Синхронный двигатель

Синхронный двигатель — это электрическая машина переменного тока, частота вращения ротора которой в установившемся режиме равна частоте вращения магнитного поля статора (синхронной частоте). В отличие от асинхронного двигателя, ротор синхронной машины вращается с постоянной скоростью, не зависящей от нагрузки (в пределах перегрузочной способности), что делает его незаменимым в приводах, требующих стабильной частоты вращения.

Принцип действия

Работа синхронного двигателя основана на взаимодействии вращающегося магнитного поля статора и постоянного (или электромагнитного) поля ротора. Трёхфазная обмотка статора, подключённая к сети переменного тока, создаёт магнитное поле, вращающееся с синхронной частотой \( n_1 = \frac{60f}{p} \), где \( f \) — частота питающей сети, а \( p \) — число пар полюсов. Ротор, имеющий собственную магнитную систему (постоянные магниты или обмотку возбуждения, питаемую постоянным током), ориентируется по полю статора и вращается с той же скоростью \( n_2 = n_1 \).

При увеличении нагрузки на валу угол между осью поля статора и осью поля ротора (так называемый угол нагрузки \( \theta \)) возрастает, но частота вращения остаётся неизменной до тех пор, пока момент нагрузки не превысит максимальный (опрокидывающий) момент двигателя. При превышении этого предела двигатель выпадает из синхронизма и останавливается.

Конструкция

Конструктивно синхронный двигатель состоит из статора и ротора.

Статор

Статор (неподвижная часть) выполнен из шихтованной электротехнической стали и несёт трёхфазную обмотку, аналогичную обмотке асинхронного двигателя. В пазах сердечника уложены катушки, соединённые в звезду или треугольник.

Ротор

Ротор (вращающаяся часть) может быть выполнен по одному из двух основных типов:

• Явнополюсный ротор — имеет явно выраженные полюсы, на которых расположена обмотка возбуждения. Применяется в тихоходных двигателях (до 1000 об/мин) — например, в приводах шаровых мельниц, цементных печей, компрессоров.
• Неявнополюсный ротор — представляет собой цилиндр с пазами, в которые уложена распределённая обмотка возбуждения. Используется в быстроходных двигателях (1500 об/мин и выше) — в приводах насосов, вентиляторов, турбогенераторов.

В современных двигателях малой и средней мощности всё чаще применяются роторы с постоянными магнитами (обычно неодимовыми или ферритовыми), что исключает необходимость в обмотке возбуждения, щёточном аппарате и источнике постоянного тока.

Классификация

Синхронные двигатели классифицируются по нескольким признакам:

По способу возбуждения

• С электромагнитным возбуждением — обмотка ротора питается постоянным током от внешнего источника (генератора, тиристорного возбудителя).
• С возбуждением от постоянных магнитов — магнитное поле создаётся магнитами, установленными на роторе.
• Реактивные синхронные двигатели — не имеют обмотки возбуждения; момент возникает за счёт разницы магнитных сопротивлений по продольной и поперечной осям ротора.
• Гистерезисные синхронные двигатели — момент создаётся за счёт гистерезисного перемагничивания ротора; отличаются бесшумностью и плавным пуском.

По конструкции ротора

• Явнополюсные.
• Неявнополюсные.
• С постоянными магнитами.
• Реактивные.

По назначению

• Общепромышленные — для привода насосов, вентиляторов, компрессоров.
• Сервоприводы — высокоточные двигатели для станков с ЧПУ, роботов.
• Шаговые двигатели — разновидность синхронных машин, работающих в дискретном режиме (поворот на заданный угол).
• Синхронные компенсаторы — специальные машины, работающие в режиме холостого хода для регулирования реактивной мощности в сети.

Пуск синхронного двигателя

Синхронный двигатель не может самостоятельно разогнаться до синхронной скорости, так как при неподвижном роторе вращающееся поле статора создаёт знакопеременный момент, среднее значение которого равно нулю. Для пуска применяют несколько способов:

• Асинхронный пуск — наиболее распространённый. В полюсных наконечниках ротора размещают короткозамкнутую пусковую обмотку (клетку). При подаче напряжения на статор двигатель разгоняется как асинхронный, а после достижения подсинхронной скорости (около 95 % от синхронной) подаётся ток возбуждения, и ротор втягивается в синхронизм.
• Пуск с помощью преобразователя частоты — двигатель питается от инвертора, который плавно повышает частоту, обеспечивая синхронный разгон с нуля. Этот метод применяется в мощных приводах (например, газоперекачивающих агрегатах).
• Пуск с помощью вспомогательного двигателя — используется редко, в основном для крупных машин.

Регулирование частоты вращения

В отличие от асинхронного двигателя, синхронный двигатель в чистом виде не регулируется по частоте вращения при питании от сети постоянной частоты. Для изменения скорости необходимо применять преобразователи частоты (инверторы), которые изменяют частоту питающего напряжения. При этом частота вращения ротора всегда равна частоте поля статора, что обеспечивает высокую точность поддержания скорости (ошибка не превышает долей процента). Такие системы называются синхронными приводами с частотным регулированием.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Постоянная частота вращения при любых нагрузках в пределах перегрузочной способности.
• Высокий КПД (до 96–98 % у крупных машин) за счёт отсутствия потерь скольжения.
• Возможность регулирования реактивной мощности — синхронный двигатель может работать с опережающим током (выдавать реактивную мощность в сеть), улучшая коэффициент мощности (cos φ) всей установки.
• Большая перегрузочная способность по моменту (до 2–3 номинальных).
• Меньшие габариты и масса по сравнению с асинхронным двигателем той же мощности при высоких частотах вращения.

Недостатки

• Сложность пуска — требуется пусковая обмотка или преобразователь частоты.
• Необходимость источника возбуждения (для двигателей с электромагнитным возбуждением) — щёточный аппарат требует обслуживания.
• Выпадение из синхронизма при резких перегрузках или снижении напряжения.
• Более высокая стоимость по сравнению с асинхронными двигателями аналогичной мощности.

Применение

Синхронные двигатели широко используются в промышленности, где требуется стабильная частота вращения или регулирование реактивной мощности:

• Приводы компрессоров и насосов — в нефтегазовой, химической, металлургической промышленности.
• Шаровые мельницы, дробилки, цементные печи — тихоходные явнополюсные двигатели мощностью до десятков мегаватт.
• Вентиляторы и дымососы — на тепловых электростанциях.
• Электроприводы прокатных станов — требуют высокой точности поддержания скорости.
• Станки с ЧПУ и роботы — синхронные серводвигатели с постоянными магнитами обеспечивают высокую динамику и точность позиционирования.
• Синхронные компенсаторы — для улучшения качества электроэнергии в промышленных сетях.

Интересные факты

• Первый синхронный двигатель был создан в 1869 году бельгийским изобретателем Зенобом Граммом. Однако из-за проблем с пуском и регулированием он долгое время не находил широкого применения.
• Крупнейшие синхронные двигатели в мире устанавливаются на газоперекачивающих станциях; их мощность может достигать 100 МВт и более.
• В электромобилях и гибридных автомобилях (например, Nissan Leaf, Toyota Prius) используются синхронные двигатели с постоянными магнитами — они обеспечивают высокий КПД и компактность.
• Синхронные двигатели могут работать в режиме генератора (синхронного генератора) — это свойство используется на гидро- и турбогенераторах электростанций.

Источники

• Вольдек А. И. «Электрические машины». — Л.: Энергия, 1978.
• Копылов И. П. «Электрические машины». — М.: Высшая школа, 2000.
• ГОСТ 16264.1-85 «Двигатели синхронные. Общие технические условия».
• Кацман М. М. «Электрические машины». — М.: Академия, 2013.
• Fitzgerald A. E., Kingsley C., Umans S. D. «Electric Machinery». — McGraw-Hill, 2003.