Двигатель постоянного тока синхронный или асинхронный

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:

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.

Содержание

Принцип действия [ править | править код ]

В основу работы подавляющего числа электрических машин положен принцип электромагнитной индукции. Электрическая машина состоит из неподвижной части — статора (для асинхронных и синхронных машин переменного тока) или индуктора (для машин постоянного тока) и подвижной части — ротора (для асинхронных и синхронных машин переменного тока) или якоря (для машин постоянного тока). В роли индуктора на маломощных двигателях постоянного тока очень часто используются постоянные магниты.

Ротор асинхронного двигателя может быть:

• короткозамкнутым;
• фазным (с обмоткой) — используются там, где необходимо уменьшить пусковой ток и регулировать частоту вращения асинхронного электродвигателя. В большинстве случаев это крановые электродвигатели серии МТН, которые повсеместно используются в крановых установках.

Якорь — это подвижная часть машин постоянного тока (двигателя или генератора) или же работающего по этому же принципу так называемого универсального двигателя (который используется в электроинструменте). По сути универсальный двигатель — это тот же двигатель постоянного тока (ДПТ) с последовательным возбуждением (обмотки якоря и индуктора включены последовательно). Отличие только в расчётах обмоток. На постоянном токе отсутствует реактивное (индуктивное или ёмкостное) сопротивление. Поэтому любая «болгарка», если из неё извлечь электронный блок, будет вполне работоспособна и на постоянном токе, но при меньшем напряжении сети.

Принцип действия трёхфазного асинхронного электродвигателя [ править | править код ]

При включении в сеть в статоре возникает круговое вращающееся магнитное поле, которое пронизывает короткозамкнутую обмотку ротора и наводит в ней ток индукции. Отсюда, следуя закону Ампера (на проводник с током, помещённый в магнитное поле, действует отклоняющая сила), ротор приходит во вращение. Частота вращения ротора зависит от частоты питающего напряжения и от числа пар магнитных полюсов.

Разность между частотой вращения магнитного поля статора и частотой вращения ротора характеризуется скольжением. Двигатель называется асинхронным, так как частота вращения магнитного поля статора не совпадает с частотой вращения ротора.

Синхронный двигатель имеет отличие в конструкции ротора. Ротор выполняется либо постоянным магнитом, либо электромагнитом, либо имеет в себе часть беличьей клетки (для запуска) и постоянные магниты или электромагниты. В синхронном двигателе частота вращения магнитного поля статора и частота вращения ротора совпадают. Для запуска используют вспомогательные асинхронные электродвигатели, либо ротор с короткозамкнутой обмоткой.

Асинхронные двигатели нашли широкое применение во всех отраслях техники. Особенно это касается простых по конструкции и прочных трёхфазных асинхронных двигателей с коротко-замкнутыми роторами, которые надёжнее и дешевле всех электрических двигателей и практически не требуют никакого ухода. Название «асинхронный» обусловлено тем, что в таком двигателе ротор вращается не синхронно со вращающимся полем статора. Там, где нет трёхфазной сети, асинхронный двигатель может включаться в сеть однофазного тока.

Статор асинхронного электродвигателя состоит, как и в синхронной машине, из пакета, набранного из лакированных листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм, в пазах которого уложена обмотка. Три фазы обмотки статора асинхронного трёхфазного двигателя, пространственно смещённые на 120°, соединяются друг с другом звездой или треугольником.

На рисунке показана принципиальная схема двухполюсной машины — по четыре паза на каждую фазу. При питании обмоток статора от трёхфазной сети получается вращающееся поле, так как токи в фазах обмотки, которые смещены в пространстве на 120° друг относительно друга сдвинуты по фазе друг относительно друга на 120°.

Для синхронной частоты вращения nc поля электродвигателя с р парами полюсов справедливо при частоте тока f <displaystyle f> : n c = 60 f p <displaystyle n_=<frac <60f>

>>

При частоте 50 Гц получаем для p <displaystyle p> = 1, 2, 3 (двух-, четырёх- и шести-полюсных машин) синхронные частоты вращения поля n c <displaystyle n_> = 3000, 1500 и 1000 об/мин.

Ротор асинхронного электродвигателя также состоит из листов электротехнической стали и может быть выполнен в виде короткозамкнутого ротора (с «беличьей клеткой») или ротора с контактными кольцами (фазный ротор).

В короткозамкнутом роторе обмотка состоит из металлических стержней (медь, бронза или алюминий), которые расположены в пазах и соединяются на концах закорачивающими кольцами (рис. 1). Соединение осуществляется методом пайки твердым припоем или сваркой. В случае применения алюминия или алюминиевых сплавов стержни ротора и закорачивающие кольца, включая лопасти вентилятора, расположенные на них, изготавливаются методом литья под давлением.

У ротора электродвигателя с контактными кольцами в пазах находится трёхфазная обмотка, похожая на обмотку статора, включённую, например, звездой; начала фаз соединяются с тремя контактными кольцами, закреплёнными на валу. При пуске двигателя и для регулировки частоты вращения можно подключить к фазам обмотки ротора реостаты (через контактные кольца и щётки). После успешного разбега контактные кольца замыкаются накоротко, так что обмотка ротора двигателя выполняет те же самые функции, что и в случае короткозамкнутого ротора.

Классификация электродвигателей [ править | править код ]

По принципу возникновения вращающего момента электродвигатели можно разделить на гистерезисные и магнитоэлектрические. У двигателей первой группы вращающий момент создаётся вследствие гистерезиса при перемагничивании ротора. Данные двигатели не являются традиционными и не широко распространены в промышленности.

Наиболее распространены магнитоэлектрические двигатели, которые по типу потребляемой энергии подразделяется на две большие группы — на двигатели постоянного тока и двигатели переменного тока (также существуют универсальные двигатели, которые могут питаться обоими видами тока).

Двигатели постоянного тока [ править | править код ]

Двигатель постоянного тока — двигатель, переключение фаз в котором осуществляется прямо в самом двигателе. Благодаря этому такой двигатель может питаться постоянным током, но так же и переменным.

Данная группа двигателей в свою очередь разделяется по способу переключения фаз и наличию обратной связи подразделяется на:

Щёточно-коллекторный узел обеспечивает электрическое синхронное переключение цепей вращающейся части машины и является наиболее ненадёжным и сложным в обслуживании конструктивным элементом. [1]

По типу возбуждения коллекторные двигатели можно разделить на:

1. Двигатели с независимым возбуждением от электромагнитов и постоянных магнитов;
2. Двигатели с самовозбуждением.

Двигатели с самовозбуждением делятся на:

1. Двигатели с параллельным возбуждением (обмотка якоря включается параллельно обмотке возбуждения);
2. Двигатели последовательного возбуждения (обмотка якоря включается последовательно обмотке возбуждения);
3. Двигатели смешанного возбуждения (часть обмотки возбуждения включается последовательно с якорем, а вторая часть — параллельно обмотке якоря или последовательно соединённым обмотке якоря и первой обмотки возбуждения, в зависимости от требуемой нагрузочной характеристики).

Бесколлекторные двигатели (вентильные двигатели) — электродвигатели в котором переключение фаз осуществляется с помощью специального электронного блока (инвертора), могут быть с обратной связью с использованием датчика положения ротора, либо без обратной связи, фактически аналог асинхронного.

Двигатели пульсирующего тока [ править | править код ]

Двигатель пульсирующего тока — электрический двигатель, питание которого осуществляется пульсирующим электрическим током. По конструкции очень близок к двигателю постоянного тока. Его конструктивными отличиями от двигателя постоянного тока являются шихтованные вставки в остове, шихтованные дополнительные полюса, большее число пар полюсов, наличие компенсационной обмотки. Применяется на электровозах с установками для выпрямления переменного тока [2]

Двигатели переменного тока [ править | править код ]

Двигатель переменного тока — электрический двигатель, питание которого осуществляется переменным током. По принципу работы эти двигатели разделяются на синхронные и асинхронные двигатели. Принципиальное различие состоит в том, что в синхронных машинах первая гармоника магнитодвижущей силы статора движется со скоростью вращения ротора (благодаря чему сам ротор вращается со скоростью вращения магнитного поля в статоре), а у асинхронных — всегда есть разница между скоростью вращения ротора и скоростью вращения магнитного поля в статоре (поле вращается быстрее ротора).

Синхронный электродвигатель — электродвигатель переменного тока, ротор которого вращается синхронно с магнитным полем питающего напряжения.

Синхронные электродвигатели подразделяются на [3] :

• синхронный двигатель с обмотками возбуждения. Данные двигатели обычно используются при больших мощностях (от сотен киловатт и выше). [4]
• синхронный двигатель с постоянными магнитами;
• синхронный реактивный двигатель;
• гистерезисный двигатель;
• шаговый двигатель;
• гибридный синхронный реактивный двигатель с постоянными магнитами;
• реактивно-гистерезисный двигатель.

Существуют синхронные двигатели с дискретным угловым перемещением ротора — шаговые двигатели. У них заданное положение ротора фиксируется подачей питания на соответствующие обмотки. Переход в другое положение осуществляется путём снятия напряжения питания с одних обмоток и передачи его на другие. Ещё один вид синхронных двигателей — вентильный реактивный электродвигатель, питание обмоток которого формируется при помощи полупроводниковых элементов.

Асинхронный электродвигатель — электродвигатель переменного тока, в котором частота вращения ротора отличается от частоты вращающего магнитного поля, создаваемого питающим напряжением. Эти двигатели наиболее распространены в настоящее время.

По количеству фаз двигатели переменного тока подразделяются на:

Универсальный коллекторный электродвигатель [ править | править код ]

Универсальный коллекторный электродвигатель — коллекторный электродвигатель, который может работать и на постоянном, и на переменном токе. Изготавливается только с последовательной обмоткой возбуждения на мощности до 200 Вт. Статор выполняется шихтованным из специальной электротехнической стали. Обмотка возбуждения включается частично при переменном токе и полностью при постоянном. Для переменного тока номинальные напряжения 127, 220 В, для постоянного 110, 220 В. Применяется в бытовых аппаратах, электроинструментах. Двигатели переменного тока с питанием от промышленной сети 50 Гц не позволяют получить частоту вращения выше 3000 об/мин. Поэтому для получения высоких частот применяют коллекторный электродвигатель, который к тому же получается легче и меньше двигателя переменного тока той же мощности или применяют специальные передаточные механизмы, изменяющие кинематические параметры механизма до необходимых нам (мультипликаторы). При применении преобразователей частоты или наличии сети повышенной частоты (100, 200, 400 Гц) двигатели переменного тока оказываются легче и меньше коллекторных двигателей (коллекторный узел иногда занимает половину пространства). Ресурс асинхронных двигателей переменного тока гораздо выше, чем у коллекторных, и определяется состоянием подшипников и изоляции обмоток.

Синхронный двигатель с датчиком положения ротора и инвертором является электронным аналогом коллекторного двигателя постоянного тока. Строго говоря, универсальный коллекторный двигатель является коллекторным электродвигателем постоянного тока с последовательно включёнными обмотками возбуждения (статора), оптимизированным для работы на переменном токе бытовой электрической сети. Такой тип двигателя независимо от полярности подаваемого напряжения вращается в одну сторону, так как за счёт последовательного соединения обмоток статора и ротора смена полюсов их магнитных полей происходит одновременно и результирующий момент остаётся направленным в одну сторону. Для возможности работы на переменном токе применяется статор из магнитно-мягкого материала, имеющего малый гистерезис (сопротивление перемагничиванию). Для уменьшения потерь на вихревые токи статор выполняют наборным из изолированных пластин. Особенностью (в большинстве случаев — достоинством) работы такого двигателя именно на переменном токе (а не на постоянном такого же напряжения) является то, что в режиме малых оборотов (пуск и перегрузка) индуктивное сопротивление обмоток статора ограничивает потребляемый ток и соответственно максимальный момент двигателя (оценочно) до 3—5 от номинального (против 5—10 при питании того же двигателя постоянным током). Для сближения механических характеристик у двигателей общего назначения может применяться секционирование обмоток статора — отдельные выводы (и меньшее число витков обмотки статора) для подключения переменного тока.

Синхронный электродвигатель возвратно-поступательного движения [ править | править код ]

Принцип его работы заключается в том, что подвижная часть двигателя представляет собой постоянные магниты, закреплённые на штоке. Через неподвижные обмотки пропускается переменный ток и постоянные магниты под действием магнитного поля, создаваемого обмотками, перемещают шток возвратно-поступательным образом. [5]

История [ править | править код ]

Принцип преобразования электрической энергии в механическую энергию электромагнитным полем был продемонстрирован британским учёным Майклом Фарадеем в 1821 и состоял из свободно висящего провода, окунающегося в ртуть. Постоянный магнит был установлен в середине ванны со ртутью. Когда через провод пропускался ток, провод вращался вокруг магнита, показывая, что ток вызывал циклическое магнитное поле вокруг провода [6] . Этот двигатель часто демонстрируется на школьных уроках физики, вместо токсичной ртути используют электролит. Это — самый простой вид из класса электрических двигателей. Последующим усовершенствованием является Колесо Барлоу. Оно было демонстрационным устройством, непригодным в практических применениях из-за ограниченной мощности.

Изобретатели стремились создать электродвигатель для производственных нужд. Они пытались заставить железный сердечник двигаться в поле электромагнита возвратно-поступательно, то есть так, как движется поршень в цилиндре паровой машины. Русско-прусский учёный Б.С. Якоби пошёл иным путём. В 1834 г. он создал первый в мире практически пригодный электродвигатель со вращающимся якорем и опубликовал теоретическую работу «О применении электромагнетизма для приведения в движение машины». Б.С. Якоби писал, что его двигатель несложен и «даёт непосредственно круговое движение, которое гораздо легче преобразовать в другие виды движения, чем возвратно-поступательное».

Вращательное движение якоря в двигателе Якоби происходило вследствие попеременного притяжения и отталкивания электромагнитов. Неподвижная группа U-образных электромагнитов питалась током непосредственно от гальванической батареи, причем направление тока в этих электромагнитах оставалось неизменным. Подвижная группа электромагнитов была подключена к батарее через коммутатор, с помощью которого направление тока в каждом электромагните изменялось восемь раз за один оборот диска. Полярность электромагнитов при этом соответственно изменялась, а каждый из подвижных электромагнитов попеременно притягивался и отталкивался соответствующим неподвижным электромагнитом: вал двигателя начинал вращаться. Мощность такого двигателя составляла всего 15 Вт. Впоследствии Якоби довёл мощность электродвигателя до 550 Вт. Этот двигатель был установлен сначала на лодке, а позже на железнодорожной платформе.

В 1839 г. Якоби построил лодку с электромагнитным двигателем, который от 69 элементов Грове развивал 1 лошадиную силу и двигал лодку с 14 пассажирами по Неве против течения. Это было первое применение электромагнетизма к передвижению в больших размерах.

Электродвигатель у бактерий [ править | править код ]

Электродвигатель из нескольких белковых молекул преобразует энергию электрического тока в виде движения протонов во вращение жгутика, используемого для передвижения некоторыми видами бактерий. [7] [8]

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 на справочной табличке 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).

Источник: automotogid.ru