Синхронные двигатели, как правило, используются для того, чтобы максимально эффективно обеспечить работу крупных электрических приводов.
Оборудование с большой мощностью используют во многих промышленных сферах, его могут применять, например, металлургические или нефтегазовые компании.
Такие предприятия используют агрегаты для вентиляции, компрессоры, электронасосы, системы машин для обработки давлением металлов между вращающимися валками. Сегодня мы представим Вам обзор, как работают синхронные двигатели.
Преимущества и недостатки
Если сравнивать синхронные электродвигатели с асинхронными двигателями, однозначно у первых более сложный механизм, но также нужно выделить их существенные преимущества:
- Работа синхронных двигателей не особо зависит от интенсивности напряжения.
- Важным плюсом синхронных двигателей являются их сравнительно небольшие габариты, при этом их эффективность и механические функции намного лучше.
- Независимо от того, какие будут колебания нагрузки, это никак не повлияет на обороты и скорость вращения.
- Даже в случае значительных перегрузок на валу, синхронный двигатель будет работать без проблем, компенсируя такие пиковые скачки тем, что будет повышен ток в обмотке возбуждения.
- Синхронные двигатели могут работать так же как компенсаторы, благодаря тому, что они могут производить реактивную энергию. Для этого нужно подать повышенное напряжение на обмотку возбуждения. Если же выставить ток возбуждения в оптимальном режиме, не будет потребляться реактивная энергия, так же она не будет уходить на сеть.
При всех вышеперечисленных преимуществах использования синхронных электродвигателей, мы должны так же отметить один основной недостаток – отсутствие пускового момента. То есть, для запуска двигателя, необходимо использовать отдельное оборудование.
Это как раз и есть основная причина, почему синхронные двигатели долгое время были ограничены в использовании.
Способы запуска
Существует 3 способа запуска синхронного двигателя:
- использование дополнительного двигателя,
- асинхронный запуск,
- частотный запуск.
Для того, чтобы понять какой способ запуска применять, нужно разобраться с роторной конструкцией.
Он может быть выполнен с электромагнитным возбуждением, может состоять из постоянных магнитов, и может иметь комбинированную конструкцию. Кроме этого на роторе есть так называемая демпфирующая обмотка, помимо обмотки возбуждения. Такую короткозамкнутую обмотку называют еще «беличьей клеткой».
Использование дополнительного двигателя
Не самый популярный способ запуска, кроме того, не самый простой в плане технической реализации. Для того чтобы использовать такой способ, нужен еще один двигатель, его нужно присоединить к ротору электродвигателя.
Еще один двигатель нужен для того, чтобы скорость ротора соответствовала полю статора, то есть добиться синхронной скорости. Следующим этапом на обмотку возбуждения ротора будет подаваться постоянное напряжение.
Подача напряжения на обмотку статора выполняется при помощи рубильника, и контролировать процесс мы будем благодаря лампочкам, которые включаются одновременно с рубильником. Рубильник нужно выключить.
Сначала лампочки начнут мигать, но как только номинальные обороты будут достигнуты, лампочки перестанут гореть. Дальше подается напряжение на обмотки статора, а наш синхронный двигатель продолжит работу самостоятельно.
Второй дополнительный разгонный двигатель нужно отключить от сети, иногда необходимо механическое отсоединение.
Асинхронный запуск
Этот метод используется чаще всего, возможность использовать такой способ появилась после того, как была изменена конструкция ротора.
Основное преимущество такого метода, это то, что нам не понадобится дополнительно оборудование, так как конструкция ротора содержит в себе короткозамкнутые стержни демпфирующей обмотки, и это позволит нам осуществить асинхронный режим для запуска.
Разгон электродвигателя будет асинхронным, запускаться он будет тогда, когда на статор будет подано напряжение. Как только будет достигнута необходимая скорость, включится обмотка возбуждения.
Чем больше будет расти скорость оборотов, во время пуска в обмотке возбуждения, тем больше будет расти напряжение.
При этом возникнет магнитный поток, он будет влиять на электроток статора, а также возникнет подавляющий момент, который может спровоцировать остановку ротора.
