Устройство и работа синхронного электродвигателя

Особенностью устройства синхронного двигателя является то, что его статор подобен статору асинхронного двигателя, а ротор имеет специальную обмотку возбуждения, питаемую от источника постоянного тока и создающую магнитное поле ротора. Как и в асинхронном двигателе, токи, протекающие по трёхфазным обмоткам статора, образуют вращающееся магнитное поле.

Основные отличия синхронных двигателей от асинхронных заключаются в следующем:

  • - постоянство частоты вращения;
  • - необходимость в источнике постоянного магнитного потока;
  • - влияние реакции якоря на работу двигателя;
  • - возможность регулирования активной и реактивной мощностей, параллельной работы;
  • - возможность синхронной работы и последствия её нарушения.

Устройство синхронного двигателя приведено на рис. 15.

Сердечник статора 2 устанавливается во внутреннюю часть корпуса

1. На нём находятся обмотки статора 5, выводы 11 которых выходят в клеммовую коробку, закреплённой на наружной стороне корпуса 1.

Устройство синхронного двигателя с встроенным возбудителем

Рис. 15. Устройство синхронного двигателя с встроенным возбудителем:

1 - корпус; 2 - статор; 3 - рым-болт; 4 - ротор; 5 - обмотка статора; 6 - вентилятор; 7-передний подшипник; 8 - вал; 9 - фланец; 10 - обмотка возбуждения ротора; 11-выводы обмотки статора; 12-лапа; 13 - контактные кольца; 14 - возбудитель; 15 - задний подшипник; 16 - щётки

Ротор 4 выполняется заодно с валом 8 или напрессовывается на него и устанавливается на переднем 7 и заднем 15 подшипниках в расточке крышек корпуса 1.

К свободному концу вала 8 присоединяется какая-либо нагрузка (шкив ремённой передачи, ведущая шестерня зубчатой передачи, червяк червячной передачи и т. п.). На этом же конце вала закрепляется вентилятор 6, который обеспечивает более интенсивное отведение тепла от двигателя при его нагревании во время работы.

Синхронные двигатели средней и большой мощности выполняются с электромагнитным возбудителем 14, который устанавливается на заднем конце вала 8. В этом случае, расположенная на роторе 4 обмотка возбуждения 10 получает питание от источника постоянного тока через щётки 16, прижатые к контактным кольцам 13.

Статор 2 и ротор 4 разделены между собой воздушным зазором, который для машин небольшой мощности находится в пределах от 0,2 до 0,5 мм.

Для крепления двигателя к фундаменту, раме или непосредственно к приводимому в движение механизму на корпусе предусмотрены лапы 12 с отверстиями для крепления. Для установки или снятия двигателя с фундамента используется рым-болт 3, к которому присоединяется крюк лебёдки или крана. Выпускаются также двигатели фланцевого исполнения. У таких двигателей на передней части вала 8 устанавливается фланец 9, обеспечивающий присоединение двигателя к рабочему механизму.

Синхронные двигатели вне зависимости от режима работы состоят из двух основных частей: неподвижного статора и ротора, вращающегося внутри статора и служащего индуктором.

Статор трёхфазного синхронного двигателя аналогичен статору трёхфазного асинхронного двигателя. Он состоит из корпуса 1 (рис. 16, а), цилиндрического сердечника 2, набранного из отдельных пластин электротехнической стали, и трёхфазной обмотки 3, уложенной в пазы сердечника.

Устройство статора и ротора

Рис. 16. Устройство статора и ротора:

а) - статор; б) - ротор: 1 - корпус; 2 - сердечник; 3 - трёхфазная обмотка; 4 - обмотка возбуждения; 5 - контактные кольца

Ротор (рис. 16, б) представляет собой электромагнит постоянного тока, который создаёт магнитное поле, вращающееся вместе с ротором. Ротор имеет обмотку возбуждения 4, которая через специальные контактные кольца 5 с прижимаемыми к ним щётками 16 (см. рис. 15) питается постоянным током от выпрямителя или от небольшого генератора постоянного тока, называемого возбудителем.

В отечественной энергетике также используются синхронные двигатели с «бесщёточным» возбуждением. Обмотка ротора таких машин питается от выпрямителя, вращающегося вместе с ротором. Выпрямитель в свою очередь получает питание от возбудителя, имеющего вращающуюся вместе с ротором трёхфазную обмотку, возбуждаемую неподвижными постоянными магнитами.

Роторы синхронных двигателей бывают двух типов: с явно выраженными и неявно выраженными полюсами.

Роторы с явно выраженными полюсами (рис. 17) применяются в сравнительно тихоходных машинах с частотой вращения 1,33... 16,0 с'1 (80... 1000 об/мин); они имеют значительное число полюсов.

