Асинхронные и синхронные двигатели

Асинхронные и синхронные двигатели

Содержание

1. Асинхронные и синхронные двигатели
2. Асинхронные и синхронные двигатели: устройство
3. В чем ключевое отличие синхронного двигателя от асинхронного

Чтобы производственные механизмы работали с максимальной эффективностью, необходимо правильно подобрать электрический двигатель, который будет применяться в качестве привода. В этой статье мы рассмотрим, чем отличаются асинхронные и синхронные двигатели с точки зрения конструктивных особенностей, функциональности и экономичности.

Асинхронные и синхронные двигатели: устройство

Электрические двигатели представляют собой агрегаты для преобразования электроэнергии в энергию механическую. Основу конструкции двигателя (как синхронного, так и асинхронного типа) составляют следующие элементы:

• неподвижный (статор);
• вращающийся (ротор).

Статоры электродвигателей обеих категорий имеют схожий принцип устройства. В специальные пазы (осевые прорези) уложены токонесущие проводки из меди или алюминия. Функцией статора является создание вращающегося магнитного поля. Ротор (с обмоткой возбуждения) закреплен на валу двигателя и вращается под воздействием возникающей электродвижущей силы.

В чем ключевое отличие синхронного двигателя от асинхронного

Главное отличие синхронного от асинхронного двигателя заключается в устройстве ротора.

Роторы синхронных двигателей представляют собой постоянные или электрические магниты. Постоянное магнитное поле, создаваемое ими, взаимодействует с вращающимся магнитным полем статора.

В случае с асинхронным двигателем (который также называют индукционным) в пазы ротора вставляются короткозамкнутые металлические пластины. Кроме короткозамкнутой разновидности, применяются также фазные роторы, снабженные контактными кольцами, которые после разбега замыкаются накоротко.

В результате соотношение частоты оборотов двигателя, находящегося под нагрузкой, с частотой вращения, которая присуща магнитному полю статора, для разных типов двигателя следующее:

• равное для агрегатов синхронного типа;
• неравное для асинхронных двигателей (наблюдается постоянное отставание от скорости вращения магнитного поля статора, равное величине скольжения).

На основе понимания того, чем отличается асинхронный двигатель от синхронного, можно сформулировать главные преимущества и недостатки этих двигателей.

Сравнение разных типов двигателей

Двигатели синхронной разновидности сложнее в использовании, поскольку они:

• в отличие от асинхронных моделей нуждаются в дополнительном источнике постоянного тока;
• подвержены более быстрому износу деталей (по причине использования контактных колец со щетками);
• требуют применения вспомогательных механизмов для запуска (индукционный двигатель имеет собственный пусковой момент).

Для асинхронных моделей характерны:

• простота конструкции;
• надежность в эксплуатации.

При этом синхронные двигатели обладают более широкими возможностями с точки зрения коэффициента мощности, а также менее чувствительны к перепадам напряжения, но стоимость таких агрегатов выше, что делает их использование менее выгодным.

Синхронные и асинхронные двигатели, их отличия и разница в применении

Электродвигатели — машины, превращающие энергию электричества в механическую. Преобразованная энергия приводит во вращательное движение ротор двигателя, передающий вращение через трансмиссию непосредственно на вал исполнительного механизма. Основными типами электродвигателей являются синхронный и асинхронный двигатели. Различия между ними определяют возможности использования в различных устройствах и технологических процессах.

• Принципы работы
  • Особенности синхронных двигателей
  • Отличительные черты асинхронных двигателей
• Отличие в характеристиках электродвигателей

Принципы работы

Все электродвигатели имеют неподвижный статор и вращающийся ротор. Разница между асинхронным и синхронным двигателями состоит в принципах создания полюсов. В асинхронном электродвигателе они создаются явлением индукции. Во всех других электродвигателях используются постоянные магниты или катушки с током, создающие магнитное поле.

Особенности синхронных двигателей

Ведущие агрегаты синхронной машины — якорь и индуктор. Якорем является статор, а индуктор располагается на роторе. Под действием переменного тока в якоре образуется вращающееся магнитное поле. Оно сцепляется с магнитным полем индуктора, образованным полюсами постоянных магнитов или катушек с постоянным током. В результате этого взаимодействия энергия электричества преобразуется в кинетическую энергию вращения.

Ротор синхронной машины имеет частоту вращения такую же, как у поля статора. Достоинства синхронных электродвигателей:

• Конструктивно используется и как двигатель, и как генератор.
• Частота вращения, не зависящая от нагрузки.
• Большой коэффициент полезного действия.
• Малая трудоёмкость в ремонте и обслуживании.
• Высокая степень надёжности.

Синхронные машины широко используются как электродвигатели большой мощности для небольшой скорости вращения и постоянной нагрузки. Генераторы применяются там, где требуется автономный источник питания.

Имеются у синхронной машины и недостатки:

• Требуется источник постоянного тока для питания индуктора.
• Отсутствует начальный пусковой момент, для запуска требуется применение внешнего момента или асинхронного пуска.
• Щётки и коллекторы быстро выходят из строя.

Современные синхронные агрегаты содержат в индукторе дополнительно к обмотке, питаемой постоянным током, ещё и пусковую короткозамкнутую обмотку, которая предназначена для пуска в асинхронном режиме.

Отличительные черты асинхронных двигателей

Вращающееся магнитное поле статора асинхронного двигателя наводит индукционные токи в роторе, которые образуют собственное магнитное поле. Взаимодействие полей приводит ротор во вращение. Частота вращения ротора при этом отстаёт от частоты вращения магнитного поля. Именно это свойство отражено в названии двигателя.

Асинхронные электродвигатели бывают двух типов: с короткозамкнутым и с фазным ротором.

Бытовые приборы, такие как вентилятор или пылесос, обычно снабжены двигателями с короткозамкнутым ротором, который представляет собой «беличье колесо». Все стержни замыкаются приваренными с обеих сторон дисками. Взаимодействие магнитного поля статора с наведёнными токами в роторе образовывает электромагнитную силу, которая действует на ротор в направлении вращения поля статора. Крутящий момент на валу электродвигателя создаётся всеми электромагнитными силами от каждого проводника.

В электродвигателе с фазным ротором применяется тот же статор, что и для мотора с короткозамкнутым ротором. А в ротор добавляются обмотки трёх фаз, соединённые в «звезду». К ним можно при пуске двигателя подключать реостаты, регулирующие пусковые токи. С помощью реостатов можно регулировать и частоту вращения двигателя.

Достоинствами асинхронных двигателей можно назвать:

• Питание непосредственно от сетей переменного тока.
• Простоту устройства и сравнительно невысокую стоимость.
• Возможность использования в бытовых приборах с применением однофазного подключения.
• Низкое потребление энергии и экономичность.

Серьёзные недостатки — сложная регулировка частоты вращения и большие теплопотери. Для предотвращения перегрева корпус агрегата делается ребристым, и на вал электродвигателя устанавливается крыльчатка для охлаждения.

Отличие в характеристиках электродвигателей

Конструктивные особенности и рабочие характеристики электродвигателей имеют решающее значение при выборе агрегатов. От этого зависит проектирование трансмиссий и всех силовых узлов механизмов. При выборе двигателя нужно опираться на общность и главные отличия в свойствах машин:

• Главное отличие синхронного от асинхронного двигателя заключается в конструкции ротора. Он представляет собой постоянный или электрический магнит. У асинхронника магнитные поля в роторе наводятся с помощью электромагнитной индукции.
• У синхронных двигателей частота вращения вала постоянна, у асинхронников она может изменяться при изменении нагрузки.
• У синхронников отсутствует пусковой момент. Для входа в синхронизацию требуется применять асинхронный пуск.

Синхронный и асинхронный электродвигатели находят каждый своё применение. Синхронные двигатели рекомендуется использовать везде при высоких мощностях, где присутствует непрерывный производственный процесс и не нужно часто перезапускать агрегаты или регулировать частоту вращения. Они используются в конвейерах, прокатных станах, компрессорах, камнедробилках и т. д. Современный синхронный электродвигатель имеет такой же быстрый запуск, как и асинхронный, но он меньше и экономичнее, чем асинхронный, равный по мощности.

Асинхронные электродвигатели с фазным ротором применяются там, где нужен большой пусковой момент и частые остановки агрегатов. Например, в лифтах и башенных кранах. Асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором получили широкое применение из-за простоты устройства и удобства в эксплуатации.

Используя достоинства разных агрегатов и то, чем отличается синхронный двигатель от асинхронного, можно делать обоснованный выбор того или иного мотора при проектировании машин, станков и другого оборудования.

Синхронные электродвигатели

Заводы производители синхронных электродвигателей: Элсиб, WEG, VEM, Силовые машины — завод Реостат , ELSIB, Русэлпром

Серии двигателей: ДС, ДСЗ, СД2, СДН, СДНЗ, СДС, СДМ, СДВ, СДП, СДР, IE4, P21R, Wmagnet

Применение

Синхронный электродвигатель (СД) – это устройство, работающее в сети переменного тока. У синхронной машины частота вращения ротора соответствует частоте вращения магнитного поля. При выборе электродвигателя необходимо проконсультироваться с заводом производителем.

СД используются, где пуск и остановка происходят достаточно редко (конвейеры и т.д.), то есть двигатели работают круглосуточно достаточно долгое время. Работа в таких условиях объясняется тем, что синхронные двигатели работают с cos φ приближенном к 1, и могут выдавать реактивную мощность в сеть, в результате чего улучшается коэффициент мощности сети и снижается её потребление, что важно для предприятий.

Синхронные электродвигатели нашли широкое применение в металлургической и металлообрабатывающей промышленности, на объектах нефтедобычи, на насосных станциях городских водоканалов, в целлюлозно­бумажной промышленности и других отраслях.

Применение синхронных двигателей для привода:

• мощных вентиляторов
• мельниц
• конвейеров
• эксгаустеров
• компрессоров
• дробилок

Цена на синхронные электродвигатели зависит от типа двигателя, а также от:

• Параметров мощности
• Габарита двигателя(высоты оси вращения)
• Конструктивных особенностей

Преимущества синхронных электродвигателей:

• возможность регулирования реактивного тока
• скорость вращения стабильна при перегрузках и просадках, в пределах перегрузочной способности
• устойчивость к колебаниям сетевого напряжения, а также хорошая нагрузочная способность

Устройство синхронного двигателя

Принцип действия СД основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля статора, которое обычно создаётся трёхфазным переменным током и постоянного магнитного поля ротора.

Синхронный электродвигатель состоит из двух основных частей:

• Статора (якорь) – в этой части двигателя расположены обмотки
• Ротора (индуктор) – в этой части СД устанавливают обмотку возбуждения или постоянные магниты.

Чем отличается синхронный электродвигатель от асинхронного? Главное отличие в роторе двигателя — синхронный двигатель имеет в наличии обмотки на якоре, а асинхронный не имеет.

Типы синхронных электродвигателей

Чем асинхронные электродвигатели отличаются от синхронных

Что представляет собой синхронный двигатель?

К синхронным принято относить электродвигатели, которые функционируют на переменном токе и имеют ротор с частотой вращения, совпадающей с частотой оборотов магнитного поля в конструкции агрегата.

Ключевые элементы синхронного электродвигателя:

1. якорь;
2. индуктор.

Первый элемент агрегата располагается на статоре. Индуктор размещается на роторе, который отделен от статора воздушной прослойкой. Структура якоря представлена обмоткой (одной или несколькими). Токи, которые подаются в соответствующий элемент двигателя, формируют магнитное поле, вращающееся с заданной частотой и взаимодействующее с полем индуктора. Индуктор включает 2 полюса — в виде постоянных магнитов.

Синхронный агрегат может функционировать в двух режимах:

• как собственно электродвигатель;
• как генератор.

Первый режим работы предполагает взаимодействие магнитного поля, формирующегося на якоре, и поля, которое образуется на полюсах индуктора. Синхронный двигатель в режиме генератора функционирует за счет электромагнитной индукции: в процессе вращения ротора магнитное поле, которое формируется на обмотке, по очереди взаимодействует с фазами обмотки на статоре, вследствие чего образуется электродвижущая сила.

Применение синхронных двигателей:

• Эти двигатели используются как первичные двигатели (приводы) для центробежных насосов, поршневых компрессоров с ременным приводом, воздуходувок, бумажных фабрик, резиновых фабрик и т.д. Из-за их высокой эффективности и высоких скоростей (об / мин выше 600).
• Низкоскоростные синхронные двигатели (об / мин ниже 600) широко используются для привода многих поршневых насосов. Таких как винтовые и шестеренные насосы, вакуумные насосы, дробилки, машины для прокатки алюминиевой фольги.
• Эти моторы также широко используются на борту судов. Навигационное оборудование корабля, такое как гирокомпас, использует специальный тип синхронного двигателя. Они также используются в качестве первичных двигателей для Viscometer. Это устройства для измерения / регулирования вязкости мазута главного двигателя.
• Большинство фабрик и производств используют бесконечное количество индуктивных нагрузок. Они могут варьироваться от ламповых ламп до мощных асинхронных двигателей. Таким образом, эти индуктивные нагрузки имеют значительный коэффициент мощности отставания. Синхронный двигатель с избыточным возбуждением (синхронный конденсатор), имеющий ведущий коэффициент мощности, используется для улучшения коэффициента мощности этих систем питания.
• Эти двигатели также используются для регулирования напряжения, когда происходит сильное падение / повышение напряжения. Так же когда тяжелая индуктивная нагрузка включается / выключается в конце длинных линий электропередачи.
• Синхронные двигатели могут работать на сверхнизких скоростях с помощью мощных электронных преобразователей, которые генерируют очень низкие частоты. Примерами этих двигателей являются диапазоны мощностью 10 МВт, используемые для привода дробилок, вращающихся печей и шаровых мельниц с регулируемой скоростью.

Что представляет собой асинхронный электродвигатель?

К асинхронным принято относить электродвигатели, в которых частота вращения одного из ключевых элементов — ротора — не совпадает с частотой оборотов магнитного поля, формирующегося током, который возникает на обмотке статора. Асинхронные агрегаты иногда именуются индукционными. Это обусловлено тем, что в обмотке ротора осуществляется индуцирование тока при воздействии магнитного поля статора.

В конструкции асинхронного электродвигателя присутствуют статор и ротор, которые разделены воздушной прослойкой. Основные активные элементы агрегата:

• обмотка;
• магнитопровод.

Важную роль в функционировании асинхронного двигателя играют дополнительные конструктивные элементы, которые обеспечивают прочность, охлаждение и устойчивость работы агрегата.

Объяснение принципа работы синхронного электродвигателя для «чайников»

С детства мы помним, что два магнита, если их приблизить друг к другу, в одном случае притягиваются, а в другом отталкиваются. Происходит это, в зависимости от того, что какими сторонами магнитов мы их соединяем, разноимённые полюса притягиваются, а одноимённые отталкиваются. Это – постоянные магниты, у которых магнитное поле присутствует постоянно. Существуют и переменные магниты.

В школьном учебнике по физике есть рисунок, где изображён электромагнит в виде подковы и рамка с полукольцами на концах, которая расположена между его полюсами.

При расположении рамки в горизонтальном положении в пространстве между полюсами магнитов, из-за того, что магнит притягивает разноимённые полюса и отталкивает одноимённые, на рамку подаётся ток, одинакового знака. Вокруг рамки появляется электромагнитное поле (вот пример переменного магнита!), полюса магнитов притягивают рамку, и она поворачивается в вертикальное положение. При достижении вертикали, на рамку подаётся ток противоположного знака, электромагнитное поле рамки меняет полюсность, и полюса постоянного магнита начинают отталкивать рамку, вращая её до горизонтального положения, после чего цикл вращения повторяется.

В этом заключается принцип работы электродвигателя. Причём, примитивного синхронного электродвигателя!

Итак, примитивный синхронный электродвигатель работает, когда на рамку подаётся ток. У настоящего синхронного электродвигателя, роль рамки выполняет ротор с катушками проводов, называемых обмотками, на которые подаётся ток (они служат источниками электромагнитного поля). А роль подковообразного магнита выполняет статор, изготовленный либо из набора постоянных магнитов, либо тоже из катушек проводов (обмоток), которые, при подаче тока являются также источниками электромагнитного поля.

Ротор синхронного электродвигателя будет вращаться с такой же частотой, с какой меняется ток, подаваемый на клеммы обмотки, т.е. синхронно. Отсюда название этого электродвигателя.

Сравнение

Главное отличие синхронного двигателя от асинхронного заключается в соотношении величины частот вращения ротора и магнитного поля. В агрегате первого типа оба показателя одинаковые. В асинхронной машине — разные.

Можно отметить, что электродвигатели второго типа в целом более распространены, чем первые. При этом асинхронные агрегаты чаще всего представлены в разновидности, в которой инсталлирован короткозамкнутый ротор. Данные устройства имеют ряд важнейших преимуществ перед электродвигателями иных категорий. А именно:

1. простота конструкции, надежность;
2. относительно невысокая себестоимость производства, эксплуатации;
3. способность функционирования при задействовании имеющихся ресурсов сети без подключения преобразователей.

Вместе с тем асинхронные машины с короткозамкнутым ротором обладают и рядом недостатков. А именно:

• наличие малого пускового момента;
• наличие большого пускового тока;
• пониженный коэффициент мощности;
• низкая управляемость с точки зрения регулирования скорости;
• зависимость максимальной скорости от частоты электрической сети;
• электромагнитный момент в асинхронных двигателях рассматриваемого типа характеризуется сильной чувствительностью к снижению напряжения в сети.

В свою очередь, у синхронных агрегатов также есть неоспоримые достоинства. К таковым можно отнести:

• относительно невысокую чувствительность к перепадам напряжения в сети;
• стабильность вращения вне зависимости от нагрузки на ротор.

Есть у синхронных двигателей и недостатки:

• относительная сложность конструкции;
• сложность запуска ротора в ход.

Отмеченные особенности работы синхронных и асинхронных агрегатов делают оптимальным использование первых в случае, если требуемая мощность двигателя в системе (например, как части инфраструктуры фабричной линии) должна составлять порядка 100 кВт и более. В остальных случаях задействование асинхронных машин, как правило, становится более предпочтительным.

Рассмотрев, в чем разница между синхронным и асинхронным двигателем, отразим выводы в таблице.

Принцип действия и устройство электромашин разных типов

Асинхронные и синхронные электродвигатели похожи по конструкции, но есть и отличия.

Устройство и принцип действия асинхронных электродвигателей

Это самые распространённые машины переменного тока. Такие электродвигатели состоят из трёх основных частей:

• Корпус с подшипниковыми щитами и лапами или фланцем.
• В корпусе находятся магнитопровод из железных пластин с обмотками. Этот магнитопровод носит название статор.
• Вал с подшипниками и магнитпроводом. Эта конструкция называется ротор. В электродвигателях с короткозамкнутым ротором в магнитопроводе находятся соединённые между собой алюминиевые стержни, эта конструкция носит название «беличья клетка». В машинах с фазным ротором вместо стержней намотаны обмотки.

В пазах статора со сдвигом 120° намотаны три обмотки. При подключении к трёхфазной сети в статоре наводится вращающееся магнитное поле. Скорость вращения называется «синхронная скорость».

Справка! В однофазных электродвигателях вращающееся поле создаётся дополнительной обмоткой или конструктивными особенностями статора.

Это поле наводит ЭДС в роторе, возникающий при этом ток создаёт своё поле, взаимодействующее с полем статора и приводящее его в движение. Скорость вращения ротора меньше синхронной скорости. Эта разница называется скольжение.

Рассчитывается скольжение по формуле S=(n1-n2)/n1*100%, где: · n1 — синхронная скорость; · n2 — скорость вращения ротора.

на скольжения в обычных электромоторах 1-8%. При увеличении нагрузки на валу двигателя скольжение и вращающий момент растут до критической величины, при достижении которой двигатель останавливается.

В электродвигателях с фазным ротором вместо беличьей клетки в пазах ротора намотаны три обмотки. Через токосъёмные кольца и щётки они подключаются к добавочным сопротивлениям. Эти сопротивления ограничивают ток и магнитное поле в роторе. Это увеличивает скольжение и уменьшает скорость двигателя.

Такие аппараты используются при тяжёлом пуске и в устройствах с регулировкой скорости, например, в мостовых кранах.

Принцип действия синхронных электродвигателей

Эти двигатели устроены сложнее и дороже асинхронных машин. Их достоинство в постоянной скорости вращения, не меняющейся при нагрузке.
Статор синхронной машины не отличается от асинхронной. Отличие в роторе. В отличие от асинхронного двигателя, вращение осуществляется за счёт взаимодействия вращающегося магнитного поля статора и постоянного поля ротора. Для его создания в роторе находятся электромагниты. Напряжение к катушкам подводится при помощи токосъёмных колец и графитных щёток.

Справка! В роторе синхронных машин малой мощности вместо электромагнитов установлены постоянные или просто магнитопровод имеет явновыраженные полюса. Скольжение, как в асинхронных машинах, отсутствует, и частота вращения определяется только частотой питающего напряжения.

Таблица

Особенности коллекторного устройства

Двигатели такого типа относятся к механизмам постоянного тока. Поэтому они встречаются в большинстве случаев в бытовых приборах, таких как стиральные машины. Устройство и принцип работы коллекторного мотора можно описать несколькими пунктами:

1. Движущей частью двигателя является якорь, который состоит из множества пластинок. Он окружен специальными магнитами. Ток подается на двигатель с помощью щеток.
2. Чтобы ротор постоянно вращался, нужно периодически менять направление тока. Поэтому щетки подключаются к пластинам, которые разделены между собой. Количество сегментов зависит от числа движущихся рамок.

Благодаря такой конструкции двигатель и называют коллекторным. Недостатком конструкции можно считать наличие щеток, которые со временем могут повреждаться или стираться.