Що таке синхронний двигун, пристрій та принцип дії синхронного двигуна

У побуті та на виробництві переважає використання електроенергії. Тому більшість приладів та верстатів працює від електричних машин. Вже впроваджено багато видів агрегатів та у кожного свої якості. Для отримання незмінної механічної сили великої потужності чи генерації величезного обсягу електроенергії у багатьох областях потрібні синхронні двигуни (ЦД).

Загальне визначення синхронного електродвигуна

Кожна електрична машина працює за таким принципом:

• від джерела живлення на обмотку якоря та статора подається струм;
• в обмотці статора генерується магнітне поле, що збуджує електрорушійну силу (ЕРС);
• при обертанні магнітне поле впливає на обмотку ротора та змушує його обертатися.

При цьому обертання ротора по відношенню до магнітного поля буває двох варіантів:

1. Залежне. Величина крутного моменту ротора визначається круговим рухом ЕРС, але кутова швидкість різна. Такі двигуни називаються асинхронними.
2. Однакове. Швидкість обертання ЕРС і якоря однакова і змінюється протягом усього часу роботи. За таким принципом дії існує поняття синхронний електродвигун.

Для отримання різної кутової швидкості потрібне незалежне збудження статора і якоря обмотки від різних джерел. Такого ж ефекту можна досягти при паралельному збудженні, якщо між джерелом живлення та провідником статора приєднати реостат. Цим ускладнюється схема асинхронних двигунів.

Синхронним машинам не потрібні додаткові пристрої для увімкнення. Тому їх вартість та витрати на обслуговування нижчі.

Конструкція та принцип дії

Всі електродвигуни мають загальну основу і складаються зі статора та ротора.Обмотка статора приймає струм від джерела трифазної мережі або електростанції та генерує ЕРС. Магнітне поле діє на обмотку ротора і приводить його в рух. У такий спосіб електрична сила перетворюється на механічну енергію.

Але у асинхронних двигунів швидкість ЕРС завжди вища за ротор. Для отримання однакової механічної сили потрібно більше електроенергії, що робить його менш вигідним. Тому для великогабаритного обладнання використовуються синхронні електродвигуни.

Електричні машини працюють і у зворотному порядку з включенням як генератор. Переважна більшість електростанцій, що генерують до Мегават електроенергії, функціонують під керуванням синхронного двигуна.

Швидкість обертання ЦД визначається лише параметрами ЕРС, залежною від струму, що подається. Отже, навантаження на вал не знижує обертів і синхронний двигун можна використовувати як компенсатор.

Влаштування статора

Синхронний електродвигун може працювати від постійного та змінного струму. Конкретний тип живлення підключення чи генерації струму визначається конструкцією статора та її призначенням.

Машини постійного струму

Струм безперервно діє на обмотку збудження. Тож отримання максимального ККД статор представлений суцільним циліндром, а обмотка у ньому безперервна. За такої конструкції в будь-який момент часу струм надходитиме на котушку.

Електродвигуни та генератори постійного струму вигідні для включення обладнання та автономного живлення віддалених об'єктів за умов відсутності мереж. У побуті синхронні двигуни постійного струму не застосовуються. Потрібне випрямлення струму, через який розмір пристрою збільшиться, а керування ним ускладниться.

Машини змінного струму

Такі електродвигуни відрізняються секційною конфігурацією статора (що формою схожий з колектором якоря). Змінний струм одно фазної електромережі діє уривчасто як синусоїда з частотою 50 Гц (тобто 50 разів на секунду згасає). Технічно синхронний електродвигун постійного струму можна підключити до однієї фазної мережі, але швидкість обертання буде нижчою. Це з тим, що заряд нічого очікувати надходити окремі ділянки обмотки статора через періодичного згасання. Для трифазної мережі не підходить.

Тому обмотки збудження як суцільного кільця нерентабельні. Замість них у синхронних машинах змінного струму впроваджено пластини однакового розміру, розташовані навколо ротора. Кожен сегмент на внутрішній поверхні має пази, в які закладається однакова кількість витків (з яких складається обмотка збудження).

Синхронний електродвигун змінного струму проектується і збираються таким чином, щоб відстань між статорними пластинами збігалася з довжиною хвилі синусоїди змінного струму в загальній мережі. У результаті момент пікового значення заряд завжди надходить на область обмотки однієї з пластин. Розрахунок кутової відстані між секціями для статора будь-якого діаметра не складно провести, коли відома частота струму та швидкість обертання (50 Гц та 3000 об./хв відповідно).

Особливості статора

У синхронних двигунів змінного струму статор буває явнополюсним та неявнополюсним. Перший тип представлений секціями з обмотками на протилежних сторонах. При такій конструкції в деякі моменти пікового значення струм не збуджуватиме ЕРС і кутова швидкість ротора знизиться.У процесі розбору ЦД відразу видно симетричне положення статора обмоток, звідси і поняття явнополюсний двигун.

Особливість параметрів таких електродвигунів у швидкості обертання менше 3000 об/хв без використання перетворювача при підключенні обладнання до електромережі. Але ККД таких синхронних машин на одиницю електроенергії, що витрачається нижче. Затребувані двигуни лише у випадках, коли потрібні компактні розміри та низька швидкість обертання.

Секції неявнополюсного статора розташовані рівновіддалено один від одного. Усі синхронні електродвигуни змінного струму в побутових приладах неявнополюсні. А для регулювання швидкості обертання в них є частотний перетворювач. Використовуватися як генератор змінного струму може тільки синхронний двигун з неявнополюсним статором.

Ротор

Служить обертальним елементом ЦД для відтворення механічної сили. Для передачі моменту, що крутить, робочому механізму ротор з'єднаний з валом. У двигунів постійного струму до якір на підшипниках ковзання приєднаний нерухомий колектор. Призначення механізму постійної передачі початкового моменту руху. Сам по собі ротор при подачі живлення трохи прокрутиться та зупиниться.

Обмотка статора синхронних електродвигунів змінного струму періодично збуджується при піковому значенні. Аналогічно діє ЕРС на якір, обертаючи його імпульсивно, а чи не будь-якої миті часу. Тому необхідність у колекторі відпадає. Замість нього використовується струмопровідне немагнітне кільце.

Переваги агрегату

У кожної машини є свої плюси та мінуси. Для синхронного двигуна можна виділити такі переваги:

1. Залежність обертання ротора від напруги (і навпаки).Характеристика повністю лінійна і легко розраховується, що дозволяє сконструювати двигун чи генератор із необхідними параметрами.
2. Низька собівартість. Для випуску синхронних двигунів (особливо змінного струму) під конкретний режим обертання потрібно менше витрат.
3. Випуск машини із конкретною механічною потужністю. Комбінуванням секцій статора можна отримати агрегат із певною швидкістю обертання валу.
4. Незалежність від навантажень. Можливе підключення електродвигуна до робочого тіла великогабаритного обладнання для компенсації втрат при його обертанні.
5. Простота обслуговування. Синхронні агрегати рідко включають супутні пристрої типу реостатів та перетворювачів, що полегшує пошук поломки та ремонт.

Але головна перевага електричного синхронного двигуна – це високий ККД. Для порівняння, у асинхронних аналогів поле збудження швидше за швидкість обертання ротора, тому йому потрібно більше електроенергії.

Переваги перед асинхронним двигуном

Обмотки статора та якоря асинхронних машин збуджуються струмом з різними характеристиками і це є суттєвим недоліком. У разі проблем із живленням одного провідника або поломкою реостату можна не помітити проблем. При цьому електродвигун продовжить працювати в колишньому режимі, а обмотка вже може плавитися.

Синхронні двигуни позбавлені цього недоліку. Завдяки принципу дії їхню роботу простіше контролювати. У випадках перебою на генераторі або трифазної мережі зміниться швидкість ЕРС, а за нею синхронно і обертання ротора. Оператор це відразу помітить по нехарактерному шуму від агрегату і встигне вжити заходів.Хоча на сучасному виробництві багато захисного обладнання на ділянці ланцюга споживача, ніхто не застрахований від їхньої поломки.

Експлуатація

При дбайливому використанні синхронний двигун прослужить встановлений виробником термін. Для збереження ресурсу агрегату важливо дотримуватись наступних правил:

1. Проводити планове обслуговування. Трифазні електродвигуни промислових агрегатів працюють у важких умовах. На клемах підключення накопичується бруд, а в корпус потрапляє пил. Періодично потрібно перевіряти агрегат і за необхідності очищати та промазувати його.
2. Запускати без навантажень. Кожен двигун розрахований на конкретну експлуатацію. Якщо нехтувати рекомендаціями виробника або збільшувати штатну потужність (підвищуючи граничні обороти), агрегат часто ламається.
3. Забезпечувати захист обладнання. Будь-який електродвигун може стати непридатним від перебоїв на генераторі або в загальній мережі. Достатньо підключення на ділянці ланцюга автомата, а до обладнання - джерела безперебійного живлення. У разі проблем із джерелом струм буде вирівняний, а в критичній ситуації агрегат знеструмлений. Застосування мінімальних заходів захисту убереже від передчасної поломки.

Ці вимоги є актуальними і для генераторів, що працюють за схемою синхронного мотора.

Основні несправності

Незважаючи на якість складання, будь-яка машина може вийти з ладу і синхронний двигун не є винятком. У процесі експлуатації обладнання частіше настають такі неполадки:

• Перегрів. Його провокує неефективне виведення надлишкового тепла, яке часто відбувається через пил і бруду всередині корпусу електродвигуна. Через перегрівання руйнується ізоляція обмоток, і витки стикаються між собою.Це призводить до проходження струму коротким маршрутом і замикання. Якщо дефектна машина продовжує працювати, зростає опір матеріалу провідника та надмірна теплоємність, що призводить до деформації та обриву обмотки.
• Замикання в ланцюзі живлення. Збої на генераторі також призводять до деформації та руйнування витків обмотки, як і у разі тривалого перегріву. Різниця в тому, що надструми утворилися ще на джерелі живлення, а не в обмотці внаслідок контакту різних витків.
• Розбалансування валу. Через нерівномірне навантаження на ротор відбувається порушення центру мас і його зміщення щодо вихідної осі обертання. В результаті порушується передача моменту, що крутить, і з'являється надмірний шум. ККД синхронного електричного двигуна падає. Наступна робота при розбалансуванні призводить до прискореного зносу та руйнування підшипників ковзання якоря.
• Відсутність харчування. При неакуратному обслуговуванні можна випадково зачепити обмотку біля контактів та обірвати її. В цьому випадку живлення взагалі не буде і двигун не запуститься. Найчастіше при обриві кінця обмотку можна відновити без заміни.
• Вібрації. Якщо електрична машина надійно закріплена, вібрації створюються робочим механізмом через грубу передачу крутного моменту. Подібна ситуація спостерігається через розцентрування валів. Залежно від тривалості такої роботи, синхронний двигун може отримати різний ступінь механічної шкоди, аж до мікротріщин біля корпусу.

У більшості випадків від порушень у ланцюгу живлення рятують контрольно-вимірювальні прилади, і електродвигун отримує незначну шкоду.Механічні несправності виявляються оператором з нехарактерної роботи (сильне нагрівання корпусу, надмірна шумність, вібрації). Однак застосування оперативних заходів не завжди уберігають від поломки. І навіть при дбайливій експлуатації з часом настане штатне зношування деталі машини. Тому згодом синхронний електродвигун виходить із ладу. Відновити своїми руками його не вдасться. І справа не у відсутності знань чи досвіду.

Для ремонту синхронного двигуна потрібний професійний стенд із складним обладнанням. Також велике значення має докладне дослідження дефектів, які допоможуть визначити причини поломок. Якщо їх не виявити та не усунути, після відновлення протягом короткого часу електродвигун знову може зламатися. Як правило, половина несправностей настає через дефекти на стороні (джерело живлення, робочий механізм обладнання, рама або консоль).

У синхронних двигунів чудові якості продуктивності та довговічності. ЦД мають високий ККД, здатні працювати у важких умовах та видавати велику механічну потужність, а також генерувати мегавати електроенергії. Але згодом будь-які електричні машини зношуються та вимагають відновлення.

Компанія "Хельд" займається ремонтом електромоторів будь-якої складності. Фахівці ремонтують агрегати після отримання серйозної шкоди:

• обрив обмотки якоря чи статора;
• деформація ламелей;
• знос підшипників;
• руйнування ізоляції;
• розбалансування ротора.

Якщо ваш двигун дуже старий і подає ознаки зношування, майстри продовжать його ресурс у оперативні терміни. Ремонт агрегатів триває від двох днів.Якщо вам потрібно відновити побутовий або промисловий електродвигун - звертайтеся до нас. Майстер швидко огляне обладнання та повідомить вартість з термінами ремонту.

Принцип роботи синхронного двигуна

Коли в 3-х фазному двигуні електричні провідники розташовуються у певному геометричному положенні (під певним кутом щодо один одного) виникає електричне поле. Утворене електромагнітне поле обертається із певною швидкістю, яка називається синхронною швидкістю.

Якщо в цьому магнітному полі, що обертається, присутній електромагніт, він магнетично замикається з цим обертовим полем і обертається зі швидкістю цього поля. Фактично це нерегульований двигун, оскільки він має всього одну швидкість, яка є синхронною, і ніяких проміжних швидкостей там бути не може. Іншими словами, він працює синхронно із частотою мережі.

Нижче наведена формула синхронної швидкості:

Будова синхронного двигуна

Його будова практично аналогічна 3-фазного асинхронного двигуна, за винятком того факту, що на ротор подається джерело постійного струму. На малюнку показано пристрій цього двигуна. На статор подається 3-х фазна напруга, але в ротор – джерело постійного струму.

Будова синхронного двигуна

Основні властивості синхронних двигунів:

• Синхронні електродвигуни не є механізмом, що самозапускається. Вони вимагають певної зовнішньої дії, щоб виробити певну синхронну швидкість.
• Двигун працює синхронно із частотою електричної мережі. Тому при забезпеченні безперебійного постачання частоти він поводиться так, як двигун із постійною швидкістю.
• Цей двигун має унікальні характеристики, функціонуючи під будь-яким коефіцієнтом потужності. Тому використовуються збільшення фактора сили.

Відео: Будова та принцип роботи синхронного двигуна

Принципи роботи синхронного двигуна

Електронно-магнітне поле синхронного двигуна забезпечується двома електричними вводами. Це обмотка статора, яка складається з 3-х фаз і передбачає 3 фази джерела живлення та ротор, на який подається постійний струм.

3 фази статора обмотки забезпечують обертання магнітного потоку. Ротор приймає постійний струм і постійний потік. При частоті 50 Гц 3-х фазний потік обертається близько 3000 оборотів за 1 хвилину або 50 оборотів за 1 секунду. У певний момент полюси ротора та статора можуть бути однієї полярності (++ або - - ), Що викликає відштовхування ротора. Після цього полярність відразу змінюється (+–), що викликає притягування.

Але ротор через свою інерцію не в змозі обертатися в будь-якому напрямку через силу тяжіння або сили відштовхування і не може залишатися в стані простою. Він не самозапускається.

Щоб подолати інерцію сили, необхідний певний механічний вплив, який обертає ротор у тому напрямку, що й магнітне поле, забезпечуючи необхідну синхронну швидкість. Через деякий час відбувається замикання магнітного поля і синхронний двигун обертається з певною швидкістю.

Способи запуску

• Запуск синхронного двигуна за допомогою допоміжного двигуна. Синхронний двигун автоматично з'єднується з іншим двигуном. Це може бути 3-х фазний індукційний двигун, або двигун постійного струму. Постійний струм спочатку не подається.Двигун починає обертатися із швидкістю, близькою до синхронної швидкості, після чого подається постійний струм. Після того, як магнітне поле замикається, зв'язок із допоміжним двигуном припиняється.
• Асинхронний запуск. У полюсних наконечниках полюсів ротора встановлюється додаткова короткозамкнена обмотка. При включенні напруги в обмотку статора виникає магнітне поле, що обертається. Перетинаючи короткозамкнуту обмотку, яка закладена в полюсних наконечниках ротора, це магнітне поле, що обертається, індукує в ній струми, який взаємодіючи з обертовим полем статора, приводять ротор у обертання. Коли досягнута синхронна швидкість, ЕРС і момент, що крутиться, зменшується. І нарешті, коли магнітне поле замикається, момент, що крутить, також зводиться до нуля. Таким чином, синхронність спочатку запускається індукційним двигуном із використанням додаткової обмотки.

Застосування

• Синхронний двигун використовується для покращення коефіцієнта потужності. Синхронні двигуни широко застосовуються в енергосистемі, оскільки вони працюють за будь-якого коефіцієнта потужності та мають економічні експлуатаційні показники.
• Синхронні двигуни знаходять своє застосування там, де робоча швидкість не перевищує 500 об/хв та потрібно збільшити потужність. Для енергетичної потреби від 35 кВт до 2500 кВт вартість, розмір, вага та відповідного індукційного двигуна буде досить високим. Такі двигуни часто використовують для роботи поршневих насосів, компресорів, прокатних верстатів та іншого обладнання.

Пристрій та принцип дії синхронного двигуна

Відмінність від асинхронного двигуна

Головна відмінність синхронної машини полягає в тому, що швидкість обертання якоря така сама, як і аналогічна характеристика магнітного потоку.

І якщо в асинхронних моторах використовується короткозамкнутий ротор, то в синхронних є на ньому дротяна обмотка, до якої підводиться змінна напруга.

У деяких конструкціях використовують постійні магніти. Але це робить двигун дорожчим.

Якщо збільшувати навантаження, яке підключається до ротора, частота його обертання не зміниться. Це одна із ключових особливостей такого типу машин. Обов'язкова умова – у магнітного поля, що рухається, має бути стільки ж пар полюсів, скільки у електромагніту на роторі. Саме це гарантує постійну кутову швидкість обертання цього елемента двигуна. І вона не залежатиме від моменту, доданого до нього.

Конструкція двигуна

Пристрій та принцип дії синхронних двигунів нескладні.

Конструкція включає такі елементи:

1. Нерухома частина – статор. На ній є три обмотки, які з'єднуються за схемою «зірка» або «трикутник». Статор зібраний із пластин електротехнічної сталі з високим ступенем провідності.
2. Рухлива частина – ротор. На ньому також є обмотка. Працюючи її у подається напруга.

Між ротором і статором є прошарок повітря. Вона забезпечує нормальне функціонування двигуна та дозволяє магнітному полю безперешкодно впливати на елементи агрегату. У конструкції є підшипники, в яких обертається ротор, а також клемна коробка, розташована у верхній частині мотора.

Як працює двигун

Якщо коротко, принцип дії синхронного двигуна, як і будь-якого іншого, полягає у перетворенні одного виду енергії на інший. А саме - електричної в механічну. Працює мотор таким чином:

1. На обмотки статора подається змінна напруга. Воно створює магнітне поле.
2. На обмотки ротора також подається змінна напруга, що створює поле. Якщо використовуються постійні магніти, це поле вже за замовчуванням є.
3. Два магнітні поля взаємоперетинаються, протидіють одне одному – одне штовхає інше. Через це рухається ротор. Саме він встановлений на шарикопідшипниках і здатний вільно обертатися, дати йому потрібно лише поштовх.

Ось і все. Тепер залишається тільки використовувати отриману механічну енергію з потрібними цілями. Але потрібно знати, як правильно вивести у нормальний режим синхронний двигун. Принцип роботи у нього відрізняється від асинхронного. Тому потрібно дотримуватись певних правил.

Для цього електродвигун підключають до обладнання, яке необхідно привести в рух. Зазвичай це механізми, які мають працювати практично без зупинок – витяжки, насоси та інше.

Синхронні генератори

Зворотна конструкція – синхронні генератори. Вони процеси протікають трохи інакше. Принцип дії синхронного генератора та синхронного двигуна відрізняються, але не суттєво:

1. На обмотку статора не подається напруга. З неї воно знімається.
2. На обмотку ротора подається змінна напруга, яка потрібна для створення магнітного поля. Споживання електроенергії дуже маленьке.
3. Ротор електрогенератора розкручується за допомогою дизельного або бензинового двигуна або силою води, вітру.
4. Навколо ротора є магнітне поле, що рухається. Тому в обмотці статора індукується ЕРС, а на кінцях з'являється різниця потенціалів.

Але у будь-якому випадку потрібно стабілізувати напругу на виході генераторної установки. Для цього достатньо запитати роторну обмотку від джерела, напруга якого постійно не змінюється при коливаннях частоти обертання.

Полюси обмоток двигуна

У конструкції ротора є постійні чи електричні магніти. Їх зазвичай називають полюсами. На синхронних машинах (двигунах та генераторах) індуктори можуть бути двох типів:

Вони різняться між собою лише взаємним розташуванням полюсів. Для зменшення опору з боку магнітного поля, а також покращення умов для проникнення потоку, використовуються осердя, виготовлені з феромагнетиків.

Ці елементи розташовуються як у роторі, так і в статорі. Для виготовлення використовуються лише сорти електротехнічної сталі. У ній дуже багато кремнію. Це відмінна риса такого виду металу. Це дозволяє суттєво зменшити вихрові струми, підвищити електричний опір осердя.

Вплив полюсів

В основі конструкції та принципу дії синхронних двигунів лежить забезпечення впливу пар полюсів ротора та статора один на одного. Для забезпечення роботи необхідно розігнати індуктор до певної швидкості. Вона дорівнює тій, з якою обертається магнітне поле статора. Саме це дозволяє забезпечити нормальну роботу у синхронному режимі. У момент, коли відбувається запуск, магнітні поля статора та ротора взаємно перетинаються. Це називається "вхід у синхронізацію". Ротор починає обертатися зі швидкістю, як у магнітного поля статора.

Запуск електродвигунів синхронного типу

Найскладніше у роботі синхронного мотора – це його запуск.

Саме тому його використовують дуже рідко. У

едь конструкція ускладнюється за рахунок системи запуску.

Протягом тривалого часу робота синхронного двигуна залежала від розгінного асинхронника, механічно з'єднаного з ним.

Що це означає? Другий тип двигуна (асинхронний) дозволяв розігнати ротор синхронної машини до підсинхронної частоти.

Звичайні асинхронники не вимагають спеціальних пристроїв для запуску, достатньо подати робочу напругу на обмотки статора.

Після того, як буде досягнуто необхідної швидкості, відбувається відключення розгінного двигуна. Магнітні поля, які взаємодіють в електричному двигуні, самі виводять його на роботу в синхронному режимі. Для розгону потрібен інший двигун. Його потужність має становити приблизно 10-15% від аналогічної характеристики синхронної машини. Якщо потрібно вивести в режим електродвигун 1 кВт, для нього буде потрібно розгінний двигун потужністю 100 Вт. Цього цілком достатньо, щоб машина змогла працювати як у режимі холостого ходу, так і з незначним навантаженням на валу.

Більш сучасний спосіб розгону

Вартість такої машини виявлялася набагато вищою. Тому простіше використовувати звичайний асинхронний мотор, хай і багато недоліків у нього. Але саме його принцип роботи і було використано зменшення габаритів і вартості всієї установки. За допомогою реостата проводиться замикання обмоток на роторі. У результаті двигун стає асинхронним. А запустити його виявляється набагато простіше просто подається напруга на обмотки статора.

Під час виходу на підсинхронну швидкість можливе розгойдування ротора. Але це відбувається за рахунок роботи його обмотки. Навпаки, вона виступає заспокійником. Як тільки частота обертання буде достатньою, проводиться подача постійної напруги на обмотку індуктора. Двигун виводиться у синхронний режим. Але такий спосіб можна реалізувати тільки в тому випадку, якщо використовуються мотори з обмоткою на роторі. Якщо застосовується постійний магніт, доведеться встановлювати додатковий розгінний електродвигун.

Переваги та недоліки синхронних моторів

Основна перевага (якщо порівнювати з асинхронними машинами) – за рахунок незалежного живлення роторної обмотки агрегати можуть працювати і за високого коефіцієнта потужності. Також можна виділити такі переваги, як:

1. Знижується струм, споживаний електродвигуном, збільшується ККД. Якщо порівнювати з асинхронним мотором, то ці характеристики у синхронної машини виявляються кращими.
2. Момент обертання прямо пропорційний напрузі живлення. Тому навіть якщо знижується напруга в мережі, здатність навантаження виявляється набагато вище, ніж у асинхронних машин. Надійність пристроїв такого типу суттєво вища.

Але є один великий недолік - складна конструкція. Тому при виробництві та наступних ремонтах витрати виявляться вищими. Крім того, для живлення обмотки ротора обов'язково потрібна наявність джерела постійного струму. А регулювати частоту обертання ротора можна лише за допомогою перетворювачів – їхня вартість дуже висока. Тому синхронні мотори використовуються там, де немає необхідності часто вмикати та вимикати агрегат.

Лекція № 10 – Синхронні двигуни: принцип роботи, схема, характеристики

Синхронний двигун – це електрична машина, що працює від змінного струму. Головна її особливість якої у тому, що швидкість (частота), з якою обертається ротор, дорівнює частоті обертання магнітного поля. Саме тому частота ротора залишається незмінною незалежно від навантаження, що підключається. Цього вдається досягти завдяки тому, що ротор синхронного двигуна - це електромагніт (як варіант - постійний магніт), чия кількість пар полюсів повністю збігається з числом пар полюсів у магнітного поля, що обертається. Саме взаємодія цих полюсів гарантує сталість кутової швидкості, з якою обертається ротор, незалежно від моменту, прикладеного будь-якої миті до валу.

Мал. 1 Синхронний двигун (розріз)

Синхронні двигуни: пристрій та принцип дії

Основні частини синхронного двигуна – це якір (статор, нерухома частина) та індуктор (ротор), розділені повітряним прошарком. У пази статора закладають трифазну розподілену обмотку – вона зазвичай з'єднується «зіркою».

Мал. 2 Схема синхронного двигуна

З початком роботи двигуна струму, що подаються в якір, створюють обертання магнітного поля, яке перетинає поле індуктора, що внаслідок взаємодії двох полів перетворюється на енергію. Поле якоря найчастіше називають інакше – поле реакції якоря. У генераторах таке одержують за допомогою індуктора. Електромагніти постійного струму, що входять до складу індуктора, прийнято називати полюсами. При цьому індуктори у всіх синхронних двигунах можуть виконуватися за двома схемами – явнополюсною та неявнополюсною, що розрізняються між собою розташуванням полюсів.Щоб зменшити значення магнітного опору і тим самим покращити умови для проходження магнітного потоку, застосовують феромагнітні осердя. Вони розташовуються в статорі та роторі, для їх виготовлення використовують спеціальну марку сталі – електротехнічну, що відрізняється високим вмістом кремнію – це дозволяє зменшити вихрові струми та підвищити електричний опір сталі.

Мал. 3. Магнітні поля у синхронному двигуні

В основу роботи синхронного двигуна покладено принцип взаємного впливу полюсів індуктора та магнітного поля, що індукується якорем. При запуску здійснюється розгін двигуна до частоти, яка близька до свого значення частоті, з якою відбувається в зазорі обертання магнітного поля. Тільки при виконанні цієї умови двигун переходить у функціонування у синхронному режимі. В даний момент перетинаються магнітні поля, що ініціюються індуктором та ротором. Цей момент у технічній літературі прийнято називати входом до синхронізації.

Робота синхронного двигуна наочно представлена ​​на відео:

Тривалий час як розгінний двигун використовувався стандартний синхронний двигун, який був механічно з'єднаний з синхронним. Завдяки цьому ротор на синхронному двигуні механічно розганявся до підсинхронної швидкості, а потім вже самостійно, за рахунок взаємодії електромагнітних полів, втягувався в синхронізм. Зазвичай при підборі потужності пускового двигуна виходили із співвідношення 10-15% від номінальної потужності двигуна, що розганяється. Такого запасу потужності цілком вистачало запустити синхронний двигун не тільки в неодружену, але навіть і при незначному навантаженні на валу.

Мал.4 Синхронний двигун (1) із зовнішнім розгінним (2) двигуном

Такий спосіб розгону ускладнює та суттєво збільшує загальну вартість, тому в сучасних двигунах від нього відмовилися на користь розгону у стані асинхронного режиму. У цьому випадку за допомогою реостата (короткозамкненим шляхом) обмотки індуктора замикають, як асинхронному двигуні. Щоб провести запуск двигуна в такому режимі, на ротор встановлюють короткозамкнену обмотку, що виступає одночасно і як заспокійлива обмотка, що усуває під час синхронізації розгойдування ротора. У момент, коли швидкість обертання досягне необхідного номінального значення, індуктор буде подано постійний струм. Але для двигунів, у яких стоять постійні магніти, все одно доведеться для розгону використати зовнішні двигуни.

У кріогенних синхронних машинах використовується так звана звернена конструкція, коли розміщення індуктора і якоря виконано навпаки, тобто. індуктор розташований на статорі, а якір - на роторі. У таких машинах обмотки збудження складаються з матеріалів, що мають властивості надпровідності.

Синхронний двигун: кутова характеристика

У синхронному двигуні крутний момент залежить від кута Ø, що виходить між полем статора і осями полюсів ротора і описується формулою

М = Мм * sin Ø, у якій Мм – максимально можливе значення моменту.

Для синхронної машини отриману залежність М = f(θ) називають кутовою характеристикою

Мал. 5 Кутова характеристика роботи синхронного двигуна

Видно, що робота синхронного двигуна буде стабільна і стійка на початковій ділянці, тому зазвичай вибирає кут Ø, що не перевищує значення 30-35 °.Зі зростанням кута стійкість роботи істотно знижується, у точці (Ø = 90, так звана гранична точка), стабільна робота неможлива. Тому момент, який відповідає межі стійкості, прийнято називати перекидальним (максимальним) моментом.

Якщо навантаження синхронного двигуна перевищить Мм, випадання ротора двигуна з режиму синхронізму, стане його зупинка, машина перетворюється на аварійний режим. Саме тому, з урахуванням резервування потужності, номінальний момент для двигуна підбирають менше в 2-3 рази, ніж перекидальний.

Синхронний двигун: плюси та мінуси

Безперечною перевагою синхронних двигунів, якщо порівнювати їх з асинхронними аналогами, є те, що збудження постійним струмом від незалежного джерела дозволяє працювати їм за високого значення cosφ (коефіцієнта потужності) і навіть за умов з випереджаючим струмом. Така особливість дозволяє завдяки підключенню синхронного двигуна підняти показник cos для всієї мережі. Крім того, слід зазначити й інші переваги:

• завдяки тому, що синхронний двигун працює з високим cosφ, це забезпечує зниження споживаного струму та зменшення втрат. У порівнянні з асинхронним двигуном, що має ту ж потужність, ККД синхронного буде вище
• у синхронного двигуна крутний момент пропорційний діючому напрузі мережі (Uc). Тому синхронний двигун навіть при зниженні напруги в мережі зберігає здатність навантаження більше, ніж асинхронний. Це говорить про більшу надійність такого типу двигунів.

У той же час, якщо порівнювати конструктивні особливості двох типів двигунів, синхронний та асинхронних, варто відзначити, що конструкція синхронних – складніша, а значить вони будуть дорожчими при виробництві. Також істотним мінусом для синхронних двигунів є необхідність наявності джерела постійного струму (випрямляч або спеціальний збудник). Крім того, в порівнянні з асинхронним двигуном, пуск у них відбувається набагато складніше. До недоліків слід віднести і те, що єдина можливість регулювати (коригувати) кутову частоту обертання синхронного двигуна - це частотне регулювання.

Мал. 6 Синхронні двигуни

В результаті порівняльного аналізу варто зробити висновок, що переваги, характерні для синхронних двигунів (особливо на високопотужних, більше 100 кВт двигунах) значно перевищують наявні недоліки. Саме тому вони отримали значне поширення в тих тривалих технологічних процесах, що не вимагають проводити часті зупинки/запуски і де немає необхідності регулювати частоту обертання. На сьогоднішній день синхронні двигуни практично безальтернативний варіант для млинів, насосів, компресорів, вентиляторів, дробарок, нерегульованих прокатних станів і як привод для різних перетворювальних агрегатів.

При виборі конкретної моделі синхронного двигуна основними є фактори:

• умови, де проводитиметься експлуатація. Від цього залежить тип двигуна (відкритий, закритий, захищений), захист струмопровідних частин та обмоток двигуна від вологи, пилу, високої температури, їдких пар. Під час роботи у вибухонебезпечному середовищі передбачаються спеціальні заходи захисту, спрямовані на недопущення іскроутворення в машині
• особливості з'єднання синхронного двигуна з навантаженням (робочою машиною)