Способы пуска синхронного электродвигателя

станина возбудителя 1, подшипник 2, щеткодержатель 3, обмотка 4 и сердечник статора 5, коллектор возбудителя 6, якорь 7, траверса 8, обмотка ротора 9, вентилятор 10, крышка подшипника 11, подшипниковый щит 12, крышка 13, контактные кольца 14и выводы обмотки статора 15.

Все электродвигатели переменного тока по принципу действия могут быть асинхронными и синхронными. В первом случае вращение ротора будет медленнее, по сравнению с магнитным полем, а во втором – вращение ротора и магнитного поля происходит с одинаковой скоростью. Вращение магнитного поля происходит под действием постоянной смены полюсов. В обмотках изменяется направление тока. На скорость вращения вала оказывает влияние количество полюсов магнитного поля. Синхронный электродвигатель конструктивно отличается от асинхронных агрегатов. Здесь вращение ротора и магнитного поля происходит с одинаковой скоростью. Напряжение на ротор для зарядки обмоток подается с помощью щеток, а не индуцируется действием переменного магнитного поля. Направление тока в обмотках изменяется одновременно с направлением магнитного поля, поэтому вал синхронного двигателя всегда вращается в одну сторону.

У синхронных двигателей отсутствует начальный пусковой момент. При подключении якорной обмотки к источнику переменного тока, электромагнитный момент дважды изменит свое направление за один период изменения тока. Это происходит, когда ротор находится в неподвижном состоянии, а в обмотке возбуждения протекает постоянный ток.

Таким образом, величина среднего момента в течение одного периода будет иметь нулевое значение. Чтобы увидеть, как работает синхронный двигатель при пуске, нужно выполнить разгон его ротора под действием внешнего момента до вращения с частотой, приближенной к синхронной.

Сам запуск агрегата может производиться разными способами:

1 используется схема асинхронного включения, основой которой служит глухо подключенный возбудитель. Данный способ применяется при статическом моменте нагрузки ниже 0,4, когда отсутствует падение напряжения. Сопротивление разряда замыкается в обмотке возбуждения, за счет чего исключаются перебои с возбуждением обмотки во время впуска, поскольку незначительная скорость вращения ротора приводит к перенапряжению. Когда скорость становится близкой к синхронной, контактор реагирует на это изменение, в результате происходит переключение обмотки возбуждения из разрядного сопротивления непосредственно на якорь возбудителя.

2 Используется тиристорный возбудитель. Этот способ считается более надежным из-за высокого КПД. Управление возбуждением значительно облегчается. Подача возбуждение осуществляется автоматически с помощью электромагнитного реле.

Пуск синхронного двигателя осуществляется как пуск асинхронного. Собственный пусковой момент синхронной машины мал, а у неявнополюсной равен нулю. Для создания асинхронного момента ротор снабжается пусковой беличьей клеткой, стержни которой закладываются в пазы полюсной системы. (В явнополюсном двигателе стержни между полюсами, естественно, отсутствуют.) Эта же клетка способствует повышению динамической устойчивости двигателя при набросах нагрузки.

За счет асинхронного момента двигатель трогается и разгоняется. Ток возбуждения в обмотке ротора при разгоне отсутствует. Машина пускается невозбужденной, так как наличие возбужденных полюсов осложнило бы процесс разгона, создавая тормозной момент, аналогичный моменту асинхронного двигателя при динамическом торможении.

При достижении так называемой подсинхронной скорости, отличающейся от синхронной на 3 - 5%, подается ток в обмотку возбуждения и двигатель после нескольких колебаний около положения равновесия втягивается в синхронизм. Явнополюсные двигатели за счет реактивного момента при малых моментах на валу иногда втягиваются в синхронизм без подачи тока в обмотку возбуждения.

Синхронные электродвигатели имеют постоянную скорость независящую от нагрузки. Если момент нагрузки больше, чем момент создаваемый самим электродвигателем, то он выйдет из синхронизма и остановится. Низкое напряжение питания и низкое напряжение возбуждения также могут быть причинами выхода двигателя из синхронизма.

Современные конструкции синхронных электродвигателей не оснащаются подобными схемами для разгона. Используется другая система запуска. Примерно таким образом происходит включение синхронной машины: При помощи реостата замыкаются обмотки ротора. В результате якорь становится короткозамкнутым, как на простых асинхронных электродвигателях. На роторе имеется еще и короткозамкнутая обмотка, которая является успокоительной, с ее помощью предотвращается качание якоря во время синхронизации. Как только якорь достигает минимальной скорости вращения, к его обмоткам подключается постоянный ток. Если используются постоянные магниты, то применять внешние пусковые двигатели придется обязательно. Существуют криогенные синхронные электромоторы, в которых используется конструкция обращенного типа. Обмотки возбуждения изготавливаются из сверхпроводниковых материалов.

На сегодняшний день использование синхронных двигателей получило широкое распространение в сфере производства оборудования, работающего с постоянной скоростью. Существует несколько способов запуска синхронных электродвигателей, наиболее будут представлены ниже.

Способы пуска синхронного электродвигателя

Способы пуска синхронного электродвигателя достаточно сложны, в этом заключается один из основных недостатков электродвигателей данного типа. Запуск синхронных электродвигателей осуществляется либо посредством воздействия вспомогательного пускового двигателя, либо с помощью асинхронного пуска. Рассмотрим каждый из способов в отдельности.

1 Асинхронный пуск синхронного электродвигателя на полное напряжение сети

Асинхронный пуск синхронного электродвигателя предполагает расположение дополнительной короткозамкнутой обмотки в полюсных наконечниках полюсов ротора. Это необходимо, чтобы обеспечить во время пуска вывод чрезмерно большой Э.Д.С., образующейся в обмотке (1), что является возможным благодаря замыканию рубильника (2) на соединение (3). Благодаря тому, что магнитное поле, возникающее в результате включения напряжения трехфазной сети в обмотке статора (4), пересекает короткозамкнутую обмотку (пусковую обмотку), находящуюся в полюсных наконечниках ротора, индуктируются токи. Действие этих токов в сочетании с вращающимся полем статора, запускают во вращение ротор, который постепенно набирает обороты. Достигнув 95-97% количества оборотов рубильник (2) ротора переходит в состояние, которое вынуждает обмотку ротора включить сеть постоянного напряжения.

Асинхронный пуск синхронного электродвигателя не лишен недостатков, точнее сказать, недостатка, которым является большой пусковой ток, который по значению может превышать в 7 раз рабочий ток. Столь высокое значение пускового тока является причиной падения напряжения в сети, что негативно сказывается на функционировании других потребителей энергии.

Одним из наиболее распространенных вариантов решения упомянутого недостатка является использование автотрансформатора для понижения напряжения, а также использование тиристорных возбудителей для пуска синхронных электродвигателей, которые отличаются высоким К.П.Д. Именно высокое значение К.П.Д. во многом определило выбор тиристорных возбудителей в качестве комплектов большей части выпускаемых синхронных электродвигателей крупных размеров. К тому же, применение тиристорных возбудителей позволяет автоматизировать процесс подачи возбуждения синхронному двигателю. Автоматизация может быть реализована 2-мя способами: подача возбуждения синхронному двигателю в функции скорости и подача возбуждения синхронному двигателю в функции тока. При этом контроль подачи возбуждения синхронному двигателю в функции тока осуществляется с помощью реле тока.

На сегодняшний момент именно асинхронный пуск синхронных двигателей получил наибольшее распространение, так как его достаточно просто реализовать, а работает он крайне надежно.

2 Пуск синхронного двигателя при помощи вспомогательного двигателя

Пуск синхронного двигателя при помощи вспомогательного двигателя предполагает запуск синхронного электродвигателя благодаря работе другого двигателя, работа которого позволяет ротору синхронного двигателя развернуть полюса, осуществляя дальнейшее вращение совершенно самостоятельно. Чтобы запуск произошел, нужно создать условия, при которых количество пар полюсов асинхронного двигателя было бы меньше количества пар полюсов синхронного двигателя. Порядок запуска синхронного двигателя предполагает включение рубильника (3), пуск вспомогательного асинхронного двигателя (2), осуществляющего разворот ротора синхронного двигателя (1) до скорости, которая соответствует скорости поля статора. Далее включаются полюсы ротора после включения рубильника (4). При включении синхронного двигателя в сеть трехфазного тока, требуется синхронизация, осуществляемая реостатом (5). Реостат организует возбуждение, позволяющее установить напряжение обмотки статора, определяемое вольтметром V, равное напряжению в сети, которое указывает вольтметр V1.При разомкнутом рубильнике лампы (6), расположенные параллельно ножам рубильника (7), буду мигать. По мере того, как будет меняться скорость ращения вспомогательного асинхронного двигателя, лампы будут постепенно начинать мигать все реже, пока все они не погаснут в раз. Это сигнал того, что синхронный двигатель пора включать в сеть трехфазного тока рубильником (7). Так как ротор двигателя далее может вращаться без помощи, то вспомогательный двигатель (2) пора отключать от сети посредством рубильника (3).Это сложная процедура, являющаяся самым главным недостатком такого варианта асинхронного электродвигателя, что определяет крайне редкие случаи ее практической реализации.

3 Пуск на пониженное напряжение через реактор или автотрансформатор.

4 В настоящее время широкое распространение для возбуждения синхронных двигателей находят тиристорные возбудители. Они поставляются в комплектном виде. Тиристорные возбудители синхронных электродвигателей более надежны и имеют более высокий к.п.д. по сравнению с электромашинными возбудителями. С их помощью легко решаются вопросы оптимального регулирования тока возбуждения для поддержания постоянства cos фи, напряжения на шинах, от которых питается синхронный двигатель, а также ограничение токов ротора и статора синхронного двигателя в аварийных режимах.

Тиристорными возбудителями комплектуется большинство выпускаемых крупных синхронных электродвигателей. Они выполняют обычно следующие функции:

· пуск синхронного двигателя с включенным в цепь обмотки возбуждения пусковым резистором,

· бесконтакное отключение пускового резистора после окончания пуска синхронного двигателя и защиту его от перегрева,

· автоматическую подачу возбуждения в нужный момент пуска синхронного электродвигателя,

· автоматическое и ручное регулирование тока возбуждения

· необходимую форсировку возбуждения при глубоких посадках напряжения на статоре и резких набросах нагрузки на валу синхронного двигателя,

· быстрое гашение поля синхронного двигателя при необходимости снижения тока возбуждения и отключениях электродвигателя,

· защиту ротора синхронного двигателя от длительной перегрузки по току и коротких замыканий.

Если пуск синхронного электродвигателя производится на пониженное напряжение, то при «легком» пуске возбуждение подается до включения обмотки статора на полное напряжение, а при «тяжелом» пуске подача возбуждения происходит при полном напряжении в цепи статора. Возможно подключение обмотки возбуждения двигателя к якорю возбудителя последовательно с разрядным сопротивлением.

Процесс подачи возбуждения синхронному двигателю автоматизируется двумя способами: в функции скорости и в функции тока.

На схеме, приведенной на рисунке, подача возбуждения синхронному двигателю осуществляется с помощью электромагнитного реле постоянного тока КТ (реле времени с гильзой). Катушка реле включается на разрядное сопротивление Rразр через диод VD. При подключении обмотки статора к сети в обмотке возбуждения двигателя наводится ЭДС. По катушке реле КТ проходит выпрямленный ток, амплитуда и частота импульсов которого зависят от скольжения.

Подача возбуждения синхронному двигателю в функции скорости

При пуске скольжение S = 1. По мере разгона двигателя оно уменьшается и интервалы между выпрямленными полуволнами тока возрастают; магнитный поток постепенно снижается по кривой Ф(t).

При скорости, близкой к синхронной, магнитный поток реле успевает достигнуть значения потока отпадания реле Фот в момент, когда через реле КТ ток не проходит. Реле теряет питание и своим контактом создает цепь питания контактора КМ (на схеме цепь питания контактора КМ не показана).

Рассмотрим контроль подачи возбуждения в функции тока с помощью реле тока. При пусковом токе срабатывает реле тока КА и размыкает свой контакт в цепи контактора КМ2.

Контроль подачи возбуждения синхронному двигателю в функции тока

При скорости, близкой к синхронной, реле КА отпадает и замыкает свой контакт в цепи контактора КМ2. Контактор КМ2 срабатывает, замыкает свой контакт в цепи возбуждения машины и шунтирует резистор Rразр.

Синхронные двигатели получили широкое распространение в промышленности для электроприводов, работающих с постоянной скоростью (компрессоров, насосов и т.д.). В последнее время, вследствие появления преобразовательной полупроводниковой техники, разрабатываются регулируемые синхронные электроприводы.

Асинхронные и синхронные электродвигатели имеют очень схожие конструкции, но различия всё равно имеются. В последних имеется явное преимущество в том, что происходит возбуждение от источника постоянного тока. В этом случае может мотор работать при очень большом коэффициенте мощности.

Существуют также другие преимущества синхронных двигателей: Они работают с завышенным коэффициентом. Это позволяет уменьшить расход электроэнергии, а также существенно снижает потери тока. Коэффициент полезного действия синхронной машины будет намного выше, нежели у асинхронного двигателя с такой же мощностью. Крутящий момент напрямую зависит от того, какое напряжение в питающей сети. Даже при условии, что напряжение в сети уменьшится, мощность сохранится. Но всё равно асинхронные машины используется намного чаще, нежели синхронная. Дело в том, что они имеют большую надежность, простую конструкцию, не требуют дополнительного ухода.

Недостатки синхронных двигателей

Оказывается, что недостатков у синхронных машин намного больше. Вот только основные: Схема синхронного электродвигателя довольно сложная, она состоит из большого количества элементов. Именно по этой причине себестоимость устройства оказывается очень высокой. Обязательно нужно использовать для питания индуктора источник постоянного тока. Это значительно усложняет всю конструкцию. Процедура запуска электрического двигателя довольно сложная, нежели у асинхронных машин. Произвести регулировку частоты вращения ротора можно только при помощи использования частотных преобразователей.

В целом же, преимущества существенно перекрывают недостатки синхронных электродвигателей. По этой причине они очень часто используются там, где необходимо вести непрерывный постоянный производственный процесс, где не нужно часто останавливать и запускать оборудование. Синхронные машины можно встретить в мельницах, дробилках, насосах, компрессорах. Они редко выключаются, работают почти постоянно. За счет применения таких моторов можно достичь существенной экономии электроэнергии.

Вопросы

1. Как классифицируются электрические машины по назначению и по роду тока? С картинки перечертить классификацию электрических машин.

2. Переписать устройство синхронного двигателя (выделено желтым цветом).

3. Как запускаются синхронные двигатели по схеме асинхронного включения и отключаются?

4. Перечертить в тетрадь схему асинхронного запуска синхронного двигателя на полное напряжение сети (выделена голубым цветом).

5. Синхронные двигатели получили широкое распространение в промышленности для каких электроприводов?

Мы поможем в написании ваших работ!