Устройство и принцип работы синхронного двигателя реферат - Журнал "Автопарк"
Auto-park24.ru

Журнал "Автопарк"
8 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Устройство и принцип работы синхронного двигателя реферат

Принцип действия и устройство синхронного двигателя

Название синхронные относится к электрическим машинам переменного тока, в которых ротор и магнитное поле статора вращаются с одной и той же скоростью, т.е. синхронно.

;

.

Как и все электрические машины синхронные машины обратимы и могут работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. Трехфазные синхронные машины это обычно машины большой мощности.

По устройству статора синхронная машина не отличается от асинхронной. Обмотка статора обычно соединяется звездой. Отличие синхронной машины от асинхронной заключается в различной конструкции ротора.

Ротор синхронной машины представляет собой постоянный магнит. В машинах средней и большой мощности ротор превращается в постоянный магнит с помощью электрического тока, т.е. это электромагнит. Для этого на роторе располагается отдельная обмотка (сосредоточенная), которая называется обмоткой возбуждения, по ней протекает постоянный ток, который называется током возбуждения. Обмотка ротора вращается вместе с ротором, поэтому требуется устройство подвода тока. На роторе располагается 2 медных кольца, к которым подсоединены выводы обмотки ротора, к неподвижной части крепятся графитовые щетки в щеткодержателях, эти щетки скользят по кольцам, обеспечивая контакт.

.

Источник постоянного тока, служащий для создания тока возбуждения обычно называется возбудителем. В качестве возбудителя используется генератор постоянного тока, генератор переменного тока с выпрямителем, полупроводниковый выпрямитель управляемый или не управляемый.

По конструкции ротора синхронные машины делятся на два типа:

· машины, имеющие ротор с неявно выраженными полюсами, в этом случае ротор имеет вид гладкого цилиндра.

· синхронные машины, имеющие ротор с явно выраженными полюсами. Такой ротор делается в тихоходных машинах с большим числом пар полюсов.

Формула электромагнитного момента такая же как и для асинхронного двигателя:

.

Синхронный двигатель, как и асинхронный имеет физическое ограничение по моменту. Если к валу ротора приложить тормозной момент, то двигатель его преодолеет, но оси полюсов ротора и статора разойдутся на некоторый угол.

Изобразим условно вращающееся магнитное поле в виде магнита.

При увеличении момента сопротивления увеличивается угол расхождения полюсов ротора и статора.

;

.

Обычно угол Θ берут ≤ 30°, поэтому перегрузочная способность синхронного двигателя: больше чем у асинхронного двигателя.

Перегрузочную способность можно изменить воздействуя на ток возбуждения увеличивая ток возбуждения Iв увеличивается магнитный поток Ф, увеличивается ЭДС E и увеличивается максимальный момент Mмакс.

Механическая характеристика синхронного двигателя абсолютно жесткая, при любом моменте сопротивления скорость его вращения одна и та же. Если MсMмакс, двигатель такой момент не преодолеет и остановится.

Синхронные машины: устройство и принцип действия, характеристики синхронного генератора, включение синхронных генераторов на параллельную работу с сетью, синхронные двигатели и компенсаторы.

Синхронные машины (СМ) используют главным образом в качестве источников электрической энергии переменного тока. Их устанавливают на мощных тепловых, гидравлических и атомных электростанциях и транспортных установках (тепловозах, автомобилях, самолетах). Конструкция синхронного генератора (СГ) определяется в основном типом привода. В зависимости от этого различают турбогенераторы (приводятся во вращение паровыми или газовыми турбинами), гидрогенераторы (приводятся во вращение гидротурбинами) и дизель-генераторы (приводятся во вращение двигателями внутреннего сгорания). СМ также могут использоваться и в качестве электродвигателей для механизмов, работающих при постоянной частоте. Для улучшения коэффициента мощности сети и компенсации реактивной мощности с целью регулирования ее напряжения применяют синхронные компенсаторы (СК).

Устройство и принцип действия.

Ротор синхронной машины вращается с той же скоростью и в том же направлении как и вращающееся магнитное поле.

Статор СМ 1 (рисунок 6.15) имеет такое же устройство, как и статор асинхронной машины.

Рисунок 6.15 – Схема синхронной машины

Обмотка статора синхронной машины 3 может выполнятся как трехфазной, так и с другим числом фаз, ее называют обмоткой якоря. Число полюсов оботок статора и ротора одинаковое. Сердечник статора с обмоткой называют якорем. На роторе 2 располагается обмотка возбуждения 4, она питается постоянным током от постороннего источника посредством двух контактных колец и щеток. Источник питания обычно называют возбудителем. Им может быть генератор постоянного тока небольшой мощности, расположенный на одном валу с синхронной машиной. Обмотка возбуждения предназначена для создания первичного магнитного поля. Ротор с обмоткой возбуждения называется индуктором.

Если ротор СМ возбудить и привести во вращение со скоростью n2, то поток возбуждения Ф будет пересекать проводники обмотки статора, в результате чего в ее фазах будут индуцироваться ЭДС с частотой

. (6.24)

ЭДС статора составляют симметричную трехфазную систему ЭДС, и при подключении к обмотке статора симметричной нагрузки эта обмотка нагрузится симметричной системой токов. Такой режим называют генераторным.

В этом случае обмотка статора создает магнитное поле, вращающееся в направлении вращения ротора со скоростью

. (6.25)

Из (6.24) и (6.25) следует

. (6.26)

Поля статора и ротора создают общее вращающееся поле, вращаясь при этом с одинаковой скоростью, т.е. синхронно.

Поле статора (якоря) оказывает воздействие на поле ротора, и называемое полем реакции якоря.

Если подвести к обмотке СМ трехфазный ток из сети в результате взаимодействия магнитных полей статора и ротора последний придет во вращение. Направление и скорость вращения ротора будут такие же как и у поля статора. В этом случае СМ будет работать в двигательном режиме.

Читать еще:  Что будет если на двигателе точки не совпали

По конструкции ротора СМ подразделяются на явнополюсные и неявнополюсные (рисунок 6.16). Явнополюсные имеют выступающие полюсы и изготовляются с числом полюсов 2р > 4. Неявнополюсные имеют цилиндрический ротор, выполняемый обычно из массивной стальной поковки. В роторе фрезеруются пазы для укладки обмотки возбуждения. Эти машины выпускаются с числом полюсов 2р = 2 и 2р = 4 и имеют поэтому большие скорости вращения (1500, 3000 об/мин). При таких скоростях применение явнополюсных машин невозможно по условиям обеспечения необходимой механической прочности крепления полюсов и обмотки возбуждения.

Рисунок 6.16 – Роторы синхронных неявнополюсной (а) и явнополюсной (б) машин: 1 – сердечник ротора, 2 – обмотка возбуждения

В полюсных наконечниках синхронного двигателя (СД) с явнополюсным ротором размещают стержни пусковой обмотки (рисунок 6.17), выполненной из латуни. Такую же обмотку из медных стержней применяют в синхронных генераторах, она называется демпферной (успокоительной), т.к. обеспечивает быстрое затухание колебаний ротора, возникающих в переходных режимах.

Рисунок 6.17 – Устройство пусковой обмотки в синхронных двигателях:

1 – полюсы ротора, 2 – короткозамыкающие кольца, 3 – стержни «беличьей клетки», 4 – полюсные наконечники

В зависимости от способа питания обмотки возбуждения различают системы независимого и самовозбуждения. В первом случае для питания обмотки возбуждения используют установленный на валу ротора СМ генератор постоянного тока, либо отдельный генератор, приводимый во вращение синхронным двигателем. При самовозбуждении питание обмотки возбуждения осуществляется через выпрямитель от обмотки якоря.

Характеристики синхронного генератора.

Основными характеристиками, определяющими свойства синхронного генератора, являются внешние и регулировочные.

Внешние характеристики представляют собой зависимости напряжения U от тока нагрузки Iа. При этом неизменными остаются: ток возбуждения Iв, угол φ, частота f1 (постоянная частота вращения ротора n2). На рисунке 6.18 представлены внешние характеристики СГ при постоянном напряжении Uном для различных видов нагрузки. На рисунке ΔU представляет собой снижение напряжения при переходе от холостого хода к номинальному режиму.

Рисунок 6.18 – Внешние характеристики синхронного генератора при различных видах нагрузки

Регулировочные характеристики представляют собой зависимости тока возбуждения Iв от тока нагрузки Iа. При этом неизменными остаются: напряжение U, угол φ и частота f1 (рисунок 6.19). Данные характеристики демонстрируют, каким образом необходимо изменять ток возбуждения СГ, чтобы при изменении тока нагрузки напряжение оставалось неизменным. Очевидно, что при φ > 0 необходимо увеличивать ток возбуждения, а при φ 2 . Поэтому при понижении напряжения синхронный двигатель сохраняет большую нагрузочную способность. Кроме того, использование возможности увеличения тока возбуждения синхронных двигателей позволяет увеличивать надежность их работы при аварийных понижениях напряжения в сети и улучшать в этих случаях условия работы энергосистемы в целом. Вследствие большого воздушного зазора добавочные потери в стали в клетке ротора синхронных двигателей меньше, чем АД, благодаря чему КПД синхронных двигателей обычно выше.

С другой стороны, конструкция синхронных двигателей сложнее, чем короткозамкнутых асинхронных двигателей, и, кроме того, синхронные двигатели должны иметь возбудитель или иное устройство для питания обмотки возбуждения постоянным током. Вследствие этого синхронные двигатели в большинстве случаев дороже асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором. Пуск и регулирование скорости вращения синхронных двигателей также сложнее. Тем не менее, их целесообразно применять всюду, где не требуется частых пусков и остановок и регулирования скорости вращения.

Широко применяется асинхронный пуск синхронного двигателя, когда невозбужденная машина подключается к сети и ее скорость достигает почти синхронной скорости подобно асинхронному двигателю. Далее двигатель втягивается в синхронизм.

Рабочие характеристики СД представлены на рисунке 6.20.

Рисунок 6.20 – Рабочие характеристики синхронного двигателя

СД не имеет начального пускового момента. При подключении к сети СД с неподвижным ротором при наличии постоянного тока в обмотке возбуждения электромагнитный момент за один период изменит свое направление дважды. Следовательно, средний за период момент будет равен нулю. Т.к. ротор обладает некоторой инерцией, он не будет успевать разнонятся за пол периода до синхронной частоты вращения, т.е. двигатель не придет во вращение. Таким образом, для пуска синхронного двигателя необходимо помощью внешнего момента разогнать ротор до частоты вращения, близкой к синхронной.

Учитывая, что частота вращения СД равна , ее можно регулировать изменением числа полюсов или частоты напряжения питания. Первый способ в СД нецелесообразен. Это обусловлено тем, что необходимо изменять число полюсов и на статоре, и на роторе, что усложненяет конструкцию ротора. В связи с этим на практике используют второй способ.

Синхронный двигатель, работающий на холостом ходу (без нагрузки), представляет собой синхронный компенсатор; при этом ток в обмотке якоря имеет практически только реактивную составляющую.

Синхронные компенсаторы предназначаются для компенсации коэффициента мощности сети и поддержания нормального уровня напряжения сети в районах сосредоточения потребительских нагрузок. Нормальным является перевозбужденный режим работы синхронного компенсатора, когда он отдает в сеть реактивную мощность. В связи с этим компенсаторы, как и служащие для этих же целей батареи конденсаторов, устанавливаемые на потребительских подстанциях, называют также генераторами реактивной мощности. Однако в периоды спада потребительских нагрузок (например, ночью) напряжение сети стремится возрасти и для поддержания его на нормальном уровне необходимо загрузить сеть индуктивными токами, вызывающими в ней дополнительные падения напряжения. В этих случаях синхронные компенсаторы работают в недовозбужденном режиме, когда они потребляют из сети индуктивный ток и реактивную мощность. Для этого каждый синхронный компенсатор снабжается автоматическим регулятором возбуждения или напряжения, который регулирует его ток возбуждения так, что напряжение на зажимах компенсатора остается постоянным.

Читать еще:  Что может стучать в двигателе после замены масла

Выводы по лекции

К основным типам вращающихся машин относят асинхронные, синхронные и машины постоянного тока. Любая машина обратима, т.е. может работать как в режиме двигателя, так и в режиме генератора. Наиболее распространенными являются асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором. В случае необходимости необходимости частых пусков, плавного регулирования скорости вращения в широком диапазоне, используют двигатели постоянного тока. Синхронные компенсаторы, представляющие собой синхронные двигатели, работающие на холостом ходу, применяют для компенсации коэффициента мощности сети и поддержания нормального уровня напряжения.

Вопросы для самопроверки

1 Поясните устройство асинхронной машины.

2 Поясните принцип действия асинхронного двигателя.

3 Что такое скольжение?

4 Назовите и изобразите графики известных вам характеристик асинхронного двигателя.

5. Какие способы пуска асинхронного двигателя вы знаете?

6 Какие существуют способы регулирования частоты вращения асихнонных двигателей? Кратко охарктеризуйте каждый из них.

7 Перечислите основные элементы конструкции машины постоянного тока.

8 Поясните принцип действия машины постоянного тока?

9 Какие режимы работы машины постоянного тока вы знаете?

10 Как классифицируются генераторы постоянного тока по способу возбуждения?

11 Какие способы используют для пуска двигателя постоянного тока?

12 Перечислите способы регулирования частоты вращения двигателя постоянного тока. Поясните кратко каждый из них.

13. Назовите и изобразите графики известных вам характеристик двигателя постоянного тока.

14 Что называют коммутацией в машинах постоянного тока? Как ее улучшить?

15 Поясните устройство и принцип действия синхронной машины.

16 Назовите и изобразите графики известных вам характеристик синхронного генератора.

17 Перечислите требования для включения генератора на параллельную работу с сетью.

18 В чем заключаются преимущества и недостатки использования синхронного двигателя по сравнению с асинхронным?

Последнее изменение этой страницы: 2017-05-06; Просмотров: 1089; Нарушение авторского права страницы

СИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Синхронные двигатели – это машины переменного тока, преобразующие электрическую энергию в механическое вращение приводного вала.

Их особенность проявляется в синхронном взаимодействии вращающейся ЭДС неподвижного статора с электромагнитным полем подвижного ротора.

Для понимания принципа этого взаимодействия важно ознакомиться с существующими разновидностями синхронных агрегатов и их устройством.

УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП РАБОТЫ СИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

При рассмотрении устройства двигателей синхронного типа выделяются следующие основные части:

  • литой корпус агрегата;
  • неподвижный статор с комплектом обмоток;
  • подвижный ротор с приводным валом;
  • контактно-щеточный узел.

Статор или якорь электродвигателя набран из листов электротехнической стали, позволяющей усилить создаваемые в нем магнитные потоки.

В специальных пазах размещаются рабочие обмотки, создающие вращающееся магнитное поле. Кроме того, ротор электродвигателя оснащается обмоткой возбуждения, обеспечивающей электромагнитное взаимодействие с вращающимся полем статора.

При подаче напряжения в подвижном узле формируется собственное э/м поле, приводящее к вращению ротора с приводным валом. Контактные кольца с комплектом щеток необходимы для подачи питания на его обмотки.

Роторные обмотки имеют два исполнения. Первое представлено образцами с явно выраженными полюсами, а второе имеет катушки распределенного типа (в этом варианте они укладываются в пазы ротора). Помимо этого описываемый узел может выполняться в виде короткозамкнутого витка (так называемая «беличья клетка»).

ВИДЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ДВИГАТЕЛЕЙ СИНХРОННОГО ТИПА

По числу обмоток, используемых для создания вращающегося поля статора, все известные модели синхронных двигателей делятся на:

  • однофазные;
  • трехфазные устройства.

Последние предназначаются для работы в условиях повышенных напряжений и нагрузок, что характерно для условий промышленного производства. Их полезная мощность порой достигает сотен кВт.

В отличие от них однофазные электродвигатели могут подключаться к бытовым электрическим сетям переменного тока частотой 50 Гц и напряжением 220 Вольт. Как правило, эти устройства имеют мощность в пределах от 5 Вт до 10 кВт.

По рабочей эффективности они существенно уступают своим трехфазным аналогам. Однофазная схема включения заметно снижает КПД двигателя и величину его пускового момента. Вместе с тем агрегаты этого типа способны выдерживать большие перегрузки на валу.

ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ СИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ

В сравнении с другими образцами машин переменного тока синхронные имеют следующие бесспорные преимущества:

  • постоянство скорости вращения приводного вала при нагрузке, меняющейся в широких пределах;
  • высокие показатели кпд и передачи полезной мощности в нагрузку;
  • сравнительно низкий коэффициент реактивной составляющей;
  • возможность длительной работы в режиме перегрузки;
  • меньшая зависимость от колебаний напряжения в питающей сети.

Указанные преимущества и определяют области их применения: мощные вентиляционные системы, конвейерные линии, компрессоры и прокатные станы.

Читать еще:  Форсировать двигатель ваз 21099 как это сделать

К числу существенных недостатков электродвигателей синхронного типа относят:

  • сложность конструкции и сравнительно высокая стоимость;
  • технические сложности с запуском электродвигателя в работу;
  • потребность в дополнительном источнике постоянного напряжения;
  • сложность управления основными параметрами двигателя (скоростью вращения и моментом на валу).

Все перечисленные недостатки синхронных машин переменного тока устраняются за счет использования дополнительных систем плавного запуска. Хорошего результата удается добиться, если для управления работой двигателя используются электронные устройства (частотные преобразователи).

СПОСОБЫ И УСТРОЙСТВА ПЛАВНОГО ПУСКА И УПРАВЛЕНИЯ

Добиться плавного пуска удается за счет использования дополнительного двигателя или же посредством асинхронного запуска.

Первый случай не требует пояснений, а во втором используется принцип асинхронности вращения э/м полей, приводящих к эффекту скольжения на начальном этапе работы. У каждого из этих вариантов имеются свои достоинства и недостатки.

Для эффективного управления режимами работы синхронного двигателя используется зависимость частоты вращения ротора от питающего напряжения.

При заданном значении токовой составляющей такое управление сводится к изменению мощности на валу. Реализовать его удается различными способами, но наиболее эффективными считаются электронные устройства (преобразователи).

Для управления режимами работы применяются современные полупроводниковые компоненты. К последним относятся транзисторы, тиристоры и симисторы.

С помощью этих быстродействующих элементов удается менять величину мощности в нагрузке, используя принципы широтно-импульсного или фазоимпульсного регулирования.

© 2014-2021 г.г. Все права защищены.
Материалы сайта имеют ознакомительный характер, могут выражать мнение автора и не подлежат использованию в качестве руководящих и нормативных документов.

Устройство и принцип работы синхронного двигателя

Регулировочные характеристики синхронного генератора

Естественно, что поскольку напряжение синхронного генератора изменяется при изменении нагрузки в значительных пределах, необходимо принимать меры для уменьшения изменения напряжения. Этого можно добиться, очевидно, за счет соответствующего изменения ЭДС генератора путем воздействия на его ток возбуждения. О том, как и в каких пределах необходимо изменять ток возбуждения при изменении тока нагрузки генератора, чтобы поддерживать U=const,и дают представление регулировочные характеристики.

Характеристика холостого хода генератора при параллельном возбуждении практически не отличается от характеристики при независимом возбуждении, так как влияние на эту характеристику изменений напряжения и реакции якоря от тока возбуждения ничтожно. Совпадают и регулировочные характеристики. Но внешняя характеристика при параллельном возбуждении генератора идет значительно ниже, чем при независимом возбуждении, из-за уменьшения тока возбуждения при снижении напряжения.
Внешние характеристики крутопадающие, ток короткого замыкания составляет всего 1,5 — 1,7 номинального, перегрузка генератора не превышает 25% номинальной мощности. Сексины имеют плохие регулировочные характеристики из-за большой кратности регулирования тока возбуждения. Основное достоинство генераторов «сексин» — высокая надежность. Они легко выдерживают высокие температуры перегрева, допускают высокие окружные скорости, превышающие 100 м/с, имеют малый расход меди на обмотку возбуждения.
Регулировочные характеристики — зависимость тока возбуждения в функции тока нагрузки при различных значениях коэффициента мощности.
Регулировочные характеристики позволяют определить кратность регулирования тока возбуждения возбудителя для различных нагрузок при заданном коэффициенте мощности. Ток возбуждения возбудителя можно представить суммой трех составляющих: тока возбуждения холостого хода и токов возбуждения, компенсирующих реакцию якоря активной (соs ф) и реактивной (sin ф) составляющих тока нагрузки.

Принцип действия синхронного двигателя основан на взаимодействии вращающегося переменного магнитного поля якоря и постоянных магнитных полей полюсов индуктора. Обычно якорь расположен на статоре, а индуктор — на роторе. В мощных двигателях в качестве полюсов используются электромагниты (ток на ротор подаётся через скользящий контакт), в маломощных — постоянные магниты. Есть так же обращенная конструкция двигателей, где якорь расположен на роторе, а индуктор — на статоре (в устаревших двигателях, а так же в современных криогенных синхронных машинах, в которых в обмотках возбуждения используются сверхпроводники)

Двигатель требует разгона до номинальной скорости вращения или частотного пуска, прежде чем может работать самостоятельно. При такой скорости вращающееся магнитное поле якоря сцепляется с магнитными полями полюсов индуктора (если индуктор расположен на статоре, то получается, что вращающееся магнитное поле вращающегося якоря (ротора) неподвижно относительно постоянного поля индуктора (статора), если индуктор на роторе, то магнитное поле вращающихся полюсов индуктора (ротора) неподвижно относительно вращающегося магнитного поля якоря (статора)) — это называется «вошел в синхронизм». Для разгона до номинальной скорости обычно используется дополнительный двигатель (чаще всего асинхронный). Так же используется частотный пуск, когда частоту тока якоря постепенно увеличивают от очень малых до номинальных величин.

Частота вращения (об/мин) синхронного двигателя напрямую связана с частотой тока питающей сети соотношением, ,где — число пар полюсов машины

Синхронные двигатели обладают ёмкостной нагрузкой, поэтому их выгодно использовать для компенсации индуктивной нагрузки (повышения коэффициента мощности). Синхронные двигатели применяют там, где нет необходимости частого пуска/остановки и регулирования скорости вращения (например, в системах вентиляции).

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector