Объяснение синхронных двигателей: принцип работы, типы и использование

Синхронные электродвигатели: обзор

Синхронные электродвигатели представляют собой двигатели переменного тока, в которых ротор вращается точно с той же скоростью, что и вращающееся магнитное поле, создаваемое статором (следовательно, «синхронно»), а не немного отстает от него, как это происходит в более распространенной конструкции асинхронного (асинхронного) двигателя. Такое точное согласование скоростей достигается за счет намагничивания самого ротора. , либо с помощью постоянных магнитов, обмотки возбуждения с внешним возбуждением, либо с помощью другого метода намагничивания, заставляющего его синхронизироваться и вращаться в точной синхронизации с вращающимся магнитным полем статора.

Поскольку скорость ротора напрямую связана с частотой источника переменного тока и количеством полюсов двигателя, синхронные двигатели обеспечивают высокоточное и стабильное управление скоростью, которое не дрейфует при изменении нагрузки, как это происходит с асинхронными двигателями — свойство, которое обусловливает их использование в приложениях, где точная, постоянная скорость имеет такое же значение, как и подача чистой мощности.

Принцип работы синхронного двигателя

Обмотки статора, питаемые от источника переменного тока, генерируют вращающееся магнитное поле, которое распространяется вокруг двигателя со скоростью, определяемой частотой питания и количеством полюсов статора. Собственное магнитное поле ротора фиксируется на вращающемся поле статора. , по сути, «тянется» за счет магнитного притяжения, так что ротор вращается точно с той же скоростью вращения, что и само поле статора — эта скорость называется синхронной скоростью, и она остается постоянной независимо от нагрузки, при условии, что двигатель остается в пределах своей способности поддерживать эту блокировку.

Поскольку ротору требуется собственное магнитное поле для фиксации вращающегося поля статора, синхронным двигателям (кроме самозапускающихся конструкций с постоянными магнитами) обычно требуется внешний метод запуска, поскольку неподвижный намагниченный ротор естественным образом не развивает пусковой момент против вращающегося поля, как это делает ротор асинхронного двигателя с индукционным током.

Типы синхронных двигателей

Синхронный двигатель с постоянными магнитами (PMSM)

В конструкции PMSM высокопрочные постоянные магниты (обычно редкоземельные, такие как неодим) встраиваются или монтируются на поверхности непосредственно в ротор, что устраняет необходимость в обмотках ротора, контактных кольцах или внешнем источнике возбуждения, которые требуются синхронным двигателям с фазным ротором. Такая конструкция значительно повышает эффективность , поскольку в обмотках ротора нет резистивных потерь и нет необходимости в мощности возбуждения, а также снижаются требования к техническому обслуживанию за счет удаления контактного кольца и узла щетки, от которых зависят конструкции фазного ротора.

СДСМ стали доминирующим типом синхронных двигателей в высокоэффективных промышленных применениях и электромобилях именно из-за этого преимущества в эффективности и надежности, хотя стоимость и, в некоторых случаях, доступность редкоземельных магнитных материалов остается практическим фактором при проектировании и поиске СДСМ.

Основы синхронного двигателя переменного тока

Все синхронные двигатели по определению являются двигателями переменного тока, поскольку механизм синхронизации зависит конкретно от синхронизации скорости ротора с вращающимся полем, создаваемым источником переменного тока. Синхронная скорость рассчитывается непосредственно на основе частоты источника переменного тока и количества полюсов двигателя. - двигатель, подключенный к источнику переменного тока с фиксированной частотой, работает с фиксированной скоростью, полностью определяемой этим соотношением, что является основой использования синхронных двигателей в приложениях с постоянной скоростью и почему для приложений с синхронными двигателями с регулируемой скоростью требуется преобразователь частоты для изменения частоты питания, которую видит двигатель.

Применение синхронных двигателей

• Промышленное технологическое оборудование требуется точная, постоянная скорость независимо от изменения нагрузки — компрессоры, большие насосы и приводы технологических линий.
• Коррекция коэффициента мощности в промышленных электросистемах с использованием перевозбужденных синхронных двигателей (синхронных конденсаторов) для подачи реактивной мощности.
• Электромобили и гибридные трансмиссии, где конструкции PMSM обеспечивают высокую эффективность и точный контроль крутящего момента
• Робототехника и точное управление движением, где важна точная, предсказуемая скорость и реакция положения
• Часы, таймеры и приборы исторически полагается на фиксированную взаимосвязь синхронных двигателей между частотой питания и скоростью вращения.
• Крупные приложения для производства электроэнергии, где синхронные машины также служат генераторами, привязанными к частоте сети

Синхронные двигатели для промышленного применения

Промышленные предприятия отдают предпочтение синхронным двигателям, особенно в тех случаях, когда независимая от нагрузки стабильность скорости напрямую влияет на качество продукции или стабильность процесса — привод бумажной фабрики или большой компрессор, работающий с точно фиксированной скоростью, позволяют избежать незначительного изменения скорости под нагрузкой, которое может проявляться асинхронным двигателем, что может иметь существенное значение для процессов, чувствительных к точному регулированию скорости. Большие синхронные двигатели также часто используются специально из-за их способности корректировать коэффициент мощности. , поскольку синхронный двигатель с перевозбуждением может подавать опережающую реактивную мощность в электрическую систему, компенсируя запаздывающий коэффициент мощности, который часто создают большие нагрузки асинхронных двигателей в других местах объекта, обеспечивая двойную выгоду от управления механической нагрузкой и одновременно улучшая общий коэффициент мощности объекта.

Высокоэффективные электродвигатели и энергоэффективные моторные технологии

Синхронные двигатели, особенно конструкции с PMSM, находятся на переднем крае технологии высокоэффективных двигателей, поскольку они устраняют резистивные потери ротора (потери скольжения), присущие работе асинхронного двигателя - ток ротора асинхронного двигателя индуцируется разницей между скоростью поля статора и скоростью ротора, и этот индуцированный ток по своей сути генерирует резистивные тепловые потери, которых полностью избегает независимо намагниченный ротор синхронного двигателя. Это преимущество эффективности усиливается в условиях частичной нагрузки. , где конструкции СДСМ часто обеспечивают более высокий КПД, чем асинхронные двигатели, эффективность которых обычно падает более значительно при работе ниже полной номинальной нагрузки.

Нормативные стандарты эффективности во многих регионах ускорили внедрение технологии синхронных двигателей в приложениях, где раньше доминировали асинхронные двигатели, поскольку удовлетворить все более строгие требования к эффективности часто проще с помощью конструкции СИМД, чем с помощью постепенного улучшения конструкции асинхронного двигателя.

Применение двигателей с постоянной скоростью

Работа с постоянной скоростью является одной из наиболее определяющих практических характеристик синхронных двигателей: поскольку скорость ротора напрямую зависит от частоты питания, а не дрейфует в зависимости от нагрузки, как это происходит с асинхронными двигателями, синхронные двигатели обеспечивают действительно постоянную скорость во всем диапазоне нагрузки вплоть до момента вытягивания. Это делает их естественным выбором для приложений, где постоянство скорости напрямую влияет на качество вывода. , такие как обработка текстиля, печатные станки и некоторые применения шпинделей станков, где даже небольшие изменения скорости при изменении нагрузки могут привести к нестабильности готового продукта.

Преимущества синхронного двигателя

• Точный, независимый от нагрузки контроль скорости: скорость остается фиксированной на частоте питания независимо от нагрузки, вплоть до предела момента вытягивания
• Высокая эффективность, особенно в конструкциях PMSM: позволяет избежать резистивных потерь ротора, присущих асинхронным двигателям
• Коррекция коэффициента мощности capability: синхронные двигатели с перевозбуждением могут подавать реактивную мощность в электрическую систему.
• Высокая производительность при частичной нагрузке: Конструкции PMSM часто сохраняют эффективность лучше, чем асинхронные двигатели в условиях пониженной нагрузки.
• Сокращение технического обслуживания в конструкциях PMSM: отсутствие обмоток ротора, контактных колец или щеток, требующих износа или обслуживания.

Эти преимущества сопровождаются компромиссом, который стоит сопоставить с требованиями применения — синхронные двигатели (кроме самозапускающихся типов) обычно требуют более сложных пусковых устройств или управления приводом с регулируемой частотой, чем простой асинхронный двигатель, а конструкции с СДПМ требуют более высоких первоначальных затрат на материалы из-за содержания постоянных магнитов, а это означает, что преимущества эффективности и точности должны оправдывать дополнительные инвестиции для конкретного рассматриваемого применения.