Схема подключения синхронного двигателя переменного тока

Типовые схемы пуска синхронных электродвигателей

Синхронные двигатели получили широкое распространение в промышленности для электроприводов, работающих с постоянной скоростью (компрессоров, насосов и т.д.). В последнее время, вследствие появления преобразовательной полупроводниковой техники, разрабатываются регулируемые синхронные электроприводы.

Достоинства синхронных электродвигателей

Синхронный двигатель несколько сложнее, чем асинхронный, но обладает рядом преимуществ, что позволяет применять его в ряде случаев вместо асинхронного.

1. Основным достоинством синхронного электродвигателя является возможность получения оптимального режима по реактивной энергии , который осуществляется путем автоматического регулирования тока возбуждения двигателя. Синхронный двигатель может работать, не потребляя и не отдавая реактивной энергии в сеть, при коэффициенте мощности ( cos фи) равным единице.Если для предприятия необходима выработка реактивной энергии, то с и нхронный электродвигатель, работая с перевозбуждением, может отдавать ее в сеть.

2. Синхронные электродвигатели менее чувствительны к колебаниям напряжения сети, чем асинхронные электродвигатели. Их максимальный момент пропорционален напряжению сети, в то время как критический момент асинхронного электродвигателя пропорционален квадрату напряжения.

3. Синхронные электродвигатели имеют высокую перегрузочную способность. Кроме того, перегрузочная способность синхронного двигателя может быть автоматически увеличена за счет повышения тока возбуждения, например, при резком кратковременном повышении нагрузки на валу двигателя.

4. Скорость вращения синхронного двигателя остается неизменной при любой нагрузке на валу в пределах его перегрузочной способности.

Способы пуска синхронного электродвигателя

Возможны следующие способы пуска синхронного двигателя: асинхронный пуск на полное напряжение сети и пуск на пониженное напряжение через реактор или автотрансформатор.

Пуск синхронного двигателя осуществляется как пуск асинхронного. Собственный пусковой момент синхронной машины мал, а у неявнополюсной равен нулю. Для создания асинхронного момента ротор снабжается пусковой беличьей клеткой, стержни которой закладываются в пазы полюсной системы. (В явнополюсном двигателе стержни между полюсами, естественно, отсутствуют.) Эта же клетка способствует повышению динамической устойчивости двигателя при набросах нагрузки.

За счет асинхронного момента двигатель трогается и разгоняется. Ток возбуждения в обмотке ротора при разгоне отсутствует. Машина пускается невозбужденной, так как наличие возбужденных полюсов осложнило бы процесс разгона, создавая тормозной момент, аналогичный моменту асинхронного двигателя при динамическом торможении.

При достижении так называемой подсинхронной скорости, отличающейся от синхронной на 3 – 5%, подается ток в обмотку возбуждения и двигатель после нескольких колебаний около положения равновесия втягивается в синхронизм. Явнополюсные двигатели за счет реактивного момента при малых моментах на валу иногда втягиваются в синхронизм без подачи тока в обмотку возбуждения.

В синхронных двигателях трудно одновременно обеспечить необходимые значения пускового момента и входного момента под которым понимают асинхронный момент, развиваемый при достижении скоростью 95% синхронной. В соответствии с характером зависимости статического момента от скорости, т.е. в соответствии с типом механизма, для которого предназначен двигатель, на электромашиностроительных заводах приходится варьировать параметры пусковой клетки.

Иногда для ограничения токов при пуске мощных двигателей уменьшают напряжение на зажимах статора, включая последовательно обмотки автотрансформатора или резисторы. Следует иметь в виду, что при пуске синхронного двигателя цепь обмотки возбуждения замыкается на большое сопротивление, превышающее сопротивление самой обмотки в 5 – 10 раз.

В противном случае под действием токов, наводимых в обмотке при пуске, возникает пульсирующий магнитный поток, обратная составляющая которого, взаимодействуя с токами статора, создает тормозной момент. Этот момент достигает максимального значения при скорости, несколько превышающей половину номинальной, и под его влиянием двигатель может приостановить разгон на этой скорости. Оставлять на время пуска цепь возбуждения разорванной опасно, так как возможно повреждение изоляции обмотки индуцируемыми в ней ЭДС.

