Асинхронный и синхронный электродвигатели. Принцип работы

Асинхронные двигатели — это двигатели, в процессе работы которых под нагрузкой наблюдается явление скольжения, то есть «отставание» вращения ротора от вращения магнитного поля статора. Другими словами, вращение ротора происходит не синхронно с вращением намагниченности статора, а асинхронно по отношению к этому движению. Вот почему такого рода двигатели называются асинхронными (не синхронными) двигателями.

В большинстве случаев, произнося словосочетание «асинхронный двигатель», имеют ввиду именно бесколлекторный двигатель переменного тока. Величина скольжения асинхронного двигателя может быть разной в зависимости от нагрузки, а также от параметров питания и способа управления токами обмотки статора.

Если мы имеем дело с обычным двигателем переменного тока, наподобие АИР712А, то при синхронной частоте вращения магнитного поля в 3000 оборотов в минуту, в условиях номинальной механической нагрузки на валу в 750 ватт, мы будем иметь реальную частоту вращения 2840 оборотов в минуту, а значит величина скольжения составит 0,053.

Это нормальное явление для асинхронного двигателя. И мы не увидим круглых цифр оборотов, вроде 3000 или 1500, вместо них там будет указано 2730 или 1325. Вместо 1000 может быть написано например 860, несмотря на то, что магнитное поле во время работы двигателя вращается с частотой 1000 оборотов в минуту, как и должно быть в электрической машине с 3 парами магнитных полюсов, предназначенной для питания переменным током частотой 50 Гц.

Что касается двигателей постоянного тока, то в большинстве случаев так называют коллекторные двигатели, на скорость вращения ротора у которых влияет не частота тока, а его средняя величина. Датчик скорости может помочь электронной системе управления установить правильную величину тока для получения заданной скорости вращения, однако связь тока и оборотов здесь будет отнюдь не линейной, так как при разной нагрузке токи разной величины дадут очень разные частоты вращения ротора.

На роторе двигателя постоянного тока может располагаться многосекционная обмотка возбуждения или постоянные магниты. Но сегодня ротор с магнитами характерен скорее для шаговых двигателей, которые тоже относятся к двигателям постоянного тока, однако коллекторно-щеточных узлов не имеют. Как вариант разновидности конструкции мотора постоянного тока — магниты на статоре, а обмотка — на роторе.

Так или иначе, асинхронный бесколлекторный двигатель имеет мощную рабочую обмотку на статоре, которая в процессе работы разогревается от прохождения по ней рабочего тока, и передает тепло на корпус двигателя. Поэтому и обмотку и корпус двигателя необходимо все время активно охлаждать.

В связи с этой особенностью, большинство асинхронных двигателей по умолчанию имеют на своих валах крыльчатки вентиляторов, а на корпусах - выступы, вдоль которых вентилятор, как через радиатор, гонит свежий воздух, охлаждая таким образом статор. Поэтому, если перед вами двигатель, на валу которого установлен вентилятор (обычно под крышкой, закрепленной на корпусе двигателя), вдоль корпуса имеются ребра (как на радиаторе), а на шильдике указана конкретная величина оборотов в минуту и величины переменного напряжения 220/380 — пред вами типичный асинхронный двигатель переменного тока.

В двигателях постоянного тока, с коллекторно-щеточными узлами и с многосекционными многовитковыми обмотками на якарях, выведенными на ламели коллектора, в качестве рабочих обмоток выступают - и обмотка статора, и обмотка ротора (якоря).

Здесь фактически получается, что рабочая обмотка как-бы разделена на две части: рабочий ток идет и через якорную обмотку, и через статорную обмотку, поэтому проблема нагрева только статора отсутствует, и вентилятор здесь не нужен.

Для охлаждения достаточно вентиляционных отверстий, через которые можно разглядеть ротор с якорной обмоткой на нем. Поэтому, если перед вами двигатель с коллекторно-щеточным узлом, где коллектор имеет множество ламелей (блестящих пластинок) с выводами от обмоток, и вентилятора словно бы и не предусмотрено — перед вами двигатель постоянного тока.

Статор двигателя постоянного тока может представлять собой набор постоянных магнитов. Большинство двигателей постоянного тока, рассчитанных на сетевое напряжение, будут легко работать и от переменного тока (пример такого универсального мотора - мотор болгарки).

История электромоторов составляет более 170 лет, однако наибольшее их развитие можно наблюдать за последние десять или около того лет. Появление электронных систем управления, позволяющих регулировать скорость и крутящий момент, и, следовательно, различные типы преобразователей частоты и системы плавного пуска произвели революцию на рынке для использования таких электроприводов.

В настоящее время электродвигатели используются не только для управления различными типами машин, но и в современных системах автоматизации. Двигатель, взаимодействующий с преобразователем частоты или сервоприводами используется в конвейерах, системах позиционирования, а также в приложениях, включая многоосевые приложения, которые требуют точных, быстрых и синхронизированных перемещений.

ПРИВОДНАЯ ТЕХНИКА В АВТОМАТИЗАЦИИ

Приводная техника, используемая в широко понятных системах автоматизации, охватывает довольно большую группу устройств.

Существуют не только двигатели постоянного тока, синхронные двигатели переменного тока, асинхронные двигатели, частотные преобразователи, но также сервоприводы, моторедукторы и другие механические элементы, которые позволяют регулировать скорость и крутящий момент двигателя.

Наиболее часто используемыми в автоматизации являются двигатели и низковольтные приводы мощностью от 1 киловатта до не более нескольких десятков, а иногда и нескольких сотен. Двигатели с системами рекуперации энергии становятся все более популярными в мире. Это связано не только с необходимостью использования высокопроизводительных устройств, но и с правилами регулирования потребления и энергии, которые становятся все более жесткими во многих странах.

Небольшие двигатели переменного тока, предлагаемые Украинскими поставщиками, являются синхронными и асинхронными двигателями. Универсальные двигатели, которые могут работать как с постоянной, так и с переменной мощностью постоянного тока, гораздо менее популярны среди украинских потребителей. Как уже упоминалось, наиболее продаваемыми являются двигатели мощностью от 1 Вт до 5 кВт, а также устройства мощностью от 5 Вт до 10 кВт.

Стоит отметить, что в Украине наиболее популярными сейчас являются асинхронные двигатели, которые могут быть легко использованы во всех видах систем привода, где не требуется точное управление двигателем. Асинхронные электродвигатели купить украина от мировых лидеров SIEMENS, ABB, FESTO, Phoenix Contact можно на сайте /simat.com.ua/

В случае сервоприводов пользователи обращают внимание на динамику привода и точность движения. Также важны такие параметры, как эффективность двигателя, что существенно влияет на общую стоимость поддержания системы автоматизации в данной компании.

Современные электродвигатели характеризуются простой конфигурацией и простотой эксплуатации. Инженеры делают упор на повышение их эффективности и улучшение рабочих параметров, а также на их автоматическую адаптацию к изменяющимся условиям нагрузки.

Проэкологическое строительство двигателя и низкое потребление энергии также становятся все более и более важными. Электродвигатели систематически подвергаются миниатюризации. К сожалению, после уменьшения размеров двигателей, нет снижения мощности, но увеличивается их грузоподъемность.
Принимая во внимание контроль, наблюдается тенденция к цифровизации электродвигателей. Существует все больше доступных протоколов и коммуникационных технологий, которые основаны главным образом на промышленном Ethernet.

Асинхронные двигатели используются для привода приводов, но у них есть конкретные области применения.

Асинхронные двигатели используются в приложениях с меньшим технологическим зацеплением, но там, где момент инерции привода значителен. Такие применения представляют собой плоские роликовые конвейеры или, насосы, вентиляторы, лифты, - говорит Конрад Флорчик, инженер-программист SEW-EURODRIVE Polska.

Синхронные серводвигатели в основном для специальных задач. Низкий момент инерции - высокая динамика плюс эффективный и эффективный контроль - эти параметры позволяют использовать эти двигатели, как манипуляторы или конечные механизмы машин.

АСИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ

Асинхронные двигатели являются наиболее часто используемыми типами электродвигателей в промышленности и автоматизации. По оценкам, более половины электроэнергии, производимой на электростанциях, потребляется асинхронными двигателями. Их преимущества включают, прежде всего, простоту конструкции, простоту в эксплуатации и низкую цену покупки и обслуживания. Асинхронные двигатели имеют хорошие параметры движения, и их характеристики могут быть сформированы путем изменения питания и сопротивления обмоток машины, что достигается путем подключения соответствующих внешних элементов. Электронные, полупроводниковые системы управления позволяют осуществлять плавный пуск и торможение асинхронных двигателей.

Также легко настроить мощность и скорость этого типа двигателя. К сожалению, асинхронные двигатели также имеют недостатки. Самой большой из них является необходимость обеспечения индуктивной реактивной мощности, которая влияет на увеличение потерь мощности в линиях электропередачи и заметные падения напряжения, видимые особенно во время запуска.

Асинхронные двигатели, с точки зрения источника питания, могут быть разделены на одно, двух и трехфазные, наиболее популярными в отрасли являются последние. В небольших двигателях используется двух- или однофазное питание.

СИНХРОННЫЕ МОТОРЫ

Основными задачами электродвигателя являются преобразование электричества в механическую энергию. Как и в большинстве электрических машин, возможен обратный процесс в двигателе (так называемый принцип обратимости работы), т. е. Преобразование механической энергии в электричество. Однако это свойство редко используется в промышленной практике.

Сегодняшние электродвигатели могут быть разделены по-разному. Самое простое разделение связано с типом питания, то есть на двигатели постоянного и переменного тока. .

Однако, с точки зрения систем привода, наиболее важным является разделение двигателей по их конструкции и принципу работы. В случае машин переменного тока имеются три основные группы двигателей: синхронные машины, асинхронные и машины переменного тока.

Наиболее многочисленной группой двигателей, представленных в системах промышленной автоматизации, являются синхронные и асинхронные двигатели с переменного тока. Синхронные электродвигатели отличаются от асинхронных двигателей конструкцией ротора, который дополнительно оснащен электромагнитами или постоянными магнитами.

Синхронный двигатель представляет собой электрическую машину, питаемую переменным током, в котором ротор в устойчивом состоянии вращается с той же угловой скоростью, что и магнитное поле, которое его активирует. Важно отметить, что скорость синхронного двигателя всегда постоянна и не зависит от нагрузки и напряжения питания.

Ротор движется «сам по себе». В нем изначально нет ни магнитного поля, на него не подается никакого электрического напряжения. Он даже не обязан быть сделанным из железа - магнитного металла. Ну а вот, поди ж ты, стоит подключить к двигателю трехфазное напряжение, и ротор закрутился. Безо всякого подталкивания. Но по-своему.

Два вида электродвигателей переменного тока

Асинхронные двигатели - наивная простота

Ротор то догоняет волну, то слегка отстает, потому что синхронно с ней бежать просто не может. Такое явление назвали «скольжением», догнав бегущее магнитное поле, ротор с беличьей клеткой теряет магнитную индукцию и дальше некоторое время просто скользит по инерции. А когда трение или нагрузка вынуждают его отстать от бегущего поля, он опять «почувствует» в себе изменения силовых линий обгоняющего его поля и снова обретет индукцию, а вместе с этим и силы двигаться.

То есть, ротор слегка проскальзывает: то догоняет бегущее равномерно по кругу магнитное поле, то «забывает, зачем бежал» и слегка приотстает, то снова «спохватывается» и опять стремится догнать. Постепенно эти отклонения стабилизируются - в зависимости от трения в подшипниках и величины нагрузки на вал - и асинхронный двигатель начинает работать просто со скоростью вращения, чуть меньшей частоты напряжения на статоре. Эта разница частот и называется частотой скольжения.

Двигатели синхронные: сложное в простом

Для того, чтобы ротор был связан с бегущей волной магнитного поля катушек статора жестким образом, придумали электродвигатель синхронный. А проблема решается просто. В роторе вместо изменяющегося магнитного поля от короткозамкнутых токов беличьей клетки нужно использовать постоянные магниты и их магнитное поле.

Вариантов два. Или это поле от постоянного магнита, закрепленного в роторе, или это поле от электромагнитов, установленных в роторе вместо такого магнита.

Обычный магнит, конечно, проще. Но тогда для стандартного функционирования таких электромоторов нужно, чтобы на них на всех - а используются тысячи электромоторов - магниты были строго одинаковы. Иначе параметры движения будут разными, а магниты еще имеют свойство размагничиваться.

Электромагнит, установленный в роторе двигателя, легче заставить вырабатывать поле нужного качества, но требуется электрический ток для его работы. Такой ток, который называется током возбуждения, в свою очередь нужно где-то брать и как-то на ротор подавать.

1 – ротор,
2 – коллектор возбуждения

Отсюда и происходит некоторое разнообразие конструкций синхронных двигателей. Но важнее всего то, что синхронные двигатели крутят свой вал строго синхронно частоте бегающего по кругу поля катушек статора, то есть скорость их вращения точно равна - или кратна (если обмоток статора больше трех) - частоте переменного тока в питающей сети.

Однако кроме всего прочего, синхронный двигатель обладает свойством полной обратимости. Потому что синхронный электродвигатель - это тот же самый генератор электрического тока, но работающий «в обратную сторону». В генераторе некоторая механическая сила вращает вал с ротором, и от этого в обмотках статора возникает наведенное электрическое напряжение от вращающегося магнитного поля ротора. А отличие синхронного двигателя от генератора в том, что напряжение в катушках статора порождает бегающее по кругу магнитное поле, которое, взаимодействуя с постоянным магнитным полем ротора, толкает его, чтобы ротор тоже вращался.

Только если в генераторе вращению ротора можно механически придать любую скорость, и от этого будет изменяться частота переменного тока, им генерируемого, то в синхронном двигателе такой роскоши нет. Синхронный двигатель вращается со скоростью изменения напряжения в сети, а оно у нас выдерживается строго в 50 герц.

Отличия и недостатки этих двигателей

Отличия синхронного и асинхронного двигателей ясны из их названий. Собственно, плюсы имеют и тот, и другой вариант конструкции. Ниже перечислены плюсы, которыми отличаются оба двигателя - синхронный и асинхронный.

Асинхронный двигатель отличается от синхронного следующими параметрами:

• простота конструкции и невысокая стоимость;
• нет скользящих контактов, надежность в эксплуатации;
• напряжение прикладывается к неподвижным катушкам статора;
• ротор очень прост по конструкции;
• при запуске и разгоне постепенно наращивает мощность;
• возможность реверсировать направление вращения, просто поменяв местами две питающих фазы;
• при остановке движения (слишком большая механическая нагрузка на вал ротора) никакой аварии не происходит, может произойти перегрев беличьей клетки.

Отличия синхронного двигателя от асинхронного заключаются в следующем:

• стабильная скорость вращения вне зависимости от нагрузки на вал;
• невысокая чувствительность к перепадам напряжения в сети;
• при уменьшении механической нагрузки способен по инерции работать как генератор, не забирая энергию, а отдавая ее в сеть;
• высокий КПД;
• способен компенсировать реактивную мощность сети.

Но у каждого имеются и присущие только ему недостатки.

Асинхронный имеет следующие отрицательные черты:

• трудность регулировки частоты вращения;
• невысокая частота вращения;
• зависимость отставания частоты вращения от нагрузки на ось;
• при работе ротор нагревается за счет короткозамкнутых токов - требуется дополнительное охлаждение.

Недостатки синхронного двигателя:

• сложнее по конструкции;
• в некоторых конструкциях для проводки тока возбуждения в обмотки ротора используется коллектор, как в двигателе постоянного тока;
• труднее запускается.

Несмотря на различия, оба электрических двигателя нашли себе применение в технике и используются в самых разных исполнениях и размерах.

Электродвигатели бывают двух основных типов - синхронные и асинхронные. Что представляют собой те и другие?

Что представляет собой синхронный двигатель?

К синхронным принято относить электродвигатели, которые функционируют на переменном токе и имеют ротор с частотой вращения, совпадающей с частотой оборотов магнитного поля в конструкции агрегата.

Ключевые элементы синхронного электродвигателя:

1. якорь;
2. индуктор.

Первый элемент агрегата располагается на статоре. Индуктор размещается на роторе, который отделен от статора воздушной прослойкой. Структура якоря представлена обмоткой (одной или несколькими). Токи, которые подаются в соответствующий элемент двигателя, формируют магнитное поле, вращающееся с заданной частотой и взаимодействующее с полем индуктора. Индуктор включает 2 полюса - в виде постоянных магнитов.

Синхронный агрегат может функционировать в двух режимах:

• как собственно электродвигатель;
• как генератор.

Первый режим работы предполагает взаимодействие магнитного поля, формирующегося на якоре, и поля, которое образуется на полюсах индуктора. Синхронный двигатель в режиме генератора функционирует за счет электромагнитной индукции: в процессе вращения ротора магнитное поле, которое формируется на обмотке, по очереди взаимодействует с фазами обмотки на статоре, вследствие чего образуется электродвижущая сила.

Что представляет собой асинхронный электродвигатель?

К асинхронным принято относить электродвигатели, в которых частота вращения одного из ключевых элементов - ротора - не совпадает с частотой оборотов магнитного поля, формирующегося током, который возникает на обмотке статора. Асинхронные агрегаты иногда именуются индукционными. Это обусловлено тем, что в обмотке ротора осуществляется индуцирование тока при воздействии магнитного поля статора.

В конструкции асинхронного электродвигателя присутствуют статор и ротор, которые разделены воздушной прослойкой. Основные активные элементы агрегата:

• обмотка;
• магнитопровод.

Важную роль в функционировании асинхронного двигателя играют дополнительные конструктивные элементы, которые обеспечивают прочность, охлаждение и устойчивость работы агрегата.

Сравнение

Главное отличие синхронного двигателя от асинхронного заключается в соотношении величины частот вращения ротора и магнитного поля. В агрегате первого типа оба показателя одинаковые. В асинхронной машине - разные.

Можно отметить, что электродвигатели второго типа в целом более распространены, чем первые. При этом асинхронные агрегаты чаще всего представлены в разновидности, в которой инсталлирован короткозамкнутый ротор. Данные устройства имеют ряд важнейших преимуществ перед электродвигателями иных категорий. А именно:

1. простота конструкции, надежность;
2. относительно невысокая себестоимость производства, эксплуатации;
3. способность функционирования при задействовании имеющихся ресурсов сети без подключения преобразователей.

Вместе с тем асинхронные машины с короткозамкнутым ротором обладают и рядом недостатков. А именно:

• наличие малого пускового момента;
• наличие большого пускового тока;
• пониженный коэффициент мощности;
• низкая управляемость с точки зрения регулирования скорости;
• зависимость максимальной скорости от частоты электрической сети;
• электромагнитный момент в асинхронных двигателях рассматриваемого типа характеризуется сильной чувствительностью к снижению напряжения в сети.

В свою очередь, у синхронных агрегатов также есть неоспоримые достоинства. К таковым можно отнести:

• относительно невысокую чувствительность к перепадам напряжения в сети;
• стабильность вращения вне зависимости от нагрузки на ротор.

Есть у синхронных двигателей и недостатки:

• относительная сложность конструкции;
• сложность запуска ротора в ход.

Отмеченные особенности работы синхронных и асинхронных агрегатов делают оптимальным использование первых в случае, если требуемая мощность двигателя в системе (например, как части инфраструктуры фабричной линии) должна составлять порядка 100 кВт и более. В остальных случаях задействование асинхронных машин, как правило, становится более предпочтительным.

Рассмотрев, в чем разница между синхронным и асинхронным двигателем, отразим выводы в таблице.

Электродвигатели - машины, превращающие энергию электричества в механическую. Преобразованная энергия приводит во вращательное движение ротор двигателя, передающий вращение через трансмиссию непосредственно на вал исполнительного механизма. Основными типами электродвигателей являются синхронный и асинхронный двигатели. Различия между ними определяют возможности использования в различных устройствах и технологических процессах.

Принципы работы

Все электродвигатели имеют неподвижный статор и вращающийся ротор. Разница между асинхронным и синхронным двигателями состоит в принципах создания полюсов. В асинхронном электродвигателе они создаются явлением индукции. Во всех других электродвигателях используются постоянные магниты или катушки с током, создающие магнитное поле.

Особенности синхронных двигателей

Ведущие агрегаты синхронной машины - якорь и индуктор . Якорем является статор, а индуктор располагается на роторе. Под действием переменного тока в якоре образуется вращающееся магнитное поле. Оно сцепляется с магнитным полем индуктора, образованным полюсами постоянных магнитов или катушек с постоянным током. В результате этого взаимодействия энергия электричества преобразуется в кинетическую энергию вращения.

Ротор синхронной машины имеет частоту вращения такую же, как у поля статора. Достоинства синхронных электродвигателей:

• Конструктивно используется и как двигатель, и как генератор.
• Частота вращения, не зависящая от нагрузки.
• Большой коэффициент полезного действия.
• Малая трудоёмкость в ремонте и обслуживании.
• Высокая степень надёжности.

Синхронные машины широко используются как электродвигатели большой мощности для небольшой скорости вращения и постоянной нагрузки. Генераторы применяются там, где требуется автономный источник питания.

Имеются у синхронной машины и недостатки:

• Требуется источник постоянного тока для питания индуктора.
• Отсутствует начальный пусковой момент, для запуска требуется применение внешнего момента или асинхронного пуска.
• Щётки и коллекторы быстро выходят из строя.

Современные синхронные агрегаты содержат в индукторе дополнительно к обмотке, питаемой постоянным током, ещё и пусковую короткозамкнутую обмотку, которая предназначена для пуска в асинхронном режиме.

Отличительные черты асинхронных двигателей

Вращающееся магнитное поле статора асинхронного двигателя наводит индукционные токи в роторе, которые образуют собственное магнитное поле. Взаимодействие полей приводит ротор во вращение. Частота вращения ротора при этом отстаёт от частоты вращения магнитного поля. Именно это свойство отражено в названии двигателя.

Асинхронные электродвигатели бывают двух типов: с короткозамкнутым и с фазным ротором.

Бытовые приборы, такие как вентилятор или пылесос, обычно снабжены двигателями с короткозамкнутым ротором, который представляет собой «беличье колесо». Все стержни замыкаются приваренными с обеих сторон дисками. Взаимодействие магнитного поля статора с наведёнными токами в роторе образовывает электромагнитную силу, которая действует на ротор в направлении вращения поля статора. Крутящий момент на валу электродвигателя создаётся всеми электромагнитными силами от каждого проводника.

В электродвигателе с фазным ротором применяется тот же статор, что и для мотора с короткозамкнутым ротором. А в ротор добавляются обмотки трёх фаз, соединённые в «звезду». К ним можно при пуске двигателя подключать реостаты, регулирующие пусковые токи. С помощью реостатов можно регулировать и частоту вращения двигателя.

Достоинствами асинхронных двигателей можно назвать:

• Питание непосредственно от сетей переменного тока.
• Простоту устройства и сравнительно невысокую стоимость.
• Возможность использования в бытовых приборах с применением однофазного подключения.
• Низкое потребление энергии и экономичность.

Серьёзные недостатки - сложная регулировка частоты вращения и большие теплопотери. Для предотвращения перегрева корпус агрегата делается ребристым, и на вал электродвигателя устанавливается крыльчатка для охлаждения.

Отличие в характеристиках электродвигателей

Конструктивные особенности и рабочие характеристики электродвигателей имеют решающее значение при выборе агрегатов. От этого зависит проектирование трансмиссий и всех силовых узлов механизмов. При выборе двигателя нужно опираться на общность и главные отличия в свойствах машин:

Синхронный и асинхронный электродвигатели находят каждый своё применение. Синхронные двигатели рекомендуется использовать везде при высоких мощностях, где присутствует непрерывный производственный процесс и не нужно часто перезапускать агрегаты или регулировать частоту вращения. Они используются в конвейерах, прокатных станах, компрессорах, камнедробилках и т. д. Современный синхронный электродвигатель имеет такой же быстрый запуск, как и асинхронный, но он меньше и экономичнее, чем асинхронный, равный по мощности.

Асинхронные электродвигатели с фазным ротором применяются там, где нужен большой пусковой момент и частые остановки агрегатов. Например, в лифтах и башенных кранах. Асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором получили широкое применение из-за простоты устройства и удобства в эксплуатации.

Используя достоинства разных агрегатов и то, чем отличается синхронный двигатель от асинхронного, можно делать обоснованный выбор того или иного мотора при проектировании машин, станков и другого оборудования.