Доступно о технике

Реактивный синхронный двигатель ток при холостом ходе

Содержание

Особенности, устройство и принцип работы синхронного двигателя простым языком

Электродвигатели прочно закрепились в качестве важнейших составляющих большинства приборов, ежедневно используемых человеком. Одним из видов электрических машин для вращения рабочего органа является синхронный электродвигатель. Особенности устройства и принцип работы синхронного двигателя, мы рассмотрим далее.

Устройство

Конструктивно любой синхронный агрегат представляет собой статор и ротор, объединенные в одном корпусе. Статорная обмотка наматывается в пазы неподвижного магнитопровода, собранного из ферромагнитного материала. Конструкция ротора может включать в себя обмотку, смонтированную на железном каркасе, или постоянный магнит, установленный на валу. Задача и одного, и второго – создать магнитный поток, взаимодействующий с электромагнитным полем статора.

Принцип работы

На основании п.53 ГОСТ 27471-87 понятие синхронного двигателя подразумевает бесконтактную машину, работающую на переменном токе. У которой в установившемся режиме отношение частоты вращения ротора к частоте тока в обмотках якоря не зависит от величины нагрузки при номинальной работе.

С практической стороны это выглядит следующим образом:

  • на обмотки статора, также называемого якорем, подается трехфазное напряжение;
  • по мере нарастания амплитуды синусоиды в одной фазе, будет пропорционально увеличиваться ток и электромагнитное поле, создаваемое вокруг обмотки;
  • в виду того, что синусоида нарастает во всех трех фазах двигателя поочередно, пик максимального электромагнитного поля будет смещаться от одной обмотки к другой по часовой стрелке;
  • магнитное поле ротора (индуктора) поочередно притягивается собственными полюсами к противоположному по знаку вектору поля статора.

В результате такого взаимодействия возникает поступательное вращение вала синхронного двигателя вокруг своей оси. Так как в индукторе постоянно присутствуют сформированные независимым источником силовые линии, частота его вращения полностью соответствует частоте напряжения, подаваемого в обмотки якоря. Возникает синхронизм в двигателе.

Типы синхронных двигателей

В целом синхронные двигатели подразделяются на несколько категорий, в зависимости от их конструктивных особенностей.

Так, для получения потока возбуждения используют:

  • обмотку на роторе – для обеспечения электромагнитного взаимодействия на обмотку подается питание от стороннего источника;
  • магнитный ротор – вспомогательное магнитное поле ротора создается постоянными магнитами, установленными на нем;
  • реактивный ротор – форма магнитопровода индуктора выполнена таким образом, что силовые линии якоря преломляются до получения синхронного вращения.

В зависимости от конструкции ротора, выделяют явнополюсный и неявнополюсный синхронный двигатель.

По режиму работы могут использоваться в качестве электродвигателя, генератора или синхронного компенсатора.

Режимы работы

На практике, каждая электрическая машина может применяться в различных режимах работы:

  • Режим двигателя – агрегат функционирует по принципу преобразования электрической энергии в механическую. Напряжение подается на выводы якоря и преобразуется во вращательное усилие на роторе.
  • Генераторный режим – в этом случае вал двигателя вращается за счет турбины или другого объекта, а с выводов якоря снимается сгенерированное напряжение.
  • Синхронный компенсатор – электродвигатель включается в распределительную сеть на холостом ходу. При этом повышается коэффициент мощности системы за счет потребления реактивной мощности.

P.S. Больше других деталей о синхронном двигателе , а также о том чем он отличается от асинхронного двигателя смотрите в видео:

Устройство, работа и применение синхронного электродвигателя

Синхронный двигатель является электрической машиной, работающей в сети переменного тока. Синхронными электрические машины называются потому, что частота вращения вала ротора точно соответствует частоте магнитного поля, индуцируемого статором.

Как любая вращающаяся электрическая машина, синхронный двигатель состоит из ротора, в данном случае являющегося индуктором и статора, именуемого также якорем. На роторе (индукторе) выполнена обмотка возбуждения, которая питается напряжением постоянного тока через коллекторный механизм. На статоре намотана обмотка переменного тока, которая образует магнитное поле. Само же магнитное поле движеся по кругу, то есть. вращается При взаимодействии с полем индуктора создает вращающий электромагнитный момент на роторе.
Первоначально запуск двигателя осуществляется в асинхронном режиме, то есть, с короткозамкнутым ротором. В этом режиме машина, являющаяся по сути асинхронной, разгоняется до скорости, приближающейся к синхронной. Затем на обмотку индуктора подается постоянный ток (перед этим обмотка, естественно, размыкается) и осуществляется так называемый «вход в синхронизм».

Область применения

Область применения синхронных двигателей обусловлена рядом их особенностей, а именно:

  • — стабильностью частоты вращения как при колебании напряжения в питающей электросети, так и при изменении величины механической нагрузки на валу;
  • — возможностью работы с очень высоким коэффициентом мощности — вплоть до единицы.

Первое качество делает синхронные двигатели незаменимыми в качестве приводных для прецизионных обрабатывающих станков. Также часто синхронные двигатели используются для привода мощных насосных, компрессорных и вентиляционных установок. Этим же свойством обусловлено их практически исключительное применение в качестве гидрогенераторов и турбогенераторов на электрических станциях.
Вторая особенность синхронных двигателей делает привлекательным его использование в качестве источника реактивной энергии, что позволяет гибко регулировать значение коэффициента мощности и уровня напряжения в сети. При правильном заключении договоров на электроснабжение можно получить экономию средств, имея повышенное значение косинуса-фи.
При работе синхронного двигателя с коэффициентом мощности, равном единице, двигатель потребляет из сети только активную мощность, за счет чего снижаются потери мощности в питающих линиях электропередачи. Это обусловлено тем, что потери в линиях пропорциональны полной электрической мощности, а величина последней в рассматриваемом случае снижается, что происходит за счет уменьшения реактивной составляющей вплоть до нуля.
Работающий на холостом ходу в режиме перевозбуждения синхронный двигатель представляет собой синхронный компенсатор.

То есть, генератор реактивной мощности, который способен обеспечивать потребность реактивной мощности узла потребления, к которому он подключен.

Мощный синхронный двигатель, оснащенный системами автоматической регулировки возбуждения с обратной связью по напряжению, а также форсирования тока возбуждения – это инструмент для регулирования и перераспределения потоков реактивной мощности и уровня напряжения в электрической сети.
Выбор синхронных двигателей при проектировании и в процессе реконструкции электросетей крупных потребителей обеспечивает повышение устойчивости работы энергосистемы, разгрузку линий электропередачи, улучшение качества электроэнергии, дает возможность минимизировать затраты на покупку электрической энергии.

Синхронный реактивный двигатель

Возможно, название этой статьи кого-то наведёт на мысль, что речь пойдёт об электрическом реактивном двигателе для космических кораблей. Однако всё гораздо прозаичнее: СРД — это один из видов синхронных электродвигателей, и слово «реактивный» в его наименовании означает не вид тяги, а принцип приведения ротора во вращение. Более точно его описывает англоязычное название synchronous reluctance machine (одно из значений слова reluctance — «магнитное сопротивление»).

Известно множество разновидностей электрических двигателей, включая асинхронные (АД), синхронные (СД), шаговые, двигатели постоянного тока. Все они представляют собой электромеханические преобразователи, то есть преобразователи электрической энергии в механическую.

А теперь представьте себе АД с максимально простой конструкцией ротора — это и будет СРД. Подобные электрические машины появились несколько десятилетий назад, но только недавно привлекли внимание производителей двигателей, а также инжиниринговых компаний по всему миру.

Если раньше в электроприводе важно было обеспечить должный крутящий момент или оптимальный размер оборудования, то теперь на первый план вышла энергоэффективность. В СРД реактивная сила возникает в результате изменения магнитного сопротивления, и их производители ради повышения энергоэффективности применили роторные элементы специальной конструкции, управляющие силовыми линиями магнитного поля.

ПРИНЦИП ПРОСТ

Согласно определению, содержащемуся в ГОСТе от 1987 года, СРД — это синхронная машина, вращающий момент которой обусловлен неравенством магнитных проводимостей по разным осям ротора, не имеющего обмоток возбуждения или постоянных магнитов. В данном случае под осями понимаются линии симметрии ротора на его поперечном разрезе (см. схему).

Переменный ток, проходящий по обмоткам статора, создаёт в воздушном зазоре внутри электродвигателя вращающееся магнитное поле. Крутящий момент возникает, поскольку ротор пытается линию с наименьшей магнитной проводимостью (ось d) совместить с вектором приложенного к нему поля, чтобы минимизировать сопротивление в магнитной цепи. Иными словами, вращающееся магнитное поле статора увлекает за собой ротор. Глядя на схему как на векторную диаграмму, можно сказать, что величина магнитного потока статора отражается на оси d, тогда как электрический ток, отвечающий за вращающий момент, — на оси q.

Конструкторы подобных роторов обеспечили различие между магнитными сопротивлениями по разным осям за счёт воздушных зазоров. Значение вращающего момента здесь прямо пропорционально разнице индуктивностей обмоток статора, ориентированных вдоль осей d и q.

ПО ПУТИ К СОВЕРШЕНСТВУ

СРД прошли впечатляющий эволюционный путь. Первые образцы развивали меньший вращающий момент, чем синхронные машины с обмоткой возбуждения, а также имели невысокие КПД и коэффициент мощности. Это объяснялось тем, что возбуждение обуславливалось реактивной составляющей тока, которая имела большую величину. Для пуска таких двигателей применяли демпфирующую короткозамкнутую обмотку, переводя их на время пуска в асинхронный режим.

Характеристики СРД резко повысились после появления специальных преобразователей частоты (ПЧ). В них питающее напряжение развязано от сети и заложен алгоритм пуска (управление током намагничивания Id статора и током статора, отвечающим за крутящий момент, — Iq), исключающий необходимость в асинхронном разгоне. Во время работы СРД программа контроллера ПЧ постоянно корректирует выходной ток, поддерживая наиболее благоприятные режимы. Положение ротора отслеживается без применения встроенных датчиков — по потребляемому двигателем току.

После внедрения ПЧ коэффициент мощности и КПД синхронных реактивных двигателей заметно увеличились, а конструкция ротора максимально упростилась. В целом можно сказать, что в силу своего принципа действия СРД имеет худший на 5-10% коэффициент мощности, чем АД, но зато на 5-8% выигрывает в КПД — как в номинальном режиме, так и при работе на пониженных скоростях во всём допустимом их диапазоне.

Статор СРД идентичен статору широко используемого асинхронного двигателя. Его обмотка может быть распределённой или сосредоточенной. А ротор представляет собой вал с болванкой из шихтованной стали — на нём вы не найдёте ни обмоток, ни постоянных магнитов. Роторы бывают трёх основных видов: аксиально расслоённые, поперечно расслоённые и с явно выраженными полюсами (см. рисунок).

ТИХОХОДЫ ПО ПРИРОДЕ

Отметим, что СРД демонстрируют высокие энергетические показатели тогда, когда магнитопровод работает в зоне насыщения. В случае повышенных оборотов контроллер должен уменьшить ток намагничивания Id, в результате чего заметно падает вращающий момент двигателя. А поскольку реактивный ток сохраняется на высоком уровне, резко снижается коэффициент мощности. Поэтому там, где требуются повышенные скорости работы, синхронные реактивные двигатели использовать не стоит.

Назовём достоинства СРД.
1. Простота и надёжность ротора, состоящего из тонколистовой электротехнической стали.
2. Низкий нагрев. Так как в роторе нет обмоток, через него не протекает активный ток. Это положительно сказывается на сроке жизни подшипников и на КПД. Поскольку снижаются потери на нагрев, номинальный ток двигателя может быть повышен, что позволяет получить (при той же мощности) более высокий (на 20-40%) вращающий момент, чем у АД.
3. Отсутствие магнитов. Таким образом, для производства двигателя не требуются редкоземельные металлы и, следовательно, его стоимость снижается.
4. Низкий момент инерции ротора, который представляет собой болванку без магнитов и обмоток.
5. Меньшие габариты по сравнению с АД при той же мощности.
6. Высокие КПД и cos(φ), достигаемые с помощью специализированного интеллектуального преобразователя частоты.
7. Абсолютно жёсткая механическая характеристика в разомкнутой системе. Это значит, что двигатель способен поддерживать скорость на заданном уровне с большой точностью до тех пор, пока вращающий момент не превысит максимального значения.

