Что такое синхронный двигатель, устройство и принцип действия синхронного двигателя

В быту и на производстве преобладает использование электроэнергии. Поэтому большинство приборов и станков работает от электрических машин. Уже внедрено много видов агрегатов и у каждого свои качества. Для получения неизменной механической силы большой мощности или генерации огромного объема электроэнергии во многих областях востребованы синхронные двигатели (СД).

Общее определение синхронного электродвигателя

Каждая электрическая машина работает по следующему принципу:

• от источника питания на обмотку якоря и статора подается ток;
• в обмотке статора генерируется магнитное поле, возбуждающее электродвижущую силу (ЭДС);
• при вращении магнитное поле воздействует на обмотку ротора и заставляет его вращаться.

При этом вращение ротора по отношению к магнитному полю бывает двух вариантов:

1. Зависимое. Величина крутящего момента ротора определяется круговым движением ЭДС, но угловая скорость различна. Такие двигатели называются асинхронными.
2. Одинаковое. Скорость вращения ЭДС и якоря одинаковая и не меняется в течение всего времени работы. По такому принципу действия и существует понятие синхронный электродвигатель.

Для получения различной угловой скорости требуется независимое возбуждение обмотки статора и якоря от разных источников. Такого же эффекта можно достичь при параллельном возбуждении, если между источником питания и проводником статора подсоединить реостат. Этим усложняется схема асинхронных двигателей.

Синхронным машинам не требуется дополнительных устройств для включения. Поэтому их стоимость и расходы на обслуживание ниже.

Конструкция и принцип действия

Все электродвигатели имеют общую основу и состоят из статора и ротора. Обмотка статора принимает ток от источника трехфазной сети или электростанции и генерирует ЭДС. Магнитное поле действует на обмотку ротора и приводит его в движение. Таким способом электрическая сила преобразуется в механическую энергию.

Но у асинхронных двигателей скорость ЭДС всегда выше ротора. Для получения одинаковой механической силы требуется больше электроэнергии, что делает его менее выгодным. Поэтому для работы крупногабаритного оборудования используются синхронные электродвигатели.

Электрические машины работают и в обратном порядке с включением в качестве генератора. Подавляющее большинство электростанций, генерирующих до Мегаватт электроэнергии, функционируют под управлением синхронного двигателя.

Скорость вращения СД определяется только параметрами ЭДС, зависимой от подаваемого тока. Следовательно, нагрузка на вал не снижает обороты и синхронный двигатель можно использовать в качестве компенсатора.

Устройство статора

Синхронный электродвигатель может работать от постоянного и переменного тока. Конкретный тип питания для подключения или генерации тока определяется конструкцией статора и его назначением.

Машины постоянного тока

Ток непрерывно действует на обмотку возбуждения. Поэтому для получения максимального КПД статор представлен сплошным цилиндром, а обмотка в нем непрерывная. При такой конструкции в любой момент времени ток будет поступать на катушку.

Электродвигатели и генераторы постоянного тока выгодны для включения оборудования и автономного питания удаленных объектов в условиях отсутствия сетей. В быту синхронные двигатели постоянного тока не применимы.  Требуется выпрямление тока, из-за которого размер устройства увеличится, а управление им усложнится.

Машины переменного тока

Такие электродвигатели отличаются секционной конфигурацией статора (который по форме схож с коллектором якоря). Переменный ток одно фазной электросети действует прерывисто как синусоида с частотой 50 Гц (т.е. 50 раз в секунду затухает). Технически синхронный электродвигатель постоянного тока можно подключить к одно фазной сети, но скорость вращения будет ниже. Это связано с тем, что заряд не будет поступать на отдельные участки обмотки статора из-за периодичного затухания. Для трехфазной сети он не подходит.

Поэтому обмотки возбуждения в виде сплошного кольца нерентабельны. Вместо них в синхронных машинах переменного тока внедрены пластины одинакового размера, расположенные вокруг ротора. У каждого сегмента на внутренней поверхности есть пазы, в которые закладывается одинаковое количество витков (из которых состоит обмотка возбуждения).

Синхронный электродвигатель переменного тока проектируется и собираются таким образом, чтобы расстояние между пластинами статора совпадало с длиной волны синусоиды переменного тока в общей сети. В результате в момент пикового значения заряд всегда поступает на область обмотки одной из пластин. Расчет углового расстояния между секциями для статора любого диаметра не сложно провести, когда известна частота тока и скорость вращения (50 Гц и 3000 об./мин соответственно).

