Реферат на тему синхронный двигатель

Обновлено: 06.07.2024

В качестве устройства преобразования электрической энергии в механическую в промышленности и быту используется синхронный электродвигатель. В сравнении с другими типами электрических машин он получил меньшее распространение, но в отведенных сферах является незаменимым фаворитом. В чем особенность синхронных агрегатов и как их применяют на практике, мы рассмотрим в данной статье.

Устройство

Конструктивно синхронный электродвигатель состоит из неподвижного элемента, подвижной части, обмоток различного назначения, может комплектоваться коллекторным узлом. Далее рассмотрим каждую составляющую синхронного агрегата более детально на рабочем примере (рисунок 1).

Статор или якорь – выполняется из электротехнической стали монолитным или наборным из шихтованного железа. Предназначен для размещения рабочей обмотки, проводит силовые линии электромагнитного поля, формируемого протекающими токами.
Обмотка на статоре – изготавливается из медных проводников, в зависимости от типа статора синхронного электродвигателя может выполняться различными методами, способами намотки и расположения проводников. Применяется для подачи напряжения питания и формирования рабочего магнитного потока.
Ротор с обмоткой возбуждения – предназначен для взаимодействия с магнитным полем статора. В результате подачи напряжения на обмотку возбуждения в роторе электродвигателя создается собственное магнитное поле, задающее состояние вращающегося элемента.
Вал – используется для передачи вращательного усилия от электродвигателя к подключаемой к нему нагрузке. В большинстве случаев это основание, на котором крепиться шихтовка или полюса ротора, подшипники, кольца, пластины и другие вспомогательные элементы.
Контактные кольца – применяются для подачи питания на обмотки ротора, но устанавливаются не во всех моделях синхронных агрегатов. Питание производиться через специальный преобразователь переменного напряжения в постоянное.
Корпус – предназначен для защиты от воздействия внешних факторов, обеспечивает синхронному двигателю достаточную прочность и герметичность, в зависимости от условий его эксплуатации.

Принцип работы

В основе работы синхронного электродвигателя лежит взаимодействие магнитного потока, генерируемого рабочими обмотками с постоянным магнитным потоком. Наиболее распространенной моделью синхронной электрической машины является вариант с рабочей обмоткой на статоре и обмоткой возбуждения на роторе.

Рис. 2. Принцип действия синхронного электродвигателя

Как видите на рисунке 2 выше, в обмотку статора подается трехфазное напряжение из сети, которое формирует переменное магнитное поле. На обмотки ротора электродвигателя подано постоянное напряжение, которое индуцирует такой же постоянный магнитный поток у полюсов. Для наглядности рассмотрим процесс на упрощенной модели синхронного агрегата (рисунок 3).

Рис. 3. Принцип формирования потоков в синхронной электрической машине

При подаче питания на фазные витки статора электродвигателя первый пик амплитуды тока и ЭДС взаимоиндукции приходиться на фазу A, затем B и фазу C.

На графике показана периодичность чередования кривых в зависимости от времени:

в точке 1 максимальная ЭДС E_A формирует максимальный поток, а электродвижущие силы фаз E_B и E_C равны между собой и противоположны по знаку, они дополняют результирующую силу.
в точке 2 пика достигает ЭДС E_B, а электродвижущие силы фаз E_A и E_C становятся равны между собой и противоположны по знаку, они дополняют результирующую силу, в результате чего магнитное поле совершает вращательное движение.
в точке 3 максимум приходиться на ЭДС E_C, а электродвижущие силы фаз E_B и E_A вместе дополняют результирующую силу и снова смещают вектор поля по часовой стрелке.

Оборот поля статора происходит в течении периода, а за счет того, что ротор обладает собственным электромагнитным усилием постоянным во времени, то он синхронно следует за движением переменного магнитного поля, вращаясь вокруг заданной оси. В результате такого вращения происходит синхронное движение ротора вслед за сменой амплитуды ЭДС в витках рабочих обмоток, за счет этого явления электродвигатель и получил название синхронного. Наличие отдельного питания отразилось и на схематическом обозначении таких электрических машин (рисунок 4) в соответствии с ГОСТ 2.722-68.

Рис. 4. Схематическое обозначение синхронного электродвигателя

Отличие от асинхронного двигателя

Основным отличием синхронного электродвигателя от асинхронного заключается в принципе преобразования электрической энергии в механическое вращение. У синхронного электродвигателя процесс вращения ротора идентичен вращению рабочего электромагнитного поля, вырабатываемого трехфазной сетью. А вот у асинхронного рабочее поле самостоятельно наводит ЭДС в роторе, которая уже затем вырабатывает собственный поток взаимоиндукции и приводит вал во вращение. В результате чего асинхронные электрические машины получают разность во вращении рабочего поля и нагрузки на валу, что выражается физической величиной – скольжением.

В работе классические модели асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором:

плохо переносят перегрузки;
имеют сложности пуска со значительным усилием;
меняют скорость вращения, в зависимости от нагруженности рабочего органа.

В некоторой степени эти недостатки преодолевает асинхронный двигатель с фазным ротором, но в полной мере избавиться от недостатков получается лишь синхронному агрегату.

Рис. 5. Отличие асинхронного от синхронного электродвигателя

Разновидности

В современной промышленности и бытовых приборах синхронные электродвигатели используются для решения самых разнообразных задач. Как результат, существенно разнятся и их конструктивные особенности. На практике выделяют несколько критериев, по которым разделяются виды синхронных агрегатов. В соответствии с ГОСТ 16264.2-85 могут подразделяться по таким техническим характеристикам:

питающему напряжению;
частоте рабочего напряжения;
количеству оборотов.

В зависимости от способа получения поля ротора выделяют такие типы синхронных электродвигателей:

С обмоткой возбуждения на роторе – синхронизирующее усилие создается за счет подачи питания от преобразователя.
С магнитным ротором – на валу устанавливается постоянный магнит, выполняющий те же функции, что и обмотка возбуждении, но без необходимости подпитки (см. рисунок 6).

С реактивным ротором — конструкция выполнена таким образом, что в его сердечнике происходит преломление магнитных линий, приводящее всю конструкцию в движение (см. рисунок 7). Под воздействием силового поля поперечные и продольные составляющие в роторе не равны за счет чего пластины поворачиваются вслед за полем.

Рис. 7. Пример реактивного ротора

В зависимости от наличия полюсов все синхронные электродвигатели можно подразделить на:

явнополюсные – в конструкции четко видны обособленные полюса с обмотками, применяются для малых скоростей;
неявнополюсные – полюс не выделяется, такие модели устанавливают для высоких скоростей;

В зависимости от расположения рабочих обмоток различают прямые (на статоре) и обращенные (рабочие обмотки на роторе).

Режимы работы

Большинство электрических машин обладают обратимой функцией, не составляют исключения и синхронные агрегаты. Их также можно использовать в качестве электрического привода или в качестве генератора, вырабатывающего электроэнергию. Оба режима отличаются способом воздействия на электрическую машину – подачу напряжения на рабочие обмотки или приведение в движение ротора за счет механического усилия.

Генераторный режим

Для производства электроэнергии в сеть используются именно синхронные генераторы. В большинстве случаев для этой цели используются электрические машины с фазными обмотками на статоре, что существенно упрощает процесс съема мощности и дальнейшей передачи ее в сеть. Физически генерация происходит при воздействии электромагнитного поля обмотки возбуждения синхронного генератора с обмотками статора. Силовые линии поочередно пересекают фазные витки и наводят в них ЭДС взаимоиндукции, в результате чего на клеммных выводах возникает напряжение.

Частота получаемого напряжения напрямую зависит от скорости вращения вала и вычисляется по формуле:

f = (n*p)/60 ,

где n – скорость вращения вала, измеряемая в оборотах за минуту, p – количество пар полюсов.

Синхронный компенсатор

В виду физических особенностей синхронного электродвигателя при холостом ходе аппарата он потребляет из сети реактивную мощность, что позволяет существенно улучшить cosφ системы, практически приближая его к 1.На практике режим синхронного компенсатора используется как для улучшения коэффициента мощности, так и для стабилизации параметров напряжения сети.

Двигательный режим

В синхронной машине двигательный режим осуществляется при подаче рабочего трехфазного напряжения на обмотки якоря. После чего электромагнитное поле якоря начинает толкать магнитное поле ротора, и вал приходит во вращение. Однако на практике двигательный режим осуществляется не так просто, так как мощные агрегаты не могут самостоятельно набрать необходимый ресурс скорости. Поэтому во время запуска используют специальные методы и схемы подключения.

Способы пуска и схемы подключения

Для запуска синхронного электродвигателя требуется дополнительное поле, независимое от воздействия сети. В то же время, на стартовом этапе запуск представляет собой асинхронный процесс, пока агрегат не достигнет синхронной скорости.

Рис. 8. Схема пуска синхронного двигателя

При подаче напряжения на якорь возникает ток в его обмотках и генерация ЭДС в железе ротора, который обеспечивает асинхронное движение до того момента, пока не начнется питание обмоток возбуждения.

Еще одним распространенным вариантом пуска является использование дополнительных генераторов, которые могут располагаться на валу или устанавливаться отдельно. Такой метод обеспечивает дополнительное стартовое усилие за счет стороннего крутящего момента.

Рис. 9. Генераторный способ пуска синхронного двигателя

Как видите на рисунке 9, начальное вращение мотора М осуществляется за счет генератора G, который призван вывести устройство на подсинхронную скорость. Затем генератор выводится из рабочей цепи путем размыкания контактов КМ или автоматически при установке рабочих характеристик. Дальнейшее поддержание синхронного режима происходит за счет подачи постоянного напряжения в обмотку возбуждения.

Помимо этого на практике используется схема пуска с полупроводниковыми преобразователями. На рисунке 10 приведен способ тиристорного преобразователя и с установкой вращающихся выпрямителей.

Рис. 10. Тиристорная схема пуска синхронного двигателя

В первом случае запуск синхронного электродвигателя характеризуется нулевым напряжением от преобразователя UD. За счет ЭДС скольжения через стабилитроны VD осуществляется открытие тиристоров VS. В цепь обмотки возбуждения вводится резистор R, предназначенный для предотвращения пробоя изоляции. По мере разгона электродвигателя ЭДС скольжения пропорционально снизится и произойдет запирание стабилитронов VD, цепочка заблокируется, и обмотка возбуждения получит питание постоянным напряжением через UD.

Применение

Область применения синхронных электрических машин охватывает производство электрической энергии на электростанциях. По видам генераторы подразделяются на турбинные, дизельные и гидравлические, в зависимости от способа приведения их во вращение.

Также их используют в качестве электродвигателей, которые могут переносить существенные перегрузки в процессе эксплуатации. Такие двигатели устанавливаются на вентиляторах, компрессорах, силовых агрегатах и прочем оборудовании. Отдельная категория электродвигателей применяется в точном оборудовании, где важна синхронизация операций и процессов.

Преимущества и недостатки

К преимуществам такого электродвигателя следует отнести:

высокий cosφ, приближающийся по величине к 1, что в значительной мере превосходит асинхронные электродвигатели;
более высокая механическая прочность за счет особенностей конструкции электродвигателя;
зависимость момента вращения от напряжения линейная, а не квадратичная, поэтому колебания электродвигателя пропорционально снижаются;
на валу электродвигателя присутствует постоянная скорость, не зависящая от прикладываемой нагрузки;
может применяться для уменьшения реактивной составляющей в сети.

Среди недостатков синхронных электродвигателей выделяют:

Синхронные машины – это машина переменного тока, у которой ротор вращается со скоростью, равной скорости вращения магнитного поля статора.
Синхронные машины, как и другие типы электрических машин, обладают свойством обратимости, т.е. они могут работать как в режиме генератора так и в режиме двигателя.

Работа содержит 1 файл

Реферат.docx

Устройство и принцип действия синхронного эл.двигателя.

Синхронные машины – это машина переменного тока, у которой ротор вращается со скоростью, равной скорости вращения магнитного поля статора.

Синхронные машины, как и другие типы электрических машин, обладают свойством обратимости, т.е. они могут работать как в режиме генератора так и в режиме двигателя.

Конструкция синхронного двигателя мало отличается от конструкции синхронного генератора. На статоре синхронного двигателя расположена трёхфазная обмотка, питаемая трёхфазным током. Ротор синхронного двигателя, обычно явнополюсной, имеет обмотку возбуждения, которая получает постоянный ток от специального генератора постоянного тока возбудителя.

Если обмотку статора включить в сеть трехфазного тока, то внутри статора возникает вращающееся магнитное поле. При подаче постоянного тока в обмотку возбуждения, ротор будет оставаться неподвижным, т.к. силы взаимодействия между полюсами вращающегося поля и полюсами ротора будут направлены поочередно то в одну, то в другую сторону. Поэтому ротор, обладающий определенной массой и инерцией, не может тронуться с места и развить необходимую скорость.

Отсутствие начального пускового момента является большим недостатком синхронных двигателей.

При подаче напряжения трехфазной сети к обмотке статора 4 возникает вращающееся магнитное поле, которое, пересекая короткозамкнутую (пусковую) обмотку 5, заложенную в полюсных наконечниках ротора, индуктирует в ней токи. Эти токи, взаимодействуя с вращающимся полем статора, приведут ротор во вращение. При достижении ротором наибольшей скорости рубильник 2 переключают так, чтобы обмотку ротора включить в сеть постоянного напряжения.

