Синхронный двигатель

Миниатюрный синхронный двигатель, используемый в аналоговых часах. Ротор изготовлен из постоянного магнита.

Небольшой синхронный двигатель со встроенным понижающим редуктором от микроволновой печи.

Синхронный электродвигатель – это электродвигатель переменного тока , у которого в установившемся режиме вращение вала синхронизировано с частотой питающего тока ; период вращения в точности равен целому числу циклов переменного тока . используются электромагниты В синхронных двигателях в качестве статора двигателя , которые создают магнитное поле, которое вращается во времени с колебаниями тока. Ротор с постоянными магнитами или электромагнитами вращается синхронно с полем статора с одинаковой скоростью и в результате создает второе синхронизированное вращающееся магнитное поле. Синхронный двигатель называется двигателем с двойным питанием , если он снабжен многофазными электромагнитами переменного тока с независимым возбуждением как на роторе, так и на статоре.

Синхронные и асинхронные двигатели являются наиболее широко используемыми двигателями переменного тока. Синхронные двигатели вращаются со скоростью, привязанной к частоте сети, поскольку они не используют индукцию для создания магнитного поля ротора. Асинхронным двигателям требуется скольжение : ротор должен вращаться с частотой немного меньшей, чем частота переменного тока, чтобы индуцировать ток в роторе.

Небольшие синхронные двигатели используются в приложениях для измерения времени, таких как синхронные часы , таймеры в приборах, магнитофоны и прецизионные сервомеханизмы , в которых двигатель должен работать с точной скоростью; точность зависит от частоты линии электропередачи , которая тщательно контролируется в крупных взаимосвязанных сетевых системах.

Синхронные двигатели доступны в самовозбуждающихся, дробных двигателях. до промышленных размеров. В диапазоне дробных лошадиных сил большинство синхронных двигателей используются для обеспечения точной постоянной скорости. Эти машины обычно используются в аналоговых электрических часах, таймерах и подобных устройствах.

В типичных промышленных размерах синхронный двигатель обеспечивает эффективное преобразование энергии переменного тока в работу ( электрический КПД выше 95% является нормальным для больших размеров). и он может работать с опережающим коэффициентом мощности или с единичным коэффициентом мощности и тем самым обеспечивать коррекцию коэффициента мощности.

Типы

Синхронные двигатели относятся к категории синхронных машин , в которую также входят синхронные генераторы. Действие генератора происходит, если полюса поля «движутся впереди результирующего потока в воздушном зазоре за счет поступательного движения первичного двигателя ». Действие двигателя происходит, если полюса поля «тянутся за результирующим потоком воздушного зазора тормозящим моментом на валу нагрузки ».

Два основных типа синхронных двигателей различаются по способу намагничивания ротора: с возбуждением без возбуждения и с возбуждением постоянным током.

Невозбужденный

Однофазный 60 Гц, 1800 об/мин синхронный двигатель для телетайпа , с ротором без возбуждения, выпускался с 1930 по 1955 год.

В двигателях без возбуждения ротор изготовлен из стали. Он вращается синхронно с вращающимся магнитным полем статора, поэтому через него проходит почти постоянное магнитное поле. Внешнее поле статора намагничивает ротор, создавая магнитные полюса, необходимые для его вращения. Ротор изготовлен из стали с высокой удерживающей способностью , например, кобальтовой стали. Они производятся в с постоянными магнитами , сопротивлением и гистерезисом : конструкциях

Постоянный магнит

Синхронный двигатель с постоянными магнитами (PMSM) использует постоянные магниты , встроенные в ротор, для создания постоянного магнитного поля. Статор несет обмотки, подключенные к источнику переменного тока для создания вращающегося магнитного поля (как в асинхронном двигателе ). При синхронной скорости полюса ротора фиксируются во вращающемся магнитном поле. СДПМ аналогичны бесщеточным двигателям постоянного тока . Неодимовые магниты являются наиболее распространенными, хотя быстрые колебания цен на неодимовые магниты спровоцировали исследования ферритовых магнитов . Из-за присущих ферритовым магнитам характеристик магнитная цепь этих машин должна быть способна концентрировать магнитный поток, что обычно приводит к использованию роторов спицевого типа. Машины, в которых используются ферритовые магниты, имеют меньшую плотность мощности и плотность крутящего момента по сравнению с неодимовыми машинами.