Асинхронный пуск синхронного электродвигателя

Схема возбуждения синхронного двигателя с глухоподключенным возбудителем довольно проста и может применяться в том случае, если пусковые токи не вызывают падения напряжения в сети больше допустимого и статистический момент нагрузки Мс

Схема подключения электродвигателя к сети 220 вольт

Для того чтобы разобраться, как подключить электродвигатель конкретного типа, необходимо понимать принципы его работы и особенности конструкции. Существует множество электродвигателей разных типов. По способу подключения к сети переменного тока они бывают трехфазные, двухфазные или однофазные. По способу питания обмотки ротора делятся на синхронные и асинхронные.

Принцип действия

Принцип действия электродвигателя демонстрирует простейший опыт, который всем нам показывали в школе — вращение рамки с током в поле постоянного магнита.

Рамка с током — это аналог ротора, неподвижный магнит — статор. Если в рамку подать ток, она повернется перпендикулярно направлению магнитного поля и застынет в этом положении. Если заставить магнит крутиться, рамка будет вращаться с той же скоростью, то есть синхронно с магнитом. У нас получился синхронный электродвигатель. Но у нас магнит — это статор, а он по определению неподвижен. Как заставить вращаться магнитное поле неподвижного статора?

Для начала заменим постоянный магнит катушкой с током. Это обмотка нашего статора. Как известно из той же школьной физики, катушка с током создает магнитное поле. Последнее пропорционально величине тока, а полярность зависит от направления тока в катушке. Если подать в катушку переменный ток, получим переменное поле.

Магнитное поле — векторная величина. Переменный ток в питающей сети имеет синусоидальную форму.

Нам поможет очень наглядная аналогия с часами. Какие векторы вращаются постоянно перед нашими глазами? Это часовые стрелки. Представим, что в углу комнаты висят часы. Секундная стрелка вращается, делая один полный оборот в минуту. Стрелка — вектор единичной длины.

Тень, которую стрелка отбрасывает на стену, меняется как синус с периодом в 1 минуту, а тень, отбрасываемая на пол — как косинус. Или синус, сдвинутый по фазе на 90 градусов. Но вектор равен сумме своих проекций. Другими словами, стрелка равна векторной сумме своих теней.

Двухфазный синхронный электродвигатель

Расположим на статоре две обмотки под углом в 90 градусов, то есть взаимно перпендикулярно. Подадим в них синусоидальный переменный ток. Фазы токов сдвинем на 90 градусов. Имеем два вектора взаимно перпендикулярных, меняющихся по синусоидальному закону со сдвигом фаз на 90 градусов. Суммарный вектор будет вращаться подобно часовой стрелке, делая один полный оборот за период частоты переменного тока.

У нас получился двухфазный синхронный электродвигатель. Откуда взять токи, сдвинутые по фазе для питания обмоток? Наверное, не всем известно, что вначале распределительные сети переменного тока были двухфазными. И лишь позднее, не без борьбы, уступили место трехфазным. Если бы не уступили, то наш двухфазный электромотор можно было подключить напрямую к двум фазам.

Но победили трехфазные сети, для которых были разработаны трехфазные электродвигатели. А двухфазные электромоторы нашли свое применение в однофазных сетях в виде конденсаторных двигателей.

Трехфазный синхронный двигатель

Современные распределительные сети переменного тока выполнены по трехфазной схеме.

• По сети передаются сразу три синусоиды со сдвигом фаз на треть периода или на 120 градусов относительно друг друга.
• Трехфазный двигатель отличается от двухфазного тем, что у него не две, а три обмотки на статоре, повернутых на 120 градусов.
• Три катушки, подключенные к трем фазам, создают в сумме вращающееся магнитное поле, которое поворачивает ротор.

Трехфазный асинхронный двигатель

Ток в ротор синхронного двигателя подается от источника питания. Но мы знаем из той же школьной физики, что ток в катушке можно создать переменным магнитным полем. Можно просто замкнуть концы катушки на роторе. Можно даже оставить всего один виток, как в рамке. А ток пусть индуцирует вращающееся магнитное поле статора.

1. В момент старта ротор неподвижен, а поле статора вращается.
2. Поле в контуре ротора меняется, наводя электрический ток.
3. Ротор начнет догонять поле статора. Но никогда не догонит, так как в этом случае ток в нем перестанет наводиться.
4. В асинхронном двигателе ротор всегда вращается медленнее магнитного поля.
5. Разница скоростей называется скольжением. Подключение асинхронного двигателя не требует подачи тока в обмотку ротора.

У синхронных и асинхронных электродвигателей есть свои достоинства и недостатки, но факт состоит в том, что большинство двигателей, применяемых в промышленности на сегодняшний день — это асинхронные трехфазные двигатели.

Однофазный асинхронный электродвигатель

Если оставить на роторе короткозамкнутый виток, а на статоре одну катушку, то мы получим удивительную конструкцию — асинхронный однофазный двигатель.

На первый взгляд кажется, что такой двигатель работать не должен. Ведь в роторе нет тока, а магнитное поле статора не вращается. Но если ротор рукой толкнуть в любую сторону, двигатель заработает! И вращаться он будет в ту сторону, в которую его подтолкнули при пуске.

Объяснить работу этого двигателя можно, представив неподвижное переменное магнитное поле статора как сумму двух полей, вращающихся навстречу друг другу. Пока ротор неподвижен, эти поля уравновешивают друг друга, поэтому однофазный асинхронный двигатель не может стартовать самостоятельно. Если же ротор внешним усилием привести в движение, он будет вращаться попутно с одним вектором и навстречу другому.

Попутный вектор будет тянуть ротор за собой, встречный — тормозить.

Можно показать, что из-за разности встречной и попутной скоростей влияние попутного вектора будет сильнее, и двигатель будет работать в асинхронном режиме.

Схема включения

Возможно подключение нагрузок к трехфазной сети по двум схемам — звездой и треугольником. При подключении звездой начала обмоток соединяются между собой, а концы подключаются к фазам. При включении треугольником конец одной обмотки подключается к началу другой.

В схеме включения звездой обмотки оказываются под фазным напряжением 220 В., при включении треугольником — под линейным 380 В.

При включении треугольником двигатель развивает не только большую мощность, но и большие пусковые токи. Поэтому иногда используют комбинированную схему — старт звездой, затем переключение в треугольник.

Направление вращения определяется порядком подключения фаз. Для изменения направления достаточно поменять местами любые две фазы.

Подсоединение к однофазной сети

Трехфазный двигатель можно включать в однофазную сеть, хотя и с потерей мощности, если одну из обмоток подключить через фазосдвигающий конденсатор. Однако при таком включении двигатель сильно теряет в своих параметрах, поэтому этот режим использовать не рекомендуется.

Подключение на 220 вольт

В отличие от трехфазного, двухфазный мотор изначально предназначен для включения в однофазную сеть. Для получения сдвига фаз между обмотками включается рабочий конденсатор, поэтому двухфазные двигатели называют еще конденсаторными.

Емкость рабочего конденсатора рассчитывается по формулам для номинального рабочего режима. Но при отличии режима от номинального, например, при пуске баланс обмоток нарушается. Для обеспечения пускового режима на время старта и разгона параллельно рабочему подключается дополнительный пусковой конденсатор, который должен отключаться при выходе на номинальные обороты.

Как включить однофазный асинхронный двигатель

Если не нужен автоматический запуск, асинхронный однофазный двигатель имеет самую простую схему включения. Особенностью этого типа является невозможность автоматического старта.

Для автоматического пуска используется вторая пусковая обмотка как в двухфазном электромоторе. Пусковая обмотка подключается через пусковой конденсатор только для старта и после этого должна быть отключена вручную или автоматически.

Принцип работы синхронного двигателя

В целом, электрический двигатель представляет собой электромеханическое устройство, которое преобразовывает электрическую энергию в механическую.

По типу подключения двигатели бывают однофазные и 3-х фазные. Среди 3-х фазных двигателей наиболее распространенными являются индукционные (асинхронные) и синхронные электродвигатели.

Когда в 3-х фазном двигателе электрические проводники располагаются в определенном геометрическом положении (под определенным углом относительно друг друга), возникает электрическое поле. Образованное электромагнитное поле вращается с определенной скоростью, которая называется синхронной скоростью.

Если в этом вращающемся магнитном поле присутствует электромагнит, он магнетически замыкается с этим вращающимся полем и вращается со скоростью этого поля. Фактически, это нерегулируемый двигатель, поскольку он имеет всего одну скорость, которая является синхронной, и никаких промежуточных скоростей там быть не может. Другими словами, он работает синхронно с частотой сети. Ниже дана формула синхронной скорости:

Строение синхронного двигателя

В принципе, его строение практически аналогично 3-фазному асинхронному двигателю, за исключением того факта, что на ротор подается источник постоянного тока (в этом мы разберёмся позже). А пока рассмотрим основное строение данного типа двигателя.

На рисунке показано устройство этого типа двигателя. На статор подается 3-х фазное напряжение, а на ротор – источник постоянного тока.

Строение синхронного двигателя

Основные свойства синхронных двигателей:

• Синхронные электродвигатели не являются самозапускающимся механизмом. Они требуют определенного внешнего воздействия, чтобы выработать определенную синхронную скорость.
• Двигатель работает синхронно с частотой электрической сети. Поэтому при обеспечении бесперебойного снабжения частоты он ведет себя так, как двигатель с постоянной скоростью.
• Этот двигатель имеет уникальные характеристики, функционируя под любым коэффициентом мощности. Поэтому они используются для увеличения фактора силы.

Видео: Строение и принцип работы синхронного двигателя

Принципы работы синхронного двигателя

Электронно-магнитное поле синхронного двигателя обеспечивается двумя электрическими вводами. Это обмотка статора, которая состоит из 3-х фаз и предусматривает 3 фазы источника питания и ротор, на который подается постоянный ток.

3 фазы обмотки статора обеспечивают вращение магнитного потока. Ротор принимает постоянный ток и производит постоянный поток. При частоте 50 Гц 3-х фазный поток вращается около 3000 оборотов в 1 минуту или 50 оборотов в 1 секунду. В определенный момент полюса ротора и статора могут быть одной полярности (++ или – – ), что вызывает отталкивания ротора. После этого полярность сразу же меняется (+–), что вызывает притягивание.

Но ротор по причине своей инерции не в состоянии вращаться в любом направлении из-за силы притяжения или силы отталкивания и не может оставаться в состоянии простоя. Он не самозапускающийся.

Чтобы преодолеть инерцию силы, необходимо определенное механическое воздействие, которое вращает ротор в том же направлении, что и магнитное поле, обеспечивая необходимую синхронную скорость. Через некоторое время происходит замыкание магнитного поля, и синхронный двигатель вращается с определенной скоростью.

Схемы подключения асинхронного и синхронного однофазных двигателей

Сегодня мы рассмотрим подключение однофазного двигателя переменного тока. К таким относят асинхронные и синхронные моторы, питающиеся от одной фазы, которая обычно имеет напряжение 220 Вольт. Они очень распространены в бытовой сфере и мелком производстве, частном предпринимательстве.

Подключение однофазного асинхронного двигателя

Для разгона асинхронного двигателя требуется создать вращающееся магнитное поле. С этим легко справляется трехфазный источник питания, где фазы сдвинуты друг относительно друга на 120 градусов. Но если речь идет о том, как подключить однофазный электродвигатель, то встает проблема: без сдвига фаз вал не начнет вращаться.

Внутри однофазного асинхронного мотора располагаются две обмотки: пусковая и рабочая. Если обеспечить сдвиг фаз в них, то магнитное поле станет вращающимся. А это главное условие для запуска электродвигателя. Сдвигать фазы можно путем добавочного сопротивления (резистора) или индуктивной катушки. Но чаще всего используют емкости – пусковой и/или рабочий конденсаторы.

С пусковой емкостью

В большинстве случаев схема включает в себя только пусковой конденсатор. Он активен только во время запуска мотора. Поэтому способ хорош, когда пуск обещает быть тяжелым, в противном случае вал не сможет разгоняться из-за небольшого начального момента. После разгона пусковой конденсатор отключается, и работа продолжается без него.

Схема подключения двигателя со вспомогательной емкостью представлена на рисунке выше. Для ее реализации вам потребуется реле или, как минимум, одна кнопка, которую вы будете зажимать на 3 секунды во время запуска мотора в ход. Вспомогательный конденсатор вместе со вспомогательной обмоткой включаются в цепь лишь на некоторое время.

Такая схема обеспечивает оптимальный начальный крутящий момент, если имеют место незначительные броски переменного тока во время пуска. Но есть и недостаток – при работе в номинальном режиме технические характеристики падают. Это обусловлено формой магнитного поля рабочей обмотки: оно у нее овальное, а не круговое.

С рабочей емкостью

Если пуск легкий, а работа тяжелая, то вместо пускового конденсатора понадобится рабочий. Схема подключения показана ниже. Особенность заключается в том, что рабочая емкость вместе с рабочей обмоткой включена в цепь постоянно.

Схема обеспечивает хорошие характеристики при работе в номинальном режиме.

С обоими конденсаторами

Компромиссное решение – использование вспомогательной и рабочей емкости одновременно. Этот способ идеален, если двигатель переменного тока пускается в ход уже с нагрузкой, и сама работа тяжела для него. Посмотрите, схема ниже – это словно две схемы (с рабочей и вспомогательной емкостью), наложенные друг на друга. При запуске на несколько секунд будет включаться пусковой механизм, а второй накопитель будет активен все время: от пуска до завершения работы.

Расчет емкостей

Наибольшую сложность для начинающих представляет расчет емкости конденсаторов. Профессионалы подбирают их опытным путем, прислушиваясь к мотору во время запуска и работы. Так они определяют, подходит накопитель, или нужно поискать другой. Но с небольшой погрешностью в большинстве случаев емкость можно рассчитать так:

• Для рабочего накопителя: 0,7-0,8 мкФ на 1000 Ватт мощности электрического двигателя;
• Для пускового конденсатора: больше в 2,5 раза.

Пример: у вас асинхронный однофазный электродвигатель на 2 кВт. Это 2000 Ватт. Значит, при подключении с рабочей емкостью нужно запастись накопителем 1,4-1,6 мкФ. Для пусковой потребуется 3,5-4 мкФ.

Подключение однофазного синхронного электродвигателя

Несмотря на сложность конструкции синхронных двигателей, они имеют много преимуществ перед асинхронными. Главное – это низкая чувствительность к скачкам напряжения, ведущих к резкому уменьшению или увеличению силы тока. Не менее значим и тот факт, что синхронные моторы могут работать даже с перегрузкой, не говоря уже об оптимальном режиме реактивной энергии и вращении вала с постоянной скоростью. Однако подключение – трудоемкий процесс, и это уже недостаток.

Метод разгона

Нельзя пустить в ход однофазный синхронный двигатель, просто подав питание на его обмотки. Потому что в момент включения направление питающего тока в статорных намотках соответствует рисунку (а). В это время на ротор, который еще находится в состоянии покоя, действует пара сил, которая будет пытаться крутить вал по часовой стрелке. Но через половину периода в статорных намотках ток поменяет свое направление. Поэтому пара сил будет уже действовать в обратном направлении, поворачивая вал против часов стрелки, как на рисунке (б). Поскольку ротор обладает большой инертностью, он так и не сдвинется с места.

Чтобы заставить ротор вращаться, необходимо, чтобы он успевал сделать хотя бы половину оборота, чтобы изменение направления тока не повиляло на его вращение. Это возможно, если разогнать вал при помощи посторонних сил. Это можно сделать двумя путями:

1. Вручную;
2. С использованием второго двигателя.

Собственной силой рук можно разогнать только маломощные синхронные электродвигатели. А для средне- и высокомощных агрегатов придется использовать другой мотор.

При разгоне с посторонней силой ротор начинает вращаться со скоростью, близкой к синхронной. Потом только включается обмотка возбуждения, и затем – статорная намотка.

Асинхронный пуск синхронного мотора

Если в наконечниках на полюсах ротора уложены стержни из металла, и они соединены между собой по бокам кольцами, то мотор должен запускаться асинхронным методом. Эти стержни играют роль вспомогательной обмотки, которая есть у асинхронного двигателя. При этом намотку возбуждения закорачивают с помощью разрядного резистора, а статорную обмотку подключают к сети. Только так можно обеспечить такой же разгон, как и у асинхронного электродвигателя. Но после того, как скорость вращения максимально приблизится к синхронной (достаточно 95% от нее), намотку возбуждения соединяют с источником постоянного тока. Скорость становится полностью синхронной, что влечет за собой снижение ЭДС индукции вспомогательной обмотки вплоть до нуля. И она отключается автоматически.

Важно! Вспомогательные металлические стержни должны обладать высоким активным сопротивлением. В противном случае пусковой момент будет недостаточным для разгона ротора. А закорачивать намотку возбуждения необходимо по одной простой причине: если этого не сделать, то у нее в момент пуска случится пробой, потому что она задает вращение в том же направление, что и пусковая обмотка.

Схема и способ подключения вашего двигателя будет зависеть от того, какой он у вас: синхронный или асинхронный. В учет идет также мощность мотора, а также способ пуска: с нагрузкой или без. Разобраться в рисунках вам поможет элементарное понимание механики и электромагнитных явлений.