Достоинства и недостатки синхронного двигателя. Преимущества и недостатки синхронных двигателей: ключевые особенности и сферы применения

Каковы основные достоинства синхронных двигателей по сравнению с асинхронными. Какие недостатки присущи синхронным двигателям. В каких отраслях промышленности наиболее эффективно применение синхронных электродвигателей. Как выбрать оптимальный тип двигателя для конкретной задачи.

Принцип работы синхронного двигателя

Синхронный двигатель — это электрическая машина переменного тока, частота вращения ротора которой равна частоте вращения магнитного поля статора. Основные элементы конструкции:

• Статор с трехфазной обмоткой
• Ротор с обмоткой возбуждения
• Контактные кольца для подачи постоянного тока в обмотку ротора

При подаче трехфазного переменного тока в обмотку статора создается вращающееся магнитное поле. Обмотка ротора питается постоянным током, создавая неподвижное относительно ротора магнитное поле. Взаимодействие этих полей приводит к вращению ротора синхронно с полем статора.

Основные преимущества синхронных двигателей

Синхронные двигатели обладают рядом важных достоинств по сравнению с асинхронными машинами:

1. Высокий КПД

За счет отсутствия скольжения ротора КПД синхронных двигателей выше, особенно при работе с неполной нагрузкой. Это обеспечивает экономию электроэнергии.

2. Стабильная скорость вращения

Частота вращения ротора всегда равна частоте сети, не зависит от нагрузки. Это важно для приводов, требующих точного поддержания скорости.

3. Регулируемый коэффициент мощности

Изменяя ток возбуждения, можно регулировать cosφ в широких пределах, вплоть до работы с опережающим током. Это позволяет использовать двигатель для компенсации реактивной мощности.

4. Высокая перегрузочная способность

Кратность максимального момента достигает 3-3,5, что выше, чем у асинхронных двигателей. Это обеспечивает устойчивую работу при кратковременных перегрузках.

Недостатки синхронных двигателей

Несмотря на преимущества, синхронные машины имеют и некоторые недостатки:

• Сложность конструкции из-за наличия системы возбуждения
• Более высокая стоимость по сравнению с асинхронными двигателями
• Необходимость в источнике постоянного тока для питания обмотки возбуждения
• Сложный пуск, требующий специальных методов
• Склонность к колебаниям при резких изменениях нагрузки

Применение синхронных двигателей в промышленности

Основные сферы применения синхронных электродвигателей:

• Привод мощных компрессоров, насосов, вентиляторов
• Привод прокатных станов в металлургии
• Привод дробилок и мельниц в горнодобывающей промышленности
• Судовые гребные электродвигатели
• В качестве синхронных компенсаторов для повышения cosφ сети

Синхронные двигатели эффективны в установках, требующих стабильной скорости вращения и работающих с постоянной нагрузкой длительное время.

Сравнение синхронных и асинхронных двигателей

При выборе типа электродвигателя необходимо учитывать ряд факторов:

Параметр	Синхронный двигатель	Асинхронный двигатель
КПД	Выше	Ниже
Стабильность скорости	Высокая	Зависит от нагрузки
Пусковые характеристики	Хуже	Лучше
Стоимость	Выше	Ниже
Конструкция	Сложнее	Проще

Для мощных установок с длительным режимом работы обычно выгоднее применение синхронных двигателей. Для привода механизмов с частыми пусками и переменной нагрузкой лучше подходят асинхронные машины.

Современные тенденции в развитии синхронных двигателей

Основные направления совершенствования синхронных машин:

• Применение постоянных магнитов вместо электромагнитного возбуждения
• Разработка синхронных реактивных двигателей без обмотки возбуждения
• Создание высокооборотных синхронных двигателей
• Применение частотного регулирования для улучшения пусковых свойств
• Использование современных систем управления для оптимизации работы

Эти инновации позволяют расширить сферу применения синхронных двигателей и повысить их энергоэффективность.

Выбор оптимального типа двигателя

При выборе между синхронным и асинхронным двигателем следует учитывать:

1. Требуемую мощность и скорость вращения
2. Характер нагрузки (постоянная или переменная)
3. Режим работы (длительный или повторно-кратковременный)
4. Условия пуска и регулирования скорости
5. Требования к энергоэффективности
6. Стоимость оборудования и эксплуатационные расходы

Для каждого конкретного случая необходим индивидуальный подход с учетом всех факторов. В некоторых ситуациях оптимальным может быть комбинированное применение синхронных и асинхронных двигателей.