PMSM используются в качестве безредукторных двигателей лифтов с 2000 года.

Большинству СДСМ требуется привод с регулируемой частотой . для запуска Однако некоторые из них включают в ротор для запуска беличью клетку — такие системы известны как линейный или самозапуск. Они обычно используются в качестве более эффективной замены асинхронных двигателей (из-за отсутствия скольжения), но должны обеспечивать достижение синхронной скорости и способность системы выдерживать пульсации крутящего момента во время запуска.

PMSM обычно управляются с помощью прямого управления крутящим моментом. и полеориентированное управление .

Нежелание

Основная статья: Реактивный двигатель

Реактивные двигатели имеют литой стальной ротор с выступающими (выступающими) зубчатыми полюсами. Обычно ротора меньше, чем полюсов статора, чтобы минимизировать пульсации крутящего момента и предотвратить одновременное выравнивание всех полюсов - положение, при котором не может создаваться крутящий момент. Размер воздушного зазора в магнитной цепи и, следовательно, сопротивление минимальны, когда полюса совпадают с (вращающимся) магнитным полем статора, и увеличиваются с увеличением угла между ними. Это создает крутящий момент, который выравнивает ротор с ближайшим полюсом поля статора. Таким образом, на синхронной скорости ротор «привязывается» к вращающемуся полю статора. Это не может запустить двигатель, поэтому в полюса ротора обычно встроены обмотки с короткозамкнутым ротором , чтобы обеспечить крутящий момент ниже синхронной скорости. Таким образом, машина запускается как асинхронный двигатель до тех пор, пока не достигнет синхронной скорости, когда ротор «втягивается» и фиксируется в поле статора.

Конструкции реактивных двигателей имеют номинальную мощность от долей лошадиных сил (несколько ватт) до примерно 22 кВт . Небольшие реактивные двигатели имеют низкий крутящий момент и обычно используются в приборостроении. В многомощных двигателях с умеренным крутящим моментом используется конструкция с короткозамкнутым ротором и зубчатыми роторами. При использовании источника питания с регулируемой частотой все двигатели в системе привода могут работать с одинаковой скоростью. Частота источника питания определяет рабочую скорость двигателя.

Гистерезис

Гистерезисные двигатели имеют прочный, гладкий цилиндрический ротор, отлитый из с высокой коэрцитивной силой . магнитотвердой кобальтовой стали Этот материал имеет широкую петлю гистерезиса (высокую коэрцитивную силу ), что означает, что после намагничивания в заданном направлении для изменения намагниченности требуется сильное магнитное поле. Вращающееся поле статора заставляет каждый небольшой объем ротора испытывать реверсивное магнитное поле. Из-за гистерезиса фаза намагничивания отстает от фазы приложенного поля. Таким образом, ось магнитного поля, индуцированного в роторе, отстает от оси поля статора на постоянный угол δ, создавая крутящий момент, когда ротор пытается «догнать» поле статора. Пока скорость ротора ниже синхронной, каждая частица ротора испытывает реверсивное магнитное поле с частотой «скольжения», которое заставляет ее вращаться вокруг петли гистерезиса, вызывая запаздывание поля ротора и создание крутящего момента. Ротор имеет двухполюсную стержневую конструкцию с низким сопротивлением. Когда ротор приближается к синхронной скорости и скольжение достигает нуля, оно намагничивается и выравнивается с полем статора, в результате чего ротор «привязывается» к вращающемуся полю статора.

Основным преимуществом гистерезисного двигателя является то, что, поскольку угол задержки δ не зависит от скорости, он развивает постоянный крутящий момент от запуска до синхронной скорости. Таким образом, он является самозапускающимся и не нуждается в индукционной обмотке для запуска, хотя во многих конструкциях в ротор встроена проводящая структура обмотки с короткозамкнутым ротором для обеспечения дополнительного крутящего момента при запуске.

Гистерезисные двигатели производятся с субдробной мощностью, в первую очередь как серводвигатели и двигатели синхронизации. Гистерезисные двигатели, более дорогие, чем реактивные, используются там, где требуется точная постоянная скорость.

Двигатели с внешним возбуждением

Двигатель с внешним возбуждением, 1917 г. Возбудитель слева.

Эти двигатели, обычно изготовленные в больших размерах (более 1 лошадиной силы или 1 киловатта), требуют постоянного тока (DC) для возбуждения (намагничивания) ротора. Проще всего это осуществить через контактные кольца .

выпрямитель . Также можно использовать бесщеточную индукционную систему переменного тока и

Питание может подаваться от отдельного источника или от генератора, непосредственно подключенного к валу двигателя.

Методы контроля

Синхронный двигатель с постоянными магнитами и реактивный двигатель требуют для работы системы управления ( ЧРП или сервопривод ).

Существует большое количество способов управления синхронными машинами, подбираемых в зависимости от конструкции электродвигателя и области применения.

Методы контроля можно разделить на:

• Скалярное управление
  • V/f control
• Векторное управление
  • Полеориентированное управление
  • Прямое управление крутящим моментом , вариант VC
  • Линеаризация обратной связи
  • Пассивное управление

PMSM также могут работать по принципу управления с разомкнутым контуром. который иногда используется для запуска, что позволяет выполнять операцию определения положения.

Синхронная скорость

синхронного Синхронная скорость двигателя равна:
в об/мин , по:

$N_{s}=60{\frac {f}{P}}=120{\frac {f}{p}}$

и в рад·с ⁻¹ , к:

$\omega _{s}=2\pi {\frac {f}{P}}=4\pi {\frac {f}{p}}$

где:

• $f$ — частота питающего переменного тока в Гц ,
• $p$ количество магнитных полюсов ,
• $P$ — количество пар полюсов (реже плоскостей коммутации ), $P=p/2$.

Примеры

Однофазный 4-полюсный (2 - полюсная пара) синхронный двигатель работает при частоте сети переменного тока 50 Гц. Число пар полюсов равно 2, поэтому синхронная скорость:

$N_{s}=60\;{\frac {\text{rpm}}{\text{Hz}}}\times {\frac {50{\text{ Hz}}}{2}}=1500\,\,{\text{rpm}}$

Трехфазный 12-полюсный (6-полюсная пара) синхронный двигатель работает при частоте сети переменного тока 60 Гц. Число пар полюсов равно 6, поэтому синхронная скорость равна:

$N_{s}=60\;{\frac {\text{rpm}}{\text{Hz}}}\times {\frac {60{\text{ Hz}}}{6}}=600\,\,{\text{rpm}}$

Число магнитных полюсов, $p$, равно количеству групп катушек на фазу. Чтобы определить количество групп катушек на фазу в трехфазном двигателе, подсчитайте количество катушек и разделите их на количество фаз, которое равно 3. Катушки могут охватывать несколько пазов в сердечнике статора, что делает их утомительным подсчетом. . Если в трехфазном двигателе насчитать в общей сложности 12 групп катушек, он будет иметь 4 магнитных полюса. Для 12-полюсной трехфазной машины будет 36 катушек. Число магнитных полюсов ротора равно количеству магнитных полюсов статора.

Строительство

Ротор большого водяного насоса. Контактные кольца можно увидеть под барабаном ротора.

Обмотка статора большого водяного насоса

Основными компонентами электродвигателей являются статор и ротор. Статоры синхронного двигателя и асинхронного двигателя имеют схожую конструкцию. Конструкция синхронного двигателя аналогична конструкции синхронного генератора переменного тока . Корпус статора содержит оберточную пластину (кроме синхронных электрических машин двойного питания с фазным ротором ). К оберточной пластине прикреплены кольцевые ребра и шпонки. Для того чтобы выдержать вес машины, необходимы крепления рамы и опоры. Обмотка синхронного статора состоит из трехфазной обмотки. Он снабжен трехфазным питанием, а ротор снабжен источником постоянного тока.

Двигателям постоянного тока с возбуждением требуются щетки и контактные кольца для подключения к источнику возбуждения. Обмотку возбуждения можно возбуждать бесщеточным возбудителем. Цилиндрические круглые роторы (также известные как ротор с неявнополюсными полюсами) используются с числом полюсов до шести.

В некоторых машинах или когда необходимо большое количество полюсов, используется явнополюсный ротор.

В большинстве конструкций синхронных двигателей используется неподвижный якорь и вращающаяся обмотка возбуждения. Этот тип конструкции имеет преимущество перед двигателем постоянного тока , в котором используется вращающийся якорь.

