Электродвигатели синхронные трехфазные: принцип действия, конструкция, характеристики и применение
Синхронный трехфазный электродвигатель — это электрическая машина переменного тока, частота вращения ротора которой жестко и постоянно связана с частотой тока в питающей сети. Ротор вращается синхронно с вращающимся магнитным полем статора, что и дало название данному типу машин. Основное применение синхронных двигателей (СД) — привод мощных механизмов, работающих с постоянной скоростью (насосы, компрессоры, вентиляторы, генераторы, мельницы), а также в качестве компенсаторов реактивной мощности.
Принцип действия и режимы работы
Принцип действия синхронного двигателя основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля статора, создаваемого трехфазной обмоткой при подключении к сети, и постоянного магнитного поля ротора. Поле статора, вращающееся с синхронной скоростью n1 = (60
- f) / p (где f — частота сети, p — число пар полюсов), увлекает за собой намагниченный ротор, входящий с ним в синхронизм. Для запуска СД требуется предварительная процедура разгона ротора до скорости, близкой к синхронной, после чего на обмотку ротора подается постоянный ток (возбуждение), и двигатель втягивается в синхронизм.
- Двигательный режим: Потребляет из сети активную мощность для совершения механической работы. Угол нагрузки θ (между векторами ЭДС и напряжения) положителен.
- Генераторный режим: Отдает активную мощность в сеть. Возможен при принудительном увеличении скорости вращения первичным двигателем. Угол нагрузки отрицателен.
- Режим синхронного компенсатора: Двигатель работает без механической нагрузки на валу. Регулируя ток возбуждения, можно заставить машину потреблять или генерировать реактивную мощность, улучшая коэффициент мощности (cos φ) сети.
- С явновыраженными полюсами: Применяется для двигателей с числом пар полюсов p ≥ 3 (низкоскоростные машины). Полюсы имеют выраженную форму, на них размещается обмотка возбуждения, питаемая постоянным током через контактные кольца и щетки. Часто полюсные наконечники снабжены демпферной (пусковой) обмоткой — короткозамкнутой клеткой, аналогичной ротору асинхронного двигателя, для асинхронного пуска и успокоения колебаний.
- С неявновыраженными полюсами (явнополюсный): Используется в высокоскоростных двигателях (p = 1, 2). Ротор представляет собой цельный стальной цилиндр с профрезерованными пазами, в которые уложена обмотка возбуждения. Такая конструкция обеспечивает лучшую механическую прочность.
- Система независимого возбуждения: Постоянный ток поступает от внешнего источника (тиристорного возбудителя, выпрямительной установки) через контактные кольца.
- Система самовозбуждения: Переменный ток от вспомогательной обмотки статора или отдельного генератора на валу выпрямляется полупроводниковыми элементами, расположенными на роторе (бесщеточная система). Это современный и надежный вариант, не требующий обслуживания щеточного аппарата.
- Асинхронный пуск: Наиболее распространенный метод. На роторе с явновыраженными полюсами имеется демпферная клетка. При подаче напряжения на статор двигатель запускается как асинхронный и разгоняется до подсинхронной скорости (95-97% от n1). Затем на обмотку ротора подается постоянный ток, и двигатель входит в синхронизм.
- Частотный пуск: Современный метод, требующий применения преобразователя частоты (ПЧ). Начальная частота питающего напряжения плавно повышается от нуля до номинальной, что обеспечивает плавный разгон магнитного поля статора, которое увлекает за собой ротор. Позволяет осуществлять прямой пуск с номинальным моментом, полностью исключая пусковые токи.
- Пуск с помощью вспомогательного двигателя: Ротор разгоняется другим двигателем (обычно асинхронным) до синхронной скорости, после чего СД синхронизируется с сетью. Применяется редко, для двигателей, работающих в режиме синхронных компенсаторов.
- Строго постоянная скорость вращения (бумагоделательные машины, точные станки, магнитные записывающие устройства).
- Большая мощность (от сотен кВт до десятков МВт) при средних и низких скоростях: привод поршневых компрессоров, насосов, шахтных вентиляторов, шаровых мельниц, дробилок.
- Компенсация реактивной мощности в сети без установки отдельных конденсаторных батарей (СД в режиме перевозбуждения).
- Привод генераторов постоянного тока (синхронные двигатели-генераторы).
Синхронный двигатель может работать в трех основных режимах:
Конструкция синхронного двигателя
Конструктивно трехфазный синхронный двигатель состоит из двух основных частей: неподвижного статора и вращающегося ротора.
Статор (якорь)
Статор синхронной машины аналогичен статору асинхронного двигателя. Он представляет собой полый цилиндр, набранный из изолированных листов электротехнической стали для уменьшения потерь на вихревые токи. В пазах статора уложена трехфазная распределенная обмотка, подключаемая к сети переменного тока. При включении она создает вращающееся магнитное поле.
Ротор (индуктор)
Ротор является индуктором, создающим постоянное магнитное поле. Существует два основных типа роторов, определяющих конструктивное исполнение двигателя:
Система возбуждения
Для создания магнитного поля ротора необходима система возбуждения — источник постоянного тока. Существует несколько типов систем:
Пуск синхронных двигателей
Основная сложность эксплуатации СД — невозможность самостоятельного пуска из-за инерционности ротора. Применяются три основных метода:
Угловые и рабочие характеристики. V-образные кривые
Важнейшей характеристикой СД является угловая характеристика — зависимость электромагнитного момента M от угла нагрузки θ. M = (m U E) / (Ω Xd) sin θ + (m U² / (2 Ω)) (1/Xq — 1/Xd) sin 2θ, где m — число фаз, U — фазное напряжение, E — ЭДС возбуждения, Ω — синхронная угловая скорость, Xd и Xq — синхронные индуктивные сопротивления по продольной и поперечной осям. Для неявнополюсных двигателей вторая составляющая равна нулю.
Практическую значимость имеют V-образные кривые — зависимости тока статора I1 от тока возбуждения Iв при постоянной нагрузке на валу (P = const).
| Точка на V-кривой | Режим возбуждения | Коэффициент мощности (cos φ) | Потребление реактивной мощности |
|---|---|---|---|
| Минимум тока статора | Нормальное | cos φ = 1 | Не потребляет и не генерирует |
| Правая ветвь (выше минимума) | Перевозбуждение | Опережающий (ток опережает напряжение) | Генерирует в сеть (емкостной характер) |
| Левая ветвь (выше минимума) | Недовозбуждение | Отстающий (ток отстает от напряжения) | Потребляет из сети (индуктивный характер) |
Возможность работы с опережающим cos φ — ключевое преимущество СД перед асинхронными двигателями, позволяющее использовать их для компенсации реактивной мощности непосредственно в месте установки.
Преимущества и недостатки по сравнению с асинхронными двигателями
| Критерий | Синхронный двигатель (СД) | Асинхронный двигатель (АД) |
|---|---|---|
| Скорость вращения | Постоянная, не зависит от нагрузки (синхронная). | Зависит от нагрузки (скольжение 1-3%). |
| Коэффициент мощности (cos φ) | Регулируется в широких пределах (от отстающего до опережающего). Может работать с cos φ = 1 или генерировать реактивную мощность. | Определяется конструкцией и нагрузкой. Обычно отстающий, на холостом ходу очень низкий. Регулировке не подлежит. |
| КПД | Несколько выше (особенно в среднем и большом диапазоне мощностей) за счет отсутствия потерь в роторе на перемагничивание и токи (при постоянном токе возбуждения). | Высокий, но обычно на 1-3% ниже, чем у СД аналогичной мощности. |
| Пусковой момент и ток | Сложная система пуска. Асинхронный пуск сопровождается значительным пусковым током и пониженным пусковым моментом. | Простой и надежный прямой пуск. Высокий пусковой ток (5-7 Iн). Пусковой момент регулируется конструкцией. |
| Стоимость и обслуживание | Выше стоимость из-за системы возбуждения и контактных колец (если есть). Сложнее в обслуживании. | Ниже стоимость и проще конструкция. Минимальное обслуживание. |
| Устойчивость к перегрузкам | Ограничена предельным углом θ = 90° (для неявнополюсного). При перегрузке выпадает из синхронизма. | Более устойчив к кратковременным перегрузкам. |
Области применения
Синхронные трехфазные двигатели применяются в приводах механизмов, где требуется:
Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)
1. В чем главное практическое преимущество синхронного двигателя перед асинхронным?
Главное практическое преимущество — возможность регулирования коэффициента мощности и работы с его опережающим значением. Это позволяет не только не потреблять реактивную мощность из сети, но и генерировать ее, разгружая питающие линии и трансформаторы, и улучшая качество электроэнергии. Это приводит к снижению потерь и экономии на оплате реактивной энергии.
2. Почему синхронный двигатель не запускается самостоятельно при прямом включении в сеть?
Вращающееся магнитное поле статора совершает полный оборот за время одного периода сетевого тока (0.02 с для 50 Гц). Магнитный поток полюсов ротора, будучи постоянным, создает средний за период момент, равный нулю — поле статора слишком быстро «проскакивает» мимо инерционного ротора, не успевая его увлечь. Поэтому требуется предварительный разгон до подсинхронной скорости.
3. Что происходит, если синхронный двигатель «выпадает из синхронизма»?
Выпадение из синхронизма происходит при чрезмерной нагрузке на валу (превышение максимального момента), глубоких провалах напряжения в сети или нарушении возбуждения. При этом двигатель переходит в асинхронный режим, скорость падает, возникают сильные пульсации тока и момента, приводящие к механическим ударам и перегреву демпферной обмотки и статора. Защита должна отключить двигатель от сети в аварийном порядке.
4. Каковы основные тенденции в развитии синхронных двигателей?
Основные тенденции: широкое внедрение бесщеточных систем возбуждения с полупроводниковыми выпрямителями на роторе; интеграция с частотно-регулируемыми приводами (ЧРП) для плавного пуска и точного регулирования скорости; применение высокоэффективных постоянных магнитов в роторах синхронных двигателей (СДПМ), что позволяет создавать компактные, высокооборотные и энергоэффективные машины без обмотки возбуждения и контактных колец.
5. Как правильно выбрать между синхронным и асинхронным двигателем для привода мощного насоса?
Выбор требует технико-экономического обоснования. Синхронный двигатель предпочтительнее, если: есть проблемы с уровнем реактивной мощности в сети и штрафы за низкий cos φ; требуется высочайшая стабильность скорости; привод работает в продолжительном режиме с постоянной нагрузкой близкой к номиналу. Асинхронный двигатель выбирают при: ограниченном бюджете; необходимости простоты пуска и обслуживания; работе с переменной нагрузкой или в составе ЧРП (где регулирование cos φ неактуально). Расчет должен учитывать разницу в капитальных затратах, КПД и стоимость компенсации реактивной мощности для асинхронного варианта.