Чтобы уменьшить нежелательное влияние, нам понадобится резистор (либо разрядный, либо компенсационный), мы соединим его с обмоткой возбуждения.
Такие резисторы имеют форму громоздких боксов, в которых спирали из стали выполняют функцию резистивных элементов.
Это нужно делать обязательно, так, как существует риск поломки благодаря растущему напряжению.
После того, как будет достигнута под синхронная частота вращения, резистор будет отключен от обмотки возбуждения.
Дальше при помощи генератора, либо тиристорного возбудителя (ВТЕ, либо ТВУ и тд., зависит от серии), на обмотку пойдет постоянное напряжение. После этого двигатель перейдет в синхронный режим.
Помимо тех плюсов, которые мы описали выше, так же нужно понимать и недостатки такого запуска.
Главное – это значительные пусковые токи, которые могут стать причиной просадки напряжения питающей сети. Если такое случится, остальные синхронные машины, которые задействованы на той же линии, могут остановиться.
В такой ситуации сработают защитные функции из-за низкого напряжения. Чтобы избежать такой ситуации, понадобятся компенсационные устройства, которые мы подключим к цепи обмоток статора, таким образом мы ограничим пусковые токи.
Можно использовать:
- Дополнительные реакторы либо резисторы для ограничения пусковых токов. Когда произойдет разгон, они шунтируются, и сетевое напряжение пойдет на обмотки статора.
- Автотрансформаторы. Их можно применять, чтобы понизить напряжение на входе.
Как только будет достигнута скорость оборотов, не менее 95-97 процентов, будет выполнено переключение. Автотрансформаторы будут отключены, при этом на обмотки будет подано напряжение сети переменного тока. После этого двигатель начнет работать синхронно.
Данный метод используют не часто, он достаточно дорогой, и емкий по техническим параметрам. Кроме того, трансформаторы очень часто могут ломаться.
Частотный запуск
Если необходимо запустить мощные агрегаты от 1 до 10 МВт, используется еще один метод запуска для синхронных двигателей — это так называемый частотный запуск. Устройства для частотного запуска, как правило, имеют стандартное напряжение от 6 до 10 Кв.
Применяется такой запуск и в легком режиме (используя вентиляторную нагрузку), и в режиме тяжелого пуска (задействуется привод шаровых мельниц). В таких случаях используется специальное устройство.
На схеме показан наглядный образец приспособления с очень плавным запуском: когда двигатель будет запущен, устройство включится, дальше будет выведено из схемы, и в результате двигатель будет напрямую подключен к сети.
Это точно такая же система, как у низковольтных и высоковольтных устройств, которые работают по схеме частотного преобразования.
При таком принципе можно запустить несколько двигателей благодаря одному устройству, а пусковой момент будет при этом доходить до 100%.
Системы возбуждения
Современные приспособления, предназначенные для контроля уровня возбуждения – это тиристорные возбудители ВТЕ.
Несмотря на то, что еще совсем недавно для этого использовали генератор независимого возбуждения, сегодня они перестали быть актуальными. Давайте рассмотрим функции тиристорных возбудителей ВТЕ:
- создают необходимый режим для пуска синхронного двигателя;
- поддерживают параметры тока возбуждения;
- ограничивают крайние уровни тока, автоматом регулируют напряжение возбуждения, если возникает нагрузка;
- в случае, если питающий ток будет понижен, они моментально увеличивают ток возбуждения;
- если отключится питающая сеть, они мгновенно гасят поле ротора;
- в случае проблем с изоляцией, оповещают о проблеме;
- проверяют состояние обмотки возбуждения, если двигатель не работает;
- осуществляют асинхронный и синхронный запуск, при работе высоковольтным частотным преобразованием.
Все эти функции говорят о надежности подобных систем возбуждения. Ну а главный их минус – это дорогостоящее оборудование.
Подводя итоги нашего обзора отметим, что асинхронный способ запуска на сегодня самый популярный, запуск с дополнительным электродвигателем практически никем не используется, частотный запуск эффективный, но имеет очень высокую цену.
