Электрический двигатель — это устройство, обеспечивающее преобразование электрической энергии в механическую. Конструктивно агрегат состоит из статора (фиксирован) и ротора (вращается). Первый создает магнитный поток, а второй крутится под действием электродвижущей силы (ЭДС).
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.
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:
- Неявно выраженные. Отличаются одинаковой индуктивностью по поперечной и продольной оси.
- Явно выраженные. Поперечная и продольная индуктивность имеют разные параметры.
Конструктивно роторы бывают разными устройством и по конструкции.
В частности, магниты бывают:
- Наружной установки.
- Встроенные.
Статор условно состоит из двух компонентов:
- Кожух.
- Сердечник с проводами.
Обмотка статорного механизма бывает двух видов:
- Распределенная. Ее отличие состоит в количестве пазов на полюс и фазу. Оно составляет от двух и более.
- 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:
- Трапеции. Характерна для устройств с явно выраженным полюсом.
- 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.
Читайте также:
Преимущества и недостатки
После рассмотрения конструктивных особенностей, принципа работы и сферы применения СД подведем итог по положительным / отрицательным особенностям.
Плюсы:
- Возможность работы при косинусе Фи равном единице (отношение полезной мощности к полной). Эта особенность улучшает косинус Фи сети. При работе с опережающим током синхронные машины генерируют реактивную мощность, которая поступает к асинхронным моторам и уменьшает потребление «реактива» от генераторов электрических станций.
- Высокий КПД, достигающий 97-98%.
- Повышенная надежность, объясняемая большим воздушным зазором.
- Доступность регулирования перегрузочных характеристик, благодаря изменению тока, подаваемого в ротор.
- Низкая чувствительность к изменению напряжения в сети.
Минусы:
- Более сложная конструкция и, соответственно, высокая стоимость изготовления.
- Трудности с пуском, ведь для этого нужные специальные устройства: возбудитель, выпрямитель.
- Потребность в источнике постоянного тока.
- Применение только для механизмов, которым не нужно менять частоту вращения.
Пример СД2-85/37-6У3, 500кВт, 1000об/мин, 6000В.
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.
Принцип действия
В асинхронном двигателе магнитное поле создается, благодаря току в статорной обмотке, находящейся на специальных пазах. На роторе, как отмечалось выше, обмоток нет, а вместо них накоротко объединенные стержни. Такая особенность характерна для короткозамкнутого роторного механизма.
Во втором типе ротора (фазном) на роторе предусмотрены обмотки, ток и сопротивление которых могут регулироваться реостатным узлом.
Простыми словами, принцип действия можно разложить на несколько составляющих:
- При подаче напряжения в статоре создается магнитное поле.
- В роторе появляется ток, взаимодействующий с ЭДС статора.
- Роторный механизм вращается в том же направлении, но с отставанием (скольжением) размером от 1 до 8 процентов.
Сфера применения
Асинхронные электромоторы пользуются большим спросом в быту, благодаря простоте конструкции и надежности в эксплуатации.
Они часто применяются в бытовой аппаратуре:
- стиральных машинках;
- вентиляторе;
- вытяжке;
- бетономешалках;
- газонокосилках и т. д.
Также применяются они и в производстве, где подключаются к 3-фазной сети.
К этой категории относятся следующие механизмы:
- компрессоры;
- вентиляция;
- насосы;
- задвижки автоматического типа;
- краны и лебедки;
- станки для обработки дерева и т. д.
Асинхронные машины применяются в электрическом транспорте и других сферах. Они нашли применение в башенных кранах, лифтах и т. д.
Пример Трехфазный АИР 315S2 660В 160кВт 3000об/мин.
Преимущества и недостатки
Электродвигатель асинхронного типа имеет слабые и сильные места, о которых необходимо помнить.
Преимущества:
- Простая конструкция, которая обусловлена трехфазной схемой подключения и простым принципом действия.
- Более низкая стоимость, по сравнению с синхронным аналогом.
- Возможность прямого пуска.
- Низкое потребление энергии, что делает двигатель более экономичным.
- Высокая степень надежности, благодаря упрощенной конструкции.
- Универсальность и возможность применения в сферах, где нет необходимости в поддержке частоты вращения, или имеет место схема управления с обратной связью.
- Возможность применения при подключении к одной фазе.
- Успешный самозапуск группы АД в случае потери и последующей подачи на них напряжения.
- Минимальные расходы на эксплуатацию. Все, что требуется — периодически чистить механизма от пыли и протягивать контактные соединения. При соблюдении требований производителей менять подшипники можно с периодичностью раз в 15-20 лет.
Недостатки:
- Наличие эффекта скольжения, обеспечивающего отставание вращения ротора от частоты вращения поля внутри механизма.
- Потери на тепло. Асинхронные моторы имеют свойство перегреваться, особенно при большой нагрузке. По этой причине корпус изделия делают ребристым для увеличения площади охлаждения (у СД такое применяется не на всех моделях). Дополнительно может устанавливаться вентилятор для обдува поверхности.
- Напряжение только на 220 В и выше. Из-за конструктивных особенностей такие электродвигатели не производятся для рабочего напряжения меньше 220 В. В качестве замены часто применяются гидро- или пневмоприводы.
- Небольшой КПД в момент пуска и высокая реактивность. По этой причине мотор может перегреваться уже при пуске. Это ограничивает количество пусков в определенный временной промежуток.
- Синхронная частота вращения не может быть больше 3000 об/мин, ведь в ином случае требуется использование турбированного привода или повышающего редуктора.
- Трудности регулирования устройств, которые приводятся в движение «синхронниками».
- Повышенный пусковой ток — одна из главных проблем асинхронных моторов, имеющих мощность свыше 10 кВт. В момент пуска токовая нагрузка может превышать номинальную в шесть-восемь раз и длиться до 5-10 секунд. По этой причине для «асинхронников» не рекомендуется прямое подключение.
- При появлении КЗ возле шин с работающим двигателем появляется подпитка тока.
- Чувствительность к изменениям напряжения. При отклонении этого параметра более, чем на 5% показатели электродвигателя отклоняются от номинальных. В случае снижения напряжения уменьшается момент АД.
Сравнение синхронного и асинхронного двигателей
В завершение можно подвести итог, в чем главные отличия асинхронных (АД) и синхронных (СД) моторов.
Выделим базовые моменты:
- Ротору асинхронных моторов не требуется питание по току, а индукция на полюсах зависит от статорного магнитного поля.
- Обороты АД под нагрузкой отстают на 1-8% от скорости вращения поля статора. В СД количество оборотов одинаково.
- В «синхроннике» предусмотрена обмотка возбуждения.
- Конструктивно ротор СД представляет собой магнит: постоянный, электрический. У АД магнитное поле в роторном механизме наводится с помощью индукции.
- У синхронной машины нет пускового момента, поэтому для достижения синхронизации нужен асинхронный пуск.
- «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.
- СД нуждается в дополнительном источнике тока.
- «Асинхронники» медленнее изнашиваются, ведь в их конструкции нет контактных колец со щетками.
- Для АД, как правило, характерно не круглое количество оборотов, а для СД — округленное.
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.
Какой лучше
При сравнении асинхронного и синхронного электродвигателей трудно ответить, какой лучше. По конструкции и надежности выигрывает АД, который при умеренной нагрузке имеет более продолжительный срок службы. У СД щетки быстро изнашиваются, что требует их замены.
В остальном это два схожих по конструкции, но отличающихся по принципу действия механизма, имеющих индивидуальные сферы применения.
