Что такое синхронный двигатель
Перейти к содержимому

Что такое синхронный двигатель

  • автор:

Синхронный двигатель

Синхронный двигатель — бесколлекторная машина переменного тока, у которой в установившемся режиме отношение частоты вращения ротора к частоте тока в цепи, подключенной к обмотке якоря, не зависит от нагрузки в области допустимых нагрузок [1].

Типы синхронных электродвигателей

Синхронный двигатель с обмоткой возбуждения

Cинхронный электродвигатель с обмоткой возбуждения

Синхронный электродвигатель с обмоткой возбуждения имеет явнополюсный ротор с электромагнитным возбуждением. Для создания постоянного магнитного поля ротора требуется источник постоянного тока. Обмотки ротора двигателя соединены с контактными кольцами к которым через щетки подводится постоянный ток. Преимуществом данных двигателей является отсутствие дорогостоящих магнитов, недостатком — наличие щеток и необходимость питания обмоток ротора.

Cинхронный двигатель с постоянными магнитами

Cинхронный электродвигатель с постоянными магнитами

Данный двигатель имеет ротор с постоянными магнитами. В отличии от коллекторного двигателя постоянного тока функции коллектора и щеток выполняют полупроводниковые ключи. Имеет такие же преимущества, что и коллекторный двигатель постоянного тока, при этом не требует текущего ремонта (бесщеточный) в процессе эксплуатации. Такой электродвигатель требует сложной системы управления. Бесщеточные синхронные электродвигатели с постоянными магнитами обладают рядом преимуществ над другими двигателями, обладая лучшими показателями: мощность/объем, КПД, момент/инерция и др.

Синхронный реактивный электродвигатель

Синхронный электрический двигатель с ротором из ферромагнитного материала. Принцип действия синхронного реактивного электродвигателя основан на свойствах ферромагнитных тел ориентироваться так, чтобы сцепленный с ним магнитный поток оказался максимальным. Основным преимуществом электродвигателя является: простота и низкая цена изготовления. При одинаковых размерах, реактивный электродвигатель развивает больший момент, чем асинхронный, но имеет более низкий коэффициент мощности. Данный электродвигатель для работы требует систему управления.

Синхронный гистерезисный двигатель

Гистерезисный электродвигатель

Синхронный электродвигатель с неявнополюсным гистерезисным ротором. Вращающий момент этого электродвигателя создается за счет магнитного гистерезиса материала ротора. Достоинствами гистерезисных двигателей являются простота устройства, надежность в эксплуатации, отсутствие пусковых приспособлений, плавность втягивания в синхронизм, практически неизменный ток при пуске и работе. К недостаткам можно отнести относительно высокую стоимость материала ротора.

Шаговый электродвигатель

Синхронный бесщеточный электродвигатель, который без устройств обратной связи преобразует сигнал управления в угловое перемещение ротора с фиксацией его в заданном положении. Главное преимущество шаговых электродвигателей — точность, а также возможность осуществлять позиционирование и регулировать скорость без датчика обратной связи.

Синхронный двигатель с постоянными магнитами

Синхронный двигатель с постоянными магнитами (англ. permanent magnet synchronous motor, PMSM) — это синхронный электродвигатель, индуктор которого состоит из постоянных магнитов.

Главное отличие между синхронным двигателем с постоянными магнитами (СДПМ) и асинхронным электродвигателем заключается в роторе. Проведенные исследования 1 показывают, что СДПМ имеет КПД примерно на 2% больше, чем высоко эффективный (IE3) асинхронный электродвигатель, при условии, что статор имеет одинаковую конструкцию, а для управления используется один и тот же частотный преобразователь. При этом синхронные электродвигатели с постоянными магнитами по сравнению с другими электродвигателями обладают лучшими показателями: мощность/объем, момент/инерция и др.

Конструкции и типы синхронного электродвигателя с постоянными магнитами

Синхронный электродвигатель с постоянными магнитами, как и любой вращающийся электродвигатель, состоит из ротора и статора. Статор — неподвижная часть, ротор — вращающаяся часть.

