Mio-tech-service.ru

Автомобильный журнал
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Что такое синхроный двигатель

Принцип действия и устройство синхронного двигателя

В основном синхронные и асинхронные двигатели мало чем отличаются друг от друга. Ключевым отличием первых моделей является то, что вращение якоря осуществляется с такой же скоростью, как и вращение магнитного потока. При этом внутри установки встроена проволочная обмотка, передающая переменное напряжение, а не короткозамкнутый ротор, как у асинхронных устройств. Также отдельные конструкции оборудованы постоянными магнитами, но они существенно повышают стоимость двигателя.

При увеличении нагрузки скорость вращения ротора остается прежней. Именно такая особенность характеризует эту разновидность силовых установок. Ключевое требование к таким машинам выглядит следующим образом: количество полюсов у движущегося магнитного поля должно соответствовать числу полюсов электромагнита на роторе.

Основные отличия

В основном синхронные и асинхронные двигатели мало чем отличаются друг от друга. Ключевым отличием первых моделей является то, что вращение якоря осуществляется с такой же скоростью, как и вращение магнитного потока. При этом внутри установки встроена проволочная обмотка, передающая переменное напряжение, а не короткозамкнутый ротор, как у асинхронных устройств. Также отдельные конструкции оборудованы постоянными магнитами, но они существенно повышают стоимость двигателя.

При увеличении нагрузки скорость вращения ротора остается прежней. Именно такая особенность характеризует эту разновидность силовых установок. Ключевое требование к таким машинам выглядит следующим образом: количество полюсов у движущегося магнитного поля должно соответствовать числу полюсов электромагнита на роторе.

Принцип работы

Для получения направления вращения статор двигателя должен содержать как минимум две катушки. Только в такой конструкции можно создать направленное перемещение магнитного поля. Это определяет устройство и принцип работы многих электродвигателей, питаемых от сети. Для нормальной работы синхронной машины, если это генератор, статор может содержать только одну катушку и быть источником ЭДС. Его ротор вращается принудительно. При этом, независимо от направления вращения, на клеммах статора появится переменное напряжение.

Но если такой генератор используется как двигатель, направление вращения его ротора может быть в обе стороны.

Оно будет определяться

  • либо положением ротора в момент подачи напряжения на клеммы статора;
  • либо принудительно направлением стартового вращения.

Конструкцию большинства электрических машин в основном определяет система электроснабжения, с которой они связаны. В наши дни первичными источниками ЭДС являются трехфазные генераторы. Эти машины создают трехфазное напряжение. Оно позволяет непосредственно получать перемещающееся магнитное поле. Без него синхронные двигатели переменного тока не могут работать, так же, как и асинхронные движки.

Для этого используются три или две фазы, питающие обмотки статора движка. Устройство синхронного двигателя должно соответствовать схеме электропитания. Наилучший результат получается при трехфазной конструкции статора. В этом случае магнитное поле получается вращающимся. По этой причине трехфазный синхронный двигатель является наиболее эффективным, если его сравнивать с аналогами, но при меньшем числе фаз.

Синхронные машины высокой мощности – конструктивные особенности

Ввиду использования значительной величины мощности, синхронная установка подвергается значительному механическому воздействию, а также электромагнитной нагрузке, вследствие чего происходит существенный нагрев различных частей машин, для чего необходимо выполнить интенсивное охлаждение машины. Чтобы сохранить определенные габаритные размеры, для получения необходимого значения мощности, выполняют машины с различными особенностями, диктующими подразделение машин на несколько типов, это: турбогенераторы, гидрогенераторы, дизель-генераторы, синхронные компенсаторы, синхронные двигатели.

Турбогенераторы

Конструкция машины исполнена с горизонтальной осью и работает за счет использования турбины, ротор обязательно неявнополюсного исполнения. Скорость вращения вала отличается максимально возможным числом оборотов вращения и составляет 3000 об/мин.

За счет того, что в машине всего два полюса, ее конструктивная часть отличается уменьшенными габаритами и весом. При использовании такого агрегата на АЭС, применяют машины с количеством оборотов вала 1500 об/мин, с 4 полюсами, диаметр ротора меньше длины его активной части. Система, используемая для охлаждения, применяет поверхностный и косвенный принудительный обдув, иногда применяют косвенное водородное или водяное и масляное охлаждение.

Гидрогенераторы

Функционирование гидрогенератора осуществляется при использовании гидравлической турбины, обладающей невысоким количеством оборотов вала от 50 до 500 об/мин. Ротор явнополюсного исполнения отличается наличием большого числа пар полюсов. Его диаметр для некоторых типов гидрогенераторов может доходить до 16 м., тогда как длина составляет всего 1,75 м. Его мощность достигает 640 МВ*А.

Вал может располагаться вертикально. Гидрогенератор и турбина объединены одним валом ротора, также на нем может быть установлен возбудитель, подвозбудитель и синхронный генератор, который осуществляет питание электрических двигателей, предназначенных для регулировки турбины. Главное усилие в машине приходится на опорный подшипник, он способен выдержать вес роторов всего оборудования, динамические усилия и давление воды, приложенное к турбинным лопастям. Система охлаждения в устройствах этого типа выполняется с помощью омывания капсулы, в которую заключены объединенные одним валом элементы синхронного агрегата.

Синхронный компенсатор

Машина генерирует реактивную мощность и работает в двигательном режиме холостого хода, использующего активную сетевую нагрузку. Конструкция явнополюсного исполнения обычно присутствует до восьми пар полюсов. Ротор изготовлен облегченным, так как на валу отсутствует какая-либо нагрузка. Часто используется герметизированная конструкция машины, без вывода наружу вала компенсатора, система охлаждения работает за счет использования водорода, закаченного при большом давлении, внутрь.

Читать еще:  Что такое торможение двигателя противовключением

Дизель-генератор

Машина имеет в своей конструкции явнополюсный ротор и подразумевает горизонтальную установку вала. Особенность – использование одного опорного подшипника, в качестве второй опоры используется подшипник вала генератора. На едином с ними валу установлен возбудитель.

Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта, буду рад, если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное. Всего доброго.



Синхронные двигатели: устройство и принцип действия

Основные части синхронного двигателя – это якорь (статор, неподвижная часть) и индуктор (ротор), разделенные воздушной прослойкой. В пазы статора закладывают трехфазную распределенную обмотку – обычно она соединяется «звездой».

Рис. 2 Схема синхронного двигателя

С началом работы двигателя тока, подаваемые в якорь, создают вращение магнитного поля, которое пересекает поле индуктора, что в результате взаимодействия двух полей переходит в энергию. Поле якоря чаще называют иначе – поле реакции якоря. В генераторах такое получают при помощи индуктора. Входящие в состав индуктора электромагниты постоянного тока принято называть полюсами. При этом индукторы во всех синхронных двигателях могут исполняться по двум схемам – явнополюсной и неявнополюсной, различающиеся между собой расположением полюсов. Чтобы уменьшить значение магнитного сопротивления и тем самым улучшить условия для прохождения магнитного потока, применяют ферромагнитные сердечники. Они располагаются в статоре и роторе, для их изготовления используют специальную марку стали – электротехническую, отличающую высоким содержанием кремния – это позволяет уменьшить вихревые токи и повысить электрическое сопротивление стали.

Рис. 3. Магнитные поля в синхронном двигателе

В основу работы синхронного двигателя положен принцип взаимного влияния полюсов индуктора и магнитного поля, индуцируемого якорем. При запуске осуществляется разгон двигателя до частоты, которая близка по своему значению частоте, с которой происходит в зазоре вращение магнитного поля. Только при выполнении этого условия двигатель переходит в функционирование в синхронном режиме. В данный момент пересекаются магнитные поля, инициируемые индуктором и ротором. Этот момент в технической литературе принято называть входом в синхронизацию.

Работа синхронного двигателя наглядно представлена на видео:

Длительное время в качестве разгонного двигателя использовался стандартный синхронный двигатель, который был механически соединен с синхронным. Благодаря этому, ротор на синхронном двигателе механически разгонялся до подсинхронной скорости, а затем уже самостоятельно, за счет взаимодействия электромагнитных полей, втягивался в синхронизм. Обычно при подборе мощности пускового двигателя исходили из соотношения 10-15% от номинальной мощности разгоняемого двигателя. Такого запаса мощности вполне хватало запустить синхронный двигатель не только в холостую, но даже и при незначительной нагрузке на валу.

Рис. 4 Синхронный двигатель (1) с внешним разгонным (2) двигателем

Такой способ разгона усложняет и существенно удорожает общую стоимость, поэтому в современных двигателях от него отказались в пользу разгона в состоянии асинхронного режима. В этом случае с помощью реостата (короткозамкнутым путем) обмотки индуктора замыкают, как в асинхронном двигателе. Чтобы провести запуск двигателя в таком режиме, на ротор устанавливают короткозамкнутую обмотку, выступающую одновременно и как успокоительная обмотка, устраняющая во время проведения синхронизации раскачивание ротора. В момент, когда скорость вращения достигнет требуемого номинального значения, в индуктор будет подан постоянный ток. Но для двигателей, в которых стоят постоянные магниты, все равно придется для разгона использовать внешние двигатели.

В криогенных синхронных машинах используется так называемая обращенная конструкция, при которой размещение индуктора и якоря выполнено наоборот, т.е. индуктор расположен на статоре, а якорь – на роторе. В таких машинах обмотки возбуждения состоят из материалов, обладающими свойствами сверхпроводимости.

Основными частями синхронной машины являются якорь и индуктор (обмотка возбуждения). Как правило, якорь располагается на статоре, а на отделённом от него зазором роторе находится индуктор — таким образом, по принципу действия синхронная машина представляет собой как бы «вывернутую наизнанку» машину постоянного тока, переменный ток для обмотки якоря которой не получается с помощью коллектора, а подводится извне.

Якорь представляет собой одну или несколько обмоток переменного тока. В двигателях токи, подаваемые в якорь, создают вращающееся магнитное поле, которое сцепляется с полем индуктора, и таким образом происходит преобразование энергии. Поле якоря оказывает воздействие на поле индуктора и называется поэтому также полем реакции якоря. В генераторах поле реакции якоря создаётся переменными токами, индуцируемыми в обмотке якоря от индуктора.

Индуктор состоит из полюсов — электромагнитов постоянного тока [1] или постоянных магнитов (в микромашинах). Индукторы синхронных машин имеют две различные конструкции: явнополюсную или неявнополюсную. Явнополюсная машина отличается тем, что полюса ярко выражены и имеют конструкцию, схожую с полюсами машины постоянного тока. При не явнополюсной конструкции обмотка возбуждения укладывается в пазы сердечника индуктора, весьма похоже на обмотку роторов асинхронных машин с фазным ротором, с той лишь разницей, что между полюсами оставляется место, не заполненное проводниками (так называемый большой зуб). Неявнополюсные конструкции применяются в быстроходных машинах, чтобы уменьшить механическую нагрузку на полюса.

Читать еще:  Что такое двигатель assy

Для уменьшения магнитного сопротивления, то есть для улучшения прохождения магнитного потока, применяются ферромагнитные сердечники ротора и статора. В основном они представляют собой шихтованную (набранную из отдельных листов) конструкцию из электротехнической стали.

Как и асинхронный двигатель, синхронный двигатель состоит из статора и ротора, разделенных воздушным зазором . Он отличается от асинхронного двигателя тем, что поток в воздушном зазоре не обусловлен компонентом тока статора.

Пара древних компрессоров для кондиционирования воздуха с углекислым газом, оснащенная двумя антивибрационными синхронными двигателями с открытой рамой мощностью 150 лошадиных сил. Этот тип системы кондиционирования относится к 1930-м годам. (фото кредит: Jeffs4653 через Flickr)

Он создается магнитами или током катушки поля, обеспечиваемым внешним источником постоянного тока, питающим обмотку, размещенную в роторе.

Давайте рассмотрим темы, которые мы обсудим.

  • статор
  • ротор

  • С постоянными магнитами
  • С раневой катушкой
  • Рабочие характеристики
  • Другие типы синхронных двигателей

    • Практическая реализация (ВИДЕО)
  • Синхронные асинхронные двигатели
  • Шаговые двигатели
    • Практическая реализация (ВИДЕО)
  • статор

    Статор состоит из корпуса и магнитной цепи, обычно включающих слои кремниевой стали, и трехфазной катушки, аналогичной асинхронному двигателю, снабженному трехфазным переменным током для создания вращающегося поля.

    РИСУНОК 1 — Магнитный скелет (верхняя половина) и структурные части (нижняя половина) десятиполюсного (720 об / мин при 60 циклах) синхронного двигателя.

    Вернуться к содержанию ↑

    ротор

    Ротор несет магниты поля или катушки, через которые протекает постоянный ток, и которые создают расположенные северные и южные полюса. В отличие от асинхронных машин ротор вращается без скольжения со скоростью вращающегося поля.

    Поэтому существуют два разных типа синхронных двигателей: магнитные двигатели и двигатели с ротационным ротором.

    С постоянными магнитами

    При использовании электродвигателей с магнитом ротор двигателя оснащен постоянными магнитами (см. Рис. 2) (обычно редкоземельными магнитами), чтобы добиться увеличения напряженности поля в небольшом объеме. Статор имеет трехфазные обмотки.

    Эти двигатели могут выдерживать значительные перегрузочные токи для достижения ускорения ускорения.

    Они всегда используются с приводом с переменной скоростью, и эти узлы моторного привода предназначены для конкретных рынков, таких как роботы или станки, для которых необходимы более мелкие двигатели, ускорение и полоса пропускания.

    Рисунок 2 — Поперечное сечение двигателя с постоянными магнитами

    Вернуться к содержанию ↑

    С раневой катушкой

    Второй тип синхронной машины имеет раневую катушку и является реверсивной машиной, которая может работать как генератор (генератор), так и двигатель. На протяжении многих лет эти машины в основном используются в качестве генераторов.

    Их использование в качестве двигателей практически сводилось к приложениям, где необходимо было набирать нагрузки с фиксированной скоростью, несмотря на относительно большие колебания их резистивного крутящего момента .

    Разработка прямых (циклопереключателей) или непрямых преобразователей частоты, работающих с естественным переключением из-за способности синхронных машин обеспечивать реактивную мощность, позволила создать высокопроизводительные и надежные электроприводы с переменной скоростью.

    Эти диски особенно конкурентоспособны по сравнению с решениями конкурентов для номиналов мощности более одного мегаватта.

    Несмотря на то, что можно найти синхронные двигатели, используемые в промышленности в диапазоне мощности от 150 кВт до 5 МВт, он превышает 5 МВт, что электроприводы, использующие синхронные двигатели, становятся практически существенными, в основном в сочетании с приводами с переменной скоростью.

    Вернуться к содержанию ↑

    Рабочие характеристики

    Крутящий момент двигателя синхронной машины пропорционален напряжению на его клеммах, тогда как асинхронная машина пропорциональна квадрату этого напряжения. В отличие от асинхронного двигателя, он может работать с коэффициентом мощности, равным одному или очень близко к нему .

    Таким образом, синхронный двигатель имеет ряд преимуществ перед асинхронным двигателем в отношении его способности питаться от сети постоянного напряжения / частоты:

    1. Скорость двигателя постоянна, независимо от нагрузки.
    2. Он может обеспечивать реактивную мощность и увеличивать коэффициент мощности установки.
    3. Он может выдерживать относительно большие падения напряжения (около 50% из-за его сверхвозбуждающих свойств) без остановки.

    Тем не менее, синхронный двигатель, подаваемый напрямую постоянным напряжением / частотой, имеет два недостатка:

    1. У него возникают трудности. Если двигатель не комбинируется с приводом с переменной скоростью, запуск должен выполняться при холостом ходу, либо путем запуска DOL для небольших двигателей, либо с помощью пускового двигателя, который приводит его в движение на скорости, близкой к синхронной, до прямого подключения к линии поставка.
    2. Он может заглохнуть, если резистивный крутящий момент превышает максимальный электромагнитный момент. В этом случае весь процесс запуска должен быть повторен.

    Вернуться к содержанию ↑

    Другие типы синхронных двигателей

    В заключение этого обзора промышленных двигателей мы также должны упомянуть линейные двигатели, синхронные асинхронные двигатели и шаговые двигатели.

    Линейные двигатели

    Их конструкция идентична структуре синхронных роторных двигателей: они состоят из статора (пластины) и ротора (форкера), которые находятся в линии . В общем, пластина движется вдоль форкера на направляющей. Этот тип двигателя устраняет всю промежуточную кинематику для преобразования движения, что означает, что на этом приводе нет никакого механического износа или механического износа.

    Читать еще:  Веломобиль с двигателем своими руками

    Линейные электродвигатели могут управлять линейной нагрузкой без промежуточных шестеренок, винтов или коленчатых валов .

    Линейный синхронный двигатель (LSM) представляет собой линейный двигатель, в котором механическое движение синхронно с магнитным полем, т. Е. Механическая скорость совпадает с скоростью движущегося магнитного поля (рис. 3).

    Рисунок 3 — линейные шаговые двигатели с постоянным магнитом (PM)

    Тяга (силовая сила) может генерироваться как действие:

      Движущееся магнитное поле, создаваемое полифазной обмоткой, и массив магнитных полюсов N, S,

    , N, S или ферромагнитная направляющая с переменным сопротивлением (LSM с обмотками якоря переменного тока);
    Магнитное поле, создаваемое обмотками постоянного тока с электронным управлением и массив магнитных полюсов N, S,

    , N, S или переменная сопротивляемость ферромагнитной направляющей (линейные ступенчатые или переключаемые двигатели с сопротивлением).

    Часть, создающая движущееся магнитное поле, называется арматурой или форкером . Часть, которая обеспечивает постоянный магнитный поток или переменное сопротивление, называется полевой системой возбуждения (если существует система возбуждения) или рельефным рельсом, реакционной решеткой или плитой с переменным сопротивлением. Следует избегать терминов первичного и вторичного, поскольку они оправданы только для линейных асинхронных двигателей (LIM) или трансформаторов.

    Работа LSM не зависит от того, какая часть подвижна и какая из них неподвижна .

    Вернуться к содержанию ↑

    Как работает линейный двигатель?
    Линейные двигатели Yaskawa в движении

    Вернуться к содержанию ↑

    Синхронные асинхронные двигатели

    Это асинхронные двигатели. Во время начальной фазы двигатель работает в асинхронном режиме, и когда он достиг скорости, близкой к синхронной, он переключается в синхронный режим .

    Если он имеет высокую механическую нагрузку, он больше не может работать в синхронном режиме и возвращается в асинхронный режим. Эта особенность достигается специальной конструкцией ротора и, как правило, для двигателей с малой мощностью.

    Вернуться к содержанию ↑

    Шаговые двигатели

    Шаговый двигатель является двигателем, который работает в соответствии с электрическими импульсами, подающими свои катушки. В зависимости от его электропитания это может быть:

    1. Униполярный, если его катушки всегда подаются в одном направлении одним напряжением, поэтому название однополярное.
    2. Биполярный, когда его катушки поставляются иногда в одном направлении, а иногда и в другом. Они иногда создают Северный полюс, а иногда и Южный полюс, отсюда и название биполярное.

    Шаговые двигатели могут быть переменного типа сопротивления или магнита или их комбинации (см. Рис. 4).

    Рисунок 4 — Три типа шагового двигателя

    Минимальный угол поворота между двумя модификациями электрических импульсов называется шагом. Мотор характеризуется числом шагов за оборот (т. Е. На 360 °). Наиболее распространенными значениями являются 48, 100 или 200 шагов за оборот.

    Поэтому двигатель вращается прерывисто. Чтобы улучшить разрешение, количество шагов может быть увеличено чисто электронным способом (микрошаговая операция). Изменяя ток в катушках ступенями (см. Рис. 5), создается результирующее поле, которое скользит с одного шага на другой, тем самым эффективно уменьшая шаг.

    Цепи для микрошагов умножают количество шагов двигателя на 500, таким образом изменяя, например, от 200 до 100 000 шагов .

    Рисунок 5 — Токовые шаги, применяемые к катушкам шагового двигателя для уменьшения его шага

    Электроника может использоваться для управления хронологией этих импульсов и подсчета количества импульсов. Таким образом, шаговые двигатели и их цепи управления позволяют валу вращаться с высокой степенью точности с точки зрения скорости и амплитуды.

    Таким образом, их работа аналогична работе синхронного двигателя, когда вал вращается непрерывно, что соответствует заданной частоте, крутящему моменту и значениям инерции рабочей нагрузки (см. Рис. 6). Если эти пределы превышены, двигатель останавливается, следствием чего является останов двигателя.

    Рисунок 6 — Максимальный крутящий момент согласно ступенчатой ​​частоте

    Точное угловое позиционирование возможно без измерительной петли. Небольшие модели этих двигателей, как правило, с номинальной мощностью менее одного кВт, имеют источник питания низкого напряжения.

    В промышленности эти двигатели используются для приложений управления положением, таких как установочные упоры для отрезания по длине, регулирующие клапаны, оптические или измерительные приборы, загрузочные и разгрузочные прессы или станки и т. Д.

    Простота этого решения делает его особенно экономичным (без обратной связи). Магниевые шаговые двигатели также имеют преимущество при остановленном крутящем моменте, когда нет питания . С другой стороны, начальное положение движущейся части должно быть известно и учтено электроникой, чтобы обеспечить эффективный контроль.

    Вернуться к содержанию ↑

    Основы шагового двигателя — демо с помощью кнопок Push!
    Учебное пособие по двигателю Arduino!

    Вернуться к содержанию ↑

    Рекомендации:

    • Электродвигатели Э. Гошерона (Schneider Electric)
    • Линейные синхронные двигатели Яцека Ф. Гираса, Збигнева Дж. Пьеха и Бронислава З. Томчука
    голоса
    Рейтинг статьи
    Ссылка на основную публикацию
    ВсеИнструменты
    Adblock
    detector