Особенности статора

У синхронных двигателей переменного тока статор бывает явнополюсным и неявнополюсным. Первый тип представлен секциями с обмотками на противоположных сторонах. При такой конструкции в некоторые моменты пикового значения ток не будет возбуждать ЭДС и угловая скорость ротора снизится. В процессе разбора СД сразу видно симметричное положение обмоток статора, отсюда и понятие явнополюсный двигатель.

Особенность параметров таких электродвигателей в скорости вращения менее 3000 об./мин без использования преобразователя при подключении оборудования к электросети. Но КПД таких синхронных машин на единицу расходуемой электроэнергии ниже. Востребованы двигатели только в случаях, когда требуется компактные размеры и низкая скорость вращения.

Секции неявнополюсного статора расположены равноудалено друг от друга. Все синхронные электродвигатели переменного тока в бытовых приборах являются неявнополюсными. А для регулирования скорости вращения в них присутствует частотный преобразователь. Использоваться в качестве генератора переменного тока может только синхронный двигатель с неявнополюсным статором.

Ротор

Служит вращательным элементом СД для воспроизведения механической силы. Для передачи крутящего момента рабочему механизму ротор соединен с валом. У двигателей постоянного тока к якорю на подшипниках скольжения присоединен неподвижный коллектор. Назначение механизма в постоянной передаче начального момента движения. Сам по себе ротор при подаче питания немного прокрутится и остановится.

Обмотка статора синхронных электродвигателей переменного тока возбуждается периодично при пиковом значении. Аналогично действует ЭДС на якорь, вращая его импульсивно, а не в любой момент времени. Поэтому необходимость в коллекторе отпадает. Вместо него используется токопроводящее немагнитное кольцо.

Преимущества агрегата

У каждой машины есть свои плюсы и минусы. Для синхронного двигателя можно выделить следующие достоинства:

1. Зависимость вращения ротора от напряжения (и наоборот). Характеристика полностью линейна и легко рассчитывается, что позволяет сконструировать двигатель или генератор с требуемыми параметрами.
2. Низкая себестоимость. Для выпуска синхронных двигателей (особенно переменного тока) под конкретный режим вращения требуется меньше затрат.
3. Выпуск машины с конкретной механической мощностью. Комбинированием секций статора можно получить агрегат с определенной скоростью вращения вала.
4. Независимость от нагрузок. Возможно подключение электродвигателя к рабочему телу крупногабаритного оборудования для компенсации потерь при его вращении.
5. Простота обслуживания. Синхронные агрегаты редко включают сопутствующие устройства типа реостатов и преобразователей, что упрощает поиск поломки и ремонт.

Но главное преимущество электрического синхронного двигателя — это высокий КПД. Для сравнения, у асинхронных аналогов поле возбуждения быстрее скорости вращения ротора, поэтому ему требуется больше электроэнергии.

Достоинства перед асинхронным двигателем

Обмотки статора и якоря асинхронных машин возбуждаются током с разными характеристиками и это существенный недостаток. В случае проблем с питанием одного проводника или поломкой реостата можно не заметить неполадок. При этом электродвигатель продолжит работать в прежнем режиме, а обмотка может уже плавиться.

Синхронные двигатели лишены этого недостатка. Благодаря принципу действия их работу проще контролировать. В случаях перебоя на генераторе или в трехфазной сети изменится скорость ЭДС, а за ней синхронно и вращение ротора. Оператор это сразу же заметит по нехарактерному шуму от агрегата и успеет принять меры. Хотя на современном производстве много защитного оборудования на участке цепи потребителя, никто не застрахован от их поломки.

