Чем отличается синхронный двигатель от асинхронного

Основная задача электродвигателя — преобразовывать электрическую энергию в механическую. Сегодня электродвигатели изготавливаются как постоянного, так и переменного тока. Среди двигателей переменного тока лидируют асинхронные и синхронные двигатели. Асинхронные двигатели малой и средней мощности относятся к группе наиболее часто используемых электродвигателей. Они широко используются как в промышленности, так и в бытовой технике.

В промышленности чаще всего используются асинхронные двигатели трехфазные. Они используются, например, в энергетике — в качестве приводов для собственных нужд электростанций, в строительстве, на транспорте, в коммунальном хозяйстве — в качестве приводов насосов водоснабжения и т. д.

Отличие – кратко простыми словами

Если говорить кратко и простыми словами, синхронный и асинхронный двигателя отличаются конструкцией роторов. Внешне понять какой перед вами электродвигатель практически невозможно, за исключением наличия дополнительных ребер охлаждения у асинхронных электродвигателей.

В устройстве, работающем на синхронном принципе, на роторе предусмотрена обмотка с независимой подачей напряжения.

У асинхронного мотора ток на ротор не подается, а формируется с помощью магнитного статорного поля. При этом статоры обоих агрегатов идентичны по конструкции и несут аналогичную функцию — создание магнитного поля.

Дополнительно в синхронном двигателе магнитные поля статора и ротора взаимодействуют друг с другом и имеют равную скорость.

У асинхронных агрегатов в роторных пазах имеются короткозамкнутые пластинки из металла или контактные кольца, обеспечивающие разность магнитного поля роторного и статорного механизма на величину скольжения.

Несмотря на видимую простоту, разобраться с этим вопросом сразу вряд ли получится, поэтому рассмотрим вопрос более подробно. Поговорим об особенностях и отличиях асинхронных и синхронных машин.

Положительные качества

Как и любое техническое устройство СД и асинхронные двигатели имеют свои сильные и слабые стороны. Свойства со знаком «плюс» или «минус» обусловлены конструктивными и техническими различиями электрооборудования. Какой двигатель установить для простого или высокоскоростного электропривода напрямую зависит от того, чем отличается синхронный двигатель от асинхронного. В связи с этим выделяют следующие достоинства СД:

• возможность работать как генератор и обеспечивать компенсацию реактивной мощности, вырабатываемой электростанциями; эта способность особенно важна для промышленных предприятий, поскольку синхронный генератор, работая с опережающим током, увеличивает коэффициент мощности электросети, уменьшает нагрузку на трансформаторы, кабели, улучшает качестве электроэнергии и, как результат, способствует лучшей отдаче от асинхронных моторов;
• высокий коэффициент полезного действия порядка 97-98%;
• возможность изменять перегрузочные параметры посредством разных характеристик тока, питающего роторный механизм;
• низкий порог чувствительности к перепадам напряжения в электросети, что является важным отличием от асинхронных электромоторов;
• высокая надежность работы благодаря воздушному зазору больших размеров.

АД имеет свои преимущества перед устройством синхронного типа и характеризуются:

• более простой и надежной конструкцией, обусловленной трехфазным принципом подключения и упрощенным конструированием, понятным для чайников;
• способностью запускаться напрямую, в то время как пуск синхронного двигателя с прямым сетевым подключением невозможен;
• экономичным энергопотреблением, что значит снижение эксплуатационных затрат;
• доступной относительно низкой ценой, чем отличаются от СД;
• универсальностью применения, особенно в местах с частотно-регулируемыми электроприводами с обратной связью; в этом случае для вращения асинхронного мотора с требуемыми оборотами устанавливают электронное устройство управления;
• способностью работать от одно- и трехфазной сети, что позволяет использовать этот двигатель в местах с отсутствием развитой инфраструктуры.

Положительным моментом АД также является способность самозапускаться после потери и возобновления электропитания. Этот тип машин лучше и по затратам на обслуживание. При эксплуатации достаточно производить чистку элементов машины от загрязнений, протягивать контакты и лишь спустя полтора десятка лет заменить подшипники в двигателях.

Синхронный двигатель (СД)

Синхронный двигатель — агрегат с индивидуальной конструкцией ротора и индуктором с постоянными магнитами. Отличается улучшенными характеристиками мощности, момента и инерции. Имеет ряд особенностей конструкции и принципе действия.

Устройство

Конструктивно состоит из двух элементов: ротора (вращается) и статора (фиксированный механизм). Роторный узел находится во внутренней части статора, но бывают конструкции, когда ротор расположен поверх статора.

В состав ротора входят постоянные магниты, отличающиеся повышенной коэрцитивной силой.

Конструктивно СД делятся на два типа по полюсам:

1. Неявно выраженные. Отличаются одинаковой индуктивностью по поперечной и продольной оси.
2. Явно выраженные. Поперечная и продольная индуктивность имеют разные параметры.

Конструктивно роторы бывают разными устройством и по конструкции.

В частности, магниты бывают:

1. Наружной установки.
2. Встроенные.

Статор условно состоит из двух компонентов:

1. Кожух.
2. Сердечник с проводами.

Обмотка статорного механизма бывает двух видов:

1. Распределенная. Ее отличие состоит в количестве пазов на полюс и фазу. Оно составляет от двух и более.
2. Сосредоточенная. В ней количество пазов на полюс и фазу всего одно, а сами пазы распределяются равномерно по поверхности статорной части. Пара катушек, формирующих обмотку, могут соединяться в параллель или последовательно. Минус подобных обмоток состоит в невозможности влияния на линию ЭДС.

Форма электродвижущей силы электрического синхронного мотора бывает в виде:

1. Трапеции. Характерна для устройств с явно выраженным полюсом.
2. Синусоиды. Формируется за счет скоса наконечников на полюсах.

Если говорить в целом, синхронный мотор состоит из следующих элементов:

• узел с подшипниками;
• сердечник;
• втулка;
• магниты;
• якорь с обмоткой;
• втулка;
• «тарелка» из стали.

Принцип работы

Сначала к обмоткам возбуждения подводится постоянный ток. Он создает магнитное поле в роторной части. Статор устройства содержит обмотку для создания магнитного поля.

Как только на статорную обмотку подается ток переменной величины, по закону Ампера создается крутящий момент, и ротор начинает вращаться с частотой, равной частоте тока в статорном узле. При этом оба параметра идентичны, поэтому и двигатель носит название синхронный.

Роторная ЭДС формируется, благодаря независимому источнику питания, что позволяет менять обороты и не привязываться к мощности подключенных потребителей.

С учетом особенностей работы синхронный электродвигатель не может запуститься самостоятельно при подключении к трехфазному источнику тока.

Сфера применения

Электродвигатель синхронного типа имеет широкую сферу применения, благодаря постоянству частоты вращения.

Эта особенность расширяет сферу его применения:

• энергетика: источники реактивной мощности для поддержания напряжения, сохранение устойчивости сети при аварийных просадках;
• машиностроение, к примеру, при изготовлении гильотинных ножниц с большими ударными нагрузками;
• прочие направления — вращение мощных компрессоров или вентиляторов, генераторы на электростанциях, обеспечение устойчивой работы насосного оборудования и т. д.

Отрицательные моменты

Сравнительная характеристика относительно «минусов» позволит сделать полноценное сравнение рассматриваемых типов моторов и решить окончательно, какой двигатель оптимально подойдет под существующие условия. Относительно отрицательных сторон отличие синхронной эл/машины заключается в:

• более сложном конструировании, что отражается на его стоимости;
• неудобстве с запуском, поскольку пуск синхронного двигателя с прямым подключением не производится;
• ограниченности использования, так как эти виды приводов предназначены только для оборудования с неизменной частотой вращения и с питанием от сети постоянного тока.

Асинхронный двигатель отличается от синхронника и характеризуется следующими недостатками:

• повышенным нагревом механизма, что вызывает необходимость увеличивать площадь охлаждения корпуса, делая его ребристым; дополнительно это позволяет визуально отличить мотор;
• невысоким пусковым КПД и повышенной реактивностью, ограничивающей число пусков в определенный отрезок времени, чем отличается асинхронный двигатель не в лучшую сторону;
• неспособностью работать на сетевом напряжении менее 220В;
• возникновением эффекта «скольжения»; об этом свидетельствует отставание частоты якоря от магнитного потока индуктора;
• высокой токовой нагрузкой в момент пуска, в чем заключается основная проблема машин мощностью более 10 кВт; значение пускового тока может превышать номинальную величину в шести или восьмикратном размере и длиться в течение 5 – 10 секунд.

Асинхронный двигатель (АД)

Асинхронный (индукционный) электродвигатель, имеющий разную частоту вращения магнитного поля в статоре и скорости ротора. В зависимости от типа и настройки может работать в двигательном или генераторном режиме, режиме ХХ или электромагнитного тормоза.

Конструктивные особенности

Конструктивно асинхронные механизмы трудно отличить от синхронных. Они также состоят из двух основных узлов: статора и ротора. При этом роторный узел может быть фазным или короткозамкнутым. Но небольшие конструктивные отличия все-таки имеются.

Рассмотрим, из чего состоит асинхронный двигатель:

• сердечник;
• вентилятор с корпусом;
• подшипник;
• коробка с клеммами;
• тройная обмотка;
• контактные кольца.

С учетом сказанного одним из главных отличий является отсутствие обмоток на якоре (исключением являются фазные АД). Вместо обмотки в роторе находятся стержни, закороченные между собой.

Способы возбуждения синхронных генераторов

Самым распространенным способом создания основного магнитного потока синхронных генераторов является электромагнитное возбуждение, состоящее в том, что на полюсах ротора располагают обмотку возбуждения, при прохождении по которой постоянного тока, возникает МДС, создающая в генераторе магнитное поле. До последнего времени для питания обмотки возбуждения применялись преимущественно специальные генераторы постоянного тока независимого возбуждения, называемые возбудителями В
(рис. 1.3, а). Обмотка возбуждения (
ОВ
) получает питание от другого генератора (параллельного возбуждения), называемого подвозбудителем (
ПВ
). Ротор синхронного генератора, возбудителя и подвозбудителя располагаются на общем валу и вращаются одновременно. При этом ток в обмотку возбуждения синхронного генератора поступает через контактные кольца и щётки. Для регулирования тока возбуждения применяют регулировочные реостаты, включаемые в цепи возбуждения возбудителя
r
1 и подвозбудителя
r
2 . В синхронных генераторах средней и большой мощности процесс регулирования тока возбуждения автоматизируют.

В синхронных генераторах получила применение также бесконтактная система электромагнитного возбуждения, при которой синхронный генератор не имеет контактных колец на роторе. В качестве возбудителя в этом случае применяют обращенный синхронный генератор переменного тока В

(рис. 1.3, б). Трехфазная обмотка
2
возбудителя, в которой наводится переменная ЭДС, расположена на роторе и вращается вместе с обмоткой возбуждения синхронного генератора и их электрическое соединение осуществляется через вращающийся выпрямитель
3
непосредственно, без контактных колец и щёток. Питание постоянным током обмотки возбуждения
1
возбудителя В осуществляется от подвозбудителя
ПВ
– генератора постоянного тока. Отсутствие скользящих контактов в цепи возбуждения синхронного генератора позволяет повысить её эксплуатационную надёжность и увеличить КПД.

В синхронных генераторах, в этом числе гидрогенераторах, получил распространение принцип самовозбуждения (рис. 1.4, а), когда энергия переменного тока, необходимая для возбуждения, отбирается от обмотки статора синхронного генератора и через понижающий трансформатор и выпрямительный полупроводниковый преобразователь ПП

преобразуется в энергию постоянного тока. Принцип самовозбуждения основан на том, что первоначальное возбуждение генератора происходит за счёт остаточного магнетизма машины.

На рис. 1.4, б представлена структурная схема автоматической системы самовозбуждения синхронного генератора (СГ

) с выпрямительным трансформатором (
ВТ
) и тиристорным преобразователем (
ТП
), через которые электроэнергия переменного тока из цепи статора
СГ
после преобразования в постоянный ток подаётся в обмотку возбуждения. Управление тиристорным преобразователем осуществляется посредством автоматического регулятора возбуждения
АРВ
, на вход которого поступают сигналы напряжения на входе
СГ
(через трансформатор напряжения
ТН
) и тока нагрузки
СГ
(от трансформатора тока
ТТ
). Схема содержит блок защиты (
БЗ
), обеспечивающий защиту обмотки возбуждения (
ОВ
) от перенапряжения и токовой перегрузки.

Мощность, затрачиваемая на возбуждение, обычно составляет от 0,2 до 5 % полезной мощности (меньшее значение относится к генераторам большой мощности). В генераторах малой мощности находит применение принцип возбуждения постоянными магнитами, расположенными на роторе машины. Такой способ возбуждения даёт возможность избавить генератор от обмотки возбуждения. В результате конструкция генератора существенно упрощается, становится более экономичной и надёжной. Однако, из-за высокой стоимости материалов для изготовления постоянных магнитов с большим запасом магнитной энергии и сложности их обработки применение возбуждения постоянными магнитами ограничено машинами мощностью не более нескольких киловатт.

Синхронные генераторы

составляют основу электроэнергетики, так как практически вся электроэнергия во всём мире вырабатывается посредством синхронных турбо- или гидрогенераторов.

Так же синхронные генераторы находят широкое применение в составе стационарных и передвижных электроустановок или станций в комплекте с дизельными и бензиновыми двигателями.

Сравнение синхронного и асинхронного двигателей

В завершение можно подвести итог, в чем главные отличия асинхронных (АД) и синхронных (СД) моторов.

Выделим базовые моменты:

1. Ротору асинхронных моторов не требуется питание по току, а индукция на полюсах зависит от статорного магнитного поля.
2. Обороты АД под нагрузкой отстают на 1-8% от скорости вращения поля статора. В СД количество оборотов одинаково.
3. В «синхроннике» предусмотрена обмотка возбуждения.
4. Конструктивно ротор СД представляет собой магнит: постоянный, электрический. У АД магнитное поле в роторном механизме наводится с помощью индукции.
5. У синхронной машины нет пускового момента, поэтому для достижения синхронизации нужен асинхронный пуск.
6. «Синхронники» применяются в случаях, когда необходимо обеспечить непрерывность производственного процесса и нет необходимости частого перезапуска. АД нужны там, где требуется большой пусковой момент и имеют место частые остановки.
7. СД нуждается в дополнительном источнике тока.
8. «Асинхронники» медленнее изнашиваются, ведь в их конструкции нет контактных колец со щетками.
9. Для АД, как правило, характерно не круглое количество оборотов, а для СД — округленное.

Какой агрегат лучше

В заключение нужно отметить, что говорить, якобы один мотор лучше другого, нельзя. Однако, асинхронные модели надежнее в эксплуатации, отличаются простотой конструкции. Если агрегаты не перегружать, то их длительным сроком службы пользователь может остаться довольным.

Достоинством синхронной модели является то, что можно легко установить высокий коэффициент мощности. Поэтому модель является гораздо более эффективной, но по цене она будет соответственно дороже. Машины применяются в системах с требуемой мощностью 100 кВт и более.

Про реактивную мощность

Синхронные электродвигатели генерируют и одновременно потребляют реактивную мощность. Особенности и параметры «реактива» зависит от тока в возбуждающей обмотке. При полной нагрузке косинус Фи равен 1. В таком режим СД не потребляет «реактив» из сети, а ток в статорной обмотке минимален.

Здесь важно понимать, что реактивная мощность ухудшает параметры энергосистемы. Большой параметр неактивных токов приводит к повышению расхода топлива, увеличению потерь и снижению напряжения.

Кроме того, «реактив» грузит линии передач электроэнергии, что ведет к необходимости увеличения сечения кабелей и проводов, а, соответственно, повышению капитальных расходов.

Сегодня одна из главных задач энергетиков — компенсация реактивной мощности. К основным ее потребителям относят АД, потребляющие 40% «реактива», электрические печи, преобразователи, ЛЭП и силовые трансформаторы.

Объяснение принципа работы синхронного электродвигателя для «чайников»

С детства мы помним, что два магнита, если их приблизить друг к другу, в одном случае притягиваются, а в другом отталкиваются. Происходит это, в зависимости от того, что какими сторонами магнитов мы их соединяем, разноимённые полюса притягиваются, а одноимённые отталкиваются. Это – постоянные магниты, у которых магнитное поле присутствует постоянно. Существуют и переменные магниты.

В школьном учебнике по физике есть рисунок, где изображён электромагнит в виде подковы и рамка с полукольцами на концах, которая расположена между его полюсами.

При расположении рамки в горизонтальном положении в пространстве между полюсами магнитов, из-за того, что магнит притягивает разноимённые полюса и отталкивает одноимённые, на рамку подаётся ток, одинакового знака. Вокруг рамки появляется электромагнитное поле (вот пример переменного магнита!), полюса магнитов притягивают рамку, и она поворачивается в вертикальное положение. При достижении вертикали, на рамку подаётся ток противоположного знака, электромагнитное поле рамки меняет полюсность, и полюса постоянного магнита начинают отталкивать рамку, вращая её до горизонтального положения, после чего цикл вращения повторяется.

В этом заключается принцип работы электродвигателя. Причём, примитивного синхронного электродвигателя!

Итак, примитивный синхронный электродвигатель работает, когда на рамку подаётся ток. У настоящего синхронного электродвигателя, роль рамки выполняет ротор с катушками проводов, называемых обмотками, на которые подаётся ток (они служат источниками электромагнитного поля). А роль подковообразного магнита выполняет статор, изготовленный либо из набора постоянных магнитов, либо тоже из катушек проводов (обмоток), которые, при подаче тока являются также источниками электромагнитного поля.

Ротор синхронного электродвигателя будет вращаться с такой же частотой, с какой меняется ток, подаваемый на клеммы обмотки, т.е. синхронно. Отсюда название этого электродвигателя.

Особенности и применение разных видов электродвигателей

У каждого типа двигателей есть достоинства и недостатки по сравнению с другими. Это определяет область их применения. Применение разных типов электромашин зависит от их особенностей конструкции и принципа действия.

Достоинства и использование асинхронных электродвигателей

Такие машины имеют достоинства перед синхронными аппаратами:

• простота конструкции и низкая цена; аппараты с фазным ротором позволяют регулировать скорость вращения и осуществлять плавный пуск без использования преобразователей частоты;
• большое разнообразие мощностей – от нескольких ватт до десятков киловатт.

Кроме достоинств есть недостатки:

• падение скорости вращения при росте нагрузки;
• более низкий КПД и большие габариты, чем у синхронных аппаратов той же мощности;
• кроме активной, такие аппараты потребляют реактивную (индуктивную) мощность, что ведёт к необходимости устанавливать компенсаторы или дополнительно оплачивать реактивную электроэнергию.

Недостатки электродвигателя

Специалисты отмечают два основных минуса таких электродвигателей. В первую очередь это сложность конструкции. Не механической части, а именно электронной основы, которая обеспечивает управление мотором. Применение микропроцессоров, датчиков, инверторов и сопутствующей электротехнической фурнитуры требует соответствующего подхода к обеспечению надежности работы компонентов системы. Таким образом, повышается и стоимость обслуживания техники. Вместе с этим, отмечается и дороговизна магнитов, на которых базируется вентильный двигатель даже в простых однофазных исполнениях. На практике пользователи стараются заменять недешевые элементы и расходники, вместе с этим упрощая и систему управления. Но такие меры сами по себе требуют определенных ресурсов, не говоря о том, что снижается эффективность двигателя.

Сравнительная таблица

Сравним оба типа двигателя по основным параметрам.

РАЗНИЦА В ПРИМЕНЕНИИ

Синхронные двигатели в отличии от асинхронных имеют более сложную конструкцию и высокую цену, но обладают улучшенными эксплуатационными характеристиками:

• частота вращения более стабильна и не имеет ярко выраженной зависимости от нагрузки на валу и уровня сетевого напряжения;
• более высокая перегрузочная способность;
• двигатели с автоматическим регулированием тока возбуждения способны поддерживать оптимальное напряжение в сети.

Асинхронные потребляют наряду с активной большой объём реактивной энергии, которая транспортируется по линиям вместе с активной составляющей, увеличивая потери.

В крупных узлах потребления это приводит к дефициту реактивной мощности и значительной посадке напряжения. В этом случае используют батареи конденсаторов или синхронные компенсаторы, вырабатывающие реактивную мощность.

Применение СД вместо АД решает эту проблему, так как синхронные двигатели могут работать в широком диапазоне значений cos⁡ φ, не только не потребляя реактивную мощность, но и отдавая её в электрическую сеть.

© 2014-2021 г.г. Все права защищены. Материалы сайта имеют ознакомительный характер, могут выражать мнение автора и не подлежат использованию в качестве руководящих и нормативных документов.