Благодаря техническому прогрессу на современных производствах внедряются новые виды электропривода. Например, асинхронные двигатели с КЗ ротором с частотным преобразователем постепенно заменяют АДФР и ДПТ. Но есть машины, которые благодаря своим характеристикам продолжают эксплуатироваться — это синхронные двигатели, о них и пойдёт речь в этой статье.
Что такое синхронные машины и где их используют
В общем смысле синхронная электрическая машина — это машина, ротор которой вращается с такой же частотой, как и магнитное поле статора.
Если говорить о двигателе, то частота вращения его ротора совпадает с частотой вращения поля статора, порождаемого током питающей сети. То есть ротор вращается синхронно с этим полем отсюда и название - синхронный двигатель.
Синхронные машины обратимы — то есть могут работать и в режиме генератора, и в режиме двигателя. Поэтому в ходе статьи иногда могут проскакивать фазы не только о двигателях, но и о генераторах, их устройство почти одинаковое, а главное, отличие — в режиме работы.
Стоит отметить, что на электростанциях всех типов используются в основном синхронные генераторы. Они и вырабатывают практически всю электроэнергию в мире, а мощность таких генераторов может доходить до тысячи мегаватт, а в некоторых случаях и более.
Синхронные двигатели (СД) используются зачастую там, где нужна большая мощность (сотни и тысячи киловатт) для привода в движение различных механизмов и устройств, например, компрессоров, насосов, мельниц и другого оборудования, не требующего регулировки частоты вращения и частых пусков/остановок.
У синхронного двигателя три отличительных особенности:
1. Постоянная скорость на валу при любых нагрузках (в пределах номинальной). При этом скорость вращения ротора СД равна скорости вращения магнитного поля статора.
2. Изменяя ток возбуждения, возможно регулировать коэффициент мощности. Так в режиме перевозбуждения синхронный двигатель работает как компенсатор (генератор) реактивной мощности, улучшая общий cos Ф сети.
Из последнего ясно, почему его применяют для привода в движение устройств большой мощности, ведь использование асинхронных двигателей приведёт к ухудшению cos Ф, следовательно, и к увеличению нагрузки на сеть и счётов за электроэнергию.
Устройство
Как любой другой двигатель, синхронный состоит из статора и ротора.
Статор – это неподвижная часть машины, состоящая из корпуса и шихтованного сердечника. Шихтованный — значит, собран из тонких листов , изолированных друг от друга лаком или окалиной. В сердечнике есть пазы, в которые укладывается трёхфазная обмотка. То есть устройство статора синхронной машины такое же, как и у асинхронной.
В зависимости от габаритов машины статоры бывают разных конструкций — в виде цельного цилиндра, или набранным из сегментов, которые при сборке образуют цилиндр. Корпуса статоров мощных машин большого диаметра выполняют разъёмными из двух частей (разделяются пополам вдоль оси ротора), что облегчает транспортировку, монтаж и ремонт таких машин. У небольших машин корпуса выполняют цельными и в них запрессовывают статор.
Ротор – это вращающаяся часть электрической машины. Так как для работы любой синхронной машине нужно возбуждение, то на роторе располагается сердечник с обмоткой возбуждения или магниты. Сердечник и ротор могут быть выполнены в виде одной цельной детали или сборными.
У синхронных машин бывают роторы двух видов: неявнополюсным и явнополюсным.
Неявнополюсный ротор выполняется в виде стального цилиндра с продольно профезерованными пазами, в которые укладывается обмотка возбуждения. Может быть изготовлен в виде одной кованной детали с валом или сборным — в виде отдельной детали, напрессованной на вал. Чтобы во время работы обмотка не повредилась под действием центробежной силы, концы ротора прикрывают стальными бандажными кольцами из немагнитной стали.
У явнополюсного ротора обмотки расположены на полюсах сердечника, как бы выступающих над поверхностью ротора. В этом случае каждый полюс выполняется в виде отдельного элемента, который состоит из сердечника, катушки и полюсного наконечника. Сами полюсы крепятся, например, с помощью ласточкиного хвоста, на ободе, установленном на валу.
В зависимости от мощности машины и частоты вращения, используют один или другой тип ротора. В тихоходных машинах (до 1000 об/мин) используют явнополюсную конструкцию ротора. Поэтому у явнополюсных роторов зачастую много полюсов, подобно тому, что вы видите на рисунке выше.
При работе машин с большим числом оборотов (1500-3000 об/мин) на ротор действуют значительные центробежные силы, поэтому применяют неявнополюсный ротор. При этом неявнополюсный ротор может быть двухполюсным (при n 1=3000 об/мин) или четырёхполюсным (n 1=1500 об/мин)
Концы обмотки возбуждения выводятся на два токосъёмных кольца, а ток на них подаётся через щётки.
Возбуждение синхронных машин
Для работы синхронной машины на роторе должен быть расположен источник магнитодвижущей силы (МДС). Если это генератор, то магнитное поле ротора сцепляется с обмотками статора и наводит в них ЭДС, а у двигателя магнитные поля ротора и статора взаимодействуют друг с другом и ротор увлекается вслед за полем статора.
По способу возбуждения различают синхронные машины с обмоткой возбуждения и с постоянными магнитами.
При этом чаще встречаются машины с обмоткой возбуждением, или как его ещё называют — с электромагнитным возбуждением. Здесь при прохождении постоянного тока через обмотку и возникает МДС возбуждения, которое наводит магнитное поле в магнитной системе машины. А устройство, которое питает обмотку возбуждения, называют возбудителем (В).
Раньше для возбуждения синхронных машин использовались генераторы постоянного тока с самовозбуждением или с независимым возбуждением. Во втором случае для работы возбудителя нужно было подать ток и в его обмотку возбуждения. Для этого использовался ещё один генератор постоянного тока, но параллельного возбуждения — подвозбудитель (ПВ).
То есть ротор синхронной машины, якорь возбудителя и подвозбудитель располагаются на общем валу (или их валы соединяются непосредственно друг с другом) и вращаются одновременно, а подвозбудитель питает обмотку возбуждения возбудителя, чтобы тот мог выдавать ток в обмотку возбуждения синхронной машины. Для регулировки тока возбуждения используют регулировочные реостаты в цепи возбудителя r1 и подвозбудителя r2. Схема изображена на рисунке ниже под буквой а.
Ток с якоря возбудителя снимался через щёточно-коллекторный узел и подавался в обмотку возбуждения синхронной машины через её щётки и кольца. Из-за «слишком большого» количества щёток такая система нуждалась в постоянном обслуживании — контроле состояния щёток, искрения и регулярной замены (в некоторых случаях и раз в несколько дней – неделю).
Чтобы снизить частоту обслуживания, повысить КПД и надёжность от такой системы отказались и перешли на тиристорные преобразователи, в нашей стране распространены преобразователи типа ТЕ320/45, ТЕ320/75 способные выдавать ток возбуждения до 320 ампер с напряжением 45 и 75 вольт соответственно, а также различные ВТЕ. Они подключаются к питающей сети, выпрямляют и регулируют ток, подаваемый на обмотку возбуждения, при этом возможна автоматическая или ручная регулировка тока. Способ регулировки в большей мере определяется мощностью машины и режимом её работы. КПД повышается за счёт снижения потерь при работе генераторов, отсутствии регулировочных реостатов.
Но не всегда ток возбуждения подаётся через щётки, есть синхронные машины с бесконтактной системой электромагнитного возбуждения, при которой на роторе нет контактных колец. В этом случае в качестве возбудителя используют генератор переменного тока. У этого генератора есть обмотка якоря и обмотка возбуждения. Обмотка якоря располагается на роторе (цифра 2 на рисунке «б» выше) и в ней наводится ЭДС, а обмотка возбуждения располагается на статоре (1) .
Так как якорь возбудителя располагается на валу синхронной машины и вращается вместе с её обмоткой возбуждения, то возможно соединить их между собой непосредственно друг с другом без щёток.
Но возбудитель – это генератор переменного тока, а для возбуждения синхронных машин нужен постоянный. Для преобразования переменного тока в постоянный на валу располагается полупроводниковый выпрямитель (3), на вход которого подаётся ток обмотки якоря возбудителя, а его выход подключается к обмотке возбуждения синхронной машины.
На обмотку статора возбудителя подаётся постоянный ток от подвозбудителя (генератора) или от электронного преобразователя. В этом случае чтобы регулировать силу тока возбуждения синхронной машины изменяют ток статора возбудителя.
Преимущество такой системы в том, что она надёжна и её почти не нужно обслуживать, ведь при питании возбудителя от электронного преобразователя в системе полностью отсутствуют щётки. Перечисленные системы возбуждения используются как в генераторах, так и в двигателях.
Интересно, что на возбуждение затрачивается мощность в пределах 0,2…5% от полезной мощности машины, при этом у более мощных машин на возбуждение в процентном соотношении затрачивается меньшая мощность. А в машинах с постоянными магнитами мощность на возбуждение не затрачивается.
Кстати, насчёт постоянных магнитов — они используются в машинах малой мощности (до единиц киловатт), конструкция машины в этом случае упрощается и становится дешевле. Но не нашла широкого распространения в синхронных двигателях большой мощности из-за того, что мощные магниты стоят дорога, а материалы для них были в дефиците, и сложны в обработке материалов для постоянных магнитов.
Однако сейчас практически повсеместно используют мощные неодимовые магниты, они нашли применения в различных бесщёточных двигателях (BLDC ), которые используются в качестве привода в электротранспорте. Кстати, эти двигатели в целом похожи на синхронные, а одна из их разновидностей так и называется permanent magnet synchronous motor (PMSM) — синхронный двигатель с постоянными магнитами.
Особенности и принцип действия
Обмотки статора синхронного двигателя подключают к трёхфазной электросети, а на обмотку ротора подают постоянный ток от возбудителя. Но из-за большой инерционности ротор синхронного двигателя не может мгновенно развить своей скорости, он в принципе не может развернуться самостоятельно, так как пусковой момент у него отсутствует.
Поэтому для запуска двигателя используют такие способы его разгона до синхронной скорости:
1. Разгон с помощью вспомогательного двигателя.
2. Асинхронный пуск.
Один из самых распространённых способов – это асинхронный пуск. В этом случае на роторе синхронного двигателя, кроме обмотки возбуждения, должна быть расположена ещё и короткозамкнутая обмотка, как на АДКР.
Если кратко, то в этом случае синхронный двигатель запускается точно так же как асинхронный — поле статора наводит в КЗ-обмотке ротора ЭДС, из-за чего в ней начинает протекать ток. Поле статора взаимодействует с полем ротора отчего тот начинает разворачиваться. И когда ротор разгоняется до скорости близкой к синхронной (когда скольжение приближается к нулю), подают ток в обмотку возбуждения, а сопротивления отключают.
Так как ротор вращается со скоростью близкой к полю статора, полюса поля обмотки возбуждения притягиваются к противоположным полюсам поля обмотки статора. В результате чего двигатель выходит на синхронную скорость, об этом ещё говорят «двигатель вошёл (втянулся) в синхронизм».
На время пуска обмотку возбуждения замыкают на резисторы, сопротивление которых в 8-10 раз больше сопротивления обмотки. А после выхода двигателя на синхронную скорость ЭДС в короткозамкнутой обмотке не наводится, так как поле статора больше не пересекает её, ведь они вращаются синхронно.
Частота вращения ротора синхронного двигателя равна частоте вращения магнитного поля статора и определяется по формуле:
n 2=n 1=60×f /p
Двигатель может выйти из синхронизма при:
1. Исчезновении возбуждения.
2. Пониженном напряжении питающей сети.
3. При чрезмерной нагрузке на валу (при перегрузке).
Заключение
Синхронные двигатели хоть и активно используются, но на практике электрики сталкиваются с ними значительно реже, чем с асинхронными двигателями, или вообще никогда с ними не работали.
В этой статье мы постарались простым языком рассказать об особенностях устройства и работы этого типа электрических машин, а в завершении этой статьи предлагаю посмотреть советский обучающий фильм о синхронных двигателях.