Синхронный электродвигатель — это электродвигатель переменного тока , в котором в установившемся режиме [1] вращение вала синхронизировано с частотой тока питания ; период вращения точно равен целому числу циклов переменного тока . Синхронные двигатели используют электромагниты в качестве статора двигателя, которые создают магнитное поле, вращающееся в такт колебаниям тока. Ротор с постоянными магнитами или электромагнитами вращается синхронно с полем статора с той же скоростью и в результате обеспечивает второе синхронизированное вращающееся магнитное поле. Синхронные двигатели с двойным питанием используют независимо возбуждаемые многофазные электромагниты переменного тока как для ротора, так и для статора. [2]
Синхронные и асинхронные двигатели являются наиболее широко используемыми двигателями переменного тока. Синхронные двигатели вращаются со скоростью, привязанной к частоте сети, поскольку они не полагаются на 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 устройствах синхронизации, таких как синхронные часы , таймеры в бытовых приборах, магнитофоны и прецизионные сервомеханизмы , в которых двигатель должен работать с точной скоростью; точность зависит от частоты электросети , которая тщательно контролируется в крупных взаимосвязанных сетевых системах.
Синхронные двигатели доступны в самовозбуждающихся, дробных [3] и промышленных размерах. [1] В дробном диапазоне лошадиных сил большинство синхронных двигателей используются для обеспечения точной постоянной скорости. Эти машины обычно используются в аналоговых электрических часах, таймерах и связанных с ними устройствах.
В типичных промышленных размерах синхронный двигатель обеспечивает эффективное средство преобразования энергии переменного тока в работу ( электрический КПД выше 95% является нормальным для больших размеров) [4] и может работать с опережающим или единичным коэффициентом мощности и, таким образом, обеспечивать коррекцию коэффициента мощности. [ необходима ссылка ]
Синхронные двигатели попадают в категорию синхронных машин , которая также включает синхронные генераторы. Действие генератора происходит, если полюса поля «движутся впереди результирующего потока воздушного зазора поступательным движением первичного двигателя ». Действие двигателя происходит, если полюса поля «волочатся позади результирующего потока воздушного зазора тормозящим моментом нагрузки вала » . [1]
Два основных типа синхронных двигателей различаются по способу намагничивания ротора: невозбужденные и возбуждаемые постоянным током. [5]
В невозбужденных двигателях ротор сделан из стали. Он вращается в такт с вращающимся магнитным полем статора, поэтому он имеет почти постоянное магнитное поле через себя. Внешнее поле статора намагничивает ротор, индуцируя магнитные полюса, необходимые для его вращения. Ротор сделан из стали с высокой удерживающей способностью , такой как кобальтовая сталь. Они изготавливаются в конструкциях с постоянным магнитом , реактивным сопротивлением и гистерезисом : [6]
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 ). На синхронной скорости полюса ротора блокируются вращающимся магнитным полем. PMSM похожи на бесщеточные двигатели постоянного тока . Неодимовые магниты являются наиболее распространенными, хотя быстрое колебание цен на неодимовые магниты вызвало исследования в области ферритовых магнитов . [7] Из-за присущих ферритовым магнитам характеристик магнитная цепь этих машин должна иметь возможность концентрировать магнитный поток, что обычно приводит к использованию роторов спицевого типа. [8] Машины, в которых используются ферритовые магниты, имеют более низкую плотность мощности и крутящего момента по сравнению с неодимовыми машинами. [8]
СДПМ используются в качестве безредукторных двигателей лифтов с 2000 года. [9]
Большинству PMSM для запуска требуется частотно-регулируемый привод . [10] [11] [12] [13] [14] Однако некоторые двигатели имеют в роторе беличью клетку для запуска — такие двигатели известны как двигатели с линейным запуском или самозапуском. [15] Обычно они используются в качестве более эффективной замены асинхронным двигателям (из-за отсутствия скольжения), но должны обеспечивать достижение синхронной скорости и то, что система может выдерживать пульсации крутящего момента во время запуска.
