Синхронные двигатели. Конструкция, принцип действия

В отличие от асинхронного двигателя частота вращения ротора синхронного двигателя постоянная при различных нагрузках и равна скорости магнитного поля. Синхронные двигатели находят применение для привода машин постоянной скорости (насосы, компрессоры, вентиляторы).
Так же как и асинхронном, в статоре синхронного электродвигателя размещается трехфазная обмотка, подключаемая к сети трехфазного тока и образующая вращающееся магнитное поле. Ротор двигателя состоит из постоянного магнита или сердечника с обмоткой возбуждения. Обмотка возбуждения через контактные кольца подключается к источнику постоянного тока. Ток обмотки возбуждения создает магнитное поле, намагничивающее ротор.
Роторы синхронных машин могут быть явнополюсными (с явновыраженными полюсами) и неявнополюсными (с неявновыраженными полюсами). На рис. 1а изображен сердечник 1 явнополюсного ротора с выступающими полюсами. На полюсах размещена катушка возбуждения 2. На рисунке 1б изображен неявнополюсной ротор, представляющий собой ферромагнитный цилиндр 1. На поверхности ротора в осевом направлении фрезеруют пазы, в которые укладывают обмотку возбуждения 2.

Рис. 1

Рассмотрим принцип работы синхронного двигателя на модели (рис. 2).

Вращающееся магнитное поле статора представим в виде магнита 1. Намагниченный ротор изобразим в виде магнита 2. Повернем магнит 1 на угол α. Северный магнитный полюс магнита 1 притянет южный полюс магнита 2, а южный полюс магнита 1 - северный полюс магнита 2. Магнит 2 повернется на такой же угол α. Будем вращать магнит 1. Магнит 2 будет вращаться вместе с магнитом 1, причем частоты вращения обоих магнитов будут одинаковыми, синхронными, n₂ = n₁.

У синхронных двигателей отсутствует пусковой момент. Это объясняется тем, что электромагнитный вращающий момент, воздействующий на неподвижный ротор, меняет свое направление два раза за период Т переменного тока. Из-за своей инерционности, ротор не успевает тронуться с места и развить необходимое число оборотов.

Известны следующие способы пуска синхронного двигателя: с помощью вспомогательного двигателя, частотный и асинхронный. В первом случае С. э. с отключенной нагрузкой разгоняется до синхронной частоты вращения вспомогательным пусковым двигателем небольшой мощности. При частотном пуске плавно изменяется (увеличивается) частота напряжения в статорной обмотке.

Наибольшее распространение получил асинхронный пуск синхронного двигателя. В пазах полюсов ротора укладывается дополнительная короткозамкнутая обмотка. Вращающее магнитное поле статора индуктирует в короткозамкнутой пусковой обмотке вихревые токи. При взаимодействии этих токов с магнитным полем статора образуется асинхронный электромагнитный момент, приводящий ротор во вращение. Когда частота вращения ротора приближается к частоте вращения статорного поля, двигатель втягивается в синхронизм и вращается с синхронной скоростью. Короткозамкнутая обмотка не перемещается относительно поля, вихревые токи в ней не индуктируются, асинхронный пусковой момент становится равным нулю.

Важное достоинство синхронного двигателя состоит в том, что он позволяет регулировать коэффициент мощности изменением тока возбуждения. Таким путем можно установить коэффициент мощности, равный 1. В случае недовозбуждения (ток возбуждения меньше номинального) двигатель потребляет ток, отстающий по фазе от напряжения питания, и действует как индуктивная нагрузка; в случае же перевозбуждения он потребляет ток, опережающий по фазе напряжение, и действует как емкостная нагрузка. Благодаря этой особенности синхронный двигатель представляет большую ценность с точки зрения компенсации индуктивных реактивных токов, т.е. повышения коэффициента мощности.
Двигатели постоянного тока (ДПТ)

Плюсы и минусы ДПТ по сравнению с АД:

+ Просто регулируется скорость n

+ Можно получить n >> 3000 об/мин

+ обратимость – можно использовать как двигатель и как генератор

– сложная конструкция, высокая стоимость

– низкая надежность (необходимы скользящие контакты для подвода тока к вращающемуся якорю).