Электромеханическая характеристика синхронный двигатель

Электромеханические свойства синхронных двигателей

Синхронные двигатели на промышленных предприятиях используют для привода лесопильных рам, компрессорных и вентиляторных установок и др., двигатели малой мощности применяют в системах автоматики, когда требуется строго постоянная частота вращения. Механическая характеристика синхронного двигателя абсолютно жесткая.

Вращающий момент синхронного двигателя зависит от угла 0 между осями полюсов ротора и полем статора и выражается формулой

где Мм — максимальное значение момента.

Зависимость М = f ( θ) называется угловой характеристикой синхронной машины (рис. 1). Работа двигателя устойчива на начальном участке угловой характеристики, он работает обычно при θ не более 30 — 35°. При увеличении устойчивость уменьшается, в предельной точке В характеристики ( θ = 90 о ) стабильная работа становится невозможной; момент, соответствующий пределу устойчивости называют максимальным (опрокидывающим) моментом.

Рис. 1. Угловая характеристика синхронного двигателя

Если синхронный двигатель нагрузить выше Мм, то ротор двигателя выпадет из синхронизма и произойдет его останов, что является для машины аварийным режимом. Номинальный момент двигателя в 2—3 раза меньше опрокидывающего. Вращающий момент двигателя пропорционален напряжению. Синхронные двигатели более чувствительны к колебаниям напряжения, чем асинхронные.

Пусковые свойства синхронного двигателя характеризуются не только кратностью пускового момента, но и величиной входного момента Мвх, развиваемого двигателем при скольжении 5 % от включения постоянного тока в обмотку возбуждения двигателя. Кратность пускового момента 0,8—1,25, а входной момент близок по величине к пусковому моменту синхронного двигателя.

Относительная сложность пуска синхронных двигателей и сравнительно высокая стоимость аппаратуры автоматического управления ограничивают их применение в промышленности.

Если синхронная машина работает вхолостую (угол θ = 0 ), то векторы напряжения сети U и ЭДС Е0 в обмотке якоря равны и противоположны по фазе. Увеличением тока в обмотке возбуждения полюсов можно создать перевозбуждение в машине. При этом ЭДС Е0 превышает напряжение сети U, в обмотке якоря возникает ток

где Е — результирующая ЭДС; хс — индуктивное сопротивление обмотки якоря (активным сопротивлением обмотки при качественной оценке режима работы машины обычно пренебрегают).

Ток якоря I я отстает от результирующей ЭДС Е на угол 90°, а по отношению к вектору напряжения сети он является опережающим на 90° (таким же, как при включении в сеть конденсаторов). Машину, работающую с перевозбуждением , можно использовать для компенсации реактивной мощности, такую машину называют синхронным компенсатором .

Источник

Лекция №5 Электромеханические характеристики синхронных электродвигателей

5.1 Принцип работы синхронного двигателя

Для нерегулируемых электроприводов большой мощности (свыше 160кВт) широко применяются синхронные электро­двигатели с электромагнитным возбуждением. Схема включения такого двигателя показана на рис.3.23.

Конструкция статора синхронного двигателя аналогична конструкции статора асинхронного двигателя. Токи, протекаю­щие по трехфазной обмотке статора, создают намагничивающие силы, результирующий вектор которых образует вращающееся в пространстве электромагнитное поле статора Ф,. Скорость вра­щения поля статора равна согласно (3.3)

и является рабочей скоростью синхронного двигателя.

На роторе синхронного двигателя расположена обмотка возбуждения, которая питается постоянным током от независи­мого регулируемого источника напряжения — возбудителя. Ток возбуждения создает электромагнитное поле Ф0, неподвижное относительно ротора и вращающееся в установившемся режиме вместе с ротором со скоростью а>0. Магнитные силовые линии поля ротора сцепляются с вращающимся синхронно с ним элек­тромагнитным полем статора. Взаимодействие полей статора и ротора создает электромагнитный момент на валу синхронной машины.

Рис.3.23. Схе- Рис.3.24. Пространственные векторы электро-

ма включения магнитных полей синхронного двигателя

синхронного а) идеальный холостой ход;

двигателя б) при нагрузке на валу

При отсут­ствии нагрузки векторы поля статора Ф1 и по­ля ротора Ф совпадают в пространстве (см. рис.3.24,а) и совместно вра­щаются со ско­ростью ω. При появлении на валу двигателя мо­мента сопротив­ления векторы Ф1, и Ф расхо­дятся (как бы растягиваются подобно пружине) на угол θ, называемый углом нагрузки, при­чем, если вектор Ф отстает от вектора Ф1 (см. рис. 3.24,6), то синхронная машина работает в двигательном режиме и электро­магнитный момент на ее валу положителен. Если синхронная машина работает генератором, приводимым во вращение первич­ным двигателем, то вектор поля ротора опережает вектор поля статора на угол (–θ ) и электромагнитный момент на валу маши­ны отрицателен. Изменению нагрузки на валу машины соответ­ствует изменение угла θ. Образно это соответствует растяже­нию-сжатию пружины. Максимальный момент Ммакс будет иметь место при θ π/2 . Если нагрузка на валу машины будет боль­ше Ммахс, то синхронный режим нарушается и машина выпадает из синхронизма.

Читайте также:  Системы холодного впуска для двигателя

Механическая характеристика синхронной машины пред­ставляют собой прямую, параллельную оси абсцисс и ограничен­ную значениями момента ± Ммакс (рис.3.25). Жесткость меха­нической характеристики равна бесконечности.

Рис.3.25. Механические характеристики син­хронного двигателя

1 — характеристика синхронного режима

2 — пусковая характеристика (асинхронный ре­жим)

Поскольку ротор двигателя вращается с синхронной скоро­стью и скольжение отсутствует, то вся мощность электромагнит­ного поля статора Рэм преобразуется в механическую мощность на валу синхронного двигателя. Если пренебречь потерями в ста­торе, то Рэм = 3U1I1 соsφ = Мω, откуда

(3.39)

Рассмотрим векторную диаграмму неявнополюсной синхронной машины (рис. 3.26). Двигатель с неявнополюсным ротором имеет симметричную в магнитном отношении конструкцию. Пренебре­гая активным сопротив­лением статора, получим Ů1 – Ė1 = jI1x1.

Здесь Е, – э.д.с., наводимая в обмотках статора вращающимся вместе с ротором полем Ф.

Рис.3.26. Векторная диаграмма син­хронного двигателя

Из векторной диаграммы следует:

Подставляя эти значения в (3.39), получим выражение для угловой характеристики неявнополюсной синхронной машины

(3.40)

Из этого выражения и соответствующей ему угловой харак­теристики (рис.3.27) следует, что по мере нагружения синхрон­ной машины угол нагрузки увеличивается и момент достигает максимума при θ = π/2. Для сохранения постоянной перегрузочной способности двигателя предусматривается автоматическое увеличение тока возбуждения при приложении ударной нагрузки или снижении величины питающего напряжения.

Рис.3.27. Угловая характеристика синхронного двигателя:

а) неявнополюсной машины; б) явнополюсной машины

1 — при номинальном потоке возбуждения;

2 — при форсировке возбуждения

Для синхронного двигателя явнополюсной конструкции, ко­торый имеет несимметричную магнитную цепь, кроме момента, вызванного полем ротора, возникает реактивный момент, опре­деляемый стремлением ротора занять такое положение, при кото­ром магнитная проницаемость для пути потока статора была бы максимальной. Угловая характеристика (см. рис.3.27,б) для тако­го двигателя описывается уравнением:

+

где хd и хq – индуктивное сопротивление по продольной и поперечной осям.

Источник

Особенности, устройство и принцип работы синхронного двигателя простым языком

Электродвигатели прочно закрепились в качестве важнейших составляющих большинства приборов, ежедневно используемых человеком. Одним из видов электрических машин для вращения рабочего органа является синхронный электродвигатель. Особенности устройства и принцип работы синхронного двигателя, мы рассмотрим далее.

Устройство

Конструктивно любой синхронный агрегат представляет собой статор и ротор, объединенные в одном корпусе. Статорная обмотка наматывается в пазы неподвижного магнитопровода, собранного из ферромагнитного материала. Конструкция ротора может включать в себя обмотку, смонтированную на железном каркасе, или постоянный магнит, установленный на валу. Задача и одного, и второго – создать магнитный поток, взаимодействующий с электромагнитным полем статора.

Принцип работы

На основании п.53 ГОСТ 27471-87 понятие синхронного двигателя подразумевает бесконтактную машину, работающую на переменном токе. У которой в установившемся режиме отношение частоты вращения ротора к частоте тока в обмотках якоря не зависит от величины нагрузки при номинальной работе.

С практической стороны это выглядит следующим образом:

  • на обмотки статора, также называемого якорем, подается трехфазное напряжение;
  • по мере нарастания амплитуды синусоиды в одной фазе, будет пропорционально увеличиваться ток и электромагнитное поле, создаваемое вокруг обмотки;
  • в виду того, что синусоида нарастает во всех трех фазах двигателя поочередно, пик максимального электромагнитного поля будет смещаться от одной обмотки к другой по часовой стрелке;
  • магнитное поле ротора (индуктора) поочередно притягивается собственными полюсами к противоположному по знаку вектору поля статора.

В результате такого взаимодействия возникает поступательное вращение вала синхронного двигателя вокруг своей оси. Так как в индукторе постоянно присутствуют сформированные независимым источником силовые линии, частота его вращения полностью соответствует частоте напряжения, подаваемого в обмотки якоря. Возникает синхронизм в двигателе.

Типы синхронных двигателей

В целом синхронные двигатели подразделяются на несколько категорий, в зависимости от их конструктивных особенностей.

Так, для получения потока возбуждения используют:

  • обмотку на роторе – для обеспечения электромагнитного взаимодействия на обмотку подается питание от стороннего источника;
  • магнитный ротор – вспомогательное магнитное поле ротора создается постоянными магнитами, установленными на нем;
  • реактивный ротор – форма магнитопровода индуктора выполнена таким образом, что силовые линии якоря преломляются до получения синхронного вращения.

В зависимости от конструкции ротора, выделяют явнополюсный и неявнополюсный синхронный двигатель.

По режиму работы могут использоваться в качестве электродвигателя, генератора или синхронного компенсатора.

Режимы работы

На практике, каждая электрическая машина может применяться в различных режимах работы:

  • Режим двигателя – агрегат функционирует по принципу преобразования электрической энергии в механическую. Напряжение подается на выводы якоря и преобразуется во вращательное усилие на роторе.
  • Генераторный режим – в этом случае вал двигателя вращается за счет турбины или другого объекта, а с выводов якоря снимается сгенерированное напряжение.
  • Синхронный компенсатор – электродвигатель включается в распределительную сеть на холостом ходу. При этом повышается коэффициент мощности системы за счет потребления реактивной мощности.
Читайте также:  Как узнать кто изготовитель двигателя

P.S. Больше других деталей о синхронном двигателе , а также о том чем он отличается от асинхронного двигателя смотрите в видео:

Источник

Классификация и характеристики электродвигателей

Электродвигатель – устройство для преобразования электроэнергии во вращательное движение вращающейся части электрической машины. Преобразование энергии в двигателях происходит за счет взаимодействия магнитных полей обмоток статора и ротора. Эти электрические машины широко используются во всех отраслях промышленности, в качестве привода электротранспорта и инструментов, в системах автоматизации, бытовой техники и так далее.

Существует множество видов электродвигателей, различающихся по принципу действия, конструкции, исполнению и другим признакам. Рассмотрим основные типы этих электрических машин.

По принципу действия различают магнитоэлектрические и гистерезисные электрические машины. Несмотря на простоту конструкции, высокий пусковой момент, последние не получили широкого распространения. Эти электродвигатели имеют высокую цену, низкий коэффициент мощности, ограничивающие их применение. Подавляющее большинство выпускаемых электродвигателей – магнитоэлектрические.

По типу напряжения питания различают:

  • Электродвигатели постоянного тока.
  • Двигатели переменного тока.
  • Универсальные электрические машины.

По конструкции различают электродвигатели с горизонтально и вертикально расположенным валом. Корме того, электрические машины классифицируют по назначению, климатическому исполнению, степени защиты от попадания влаги и посторонних предметов, мощности и другим параметрам.

Классы электродвигателей:

  • Постоянного тока
  • Бесщеточные ЕС (электронно-коммутируемые)
  • Со щетками
  • С последовательным возбуждением
  • С параллельным возбуждением
  • Со смешанным возбуждением
  • С постоянными магнитами
  • Переменного тока
  • Универсальные
  • Синхронные
  • Индукционные
  • Однофазные
  • Трехфазные

Таблица классификации электронных двигателей:

Электродвигатели постоянного тока

Двигатели постоянного тока широко применяются в качестве привода электротранспорта, промышленного оборудования, а также микропривода исполнительных механизмов. Такие электрические машины обладают следующими преимуществами:

  • Возможность регулировки частоты вращения путем изменения напряжения в обмотке возбуждения. При этом крутящий момент на валу ДПТ (двигатели постоянного тока) остается неизменным.
  • Высокий к.п.д. (коэффициент полезного действия) у машин постоянного тока несколько выше, чем у самых распространенных асинхронных двигателей переменного тока. При неполной нагрузке на валу к.п.д. ДПТ выше на 10-15%.
  • Возможность изготовления ДПТ небольших габаритов. Практически все используемые микроприводы рассчитаны на постоянный ток.
  • Простота схем управления. Для пуска, реверса и регулирования скорости и момента не требуется сложного электронного оборудования и большого количества аппаратов для коммутации.
  • Возможность работы в режиме генератора. Электродвигатели такого типа можно использовать в качестве источников постоянного тока.
  • Высокий пусковой момент. ДПТ используют в составе электроприводов кранов, тяговых и грузоподъемных механизмов, где требуется запуск под значительной нагрузкой.

ДПТ различают по способу возбуждения, они бывают:

  • С постоянными магнитами. Такие двигатели отличаются малыми габаритами. Основная область их применения – микроприводы.
  • С электромагнитным возбуждением.

Электрические машины с электромагнитами такого типа получили самое широкое распространение. Их классифицируют по способу подключения обмотки статора:

  • Двигатели с параллельным возбуждением. Обмотки якоря и статора в электрической машине такого типа соединены параллельно. Такие электрические машины не требуют дополнительного источника питания для обмотки возбуждения, скорость вращения ротора практически не зависит от нагрузки. Их используют для привода металлорежущих станков и другого оборудования.
  • Электродвигатели с последовательно включенной обмоткой статора. ДПТ этого типа имеют значительный пусковой момент. Их применяют в качестве привода электротранспорта и промышленных установок с необходимостью пуска под нагрузкой.
  • Двигатели с независимым возбуждением. Для питания обмотки статора таких электромашин используется независимый источник постоянного тока. ДПТ такого типа отличаются широким диапазоном регулирования скоростей.
  • Электрические машины со смешанным возбуждением. Электромагнит возбуждения в таких двигателях поделен на 2 части. Одна из них включена параллельно, вторая последовательно обмотке якоря. Электрические машины такого типа используются в механизмах и оборудовании, где необходим высокий пусковой момент, а также переменная и постоянная скорость при переменном моменте.

Электродвигатели переменного тока

Электрические машины такого типа широко используют для приводов всех типов технологического оборудования, электроинструментов, автоматических регуляторов. По наличию разности между скоростью вращения магнитного поля статора и частотой вращения ротора различают синхронные и асинхронные двигатели.

Асинхронные электродвигатели

Благодаря дешевизне и простоте конструкции электрические машины такого типа получили самое широкое распространение. Их принципиальное отличие – наличие так называемого скольжения. Это разность между частотой вращения магнитного поля неподвижной части электрической машины и скоростью вращение ротора. Напряжение на вращающейся части индуцируется за счет переменного магнитного поля обмоток статора двигателя. Вращение вызывает взаимодействие поля электромагнитов неподвижной части и магнитного поля ротора, возникающего под влиянием наведенных в нем вихревых токов. По особенностям обмоток статора выделяют:

  • Однофазные двигатели переменного тока. Двигатели такого типа требуют для пуска наличия внешнего фазосдвигающего элемента. Это может быть пусковой конденсатор или индуктивное устройство. Область применения однофазных двигателей – маломощные приводы.
  • Двухфазные электрические машины. Такие двигатели имеют 2 обмотки со смещенными относительно друг друга фазами. Их также используют для бытовых устройств и оборудования, имеющего небольшую мощность.
  • Трех- и многофазные электродвигатели. Наиболее распространенный тип асинхронных машин. Электрические двигатели такого типа имеют от 3-х и более обмоток статора, сдвинутых по фазе на определенный угол.
Читайте также:  Характеристики двигателя волги с крайслером

По конструкции ротора асинхронные электрические машины делят на двигатели с короткозамкнутым и фазным ротором.

Обмотка ротора электрических машин первого типа представляет собой несколько неизолированных стержней, выполненных из сплавов меди или алюминия, замкнутых с двух сторон кольцами (конструкция “беличья клетка”). Асинхронные двигатели такого типа обладают следующими преимуществами:

  • Достаточно простая схема пуска. Такие электрические машины можно подключать непосредственно к электрической сети через аппараты коммутации.
  • Допустимость кратковременных перегрузок.
  • Возможность изготавливать электрические машины высокой мощности. Двигатель такого типа не содержит скользящих контактов, препятствующих наращиванию мощности.
  • Относительно простое ТО и ремонт. Асинхронные электромашины имеют несложную конструкцию.
  • Невысокая цена. Двигатели асинхронного типа стоят дешевле синхронных машин и ДПТ.

Электрические машины с короткозамкнутым ротором имеют свои недостатки:

  • Предельная скорость вращения составляет не более 3000 об/мин при входе в синхронный режим.
  • Технически сложная реализация регулирования частоты вращения.
  • Высокие пусковые токи при прямом запуске.

Электродвигатели с фазным ротором частично лишены недостатков, присущих машинам с ротором конструкции “беличья клетка”. Вращающаяся часть электрической машины такого типа имеет обмотки, соединенные в схему “звезда”. Напряжение подводится к обмотке через 3 контактных кольца, закрепленных на роторе и изолированных от него.

Такие электродвигатели обладают следующими достоинствами:

  • Возможность ограничивать пусковые токи при помощи резистора, включенного в цепь электромагнитов ротора.
  • Больший, чем у электромашин с короткозамкнутым ротором, пусковой момент.
  • Возможность регулировки скорости.

Недостатками таких двигателей являются относительно большие габариты и масса, высокая цена, более сложный ремонт и сервисное обслуживание.

Синхронные двигатели переменного тока

Как и в асинхронных электродвигателях, вращение ротора в синхронных машинах достигается взаимодействием полей ротора и статора. Скорость вращения ротора таких электрических машин равна частоте магнитного поля, создаваемого обмотками статора.

Обмотка неподвижной части двигателя рассчитана на питание от трехфазного напряжения. К электромагнитам ротора подключается постоянное напряжение. Различают явнополюсные и неявнополюсные обмотки. В синхронных двигателях малой мощности используют постоянные магниты.

Запуск и разгон синхронной машины осуществляется в асинхронном режиме. Для этого на роторе двигателя имеется обмотка конструкции “беличья клетка”. Постоянное напряжение подается на электромагниты только после разгона до номинальной частоты асинхронного режима. Синхронные двигатели имеют следующие особенности:

  • Постоянная скорость вращения при переменной нагрузке.
  • Высокий к.п.д. и коэффициент мощности.
  • Небольшая реактивная составляющая.
  • Допустимость перегрузки.

К недостаткам синхронных электродвигателей относятся:

  • Высокая цена, относительно сложная конструкция.
  • Сложный пуск.
  • Необходимость в источнике постоянного напряжения.
  • Сложность регулировки скорости вращения и момента на валу.

Все недостатки электрических машин переменного тока можно исправить установкой устройства плавного пуска или частотного преобразователя. Обоснование выбора того или иного устройства обусловлено экономической целесообразностью и требуемыми характеристиками электропривода.

Универсальные двигатели

В отдельную группу выделяют универсальные электродвигатели, которые могут работать от сети переменного тока и от источников постоянного напряжения. Они используются в электроинструментах, бытовой технике, а также других маломощных устройствах. Конструкция такой электрической машины принципиально не отличатся от двигателя постоянного тока. Главное отличие – конструкция магнитной системы и обмоток ротора. Магнитная система состоит из изолированных друг от друга секций для снижения магнитных потерь. Обмотка ротора такой машины поделена на 2 части. При питании от переменного тока напряжение подается только на ее половину. Это делается в целях снижения радиопомех, улучшения условий коммутации.

К преимуществам таких машин относятся:

  • Высокая скорость вращения. Универсальные электродвигатели развивают скорость до 10 000 об/мин и более.
  • Питание от переменного и постоянного напряжения. Двигатели такого типа широко применяют для электроинструментов, имеющих дополнительные аккумуляторные батареи.
  • Возможность регулирования скорости без использования дополнительных устройств.

Однако, такие электромашины имеют свои недостатки:

  • Ограниченная мощность.
  • Необходимость обслуживания коллекторного узла.
  • Тяжелые условия коммутации при питании от переменного напряжения из-за наличия трансформаторной связи между обмотками.
  • Электромагнитные помехи при подключении к сети переменного тока.

Каждый тип двигателя имеет свои достоинства и недостатки. Выбор электрической машины для привода любого оборудования делается исходя из условий эксплуатации, требуемой частоты вращения, экономической целесообразности, типа нагрузки и других параметров.

Источник

Adblock
detector