Назначение и конструктивное исполнение
Прежде чем перейти к подробной оценке процесса пуска синхронного двигателя (СД), не лишним будет кратко повторить основные моменты теории. Что такое СД, как взаимодействуют элементы, какие бывают виды и почему этот тип электростанции так называется. После этого можно подумать о способах запуска.
Синхронный двигатель (СД) — электрооборудование, работа которого обеспечивается электродвижущей силой, возникающей при взаимодействии магнитных полей статора и роторного механизма. Этот принцип лежит в основе конструкции электродвигателей различных типов. Несмотря на общий подход, трансмиссия имеет свои отличия.
Главной особенностью является конструкция подвижного механизма и принцип его вращения. В зависимости от требуемой мощности ротор может:
- содержать постоянные магниты и быть инициатором магнитоэлектрического возбуждения;
- быть электромагнитами, которые инициируют электромагнитное возбуждение.
Первый вариант используется для маломощных электрических машин. Постоянные магниты изготавливаются из магнитотвердых материалов, способных сохранять состояние намагниченности. Они могут быть встроены или установлены на поверхности ротора.
Второй вариант выполнения блока ротора предполагает сборку ферромагнитного сердечника с электрической обмоткой. При активации такая система является источником магнитного потока, взаимодействующего с полем статора.
Определение синхронизма, т.е подобия, основано на подобии между скоростью вращения ротора и магнитным полем статора. В этом ключевое отличие принципа работы электрооборудования, определяющее его технические характеристики, функции и область применения. Этот же фактор напрямую влияет на пуск синхронных двигателей.
Устройство
Конструктивно синхронный электродвигатель состоит из неподвижного элемента, подвижной части, обмоток различного назначения и может быть снабжен коллекторным узлом. Далее рассмотрим каждый компонент синхронного блока более подробно на рабочем примере (рисунок 1).
- Статор или якорь — из электротехнической стали, монолитный или наборный из слоистого железа. Предназначенные для размещения рабочей обмотки силовые линии ведут к электромагнитному полю, образованному протекающими токами.
- Обмотка статора выполнена медными проводниками, в зависимости от типа статора синхронного электродвигателя она может быть выполнена разными способами, способами намотки и расположением проводников. Он используется для подачи напряжения 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 – служит для передачи вращательного момента от электродвигателя к подключенной к нему нагрузке. В большинстве случаев это основание, на котором крепятся полюса нагрузки или ротора, подшипники, кольца, пластины и другие вспомогательные элементы.
- Токосъемные кольца – используются для подачи тока на обмотки ротора, но устанавливаются не во всех моделях синхронных агрегатов. Питание подается через специальный преобразователь переменного тока в постоянный.
- Корпус — предназначен для защиты от внешних факторов, обеспечивает синхронному двигателю достаточную прочность и герметичность в зависимости от условий эксплуатации.
Принцип работы
Работа синхронного электродвигателя основана на взаимодействии магнитного потока, создаваемого рабочими обмотками, с постоянным магнитным потоком. Наиболее распространенной моделью синхронной электрической машины является вариант с рабочей обмоткой на статоре и обмоткой возбуждения на роторе.
Как видно на рисунке 2 выше, на обмотку статора из сети подается трехфазное напряжение, которое формирует переменное магнитное поле. К обмоткам ротора электродвигателя приложено постоянное напряжение, которое индуцирует одинаковый постоянный магнитный поток на полюсах. Для наглядности рассмотрим процесс на упрощенной модели синхронного устройства.
При подаче тока на фазные витки статора электродвигателя первый пик амплитуды тока и ЭДС взаимной индукции приходится на фазу А, затем В и фазу С.
На графике показана частота переключения кривых в зависимости от времени:
- в точке 1 максимальная ЭДС EA образует максимальный поток, а электродвижущие силы фаз EB и EC равны и противоположны по знаку, они дополняют результирующую силу.
- в точке 2 пиковая ЭДС достигает EB, а электродвижущие силы фаз EA и EC становятся равными и противоположными по знаку, они дополняют результирующую силу, в результате чего магнитное поле совершает вращательное движение.
- в точке 3 максимум приходится на ЭДС EC, а электродвижущие силы фаз EB и EA вместе дополняют результирующую силу и снова сдвигают вектор поля по часовой стрелке.
Вращение поля статора происходит в течение периода, а благодаря тому, что ротор имеет собственную постоянную во времени электромагнитную силу, он синхронно следует за движением переменного магнитного поля, вращаясь вокруг заданной оси.
В результате такого вращения происходит синхронное движение ротора после изменения амплитуды ЭДС в витках рабочих обмоток, из-за этого явления электродвигатель получил название синхронного. Наличие отдельного источника питания отразилось и на схематическом обозначении таких электрических машин (рис. 4) по ГОСТ 2.722-68.
Отличие от асинхронного двигателя
Основное отличие синхронного электродвигателя от асинхронного заключается в принципе преобразования электрической энергии в механическое вращение. Для синхронного электродвигателя процесс вращения ротора идентичен вращению электромагнитного поля, создаваемого трехфазной сетью.
А вот для асинхронного рабочее поле самостоятельно индуцирует в роторе ЭДС, которая только потом генерирует собственный поток взаимной индукции и приводит вал во вращение. В результате асинхронные электрические машины получают разность вращения рабочего поля и нагрузки на вал, которая выражается физической величиной — скольжением.
В работе представлены классические модели асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором:
- не терпит перегрузок;
- имеют проблемы с запуском со значительным усилием;
- изменять скорость вращения в зависимости от нагрузки на рабочий орган.
В какой-то мере эти недостатки преодолевает асинхронный двигатель с фазным ротором, но полностью избавиться от недостатков может только синхронный агрегат.
Разновидности
В современной промышленности и бытовой технике синхронные электродвигатели используются для решения широкого круга задач. В результате их конструктивные особенности также существенно различаются.
На практике существует несколько критериев, по которым разделяют типы синхронных агрегатов. В соответствии с ГОСТ 16264.2-85 их можно разделить по следующим техническим характеристикам:
- напряжение питания;
- частота рабочего напряжения;
- количество ходов.
В зависимости от способа получения поля ротора различают следующие типы синхронных электродвигателей:
- С обмоткой возбуждения на роторе — синхронизирующая мощность вырабатывается блоком питания от инвертора.
- С магнитным ротором — на валу установлен постоянный магнит, выполняющий те же функции, что и обмотка возбуждения, но без необходимости подзарядки.
С реактивным ротором — конструкция выполнена таким образом, что в сердечнике происходит преломление магнитных линий, и приводит в движение всю конструкцию. Под действием силового поля поперечная и продольная составляющие ротора не равны из-за того, что пластины вращаются по полю.
В зависимости от наличия полюсов все синхронные двигатели можно разделить на:
- явные полюса – в конструкции хорошо видны изолированные полюса с обмотками, они используются для малых скоростей;
- неявный полюс – полюс не отделяется, такие модели настроены на высокие скорости;
В зависимости от расположения рабочих обмоток различают прямые (на статоре) и реверсивные (рабочие обмотки на роторе).
Режимы работы
Большинство электрических машин имеют обратимую функцию, и синхронные агрегаты не являются исключением. Их также можно использовать в качестве электропривода или генератора для выработки электроэнергии. Оба режима различаются способом воздействия на электрическую машину — подачей напряжения на рабочие обмотки или приведением ротора в движение за счет механической силы.
Генераторный режим
Синхронные генераторы используются для выработки электроэнергии в сети. В большинстве случаев для этой цели применяют электрические машины с фазными обмотками на статоре, что значительно упрощает процесс снятия тока и его дальнейшую передачу в сеть.
Физически генерация происходит под действием электромагнитного поля обмотки возбуждения синхронного генератора с обмотками статора. Линии электропередач попеременно пересекают витки фаз и наводят в них ЭДС взаимной индукции, в результате чего на клеммных проводах появляется напряжение.
Частота результирующего напряжения напрямую зависит от частоты вращения вала и рассчитывается по формуле:
f = (n*p)/60 ,
где n — частота вращения вала, измеряемая в оборотах в минуту, p — число пар полюсов.
Синхронный компенсатор
Ввиду физических характеристик синхронного электродвигателя, при работе агрегата на холостом ходу он использует реактивную мощность из сети, что позволяет значительно улучшить cosφ системы, практически приблизив его к 1. На практике используется режим синхронного компенсатора как для улучшения коэффициента мощности, так и для стабилизации параметров сетевого напряжения.
Двигательный режим
В синхронной машине двигательный режим реализуется при подаче на обмотки якоря трехфазного рабочего напряжения. После этого электромагнитное поле якоря начинает толкать магнитное поле ротора, и вал начинает вращаться.
Однако на практике с режимом двигателя все не так просто, так как мощные устройства не могут самостоятельно получить необходимый скоростной ресурс. Поэтому при запуске используются специальные методы и схемы подключения.
Читайте также: Устройства защита от скачков напряжения для дома и квартиры
Способы пуска и схемы подключения
Для запуска синхронного двигателя требуется дополнительное поле, независимо от влияния со стороны сети. При этом на этапе запуска запуск является асинхронным процессом до тех пор, пока устройство не достигнет синхронной скорости.
При подаче напряжения на якорь в обмотках возникает ток и в железе ротора возникает ЭДС, вызывающая асинхронное движение до тех пор, пока обмотки возбуждения не будут находиться под напряжением.
Еще одним распространенным вариантом запуска является использование дополнительных генераторов, которые могут размещаться на оси или устанавливаться отдельно. Этот метод обеспечивает дополнительную пусковую мощность за счет стороннего крутящего момента.
Как видно на рисунке 9, первый оборот двигателя М осуществляет генератор Г, который предназначен для вывода агрегата на подсинхронную скорость. Затем генератор выводится из рабочей цепи путем размыкания контактов КМ или автоматически путем установки рабочих характеристик. Дальнейшее поддержание синхронного режима происходит за счет подачи постоянного напряжения на обмотку возбуждения.
Кроме того, на практике применяется схема пуска с полупроводниковыми преобразователями. На рис. 10 показан метод тиристорного преобразователя и с установкой поворотных выпрямителей.
В первом случае пуск синхронного двигателя характеризуется нулевым напряжением от преобразователя UD. За счет ЭДС скольжения через стабилитроны VD тиристоры VS открываются. В цепь обмотки возбуждения введен резистор R, предназначенный для предотвращения пробоя изоляции.
По мере разгона двигателя ЭДС скольжения будет пропорционально уменьшаться и стабилитроны VD будут заблокированы, цепь будет заблокирована, а обмотка возбуждения будет питаться постоянным напряжением через UD.
Применение
Область применения синхронных электрических машин охватывает производство электрической энергии на электростанциях. По типу генераторы делятся на турбинные, дизельные и гидравлические в зависимости от способа приведения их во вращение.
Они также используются в качестве электродвигателей, выдерживающих значительные перегрузки в процессе эксплуатации. Такие двигатели устанавливаются на вентиляторы, компрессоры, силовые агрегаты и другое оборудование. Отдельная категория электродвигателей используется в прецизионном оборудовании, где важна синхронизация операций и процессов.
Преимущества и недостатки
К преимуществам такого электродвигателя можно отнести:
- высокий cosφ, приближающийся по величине к 1, что во многом превосходит асинхронные двигатели;
- более высокая механическая прочность за счет конструктивных особенностей электродвигателя;
- зависимость крутящего момента от напряжения линейная, а не квадратичная, поэтому колебания электродвигателя пропорционально уменьшаются;
- имеется постоянная скорость вала двигателя, не зависящая от приложенной нагрузки;
- можно использовать для уменьшения реактивной составляющей в сети.
Среди недостатков синхронных электродвигателей можно выделить:
- сложная конструкция;
- более сложный старт;
- необходимость использования вспомогательных устройств и блоков;
- такие электродвигатели сложнее регулировать по скорости;
- ремонт и обслуживание также будут дороже, чем асинхронные двигатели.
