Ротор движется «сам по себе». В нем изначально нет ни магнитного поля, на него не подается никакого электрического напряжения. Он даже не обязан быть сделанным из железа - магнитного металла. Ну а вот, поди ж ты, стоит подключить к двигателю трехфазное напряжение, и ротор закрутился. Безо всякого подталкивания. Но по-своему.
Два вида электродвигателей переменного тока
Асинхронные двигатели - наивная простота
Ротор то догоняет волну, то слегка отстает, потому что синхронно с ней бежать просто не может. Такое явление назвали «скольжением», догнав бегущее магнитное поле, ротор с беличьей клеткой теряет магнитную индукцию и дальше некоторое время просто скользит по инерции. А когда трение или нагрузка вынуждают его отстать от бегущего поля, он опять «почувствует» в себе изменения силовых линий обгоняющего его поля и снова обретет индукцию, а вместе с этим и силы двигаться.
То есть, ротор слегка проскальзывает: то догоняет бегущее равномерно по кругу магнитное поле, то «забывает, зачем бежал» и слегка приотстает, то снова «спохватывается» и опять стремится догнать. Постепенно эти отклонения стабилизируются - в зависимости от трения в подшипниках и величины нагрузки на вал - и асинхронный двигатель начинает работать просто со скоростью вращения, чуть меньшей частоты напряжения на статоре. Эта разница частот и называется частотой скольжения.
Двигатели синхронные: сложное в простом
Для того, чтобы ротор был связан с бегущей волной магнитного поля катушек статора жестким образом, придумали электродвигатель синхронный. А проблема решается просто. В роторе вместо изменяющегося магнитного поля от короткозамкнутых токов беличьей клетки нужно использовать постоянные магниты и их магнитное поле.
Вариантов два. Или это поле от постоянного магнита, закрепленного в роторе, или это поле от электромагнитов, установленных в роторе вместо такого магнита.
Обычный магнит, конечно, проще. Но тогда для стандартного функционирования таких электромоторов нужно, чтобы на них на всех - а используются тысячи электромоторов - магниты были строго одинаковы. Иначе параметры движения будут разными, а магниты еще имеют свойство размагничиваться.
Электромагнит, установленный в роторе двигателя, легче заставить вырабатывать поле нужного качества, но требуется электрический ток для его работы. Такой ток, который называется током возбуждения, в свою очередь нужно где-то брать и как-то на ротор подавать.
1 – ротор,
2 – коллектор возбуждения
Отсюда и происходит некоторое разнообразие конструкций синхронных двигателей. Но важнее всего то, что синхронные двигатели крутят свой вал строго синхронно частоте бегающего по кругу поля катушек статора, то есть скорость их вращения точно равна - или кратна (если обмоток статора больше трех) - частоте переменного тока в питающей сети.
Однако кроме всего прочего, синхронный двигатель обладает свойством полной обратимости. Потому что синхронный электродвигатель - это тот же самый генератор электрического тока, но работающий «в обратную сторону». В генераторе некоторая механическая сила вращает вал с ротором, и от этого в обмотках статора возникает наведенное электрическое напряжение от вращающегося магнитного поля ротора. А отличие синхронного двигателя от генератора в том, что напряжение в катушках статора порождает бегающее по кругу магнитное поле, которое, взаимодействуя с постоянным магнитным полем ротора, толкает его, чтобы ротор тоже вращался.
Только если в генераторе вращению ротора можно механически придать любую скорость, и от этого будет изменяться частота переменного тока, им генерируемого, то в синхронном двигателе такой роскоши нет. Синхронный двигатель вращается со скоростью изменения напряжения в сети, а оно у нас выдерживается строго в 50 герц.
Отличия и недостатки этих двигателей
Отличия синхронного и асинхронного двигателей ясны из их названий. Собственно, плюсы имеют и тот, и другой вариант конструкции. Ниже перечислены плюсы, которыми отличаются оба двигателя - синхронный и асинхронный.
Асинхронный двигатель отличается от синхронного следующими параметрами:
- простота конструкции и невысокая стоимость;
- нет скользящих контактов, надежность в эксплуатации;
- напряжение прикладывается к неподвижным катушкам статора;
- ротор очень прост по конструкции;
- при запуске и разгоне постепенно наращивает мощность;
- возможность реверсировать направление вращения, просто поменяв местами две питающих фазы;
- при остановке движения (слишком большая механическая нагрузка на вал ротора) никакой аварии не происходит, может произойти перегрев беличьей клетки.
Отличия синхронного двигателя от асинхронного заключаются в следующем:
- стабильная скорость вращения вне зависимости от нагрузки на вал;
- невысокая чувствительность к перепадам напряжения в сети;
- при уменьшении механической нагрузки способен по инерции работать как генератор, не забирая энергию, а отдавая ее в сеть;
- высокий КПД;
- способен компенсировать реактивную мощность сети.
Но у каждого имеются и присущие только ему недостатки.
Асинхронный имеет следующие отрицательные черты:
- трудность регулировки частоты вращения;
- невысокая частота вращения;
- зависимость отставания частоты вращения от нагрузки на ось;
- при работе ротор нагревается за счет короткозамкнутых токов - требуется дополнительное охлаждение.
Недостатки синхронного двигателя:
- сложнее по конструкции;
- в некоторых конструкциях для проводки тока возбуждения в обмотки ротора используется коллектор, как в двигателе постоянного тока;
- труднее запускается.
Несмотря на различия, оба электрических двигателя нашли себе применение в технике и используются в самых разных исполнениях и размерах.
Ротор движется «сам по себе». В нем изначально нет ни магнитного поля, на него не подается никакого электрического напряжения. Он даже не обязан быть сделанным из железа - магнитного металла. Ну а вот, поди ж ты, стоит подключить к двигателю трехфазное напряжение, и ротор закрутился. Безо всякого подталкивания. Но по-своему.
Два вида электродвигателей переменного тока
Асинхронные двигатели - наивная простота
Ротор то догоняет волну, то слегка отстает, потому что синхронно с ней бежать просто не может. Такое явление назвали «скольжением», догнав бегущее магнитное поле, ротор с беличьей клеткой теряет магнитную индукцию и дальше некоторое время просто скользит по инерции. А когда трение или нагрузка вынуждают его отстать от бегущего поля, он опять «почувствует» в себе изменения силовых линий обгоняющего его поля и снова обретет индукцию, а вместе с этим и силы двигаться.
То есть, ротор слегка проскальзывает: то догоняет бегущее равномерно по кругу магнитное поле, то «забывает, зачем бежал» и слегка приотстает, то снова «спохватывается» и опять стремится догнать. Постепенно эти отклонения стабилизируются - в зависимости от трения в подшипниках и величины нагрузки на вал - и асинхронный двигатель начинает работать просто со скоростью вращения, чуть меньшей частоты напряжения на статоре. Эта разница частот и называется частотой скольжения.
Двигатели синхронные: сложное в простом
Для того, чтобы ротор был связан с бегущей волной магнитного поля катушек статора жестким образом, придумали электродвигатель синхронный. А проблема решается просто. В роторе вместо изменяющегося магнитного поля от короткозамкнутых токов беличьей клетки нужно использовать постоянные магниты и их магнитное поле.
Вариантов два. Или это поле от постоянного магнита, закрепленного в роторе, или это поле от электромагнитов, установленных в роторе вместо такого магнита.
Обычный магнит, конечно, проще. Но тогда для стандартного функционирования таких электромоторов нужно, чтобы на них на всех - а используются тысячи электромоторов - магниты были строго одинаковы. Иначе параметры движения будут разными, а магниты еще имеют свойство размагничиваться.
Электромагнит, установленный в роторе двигателя, легче заставить вырабатывать поле нужного качества, но требуется электрический ток для его работы. Такой ток, который называется током возбуждения, в свою очередь нужно где-то брать и как-то на ротор подавать.
1 – ротор,
2 – коллектор возбуждения
Отсюда и происходит некоторое разнообразие конструкций синхронных двигателей. Но важнее всего то, что синхронные двигатели крутят свой вал строго синхронно частоте бегающего по кругу поля катушек статора, то есть скорость их вращения точно равна - или кратна (если обмоток статора больше трех) - частоте переменного тока в питающей сети.
Однако кроме всего прочего, синхронный двигатель обладает свойством полной обратимости. Потому что синхронный электродвигатель - это тот же самый генератор электрического тока, но работающий «в обратную сторону». В генераторе некоторая механическая сила вращает вал с ротором, и от этого в обмотках статора возникает наведенное электрическое напряжение от вращающегося магнитного поля ротора. А отличие синхронного двигателя от генератора в том, что напряжение в катушках статора порождает бегающее по кругу магнитное поле, которое, взаимодействуя с постоянным магнитным полем ротора, толкает его, чтобы ротор тоже вращался.
Только если в генераторе вращению ротора можно механически придать любую скорость, и от этого будет изменяться частота переменного тока, им генерируемого, то в синхронном двигателе такой роскоши нет. Синхронный двигатель вращается со скоростью изменения напряжения в сети, а оно у нас выдерживается строго в 50 герц.
Отличия и недостатки этих двигателей
Отличия синхронного и асинхронного двигателей ясны из их названий. Собственно, плюсы имеют и тот, и другой вариант конструкции. Ниже перечислены плюсы, которыми отличаются оба двигателя - синхронный и асинхронный.
Асинхронный двигатель отличается от синхронного следующими параметрами:
- простота конструкции и невысокая стоимость;
- нет скользящих контактов, надежность в эксплуатации;
- напряжение прикладывается к неподвижным катушкам статора;
- ротор очень прост по конструкции;
- при запуске и разгоне постепенно наращивает мощность;
- возможность реверсировать направление вращения, просто поменяв местами две питающих фазы;
- при остановке движения (слишком большая механическая нагрузка на вал ротора) никакой аварии не происходит, может произойти перегрев беличьей клетки.
Отличия синхронного двигателя от асинхронного заключаются в следующем:
- стабильная скорость вращения вне зависимости от нагрузки на вал;
- невысокая чувствительность к перепадам напряжения в сети;
- при уменьшении механической нагрузки способен по инерции работать как генератор, не забирая энергию, а отдавая ее в сеть;
- высокий КПД;
- способен компенсировать реактивную мощность сети.
Но у каждого имеются и присущие только ему недостатки.
Асинхронный имеет следующие отрицательные черты:
- трудность регулировки частоты вращения;
- невысокая частота вращения;
- зависимость отставания частоты вращения от нагрузки на ось;
- при работе ротор нагревается за счет короткозамкнутых токов - требуется дополнительное охлаждение.
Недостатки синхронного двигателя:
- сложнее по конструкции;
- в некоторых конструкциях для проводки тока возбуждения в обмотки ротора используется коллектор, как в двигателе постоянного тока;
- труднее запускается.
Несмотря на различия, оба электрических двигателя нашли себе применение в технике и используются в самых разных исполнениях и размерах.
Принципиальное отличие синхронного двигателя от асинхронного заключается в исполнении ротора. Последний у синхронного двигателя представляет собой магнит, выполненный (при относительно небольших мощностях) на базе постоянного магнита или на основе электромагнита. Поскольку разноименные полюсы магнитов притягиваются, то вращающееся магнитное поле статора, которое можно интерпретировать как вращающийся магнит, увлекает за собой магнитный ротор, причем их скорости равны. Это объясняет название двигателя - синхронный.
В заключение отметим, что в отличие от асинхронного двигателя, у которого обычно не превышает 0,8…0,85, у синхронного двигателя можно добиться большего значения и сделать даже так, что ток будет опережать напряжение по фазе. В этом случае, подобно конденсаторным батареям, синхронная машина используется для повышения коэффициента мощности.
Асинхронные двигатели имеют простую конструкцию и надежны в эксплуатации. Недостатком асинхронных двигателей является трудность регулирования их частоты вращения.
Чтобы реверсировать трехфазный асинхронный двигатель (изменить направление вращения двигателя на противоположное), необходимо поменять местами две фазы, то есть поменять местами два любых линейных провода, подходящих к обмотке статора двигателя.
Т.е это достаточно дешевый двигатель, который применяется везде, синхронную машину найти крайне тяжело.
В отличие от асинхронного двигателя частота вращения синхронного двигателя постоянная при различных нагрузках. Синхронные двигатели находят применение для привода машин постоянной скорости (насосы, компрессоры, вентиляторы) ими легко управлять.
Отличить можно по кол-ву оборотов на табличке (если там явно не указан тип машины), у асинхронного не круглое число оборотов, 950 об/мин у синхронной машины 1000 об/мин.
Синхронные двигатели управляются также сложно как и асинхронные, т.к. требуют управления частотой подводимого напряжения. Они имеют абсолютно жесткую механическую характеристику, это означает, что как бы не менялась нагрузка на валу двигателя, он будет иметь одну и ту же частоту вращения. Естественно, нагрузка должна меняться в разумных пределах, есть значение критического момента нагрузки, при котором двигатель "выпадает" из синхронного режима, что чревато его поломкой. К основным недостаткам относится то, что обмотку возбуждения необходимо питать постоянным током, также наличие скользящего контакта "щетка-контактное кольцо", сложность пуска.
Чаще всего синхронные машины используют в качестве генераторов, вообще подавляющее большинство генераторов - синхронные, начиная с тех, которые устанавливаютс на автомобилях, и заканчивая теми, которые стоят на АЭС. Из всех других они наиболее надежны, имеют наибольший КПД, проще других в обслуживании.
КПД машины не зависит от косинуса фи электрической машины. КПД зависит восновном только от потерь в обмотке (потери в меди), в магнитопроводе (потери в стали), механических потерь и дополнительных потерь. Также КПД машины зависит от ее нагрузки, при этом максимум (КПД) наблюдается в точке, когда потери в стали и в меди равны, как правило это наблюдается, когда нагрузка составляет 75-80% от номинальной мощности машины.
Учитывая особенности производства электрических машин имеем что с ростом мощности выпущенной машины, потери растут не пропорционально, поэтому мощные электрические машины могут иметь КПД достигающий 99%.
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:
- якорь;
- индуктор.
Первый элемент агрегата располагается на статоре. Индуктор размещается на роторе, который отделен от статора воздушной прослойкой. Структура якоря представлена обмоткой (одной или несколькими). Токи, которые подаются в соответствующий элемент двигателя, формируют магнитное поле, вращающееся с заданной частотой и взаимодействующее с полем индуктора. Индуктор включает 2 полюса - в виде постоянных магнитов.
Синхронный агрегат может функционировать в двух режимах:
- как собственно электродвигатель;
- как генератор.
Первый режим работы предполагает взаимодействие магнитного поля, формирующегося на якоре, и поля, которое образуется на полюсах индуктора. Синхронный двигатель в режиме генератора функционирует за счет электромагнитной индукции: в процессе вращения ротора магнитное поле, которое формируется на обмотке, по очереди взаимодействует с фазами обмотки на статоре, вследствие чего образуется электродвижущая сила.
Что представляет собой асинхронный электродвигатель?
К асинхронным принято относить электродвигатели, в которых частота вращения одного из ключевых элементов - ротора - не совпадает с частотой оборотов магнитного поля, формирующегося током, который возникает на обмотке статора. Асинхронные агрегаты иногда именуются индукционными. Это обусловлено тем, что в обмотке ротора осуществляется индуцирование тока при воздействии магнитного поля статора.
В конструкции асинхронного электродвигателя присутствуют статор и ротор, которые разделены воздушной прослойкой. Основные активные элементы агрегата:
- обмотка;
- магнитопровод.
Важную роль в функционировании асинхронного двигателя играют дополнительные конструктивные элементы, которые обеспечивают прочность, охлаждение и устойчивость работы агрегата.
Сравнение
Главное отличие синхронного двигателя от асинхронного заключается в соотношении величины частот вращения ротора и магнитного поля. В агрегате первого типа оба показателя одинаковые. В асинхронной машине - разные.
Можно отметить, что электродвигатели второго типа в целом более распространены, чем первые. При этом асинхронные агрегаты чаще всего представлены в разновидности, в которой инсталлирован короткозамкнутый ротор. Данные устройства имеют ряд важнейших преимуществ перед электродвигателями иных категорий. А именно:
- простота конструкции, надежность;
- относительно невысокая себестоимость производства, эксплуатации;
- 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.
Существуют различные виды электродвигателей, и очень часто возникает вопрос, в чем же отличия между синхронным и асинхронным двигателем. В асинхронном обмотки, расположенные в статоре, создают вращающееся магнитное поле, взаимодействующее с токами, образующимися в роторе, благодаря чему он приходит во вращающееся состояние. Поэтому, в настоящее время, наиболее популярным считается простой и надежный асинхронный электродвигатель, имеющий короткозамкнутый ротор.
Асинхронный двигатель
В его пазах расположены токопроводящие стержни из алюминия или меди, соединенные своими концами с кольцами из такого же материала, которые производят короткое замыкание этих стержней. Поэтому, ротор и называется короткозамкнутым. Вихревые токи, взаимодействующие с полем, вызывают вращение ротора со скоростью, меньшей, чем скорость вращения самого поля. Таким образом, весь двигатель получил название асинхронного. Это движение получило название относительного скольжения, поскольку скорости ротора и магнитного поля неравны и магнитное поле не пересекается с токопроводящими стержнями ротора. Поэтому, они не создают вращающийся момент.
Принципиальным отличием обоих видов двигателей является исполнение ротора. В синхронном он представляет собой постоянный магнит относительно небольшой мощности или такой же электромагнит. Вращающийся магнит, создающий статора, приводит в движение магнитный ротор. Скорость движения статора и ротора, в этом случае, одинаковая. Поэтому, данный двигатель получил название синхронного.
Особенности синхронного двигателя
Синхронный двигатель отличается возможностью значительного опережения током напряжения по фазе. Повышая коэффициент мощности по типу конденсаторных батарей.
Асинхронные электродвигатели отличаются простотой конструкции и надежностью в эксплуатации. Единственный недостаток этих агрегатов заключается в достаточной трудности регулировки частоты их вращения. асинхронные двигатели могут быть легко реверсированы, то есть вращение двигателя может измениться на противоположное направление. Для этого, достаточно изменить место расположения двух линейных проводов или фаз, которые замыкаются на обмотку статора. В отличие от синхронного, это простой и дешевый двигатель, применяющийся повсеместно.
Синхронный и асинхронный двигатель имеет еще и такое важное отличие, как постоянная частота вращения у первого при различных нагрузках. Поэтому их применяют в приводах машин, требующих постоянных скоростей, например, в компрессорах, насосах или вентиляторах, поскольку они очень легки в управлении.
Классификация электродвигателей