СДПМ

Синхронный электродвигатель со встроенными постоянными магнитами

Обычно ротор располагается внутри статора электродвигателя, также существуют конструкции с внешним ротором — электродвигатели обращенного типа.

Конструкции синхронного двигателя с постоянными магнитами: слева — стандартная, справа обращенная.

Ротор состоит из постоянных магнитов. В качестве постоянных магнитов используются материалы с высокой коэрцитивной силой.

    По конструкции ротора синхронные двигатели делятся на:
  • электродвигатели с явно выраженными полюсами;
  • электродвигатели с неявно выраженными полюсами.

Электродвигатель с неявно выраженными полюсами имеет равную индуктивность по продольной и поперечной осям Ld = Lq, тогда как у электродвигателя с явно выраженными полюсами поперечная индуктивность не равна продольной Lq ≠ Ld.

Сечение роторов с разным отношением Ld/Lq

Сечение роторов с разным отношением Ld/Lq. Черным обозначены магниты. На рисунке д, е представлены аксиально-расслоенные роторы, на рисунке в и з изображены роторы с барьерами.

    Также по конструкции ротора СДПМ делятся на:
  • синхронный двигатель c поверхностной установкой постоянных магнитов
    (англ. SPMSM — surface permanent magnet synchronous motor);
  • синхронный двигатель со встроенными (инкорпорированными) магнитами
    (англ. IPMSM — interior permanent magnet synchronous motor).

SPMSM

Ротор синхронного двигателя c поверхностной установкой постоянных магнитов

IPMSM

Ротор синхронного двигателя со встроенными магнитами

Статор состоит из корпуса и сердечника с обмоткой. Наиболее распространены конструкции с двух- и трехфазной обмоткой.

    В зависимости от конструкции статора синхронный двигатель с постоянными магнитами бывает:
  • с распределенной обмоткой;
  • с сосредоточенной обмоткой.

Статор электродвигателя с распределенной обмоткой

Статор электродвигателя с распределенной обмоткой

Сосредоточенная обмотка

Статор электродвигателя с сосредоточенной обмоткой

Распределенной называют такую обмотку, у которой число пазов на полюс и фазу Q = 2, 3. k.

Сосредоточенной называют такую обмотку, у которой число пазов на полюс и фазу Q = 1. При этом пазы расположены равномерно по окружности статора. Две катушки, образующие обмотку, можно соединить как последовательно, так и параллельно. Основной недостаток таких обмоток — невозможность влияния на форму кривой ЭДС [2].

Схема распределенной обмотки

Схема трехфазной распределенной обмотки

Схема сосредоточенной обмотки

Схема трехфазной сосредоточенной обмотки

    Форма обратной ЭДС электродвигателя может быть:
  • трапецеидальная;
  • синусоидальная.

Форма кривой ЭДС в проводнике определяется кривой распределения магнитной индукции в зазоре по окружности статора.

Известно, что магнитная индукция в зазоре под явно выраженным полюсом ротора имеет трапециидальную форму. Такую же форму имеет и наводимая в проводнике ЭДС. Если необходимо создать синусоидальную ЭДС, то полюсным наконечникам придают такую форму, при которой кривая распределения индукции была бы близка к синусоидальной. Этому способствуют скосы полюсных наконечников ротора [2].

Принцип работы синхронного двигателя

Принцип действия синхронного электродвигателя основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля статора и постоянного магнитного поля ротора. Концепция вращающегося магнитного поля статора синхронного электродвигателя такая же, как и у трехфазного асинхронного электродвигателя.

Принцип работы синхронного двигателя основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля статора и постоянного магнитного поля ротора.

Магнитный поток синхронного двигателя

Остановить
Вращающееся магнитное поле синхронного электродвигателя

Магнитное поле ротора, взаимодействуя с синхронным переменным током обмоток статора, согласно закону Ампера, создает крутящий момент, заставляя ротор вращаться (подробнее).

Постоянные магниты, расположенные на роторе СДПМ, создают постоянное магнитное поле. При синхронной скорости вращения ротора с полем статора, полюса ротора сцепляются с вращающимся магнитным полем статора. В связи с этим СДПМ не может сам запуститься при подключении его напрямую к сети трехфазного тока (частота тока в сети 50Гц).

Управление синхронным двигателем с постоянными магнитами

Для работы синхронного двигателя с постоянными магнитами обязательно требуется система управления, например, частотный преобразователь или сервопривод. При этом существует большое количество способов управления реализуемых системами контроля. Выбор оптимального способа управления, главным образом, зависит от задачи, которая ставится перед электроприводом. Основные методы управления синхронным электродвигателем с постоянными магнитами приведены в таблице ниже.

Управление Преимущества Недостатки
Синусоидальное Скалярное Простая схема управления Управление не оптимально, не подходит для задач, где нагрузка меняется, возможна потеря управляемости
Векторное Полеориентированное управление С датчиком положения Плавная и точная установка положения ротора и скорости вращения двигателя, большой диапазон регулирования Требуется датчик положения ротора и мощный микроконтроллер системы управления
Без датчика положения Не требуется датчик положения ротора. Плавная и точная установка положения ротора и скорости вращения двигателя, большой диапазон регулирования, но меньше, чем с датчиком положения Бездатчиковое полеориентированное управление во всем диапазоне скоростей возможно только для СДПМ с ротором с явно выраженными полюсами, требуется мощная система управления
Прямое управление моментом Простая схема управления, хорошие динамические характеристики, большой диапазон регулирования, не требуется датчик положения ротора Высокие пульсации момента и тока
Трапециидальное Без обратной связи Простая схема управления Управление не оптимально, не подходит для задач, где нагрузка меняется, возможна потеря управляемости
С обратной связью С датчиком положения (датчиками Холла) Простая схема управления Требуются датчики Холла. Имеются пульсации момента. Предназначен для управления СДПМ с трапециидальной обратной ЭДС, при управлении СДПМ с синусоидальной обратной ЭДС средний момент ниже на 5%.
Без датчика Требуется более мощная система управления Не подходит для работы на низких оборотах. Имеются пульсации момента. Предназначен для управления СДПМ с трапециидальной обратной ЭДС, при управлении СДПМ с синусоидальной обратной ЭДС средний момент ниже на 5%.

Популярные способы управления синхронным двигателем с постоянными магнитами

Для решения несложных задач обычно используется трапециидальное управление по датчикам Холла (например — компьютерные вентиляторы). Для решения задач, которые требуют максимальных характеристик от электропривода, обычно выбирается полеориентированное управление.

Трапециидальное управление

Одним из простейших методов управления синхронным двигателем с постоянными магнитами является — трапецеидальное управление. Трапециидальное управление применяется для управления СДПМ с трапециидальной обратной ЭДС. При этом этот метод позволяет также управлять СДПМ с синусоидальной обратной ЭДС, но тогда средний момент электропривода будет ниже на 5%, а пульсации момента составят 14% от максимального значения. Существует трапециидальное управление без обратной связи и с обратной связью по положению ротора.

Управление без обратной связи не оптимально и может привести к выходу СДПМ из синхронизма, т.е. к потери управляемости.

    Управление с обратной связью можно разделить на:
  • трапециидальное управление по датчику положения (обычно — по датчикам Холла);
  • трапециидальное управление без датчика (бездатчиковое трапециидальное управление).

В качестве датчика положения ротора при трапециидальном управлении трехфазного СДПМ обычно используются три датчика Холла встроенные в электродвигатель, которые позволяют определить угол с точностью ±30 градусов. При таком управление вектор тока статора принимает только шесть положений на один электрический период, в результате чего на выходе имеются пульсации момента.

Трапециидальное управление по датчикам Холла

Трапециидальное управление по датчикам Холла

Полеориентированное управление

Полеориентированное управление позволяет плавно, точно и независимо управлять скоростью и моментом бесщеточного электродвигателя. Для работы алгоритма полеориентированного управления требуется знать положение ротора бесщеточного электродвигателя.

    Существует два способа определения положения ротора:
  • по датчику положения;
  • без датчика — посредством вычисления угла системой управления в реальном времени на основе имеющейся информации.
Полеориентированное управление СДПМ по датчику положения
    В качестве датчика угла используются следующие типы датчиков:
  • индуктивные: синусно-косинусный вращающийся трансформатор (СКВТ), редуктосин, индуктосин и др.;
  • оптические;
  • магнитные: магниторезистивные датчики.

Полеориентированное управление синхронным двигателем с постоянными магнитами по датчику положения ротора

Полеориентированное управление синхронным двигателем с постоянными магнитами по датчику положения ротора

Полеориентированное управление СДПМ без датчика положения

Благодаря бурному развитию микропроцессоров с 1970-х годов начали разрабатываться бездатчиковые векторные методы управления бесщеточными электродвигателями переменного тока. Первые бездатчиковые методы определения угла были основаны на свойстве электродвигателя генерировать обратную ЭДС во время вращения. Обратная ЭДС двигателя содержит в себе информацию о положении ротора, поэтому вычислив величину обратной ЭДС в стационарной системе координат можно рассчитать положение ротора. Но, когда ротор не подвижен, обратная ЭДС отсутствует, а на низких оборотах обратная ЭДС имеет маленькую амплитуду, которую сложно отличить от шума, поэтому данный метод не подходит для определения положения ротора двигателя на низких оборотах.

    Существует два распространенных варианта запуска СДПМ:
  • запуск скалярным методом — запуск по заранее определенной характеристики зависимости напряжения от частоты. Но скалярное управление сильно ограничивает возможности системы управления и параметры электропривода в целом;
  • метод наложения высокочастотного сигнала – работает только с СДПМ у которого ротор имеет явно выраженные полюса.

Полеориентированное управление синхронным двигателем с постоянными магнитами без датчика положения ротора со скалярным запуском

Полеориентированное управление синхронным двигателем с постоянными магнитами без датчика положения ротора со скалярным запуском

На текущий момент бездатчиковое полеориентированное управление СДПМ во всем диапазоне скоростей возможно только для двигателей с ротором с явно выраженными полюсами.

Как это работает: синхронный электродвигатель

Синхронные электродвигатели впервые появились в середине XIX века и сегодня широко применяются в газо- и нефтедобывающей промышленности, станкостроении, автомобилестроении, ЖКХ и других отраслях. Они хорошо справляются с перегрузками и могут стабильно работать долгое время без остановки. Именно такие двигатели для самых разных задач выпускает Калужский электромеханический завод концерна «Автоматика».

О том, как устроен и как работает синхронный электродвигатель, читайте в нашем материале.

По законам магнетизма

Синхронные электродвигатели служат людям в самых разных отраслях промышленности. Благодаря своим характеристикам они могут приводить в движение мощные приводы, устойчивы к ударным нагрузкам, часто возникающим, например, в металлургии и машиностроении. Такие двигатели подходят для длительной постоянной работы в приводах насосов, вентиляторов, компрессоров, генераторов – устройств, которые используются практически на каждом промышленном производстве. Конструктивная сложность таких двигателей окупается их высоким КПД и экономичностью.

MIq5ZqJ4PBw-1024x638.jpg
Фото: концерн «Автоматика»

В основе работы синхронного электродвигателя лежит знакомый всем по урокам физики эффект отталкивания одноименных магнитных полюсов. Не погружаясь в терминологию, эту работу можно описать так: стационарная и движущаяся части устройства отталкиваются друг от друга, в результате чего получается полезный крутящий момент, то есть электрическая энергия превращается в механическую.

Принципиальная конструкция любого электродвигателя такова: неподвижная часть (статор), подвижная часть (ротор), ось ротора с подшипниками, корпус и провода. Нужно упомянуть, что электродвигатели бывают постоянного и переменного тока, последние в свою очередь делятся на асинхронные и синхронные.

Как работает синхронный двигатель

Чтобы получить полезное действие, практически в любой электротехнике, где движение вызывается благодаря электромагнитному полю, применяется закон Ампера. Именно Мари Ампер в 1820 году установил, что между двумя параллельными проводниками, подключенными к постоянному току, действует притяжение, если токи однонаправленные, или отталкивание, если токи противоположные. Сила Ампера приводит в движение электропоезда и трамваи, двери лифтов и электрические ворота, а также заставляет звучать виброзвонок в вашем смартфоне.

Если в качестве проводника тока мы возьмем рамку и разместим ее в магнитное поле между двумя магнитами, на нее начнет действовать сила Ампера, то есть линии магнитной индукции начнут толкать проводник. Закрепив эту рамку посредством подшипников на оси, мы получим вращение.

Фото: концерн «Автоматика»

В синхронном двигателе статор создает вращающееся магнитное поле, а ротор − постоянное магнитное поле. На статоре присутствует электрическая цепь в виде обмотки, на которую подается трехфазное напряжение, создающее магнитное поле, которое вращается с синхронной скоростью. Обмотка ротора возбуждается источником питания постоянного тока, поэтому он действует как постоянный магнит. Разноименные полюса ротора будут притягиваться к соответствующим полюсам вращающегося поля статора. При таком взаимодействии возникает крутящий момент, вращающий вал. Скорость вращения будет равна частоте вращающегося магнитного поля неподвижного статора.

Если противополюсные магниты статора и ротора совпадают, они вращаются с синхронной скоростью. Если ротор не имеет первоначального вращения, то появится отталкивающая сила, и ротор не сможет начать вращение. Таким образом синхронные двигатели – это двигатели без самозапуска.

Для запуска ротора синхронного двигателя между краями полюсов устанавливается так называемое «беличье колесо». При запуске на катушки ротора не подается напряжение, при этом электрический ток индуцируется в прутьях «колеса», и ротор начинает вращаться как в асинхронном двигателе. Когда ротор достигает максимальной скорости, на катушки ротора подается напряжение. В результате полюс ротора и статора фиксируются, и начинается синхронное движение.

Электродвигатели широкого профиля

Разработка и выпуск синхронных двигателей – одно из направлений работы Калужского электромеханического завода (КЭМЗ) в составе концерна «Автоматика» Госкорпорации Ростех.

Двигатели из Калуги отличаются высокими коэффициентами мощности и полезного действия, повышенной надежностью и энергоэффективностью. Постоянная частота вращения в них поддерживается даже при большой механической нагрузке на вал. По сравнению с асинхронными двигателями устройства КЭМЗа имеют более широкий диапазон настроек частоты вращения, а также более выгодные массогабаритные характеристики.

frame-292-12.pngФото: Агентство регионального развития Калужской области

Именно компактные размеры и небольшой вес – до 3 кг – делают возможным в перспективе применение одной из последних разработок калужан в качестве двигателя для беспилотников вертолетного типа. Такой электродвигатель был представлен заводом Ростеха на форуме «Армия-2022». Двигатели КЭМЗа собраны полностью из российских комплектующих, что отвечает задачам импортозамещения.

Среди других направлений, в которых калужские синхронные двигатели уже зарекомендовали себя, − нефтегазовый сектор, промышленные системы вентиляции и кондиционирования, автотранспорт, ЖКХ. Для коммунальщиков инженеры КЭМЗа недавно представили новый синхронный электродвигатель для лифтов, выпускаемых Щербинским лифтостроительным заводом. Двигатель отличается тихим ходом и экономичным потреблением энергии.

О том, что калужские синхронные двигатели востребованы промышленностью, можно понять по цифрам производства. Так, в 2022 году КЭМЗ выпустил более 11 тысяч штук, нарастив объем с 2020 года примерно в два раза. В планах на текущий год – увеличить выпуск по некоторым моделям еще на 100%.

События, связанные с этим

Аэропорт «под ключ»

Совершенно секретно: история шифровальных устройств

Синхронный и асинхронный двигатель отличия

Двигатель постоянного тока

Для приведения в движение различных станков или механизмов на предприятиях тяжелой и легкой промышленности в большинстве случаев используются электродвигатели переменного тока. Электрические машины постоянного тока распространены в меньшей мере и чаще всего применяются в качестве тяговых агрегатов на городском электротранспорте, поездах, складских погрузчиках и тележках.

Чтобы достичь максимальной энергоэффективности производственных процессов, нужно правильно подходить к выбору двигателя для привода.

Синхронный и асинхронный двигатель – отличия для чайников

Конструкция асинхронных и синхронных электрических машин практически одинакова. У обоих электродвигателей есть неподвижный статор, состоящий из обмоток (катушек), которые уложены в пазы сердечника, набранного из пластин, выполненных из электротехнической стали, и подвижный ротор. Обмотки статора сдвинуты друг относительно друга на угол, равный 120°, поэтому проходящий по ним электрический ток создает вращающееся магнитное поле, которое вовлекает в движение ротор. Вот именно здесь и проявляется основное отличие этих электрических машин – конструкция ротора, от которой зависит скорость его вращения.

Асинхронный двигательАсинхронный двигатель

Ротор такого двигателя может быть короткозамкнутым или фазным.

Вне зависимости от типа ротора в этих двигателях частота вращения ротора всегда будет меньше скорости вращения магнитного поля статора. Эта разница обусловлена законами физики:

  • силовые линии магнитного поля статора, пересекая замкнутый контур ротора, индуцируют в нем электродвижущую силу, а значит и собственное магнитное поле;
  • в результате взаимодействия этих полей, имеющих одинаковую полярность, возникает крутящий момент, вызывающий вращение ротора;
  • в тот момент, когда скорости вращения магнитных полей становятся одинаковыми, возникновение ЭДС в роторе прекращается, в результате чего крутящий момент стремится к нулю;
  • как только частота вращения ротора начинает отставать от скорости вращения поля статора, возникновение ЭДС возобновляется.

Синхронный двигательСинхронный двигатель

Ротор таких двигателей комплектуется постоянными магнитами или обмотками возбуждения. Обмотки могут быть как явнополюсными, так и распределенными (уложенными в пазы ротора). Кроме того, ротор синхронной машины может иметь и короткозамкнутые обмотки.

После разгона ротора до скорости близкой к частоте вращения магнитного поля статора, на катушки полюсов через щеточно-контактный узел подается постоянное напряжение, которое возбуждает в них постоянное магнитное поле. Противоположные полюса магнитных полей притягиваются друг к другу и частота вращения ротора становится синхронной.

Разгон ротора может осуществляться с помощью вспомогательного двигателя или в асинхронном режиме, благодаря короткозамкнутой обмотке.

Недостатки и преимущества двигателей

Синхронные двигатели имеют довольно сложную конструкцию, обусловленную наличием щеточного узла. Кроме того, для их работы требуется дополнительный источник постоянного тока. Еще одним недостатком является невозможность их эксплуатации в условиях частых пусков и остановов. Однако все это компенсируется большой мощностью, высоким КПД, устойчивостью к перепадам напряжения в питающей сети и стабильной частотой вращения вала, вне зависимости от величины нагрузки на него.

Асинхронный двигатель в отличие от синхронных машин более чувствителен к колебаниям напряжения и не может сохранять номинальную скорость вращения, при увеличении нагрузки. Но простота конструкции, длительный срок эксплуатации, универсальность применения, способность работать в режиме частых включений и остановок делают эти машины наиболее распространенными в промышленном и бытовом секторе.

Для оформления заказа позвоните менеджерам компании Кабель.РФ ® по телефону +7 (495) 646-08-58 или пришлите заявку на электронную почту zakaz@cable.ru с указанием требуемой модели электродвигателя, целей и условий эксплуатации. Менеджер поможет Вам подобрать нужную марку с учетом Ваших пожеланий и потребностей.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *