Что такое асинхронный пуск синхронного двигателя

Способы запуска синхронных двигателей и типовые схемы: преимущества и недостатки

Синхронные двигатели, как правило, используются для того, чтобы максимально эффективно обеспечить работу крупных электрических приводов.

Оборудование с большой мощностью используют во многих промышленных сферах, его могут применять, например, металлургические или нефтегазовые компании.

Такие предприятия используют агрегаты для вентиляции, компрессоры, электронасосы, системы машин для обработки давлением металлов между вращающимися валками. Сегодня мы представим Вам обзор, как работают синхронные двигатели.

Прямой пуск

Подразумевает подключение намоток статора к электросети без «посредников». Подходит моторам с короткозамкнутым ротором. Это двигатели небольшой мощности, у которых при подключении напрямую к электросети статорных обмоток, образующимися пусковыми токами не вызывается перегрев, способный вывести технику из строя.

В асинхронных двигателях соотношение индуктивности обмоток к их сопротивлению (L/R) небольшое. И оно тем меньше, чем меньше мощность устройства. Поэтому во время запуска образующийся свободный ток быстро затухает, и им можно пренебречь. Брать в учет будет только ту силу тока, которая установилась в результате переходного процесса.

Ниже на рисунке (а) представлена схема магнитного пускателя, обозначенного буковой К. Технически это электромагнитный выключатель, часто применяемый при запуске электродвигателей с короткозамкнутым ротором. Он необходим для автоматического разгона по естественной механической характеристике (обозначим М) от начала запуска (точка П) до момента, когда М станет равным моменту сопротивления (М_с).

На картинке (б) представлен график зависимости пускового тока от начального момента. Исходя из него, ускорение разгона равно разности абсцисс графиков М и М(с). В таком случае, если М_пуск будет меньше М_с, то разогнаться у электродвигателя не получится. Чтобы получить оптимальное для разгона значение М_пуск для мотора с короткозамкнутым ротором используйте формулу (коэффициент скольжения s равен единице):

Отношение М_пуск к номинальному (М_ном) – это величина, определяемая как кратность начального момента. Обозначается kпм. Коэффициент для двигателей с короткозамкнутым ротором входит в диапазон от 1 до 1,8 и устанавливается ГОСТом.

Пример. Если kпм=1,4, а М_ном=5000 Н*м, то прямой запуск должен начинаться с М_п = 7000 Н*м.

Внимание! Нельзя превышать установленные ГОСТом нормы. Это ведет к повышению активного сопротивления на вращающемся элементе мотора.

Прямой запуск двигателя обладает преимуществами:

• Дешевизна;
• Простота;
• Минимальный нагрев обмоток при запуске.

• Величина М_пуск составляет до 300% от М_ном;
• Пусковой ток составляет до 800% от номинального (смотрите графики снизу).

Даже с перечисленными недостатками прямой запуск остается наиболее предпочтительным для асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором, т.к. обеспечивает высокие энергетические показатели.

Переключение схемы обмоток

Привести в движение ротор можно лишь в определенных электроприводах. По этой причине такой способ не является типичным. Остаются два, первый из которых наиболее широко используется. Но получить падение напряжения без потерь не так просто. В трехфазной цепи это можно сделать переключением с треугольника на звезду и обратно. Линейное напряжение, приложенное к обмоткам статора движка, обеспечивает в рабочем режиме его более высокую эффективность. Но и пусковой ток в схеме треугольника получается больше.

Поэтому переключение на схему звезда позволяет заметно снизить пусковой ток асинхронного двигателя. Это самый простой способ относительно плавного пуска. В нем применено минимальное число дополнительных элементов, поскольку падение напряжения создается возможностями самой трехфазной электросети. Этими элементами являются коммутаторы, а сама схема показана далее. Но такая простая схема применима лишь в трехфазной сети. В однофазном варианте нет действующего напряжения более низкого, чем фазное.

Что такое асинхронный пуск синхронного двигателя

Синхронный двигатель. Устройство синхронной машины. Работа синхронного двигателя. Сравнение синхронных и асинхронных двигателей

Синхронные машины используются в качестве источников электрической энергии (генераторов), электродвигателей и синхронных компенсаторов. Именно с помощью синхронных трехфазных генераторов вырабатывается электрическая энергия на электростанциях.

Синхронные двигатели в силу особых свойств, не получили широкого распространения. Синхронные трехфазные двигатели применяются обычно лишь в установках средней и большой мощности при редких пусках, в случаях, когда не требуется электрического регулирования скорости.

Наряду с этим, в системах управления, измерения, записи и воспроизведения звука, особенно для привода лентопротяжных и регистрирующих устройств, широко применяются синхронные микродвигатели.

Трехфазные синхронные генераторы, двигатели и синхронные компенсаторы в принципе имеют одинаковое устройство.

Устройство синхронной машины

Рис. 1 Устройство синхронной машины с неявно выраженными полюсами (а) и ротора машины с явно выраженными полюсами (б)

Неподвижная часть машины, называемая статором или якорем (рис. 1, а), состоит из стального или чугунного корпуса 1, в котором закреплен цилиндрический сердечник 2 якоря.

Для уменьшения потерь на перемагничивание и вихревые токи сердечник набирают из листов электротехнической стали. В пазах сердечника якоря уложена трехфазных обмотка 3. В подшипниковых щитах, прикрепленных с торцевых сторон к корпусу, либо в стояках, закрепленных на фундаменте, расположены подшипники, несущие вал 4 вращающейся части машины – ротора или индуктора. На валу размещен цилиндрический сердечник 7 ротора, выполняемый из сплошной стали. В пазах сердечника ротора уложена обмотка возбуждения 8, питаемая постоянным током. Для присоединения обмотки возбуждения к внешней электрической цепи на валу укрепляют два изолированных друг от друга и от вала контактных кольца 6, к которым пружинами прижимаются неподвижные щетки 5. Обмотка 8 служит для возбуждения основного магнитного поля машины. Обмотка возбуждения с сердечником ротора представляют собой по существу электромагнит. Питание обмотки возбуждения осуществляется либо от генератора постоянного тока, вал которого механически связан с валом синхронной машины, либо через вентили от источника переменного тока. Мощность, необходимая для питания обмотки возбуждения, невелика и составляет 1 ÷ 3% от мощности машины.

На рис. 1, а показана двухполюсная синхронная машина с неявно выраженными полюсами ротора. Такие машины изготовляют на скорости 3000 об/мин. Синхронные машины, предназначенные для работы с меньшими скоростями (1500, 1000, 750 об/мин и т. д.), имеют явно выраженные полюса, число которых тем больше, чем меньше скорость. На рис. 1, б показано устройство ротора четырехполюсной машины с явно выраженными полюсами. Явно выраженные полюса 1 изготовляют из отдельных стальных листов или реже массивными и закрепляют на ободе 2 ротора с помощью винтов. Отдельные части (катушки) обмотки возбуждения 3, расположенные на явно выраженных полюсах, соединены между собой так, что северные и южные полюса чередуются.

Трехфазная обмотка якоря синхронных машин выполняется таким образом, что возбуждаемое ею вращающееся магнитное поле имеет всегда такое же число полюсов, как ротор.

Работа синхронного двигателя

При работе синхронной машины в качестве двигателя обмотка якоря подключается к трехфазному источнику переменного тока, в результате чего возникает вращающийся магнитный поток якоря Ф_я.

После разгона ротора двигателя до скорости n ≈ n его обмотка возбуждения подключается к источнику постоянного тока, и возникает магнитный поток Ф. Благодаря взаимодействию вращающегося магнитного потока Ф_я и проводников обмотки ротора, питаемой постоянным током (или потоков Ф_я и Ф) возникает вращающий момент, действующий на ротор, и он втягивается в синхронизм, т. е. начинает вращаться со скоростью n, равной скорости n вращающегося магнитного поля якоря.

При изменении нагрузки двигателя скорость вращения ротора остается постоянной (n = n), однако положение ротора относительно вращающегося магнитного потока Ф_я изменяется. Так, при моменте статического сопротивления М_с = 0 ротор занимает положение относительно потока Ф_я, показанное на рис. 2, а.

Рис. 2 Возникновение крутящего момента синхронного двигателя

Момент двигателя в этом случае М = М_с = 0. Увеличение момента сопротивления М_с приводит к такому смещению ротора относительно потока Ф_я, при котором возникает вращающий момент М двигателя, уравновешивающий момент М_с (рис. 2, б)

Существенной особенностью синхронного двигателя является то, что вращающий момент возникает у него в том случае, когда скорость вращения ротора n равна скорости n вращающегося магнитного поля якоря Ф_я. Возникновение вращающего момента при равенстве скоростей n и n у синхронного двигателя объясняется тем, что ток в его обмотке возбуждения появляется вследствие питания обмотки возбуждения от источника постоянного тока.

Скорость вращающегося магнитного поля якоря, а значит, ротора синхронного двигателя определяется по формуле

Для получения различных скоростей синхронные двигатели изготовляют с различными числами пар полюсов p.

При частоте f = 50 Гц скорости вращения синхронных двигателей будут равны 3000, 1500, 1000, 755 об/мин и т. д.

Сравнение синхронных и асинхронных двигателей

Обмотки статора обоих двигателей получают питание от сети трехфазного переменного тока. Для питания обмотки возбуждения синхронного двигателя требуется, кроме того, источник электрической энергии постоянного тока, правда, относительно небольшой мощности.

Асинхронный пуск синхронных двигателей несколько сложнее пуска асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором. В отношении пусковых свойств асинхронные двигатели с фазным ротором имеют весьма существенные преимущества перед синхронными двигателями.

Частота вращения синхронных двигателей остается постоянной при изменении нагрузки, тогда как у асинхронных двигателей даже при их работе на естественной характеристике она несколько изменяется.

Асинхронные двигатели дают возможность регулировать частоту вращения различными способами (изменением числа пар полюсов, измерением частоты напряжение источника питания). Синхронные двигатели относятся к двигателям с нерегулируемой частотой вращения.

Воздействуя на ток возбуждения синхронного двигателя, можно в широких пределах изменять его коэффициент мощности. Можно, в частности, заставить синхронный двигатель работать с cosφ = 1, а также с опережающим током. Последнее может быть использовано для улучшения коэффициента мощности других потребителей, питающихся от той же сети. В отличие от этого асинхронный двигатель представляет собой активно-индуктивную нагрузку и имеет всегда cosφ Другие новости по теме:

ДВУХФАЗНЫЙ АСИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С ФЕРРОМАГНИТНЫМ ПОЛЫМ ИЛИ МАССИВНЫМ РОТОРОМ

Этот двигатель имеет обычную двухфазную обмотку и ферромагнитный ротор в виде полого, или сплошного массивного цилиндра. Так как вращающийся магнитный поток замыкается через ферромагнитный ротор, то внутренний статор подобно показанному на рис. 12-6, отсутствует. Вращающийся поток наводит в поверхности ротора вихревые токи, которые совместно с потоком создают вращающий момент. Активное сопротивление ротора велико (r₂ > х₂), что обеспечивает большой пусковой момент, устой чивость работы двигателя на всем диапазоне работы и отсутствие самохода. Механические и регулировочные характеристики (рис 12-9 и 12-10) близки к прямолинейным и тем ближе, чем больше частота питающей сети. Скорость двигателя широко регулируется, а конструкция проста и надежна в эксплуатации. Недостаток двигателя — малые к. п. д. и cos φ. Двигатели широко применяются в схемах автоматики при мощности 5—300 вт и являются конденсаторными двигателями.

В тех устройствах, где стремятся увеличить момент инерции вращающихся частей (магнитофоны, гироскопы), указанные двигатели применяются в обращенном исполнении, когда обмотка статора помещается неподвижно на цилиндре, подобном показанному на рис. 12-7, а ротор в виде стального полого цилиндра вращается вокруг статора.

Устройство электродвигателя

Синхронный мотор имеет две основные части — статор и ротор. Неподвижная часть называется статором, а подвижный элемент ротором.

Однофазный двигатель с короткозамкнутым ротором, расположенным в статоре или снаружи в двигателях обращенного вида. В основе ротора — постоянные магниты. Материал магнитов имеет высокую коэрцитивную силу. Полюсы ротора могут быть явно и неявно выраженными. Синхронный двигатель с короткозамкнутым ротором бывает с магнитами на поверхности или с уже встроенными.

Статор представлен корпусом и сердечником, состоящим из двухфазных и трехфазных обмоток. Обмотка бывает распределенная и сосредоточенная. У распределенной насчитываются пазы полюса и фазы Q= 2,3.

У сосредоточенной обмотки пазы полюса и фазы Q=1. Пазы размещены на одинаковом расстоянии на окружности неподвижной части двигателя. Катушки статора соединяются последовательно или параллельно. Такие обмотки не могут влиять на форму кривой ЭДС. Электродвижущая сила имеет трапецеидальную и синусоидальную форму. У явно выраженного полюса форма ротора и наводимая электродвижущая сила проводника является трапециевидной формы (а). При необходимости создания синусоидальной ЭДС, полюсные наконечники приобретают другую форму, где величина кривой распределения индукции близкая синусоидальной. Осуществление возможно благодаря наличию скосов на наконечнике полюса ротора.

Ротор синхронного двигателя переменного тока: а — явно выраженный полюс, 6 — неявно выраженный полюс.

Неявно выраженные полюса обладают равной индуктивностью продольных и поперечных осей, а явно выраженные полюса имеют одинаковую величину поперечной и продольной индуктивности (б).

Разновидности простейших движков-трансформаторов

Движки переменного тока могут быть синхронными. Схема получается проще, а мотор дешевле. Хотя все асинхронные двигатели содержат статор, аналогичный синхронной машине, конструкция ротора определяет их существенное отличие от них. Его не нужно намагничивать тем или иным способом, как это делается в синхронном движке. Несмотря на отличия моделей асинхронных машин, конструкция их ротора — это эквивалент короткозамкнутой вторичной обмотки.

Самый простой вариант — короткозамкнутый ротор. Его можно просто отлить из ферромагнитного материала и обработать надлежащим образом. Сплавы на основе железа проводят электрический ток и взаимодействуют с магнитным полем. Цельнометаллическая конструкция обладает следующими преимуществами:

• наиболее проста в изготовлении и по этой причине обладает минимальной себестоимостью;
• лучше всего переносит усилия, возникающие при работе двигателя;
• хорошо разгоняется из-за эффективного взаимодействия магнитных полей.

Читать также: Как подключить электроплиту индезит

Как преодолеваются недостатки болванки

Однако вполне очевидно то, что такой короткозамкнутый ротор будет не лучшим проводником для токов, индуцируемых статором. Сплавы железа проводят электроток заметно хуже алюминия или меди. Кроме этого ведь неспроста магнитопроводы трансформаторов изготавливают из стальных пластин, а не из цилиндрических болванок. Вихревые токи нагревают литой металл и уменьшают общую эффективность электроустановки. Поэтому недостатки массивности конструкции из железного сплава конструктивно учитывает наиболее эффективный двигатель с короткозамкнутым ротором.

В таком электродвигателе используются алюминиевые или медные детали. Функции применительно к созданию магнитного поля и проводимости тока конструктивно разделяются. Для получения переменного магнитного поля с малыми потерями по аналогии с трансформаторами применяются тонкие изолированные пластины. Каждая из них содержит выемки и по форме эквивалентна поперечному сечению ротора. Ее материалом является трансформаторная сталь.

Как получается беличье колесо (клетка)

После того как пластины собраны, получается цилиндр с канавками. Они образованы выемками, в которые укладываются стержни из алюминия или меди. На торцы цилиндра надеваются пластины или кольца из такого же металла, что и стержни, концы которых крепятся к ним. Каждая пара диаметрально противоположных стержней, таким образом, создает короткозамкнутый виток. Его сопротивление индуцируемому току гораздо меньше, чем у железного сплава. Стержни с пластинами выглядят, как беличья клетка.

Поэтому двигатель с короткозамкнутым ротором такой конструкции имеет меньше потерь и по этой причине широко распространен. Но сходство этого электромотора асинхронного электродвигателя короткозамкнутым ротором своим похожего на обычный нагруженный силовой трансформатор ограничено к применению в некоторых электросетях. Не каждая из них может выдержать большой пусковой ток. Если асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором будут стартовать одновременно, величина тока будет велика и сравнима с коротким замыканием.

В начале их пуска происходит процесс, аналогичный включению трансформатора с вторичной обмоткой, замкнутой накоротко. В этом начальном положении магнитное поле почти неподвижно, и в этой связи так называемое скольжение получается самым большим. Неподвижный короткозамкнутый ротор асинхронного двигателя создает при пуске наиболее мощное электромагнитное поле. Ведь он собран из листовой стали, отличающейся минимальными вихревыми потерями, а беличье колесо характеризуется минимальным электрическим сопротивлением.