Принцип дії синхронного двигуна приблизно такий же, як і у асинхронного. Але є декілька відмінностей, які мають ключове значення при виборі двигуна для тієї або іншої конструкції. В промисловості одержали широке поширення асинхронні машини – їх частка досягає 96% від загальної кількості електричних двигунів. Але це зовсім не говорить про те, що відсутні інші типи електричних агрегатів.
Відміну від асинхронного мотора
Головна відмінність синхронної машини полягає в тому, що швидкість обертання якоря така ж, як і аналогічна характеристика магнітного потоку. І якщо в асинхронних двигунах використовується короткозамкнений ротор, то в синхронних мається на ньому дротяна обмотка, до якої підводиться змінна напруга. У деяких конструкціях використовуються постійні магніти. Але це робить двигун дорожче.
Якщо збільшувати навантаження, що підключається до ротору, частота обертання його не зміниться. Це одна з ключових особливостей такого типу машин. Обов'язкова умова – у рухомого магнітного поля має бути стільки ж пар полюсів, скільки у електромагніту на роторі. Саме це гарантує постійну кутову швидкість обертання цього елемента двигуна. І вона не буде залежати від моменту, прикладеного до нього.
Конструкція мотора
Пристрій і принцип дії синхронних двигунів нескладні. Конструкція включає в себе такі елементи, як:
Нерухома частина – статор. На ній знаходиться три обмотки, які з'єднуються за схемою «зірка» або «трикутник». Статор зібраний з пластин електротехнічної сталі з високим ступенем провідності. Рухома частина – ротор. На ньому теж є обмотка. При роботі на неї подається напруга. Між ротором і статором є прошарок повітря. Вона забезпечує нормальне функціонування двигуна і дозволяє магнітному полю безперешкодно впливати на елементи агрегату. У конструкції присутні підшипники, в яких обертається ротор, а також клемна коробка, розташована у верхній частині двигуна.
Як працює двигун
Якщо коротко, принцип дії синхронного двигуна, як і будь-якого іншого, полягає в перетворенні одного виду енергії в інший. А конкретно – в електричної механічну. Працює мотор таким чином:
На статорні обмотки подається змінна напруга. Воно створює магнітне поле. На обмотки ротора також подається змінна напруга, що створює поле. Якщо використовуються постійні магніти, то це поле вже за замовчуванням є. Два магнітних поля взаимопересекаются, протидіють один одному – одне штовхає інше. З-за цього рухається ротор. Саме він встановлений на шарикопідшипниках і здатний вільно обертатися, дати йому потрібно тільки поштовх. От і все. Тепер залишається тільки використовувати отриману механічну енергію в потрібних цілях. Але потрібно знати, як правильно вивести в нормальний режим синхронний двигун. Принцип роботи у нього відрізняється від асинхронного. Тому потрібно дотримуватися певних правил.
Для цього підключають електродвигун до обладнання, яке необхідно привести у рух. Зазвичай це механізми, які повинні працювати практично без зупинок – витяжки, насоси та інше.
Синхронні генератори
Зворотна конструкція – синхронні генератори. В них процеси протікають трохи інакше. Принцип дії синхронного генератора і синхронного двигуна відрізняються, але не суттєво:
На обмотку статора не подається напруга. З неї воно знімається. На обмотку ротора подається змінна напруга, яка необхідна для створення магнітного поля. Споживання електроенергії дуже маленьке. Ротор електрогенератора розкручується за допомогою дизельного або бензинового двигуна або ж силою води, вітру. Навколо ротора є магнітне поле, яке рухається. Тому в обмотці статора індукується ЕРС, а на кінцях з'являється різниця потенціалів. Але в будь-якому випадку потрібно стабілізувати напругу на виході генераторної установки. Для цього досить підключити роторну обмотку від джерела, напруга якого постійно і не змінюється при коливаннях частоти обертання.
Полюси обмоток двигуна
У конструкції ротора є постійні або електричні магніти. Їх зазвичай називають полюсами. На синхронних машинах (двигунах і генераторах) індуктори можуть бути двох типів:
Явнополюснимі. Неявнополюснимі. Вони розрізняються між собою тільки взаємним розташуванням полюсів. Для зменшення опору з боку магнітного поля, а також поліпшення умов для проникнення потоку, використовуються сердечники, виготовлені з феромагнетиків.
Ці елементи розташовуються як в роторі, так і в статорі. Для виготовлення використовуються тільки сорти електротехнічної сталі. У ній дуже багато кремнію. Це відмітна особливість такого виду металу. Це дозволяє істотно зменшити вихрові струми, підвищити електричне опір сердечника.
Вплив полюсів
В основі конструкції і принципу дії синхронних двигунів лежить забезпечення впливу пар полюсів ротора і статора один на одного. Для забезпечення роботи потрібно розігнати індуктор до певної швидкості. Вона дорівнює тієї, з якою обертається магнітне поле статора. Саме це дозволяє забезпечити нормальну роботу в синхронному режимі. В момент, коли відбувається запуск, магнітні поля статора і ротора взаємно перетинаються. Це називається «вхід у синхронізацію». Ротор починає обертатися зі швидкістю, як у магнітного поля статора.
Запуск електродвигунів синхронного типу
Найскладніше в роботі синхронного двигуна – це його запуск. Саме тому його використовують вкрай рідко. Адже конструкція ускладнюється за рахунок запуску системи. Протягом довгого часу робота синхронного двигуна залежала від розгінного асинхронника, механічно з'єднаний з ним. Що це означає? Другий тип двигуна (асинхронний) дозволяв розігнати ротор синхронної машини до подсинхронной частоти. Звичайні асинхронники не вимагають спеціальних пристроїв для запуску, достатньо лише подати робоча напруга на обмотки статора.
Після того, як буде досягнута необхідна швидкість, відбувається відключення розгінного двигуна. Магнітні поля, які взаємодіють в електричному двигуні, самі виводять його на роботу в синхронному режимі. Для розгону потрібно інший двигун. Його потужність має становити приблизно 10-15 % від аналогічної характеристики синхронної машини. Якщо потрібно вивести в режим електродвигун 1 кВт, для нього буде потрібно розгінний мотор потужністю 100 Вт. Цього цілком достатньо, щоб машина змогла працювати як в режимі холостого ходу, так і з незначним навантаженням на валу.
Більш сучасний спосіб розгону
Вартість такої машини виявлялася набагато вище. Тому простіше використовувати звичайний асинхронний двигун, нехай і багато у нього недоліків. Але саме його принцип роботи і був використаний для зменшення габаритів і вартості всієї установки. За допомогою реостата проводиться замикання обмоток на роторі. В результаті двигун стає асинхронним. А запустити його виявляється набагато простіше – просто подається напруга на обмотки статора.
Під час виходу на подсинхронную швидкість можливо розгойдування ротора. Але це не відбувається за рахунок роботи його обмотки. Навпаки, вона виступає в якості заспокоювача. Як тільки частота обертання буде достатньою, проводиться подача постійної напруги на обмотку індуктора. Двигун виводиться в синхронний режим. Але такий спосіб можна втілити тільки в тому випадку, якщо використовуються двигуни з обмоткою на роторі. Якщо там використовується постійний магніт, доведеться встановлювати додатковий розгінний електродвигун.
Переваги і недоліки синхронних двигунів
Основна перевага (якщо порівнювати з асинхронними машинами) – за рахунок незалежного живлення роторної обмотки агрегати можуть працювати і при високому коефіцієнті потужності. Також можна виділити такі переваги, як:
Знижується струм, що споживається електродвигуном, збільшується ККД. Якщо порівнювати з асинхронним двигуном, то ці характеристики синхронної машини виявляються краще. Момент обертання прямо пропорційний напрузі живлення. Тому навіть якщо знижується напруга в мережі, навантажувальна здатність виявляється набагато вище, ніж у асинхронних машин. Надійність пристроїв такого типу істотно вище. Але ось є один великий недолік – складна конструкція. Тому при виробництві та наступних ремонтах витрати виявляться вище. Крім того, для живлення обмотки ротора обов'язково потрібна наявність джерела постійного струму. А регулювати частоту обертання ротора можна тільки з допомогою перетворювачів – вартість їх дуже висока. Тому синхронні двигуни використовуються там, де немає необхідності часто включати і відключати агрегат.
