПОЧИТАТЬ:

Конструкция синхронного устройства

Принцип работы и устройство синхронных машин остаются понятными даже для неопытных потребителей. К ключевым составляющим системы относят следующие узлы:

1. Статор — представляет собой неподвижную часть установки, на которой расположено три обмотки. Они соединены по схеме «звезда» или «треугольник». В качестве материала для изготовления статора используются пластины из суперпрочной электротехнической стали.
2. Ротор — подвижный элемент двигателя, оснащенный обмоткой. Во время работы установки эта обмотка пропускает определенное напряжение.

Между зафиксированной и подвижной частью системы находится небольшая воздушная прослойка, гарантирующая сбалансированную работу мотора и беспрепятственное воздействие магнитного поля на ключевые составляющие агрегата. Также в двигателе установлены подшипники, необходимые для вращения ротора, и клеммная коробка. Последняя находится в верхней части механизма.

Подключить двигатель к однофазной цепи

Изготовленный для работы от трёхфазного источника питания электромотор может работать и от домашней однофазной сети, но при этом существенно снизятся его характеристики, такие как КПД, коэффициент мощности. Кроме того, снизятся мощность и пусковые показатели.

Если же без подключения не обойтись, то требуется из трёх обмоток статора собрать схему, где их будет только две. Одна рабочая, а другая пусковая. Например, есть три катушки с началами С1, С2, С3 и концами С4, С5, С6 соответственно. Для создания первой (рабочей) обмотки двигателя объединяем концы С5 и С6, а их начала С3 и С2 подключаем к источнику однофазного тока, например, бытовой сети 220 вольт. Роль второй, пусковой обмотки, будет выполнять оставшаяся незадействованная катушка стартера. Она подключается к источнику питания через конденсатор, соединённый с ней последовательно.

Как работает синхронный двигатель

Принцип действия синхронного двигателя основывается на взаимном влиянии магнитных полей якоря и полюсов индуктора. При обращенной конструкции агрегата расположение якоря и индуктора выполнено наоборот, то есть, первый расположен на роторе, а другой – на статоре. Такой вариант используют криогенные синхронные машины, у которых в состав обмоток возбуждения входят материалы со свойствами сверхпроводимости.

При запуске двигателя его разгоняют до частоты близкой к той, с которой в зазоре вращается магнитное поле. Только после этого он переходит в синхронный режим. В данной ситуации происходит пересечение магнитных полей якоря и индуктора. Этот момент получил название входа в синхронизацию.

При разгоне используется состояние асинхронного режима, когда происходит замыкание обмоток индуктора с помощью реостата или короткозамкнутым путем, подобно асинхронным машинам. Для того, чтобы осуществлять запуск в таком режиме, ротор оснащается короткозамкнутой обмоткой, которая одновременно является успокоительной обмоткой, способной устранить раскачивание ротора во время синхронизации. После того, как скорость становится близко к номинальной, в индуктор подается постоянный ток.

Таким образом, синхронный двигатель это не только двигатель, но и своеобразный генератор, поскольку у них одинаковое конструктивное исполнение. Схема работы двигателя будет следующей. Обмотка якоря подключается к трехфазному переменному току, а к обмотке возбуждения от постороннего источника подается постоянный ток. Вращающееся магнитное поле, созданное трехфазной обмоткой и поле, созданное обмоткой возбуждения, взаимодействуют между собой. Это вызывает появление электромагнитного момента, приводящего ротор во вращающееся состояние.

Для двигателей, где установлены постоянные магниты, применяются специальные внешние разгонные двигатели. В отличие от асинхронных устройств, разгон ротора в синхронном двигателе должен достигнуть частоты вращения магнитного поля. Это связано с подачей в обмотку ротора тока из постороннего источника, а не индуцируется в нем под действием магнитного поля статора, следовательно, на него не влияет частота вращения вала. В результате, синхронный двигатель переменного тока приобретает постоянную частоту вращения ротора вне зависимости от нагрузки. Специфический принцип работы этих устройств оказал влияние на их пуск и регулировку частоты вращения.

Устройство синхронного двигателя

Синхронный двигатель состоит из основных частей – якоря и индуктора. Обычно, его исполнение сделано таким образом, что якорь расположен на статоре, а индуктор – на роторе, отделенном воздушной прослойкой. Данные агрегаты обладают высоким коэффициентом мощности. Существенным плюсом является возможность их использования в сетях с любым напряжением.

Конструкция синхронного двигателя состоит из двух основных частей – статора и ротора. Статор является неподвижной частью агрегата, а ротор – подвижной. В состав якоря входят одна или несколько обмоток переменного тока. При работе двигателя токи, поступающие в якорь, приводят к вращению магнитного поля, пересекающегося с полем индуктора и преобразующего энергию. Поле якоря носит другое название – поле реакции якоря. В генераторе такое поле создается с помощью индуктора.
В состав индуктора входят электромагниты постоянного тока, называемые полюсами. Во всех синхронных электродвигателях индукторы бывают двух конструкций – явнополюсная и не явнополюсная, отличающиеся расположением полюсов. Конструкция статора включает в себя корпус и сердечник, в состав которого входят двух- и трехфазные обмотки. Сами обмотки могут быть распределенными и сосредоточенными.

Чтобы уменьшить магнитное сопротивление и улучшить прохождение магнитного потока, используются ферромагнитные сердечники, расположенные в роторе и статоре, для изготовления которых используется электротехническая сталь. Она обладает интересными свойствами, например, повышенным содержанием кремния, с целью повышения ее электрического сопротивления и уменьшения вихревых токов.

Каждый синхронный электродвигатель обладает важным параметром – электромагнитным моментом. Он возникает в том случае, когда магнитный поток ротора начинает взаимодействовать с вращающимся магнитным полем. Данное поле образуется под влиянием трехфазного тока, протекающего по обмотке якоря.

В режиме холостого хода происходит совпадение осей магнитных полей ротора и статора. Поэтому электромагнитные силы, возникающие между их полюсами, принимают радиальное направление и значение электромагнитного момента агрегата становится равным нулю. При переходе устройства в двигательный режим, на ротор начинает воздействовать внешние нагрузочный момент, приложенный к валу. В результате, происходит смещение ротора на величину определенного угла против направления вращения.

Подобное электромагнитное взаимодействие между ротором и статором приводит к созданию электромагнитных сил, направленных в сторону вращения. Таким образом, действие вращающегося электромагнитного момента стремится к преодолению действия внешнего момента. Максимальное значение электромагнитного момента образует угол 90 градусов, при расположении полюсов ротора между осями полюсов статора.

Если значение нагрузочного момента, приложенного к валу двигателя, превысит максимальный электромагнитный момент, в этом случае двигатель остановится под влиянием внешнего момента. Из-за этого в неподвижном двигателе по обмотке якоря будет проходить очень высокий ток. Данный режим является аварийным, он представляет собой выпадение из синхронизма и на практике не должен допускаться.

Определение и принцип действия

Если говорить простым языком, то синхронным называют электродвигатель, у которого скорость вращения ротора (вала) совпадает со скоростью вращения магнитного поля статора.

Кратко рассмотрим принцип действия такого электродвигателя — он основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля статора, которое обычно создаётся трёхфазным переменным током и постоянного магнитного поля ротора.

Постоянное магнитное поле ротора создаётся за счет обмотки возбуждения или постоянных магнитов. Ток в обмотках статора создаёт вращающееся магнитное поле, тогда как ротор в рабочем режиме представляет собой постоянный магнит, его полюса устремляются к противоположным полюсам магнитного поля статора. В результате ротор вращается синхронно с полем статора, что и является его основной особенностью.

Напомним, что у асинхронного электродвигателя скорость вращения МП статора и скорость вращения ротора отличаются на величину скольжения, а его механическая характеристика «горбатая» с пиком при критическом скольжении (ниже его номинальной скорости вращения).

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

f – частота тока в обмотке, Гц, p – количество пар полюсов.

Соответственно по этой же формуле определяется скорость вращения вала синхронного двигателя.

Большинство электродвигателей переменного тока, используемых на производстве, выполнены без постоянных магнитов, а с обмоткой возбуждения, тогда как маломощные синхронные двигатели переменного тока выполняются с постоянными магнитами на роторе.

Ток к обмотке возбуждения подводится за счет колец и щеточного узла. В отличие от коллекторного электродвигателя, где для передачи тока вращающейся катушке используется коллектор (набор продольно расположенных пластин), на синхронном установлены кольца поперек одного из концов статора.

Источником постоянного тока возбуждения в настоящее время являются тиристорные возбудители, часто называемые «ВТЕ» (по названию одной из серий таких устройств отечественного производства). Ранее использовалась система возбуждения «генератор-двигатель», когда на одном валу с двигателем устанавливали генератор (он же возбудитель), который через резисторы подавал ток в обмотку возбуждения.

Ротор почти всех синхронных двигателей постоянного тока выполняется без обмотки возбуждения, а с постоянными магнитами, они хоть и похожи по принципу действия на СД переменного тока, но по способу подключения и управления ими очень сильно отличаются от классических трёхфазных машин.

Одной из основных характеристик электродвигателя является механическая характеристика. Она у синхронных электродвигателей приближена к прямой горизонтальной линии. Это значит, что нагрузка на валу не влияет на его обороты (пока не достигнет какой-то критической величины).

Это достигается именно благодаря возбуждению постоянным током, поэтому синхронный электродвигатель отлично поддерживает постоянные обороты при изменяющихся нагрузках, перегрузках и при просадках напряжения (до определенного предела).

Ниже вы видите условное обозначение на схеме синхронной машины.