Синхронный электродвигатель¶
Синхронный двигатель — это электрическая машина переменного тока, в которой частота вращения ротора строго синхронна частоте питающего напряжения и не зависит от нагрузки. Относится к классу асинхронных и синхронных машин; в отличие от асинхронного двигателя, ротор синхронной машины вращается с постоянной скоростью, определяемой формулой n = 60·f/p, где f — частота сети, p — число пар полюсов.
¶Принцип работы
Рабочий принцип синхронного двигателя основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля статора и постоянного (или эквивалентного постоянному) магнитного поля ротора. Обмотка статора, питаемая трёхфазным током, создаёт вращающееся магнитное поле с синхронной частотой n₁ = 60·f/p. Ротор, обладающий собственным магнитным полем (постоянные магниты или электромагнитная обмотка возбуждения), «цепляется» за это поле и вращается с той же скоростью, что и поле статора.
При подключении к сети ротор сначала ведёт себя как асинхронный: короткозамкнутая обмотка или пусковая обмотка обеспечивают начальный разгон. По мере приближения к синхронной скорости магнитное поле ротора захватывается полем статора и двигатель переходит в синхронный режим.
¶Устройство
Основные элементы синхронного двигателя:
- Статор — неподвижная часть с трёхфазной обмоткой, аналогичная обмотке асинхронного двигателя. Корпус, сердечник из электротехнической стали и пазы с уложенной обмоткой образуют магнитную цепь.
- Ротор — вращающаяся часть, которая может быть цилиндрической (гладкой) или явнополюсной. На роторе размещаются полюсные наконечники с обмоткой возбуждения либо постоянные магниты.
- Обмотка возбуждения — питается постоянным током через контактные кольца и щётки либо от возбудителя, установленного на том же валу. В машинах с постоянными магнитами эта обмотка отсутствует.
- Возбудитель — небольшой генератор постоянного тока (иногда с выпрямителем), обеспечивающий питание обмотки возбуждения ротора.
- Подшипниковые щиты и опорные подшипники — воспринимают механические нагрузки вала.
¶Классификация
По типу ротора синхронные двигатели делятся на:
- С электромагнитным возбуждением — обмотка ротора питается постоянным током; требуют щёточно-контактного аппарата или бесщёточного возбудителя.
- С постоянными магнитами — ротор выполнен на основе постоянных магнитов (неодимовых, самарий-кобальтовых); не требуют источника возбуждения, применяются в маломощных исполнениях.
- С возбуждением от вспомогательных обмоток (реактивные, гистерезисные, с переменным сопротивлением ротора) — упрощённые конструкции для специальных применений.
По назначению выделяют синхронные двигатели общего назначения, синхронные компенсаторы (работающие в режиме генератора реактивной мощности) и синхронные машины для приводов с повышенными требованиями к точности скорости.
¶Пуск
Прямой пуск синхронного двигателя затруднён: при включении в сеть ротор инерционен и не может мгновенно разогнаться до синхронной скорости, а поле статора скользит относительно ротора, создавая пульсирующий момент. Для решения этой задачи применяют:
- Асинхронный пуск — короткозамкнутая обмотка на полюсных наконечниках ротора (аналог обмотки ротора асинхронного двигателя) обеспечивает начальный разгон. По достижении ~95 % синхронной скорости подаётся возбуждение, и ротор «входит в захват».
- Частотный пуск — применяют преобразователь частоты, плавно увеличивающий частоту и напряжение, что исключает ударные токи и позволяет отказаться от короткозамкнутой обмотки.
- Пуск от вспомогательного двигателя — ротор раскручивается до синхронной скорости отдельным двигателем, после чего основная машина подключается к сети.
¶Характеристики и применение
Ключевые особенности синхронного двигателя:
- Постоянная частота вращения при изменении нагрузки — до предела устойчивости, что важно для приводов, требующих точного соблюдения скорости.
- Возможность регулирования коэффициента мощности — изменением тока возбуждения двигатель может работать с опережающим, отстающим или единичным cos φ, компенсируя реактивную мощность в сети.
- Высокий КПД по сравнению с асинхронными машинами аналогичной мощности, особенно при больших размерах.
Синхронные двигатели применяются в приводах промышленного оборудования: компрессоров, насосов, вентиляторов, прокатных станов, мельниц, а также в электротранспорте (электровозы, тепловозы, судовые приводы). Маломощные синхронные двигатели с постоянными магнитами используются в часовых механизмах, приборах, бытовой технике и устройствах, где важна точность или малые габариты. Синхронные компенсаторы применяются в энергосистемах для поддержания напряжения и компенсации реактивной мощности.
¶История
Идея синхронного двигателя была высказана в 1880-х годах; одним из пионеров стал Никола Тесла, создавший в 1887 году синхронный двигатель с фазным ротором. В России работы по синхронным машинам развивались в трудах М. О. Доливо-Добровольского, предложившего в 1889 году трёхфазную систему, и В. Н. Чиколева, внёсшего значительный вклад в теорию и конструкцию синхронных генераторов и двигателей. К середине XX века синхронные двигатели большой мощности стали основными приводами тяжёлого промышленного оборудования в СССР и за рубежом.
¶Источники
- «Электротехнический справочник», под ред. Б. А. Лопатина
- «Электрические машины», А. И. Болотин, Ю. А. Тарасенко
- «Теория электрических машин», В. А. Быткин
- ГОСТ 185-70 «Машины электрические синхронные. Общие технические условия»