Недостатком асинхронного пуска является большой пусковой ток (в 5 – 7 раз больше номинального тока). Для уменьшения пускового тока применяют пуск при пониженном напряжении с помощью автотрансформатора.

Рис.1 Схема асинхронного пуска синхронного двигателя.

Рис.2 Принцип действия реактивного синхронного двигателя.

Схема подключения реверсивного магнитного пускателя.

В том случае, когда необходимо использовать два направления вращения электродвигателя, применяют реверсивный магнитный пускатель, принципиальная схема которого изображена на рис. 2, а.

Рис. 2,а. Схемы включения реверсивного магнитного пускателя

Принцип действия схем включения реверсивного магнитного пускателя.

Для изменения направления вращения асинхронного электродвигателя необходимо изменить порядок чередования фаз статорной обмотки.

В реверсивном магнитном пускателе используют два контактора: КМ1 и КМ2. Из схемы видно, что при случайном одновременном включении обоих контакторов в цепи главного тока произойдет короткое замыкание. Для исключения этого схема снабжена блокировкой.

Электрическая схема цепи управления реверсивного пускателя с блокировкой на вспомогательных размыкающих контактах изображена на рис. 2, б.

Схема реверсивного пускателя.

Трансформатор тока и трансформатор напряжения.

Измерительные трансформаторы. Они служат для расширения пределов измерения приборов в цепях переменного тока, а также для электрического разделения измерительных цепей от цепей высокого напряжения. Различают трансформаторы тока и напряжения.

Трансформаторы напряжения. Это обычные трансформаторы небольшой мощности, в которых на первичную обмотку подают измеряемое напряжение, а во вторичную - - включают вольтметр и катушки напряжения ваттметров, счетчиков и др. Сопротивление этих приборов высокое, поэтому трансформаторы напряжения работают в режиме, близком к холостому ходу.

Рис.3 Схемы включения измерительных трансформаторов

Номинальное напряжение первичной обмотки соответствует одному из напряжений стандартного ряда (6, 10 кВ и т.д.); номинальное вторичное напряжение — 100 В.

Трансформаторы тока. Первичная обмотка этих трансформаторов, состоящая из одного или нескольких витков, включается в цепь измеряемого тока, а во вторичную обмотку включают соединенные последовательно амперметр и токовые катушки ваттметра, счетчика и другие, имеющие весьма малое сопротивление. Поэтому трансформатор тока работает в режиме, близком к режиму к.з.Запрещается размыкать вторичную обмотку работающего трансформатора тока, а также устанавливать в ней предохранители! При разрыве ее цепи магнитная индукция в магнитопроводе резко возрастает, что приводит к чрезмерному нагреву его, а также к значительному повышению напряжения на вторичной обмотке, представляющему опасность для обслуживающего персонала и изоляции.

Трансформаторы тока выпускаются на номинальные первичные токи от 5 до 15000 А. Номинальный вторичный ток 5 А.Один из выводов вторичной обмотки, а также магнитопровод и кожух трансформаторов тока и напряжения заземляются для безопасности обслуживающего персонала на случай пробоя изоляции первичной обмотки.

Сопротивление изоляции (Rиз)- это параллельное подключение внутреннего сопротивления, зависящего от материала изоляции, и поверхностного сопротивления, зависящего от чистоты поверхности. Наличие внутренних и внешних дефектов (повреждения электрические, механические и термические, химическая агрессия, увлажнение, поверхностное загрязнение) снижает сопротивление. Измерения выполняются постоянным током для того, чтобы минимизировать влияние емкости на результат измерения. Сопротивление изоляции (Rиз ) определяется по формуле: Rиз = Uпр/Iут .

Где Iут — ток утечки, проходящий через изоляцию, при приложении к ней выпрямленного напряжения Uпр. Определяемое сопротивление изоляции зависит от времени с момента приложения напряжения. Важным показателем состояния изоляции является коэффициент абсорбции (Кабс), который определяет увлажнение изоляции.

Коэффициент абсорбции — это отношение Rиз, измеренного мегомметром через 60 секунд с момента приложения напряжения, к Rиз, измеренного через 15 секунд после начала приложения испытательного напряжения от мегомметра: Кабс = R60/R15

Если изоляция сухая, то коэффициент абсорбции значительно превышает единицу, в то время как у влажной изоляции коэффициент абсорбции близок к единице. Основным показателем состояния изоляции является коэффициент поляризации (Кпол), который определяет степень старения изоляции. Коэффициент поляризации — это отношение Rиз, измеренного мегомметром через некоторый отрезок времени, к Rиз, измеренного через 60 секунд после начала приложения испытательного напряжения от мегомметра. Кпол = R61…600/R60

Защитное заземление – преднамеренное электрическое соединение с землей или ее эквивалентом металлических нетоковедущих частей, которые могут оказаться под напряжением вследствие замыкания на корпус и по другим причинам (индуктивное влияние соседних токоведущих частей, вынос потенциала, разряд молнии и т. п.).

Назначение защитного заземления — устранение опасности поражения током в случае прикосновения к корпусу электроустановки и другим нетоковедущим металлическим частям, оказавшимся под напряжением вследствие замыкания на корпус и по другим причинам. Защитное заземление применяют в трехфазных сетях с изолированной нейтралью.

Зануление - это преднамеренное электрическое соединение открытых проводящих частей электроустановок с глухозаземленной нейтральной точкой генератора или трансформатора в сетях трехфазного тока, с глухозаземленным выводом источника однофазного тока, с заземленной точкой источника в сетях постоянного тока, выполняемое в целях электробезопасности. Зануление применяют в трехфазных четырехпроводных сетях с глухозаземленной нейтралью.

Все новые электродвигателя, а также электродвигатели, у которых сопротивление изоляции не удовлетворяет требованиям, перед пуском должны быть подвергнуты сушке. Это необходимо производить в том случае, если сопротивление изоляции обмоток по отношению к корпусу, а также и между изолированными друг от друга обмотками окажется удовлетворительным, так как измерением сопротивления корпусной изоляции нельзя определить сопротивление изоляции. Может оказаться, что обмотки, имеющие большое сопротивление изоляции по отношению к корпусу и друг к другу, между отдельными элементами внутри (между витками) будут сырыми. Включение этих двигателей без предварительной просушки в ряде случаев ведет к аварии. Электродвигатели, обмотки которых имеют сопротивление изоляции ниже 0,1 Мом, не рекомендуется сушить током ввиду возможности пробоя изоляции на корпус. По усмотрению заказчика новые двигатели после просушки изоляции обмотки статора могут быть подвергнуты поверочному испытанию на электрическую прочность изоляции от корпуса напряжением 0,75 (2U_HOM+1000) в течение одной минуты (обычно такое испытание проводится, если возникают сомнения, что при перевозке двигателя или хранении двигателя произошло повреждение обмотки статора).

1.Подготовка электродвигателя к сушке.

До начала сушки машинное помещение должно быть очищено от мусора, пыли и грязи. Электродвигатель следует тщательно осмотреть, вычистить и продуть сухим, незагрязненным сжатым воздухом (давлением не более 2 кгс/см). Загрязненные доступные поверхности электродвигателя очистить.

2. Заземление электродвигателя.

При сушке током корпус электродвигателя должен быть надёжно заземлен.

3. Вентиляция во время сушки.

Вентиляция ускоряет процесс сушки, поэтому электродвигатель во время сушки должен по возможности вращаться. При этом следует иметь в виду, что при сильной вентиляции электродвигатель не может нагреваться до необходимой температуры. В целях ускорения сушки рекомендуется понижать число оборотов электродвигателя, а у электродвигателя с принудительной вентиляцией регулировать количество охлаждающего воздуха.

4. Измерение температуры.

Во время сушки в нескольких местах на обмотке и железе, а также в струе выходящего горячего воздуха должны быть поставлены термометры. Шарики термометров, которые устанавливаются на обмотке и железе, нужно обернуть

станиолю, а сверху покрыть ватой или войлоком. Необходимо следить за тем, чтобы вата не попадала между шариками термометра и местом замера. Термометры должны быть надёжно укреплены, положение их во время сушки не должно меняться.

5.Максимальная допустимая температура.

Во время сушки железа или обмотки температура не должна превышать 80 °С по термометру и 100 °С при измерении по методу сопротивления. Метод сопротивления состоит в определении температуры обмоток электродвигателя по увеличению их омического сопротивления и даёт среднее значение температуры меди обмоток. При измерении температуры по методу сопротивления превышение температуры медных обмоток в °С над температурой охлаждающей среды вычисляется по следующей формуле:

Т = (235+Тхол)+Тхол - Тср

где R_гop- сопротивление нагретой обмотки;

Rхол.- сопротивление холодной обмотки;

Т_хол- температура холодной обмотки;

Т_ср- температура окружающей среды;

Т- превышение температуры над окружающей.

Температура нагрева обмоток получается как сумма температур Т и Т_ср_ Сопротивление можно определить методом амперметра и вольтметра, питая обмотки постоянным током низкого напряжения, или соответствующим измерительным мостиком, или омметром.

Читайте также: