Государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение

Новосибирской области

«Сибирский геофизический колледж»

Лекция № 20

УД ОП. 02 Электротехника и электроника»

Тема 1.7. Основы теории электрических машин и принцип работы

типовых электрических устройств

Урок № 20. Устройство электрической машины переменного тока.

Принцип действия трехфазного асинхронного двигателя.

Синхронные машины и область их применения

для специальности СПО

21.02.12 Технология и техника разведки

месторождений полезных

ископаемых

Разработал:

Преподаватель Садовский С.В.

Новосибирск, 2024

2

Тема: Устройство электрической машины переменного тока. Принцип действия трехфазного

асинхронного двигателя. Синхронные машины и область их применения

План

1. Определение понятия − асинхронный двигатель.

2. Конструкция асинхронного двигателя.

3. Принцип действия асинхронного двигателя.

4. Устройство и принцип работы синхронного двигателя

5. Режимы работы синхронного двигателя - дополнительная информация

Цель

занятия:

Изучение

конструкции

и

принципа

действия

асинхронного

и

синхронного

двигателей с короткозамкнутым ротором.

1. Определение понятия − асинхронный двигатель

Асинхронный двигатель

Электрические машины делятся на две большие категории: генераторы, которые служат для

преобразования

механической

энергии

в

электрическую,

и

двигатели,

которые

преобразуют

электрическую энергию в механическую. Двигатели переменного тока в свою очередь делятся на

асинхронные и синхронные.

Статор асинхронной машины создает вращающееся магнитное поле, а ротор вращается с

меньшей

скоростью,

т.е.

асинхронно.

Увеличение

нагрузки

двигателя

вызывает

уменьшение

скорости вращения ротора. Асинхронная машина была изобретена М. О. Доливо-Добровольским

в 1889 г., но до настоящего времени сохранила свои основные черты.

Все

электрические

машины

обратимы,

т.е.

могут

служить

как

двигателями,

так

и

генераторами. Асинхронные машины используются главным образом как двигатели.

Асинхронные

машины

получили

наиболее

широкое

применение

в

современных

электрических

установках

и

являются

самым

распространенным

видом

бесколлекторных

электрических машин переменного тока. Области применения асинхронных двигателей весьма

широкие: от бытовых электроприборов до крупных станков и агрегатов − металлорежущих станков,

горного оборудования (экскаваторов, дробилок, мельниц), подъемных устройств, транспортных

средств и т.п. В соответствии с этим единичная мощность асинхронных двигателей, выпускаемых

электромашиностроительной промышленностью, составляет диапазон от долей ватта до тысяч

киловатт.

Наибольшее

применение

имеют

трехфазные

асинхронные

двигатели

общепромышленного назначения, рассчитанные на работу от сети промышленной частоты (50 Гц).

Следует

иметь

в

виду, что

асинхронные двигатели

не только

наиболее

надежные

по

сравнению с двигателями другого типа действия, но и самые дешевые. Поэтому применение

асинхронных двигателей способствует росту надежности электропривода и снижает капитальные

затраты на его создание.

2. Конструкция асинхронного двигателя

Основные

части

асинхронного

двигателя

изображены на рис. 1.

Начала

и

концы

обмоток

статора

трехфазного

асинхронного двигателя выводятся на щиток корпуса.

Ротор

асинхронного

двигателя

представляет

собой

стальной

цилиндрический

сердечник,

собранный

из

пластин электротехнической стали, с пазами, в которые

уложена

обмотка

в

виде

«беличьего

колеса».

Здесь

каждая пара диаметрально противоположных стержней с

соединительными кольцами представляет собой рамку,

т.е.

короткозамкнутый

виток.

Поэтому

такой

ротор

называется короткозамкнутым.

Рис. 1. Устройство асинхронного двигателя

3

Таким образом, если способное вращаться вокруг оси «беличье колесо» поместить во

вращающееся магнитное поле, то по закону электромагнитной индукции в его стержнях возникнут

ЭДС и в короткозамкнутых витках возникнут токи. Эти токи, взаимодействуя согласно закону

Ампера с вращающимся магнитным полем, создадут вращающий момент и приведут «беличье

колесо» в асинхронное вращение в ту же сторону, что и поле. Для увеличения вращающего момента

короткозамкнутый ротор помещен внутри стального сердечника.

Неподвижная часть АД.

Неподвижная часть двигателя − статор − состоит из корпуса 1 и сердечника 2 с трехфазной

обмоткой 3, коробкой выводов 4 (рис. 2). Корпус двигателя отливают из алюминиевого сплава или

чугуна, либо делают сварным.

Сердечник статора представляет собой цилиндр, собранный из пластин электротехнической

стали, которые для уменьшения потерь от вихревых токов изолированы друг от друга слоями лака.

На его внутренней цилиндрической поверхности имеются пазы, расположенные параллельно оси

двигателя. В эти пазы укладывается обмотка, к которой подводится трехфазное напряжение. В

простейшем случае обмотка статора состоит из трех секций, сдвинутых в пространстве друг

относительно друга на 120°. В этом случае создается двухполюсное вращающееся магнитное поле.

Для

создания

четырехполюсного

вращающегося

магнитного

поля

необходимо

число

секций

обмотки увеличить до 6 и т. д.

Рис. 2. Статор асинхронного двигателя

Ротор

Ротор − вращающаяся часть машины (рис. 3), состоит из вала, на котором располагается

сердечник, набранный из отдельных листов электротехнической стали и стержневой обмотки. По

типу ротора машины делятся на машины с короткозамкнутым ротором (рис. 3) и на машины с

фазным ротором рис. 4 (с контактными кольцами).

Рис. 3. Ротор асинхронного двигателя (а – короткозамкнутая обмотка – «беличья клетка»;

б –ротор в сборе: 1 − вал, 2 − пакет, 3 − стержни короткозамкнутой обмотки,

Рис. 4. Фазный ротор асинхронного двигателя

4

Шихтованная конструкция

С

целью

ослабления

вихревых

токов

сердечник

статора

делают

шихтованным

из

тонколистовой электротехнической стали обычно толщиной 0,35 - 0,5 мм. Пластины сердечника

статора покрыты слоем изоляционного лака, собраны в пакет и скреплены специальными скобами

или

продольными

сварными

швами

по

наружной

поверхности

пакета.

Такая

конструкция

сердечника способствует значительному уменьшению вихревых токов, возникающих в процессе

перемагничивания сердечника вращающимся магнитным полем. Сердечник ротора также имеет

шихтованную конструкцию, но листы ротора не покрыты изоляционным лаком, а имеют на своей

поверхности

тонкую

пленку

оксида.

Это

является

достаточной

изоляцией,

ограничивающей

вихревые токи, так как величина их невелика из-за малой частоты перемагничивания сердечника

ротора.

Например,

при

частоте

сети

50

Гц

и

номинальном

скольжении

6

%

частота

перемагничивания сердечника ротора составляет 3 Гц.

Коробка выводов.

Выводы обмоток фаз располагают на панели коробки выводов таким образом, чтобы

соединения обмоток фаз было удобно выполнять посредством перемычек, без перекрещивания

последних (рис. 5). В некоторых двигателях небольшой мощности на панели коробки выводов

имеется лишь три вывода. В этом случае двигатель может быть включен в сеть на одно напряжение

(соединение обмотки статора такого двигателя звездой или треугольником выполнено внутри

двигателя).

а) б)

Рис. 5. Расположение выводов обмотки статора (а) и положение

перемычек при соединении обмотки статора звездой и треугольником (6)

«Звезда».

Асинхронные двигатели предназначены для включения в трехфазную сеть на два разных

напряжения, отличающиеся в

3

раз. Например, двигатель рассчитан для включения в сеть на

напряжения 380/220 В. Если в сети линейное напряжение 380 В, то обмотку статора следует

соединить звездой.

«Треугольник».

Двигатель рассчитан для включения в сеть на напряжения 380/220 В. Если в сети линейное

напряжение 220 В, то обмотку статора следует соединить треугольником. Напряжение на обмотке

каждой фазы будет 220 В.

Охлаждение электрических машин.

Охлаждение

электрических

машин

−

отвод

тепла

от

активных

частей

вращающихся

электрических машин.

При прохождении тока по обмоткам электрических машин в них выделяется тепло, что

приводит к нагреву обмоток. Если температура нагрева превышает значение, допустимое для

используемой

изоляции, то происходит

ее тепловое

старение.

В результате изоляция теряет

электрическую

и

механическую

прочность,

что

может

явиться

причиной

ее

повреждения

и

нарушения

работоспособности

электрической

машины.

Для

поддержания

требуемого

температурного режима служит охлаждение.

Эффективность

того

или

иного

способа

охлаждения

определяется

теплопроводностью

изоляции и теплоемкостью хладагента, а также характером и скоростью его перемещения внутри и

вне электрической машины. В качестве хладагента используются воздух, вода, масло и т.д. Жидкий

хладагент может служить для охлаждения как ротора, так и статора электрической машины, причем

направление его движения может быть свободным или упорядоченным.

5

3. Принцип действия асинхронного двигателя

Принцип

действия

асинхронного

двигателя

основан

на

использовании

вращающегося

магнитного поля.

Для уяснения работы такого двигателя проделаем следующий опыт (рис.6).

Укрепим подковообразный магнит на оси таким образом, чтобы его можно было вращать за

ручку.

Между

полюсами

магнита

расположим

на

оси

медный

цилиндр,

могущий

свободно

вращаться.

Начнем вращать магнит за ручку по часовой стрелке. Поле магнита также начнет вращаться

и при вращении будет пересекать своими силовыми линиями медный цилиндр. В цилиндре, по

закону электромагнитной индукции, возникнут вихревые токи, которые создадут свое собственное

магнитное

поле

−

поле

цилиндра.

Это

поле

будет

взаимодействовать

с

магнитным

полем

постоянного магнита, в результате чего цилиндр начнет вращаться в ту же сторону, что и магнит.

Рис. 6. Простейшая модель для получения вращающегося магнитного поля

Установлено, что скорость вращения цилиндра несколько меньше скорости вращения поля

магнита.

Действительно, если цилиндр вращается с той же скоростью, что и магнитное поле, то

магнитные силовые линии не пересекают его, а следовательно, в нем не возникают вихревые токи,

вызывающие вращение цилиндра.

Скорость вращения магнитного поля принято называть синхронной, так как она равна

скорости

вращения

магнита,

а

скорость

вращения

цилиндра

−

асинхронной

(несинхронной).

Поэтому сам двигатель получил название асинхронного двигателя. Скорость вращения цилиндра

(ротора) отличается от синхронной скорости вращения магнитного поля на небольшую величину,

называемую скольжением (s).

В приведенном выше опыте вращающееся магнитное поле и вызванное им вращение

цилиндра мы получали благодаря вращению постоянного магнита, поэтому такое устройство еще

не

является

электродвигателем.

Надо

заставить

электрический

ток

создавать

вращающееся

магнитное поле и использовать его для вращения ротора. Задачу эту в свое время блестяще

разрешил М. О. Доливо-Добровольский. Он предложил использовать для этой цели трехфазный ток.

Вращающееся

магнитное

поле

асинхронного

двигателя.

Из

принципа

действия

асинхронного

двигателя

следует, что непременным условием работы асинхронного

двигателя

является

наличие

в

нем

магнитного

поля,

вращающегося

с

частотой

n

1

(синхронная

частота

вращения). Это поле создается при включении трехфазной

обмотки

статора

в

сеть

трехфазного

переменного

тока.

Процесс

наведения

вращающегося

магнитного

поля

называют

возбуждением

асинхронной

машины

(рис.

7).

Возбуждение

создается

реактивной

(индуктивной)

составляющей переменного тока, поступающего из сети в

обмотку статора.

Рис. 7. Модель асинхронного двигателя

(1 − трехфазная обмотка статора, 2 – статор,

3 – обмотка ротора, 4 – ротор, 5 – вал, 6 – воздушный зазор)

6

Скольжение

Скорость вращения ротора всегда меньше скорости вращения магнитного поля статора.

Величина,

характеризующая

отставание

скорости

вращения

ротора

от

скорости

вращения

магнитного поля статора, называется скольжением:

.

n

n

n

s

1

2

1

−

=

Обычно

скольжение

выражают

в

процентах,

в

зависимости

от

мощности

двигателя

скольжение изменяется от двух до восьми процентов.

Генераторный режим.

В соответствии с принципом обратимости электрических машин, асинхронные машины

могут работать не только в двигательном, но и в генераторном режимах. Для этого необходимо

возбудить асинхронную машину, подключив ее обмотку статора к трехфазной сети, и посредством

приводного двигателя (турбина, двигатель внутреннего сгорания) привести во вращение ротор

машины в направлении вращения магнитного поля статора с частотой, превышающей частоту

вращения этого поля n

2

> n

1

. В этих условиях характер движения ротора относительно поля статора

изменится на обратное (по сравнению с двигательным режимом работы), так как ротор будет

обгонять поле статора, и скольжение станет отрицательным, т. е.

.

n

n

n

s

1

1

2

+

−

=

ЭДС, наведенная вращающимся полем статора в обмотке ротора вращающегося с частотой

n

2

> n

1

, изменит свое направление и превысит напряжение сети. При этом асинхронная машина из

потребителя электроэнергии превратится в источник и будет отдавать в сеть активную мощность

P

2

,

являющуюся

преобразованной

механической

мощностью

приводного

двигателя.

Другими

словами, асинхронная машина будет работать в генераторном режиме.

Двигательный режим.

При включении асинхронного двигателя в сеть в начальный момент времени ротор под

влиянием сил инерции неподвижен (n

2

= 0). При этом скольжение s равно единице. В режиме работы

двигателя без нагрузки на валу (режим холостого хода) ротор вращается с частотой n

2

лишь немного

меньшей синхронной частоты вращения n

1

и скольжение весьма мало отличается от нуля (s~0).

Скольжение,

соответствующее

номинальной

нагрузке

двигателя,

называют

номинальным

скольжением s

ном

. Для асинхронных двигателей общего назначения s

ном

= 1…8 %, при этом меньшие

значения номинального скольжения соответствуют двигателям большей мощности.

Частота вращения

Три фазы статорной обмотки располагаются под углом 120° друг относительно друга и при

подключении к трехфазной сети создают вращающееся магнитное поле с частотой

,

p

f

60

n

1

=

где f − частота тока сети;

p − число пар полюсов.

Обычно каждая фаза разбивается на секции – полюсы. От числа пар полюсов зависит частота

вращения (табл. 1)

Таблица 1

p

1

2

3

4

5

6

n

1

, мин

-1

3000

1500

1000

750

600

500

Холостой ход

Холостой ход электрической машины − состояние электрической машины, в котором она не

осуществляет преобразование энергии.

7

Холостой ход электродвигателя − состояние электродвигателя в котором потребляемая им

мощность расходуется только на преодоление момента сопротивления, обусловленного трением в

подшипниках и потерями на охлаждение.

Холостой ход электродвигателя осуществляется путем подачи на его обмотку номинального

напряжения

питания

при

отсутствии

нагрузки

на

валу.

При

этом

частота

вращения

электродвигателя равна номинальному значению, или несколько выше его, а ток потребления имеет

минимальное значение.

Дополнительная информация

Потери скорости вращения асинхронного двигателя включают в себя следующие

виды потерь:

1.

Магнитные потери. Вызваны потерями на гистерезис и потерями на вихревые токи,

происходящими в сердечнике при его перемагничивании. Магнитные потери составляют

от 1 до 3%.

2.

Электрические потери. Вызваны нагревом обмоток статора и ротора проходящими

по ним токами. Величина этих потерь пропорциональна квадрату тока в обмотке.

3.

Механические потери. Это потери на трение в подшипниках и на вентиляцию.

Величина этих потерь пропорциональна квадрату частоты вращения ротора. Согласно

ГОСТ для номинального режима работы машины механические потери составляют 0,1–

0,5% выходной мощности.

4.

Устройство и принцип работы синхронного двигателя

1841

год —

год

создания

первой

синхронной

модели,

предложенной

английским

изобретателем Чарльзом Уитстоном.

Синхронный двигатель — это тип электрических машин с равной частотой вращения вала и

крутящегося магнитного поля неподвижного узла

Синхронный

электродвигатель

является

устройством

преобразования

электрической

энергии в механическую, используется в промышленности и быту. В сравнении с другими типами

электрических машин он получил меньшее распространение, но в быту является незаменимым

фаворитом.

Применение

Синхронные двигатели используются 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.

Также

их

используют

в

качестве

электродвигателей,

которые

могут

переносить

существенные

перегрузки

в

процессе

эксплуатации.

Такие

двигатели

устанавливаются

на

вентиляторах, компрессорах, силовых агрегатах и прочем оборудовании. Отдельная категория

электродвигателей применяется в точном оборудовании, где важна синхронизация операций и

процессов.

Область

применения

синхронных

электрических

машин

охватывает

производство

электрической энергии на электростанциях. По видам генераторы подразделяются на турбинные,

дизельные и гидравлические, в зависимости от способа приведения их во вращение.

Устройство

Конструктивно

синхронный

электродвигатель

состоит

из

неподвижного

элемента,

подвижной части, обмоток различного назначения, может комплектоваться коллекторным узлом.

Далее

рассмотрим

каждую

составляющую

синхронного

агрегата

более

детально

на

рабочем

примере (рисунок 8).

8

Рис. 8. Устройство синхронного электродвигателя

Статор, или якорь, – выполняется из электротехнической стали монолитным или наборным

из шихтованного железа. Предназначен для размещения рабочей обмотки, проводит силовые линии

электромагнитного поля, формируемого протекающими токами.

Обмотка на статоре – изготавливается из медных проводников, в зависимости от типа

статора синхронного электродвигателя может выполняться различными методами, способами

намотки

и

расположения

проводников.

Применяется

для

подачи

напряжения

питания

и

формирования рабочего магнитного потока.

Ротор с обмоткой возбуждения – предназначен для взаимодействия с магнитным полем

статора. В результате подачи напряжения на обмотку возбуждения в роторе электродвигателя

создается собственное магнитное поле, задающее состояние вращающегося элемента.

Вал –

используется

для

передачи

вращательного

усилия

от

электродвигателя

к

подключаемой к нему нагрузке. В большинстве случаев это основание, на котором крепиться

шихтовка или полюса ротора, подшипники, кольца, пластины и другие вспомогательные элементы.

Контактные

кольца –

применяются

для

подачи

питания

на

обмотки

ротора

и

устанавливаются на моделях с безмагнитным якорем. Питание производиться через специальный

преобразователь переменного напряжения в постоянное.

Корпус –

предназначен

для

защиты

от

воздействия

внешних

факторов,

обеспечивает

синхронному двигателю достаточную прочность и герметичность в зависимости от условий его

эксплуатации.

Принцип работы

В основе работы синхронного электродвигателя лежит взаимодействие магнитного потока,

генерируемого

рабочими

обмотками,

с

постоянным

магнитным

потоком.

Наиболее

распространенной

моделью

синхронной

электрической

машины

является

вариант

с

рабочей

обмоткой на статоре и обмоткой возбуждения на роторе.

Рис. 9. Принцип действия синхронного электродвигателя

9

Как видно на рисунке 9, в обмотку статора подается трехфазное напряжение из сети, которое

формирует переменное магнитное поле. На обмотки ротора электродвигателя подано постоянное

напряжение,

которое

индуцирует

такой

же

постоянный

магнитный

поток

у

полюсов.

Для

наглядности рассмотрим процесс на упрощенной модели синхронного агрегата (рисунок 10).

Рис. 10. Принцип формирования потоков в синхронной электрической машине

При подаче питания на фазные витки статора электродвигателя первый пик амплитуды тока

и ЭДС взаимоиндукции приходиться на фазу A, затем B и фазу C.

На графике показана периодичность чередования кривых в зависимости от времени:

−

в точке 1 максимальная ЭДС EA формирует максимальный поток, а электродвижущие

силы

фаз

EB и

EC равны

между

собой

и

противоположны

по

знаку,

они

дополняют

результирующую силу.

−

в точке 2 пика достигает ЭДС EB, а электродвижущие силы фаз EA и EC становятся

равны между собой и противоположны по знаку, они дополняют результирующую силу, в

результате чего магнитное поле совершает вращательное движение.

−

в точке 3 максимум приходиться на ЭДС EC, а электродвижущие силы фаз EB и

EA вместе дополняют результирующую силу и снова смещают вектор поля по часовой стрелке.

Оборот поля статора происходит в течении периода продолжительности одного полного

колебания, а за счет того, что ротор обладает собственным электромагнитным усилием, постоянным

во времени, он синхронно следует за движением переменного магнитного поля, вращаясь вокруг

заданной оси. В результате такого вращения происходит синхронное движение ротора вслед за

сменой амплитуды ЭДС в витках рабочих обмоток, за счет этого явления электродвигатель и

получил название синхронного. Наличие отдельного питания отразилось и на схематическом

обозначении таких электрических машин (рисунок 11) в соответствии с ГОСТ 2.722-68.

Рис. 11. Схематическое обозначение синхронного электродвигателя

10

Отличие от асинхронного двигателя

Основное отличие синхронного электродвигателя от асинхронного заключается в способе

преобразования электрической энергии в механическое вращение. У синхронного электродвигателя

процесс

вращения

ротора

идентичен

вращению

рабочего

электромагнитного

поля,

вырабатываемого трехфазной сетью. А вот у асинхронного рабочее поле самостоятельно наводит

ЭДС в роторе, которая уже затем вырабатывает собственный поток взаимоиндукции и приводит вал

во

вращение.

В

результате

чего

асинхронные

электрические

машины

получают

разность во

вращении рабочего поля и нагрузки на валу, что выражается физической величиной – скольжением.

В

работе

классические

модели

асинхронных

электродвигателей

с

короткозамкнутым

ротором:

−

плохо переносят перегрузки;

−

имеют сложности пуска со значительным усилием;

−

меняют скорость вращения, в зависимости от нагруженности рабочего органа.

В

некоторой

степени

эти

недостатки

преодолевает

асинхронный

двигатель

с

фазным

ротором, но в полной мере избавиться от недостатков получается лишь синхронному агрегату.

Рис. 12. Отличие асинхронного от синхронного электродвигателя

Разновидности

В

современной

промышленности

и

бытовых

приборах

синхронные

электродвигатели

используются для решения самых разнообразных задач. Как результат, существенно разнятся и их

конструктивные

особенности.

На

практике

выделяют

несколько

критериев,

по

которым

разделяются виды синхронных агрегатов. В соответствии с ГОСТ 16264.2-85 могут подразделяться

по таким техническим характеристикам:

−

питающему напряжению;

−

частоте рабочего напряжения;

−

количеству оборотов.

В

зависимости

от

способа

получения поля ротора выделяют такие

типы синхронных электродвигателей:

−

с

обмоткой

возбуждения

на

роторе –

синхронизирующее

усилие

создается

за

счет

подачи

питания

от

преобразователя,с магнитным ротором –

на

валу

устанавливается

постоянный

магнит, выполняющий те же функции,

что

и

обмотка

возбуждении,

но

без

необходимости

подпитки

(см. рисунок 13),

Рис. 13. Синхронный электродвигатель с

постоянными магнитами

11

−

с реактивным ротором — конструкция выполнена таким образом, что в его сердечнике

происходит преломление магнитных линий, приводящее всю конструкцию в движение (см. рисунок

14). Под воздействием силового поля поперечные и продольные составляющие в роторе не равны

за счет чего пластины поворачиваются вслед за полем.

Рис. 14. Пример реактивного ротора

В зависимости от наличия полюсов все синхронные электродвигатели можно подразделить

на:

−

явнополюсные –

в

конструкции

четко

видны

обособленные

полюса

с

обмотками,

применяются для малых скоростей;

−

неявнополюсные – полюс не выделяется, такие модели устанавливают для высоких

скоростей.

В

зависимости

от

расположения

рабочих

обмоток

различают

прямые

(на

статоре)

и

обращенные (рабочие обмотки на роторе).

Преимущества и недостатки

К преимуществам синхронных электродвигателей следует отнести:

−

высокий

коэффициент

мощности

cos

φ,

приближающийся

по

величине

к

1,

что

в

значительной мере превосходит коэффициент мощности асинхронных электродвигателей;

−

более

высокая

механическая

прочность

за

счет

особенностей

конструкции

электродвигателя;

−

зависимость момента вращения от напряжения линейная, а не квадратичная, как в

асинхронных

электродвигателях,

поэтому

колебания

электродвигателя

снижаются

пропорционально;

−

на

валу

электродвигателя

присутствует

постоянная

скорость,

не

зависящая

от

прикладываемой нагрузки;

−

синхронные

электродвигатели

можно

применять

для

уменьшения

реактивной

составляющей в сети.

Среди недостатков синхронных электродвигателей выделяют:

−

сложную конструкцию;

−

более сложный пуск;

−

необходимость использования вспомогательных устройств и блоков;

−

такие электродвигатели сложнее регулировать по числу оборотов;

−

ремонт и обслуживание также обойдется дороже, чем асинхронных электродвигателей.

5.

Режимы работы синхронного двигателя - дополнительная информация

Большинство

электрических

машин

обладают

обратимой

функцией,

не

составляют

исключения и синхронные агрегаты. Их также можно использовать в качестве электрического

привода или в качестве генератора, вырабатывающего электроэнергию. Оба режима отличаются

12

способом воздействия на электрическую машину – подачу напряжения на рабочие обмотки или

приведение в движение ротора за счет механического усилия.

Генераторный режим

Для производства электроэнергии в сеть используются именно синхронные генераторы. В

большинстве случаев для этой цели используются электрические машины с фазными обмотками на

статоре, что существенно упрощает процесс съема мощности и дальнейшей передачи ее в сеть.

Физически генерация происходит при воздействии электромагнитного поля обмотки возбуждения

синхронного генератора с обмотками статора. Силовые линии поочередно пересекают фазные

витки и наводят в них ЭДС взаимоиндукции, в результате чего на клеммных выводах возникает

напряжение.

Частота

получаемого

напряжения

напрямую

зависит

от

скорости

вращения

вала

и

вычисляется по формуле:

f = (n*p)/60 ,

где n – скорость вращения вала, измеряемая в оборотах за минуту, p – количество пар

полюсов.

Синхронный компенсатор

В

виду

физических

особенностей

синхронного

электродвигателя

при

холостом

ходе

аппарата он потребляет из сети реактивную мощность, что позволяет существенно улучшить cosφ

системы,

практически

приближая

его

к

1.На

практике

режим

синхронного

компенсатора

используется как для улучшения коэффициента мощности, так и для стабилизации параметров

напряжения сети.

Двигательный режим

В

синхронной

машине

двигательный

режим

осуществляется

при

подаче

рабочего

трехфазного напряжения на обмотки якоря. После чего электромагнитное поле якоря начинает

толкать магнитное поле ротора, и вал приходит во вращение. Однако на практике двигательный

режим осуществляется не так просто, так как мощные агрегаты не могут самостоятельно набрать

необходимый ресурс скорости. Поэтому во время запуска используют специальные методы и схемы

подключения.

Способы пуска и схемы подключения

Для запуска синхронного электродвигателя требуется дополнительное поле, независимое от

воздействия сети. В то же время, на стартовом этапе запуск представляет собой асинхронный

процесс, пока агрегат не достигнет синхронной скорости.

Рис. 15. Схема пуска синхронного двигателя

При подаче напряжения на якорь в его обмотках возникает ток и генерируется ЭДС в железе

ротора, которая обеспечивает асинхронное движение до того момента, пока не начнется питание

обмоток возбуждения.

Еще одним распространенным вариантом пуска является использование дополнительных

генераторов, которые могут располагаться на валу или устанавливаться отдельно. Такой метод

обеспечивает дополнительное стартовое усилие за счет стороннего крутящего момента.

13

Рис. 16. Генераторный способ пуска синхронного двигателя

Как видите на рисунке 16, начальное вращение мотора М осуществляется за счет генератора

G, который призван вывести устройство на подсинхронную скорость. Затем генератор выводится

из рабочей цепи путем размыкания контактов КМ или автоматически при установке рабочих

характеристик.

Дальнейшее

поддержание

синхронного

режима

происходит

за

счет

подачи

постоянного напряжения в обмотку возбуждения.

Помимо

этого

на

практике

используется

схема

пуска

с

полупроводниковыми

преобразователями. На рисунке 17 приведены способы с тиристорным преобразователем и с

вращающимися выпрямителями.

Рис. 17. Тиристорная схема пуска синхронного двигателя

В

первом

случае

запуск

синхронного

электродвигателя

характеризуется

нулевым

напряжением

от

преобразователя

UD.

За

счет

ЭДС

скольжения

через

стабилитроны

VD

осуществляется открытие тиристоров VS. В цепь обмотки возбуждения вводится резистор R,

предназначенный для предотвращения пробоя изоляции. По мере разгона электродвигателя ЭДС

скольжения

пропорционально

снизится

и

произойдет

запирание

стабилитронов

VD,

цепочка

заблокируется, и обмотка возбуждения получит питание постоянным напряжением через UD.