Эксплуатация

При бережном использовании синхронный двигатель прослужит установленный производителем срок. Для сохранения ресурса агрегата важно придерживаться следующих правил:

1. Проводить плановое обслуживание. Трехфазные электродвигатели промышленных агрегатов работают в тяжелых условиях. На клеммах подключения скапливается грязь, а в корпус попадает пыль. Периодично требуется проверять агрегат и при необходимости очищать и промазывать его.
2. Запускать без нагрузок. Каждый мотор рассчитан на конкретную эксплуатацию. Если пренебрегать рекомендациями производителя или увеличивать штатную мощность (повышая предельные обороты), агрегат часто ломается.
3. Обеспечивать защиту оборудования. Любой электродвигатель может прийти в негодность от перебоев на генераторе или в общей сети. Достаточно подключения на участке цепи автомата, а к оборудованию — источника бесперебойного питания. В случае проблем с источником ток будет выровнен, а в критической ситуации агрегат обесточен. Применение минимальных мер по защиты убережет от преждевременной поломки.

Эти требования актуальны и для генераторов, работающих по схеме синхронного мотора.

Основные неисправности

Несмотря на качество сборки, любая машина может выйти из строя и синхронный двигатель не исключение. В процессе эксплуатации оборудования чаще наступают следующие неполадки:

• Перегрев. Его провоцирует неэффективный вывод избыточного тепла, который часто происходит из-за пыли и грязи внутри корпуса электродвигателя. Из-за перегрева разрушается изоляция обмоток, и витки соприкасаются между собой. Это приводит к прохождению тока по короткому маршруту и замыканию. Если дефектная машина продолжает работать, возрастает сопротивление материала проводника и избыточная теплоемкость, приводящая к деформации и обрыву обмотки.
• Замыкание в цепи питания. Сбои на генераторе также приводят к деформации и разрушению витков обмотки, как и в случае длительного перегрева. Разница в том, что сверхтоки образовались еще на источнике питания, а не в обмотке вследствие контакта разных витков.
• Разбалансировка вала. Из-за неравномерной нагрузки на ротор происходит нарушение центра масс и его смещение относительно исходной оси вращения. В результате нарушается передача крутящего момента и появляется избыточный шум. КПД синхронного электрического двигателя падает. Последующая работа при разбалансировке приводит к ускоренному износу и разрушению подшипников скольжения якоря.
• Отсутствие питания. При неаккуратном обслуживании можно случайно задеть обмотку возле контактов и оборвать ее. В этом случае питания вообще не будет и мотор не запустится. В большинстве случаев при обрыве конца обмотку можно восстановить без замены.
• Вибрации. Если электрическая машина надежно закреплена, вибрации создаются рабочим механизмом из-за грубой передачи крутящего момента. Подобная ситуация наблюдается из-за расцентровки валов. В зависимости от длительности такой работы, синхронный двигатель может получить разную степень механического урона, вплоть до микротрещин у корпуса.

В большинстве случаев от нарушений в цепи питания спасают контрольно-измерительные приборы, и электродвигатель получает незначительный урон. Механические неисправность обнаруживаются оператором по нехарактерной работе (сильный нагрев корпуса, чрезмерная шумность, вибрации). Однако применение оперативных мер не всегда уберегают от поломки. И даже при бережной эксплуатации со временем наступить штатный износ детали машины. Поэтому со временем синхронный электродвигатель выходит из строя. Восстановить своими руками его не получится. И дело не в отсутствии знаний или опыта.

Для ремонта синхронного двигателя требуется профессиональный стенд со сложным оборудованием. Также большое значение имеет подробное исследование дефектов, которые помогут в определении причины поломок. Если их не выявить и не устранить, после восстановления в течение короткого времени электродвигатель снова может сломаться. Как правило, половина неисправностей наступает из-за дефектов на стороне (источник питания, рабочий механизм оборудования, рама или консоль).

У синхронных двигателей превосходные качества производительности и долговечности. СД имеют высокий КПД, способны работать в тяжелых условиях и выдавать большую механическую мощность, а также генерировать Мегаватты электроэнергии. Но со временем любые электрические машины изнашиваются и требуют восстановления.

Компания «Хельд» занимается ремонтом электромоторов любой сложности. Специалисты ремонтируют агрегаты после получения серьезного урона:

• обрыв обмотки якоря или статора;
• деформация ламелей;
• износ подшипников;
• разрушение изоляции;
• разбалансировка ротора.

Если ваш двигатель очень старый и подает признаки износа, мастера продлят его ресурс в оперативные сроки. Ремонт агрегатов занимает от двух дней. Если вам нужно восстановить бытовой или промышленный электромотор — обращайтесь к нам. Мастер быстро осмотрит оборудование и сообщит стоимость со сроками ремонта.