Тема № 7.3. Синхронный электродвигатель

7.3.1. Усройство и принцип действия синхронного электродвигателя.

Характерный признак синхронного двигателя – вращение рото­ра с синхронной частотой n₁ = ƒ₁60 / pнезависимо от нагрузки на валу. Поэтому синхронные двигатели используют в системах автоматики для привода механизмов, требующих строго стабильной частоты вращения.

Синхронный двигатель, как и асинхронный, состоит из непод­вижного статора и вращающегося ротора, разделенных воздушным зазором (у синхронных двигателей этот зазор несколько больше). Существуют конструктивные разновидности исполнения синхронных двигателей малой мощности, отличающиеся в основном устройством ротора: явнополюсные с электромагнитным возбуждением, явнополюсные с возбуждением постоянными магнитами, явнополюсные ре­активные (с невозбужден-ным ротором), неявнополюсные гистерезисные.

Рассмотрим синхронные явнополюсные двигатели с электромаг­нитным возбуждением.

Эти двигатели изготавливаются обычно мощностью в несколько киловатт и более и поэтому в устройствах автоматики широкого при­менения не получили. Однако основные положения теории этих дви­гателей используются при изучении синхронных двигателей малой мощности с возбуждением постоянными магнитами и других типов.

Для изучения принципа действия синхронного явнополюсного двигателя с электромагнитным возбуждением используем модель, представляющую собой две разделенные воздушным зазором магнит­ные системы с явно выраженными полюсами – внешнюю 1и внут­реннюю 2(рис. 6). Если внешняя система полюсов неподвижна, то благодаря силам магнитного притяжения внутренняя система полю­сов (ротор) расположится так, что ее полюсы будут находиться под полюсами внешней системы противоположной полярности. При этом силы F_M магнитного притяжения, действу-ющие на внутреннюю сис­тему, не будут создавать электромагнитного момента (рис. 7,а), так как они направлены радиально (по оси полюсов).

Если внешнюю систему полюсов вращать с небольшой частотой n₁, то в начальный момент времени эта система сместится относи­тельно внутренней на некоторый угол θ (рис. 7,б). При этом вектор силы магнитного притяженияF_Mтакже повернется относительно оси полюса ротора. Теперь эта сила состоит из двух составляющих:F_M = F_n + F_t причем нормальная составляющая F_n направлена по оси полюса рото-

- 4 -

ра, а тангенциальная F_t – перпендикулярно оси полюса. Совокупность составляющих F_t действующих на все полюсы ротора, создает на роторе электромагнитный вращающий моментМ, приво­дящий ротор во вращение с синхронной частотойn₁, т. е. синхронно вращению внешней системе полюсов.

Рис. 6. Упрощенная модель синхронного

двигателя: Рис. 7. Возникновение электромагнитного

а – внешняя магнитная система; момента на роторе синхронного

б – внутренняя магнитная система. двигателя.

Трехфазный синхронный двигатель отличается от рассмотрен­ной модели тем, что в нем вместо внешней системы полюсов име­ется неявнополюсный статор с распределенной трехфазной обмот­кой, аналогичный статору асинхронного трехфазного двигателя. Ротор синхронного двигателя – явнополюсной конструкции с электромагнитным возбуждением. При этом на полюсах ротора 2 располагают полюсные

катушки 3(рис. 8), которые при последо­вательном соединении обра­зуют обмотку возбуждения (ОВ).

При подключении ОВ к источнику постоянного тока возникает магнитный поток возбуждения Ф_В, силовые ли­нии которого сцеплены с об­моткой статора1. При включе­нии обмотки статора в трех­фазную сеть создается вра­щающееся с синхронной час­тотойn₁магнитное поле с та­ким же числом полюсов, как на роторе. Благодаря взаимодей­ствию полей статора и ротора возникает электромагнитный момент, вращающий ротор с син-хронной частотой. В результате электрическая энергия сети преобразуется в механическую энергию вращения.

Предположим, что ротор двигателя враща-

Рис. 8. Магнитная система явнополюсногоется с частотой, отли­чающейся от частоты

синхронного двигателя (2р = 4): вращения поля статора, тогда в некоторые

1 – обмотка статора; 2 – полюса ротора; мо­менты времени возбужденные полюса ро-

3 – полюсные катушки. тора окажутся под одно­именными полюсами

поля статора, возникнут силы магнитного от-

- 5 -

талкивания Суммарный электромагнитный момент станет равным нулю и ротор остановится. На рис. 9, апоказана конструкция ротора синхронного двигателя с явно выраженными полюсами.