Заключение

Синхронные двигатели обладают рядом важных преимуществ, делающих их незаменимыми в определенных отраслях промышленности. Несмотря на более высокую стоимость и сложность, их применение позволяет значительно повысить энергоэффективность мощных установок. Дальнейшее совершенствование конструкции и систем управления расширяет возможности использования синхронных машин.

Достоинства и недостатки синхронных электродвигателей

Синхронные двигатели получили широкое распространение в промышленности для электроприводов, работающих с постоянной скоростью.Можно встретить синхронные электродвигатели также в качестве привода насосов большой мощности длительного режима работы. В последнее время, вследствие появления преобразовательной полупроводниковой техники, разрабатываются регулируемые синхронные электроприводы (с частотными преобразователями), уже существуют сервоприводы с синхронными электродвигателями. Все это существенно расширяет сферу применения синхронных электродвигателей в наше время. Ну и кроме этого, очень распространены маломощные синхронные двигатели, которые используются в различной бытовой технике, часах и других приборах.

Принцип действия синхронного двигателя основан на взаимодействии вращающегося переменного магнитного поля якоря и постоянных магнитных полей полюсов индуктора. Обычно якорь расположен на статоре, а индуктор — на роторе. В мощных двигателях. как в тех, что ставят в универсальные соковыжималки  в качестве полюсов используются электромагниты (ток на ротор подаётся через скользящий контакт), в маломощных — постоянные магниты. Именно конструкция ротора и определяет наиболее существенное отличие синхронных электродвигателей от асинхронных.

Двигатель требует разгона до номинальной скорости вращения, прежде чем сможет работать самостоятельно. При такой скорости вращающееся магнитное поле якоря сцепляется с магнитными полями полюсов индуктора — это называется «вошёл в синхронизм».

Для разгона обычно используется асинхронный режим, когда обмотки индуктора замыкаются через реостат или накоротко. После выхода на номинальную скорость индуктор запитывают постоянным током от выпрямителя. 
В двигателях с постоянными магнитами применяется внешний разгонный двигатель (обычно асинхронный). Для асинхронного двигателя применяется устройство плавного пуска. 
Существуют комбинированные варианты, в которых на роторе, вместе с постоянными или электромагнитами, установлены короткозамкнутые обмотки. Иногда на валу ставят небольшой генератор постоянного тока, который питает электромагниты. 

Также используется частотный пуск, когда частоту тока якоря постепенно увеличивают от очень малых до номинальных величин. Возможен и обратный вариант, когда частоту индуктора понижают от номинальной до 0, т.е. до постоянного тока.Достоинства синхронных электродвигателей

Синхронный двигатель несколько сложнее, чем асинхронный, но обладает рядом преимуществ, что позволяет применять его в ряде случаев вместо асинхронного.
1. Основным достоинством синхронного электродвигателя является возможность получения оптимального режима по реактивной энергии, который осуществляется путем автоматического регулирования тока возбуждения двигателя. Синхронный двигатель может работать, не потребляя и не отдавая реактивной энергии в сеть, при коэффициенте мощности (cos фи) равным единице. В этих условиях работающий синхронный двигатель нагружает сеть только активным током. По этой причине обмотка статора синхронного двигателя рассчитывается на один активный ток (у асинхронного двигателя эта обмотка рассчитывается на активный и реактивный токи). По этой причине при одинаковой номинальной мощности габариты синхронного двигателя меньше, а его к.п.д. выше, чем асинхронного.
Если же для предприятия необходима выработка реактивной энергии, то синхронный электродвигатель, работая с перевозбуждением, может отдавать ее в сеть. Если ток возбуждения синхронного двигателя существенно меньше номинального, то магнитный поток ротора индуктирует в обмотке статора э.д.с., меньшую, чем напряжение сети – это условие, когда двигатель недовозбужден. Помимо активного тока, он нагружает сеть реактивным током, отстающим по фазе от напряжения на четверть периода, как намагничивающий ток асинхронного электродвигателя. Но если постоянный ток возбуждения больше номинального, то э.д.с. больше напряжения сети – двигатель перевозбужден. Он нагружает сеть, кроме активного тока, реактивным током, опережающим по фазе напряжение сети, совершенно также как емкостной ток конденсатора. Следовательно, перевозбужденный синхронный двигатель может подобно емкости улучшать общий cos? промышленного предприятия, снижаемый индуктивными токами асинхронных двигателей.  
2. Синхронные электродвигатели менее чувствительны к колебаниям напряжения сети, чем асинхронные электродвигатели. Их максимальный момент пропорционален напряжению сети, в то время как критический момент асинхронного электродвигателя пропорционален квадрату напряжения. 
3. Синхронные электродвигатели имеют высокую перегрузочную способность. Кроме того, перегрузочная способность синхронного двигателя может быть автоматически увеличена за счет повышения тока возбуждения, например, при резком кратковременном повышении нагрузки на валу двигателя. 
4. Скорость вращения синхронного двигателя остается неизменной при любой нагрузке на валу в пределах его перегрузочной способности.

Теги:достоинство|недостаток|двигатель|ротор

 

Достоинства и недостатки синхронных двигателей в сравнении с асинхронными. Принцип действия асинхронного двигателя. Режимы работы АД. Электрические сети с изолированной нейтралью

Электротехника \ Электрические машины

Страницы работы

5 страниц (Word-файл)

Посмотреть все страницы

Скачать файл

Содержание работы

В роторе изменит направление и фазу на 180⁰, момент измениться на противоположный и станет тормозящим, и машина будет работать в генераторном режиме и будет отдавать активную эн. в сеть, а реактивная эн., которая нужна для создания вращ. поля асинхр. г-ор будет потреблять из сети. Условия работы АМ в режиме г-ра n>n₁ , то S=(n₁-n)/n₁<0 и 0>S>-¥.

Режим эл.магн.тормоза. Для того, чтобы перевести машину в этот режим необходимо вращать ротор против направления поля. S=(n₁-(-n))/n₁>1 и  ¥>S>1 при реверсе и принудительно.

Машины14

Пуск в ход СД.

Наиболее распространенным является асинхронный пуск. Для этого служит пусковая обмотка выполняемая в виде беличьей клетки.

Пуск: обмотка возбуждения шунтируется резистором, сопротивление которого в 10 раз больше сопротивления ов. Затем обмотка статора включается в сеть либо непосредственно, либо с помощью тр-ра или реактора в зав-ти от тяжести пуска. Машина начинает разворачиваться как АД. При достижении СД S= 0,05 включается возбужд., а шунтирующий резистор отключается. СД под действием входного момента втягивается в синхронизм. Пусковые характеристики СД проектируются для более тяжелых или более легких условий пуска.1 – лёгкий 2 – тяжёлый

Если оставить концы ОВ разомкнутыми, то в нач. момент времени пуска она будет индуктировать большую ЭДС и может случиться пробой изоляции.

Если закоротить концы ОВ накоротко, то под действием ЭДС будут протекать токи, которые будут создавать пульсирующее поле, которое состоит из прямого и обратного. Прямое создаёт момент направленный в сторону вращения. А момент обратного поля при S=0,5 М=0, при S>0.5 M>0, при S<0.5 M<0. В результате суммирования моментов в пусковой характеристике образуется провал в области S=0,5 и СД может не развернуться до скорости близкой с синхронной. 2. Пуск с наглухоподключенным возбудителем. Здесь ОВ не шунтируется резистором, и к ней подключена ОЯ возбудителя. При включении обмотки статора двигатель начинает разворачиваться. При S=0,05 машина втягивается в синхронизм. Схема пуска более простая, но для СД пуск более тяжёлый, поскольку ОВ шунтированная ОД возбудителя с малым акт. сопр. и проявляется эффект Гергеса. Этот пуск допускается при половинной нагрузке. 3.Пуск с помощью разгонного двигателя. Для этого необходим либо АД либо ДПТ либо дизельный. С его помощью СД разворачивается ≈ до ном. скорости при S=0,05 и после этого происходит грубая синхронизация с сетью. Частотный пуск. Для этого нужен преобразователь частоты. На выходе обеспечивается изменение ч-ты и U. При малых ч-тах вращения СД втягивается в синхронизм. Броски тока есть но не большие.

Машины15

Достоинства и недостатки СД в сравнении с АД

Достоинства: 1.Возможность работы с cosj=1. Это приводит к улутшению cos в сети, а также к сокращению размеров двигателя, т.к. ток его меньше тока АД той же мощности. При работе с опережающим cos СД служит генератором Q мощности, поступающей в АД, что снижает потребление этой мощности от Г эл. станции.

2.Ммах пропорционален U1 а у АД U2 , поэтому СД мение чувствителен к изменению Uсети и имеет большую перегрузочную способность.

3.Возможность увеличения Iвозб позволяет увеличить устойчивость работы при аварийных изменениях в сети. (форсировка возбуждения).

4.В следствии большой величины воздушного зазора добавочные потери в стали и в клетке ротора меньше, чем у АД и поэтому КПД СД выше.

Недостатки: 1.Более сложная конструкция.

2.Наличие возбуждения, т.е. сложнее пуск.

3.Более высокая стоимость.

4.Склонность к качаниям при Р<100кВт. Устранение этого – демпферная обмотка.

СД при условии лёгких пусков целесообразно применять при Р=200 кВт и выше. СД выпускаются до Р=500 кВт.

Применение Сд сдерживают плохие пусковые с-ва и сложности регулирования скорости

Мащины16

Принцип действия АД. Режимы работы АД.

3-х фазная обмотка статора включается в 3-х фазную сеть. Обмотка симметрич., а напряжение сети представляет симметричную систему проямой последовательности. Через обмотку будет протекать симметричная 3-х фазная система токов , которые создают симметричн. вращ. поле. Полевращается с частотой n₁=f₁/p При вращении поле пересекает проводники обмотки статора и индуцирует в этой обмотке 3-х фазную систему ЭДС Е₂ Под её действием в роторе протекает симметричная система токов i₂ При неподвижном роторе, эти токи создают вращающеся магнитное поле, которое вращается с частотой n₂=f₂/p=f₁/p=n₁. Поле ротора и поле статора образует вращ. поле. При взаимодействии этого поля с токами i₂ образуются эл. магнитные силы действующие на проводники. А силы образуют эл. магнитный момент. Если момент имеет достаточную величину, то ротор приходит во вращение. Причём частота вращения ротора не равна частоте вращения поля. В противном случае эл. магн. момент  не будет развиваться. В зависимости от соотношения частот поля и ротора АМ может работать в режиме двигательный, генераторный, эл.маг.тормоза. Режим двигателя: при этом n<n₁ относительная разность частот вращ. поля и ротора наз-ют скольжением S=(n₁-n)/n₁ . При  пуске двигателя, когда ротор неподвижен S=1, а если ротор вращается с частотой поля, то S=0, т.е. 1>S>0. Развиваемый Мэм положителен и направлен в сторону вращения. Поле ротора при вращающемся роторе вращается с такой же частотой относительно статора, как и поле статора и оба этих поля создают общее вращающее магнитное поле. Режим генератора: Если с помощю внешнего момента вращать ротор побыстрее, чем вращ.магн.поле, то так

Похожие материалы

Информация о работе

Скачать файл

Выбери свой ВУЗ

• АлтГТУ 419
• АлтГУ 113
• АмПГУ 296
• АГТУ 267
• БИТТУ 794
• БГТУ «Военмех» 1191
• БГМУ 172
• БГТУ 603
• БГУ 155
• БГУИР 391
• БелГУТ 4908
• БГЭУ 963
• БНТУ 1070
• БТЭУ ПК 689
• БрГУ 179
• ВНТУ 120
• ВГУЭС 426
• ВлГУ 645
• ВМедА 611
• ВолгГТУ 235
• ВНУ им. Даля 166
• ВЗФЭИ 245
• ВятГСХА 101
• ВятГГУ 139
• ВятГУ 559
• ГГДСК 171
• ГомГМК 501
• ГГМУ 1966
• ГГТУ им. Сухого 4467
• ГГУ им. Скорины 1590
• ГМА им. Макарова 299
• ДГПУ 159
• ДальГАУ 279
• ДВГГУ 134
• ДВГМУ 408
• ДВГТУ 936
• ДВГУПС 305
• ДВФУ 949
• ДонГТУ 498
• ДИТМ МНТУ 109
• ИвГМА 488
• ИГХТУ 131
• ИжГТУ 145
• КемГППК 171
• КемГУ 508
• КГМТУ 270
• КировАТ 147
• КГКСЭП 407
• КГТА им. Дегтярева 174
• КнАГТУ 2910
• КрасГАУ 345
• КрасГМУ 629
• КГПУ им. Астафьева 133
• КГТУ (СФУ) 567
• КГТЭИ (СФУ) 112
• КПК №2 177
• КубГТУ 138
• КубГУ 109
• КузГПА 182
• КузГТУ 789
• МГТУ им. Носова 369
• МГЭУ им. Сахарова 232
• МГЭК 249
• МГПУ 165
• МАИ 144
• МАДИ 151
• МГИУ 1179
• МГОУ 121
• МГСУ 331
• МГУ 273
• МГУКИ 101
• МГУПИ 225
• МГУПС (МИИТ) 637
• МГУТУ 122
• МТУСИ 179
• ХАИ 656
• ТПУ 455
• НИУ МЭИ 640
• НМСУ «Горный» 1701
• ХПИ 1534
• НТУУ «КПИ» 213
• НУК им. Макарова 543
• НВ 1001
• НГАВТ 362
• НГАУ 411
• НГАСУ 817
• НГМУ 665
• НГПУ 214
• НГТУ 4610
• НГУ 1993
• НГУЭУ 499
• НИИ 201
• ОмГТУ 302
• ОмГУПС 230
• СПбПК №4 115
• ПГУПС 2489
• ПГПУ им. Короленко 296
• ПНТУ им. Кондратюка 120
• РАНХиГС 190
• РОАТ МИИТ 608
• РТА 245
• РГГМУ 117
• РГПУ им. Герцена 123
• РГППУ 142
• РГСУ 162
• «МАТИ» — РГТУ 121
• РГУНиГ 260
• РЭУ им. Плеханова 123
• РГАТУ им. Соловьёва 219
• РязГМУ 125
• РГРТУ 666
• СамГТУ 131
• СПбГАСУ 315
• ИНЖЭКОН 328
• СПбГИПСР 136
• СПбГЛТУ им. Кирова 227
• СПбГМТУ 143
• СПбГПМУ 146
• СПбГПУ 1599
• СПбГТИ (ТУ) 293
• СПбГТУРП 236
• СПбГУ 578
• ГУАП 524
• СПбГУНиПТ 291
• СПбГУПТД 438
• СПбГУСЭ 226
• СПбГУТ 194
• СПГУТД 151
• СПбГУЭФ 145
• СПбГЭТУ «ЛЭТИ» 379
• ПИМаш 247
• НИУ ИТМО 531
• СГТУ им. Гагарина 114
• СахГУ 278
• СЗТУ 484
• СибАГС 249
• СибГАУ 462
• СибГИУ 1654
• СибГТУ 946
• СГУПС 1473
• СибГУТИ 2083
• СибУПК 377
• СФУ 2424
• СНАУ 567
• СумГУ 768
• ТРТУ 149
• ТОГУ 551
• ТГЭУ 325
• ТГУ (Томск) 276
• ТГПУ 181
• ТулГУ 553
• УкрГАЖТ 234
• УлГТУ 536
• УИПКПРО 123
• УрГПУ 195
• УГТУ-УПИ 758
• УГНТУ 570
• УГТУ 134
• ХГАЭП 138
• ХГАФК 110
• ХНАГХ 407
• ХНУВД 512
• ХНУ им. Каразина 305
• ХНУРЭ 325
• ХНЭУ 495
• ЦПУ 157
• ЧитГУ 220
• ЮУрГУ 309

Полный список ВУЗов

Преимущества | Применение синхронного двигателя

Синхронные машины

Привет друзья,

В этой статье я собираюсь описать преимущества и применение синхронного двигателя . Вот некоторые характерные особенности этой машины:

1 . Он работает с постоянной скоростью (синхронная скорость). Единственный способ изменить его скорость — изменить частоту питания.

2 . Он не является самозапускающимся по своей сути.

3 . На холостом ходу он потребляет очень небольшой ток из сети, чтобы компенсировать внутренние потери двигателя. С увеличением момента нагрузки угол крутящего момента δ увеличивается, и двигатель потребляет больше тока от сети. После того, как входной ток достигает максимума (при угле крутящего момента δ , близком к 90 ^o ), дальнейшее увеличение нагрузки становится невозможным. При дальнейшей нагрузке двигатель выходит из синхронизма и останавливается.

Синхронные двигатели в основном используются в приложения с постоянной скоростью ; некоторые из них указаны ниже:

1 . Синхронный двигатель с перевозбуждением работает с опережающим коэффициентом мощности и потребляет опережающий ток от сборных шин, поэтому его можно использовать для повышения общего коэффициента мощности установки. Когда синхронный двигатель работает без нагрузки с перевозбуждением для улучшения коэффициента мощности установки, он называется синхронным конденсатором или синхронным конденсатором.

2 . Такие двигатели также используются для регулирования напряжения в конце линий электропередачи.

3 . Из-за более высокого КПД, возможного с синхронными двигателями , их можно использовать для нагрузок, где требуется постоянная скорость. Типичными областями применения высокоскоростных синхронных двигателей (свыше 500 об/мин) являются вентиляторы, воздуходувки, насосы и компрессоры.

4 . Поскольку синхронные двигатели могут быть построены для скоростей до 120 об / мин . Они хорошо подходят для прямого подключения к поршневым компрессорам.

5 . Мясорубки и дробилки, сталелитейные и металлопрокатные станы, камнедробилки и рудные дробилки, как правило, соединены с двигателем или имеют редуктор.

Преимущества и недостатки синхронного двигателя указаны ниже:

1 . Он может работать в широком диапазоне коэффициентов мощности, как отстающих, так и опережающих. Следовательно, его можно использовать для коррекции коэффициента мощности в дополнение к передаче крутящего момента на приводные нагрузки.

2 . Большинство синхронных двигателей имеют номинальную мощность от 150 кВт до 15 кВт и работают со скоростью от 150 до 1800 об/мин.

3 . Это на дешевле в определенных диапазонах кВт и скоростей , то есть для мощности от 35 до 350 кВт при скорости менее 500 об/мин.

4 . Обычно он работает с более высокой эффективностью , особенно на низких скоростях единичный коэффициент мощности

5 . Его можно сконструировать с более широкими воздушными зазорами, чем у асинхронных двигателей, что делает его механически более эффективным .

Зачем электродвигателям и панелям…

Включите JavaScript

Зачем электродвигателям и панелям обогреватель

Недостатки синхронного двигателя

• Не запускается самостоятельно. Применяются специальные методы, чтобы сделать его самозапускающимся.
• Требуется частое обслуживание.
• Для обеспечения возбуждения необходим внешний источник постоянного тока.
• Необходима дополнительная обмотка демпфера.
• Происходит колебание при резком изменении нагрузки.

Преимущества системы с вращающимся полем

Только в небольших синхронных машинах (т. е. синхронных двигателях и синхронных генераторах) система возбуждения размещается на статоре, а обмотка якоря — на роторе. Но в машинах более высоких номиналов обмотка возбуждения размещается на роторе, а обмотка якоря на статоре. Ниже приведены важные преимущества системы вращающегося поля перед системой стационарного поля:

1 . Обмотка якоря сложнее , чем обмотка возбуждения. Поэтому якорную обмотку легко разместить на стационарной конструкции.

2 . Размер проводников якоря намного больше, чтобы проводить большие токи. Поэтому в нем развиваются высокие центробежные напряжения. При этом предпочтительно размещать их на стационарной конструкции.

3 . В современных генераторах переменного тока (синхронных генераторах) вырабатывается высокое напряжение. Следовательно, требуется тяжелая изоляция , и легко изолировать обмотку высокого напряжения, когда она размещена на стационарной конструкции.

4 . Размер контактных колец зависит от величины протекающего тока. Следовательно, при использовании системы с вращающимся полем легко подавать слабый ток для возбуждения через токосъемные кольца меньшего размера.

5 . Легче построить должным образом сбалансированный высокоскоростной ротор, когда они несут систему возбуждения.

6 . Вес ротора меньше , когда на роторе установлена ​​система возбуждения. Это уменьшает некоторые потери, такие как потери на трение.

7 . Система охлаждения батареи может быть предусмотрена при неподвижном якоре.

Спасибо, что прочитали о «применении синхронного двигателя».

Преимущества синхронных двигателей

В то время, когда сокращение энергопотребления является приоритетом для конечных пользователей и государственных учреждений, синхронные двигатели прочно закрепились на рынке насосов благодаря своей эффективности. Несмотря на множество преимуществ, не каждая технология синхронного двигателя является правильным выбором для любого применения в насосной технике. В этой статье рассматриваются и сравниваются различные типы синхронных и асинхронных двигателей, а также описываются факторы, которые необходимо учитывать при выборе двигателя.

Синхронные двигатели становятся все более популярными во всем мире. Аналитики ожидают, что эта категория вырастет с 4% до более чем 8% всех насосных двигателей в ближайшие пять лет. Это число может показаться небольшим, но это только начало растущей тенденции.

Популярность этого мотора связана с технологической революцией последних 10 лет, которая снизила стоимость процессорных чипов и, в свою очередь, стоимость системы мотор/привод. Тридцать лет назад, когда в насосной промышленности появились синхронные двигатели, процессоры для управления приводом были дорогими и не обладали многими функциями. Теперь процессоры составляют меньшую часть системы и являются более мощными.

ИЗОБРАЖЕНИЕ 1: Сравнение типов синхронных двигателей. 1, 2 и 3 являются относительными значениями, где 0 представляет базовый уровень. 1 лучше, 2 лучше и 3 лучше. Источник: Гидравлический институт (изображения предоставлены Nidec Motor Corporation)

Использование магнитов из редкоземельных металлов также увеличивает стоимость, и цены на магниты сильно колеблются в зависимости от доступных поставок (большинство из них поступает из Китая). К счастью, многие производители в настоящее время предлагают синхронные двигатели без магнитов или с магнитами, полученными не из редкоземельных элементов, что делает двигатели более доступными.

Что такое синхронный двигатель?

В синхронном двигателе ротор вращается с той же скоростью (синхронно) с вращающимся магнитным полем статора. В отличие от асинхронного двигателя, который использует проскальзывание ротора для индукции тока в ротор для создания крутящего момента, в синхронных двигателях нет наведенного тока и последующих потерь ротора. Снижение потерь означает более высокую эффективность машин. Преимущества: 

• высокая эффективность
• отсутствие потерь ротора
• более низкая температура подшипника
• менее частое обслуживание подшипников
• Производительность частотно-регулируемого привода (VFD) (особенно на низких скоростях)

Понятно, что при работе с приводом с регулируемой скоростью и регулировке рабочей скорости в соответствии с требованиями приложения можно получить преимущества в энергопотреблении.

Конструкции на синхронной основе получают наибольший выигрыш в эффективности при работе с частотно-регулируемым приводом. В асинхронном двигателе с частотно-регулируемым приводом потери ротора составляют более высокую долю общих потерь при работе с низкой нагрузкой по сравнению с работой при полной нагрузке и скорости. По мере снижения нагрузки пользователи видят сравнительно лучшую производительность синхронных двигателей в результате устранения этих потерь (Рисунок 2).

ИЗОБРАЖЕНИЕ 2: Синхронный и индукционный КПД

Более плоская кривая КПД означает, что реализованные преимущества превысят дифференциал повышения пиковой эффективности IE4 или IE5. Учитывая, что до 75 % рабочего времени обычно тратится на скорость ниже 90 % от полной скорости, влияние оказывается значительным. Например, в системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (HVAC) при полной нагрузке синхронный двигатель, интегрированный с ЧРП, обеспечивает увеличение эффективности на 3-6% по сравнению с асинхронным двигателем на полной скорости с ЧРП. Тем не менее, при мощности 25 % пользователи по-прежнему достигают 44 % производительности насоса, но с повышением эффективности на 8–12 %. Таким образом, при работе с частичной нагрузкой синхронные двигатели обеспечивают более высокий КПД.

Разновидности синхронных двигателей

В настоящее время доступно несколько типов синхронных двигателей, и кажется, что все они имеют собственное сокращение. Вот наиболее распространенные термины, которые нужно знать.

Двигатель с электронной коммутацией (ECM)

При обсуждении насосных применений ECM относится к двигателю со встроенными приводами и органами управления. ECM обычно используются в системах HVAC.

Бесщеточный с постоянными магнитами (BPM)  

Они могут называться бесщеточными с постоянным магнитом переменного тока (PMAC) или бесщеточным постоянным током (BLDC). Постоянные магниты монтируются на поверхности или внутри. В последнем используются только редкоземельные металлы, тогда как в первом могут использоваться магниты на основе феррита или редкоземельных металлов. Низкая механическая прочность и ограниченная скоростная способность являются недостатками ПМ поверхностного монтажа. Преимуществом является возможность легкого изменения скорости.

Гибридный синхронный реактивный двигатель (HSM) с постоянными магнитами

HSM используют магниты меньшей силы, которые насыщают ротор и улучшают коэффициент мощности. Доля реактивного момента значительна по сравнению с PMAC.

Синхронный реактивный двигатель (SynRM)

SynRM работает на основе концепции «магнитного сопротивления», но не требует магнитов для создания магнитного поля. Ротор состоит из стальных пластин, вырезанных для использования в качестве магнитных полюсов. Прочная конструкция обычно требует большего тока для частотно-регулируемого привода и имеет более низкий коэффициент мощности по сравнению с конструкциями с постоянными магнитами.

Синхронный реактивный двигатель с алюминиевой клеткой (SynRA)

SynRA предлагает дополнительное преимущество работы на стандартном частотно-регулируемом приводе вольт/герц (Гц) и может быть простой заменой существующему асинхронному двигателю.

Реактивный реактивный двигатель (SRM)

SRM предшествует асинхронным двигателям как постоянного, так и переменного тока. Проблемы с управлением делают его непригодным для многих приложений. Он имеет простую конструкцию, но сложную электрическую схему. Для управления большинством приложений требуются специальные датчики положения и механизмы синхронизации.

Выбор синхронного двигателя также означает выбор частотно-регулируемого привода, а выбор частотно-регулируемого привода зависит от различных синхронных технологий. Таким образом, важно понимать от производителя различные ожидаемые результаты.

При выборе индукционной или синхронной технологии взгляните на общий вид. Это «системосознательное» решение требует общего взгляда на цели системы. Если скорость двигателя должна постоянно поддерживаться на уровне 100 %, хорошим выбором будет асинхронный двигатель.

Потенциальный недостаток синхронных двигателей по сравнению с асинхронными двигателями заключается в том, что в приложениях с нестабильными насосными нагрузками могут возникать дрожания, что в конечном итоге приводит к отключению двигателя. Чтобы предотвратить эту проблему, синхронный двигатель и система привода должны включать в себя резистор для ЧРП.

Что касается тепловых характеристик, синхронная машина будет иметь сравнительно более холодный ротор, чем асинхронная. Это связано с улучшенной плотностью мощности и возможностью создания данного номинала в меньшем корпусе с менее активным электрическим материалом, а также с более высокой эффективностью.

Пониженная температура ротора также повышает надежность и техническое обслуживание. Поскольку к подшипникам передается меньше тепла, а снижение температуры всего на 50 F (10 C) удваивает срок службы смазки, пользователи могут ожидать, что синхронная машина будет более надежной, чем индукционная.

Стандарты Министерства энергетики США 

Министерство энергетики США (DOE) заинтересовано в технологии синхронных двигателей и рассматривает возможность установления для них стандартов испытаний. Текущий индекс энергии насоса (PEI) не показывает разницы в эффективности синхронных и асинхронных двигателей, но Министерство энергетики при участии Гидравлического института (HI) предложило создать коэффициенты, демонстрирующие разницу между синхронными и асинхронными машинами. Это позволит конечным пользователям легко сравнивать то, что поставщики насосов говорят об эффективности их двигателей и приводов.

Со стандартными асинхронными двигателями может быть трудно и непомерно дорого превысить IE3 (премиум NEMA) для достижения желаемого уровня эффективности IE4 или IE5, особенно для меньшей номинальной мощности менее 75 киловатт (кВт). Синхронные двигатели, с другой стороны, обеспечивают повышение энергоэффективности в отрасли, а новейшие и наиболее высокоэффективные двигатели и приводы с регулируемой скоростью легко доступны на рынке.

Насосное оборудование

Сегодня синхронная технология произвела фурор в насосах для бассейнов, заняв значительную долю отрасли. Законодательство побуждает производителей становиться более комплексными в своих энергоэффективных предложениях. В частности, для достижения уровня эффективности в Калифорнии теперь требуется использование синхронной технологии в насосах для бассейнов и спа, что заставляет производителей стандартизировать синхронную технологию по всем направлениям.

Для циркуляционных насосов (используемых в жилых и коммерческих системах отопления, вентиляции и кондиционирования) преобладают синхронные двигатели.