Конструктивно ротор этого типа состоит из вала 1, ступицы 2, полюсов 3, закрепляемых в шлицах ступицы, полюсных катушек 4 возбуждения, размещённых на полюсах. Поверхность полюсного наконечника

Элементы ротора с явно выраженными полюсами

Рис. 17. Элементы ротора с явно выраженными полюсами:

1 - вал; 2 - ступица; 3 - полюс; 4 - полюсная катушка

полюсов имеет такой профиль, что магнитная индукция в воздушном зазоре машины распределяется примерно по синусоидальному закону. Для быстроходных машин (турбогенераторы, синхронные двигатели, турбокомпрессоры и т. п.) явно полюсная конструкция ротора неприменима из-за сравнительно большого диаметра ротора и возникающих в связи с этим недопустимо больших центробежных сил.

Большей механической прочностью обладает ротор с неявно выраженными полюсами. Он состоит (рис. 18, а) из сердечника 4 и обмотки возбуждения 1. Сердечник изготовляется из стальной поковки цилиндрической формы. На его внешней поверхности фрезеруются пазы 5, в которые закладывается обмотка возбуждения.

Устройство ротора с неявно выраженными полюсами и схема его подключения

Рис. 18. Устройство ротора с неявно выраженными полюсами и схема его подключения:

  • (V б/
  • а) - устройство; б) - схема подключения: 1 - обмотка возбуждения; 2 - проводники обмотки возбуждения; 3 - контактные кольца; 4 - сердечник; 5 - паз; 6 - щётки; 7 - источник питания постоянного тока

Проводники обмотки возбуждения распределяются в пазах 5 сердечника 4 так, чтобы создаваемое ею магнитное поле было распределено в пространстве по закону, близкому к синусоидальному. Внутренние концы проводников обмоток возбуждения выводятся на контактные кольца 3. Питание к ротору (рис. 18, б) осуществляется от источника постоянного тока 7 (выпрямителя или небольшого генератора постоянного тока) через щётки 6, находящиеся в контакте с контактными кольцами 3.

Работа синхронного двигателя представлена на рис. 19. Обмотка статора 2 (рис. 19, а), расположенная во внутренней части статора 1 подключается к источнику трёхфазного переменного тока ~U, а в обмотку возбуждения 4, расположенную на роторе 5, от постороннего источника (рис. 19, б) подаётся ток постоянного напряжения U. Благодаря взаимодействию вращающегося магнитного поля 3, созданного трёхфазной обмоткой статора 2, и поля, созданного обмоткой возбуждения 4, возникает электромагнитный момент М (рис. 19,а), приводящий ротор 5 во вращение. Однако в синхронном двигателе в отличие от асинхронного ротор будет разгоняться до частоты вращения П = П*, с которой вращается магнитное поле (до синхронной частоты вращения). Объясняется это тем, что ток в обмотку ротора подаётся от постороннего источника, а не индуцируется в нём магнитным полем статора и, следовательно, не зависит от частоты вращения вала двигателя. Характерной особенностью синхронного двигателя является постоянная частота вращения его ротора независимо от нагрузки.

Схема работы синхронного электродвигателя

Рис. 19. Схема работы синхронного электродвигателя: а) - электромагнитная схема; б) - электрическая схема: 1 - статор; 2 - обмотка статора; 3 - магнитное поле; 4 - обмотка возбуждения ротора; 5 - ротор

Электромагнитный момент в синхронном двигателе возникает в результате взаимодействия магнитного потока ротора с вращающимся магнитным полем 3, создаваемым трёхфазным током, протекающим по обмотке статора.

При работе двигателя на холостом ходу оси магнитных полей статора 1 и ротора 5 совпадают, поэтому электромагнитные силы, возникающие между «полюсами» статора и полюсами ротора, направлены радиально и электромагнитный момент М двигателя равен нулю.

При нагрузке в двигателе, т.е. в двигательном режиме, его ротор 5 под действием приложенного к валу внешнего нагрузочного момента Мы смещается на некоторый угол против направления вращения. В этом случае в результате электромагнитного взаимодействия между ротором 5 и статором 1 создаются электромагнитные силы, направленные по направлению вращения, т. е. образуется вращающий электромагнитный момент А/, который стремится преодолеть действие внешнего момента Максимальный момент во время, когда оси полюсов ротора 5 будут расположены между осями «полюсов» статора 1 и соответствовать углу, равному 90°.

Если нагрузочный момент М^, приложенный к валу электродвигателя, станет больше максимального, то двигатель под действием внешнего момента М останавливается; при этом по обмотке статора неподвижного двигателя будет протекать очень большой ток. Этот режим называется выпаданием из синхронизма, он является аварийным и не должен допускаться.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >