Конструкция синхронного электродвигателя с обмоткой возбуждения
Синхронный электродвигатель с обмоткой возбуждения, как и любой вращающийся электродвигатель, состоит из ротора и статора. Статор — неподвижная часть, ротор — вращающаяся часть. Статор обычно имеет стандартную трехфазную обмотку, а ротор выполнен с обмоткой возбуждения. Обмотка возбуждения соединена с контактными кольцами к которым через щетки подходит питание.
Синхронный электродвигатель с обмоткой возбуждения (щетки не показаны)
Устройство синхронной машины
У синхронной электрической машины существует две основных составляющих части: индуктор (ротор) и якорь (статор). Самой оптимальной и потому распространенной на сегодняшний день является схема, когда якорь располагают на статоре, в то время как индуктор располагается на роторе. Обязательным условием для функционирования механизма является наличие между этими двумя частями воздушной прослойки. Якорь в данном случае представляет собой неподвижную часть устройства (статор). Он может состоять как из одной, так и из нескольких обмоток, в зависимости от необходимой мощности магнитного поля, которое он должен создавать. Сердечник статора, как правило, набирается из отдельных тонких листов электротехнической стали.
Индуктор в синхронных электрических машинах представляет собой электромагнит, при этом концы его обмотки выводятся непосредственно на контактные кольца на валу. Во время работы индуктор возбуждается постоянным током, благодаря которому ротор и создает электромагнитное поле, взаимодействующее с магнитным полем якоря. Таким образом, благодаря постоянному току, возбуждающему индуктор, достигается постоянная частота вращения магнитного поля внутри синхронной машины.
Принцип работы
Постоянная скорость вращения синхронного электродвигателя достигается за счет взаимодействия между постоянным и вращающимся магнитным полем. Ротор синхронного электродвигателя создает постоянное магнитное поле, а статор – вращающееся магнитное поле.
Работа синхронного электродвигателя основана на взаимодействии вращающегося магнитного поля статора и постоянного магнитного поля ротора
Статор: вращающееся магнитное поле
На обмотки катушек статора подается трехфазное переменное напряжение. В результате создается вращающееся магнитное поле, которое вращается со скоростью пропорциональной частоте питающего напряжения. Подробнее о том, как посредством трехфазного напряжения питания образуется вращающееся магнитное поле можно прочитать в статье «Трехфазный асинхронный электродвигатель».
Взаимодействие между вращающимся (у статора) и постоянным (у ротора) магнитными полями
Ротор: постоянное магнитное поле
Обмотка ротора возбуждается источником постоянного тока через контактные кольца. Магнитное поле создаваемое вокруг ротора возбуждаемое постоянным током показано ниже. Очевидно, что ротор ведет себя как постоянный магнит, так как имеет такое же магнитное поле (в качестве альтернативы можно представить, что ротор сделан из постоянных магнитов). Рассмотрим взаимодействие ротора и вращающегося магнитного поля. Предположим вы придали ротору начальное вращение в том же направлении как у вращающегося магнитного поля. Противоположные полюса вращающегося магнитного поля и ротора будут притягиваться друг к другу и они будут сцепляться с помощью магнитных сил. Это значит, что ротор будет вращаться с той же скоростью, что и вращающееся магнитное поле, то есть ротор будет вращаться с синхронной скоростью.
Магнитные поля ротора и статора сцепленные друг с другом
Возбуждение синхронных машин
Возбуждение синхронных машин может производиться за счет электромагнитного воздействия или же постоянного магнита. В случае с электромагнитным возбуждением применяется специальный генератор постоянного тока, который и питает обмотку, в связи со своей основной функцией данное устройство получило название возбудитель. Стоит отметить, что система возбуждения также делится на два вида по способу воздействия — прямой и косвенный. Прямой метод возбуждения подразумевает, что вал синхронной машины напрямую соединен механическим способом с ротором возбудителя. Косвенный же метод предполагает, что для того чтобы заставить ротор вращаться используется другой двигатель, например асинхронная электромашина.
Наибольшее распространение сегодня получил именно прямой метод возбуждения. Однако в тех случаях, когда предполагается работа системы возбуждения с мощными синхронными электромашинами применяют генераторы независимого возбуждения, на обмотку которых ток подается с другого источника постоянного тока, называемого подвозбудителем. Несмотря на всю громоздкость, данная система позволяет добиться большей стабильности в работе, а также более тонкой настройки характеристик.
Прямой запуск синхронного двигателя от электрической сети
Почему синхронные электродвигатели не запускаются от электрической сети?
Если ротор не имеет начального вращения, ситуация отличается от описанной выше. Северный полюс магнитного поля ротора будет притягиваться к южному полюсу вращающегося магнитного поля, и начнет двигаться в том же направлении. Но так как ротор имеет определенный момент инерции, его стартовая скорость будет очень низкой. За это время южный полюс вращающегося магнитного поля будет замещен северным полюсом. Таким образом появятся отталкивающие силы. В результате чего ротор начнет вращаться в обратную сторону. Таким образом ротор не сможет запуститься.
Демпферная обмотка — прямой запуск синхронного двигателя от электрической сети
Чтобы реализовать самозапуск синхронного электродвигателя без системы управления между наконечниками ротора размещается «беличья клетка», которая также называется демпферной обмоткой. При запуске электродвигателя катушки ротора не возбуждаются. Под действием вращающегося магнитного поля, индуцируется ток в витках «беличьей клетки» и ротор начинает вращаться подобно тому, как запускаются асинхронные двигатели.
Когда ротор достигает своей максимальной скорости, подается питание на обмотку возбуждения ротора. В результате, как говорилось ранее, полюса ротора сцепляются с полюсами вращающегося магнитного поля и ротор начинает вращаться с синхронной скоростью. При вращении ротора с синхронной скоростью, относительное движение между белечьей клеткой и вращающимся магнитным полем равно нулю. Это значит, что отсутствует ток в короткозамкнутых витках, а следовательно «беличья клетка» не оказывает воздействия на синхронную работу электродвигателя.
Устройство и сущность
Основой агрегата, как и всякого подобного движка, являются статор и ротор. Стоит ознакомиться с этими составными частями.
Под статором понимают недвижимую часть механизма, состоящую из основа и сердечника, собранного из тонких и изолированных листов. В последней части предусмотрены пазы для укладывания трехфазной обмотки.
Конструкция статоров бывает разной – цилиндрическая или сегментированная. Каркасы тоже бывают разных типов – цельными или разъемными. Последние удобны при перевозке, починке и монтаже.
Ротором называют вращающуюся часть агрегата. На нем установлен сердечник с возбуждающей обмоткой либо магниты. Оба эти элемента могут быть сборными или цельными.
Ротор подразделяется на:
- Неявнополюсный, представляющий собой стальной цилиндр, обладающий пазами с продольной перфорацией, предназначенными для обмотки возбуждения.
- Явнополюсный – компонент наделен сердечником на полюсах, выступающим над плоскостью ротора.
В синхронных машинах используется определенный тип ротора, на что влияет мощность и количество оборотов. В бесшумных механизмах применяется ротор с явнополюсной компоновкой, а в приборах с повышенной частотой кручения ставят неявнополюсный, что зависит от влияния центробежных сил.
Электрообмотка своими концами выводится на кольца, получающих ток через щетки.
Какие бывают и где применяются
Промышленность выпускает тиристорные возбудители уже много лет. Сейчас выпускаются модернизированные устройства с компьютерным управлением.
Устройства предназначены для запитывания обмоток возбуждения. С автоматическим регулированием тока при прямом, реакторном, частотном и плавном запусках.
В таблице представлены типы возбудителей с характеристиками:
Область применения достаточно широка, применяются на ГЭС, электротехнической, металлургической, нефтехимической, химической и пищевой промышленности.
Типы установок
В нынешнем промышленном производстве и приборах бытового назначения синхронные моторы решают самые разные задачи. Но их конструкции разные, и можно выделить несколько категорий, по которым подразделяются агрегаты. Их можно выделить по таким признакам:
- Питающее электронапряжение
- Частота рабочей тяги
- Число оборотов
Подразделяют моторы и методу получения магнитного поля индуктора:
- С возбудительной обмоткой на роторе – усилие синхронизации возникает при питании от трансформатора.
- С магнитным индуктором – на вал ставится магнит постоянного действия, только ему дополнительное питание не требуется.
- С реактивным ротором – сердечник пропускает преломление магнитных линий, что и запускает компонент. Из-за действия магнитного поля продольные и поперечные элементы в индукторе имеют разные показатели, что и приводит к обороту пластин за полем.
Делят моторчики еще и от размещения рабочих обмоток. Это прямые, расположенные на статоре, и обращенные, которые находятся на роторе.
Современный метод разгона
Эта установка будет стоить дороже, поэтому эксперты советуют применить «асинхронник», несмотря на то, что он морально устарел и отличается большим количеством недостатков. Но ведь именно и его функционирующая схема легла в основу синхронных движков и послужила для снижения размеров и цены установки.
Реостат используется для того, чтобы на индукторе замкнулись обмотки. Тогда «синхронник» превращается в «асинхронник». Запускать его легко — нужно передать электричество на якорные обмотки.
При разгоне синхронной скорости ротор может раскачиваться и успокаивать индукторные обмотки. После достижения нужной частоты оборотов, ток передается на роторные подмотки, а на движке активируется синхронный режим.
Но этот метод можно использовать , если в наличие есть движки с роторным обматыванием. При наличии постоянного магнита, ставится дополнительный моторчик для разгона.
Схема запуска двигателя и его регулировка
У синхронных двигателей отсутствует начальный пусковой момент. При подключении якорной обмотки к источнику переменного тока, электромагнитный момент дважды изменить свое направление за один период изменения тока. Это происходит, когда ротор находится в неподвижном состоянии, а в обмотке возбуждения протекает постоянный ток.
Таким образом, величина среднего момента в течение одного периода будет иметь нулевое значение. Чтобы увидеть, как работает синхронный двигатель при пуске, нужно выполнить разгон его ротора под действием внешнего момента до вращения с частотой, приближенной к синхронной.
Сам запуск агрегата может производиться разными способами:
- В первом случае используется схема асинхронного включения, основой которой служит глухо подключенный возбудитель. Данный способ применяется при статическом моменте нагрузки ниже 0,4, когда отсутствует падение напряжения. Сопротивление разряда замыкается в обмотке возбуждения, за счет чего исключаются перебои с возбуждением обмотки во время впуска, поскольку незначительная скорость вращения ротора приводит к перенапряжению. Когда скорость становится близкой к синхронной, контактор реагирует на это изменение, в результате происходит переключение обмотки возбуждения из разрядного сопротивления непосредственно на якорь возбудителя.
- Во втором варианте пуска используется тиристорный возбудитель. Этот способ считается более надежным из-за высокого КПД. Управление возбуждением значительно облегчается. Подача возбуждение осуществляется автоматически с помощью электромагнитного реле.