Недостатки же СРД таковы.
1. Пуск и работа возможны только с преобразователем частоты, который увеличивает стоимость системы и занимает место.
2. Падение эффективности на повышенных оборотах.

О компенсации реактивной мощности электродвигателей переменного тока

Активные и реактивные токи в электродвигателе переменного тока. Концепция компенсации реактивной мощности с использованием векторного анализа.

Компенсация реактивной мощности необходима для любых индуктивных (и емкостных) нагрузок с токами, синусоида которых смещена относительно синусоиды напряжения на углы до π радиан(или до 180°), а в основе коррекции коэффициента мощности лежит принцип компенсации реактивных токов, который наиболее легко понять на примере физических (электрических) процессов, протекающих в электродвигателях переменного тока.

Активные и реактивные токи в электродвигателе переменного тока

Работа электродвигателя переменного тока невозможна без превентивного создания магнитных полей обмоток ротора и статора, взаимодействие между которыми заставляет вал вращаться. На создание этих полей идет ток намагничивания (MagnetizingCurrent на рис. ниже), а работу двигателя с нагрузкой обеспечивает ток нагрузки (LoadCurren на рис. ниже), которые условно можно представить, как две логические цепи (линии) ветвления подаваемого на электродвигатель тока (TotalMotorCurrent на рис. ниже).

Важно: Ветвление подаваемого тока представляет логические, а не физические связи в электродвигателе — это не физическое деление цепи, а условная логическая схема для понимания концепции реактивных и активных токов.

Если условно принять, что на холостом ходу вал двигателя вращается без каких-либо потерь энергии на трение, нагрев подвижных частей, нагрев обмотки и пр., то ток намагничивания (MagnetizingCurrent) остается постоянной величиной, зависит только от конструктивных особенностей двигателя и «опаздывает» по отношению к сетевому напряжению на π радиан или 180° — синусоида тока намагничивания смещена относительно синусоиды напряжения на π радиан или 180° вправо.

Кроме того, ток намагничивания условно не связан с присоединяемыми к двигателю нагрузками и по сути не использует энергию – потребляемая в первой половине периода на создание магнитного поля энергия возвращается в сеть во втором полупериоде.

При подключении нагрузки (исполнительного механизма, компрессора и пр.) электродвигатель начинает потреблять из силовой сети ток нагрузки в объемах, пропорциональных силе сопротивления вращению двигателя. Причем ток нагрузки синфазен сетевому напряжению — увеличивается и уменьшается соответственно нагрузке, но в фазе с напряжением.

Поскольку синусоида тока намагничивания смещена относительно синусоиды напряжения на π радиан или 180° вправо, то результирующая синусоида тока намагничивания и синфазного с напряжением тока нагрузки смещена относительно синусоиды напряжения на угол в пределах от 0 до 90° вправо (опаздывает).
При (условно) равных токах намагничивания и нагрузки результирующая синусоида тока двигателя смещена относительно синусоиды напряжения на 45° вправо (рис. ниже слева), при уменьшении тока нагрузки в сравнении с током намагничивания результирующая кривая тока все больше смещается к синусоиде тока намагничивания (рис. ниже справа).

Важно: Коэффициент мощности — косинус угла смещения результирующей синусоиды тока от синусоиды напряжения, а это по факту показывает для краевых условий, что при нулевом смещении (cos 0 = 1) весь получаемый двигателем ток используется для передачи энергии нагрузке (активный ток и активная мощность), а при максимальном смещении в 90° (cos90° = 0) весь получаемый двигателем ток тратится на намагничивание и не делает полезной работы (реактивный ток, реактивная мощность).

Исходя из элементарной логики понятно, что чем меньше реактивного тока будет использоваться на намагничивание и чем больше активного тока – на передачу энергии нагрузке, то тем меньше будет смещенарезультирующая синусоида тока от синусоиды напряжения, тем больше будет коэффициент мощности (косинус угла смещения) и тем эффективнее будет использоваться двигателем потребляемая энергия. Вместе с тем, мощность электродвигателя зависит от сил создаваемых обмотками магнитных полей, что наряду с сопутствующими энергетическими потерями на трение, нагрев и пр. определяет достаточно высокие токи намагничивания (реактивные токи), тем большие, чем больше мощность двигателя и несовершенней его конструкция в плане энергосбережения.

С другой стороны, потребление из силовой сети больших объемов реактивных токов, необходимых для намагничивания, но не выполняющих полезную работу, снижает долю активных токов (активной мощности) или повышает нагрузку на токоподводящие линии с соответствующими негативными последствиями – падение напряжения из-за повышения электросопротивления проводов, нагрев проводки и силовых трансформаторов и т.д. Поэтому предельно необходимыми становятся мероприятия по компенсации реактивных токов (реактивной мощности), как можно ближе к электрической нагрузке.

Важно: Деление тока на активный и реактивный или мощности на активную и реактивную чисто условно — через силовую сеть подается один переменный ток (и одна мощность), который в нагрузке используется для выполнения полезной работы или же формирования условий для работы электрооборудования (намагничивания обмоток двигателя, трансформатора, генератора и т.д.), по сути, необходимых, но приносящих косвенную пользу. Т.е. реактивная мощность (или реактивные токи) для любой индуктивной нагрузки является неизбежным «злом», без которого невозможна работа, причем «мнимая» реактивная мощность в действительности становится мнимой при технически грамотных мероприятиях по компенсации реактивной мощности (см. подробнее о компенсации реактивной мощности установками КРМ, УКРМ).

Концепция компенсации реактивной мощности с использованием векторного анализа.

Если рассмотреть случай сети переменного напряжения с двумя токами, один из которых (А на рис. ниже) опережает напряжение на 45°, а другой (В на рис. ниже) отстает от напряжения на 45°, то в векторном выражении вектор длины действующего (среднеквадратического) значения силы тока А = 0.707 Im будет направлен вверх и вправо относительно центра координат, а вектор длины действующего (среднеквадратического) значения силы тока В= 0.707 Im будет направлен вниз и влево относительно центра координат.

Результирующий ток рассматриваемого выше электродвигателя будет складываться из тока намагничивания и тока нагрузки (действующие или среднеквадратические значения), а угол между векторами результирующей тока и тока нагрузки определяет угол смещения результирующей синусоиды токов относительно синусоиды напряжения.

По аналогии индуктивная нагрузка, потребляющая ток намагничивания с опаздыванием от напряжения на 90°, на графике будет представлена вектором, направленным вниз из центра координат, синфазные с напряжением токи нагрузки — вправо от центра координат, а опережающая напряжение по току на 90° емкостная нагрузка (CapacitiveCurrent) — вверх от центра координат.

Т.е. если в цепи электродвигателя одновременно использовать емкостную нагрузку (конденсаторы) с током, опережающим напряжение на 90°, а значит и ток намагничивания на 180° и равным по мгновенным значениям току намагничивания, то эти нагрузки будут компенсировать (или дополнять) друг друга во время работы двигателя. Т.е. в полупериод потребности обмоток в намагничивании конденсаторный блок будет отдавать ток в цепь, а при разрушении магнитного поля в следующий полупериод — аккумулировать образуемую энергию в виде накапливаемого реактивного тока.

Если перейти от токов к мощности, то активная мощность RealPower (Вт, кВт, МВт) это произведение активного тока (или тока нагрузки) на напряжение, реактивная мощность ReactivePower(VAR, ВАр, кВАр, МВАр) — произведение реактивного тока (или тока намагничивания) на напряжение, полная мощностьApparentPower(вольт-ампер, ВА, кВА, МВА) — корень из суммы квадратов активной и реактивной мощностей (из теоремы Пифагора согласно векторной диаграмме), а коэффициент мощности — косинус угла между полной мощностью и активной мощностью.


Источник: avtika.ru