Операция

Электродвигатели генерируют мощность за счет взаимодействия магнитных полей статора и ротора. В синхронных двигателях статор пропускает трехфазные токи и создает трехфазный вращающийся магнитный поток (и, следовательно, вращающееся магнитное поле). Ротор в конечном итоге фиксируется во вращающемся магнитном поле и вращается вместе с ним. Когда поле ротора соединяется с вращающимся магнитным полем, говорят, что двигатель синхронизирован. Возможен однофазный статор (или двухфазный, производный от однофазного), но в этом случае направление вращения не определено, и машина может запускаться в любом направлении, если это не запрещено пусковыми механизмами.

Обмоточный амортизатор

Основная статья: Демпферная обмотка

Когда двигатель работает, скорость двигателя зависит только от частоты питания. Когда нагрузка двигателя превышает пороговую, двигатель теряет синхронизацию, и ротор больше не следует за вращающимся магнитным полем.

Поскольку двигатель не может создавать крутящий момент, если он теряет синхронизацию, практические синхронные двигатели имеют частичный или полный демпфер с короткозамкнутым ротором, называемый амортизирующей обмоткой, для стабилизации работы и облегчения запуска.

Поскольку эта обмотка меньше, чем у эквивалентного асинхронного двигателя, и может перегреваться при длительной работе, а также поскольку в обмотке возбуждения ротора индуцируются большие напряжения скольжения, устройства защиты синхронного двигателя распознают это состояние и прерывают подачу питания (несинхронизирование). защита).

Методы запуска

Синхронные двигатели выше определенного размера не могут запуститься самостоятельно. Это свойство обусловлено инерцией ротора; он не может мгновенно следовать за вращением магнитного поля статора. Поскольку синхронный двигатель не создает среднего крутящего момента в состоянии покоя, он не может разогнаться до синхронной скорости без дополнительного механизма.

Большие двигатели, работающие от коммерческой мощности, имеют индукционную обмотку с короткозамкнутым ротором, которая обеспечивает достаточный крутящий момент для ускорения, а также служит для гашения колебаний скорости двигателя. Как только скорость ротора приближается к синхронной, обмотка возбуждения возбуждается и двигатель синхронизируется. Очень большие системы двигателей могут включать в себя «пони» двигатель, который ускоряет ненагруженную синхронную машину до приложения нагрузки. Двигатели с электронным управлением можно разогнать с нулевой скорости путем изменения частоты тока статора.

Небольшие синхронные двигатели обычно используются в электромеханических часах или таймерах с питанием от сети, которые используют частоту сети для запуска зубчатого механизма на правильной скорости. Такие небольшие синхронные двигатели способны запускаться без посторонней помощи, если момент инерции ротора и его механическая нагрузка достаточно малы. Двигатель ускоряется от скорости скольжения до синхронной скорости во время полупериода ускорения реактивного момента. Однофазные синхронные двигатели, например, в электрических настенных часах, могут свободно вращаться в любом направлении, в отличие от двигателей с экранированным полюсом .

Затраты являются важным параметром для начинающих. Возбуждение ротора является возможным способом решения проблемы. Кроме того, методы запуска больших синхронных машин включают повторяющуюся инверсию полярности полюсов ротора во время запуска.

Применение, особые свойства и преимущества

Использование в качестве синхронного конденсатора

Основная статья: Синхронный конденсатор

V-кривая синхронной машины

Изменяя возбуждение синхронного двигателя, можно заставить его работать с запаздывающим, опережающим и единичным коэффициентом мощности . Возбуждение, при котором коэффициент мощности равен единице, называется нормальным напряжением возбуждения . Величина тока при таком возбуждении минимальна. Напряжение возбуждения, превышающее нормальное возбуждение, называется повышенным напряжением возбуждения, напряжение возбуждения, меньшее нормального возбуждения, называется недостаточным возбуждением. Когда двигатель чрезмерно возбужден, противо-ЭДС будет больше, чем напряжение на клеммах двигателя. Это вызывает эффект размагничивания из-за реакции якоря.

Кривая V синхронной машины показывает ток якоря как функцию тока возбуждения. С увеличением тока возбуждения ток якоря сначала уменьшается, затем достигает минимума, затем возрастает. Точка минимума также является точкой, в которой коэффициент мощности равен единице.

Эту возможность выборочного управления коэффициентом мощности можно использовать для коррекции коэффициента мощности энергосистемы, к которой подключен двигатель. Поскольку большинство энергосистем любого значительного размера имеют чистый коэффициент мощности с запаздыванием, наличие перевозбужденных синхронных двигателей приближает полезный коэффициент мощности системы к единице, повышая эффективность. Такая коррекция коэффициента мощности обычно является побочным эффектом того, что двигатели уже присутствуют в системе и выполняют механическую работу, хотя двигатели могут работать без механической нагрузки просто для обеспечения коррекции коэффициента мощности. На крупных промышленных предприятиях, таких как фабрики, взаимодействие между синхронными двигателями и другими запаздывающими нагрузками может быть явным образом учтено при проектировании электрооборудования предприятия.

Стационарный предел устойчивости

$\mathbf {T} =\mathbf {T} _{\text{max}}\sin(\delta )$

где,

$\mathbf {T}$ это крутящий момент

$\delta$ это угол крутящего момента

$\mathbf {T} _{\text{max}}$ это максимальный крутящий момент

здесь,

$\mathbf {T} _{\text{max}}={\frac {{\mathbf {3} }{\mathbf {V} }{\mathbf {E} }}{{\mathbf {X_{s}} }{\omega _{s}}}}$

При приложении нагрузки угол крутящего момента $\delta$ увеличивается. Когда $\delta$ = 90° крутящий момент будет максимальным. Если нагрузка будет приложена дальше, двигатель потеряет синхронизм, поскольку крутящий момент двигателя будет меньше момента нагрузки. Максимальный момент нагрузки, который может быть приложен к двигателю без потери его синхронизма, называется пределом установившейся устойчивости синхронного двигателя.

Другой

Синхронные двигатели особенно полезны в приложениях, требующих точного контроля скорости или положения:

• Скорость не зависит от нагрузки в рабочем диапазоне двигателя.
• Скорость и положение можно точно контролировать с помощью элементов управления с разомкнутым контуром (например, шаговых двигателей ).
• К приложениям с низким энергопотреблением относятся машины позиционирования, где требуется высокая точность, и роботов . приводы
• Они будут сохранять свое положение, когда постоянный ток подается как на обмотки статора, так и на обмотки ротора.
• Часы, приводимые в действие синхронным двигателем, в принципе имеют такую ​​же точность, как и частота сети их источника питания. (Хотя небольшие отклонения частоты будут происходить в течение любых нескольких часов, операторы сети активно корректируют частоту линии в более поздние периоды, чтобы компенсировать это, тем самым сохраняя точность часов с приводом от двигателя; см. Частота сети § Стабильность .)
• Вертушки проигрывателя пластинок
• Повышенная эффективность в низкоскоростных устройствах (например, шаровых мельницах ).

Подтипы

• Двигатель переменного тока § Многофазный синхронный двигатель
• Шаговый двигатель (может быть синхронным или нет)
• Синхронная бесщеточная электрическая машина с фазным ротором двойного питания.

См. также

• Часы привода
• Электрическая машина с двойной подачей
• Коэффициент короткого замыкания (синхронный генератор)

Источники

• Джордан, HE (2013). Энергоэффективные электродвигатели и их применение . Спрингер США. ISBN  978-1-4899-1465-1 . Проверено 1 сентября 2023 г.
• Финч, Джон В.; Гиаурис, Дамиан (2008). «Управляемые электроприводы переменного тока» (PDF) . Транзакции IEEE по промышленной электронике . 55 (2). Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE): 481–491. дои : 10.1109/tie.2007.911209 . ISSN   0278-0046 .
• Акарнли, ПП; Уотсон, Дж. Ф. (2006). «Обзор работы бесщеточных машин с постоянными магнитами без датчиков положения» (PDF) . Транзакции IEEE по промышленной электронике . 53 (2). Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE): 352–362. дои : 10.1109/tie.2006.870868 . ISSN   0278-0046 .
• Бужа, Г.С.; Казмерковский, депутат (2004). «Прямое управление крутящим моментом двигателей переменного тока с ШИМ-инвертором — обзор». Транзакции IEEE по промышленной электронике . 51 (4). Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE): 744–757. дои : 10.1109/tie.2004.831717 . ISSN   0278-0046 .

Внешние ссылки

• Синхронная двигательная анимация.