В каком режиме работы синхронный двигатель вырабатывает реактивную мощность

Устройство синхронного генератора переменного тока

Электричество – вид энергии, который можно передавать на дальние расстояния, преобразовывать в механическую, тепловую энергию и трансформировать в световое излучение. Электроэнергию получают различными способами – химическим, тепловым, механическим, фотоэлектрическим.

Наиболее распространенный способ получения электроэнергии – механический, с использованием генераторов. Именно таким образом получают практически всю электрическую энергию, используемую в бытовых и производственных целях.

Генераторы, иначе называемые «электростанциями», бывают синхронными и асинхронными, одно- и трехфазными. Рассмотрим подробнее устройство и работу трехфазного электрогенератора, который может работать параллельно с другими электрогенераторами или централизованной электрической сетью.

В конструкцию синхронных электрических генераторов входят три основные детали:

  • Ротор. Вращающийся элемент. Это биполярный электромагнит постоянного тока. Обмотка ротора соединяется с блоком управления через два щеточных узла.
  • Статор. Неподвижный элемент. Витки статорной обмотки равномерно расположены по окружности. В однофазных машинах присутствует одна обмотка, в трехфазных – три, которые соединяются по схемам «звезда», «треугольник» или со сдвигом друг относительно друга на 120°.
  • Блок управления.

Статор и ротор изготавливают из пластин электротехнических марок стали, которые хорошо проводят магнитный поток и плохо проводят электрические вихревые токи. Синхронные генераторы, имеющие явно полюсный ротор, используются для тихоходных машин, у которых скорость вращения не превышает 1000 оборотов в минуту, например установок с гидравлическими турбинами. Синхронные электрогенераторы с не явно полюсными роторами используются для механизмов, вращающихся с высокой скоростью – 1500-3000 об/минуту. Бывают двух- и четырехполюсными.

Принцип работы синхронного электрогенератора

Основные этапы:

  • При вращении ротора двигателем внутреннего сгорания начинается вращение поля электромагнита.
  • В результате вращения магнитного поля в статорной обмотке появляется переменное синусоидальное напряжение – одно- или трехфазное. Значение напряжения генерируемого тока зависит от скорости вращения ротора.
  • Изменение электрической нагрузки синхронного генератора меняет механическую нагрузку на валу двигателя внутреннего сгорания. В свою очередь, это изменяет скорость вращения ротора, а значит, изменения величины напряжения и частоты. Избежать таких изменений параметров генерируемого электротока позволяет блок управления, который автоматически регулирует электрические характеристики через обратную связь.

Трехфазный синхронный генератор может работать в режиме генератора или в режиме двигателя. В первом случае в СГ входящей является механическая энергия, а выходящей – электрическая. Во втором случае – входящей является электрическая энергия, а выходящей – механическая.

Разновидности синхронных генераторов

Конкретная область применения определяет, какой вид синхронного генератора купить.

Производители предлагают электрогенераторы:

  • Шаговые (импульсные). Применяются для приводов, работающих в режиме старт-стоп, или для устройств постоянного режима работы с импульсным сигналом управления.
  • Безредукторы. Используются в автономных системах.
  • Бесконтактные. Востребованы в качестве электростанций на речных и морских судах.
  • Гистерезисные. Предназначены для установки в счетчиках времени, инерционных электрических приводах, системах автоматизированного руководства.
  • Индукторные. Используются для оснащения электрических установок.

Области применения синхронных трехфазных генераторов переменного тока

Важная особенность синхронного генератора – возможность синхронизации с другими подобными электрическими машинами. Это свойство позволяет использовать эти машины в промышленной энергетике и при повышении нагрузок в час пик подключать резервные агрегаты.

Трехфазные генераторы применяют на:

  • тепловозах с выпрямлением переменного тока полупроводниковыми элементами и других транспортных системах;
  • мощных гидро-, тепловых электростанциях, атомных станциях, передвижных электростанциях;
  • гибридных автомобилях с целью совмещения тяги ДВС и мощности тяговых электродвигателей.

Синхронные трехфазные генераторы могут использоваться в качестве электромоторов с мощностью более 50 кВт. В этом режиме ротор соединяют с источником постоянного тока, а статор подключают к трехфазному кабелю.

В каких случаях необходимо купить и использовать синхронный генератор?

Синхронный генератор переменного тока выбирают в следующих случаях:

  • Если предъявляются высокие требования к постоянству параметров напряжения и частоты тока.
  • При высокой вероятности перегрузок в переходном режиме потребителей с реактивной мощностью.
  • При вероятности перегрузок в рабочем режиме, когда к генератору подключаются потребители как с активной, так и с реактивной мощностью.
Преимущества использования синхронных генераторов

Плюсы трехфазных синхронных генераторов:

  • Способность выдерживать перегрузы в электросети, превышающие в три раза номинальное значение, и короткие замыкания.
  • Более высокое качество генерируемой электроэнергии, по сравнению с асинхронными генераторами. Поэтому эти электрические машины используются для работы в комплексе с дорогостоящим оборудованием.
  • Наличие автоматических регуляторов напряжения, регулирующих выпрямителей, которые защищают оборудование от перегруза и коротких замыканий и способны отключать электроустановки в случае возникновения аварийных ситуаций.

Современные электрические генераторы изготавливаются в соответствии с требованиями мировых стандартов качества и безопасности.

Синхронные режимы параллельной работы синхронных машин

Режим работы синхронной машины параллельно с сетью при синхронной частоте вращения называется синхронным.

Рассмотрим включенную на параллельную работу неявнополюсную машину, пренебрегая активным сопротивлением фаз обмотки якоря ().

Ток обмотки якоря будет равен

Изменение реактивной мощности. Режим синхронного компенсатора.

В случае, если выполнены все условия включения генератора на параллельную работу, ток якоря равен нулю, машина работает на холостом ходу. Если ток возбуждения генератора после синхронизации увеличен, то , и возникает ток, отстающей отна 90 эл.град. (рис.3.23,а). Машина будет отдавать в сеть индуктивный ток и реактивную мощность. Если ток возбуждения генератора уменьшить, то, возникает опережающий токотносительнои(рис.3.23,б). Машина будет отдавать в сеть емкостной ток и потреблять из сети реактивную мощность.

Синхронная машина не несущая активную нагрузку и загруженная реактивным током называется синхронным компенсатором.

Изменение активной мощности. Режим генератора и двигателя.

Чтобы включенная на параллельную работу машина вырабатывала активную мощность, работала в режиме генератора, необходимо увеличить механический вращающий момент на валу (рис.3.23,в). При этом возникает ток, отстающий отна. Значение активной мощности генератора равно

Если, наоборот, притормозить ротор машины, создав на его валу механическую нагрузку, то ЭДС будет отставать отна угол, токот— на угол(рис.3.23,г). При этом активная мощность будет равна, машина будет работать в режиме двигателя, потребляя активную мощность из сети.

Синхронный компенсатор

Синхронные компенсаторы предназначены для повышения коэффициента мощности сети и поддержания нормального уровня напряжения сети в районах сосредоточения потребительских нагрузок. Нормальным является перевозбужденный режим работы синхронного компенсатора, когда он отдает в сеть реактивную мощность.

Синхронные компенсаторы не имеют приводных двигателей и поэтому сами являются синхронными двигателями, работающими на холостом ходу, при этом из сети потребляя небольшую активную мощность для покрытия своих потерь. Пуск синхронных компенсаторов осуществляется также, как и синхронных двигателей.

Так как у синхронного компенсатора не ставится вопрос статической устойчивости, они выполняются с малым воздушным зазором, что позволяет облегчить обмотку возбуждения и уменьшить стоимость машины.

Регулирование активной мощности синхронной машины, включенной в сеть

После включения в сеть методом точной синхронизации синхронная машина работает в режиме холостого хода (I1 =0). ЭДС Eo находится в противофазе с напряжением сети Uc (рис. 5.33, а). Для того, чтобы синхронная машина отдавала в сеть активную мощность, необходимо увеличить внешний момент на валу Мвн в направлении вращения ротора. Тогда ротор начнет ускоряться. Вектор Ёo сместится на угол Θ в направлении вращения ротора и возникнет ЭДС ΔE=Eo+Uc, под действием которой потечет ток

Читать еще:  Датчик давления масла газ 31105 двигатель крайслер

При этом вектор напряжения синхронной машины

сохранит свое положение в противофазе с вектором напряжения сети Uс Проекция тока статора I1; на напряжение U1 положительна, а на напряжение Uc отрицательна, поэтому активная мощность.

P1=mU1I1cosφ = mU1Iα будет вырабатываться синхронной машиной в отдаваться в сеть. Синхронная машина работает в режиме генератора. Соответствующий активной мощности электромагнитный момент

будет девствовать против направления вращения ротора. При равенстве моментов

увеличение угла в прекратится и ротор вновь будет вращаться с синхронной частотой. Если к валу двигателя приложить внешний момент в направлении против вращения ротора, то ротор начнет тормозиться. Вектор E0 сместится на угол Θ в отрицательном направлении (против направления вращения). Под действием возникшей ЭДС ΔЕ = Ёо + Uс потечет ток

проекция которого на вектор напряжения синхронной машины U1 будет отрицательной, а на вектор напряжения сети Uс — положительной (рис. 5.33, в). Следовательно, направление потока активной мощности изменится на обратное.

Синхронная машина переходит в режим двигателя, потребляя из сети активную мощность. Развиваемый ею электромагнитный момент будет действовать в направлении вращения ротора. При равенстве моментов Ме = Мвн торможение ротора прекратится, и он вновь будет вращаться с синхронной частотой.

Таким образом, синхронная машина обладает свойством саморегулирования (автоматического поддержания синхронной частоты вращения).

Регулирование реактивной мощности синхронной машины, включенной в сеть

Регулирование реактивной мощности в энергосистемах имеет такое же важное значение, как и регулирование активной мощности. Реактивная мощность необходима для создания магнитных полей во многих электротехнических устройствах, работающих в энергосистеме. Регулирование реактивной мощности позволяет повысить перегрузочную способность этих устройств, поддерживать постоянство напряжения в сети, снизить ее перетоки по линиям и тем самым обеспечить устойчивую и экономичную работу энергосистемы.

Вернемся вновь к режиму холостого хода синхронной машины (рис. 5.34, а).

В том режиме по обмотке возбуждения протекает ток If = Ifo, соответствующий по

характеристике холостого хода напряжению сети Uc = Eo . Увеличим ток возбуждения If, тогда модуль ЭДС Eo возрастет и возникнет ток

По отношению к напряжению синхронной машины U1 ток I1 будет индуктивным, а по отношению к напряжению сети Uc — емкостным (рис. 5.34, б), поэтому синхронная машина вырабатывает и отдает в сеть реактивную мощность При уменьшении тока возбуждения (If 0 мощность Р1 > 0, машина работает в генераторном режиме. При Θ 0). В режиме недовозбуждения ток I1 опережает вектор напряжения U1, синхронная машина потребляет из сети реактивную мощность (Q1 0, т.е. ЭДС опережает напряжение, в режиме двигателя он меньше нуля, а в режиме синхронного компенсатора   0.

Процессы в генераторе определяются его параметрами: индуктивными сопротивлениями (синхронными, переходными и сверхпереходными), отношением короткого замыкания (ОКЗ) и постоянными времени различных контуров.

Взаимосвязь всех режимных параметров синхронных генераторов во всем диапазоне нормальных режимов определяется его характеристиками: внешней (зависимость напряжения на зажимах генератора от тока статора при постоянном возбуждении — U = f(I) при Iв = const), регулировочной (зависимость тока возбуждения от тока статора при постоянном напряжении на зажимах — Iв = f(I) при U = const), U-образной (зависимость тока статора от тока возбуждения при постоянстве мощности на валу — I = f(Iв) при P = const), которые могут быть найдены приближенно аналитически или сняты экспериментально.

Внешняя характеристика показывает как изменяется напряжение на выводах генератора при изменении нагрузки. Вследствие падения напряжения на сопротивлении обмотки статора напряжение на выводах с ростом активной нагрузки уменьшается. При активно-индуктивной нагрузке происходит еще большее уменьшение напряжения. Однако при работе генератора на активно-емкостную нагрузку, например на длинную слабозагруженную линию, напряжение с ростом нагрузки может увеличиваться.

Снятие рабочих характеристик генератора

Характеристики генератора определяют его рабочие свойства и представляют зависимость между основными величинами, которыми являются э. д. с. в обмотке якоря Е, напряжение на его зажимах и, ток в якоре Iя, ток возбуждения Iв и скорость вращения якоря п.

Характеристики представляют собой зависимости между двумя из указанных основных величин при неизменных остальных. Эти зависимости имеют различный вид для генераторов разных типов.

Снятие всех характеристик машины производится при постоянной скорости вращения якоря, так как при изменении скорости значительно изменяются все характеристики генератора.

Характеристика холостого хода генератора представляет собой зависимость между э. д. с. в якоре и током возбуждения, снятую при отсутствии нагрузки и постоянном числе оборотов.

Подключают нагрузку, под действием чего в ней устанавливается ток, величина и напряжение которого поддерживает неизменный магнитный поток. Из этого режима определяют процентное изменение напряжения на зажимах во всем диапазоне изменения нагрузки (от 0 до номинального).

Процентное изменение напряжения генератора

где Uхх – напряжение на зажимах в режиме холостого хода; Uном – номинальное напряжение генератора.

Из этого режима также строят внешнюю характеристику трансформатора.

Регулировка мощности СГ

Трехфазный синхронный генератор — обратимая машина, т.е. если обмотку якоря подключить к шинам трехфазного напряжения, а ротор довести до синхронной частоты вращения, то генератор будет работать как двигатель, создавая вращающий момент на валу. Синхронный двигатель почти всегда (исключение — микродвигатели) работает при многофазном питании обмоток статора, создающих вращающееся магнитное поле. Полюса ротора входят в синхронизм с полюсами статора и увлекаются ими (рис.). Поэтому при постоянной частоте напряжения питания частота вращения синхронного двигателя постоянна и равна S = (120f)/P (об/мин). Важное достоинство синхронного двигателя состоит в том, что он позволяет регулировать коэффициент мощности изменением тока возбуждения. Таким путем можно установить коэффициент мощности, равный 1. В случае недовозбуждения (ток возбуждения меньше номинального) двигатель потребляет ток, отстающий по фазе от напряжения питания, и действует как индуктивная нагрузка; в случае же перевозбуждения он потребляет ток, опережающий по фазе напряжение, и действует как емкостная нагрузка. Благодаря этой особенности синхронный двигатель представляет большую ценность с точки зрения регулирования энергетических систем. За счет реакции якоря ток, отстающий по фазе, усиливает возбуждение, а опережающий — ослабляет его. Как и в случае генератора, обе реакции противодействуют изменению возбуждения и тем самым повышают устойчивость системы.

Синхронные двигатели

5. СИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ

5.1. Энергетическая и векторная диаграммы

синхронного двигателя

При создании тормозного механического момента М2 на валу синхронная машина, включенная в сеть, переходит в двигательный режим (см. параграф 6.2). За счет потребления активной мощности в машине образуется вращающий электромагнитный момент М и двигатель сохраняет постоянную частоту вращения ротора n. Активная составляющая тока якоря Ia, угол нагрузки θ и момент М меняют знак по сравнению с генератoрным режимом.

Преобразование энергии в двигателе можно иллюстрировать энергетической диаграммой (рис. 5.1).

Потребляемая из сети активная электрическая мощность

, (5.1)

где m – число фаз; U и I – фазные напряжение и ток якоря; cosφ – коэффициент мощности.

Часть этой мощности рf расходуется на возбуждение машины статическими системами возбуждения, а также рассеивается в виде электрических потерь рЭ в обмотке якоря и магнитных потерь рМ в магнитопроводе якоря.

Электромагнитная мощность

(5.2)

передается через зазор вращающимся магнитным полем на ротор в виде полной механической мощности РМЕХ = Р. Часть этой мощности компенсирует механические рМЕХ и добавочные рД потери мощности.

Читать еще:  Где находится датчик холостого хода на уаз 409 двигатель

Полезная механическая мощность на валу двигателя

. (5.3)

или подставляя выражение (5.2) электромагнитной мощности в формулу (5.3), получим

, (5.4)

где Σр = рf + рЭ + рМ + рМЕХ + рд — полные потери мощности в машине, причина возникновения и место локализации отдельных видов потерь объясняется в пункте 3.6.6.

При бесщеточном или прямом электромашинном возбуждении потери на возбуждение рf показывают в правой части. энергетической диаграммы на стороне полезной механической мощности Р2

Диаграммы напряжений и МДС двигателя можно чертить по уравнениям (3.30)–(3.36), (3.40)–(3.50), соответствующим генераторному режиму. Угол φ между векторами напряжения машины U и тока якоря İ превышает p/2 (рис. 5.4, в), коэффициент мощности сosφ отрицателен, что не всегда удобно. Поэтому коэффициент мощности в двигательном режиме характеризуют углом φ между векторами напряжения сети UC и тока якоря İ.

Уравнения напряжения синхронных двигателей получают, заменив в уравнениях напряжения генератора вектор напряжения машины U равным и противоположно направленным вектором напряжения сети UC = – U. Выполнив такую замену, получим уравнения напряжения ненасыщенных неявнополюсного:

, (5.5)

(5.6)

и явнополюсного двигателей:

. (5.7)

Как и для генератора, уравнение (5.7) можно представить в виде:

, (5.8)

. (5.9)

Уравнения МДС справедливы и для двигателя.

Диаграмма перевозбужденного явнополюсного двигателя без учета насыщения магнитной цепи изображена на рис. 5.2.

Ток якоря İ опережает напряжения сети UС, поэтому говорят, что перевозбужденный двигатель работает с опережающим сosφ. При этом двигатель по отношению к сети подобен емкостной нагрузке и отдает реактивную мощность в сеть.

Ток якоря İ недовозбужденного двигателя отстает от напряжения сети UС и недовозбужденный двигатель работает с отстающим сosφ. Машина подобна индуктивности, включенной в сеть, и потребляет из сети реактивную мощность.

5.2. Угловые, Uобразные и рабочие характеристики

синхронных двигателей

Уравнения угловых характеристик активной и реактивной мощностей синхронного генератора справедливы и для двигательного режима при подстановке отрицательного угла нагрузки θ.

Электромагнитные мощность Р и момент М изменяют свой знак, так как в реальной машине изменяется направление активной мощности при переходе из генераторного режима в двигательный.

Зависимости Р, М = f (θ) явнополюснго двигателя при постоянных токе возбуждения I f, напряжении UC и частоте fC сети изображены на рис. 5.3. Значения номинального θН и максимального θm углов нагрузки двигателей такие же, как у генераторов. Двигатель статически устойчив при углах нагрузки θm 0 (рис. 5.9, а). Вследствие этого вместо электромагнитных сил FЭМ притяжения намагниченных областей статора и ротора при недовозбуждении (рис. 5.9, а) возникают силы отталкивания (рис. 5.9, б).

Силы отталкивания FЭМ уравновешены по окружности машины и не создают вращающего момента только при совпадении продольной оси d с осью результирующего потока Фr, то есть при угле θ = 0 (рис. 5.9, б). Малейшее отклонение оси полюсов d от оси потока Фr приводит к изменению направления сил отталкивания (рис. 5.9, в)

Тангенциальная составляющая этих сил при θ ≠ 0 не уравновешена по окружности машины и образует электромагнитный момент, который вызывает дальнейшее изменение угла нагрузки на 180°. Машина возвращается в режим недовозбуждения (рис. 5.9, а) и потребляемая реактивная мощность снижается.

Как и при отсутствии возбуждения (I f = 0) синхронный режим может быть обеспечен только мощностью и моментом явнополюсности. При отрицательном возбуждении (I f

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.

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).

Рис. 1. Устройство синхронного электродвигателя

  • 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.

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.

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).

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.

Читать еще:  Двигатель 402 технические характеристики бензин

Рис. 4. Схематическое обозначение синхронного электродвигателя

Отличие от асинхронного двигателя

Основным отличием синхронного электродвигателя от асинхронного заключается в принципе преобразования электрической энергии в механическое вращение. У синхронного электродвигателя процесс вращения ротора идентичен вращению рабочего электромагнитного поля, вырабатываемого трехфазной сетью. А вот у асинхронного рабочее поле самостоятельно наводит ЭДС в роторе, которая уже затем вырабатывает собственный поток взаимоиндукции и приводит вал во вращение. В результате чего асинхронные электрические машины получают разность во вращении рабочего поля и нагрузки на валу, что выражается физической величиной – скольжением.

В работе классические модели асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором:

  • плохо переносят перегрузки;
  • имеют сложности пуска со значительным усилием;
  • меняют скорость вращения, в зависимости от нагруженности рабочего органа.

В некоторой степени эти недостатки преодолевает асинхронный двигатель с фазным ротором, но в полной мере избавиться от недостатков получается лишь синхронному агрегату.

Рис. 5. Отличие асинхронного от синхронного электродвигателя

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).

Рис. 6. Синхронный электродвигатель с постоянными магнитами

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.

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).

Режимы работы

Большинство электрических машин обладают обратимой функцией, не составляют исключения и синхронные агрегаты. Их также можно использовать в качестве электрического привода или в качестве генератора, вырабатывающего электроэнергию. Оба режима отличаются способом воздействия на электрическую машину – подачу напряжения на рабочие обмотки или приведение в движение ротора за счет механического усилия.

Генераторный режим

Для производства электроэнергии в сеть используются именно синхронные генераторы. В большинстве случаев для этой цели используются электрические машины с фазными обмотками на статоре, что существенно упрощает процесс съема мощности и дальнейшей передачи ее в сеть. Физически генерация происходит при воздействии электромагнитного поля обмотки возбуждения синхронного генератора с обмотками статора. Силовые линии поочередно пересекают фазные витки и наводят в них ЭДС взаимоиндукции, в результате чего на клеммных выводах возникает напряжение.

Частота получаемого напряжения напрямую зависит от скорости вращения вала и вычисляется по формуле:

f = (n*p)/60 ,

где n – скорость вращения вала, измеряемая в оборотах за минуту, p – количество пар полюсов.

Синхронный компенсатор

В виду физических особенностей синхронного электродвигателя при холостом ходе аппарата он потребляет из сети реактивную мощность, что позволяет существенно улучшить cosφ системы, практически приближая его к 1.На практике режим синхронного компенсатора используется как для улучшения коэффициента мощности, так и для стабилизации параметров напряжения сети.

Двигательный режим

В синхронной машине двигательный режим осуществляется при подаче рабочего трехфазного напряжения на обмотки якоря. После чего электромагнитное поле якоря начинает толкать магнитное поле ротора, и вал приходит во вращение. Однако на практике двигательный режим осуществляется не так просто, так как мощные агрегаты не могут самостоятельно набрать необходимый ресурс скорости. Поэтому во время запуска используют специальные методы и схемы подключения.

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.

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.

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.

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.

Преимущества и недостатки

К преимуществам такого электродвигателя следует отнести:

  • высокий cosφ, приближающийся по величине к 1, что в значительной мере превосходит асинхронные электродвигатели;
  • более высокая механическая прочность за счет особенностей конструкции электродвигателя;
  • зависимость момента вращения от напряжения линейная, а не квадратичная, поэтому колебания электродвигателя пропорционально снижаются;
  • на валу электродвигателя присутствует постоянная скорость, не зависящая от прикладываемой нагрузки;
  • может применяться для уменьшения реактивной составляющей в сети.

Среди недостатков синхронных электродвигателей выделяют:

  • сложную конструкцию;
  • более сложный пуск;
  • необходимость использования вспомогательных устройств и блоков;
  • такие электродвигатели сложнее регулировать по числу оборотов;
  • ремонт и обслуживание также обойдется дороже, чем асинхронные электродвигатели.

Видео версия

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector