Навигация
В статье разбираем, что такое и как работают синхронные и асинхронные электродвигатели.
Что такое синхронные и асинхронные двигатели
В общем случае электрические двигатели – это электромеханические преобразователи энергии, работающие на основе принципа электромагнитной индукции. Они содержат два ключевых компонента – статор и ротор. Первый статичен, второй непрерывно вращается. При этом устройства размещены с воздушным зазором. Моторы синхронного и асинхронного принципа действия относятся к бесколлекторным машинам переменного тока. В зависимости от решения, они могут питаться от одно- или трехфазной сети, дополнительно содержать конденсатор, который упрощает пуск электродвигателя и защищает его от перепадов напряжения.
Асинхронные моторы делятся на модели с короткозамкнутым (КЗ) и фазным ротором. Первые получили наибольшее распространение ввиду исключительной надежности, низкой стоимости и нетребовательности в обслуживании. Двигатели именно этого типа предлагает итальянский производитель Simel для комплектации газовых и жидкотопливных горелок. В том числе одно- и трехфазные модели, а также оснащенные конденсатором разной емкости. Каждая версия оборудования разработана для определенных технических требований и условий эксплуатации.
Примером однофазного решения с короткозамкнутым ротором может служить асинхронный электродвигатель Simel ZD 51/2196-32, 250 Вт с емкостью конденсатора 8 мкФ. Это компактный, простой в монтаже, энергоэффективный мотор с оптимальным КПД и надежной защитой от токов короткого замыкания.
Современный трехфазный вариант для жидкотопливных горелок – модель Simel 18/6-54, 1.5 кВт. Представляет собой новейший асинхронный электродвигатель с КЗ-ротором, прочным корпусом, принудительным охлаждением, за счет встроенного вентилятора. Предназначен для надежного привода топливных насосов.
Версии с фазным роторным узлом применяются при необходимости уменьшения пускового тока и регулировки частоты оборотов асинхронного двигателя. Моторам этого типа характерны больший вес, размеры и стоимость, по сравнению с электромоторами с КЗ-ротором.
Принцип работы синхронных электродвигателей
Работа синхронного двигателя предусматривает постоянный контакт магнитных полей статора и ротора. В момент подачи питания в статорном устройстве формируется вращающееся магнитное поле, которое начинает контактировать с полем ротора. Последнее возникает при подаче тока возбуждения посредством специальных контактных кольцец. В моторах с постоянными магнитами поле формируется без внешнего питания. В результате двухстороннего взаимодействия возникает электромагнитный момент, заставляющий ротор вращаться синхронно с полем статора, то есть с одинаковой скоростью. Именно это является ключевой особенностью работы двигателей подобного типа.
Принцип работы синхронных моторов позволяет добиваться стабильной частоты вращения. Это свойство позволяет их применять в таком оборудовании, как приводы компрессоров, насосов и генераторы в электростанциях. Вместе с тем синхронные двигатели имеют один недостаток – сложность пуска. Дело в том, что электрические машины этого типа не способны запускаться самостоятельно под нагрузкой. Чтобы их запустить, ротор нужно предварительно разогнать до синхронной скорости, что требует дополнительных пусковых устройств. Существует несколько решений для пуска двигателей:
- асинхронный пуск с помощью демпферной обмотки
- частотный пуск с плавным увеличением частоты
- пуск от вспомогательного двигателя
Все это усложняет конструкцию мотора, а значит и делает менее надежным и более дорогими по сравнению с асинхронными решениями. Вместе с тем они менее чувствительны к перепадам сетевого напряжения, отличаются высоким КПД, коэффициентом мощности и перегрузочной способностью. Кроме того, синхронные электродвигатели работают с одинаковой скоростью, независимо от нагрузки на валу (в диапазоне своих характеристик).
Принцип действия асинхронных электромоторов
Принцип действия асинхронного мотора основан на явлении электромагнитной индукции. При прохождении тока через статорные обмотки, появляется магнитное поле со своими параметрами частоты вращения. Возникшее поле сцепляется с замкнутой роторной обмоткой и индуцирует ЭДС (электродвижущую силу), в результате чего возникают токи. Последние, вступая в контакт с магнитным полем статора, создают силу и электромагнитный момент, заставляющий ротор совершать обороты. В этом состоит принцип преобразования электроэнергии в механическую работу.
Особенность функционирования всех асинхронных двигателей заключается в несовпадении частоты оборотов роторного устройства и магнитного поля статора. Рассинхронизация скоростей – неотъемлемое условие для возникновения индукции. При ее отсутствии, наведение ЭДС было бы невозможно. Поэтому ротор всегда немного отстает, создавая явление скольжения – разницу в скоростях, которая позволяет двигателю поддерживать крутящий момент.
Энергетическое преобразование электрической мощности в механическую происходит всегда с потерями. Коэффициент полезного действия находится в среднем на уровне 90–96 %. В то же время коэффициент мощности зависит от нагрузки (0,7–0,9 в номинале).
Один из основных недостатков асинхронных двигателей состоит в высоком пусковом токе, который в 5–7 раз превышает номинальный. Поэтому предпринимаются различные меры для его снижения. Например, обеспечиваются переключение со схемы «звезда» на «треугольник», автотрансформаторный пуск или устанавливаются частотные преобразователи.
В целом, асинхронные двигатели просты в конструкции, высоконадежны и не требуют сложных систем управления. Помимо этого, моторы долго служат, не нуждаются в частом техобслуживании, универсальны в применении. Совокупность положительных качеств позволяет их использовать в промышленности, бытовой технике и транспорте.