СДПМ обычно управляются с помощью прямого управления крутящим моментом [16] и управления с ориентацией поля [17] .
Реактивные двигатели имеют литой ротор из цельной стали с выступающими (выступающими) зубчатыми полюсами. Обычно роторов меньше, чем полюсов статора, чтобы минимизировать пульсацию крутящего момента и предотвратить одновременное выравнивание полюсов — положение, которое не может генерировать крутящий момент. [3] [18] Размер воздушного зазора в магнитной цепи и, следовательно, сопротивление минимальны, когда полюса выравниваются с (вращающимся) магнитным полем статора, и увеличиваются с углом между ними. Это создает крутящий момент, который тянет ротор в выравнивание с ближайшим полюсом поля статора. На синхронной скорости ротор, таким образом, «заблокирован» на вращающемся поле статора. Это не может запустить двигатель, поэтому полюса ротора обычно имеют встроенные в них обмотки с короткозамкнутым ротором , чтобы обеспечить крутящий момент ниже синхронной скорости. Таким образом, машина запускается как асинхронный двигатель, пока не достигнет синхронной скорости, когда ротор «втянется» и заблокируется на поле статора. [19]
Конструкции реактивных двигателей имеют номинальные значения от долей лошадиных сил (несколько ватт) до примерно 22 кВт . Небольшие реактивные двигатели имеют низкий крутящий момент и обычно используются в измерительных приборах. Двигатели с умеренным крутящим моментом и мощностью в несколько лошадиных сил используют конструкцию с короткозамкнутым ротором и зубчатыми роторами. При использовании с регулируемым источником питания все двигатели в системе привода могут работать с одинаковой скоростью. Частота источника питания определяет рабочую скорость двигателя.
Гистерезисные двигатели имеют сплошной, гладкий, цилиндрический ротор, отлитый из высококоэрцитивной магнитно- "твердой" кобальтовой стали. [18] Этот материал имеет широкую петлю гистерезиса (высокую коэрцитивность ), что означает, что после того, как он намагничивается в заданном направлении, ему требуется сильное магнитное поле для изменения намагниченности. 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, поскольку ротор пытается "догнать" поле статора. Пока ротор находится ниже синхронной скорости, каждая частица ротора испытывает реверсивное магнитное поле на частоте "скольжения", которое движет его по его петле гистерезиса, заставляя поле ротора отставать и создавать крутящий момент. Ротор имеет 2-полюсную стержневую структуру с низким сопротивлением. [18] Когда ротор приближается к синхронной скорости, а скольжение стремится к нулю, он намагничивается и выравнивается с полем статора, заставляя ротор «запираться» во вращающемся поле статора.
Главным преимуществом гистерезисного двигателя является то, что, поскольку угол запаздывания δ не зависит от скорости, он развивает постоянный крутящий момент от запуска до синхронной скорости. Поэтому он является самозапускающимся и не нуждается в индукционной обмотке для запуска, хотя многие конструкции встраивают в ротор структуру токопроводящей обмотки с короткозамкнутым ротором для обеспечения дополнительного крутящего момента при запуске. [ необходима цитата ]
Двигатели гистерезиса производятся в субдробных лошадиных силовых номиналах, в основном как серводвигатели и двигатели синхронизации. Более дорогие, чем двигатели реактивного типа, двигатели гистерезиса используются там, где требуется точная постоянная скорость. [ необходима цитата ]
Обычно эти двигатели производятся в больших размерах (больше, чем 1 лошадиная сила или 1 киловатт), и для возбуждения (намагничивания) ротора требуется постоянный ток (DC). Это наиболее просто осуществляется через контактные кольца .
Также можно использовать бесщеточную индукционную установку переменного тока и выпрямительную установку. [ 20 ]
Питание может осуществляться от отдельного источника или от генератора, напрямую подключенного к валу двигателя.
Для работы синхронного двигателя с постоянными магнитами и реактивного двигателя требуется система управления ( частотно-регулируемый привод или сервопривод ).
Существует большое количество способов управления синхронными машинами, выбираемых в зависимости от конструкции электродвигателя и области применения.
Методы контроля можно разделить на: [21] [22]
СДПМ также могут работать в режиме управления с разомкнутым контуром [23] , который иногда используется для запуска, обеспечивая тем самым операцию определения положения. [24]
Синхронная скорость синхронного двигателя определяется: [25]
в об/мин , по формуле:
и в рад·с −1 , по:
где:
Однофазный 4-полюсный (2 - полюсная пара) синхронный двигатель работает при частоте переменного тока 50 Гц. Количество пар полюсов равно 2, поэтому синхронная скорость равна:
Трехфазный 12-полюсный (6-полюсная пара) синхронный двигатель работает при частоте переменного тока 60 Гц. Количество пар полюсов равно 6, поэтому синхронная скорость равна:
Число магнитных полюсов, , равно числу групп катушек на фазу. Чтобы определить число групп катушек на фазу в 3-фазном двигателе, подсчитайте число катушек, разделите на число фаз, которое равно 3. Катушки могут охватывать несколько пазов в сердечнике статора, что делает их подсчет утомительным. Для 3-фазного двигателя, если вы посчитаете в общей сложности 12 групп катушек, он будет иметь 4 магнитных полюса. Для 12-полюсной 3-фазной машины будет 36 катушек. Число магнитных полюсов в роторе равно числу магнитных полюсов в статоре.
Основными компонентами электродвигателей являются статор и ротор. [26] Статоры синхронных и асинхронных двигателей имеют схожую конструкцию. [27] Конструкция синхронного двигателя аналогична конструкции синхронного генератора переменного тока . [28] Рама статора содержит оберточную пластину (за исключением синхронных электрических машин с двойным питанием и фазным ротором ). К оберточной пластине прикреплены кольцевые ребра и шпоночные стержни. Для того чтобы выдерживать вес машины, требуются опоры рамы и опоры. [29] Обмотка синхронного статора состоит из 3-фазной обмотки. Она снабжена 3-фазным питанием, а ротор снабжен питанием постоянного тока.
Для двигателей постоянного тока с возбуждением требуются щетки и контактные кольца для подключения к источнику возбуждения. [30] Обмотка возбуждения может возбуждаться бесщеточным возбудителем. [31] Цилиндрические круглые роторы (также известные как роторы с неявно выраженными полюсами) используются для шести полюсов.
В некоторых машинах или когда требуется большое количество полюсов, используется ротор с явно выраженными полюсами. [32] [33]
Большинство конструкций синхронных двигателей используют неподвижный якорь и вращающуюся обмотку возбуждения. Этот тип конструкции имеет преимущество перед типом двигателя постоянного тока , где якорь используется вращающегося типа.
Электродвигатели генерируют мощность за счет взаимодействия магнитных полей статора и ротора. В синхронных двигателях статор несет 3-фазные токи и создает 3-фазный вращающийся магнитный поток (и, следовательно, вращающееся магнитное поле). Ротор в конечном итоге захватывает вращающееся магнитное поле и вращается вместе с ним. Как только поле ротора захватывает вращающееся магнитное поле, двигатель считается синхронизированным. Однофазный (или двухфазный, полученный из однофазного) статор возможен, но в этом случае направление вращения не определено, и машина может запускаться в любом направлении, если этому не препятствуют пусковые устройства. [34]
После того, как двигатель работает, скорость двигателя зависит только от частоты питания. Когда нагрузка двигателя увеличивается сверх предельной нагрузки, двигатель выходит из синхронизации, и ротор больше не следует вращающемуся магнитному полю.
Поскольку двигатель не может создавать крутящий момент, если он выходит из синхронизма, в практических синхронных двигателях имеется частичный или полный демпфер с короткозамкнутым ротором, называемый амортизационной 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 (защита от асинхронности). [34]
Выше определенного размера синхронные двигатели не могут самостоятельно запускаться. Это свойство обусловлено инерцией ротора; он не может мгновенно следовать за вращением магнитного поля статора. Поскольку синхронный двигатель не производит собственного среднего крутящего момента в состоянии покоя, он не может разогнаться до синхронной скорости без дополнительного механизма. [3]
Большие двигатели, работающие от коммерческой мощности, включают в себя индукционную обмотку с короткозамкнутым ротором, которая обеспечивает достаточный крутящий момент для ускорения, а также служит для гашения колебаний скорости двигателя. [3] Как только ротор приближается к синхронной скорости, обмотка возбуждения возбуждается, и двигатель втягивается в синхронизацию. Очень большие системы двигателей могут включать в себя «пони»-двигатель, который ускоряет ненагруженную синхронную машину до приложения нагрузки. [35] [36] Электронно-управляемые двигатели могут ускоряться с нулевой скорости путем изменения частоты тока статора. [37]
Малые синхронные двигатели обычно используются в электрических механических часах или таймерах с питанием от сети, которые используют частоту сети для работы зубчатого механизма с правильной скоростью. Такие небольшие синхронные двигатели могут запускаться без посторонней помощи, если момент инерции ротора и его механическая нагрузка достаточно малы. Двигатель разгоняется от скорости скольжения до синхронной скорости в течение ускоряющегося полуцикла момента сопротивления. [3] Однофазные синхронные двигатели, такие как в настенных электрических часах, могут свободно вращаться в любом направлении, в отличие от типа с экранированными полюсами .
Затраты являются важным параметром для пускателей. [38] Возбуждение ротора является возможным способом решения этой проблемы. [39] Кроме того, методы запуска для больших синхронных машин включают повторяющуюся инверсию полярности полюсов ротора во время запуска. [40]
Изменяя возбуждение синхронного двигателя, можно заставить его работать с отстающим, опережающим и единичным коэффициентом мощности . Возбуждение, при котором коэффициент мощности равен единице, называется нормальным напряжением возбуждения . [41] Величина тока при таком возбуждении минимальна. [41] Напряжение возбуждения больше нормального возбуждения называется напряжением перевозбуждения, напряжение возбуждения меньше нормального возбуждения называется недовозбуждением. [41] Когда двигатель перевозбужден, обратная ЭДС будет больше напряжения на клеммах двигателя. Это вызывает размагничивающий эффект из-за реакции якоря. [42]
Кривая V синхронной машины показывает ток якоря как функцию тока возбуждения. С увеличением тока возбуждения ток якоря сначала уменьшается, затем достигает минимума, затем увеличивается. Минимальная точка также является точкой, в которой коэффициент мощности равен единице. [43]
Эта способность выборочно контролировать коэффициент мощности может быть использована для коррекции коэффициента мощности энергосистемы, к которой подключен двигатель. Поскольку большинство энергосистем любого значительного размера имеют чистый отстающий коэффициент мощности, наличие перевозбужденных синхронных двигателей приближает чистый коэффициент мощности системы к единице, повышая эффективность. Такая коррекция коэффициента мощности обычно является побочным эффектом двигателей, уже присутствующих в системе для обеспечения механической работы, хотя двигатели могут работать без механической нагрузки просто для обеспечения коррекции коэффициента мощности. На крупных промышленных предприятиях, таких как заводы, взаимодействие между синхронными двигателями и другими, отстающими, нагрузками может быть явным соображением в электрической конструкции предприятия. [ необходима цитата ]
где,
здесь,
При приложении нагрузки угол крутящего момента увеличивается. При = 90° крутящий момент будет максимальным. Если нагрузка прикладывается больше, то двигатель потеряет синхронность, так как крутящий момент двигателя будет меньше крутящего момента нагрузки. [44] [45] Максимальный крутящий момент нагрузки, который может быть приложен к двигателю без потери синхронности, называется пределом устойчивости стационарного состояния синхронного двигателя. [44]
Синхронные двигатели особенно полезны в приложениях, требующих точного управления скоростью или положением: