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 I_в увеличивается магнитный поток Ф₀, увеличивается ЭДС E₀ и увеличивается максимальный момент M_макс.

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

Пуск синхронного двигателя

Синхронный двигатель не развивает пускового момента и нуждается в искусственном пуске.

При подключении двигателя к источнику питания вращающееся магнитное поле практически мгновенно начинает вращаться с необходимой скоростью. Ротор в силу механической инерции не может сразу набрать нужную скорость, ему необходимо время для разгона. За время разгона поле повернется относительно ротора на угол 180° и момент изменится на противоположный. В результате на ротор будет действовать знакопеременное электромагнитное поле и ротор не получит ускорение.

Применяется асинхронный пуск синхронных электродвигателей. Синхронный двигатель пускается как асинхронный. Для этих целей на роторе располагается дополнительная короткозамкнутая обмотка. В теле ротора выполняются отверстия, в них вставляются медные или алюминиевые стержни, которые между собой с торцов замыкаются кольцами.

При асинхронном движении в короткозамкнутой обмотке ротора наводится ЭДС индукции и протекает индукционный ток, который создает электромагнитный момент. При синхронном движении ЭДС индукции в короткозамкнутой обмотке не наводится и она не оказывает влияния на работу двигателя.

Поскольку синхронный двигатель пускается как асинхронный, все проблемы пуска асинхронного двигателя относятся и к синхронному двигателю.

Применяется две схемы пуска:

1.Обмотка возбуждения замыкается на активное сопротивление самой обмотки. Это делается, чтобы избежать больших перенапряжений ротора во время пуска. После разгона двигателя до скорости близкой к синхронной добавочное сопротивление в цепи ротора отключается и обмотка ротора подключается к источнику питания постоянного тока. Применяется для мощных двигателей.

2.В процессе пуска обмотка возбуждения постоянно подключена к источнику питания постоянного тока и после разгона до скорости близкой к синхронной двигатель самостоятельно втягивается в синхронизм. Эта схема проще, однако есть недостаток – в асинхронном режиме в обмотке возбуждения вращающееся магнитное поле наведет ЭДС индукции и в ней возникает индукционный ток, который отрицательно влияет на режим пуска, создавая дополнительный тормозной момент. Кроме этого переменный ток в обмотке возбуждения нарушает нормальную работу источника питания постоянного тока. Применяется для двигателей сравнительно небольшой мощности.