Avtoargon.ru

АвтоАргон
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Синхронные двигатели

Синхронные двигатели. Конструкция, принцип действия

В отличие от асинхронного двигателя частота вращения синхронного двигателя постоянна при различных нагрузках. Синхронные двигатели находят применение для привода машин постоянной скорости (насосы, компресоры, вентиляторы).
В статоре синхронного электродвигателя размещается обмотка, подключаемая к сети трехфазного тока и образующая вращающееся магнитное поле. Ротор двигателя состоит из сердечника с обмоткой возбуждения. Обмотка возбуждения через контактные кольца подключается к источнику постоянного тока. Ток обмотки возбуждения создает магнитное поле, намагничивающее ротор.
Роторы синхронных машин могут быть явнополюсными (с явновыраженными полюсами) и неявнополюсными (с неявновыраженными полюсами). На рис. 1а изображен сердечник 1 явнополюсного ротора с выступающими полюсами. На полюсах размещены катушки возбуждения 2. На рисунке 1б изображен неявнополюсной ротор, представляющий собой ферромагнитный цилиндр 1. На поверхности ротора в осевом направлении фрезеруют пазы, в которые укладывают обмотку возбуждения 2.

Ротор синхронного реактивного двигателя изготавливается из ферромагнитного материала и должен иметь явновыраженные полюсы. Вращающееся магнитное поле статора намагничивает ротор. Явнополюсный ротор имеет неодинаковые магнитные сопротивления по продольной и поперечной осям полюса. Силовые линии магнитного поля статора изгибаются, стремясь пройти по пути с меньшим магнитным сопротивлением. Деформация магнитного поля вызовет, вследствие упругих свойств силовых линий, реактивный момент, вращающий ротор синхронно с полем статора.
Если к вращающемуся ротору приложить тормозной момент, ось магнитного поля ротора повернется на угол θ относительно оси магнитного поля статора.
С увеличением нагрузки этот угол возрастает. Если нагрузка превысит некоторое допустимое значение, двигатель остановится, выпадет из синхронизма.
У синхронных двигателей отсутствует пусковой момент. Это объясняется тем, что электромагнитный вращающий момент, воздействующий на неподвижный ротор, меняет свое направление два раза за период Т переменного тока. Из-за своей инерционности, ротор не успевает тронуться с места и развить необходимое число оборотов.
В настоящее время применяется асинхронный пуск синхронного двигателя. В пазах полюсов ротора укладывается дополнительная короткозамкнутая обмотка.
Вращающее магнитное поле статора индуктирует в короткозамкнутой пусковой обмотке вихревые токи. При взаимодействии этих токов с магнитным полем статора образуется асинхронный электромагнитный момент, приводящий ротор во вращение. Когда частота вращения ротора приближается к частоте вращения статорного поля, двигатель втягивается в синхронизм и вращается с синхронной скоростью. Короткозамкнутая обмотка не перемещается относительно поля, вихревые токи в ней не индуктируются, асинхронный пусковой момент становится равным нулю.

Общие сведения об электрических машинах — Неявнополюсные синхронные генераторы

Содержание материала

  • Общие сведения об электрических машинах
  • Нагрев вращающихся машин переменного тока
  • Номинальные режимы работы
  • Конструктивные исполнения электрических машин
  • Регулирование скорости вращения трехфазных асинхронных двигателей
  • Изменение скорости вращения путем изменения первичного напряжения и другие
  • Работа трехфазного асинхронного двигателя в неноминальных условиях
  • Синхронные машины
  • Неявнополюсные синхронные генераторы
  • Системы возбуждения синхронных генераторов
  • Машины постоянного тока
  • Коллекторные машины постоянного тока
  • Устройство и конструкция коллекторной машины постоянного тока
  • Обмотки барабанных якорей
  • Петлевые обмотки барабанных якорей
  • Волновые обмотки барабанных якорей
  • Комбинированная обмотка машин постоянного тока и выбор
  • Характеристики генераторов постоянного тока
  • Генератор смешанного возбуждения
  • Сельсины
  • Работа однофазных сельсинов в индикаторном режиме
  • Поворотные трансформаторы
  • Синхронные реактивные двигатели
  • Однофазные реактивные двигатели
  • Синхронный гистерезисный двигатель

В быстроходных агрегатах центробежные силы, пропорциональные квадрату угловой скорости, достигают такого значения, что выполнить ротор явнополюсным по условиям механической прочности, закрепить его полюса и обмотку возбуждения оказывается невозможно. Кроме того, в быстроходных машинах при выступающих полюсах значительно возрастают потери на трение ротора о частицы охлаждающей среды. Для быстроходных синхронных машин рациональным типом ротора является цилиндрический с пазами по внешней окружности цилиндра, в которые укладывается обмотка возбуждения (рис. 195, а). При обтекании обмотки возбуждения постоянным током ротор становится электромагнитом и называется неявнополюсным.
К неявнополюсным машинам относятся турбогенераторы; так называются синхронные генераторы, приводимые во вращение паровыми турбинами. Паровые турбины представляют собой высокоскоростные машины, технико-экономические показатели которых повышаются при возрастании их скорости вращения. Поэтому при непосредственном соединении с паровыми турбинами синхронные генераторы, как правило, выполняют двухполюсными, чтобы турбогенератор работал при скорости вращения 3000 об/мин — наибольшей возможной при 50-периодной частоте тока.
Развиваемые при такой скорости вращения центробежные силы таковы, что роторы турбогенераторов приходится выполнять массивными из цельных поковок высококачественной стали, например хромоникелевой или хромоникельмолибденовой.
В роторе фрезеруют пазы; примерно третья часть полюсного деления остается свободной от пазов, образуя так называемый большой зуб, через который проходит главная часть магнитного потока полюсов и наличие которого благоприятно влияет на пространственное распределение индукции поля полюсов в воздушном зазоре, приближая его к синусоидальному.

Рис. 195. Неявнополюсная синхронная машина (а) и неявнополюсный ротор (б).
Обмотку возбуждения, уложенную в виде концентрических катушек в пазы ротора, крепят при помощи клиньев, воспринимающих большие центробежные силы, действующие на обмотку возбуждения. Клинья выполняют из немагнитной стали или немагнитных сплавов для ослабления магнитного потока рассеяния паза. Лобовые части обмотки возбуждения закрывают бандажными кольцами (колпаками), выполненными также из прочной немагнитной стали. Бандажные кольца должны не только выдерживать действие центробежных сил, но и давление обмотки возбуждения, также подверженной действию центробежных сил. Внешний вид неявнополюсного ротора турбогенератора показан на рисунке 195, б.
Мощность (квт) синхронного генератора может быть выражена формулой
(240)

приходящийся па 1 см его окружности.
При определенных сложившихся в практике проектирования значениях А2 и В на первом этапе развития турбогенераторостроения увеличение единичной мощности достигалось главным образом путем увеличения объема активной части (бочки) ротора. Увеличение диаметра позволяет увеличить линейную нагрузку приблизительно пропорционально диаметру. Таким образом, мощность турбогенератора, согласно формуле (240), растет пропорционально кубу диаметра ротора. Нагрев ротора дошел до 100° С, причем следует иметь в виду, что нагрев по толщине ротора неравномерен, и, следовательно, ротор подвержен тепловым деформациям.
К настоящему времени диаметр поковок ротора достиг — 1,1 — 1,2 м, и пока нельзя рассчитывать на такое улучшение механических свойств стальных поковок, чтобы оказалось возможным значительно увеличить их диаметр. Увеличение длины активной части ротора также ограничено статическим прогибом и частотными характеристиками роторной системы турбоагрегата. Необходимо, чтобы частоты свободных колебаний ротора отличались от частот вблизи номинальной скорости вращения. Отсюда следует, что при увеличении диаметра D2 надо уменьшать отношение. Таким образом, длина ротора также достигла предельной.
Увеличение единичной мощности генераторов остается основным направлением развития современной техники генерирования электрической энергии; при этом обеспечивается высокий к. п. д., упрощаются конструкции электрических станций, достигается общая экономия капиталовложений, сокращаются затраты труда и удельные расходы стали, меди, изоляции.
Для повышения мощности, как видно из уравнения (240), следует увеличивать электромагнитные нагрузки А2 и В. Но повышение значения индукции В в зазоре выше 0,85 тл ограничено качественными характеристиками стали и прежде всего ее магнитной проницаемостью. Повышение линейной нагрузки А2 связано с увеличением плотности тока, что влечет пропорциональное квадрату плотности тока возрастание потерь и требует более интенсивного охлаждения.
К 1937 г. серия двухполюсных турбогенераторов была развита до мощности 100000 квт при воздушном охлаждении. Внедрение водорода в качестве охлаждающей среды благодаря его лучшим, чем у воздуха, физическим и термодинамическим свойствам (легче, выше теплопроводность) позволило повысить номинальную мощность генератора на 25—30% при той же затрате активных материалов. В 1946 г. в СССР был выпущен первый турбогенератор с водородным охлаждением мощностью 100 000 квт. При водородном охлаждении снизились потери на трение бочки ротора при его вращении. Отсутствие процесса окисления (нет озона) удлинило срок службы изоляции.

Читать еще:  Вибрация двигателя на холостом ходу 2az


Рис. 196. Схема замкнутой системы вентиляции турбогенератора при воздушном охлаждении (поверхностном):
I — охладитель; 2 — фильтр; 3 — камера нагретого воздуха; 4 — камера холодного воздуха; А — область разрежения; Б — область давления; В — подвод воздуха на уплотнения.

Поскольку смесь водорода с воздухом взрывоопасна, конструкция генератора усложнилась; она должна была быть герметичной, исключающей возможность утечки водорода в окружающее пространство; первоначально поверхностное водородное охлаждение было осуществлено при избыточном давлении до 0,05 атм. Позднее давление водорода было повышено до 2—3 атм, поскольку повышение плотности газа увеличивает его теплоемкость и теплопередачу от поверхности к газу, и это открывает возможность дальнейшего повышения номинальной мощности (на—25%). Необходимость более тщательного изготовления корпуса статора и более совершенных уплотнений вала к этому времени технических затруднений не представляла. Некоторое увеличение потерь вентиляционных и на трение о бочку ротора мало влияло на к. п. д. и также препятствием не являлось.
Поскольку доля температурного перепада от меди к охлаждающей среде, не зависящая от давления водорода, составляет для роторных катушек

50%, для статорных — 75%, дальнейшее повышение давления водорода при поверхностном охлаждении уже не дает сколь-либо заметного выигрыша в мощности.
Дальнейший рост единичной мощности турбогенератора требует применения непосредственного охлаждения обмоток. Охлаждающая среда — водород под давлением в несколько атмосфер или жидкость (вода или масло) —пропускается сквозь внутреннюю полость стержней. Непосредственное соприкосновение охлаждающей среды с материалом обмоток устраняет температурный перепад в изоляции обмоток.
Применение непосредственного газового охлаждения меди позволяет поднять мощность машин на 100% и более. Завод «Электросила» выпустил турбогенератор типа ТВФ-200-2 мощностью 200 000 квт в размерах машины 100 000 квт с поверхностной системой охлаждения. Обмотка ротора выполнена с непосредственным охлаждением меди с забором водорода из зазора генератора.
Весьма эффективным является непосредственное жидкостное охлаждение (водой или маслом). Сечение охлаждающих каналов в обмотке может быть меньше, чем при продувании газа. Применение такого охлаждения для ротора конструктивно сложнее, чем для статора. Специфическими вопросами здесь являются подвод воды из внешней системы во вращающиеся части при соблюдении минимальных утечек, влияние центробежных сил на гидродинамическое состояние и теплоотдачу воды, создание теплостойких и механически прочных шлангов. Совершенствование системы полного водяного охлаждения в турбогенераторах (статора и ротора) открывает возможность изготовления машин мощностью до 1 000 000 квт.
В СССР турбогенераторы выпускаются серийно, начиная с мощности 750 квт; созданы турбогенераторы мощностью 300 000 (к концу 1967 г. их число доходило до 27) и 500 000 квт; проведено эскизное проектирование турбогенератора мощностью 750000—1 000000 квт, диаметр ротора 1,25 м. На рисунке 196 дана схема замкнутой системы вентиляции турбогенератора при воздушном охлаждении (поверхностном).

Синхронные реактивные двигатели (СРД)

Введение

Появление электрического двигателя во многом способствовало развитию промышленности и улучшению качества жизни населения. В рамках второй промышленной революции произошла популяризация всех видов электрических машин, и теперь для многих создается впечатление, что эти устройства всегда находились на службе у человечества. На сегодняшний день известно множество разновидностей электрических двигателей, от широко известных двигателей постоянного тока (ДПТ), асинхронных двигателей (АД), синхронных двигателей (СД) до шаговых двигателей (ШД). Несмотря на глобальные различные, все они выполняют одну функцию – являются электромеханическими преобразователями, то есть конвертируют электрическую энергию в механическую.

Читать еще:  Что относится к капитальному ремонту двигателя автомобиля

А теперь представьте себе электрический двигатель с максимально простой конструкцией ротора. Это сделать довольно-таки сложно из-за сложившихся стереотипов о функционировании электрической машины, но именно так можно вкратце описать набирающие популярность Синхронные Реактивные Двигатели (с англ. Synchronous Reluctance Machine, СРД). В последнее время на эти электрические машины все больше обращают внимание производители двигателей, а также инжиниринговые компании по всему миру, и не случайно. Давайте разберемся, что же из себя представляют СРД.

Синхронный Реактивный Электродвигатель – синхронная машина, вращающий момент которой обусловлен неравенством магнитных проводимостей по поперечной и продольной осям ротора, не имеющего обмоток возбуждения или постоянных магнитов – такое определение дает ГОСТ 27471-87.

Принцип работы синхронного реактивного двигателя

Переменный ток, проходящий по обмоткам статора, создает вращающееся магнитное поле в воздушном зазоре электродвигателя. Крутящий момент создается когда ротор пытается установить свою наиболее магнито — проводящую ось (d-ось) с приложенным к нему полем, чтобы минимизировать сопротивление в магнитной цепи. Иными словами, вращающееся магнитное поле статора увлекает за собой ротор. Амплитуда потока статора управляется через ось d, тогда как ток, отвечающий за момент управляется через ось q. Оси приведены к статору двигателя.

В рассмотренном исполнении ротора разницы между магнитными сопротивлениями осей добиваются за счет увеличения воздушного зазора по оси q. Амплитуда момента прямо пропорциональна разнице между продольной Ld и поперечной Lq индуктивностями. Следовательно, чем больше разница, тем больше создаваемый момент. Математически это можно выразить с некоторыми допущениями, рассмотрев формулу электромагнитного момента для синхронной явнополюсной машины без возбуждения на роторе:

Мр = [mU 2 /(2ω1 )] (1/Хq — 1/Хd ) sin 2θ,

где m=3 для трехфазного исполнения статора, ω1- угловая скорость ротора, Xq -индуктивное сопротивление по оси q ротора, Xd — индуктивное сопротивление по оси d ротора, θ-угол между полем ротора и полем статора, характеризующий степень растянутости «магнитной пружины».

Таким образом, в отличие от синхронной машины с обмоткой возбуждения, синхронная реактивная машина в классическом представлении имела меньший момент, а также невысокий коэффициент мощности и коэффициент полезного действия (КПД). Объяснялось это значительным намагничивающим током статора, так как возбуждение происходит за счет реактивной составляющей тока. Пуск таких двигателей осуществлялся за счет демпфирующей короткозамкнутой обмотки, т.е. имел место асинхронный пуск синхронного двигателя. Но на сегодняшний день, СРД успешно эксплуатируются в комплекте с преобразователями частоты (ПЧ) YASKAWA GA700 и ПЧ GA500. Пуск происходит благодаря алгоритму, заложенному в ПЧ (управление током намагничивания id статора и током статора, отвечающим за момент iq), следовательно, необходимость асинхронного пуска устраняется. В итоге, коэффициент мощности и КПД у современных СРД заметно увеличился, а конструкция ротора стала максимально простой. В среднем у синхронных реактивных двигателей остается худший коэффициент мощности на 5-10% из-за принципиальных особенностей работы, но на 5- 8 % лучший КПД в сравнении с асинхронными двигателями как в номинальном режиме, так и при работе на всем диапазоне скоростей при регулировании скорости вниз от номинала.

Наибольший интерес у разработчиков систем электропривода вызвала конструкция СРД. Статор реактивного двигателя бывает с распределенной и сосредоточенной обмоткой. То есть, статор двигателя идентичен статору широко используемого асинхронного двигателя.

Особенно интересен ротор, который представляет собой вал с болванкой из шихтованной стали. На роторе отсутствуют обмотки, а также постоянные магниты.
Выделяют три основных типа ротора реактивного двигателя: ротор с явно выраженными полюсами, аксиально-расслоенный ротор и поперечно-расслоенный ротор.

а) Ротор с явно выраженными полюсами

б) Аксиально-расслоенный ротор

в) Поперечно-расслоенный ротор

Отличительная особенность синхронных реактивных двигате­лей (СРД) — отсутствие в них возбуждения со стороны ротора. Основной магнитный поток в этом двигателе создается исключительно за счет вращающейся МДС обмотки статора.

Так как, СРД – синхронная машина, то его механическая характеристика в разомкнутой системе будет абсолютно жесткой.


Достоинства и недостатки синхронного реактивного двигателя:

Преимущества СРД:

1. Простота и надежность ротора, состоящего из тонколистовой электротехнической стали, без магнитов и короткозамкнутой обмотки;

2. Низкий нагрев. Так как в роторе нет обмоток, поэтому через него не протекает активный ток с выделением тепла. Это положительно сказывается на сроке жизни подшипников, а также на коэффициенте полезного действия системы. Так как снижаются потери на нагрев, то номинальный ток двигателя может быть завышен, что позволяет получить (при аналогичной мощности) более высокий момент (на 20-40%), чем у асинхронного двигателя.

3. Отсутствие магнитов. Из-за этого снижается конечная цена двигателя, так как при производстве не используются редкоземельные элементы.

4. Низкий момент инерции ротора. Так как ротор представляет собой болванку без магнитов и обмоток, которые увеличивают этот показатель в асинхронных двигателях и двигателях с постоянными магнитами. Соответственно, уменьшается типоразмер двигателей. Из чего вытекает следующее преимущество.

5. Меньшие габариты при той же мощности в сравнении с АД.

6. Высокий КПД и cosφ (косинус фи). При работе от сети, а такие двигатели в старых системах работали от сети и снабжались дополнительной пусковой обмоткой на роторе, СРД демонстрировали не лучшие энергетические показатели, но применяя специализированный преобразователь частоты, например, YASKAWA GA700 и GA500, разработанный для работы с синхронными реактивными двигателями, картина в корне меняется. В таких преобразователях происходит разделение между сетью и питающим напряжением двигателя, а программное обеспечение позволяет корректировать выходной ток, создавая наиболее благоприятные условия работы двигателя (в GA700 режим EZOLV). Таким образом СРД оставляет за собой все преимущества, описанные выше, избегая недостатков возникавших ранее при работе от сети. Если все – таки происходит снижение коэффициента мощности, это может означать, что для данного применения должен быть выбран преобразователь на больший номинальный ток.

Читать еще:  Что такое двигатель со свечами накаливания

7. Абсолютно жесткая механическая характеристика в разомкнутой системе. Это говорит о том, что двигатель способен поддерживать скорость на заданном уровне с большой точностью, до тех пор, пока момент не превысит максимальное значение.

Недостатки СРД:

1. Пуск и работа СРД возможны только от преобразователя частоты. Бездатчиковая система управления отслеживания положения ротора является необходимым условием работы синхронного реактивного двигателя. Преобразователь в каждый момент времени отслеживает потребляемый ток двигателя, так как при повороте вала изменяется магнитное сопротивление в зазоре, и формирует магнитное поле в соответствии с этим изменением, добиваясь высокой производительности.

2. Низкий коэффициент мощности при работе с ослаблением поля. СРД демонстрируют лучшие энергетические показатели при работе в зоне насыщения. При выходе на повышенную скорость, необходимо уменьшить ток намагничивания машины id, в результате чего, заметно упадет момент двигателя, а коэффициент мощности резко снизится в следствие потребления большего реактивного тока. Поэтому для применений в которых осуществляется работа на повышенных скоростях такие двигатели лучше не использовать.

Заключение:

Синхронные реактивные двигатели являются перспективным направлением для интеграции в новые системы и для модернизации старых систем электропривода. Больший КПД на всем диапазоне скоростей в сравнении с СДПМ и АД способствует в пользу выбора этого двигателя при разработке новых систем, соответствующих международному стандарту энергоэффективности IE4. Простота конструкции ротора и проверенная технология изготовления статора позволяют такому двигателю легко найти свое применение в насосных агрегатах и вентиляторах, а также в применениях с постоянным моментом и регулированием скорости вниз от номинала. Единственной проблемой такого двигателя является потребление большего реактивного тока в сравнении с асинхронными двигателями, но при использовании частотного преобразователя YASKAWA GA700 и GA500 этот недостаток легко устраняется.

Синхронный и асинхронный двигатель отличия

Подписка на рассылку

  • ВКонтакте
  • Facebook
  • ok
  • Twitter
  • YouTube
  • Instagram
  • Яндекс.Дзен
  • TikTok

Для приведения в движение различных станков или механизмов на предприятиях тяжелой и легкой промышленности в большинстве случаев используются электродвигатели переменного тока. Электрические машины постоянного тока распространены в меньшей мере и чаще всего применяются в качестве тяговых агрегатов на городском электротранспорте, поездах, складских погрузчиках и тележках.

Чтобы достичь максимальной энергоэффективности производственных процессов, нужно правильно подходить к выбору двигателя для привода.

Синхронный и асинхронный двигатель – отличия для чайников

Конструкция асинхронных и синхронных электрических машин практически одинакова. У обоих электродвигателей есть неподвижный статор, состоящий из обмоток (катушек), которые уложены в пазы сердечника, набранного из пластин, выполненных из электротехнической стали, и подвижный ротор. Обмотки статора сдвинуты друг относительно друга на угол, равный 120°, поэтому проходящий по ним электрический ток создает вращающееся магнитное поле, которое вовлекает в движение ротор. Вот именно здесь и проявляется основное отличие этих электрических машин – конструкция ротора, от которой зависит скорость его вращения.

Асинхронный двигатель

Ротор такого двигателя может быть короткозамкнутым или фазным.

Вне зависимости от типа ротора в этих двигателях частота вращения ротора всегда будет меньше скорости вращения магнитного поля статора. Эта разница обусловлена законами физики:

  • силовые линии магнитного поля статора, пересекая замкнутый контур ротора, индуцируют в нем электродвижущую силу, а значит и собственное магнитное поле;
  • в результате взаимодействия этих полей, имеющих одинаковую полярность, возникает крутящий момент, вызывающий вращение ротора;
  • в тот момент, когда скорости вращения магнитных полей становятся одинаковыми, возникновение ЭДС в роторе прекращается, в результате чего крутящий момент стремится к нулю;
  • как только частота вращения ротора начинает отставать от скорости вращения поля статора, возникновение ЭДС возобновляется.

Синхронный двигатель

Ротор таких двигателей комплектуется постоянными магнитами или обмотками возбуждения. Обмотки могут быть как явнополюсными, так и распределенными (уложенными в пазы ротора). Кроме того, ротор синхронной машины может иметь и короткозамкнутые обмотки.

После разгона ротора до скорости близкой к частоте вращения магнитного поля статора, на катушки полюсов через щеточно-контактный узел подается постоянное напряжение, которое возбуждает в них постоянное магнитное поле. Противоположные полюса магнитных полей притягиваются друг к другу и частота вращения ротора становится синхронной.

Разгон ротора может осуществляться с помощью вспомогательного двигателя или в асинхронном режиме, благодаря короткозамкнутой обмотке.

Недостатки и преимущества двигателей

Синхронные двигатели имеют довольно сложную конструкцию, обусловленную наличием щеточного узла. Кроме того, для их работы требуется дополнительный источник постоянного тока. Еще одним недостатком является невозможность их эксплуатации в условиях частых пусков и остановов. Однако все это компенсируется большой мощностью, высоким КПД, устойчивостью к перепадам напряжения в питающей сети и стабильной частотой вращения вала, вне зависимости от величины нагрузки на него.

Асинхронный двигатель в отличие от синхронных машин более чувствителен к колебаниям напряжения и не может сохранять номинальную скорость вращения, при увеличении нагрузки. Но простота конструкции, длительный срок эксплуатации, универсальность применения, способность работать в режиме частых включений и остановок делают эти машины наиболее распространенными в промышленном и бытовом секторе.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector