Синхронный и асинхронный двигатель: отличия, принцип работы

В асинхронном двигателе 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.

Асинхронные двигатели

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.

Устройство двигателя

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.

Синхронный электродвигатель (или генератор)

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.

Синахронный и асинхронный двигатели

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.

Различные модели двигателей

Несмотря на различия, оба электрических двигателя нашли себе применение в технике и используются в самых разных исполнениях и размерах.

Похожие статьи:

Двигатель асинхронный — это… Что такое Двигатель асинхронный?

Асинхронная машина — это электрическая машина переменного тока, частота вращения ротора которой не равна (меньше) частоте вращения магнитного поля, создаваемого током обмотки статора. Асинхронные машины — наиболее распространённые электрические машины. В основном они используются как электродвигатели и являются основными преобразователями электрической энергии в механическую.

Конструкция

Как и любая электромеханическая машина, асинхронная машина имеет статор и ротор, разделённые воздушным зазором. Её активными частями являются обмотки и магнитопровод; все остальные части — конструктивные, обеспечивающие необходимую прочность, жёсткость, охлаждение, возможность вращения и т. п.

Обмотка статора представляет собой трёхфазную (в общем случае — многофазную) обмотку, проводники которой равномерно распределены по окружности статора и пофазно уложены в пазах с угловым расстоянием 120°. Фазы обмотки статора соединяют по стандартным схемам «треугольник» или «звезда» и подключают к сети трёхфазного тока. Магнитопровод статора перемагничивается в процессе изменения (вращения) магнитного потока обмотки возбуждения, поэтому его изготавливают шихтованным (набранным из пластин) из электротехнической стали для обеспечения минимальных магнитных потерь.

По конструкции ротора асинхронные машины подразделяют на два основных типа: с короткозамкнутым ротором и с фазным ротором. Оба типа имеют одинаковую конструкцию статора и отличаются лишь исполнением обмотки ротора. Магнитопровод ротора выполняется аналогично магнитопроводу статора — из электротехнической стали и шихтованным.

Короткозамкнутый ротор

Ротор асинхронной машины типа «беличья клетка»

Короткозамкнутая обмотка ротора, часто называемая «беличья клетка» из-за внешней схожести конструкции, состоит из медных или алюминиевых стержней, замкнутых накоротко с торцов двумя кольцами. Стержни этой обмотки вставляют в пазы сердечника ротора. В машинах малой и средней мощности ротор обычно изготавливают путём заливки расплавленного алюминиевого сплава в пазы сердечника ротора. Вместе со стержнями «беличьей клетки» отливают короткозамыкающие кольца и торцевые лопасти, осуществляющие самовентиляцию самого ротора и вентиляцию машины в целом. В машинах большой мощности «беличью клетку» выполняют из медных стержней, концы которых вваривают в короткозамыкающие кольца.

Зачастую пазы ротора или статора делают скошенными для уменьшения высших гармонических ЭДС, вызванных пульсациями магнитного потока из-за наличия зубцов, магнитное сопротивление которых существенно ниже магнитного сопротивления обмотки, а также для снижения шума, вызываемого магнитными причинами.

Асинхронные двигатели с таким ротором имеют небольшой пусковой момент и значительный пусковой ток, что является существенным недостатком «беличьей клетки». Поэтому их применяют в тех электрических приводах, где не требуются большие пусковые моменты. Из достоинств следует отметить лёгкость в изготовлении, малый момент инерции и отсутствие механического контакта со статической частью машины, что гарантирует долговечность и снижает затраты на обслуживание.

Фазный ротор

Фазный ротор имеет трёхфазную (в общем случае — многофазную) обмотку, обычно соединённую по схеме «звезда» и выведённую на контактные кольца, вращающиеся вместе с валом машины. С помощью металлографитовых щёток, скользящих по этим кольцам, в цепь обмотки ротора включают пускорегулирующий реостат, выполняющий роль добавочного активного сопротивления, одинакового для каждой фазы.

В двигателях с фазным ротором имеется возможность увеличивать пусковой момент до максимального значения(в первый момент времени) с помощью пускового реостата, тем самым уменьшая пусковой ток. Такие двигатели применяются для привода механизмов, которые пускают в ход при большой нагрузке.

Скорость вращения поля статора

При питании обмотки статора трёхфазным (в общем случае — многофазным) током создаётся вращающееся магнитное поле, синхронная частота вращения [об/мин] которого связана с частотой сети [Гц] соотношением:

,

где  — число пар магнитных полюсов обмотки статора.

Двигательный режим

Если ротор неподвижен или частота его вращения меньше синхронной, то вращающееся магнитное поле пересекает проводники обмотки ротора и индуцирует в них ЭДС, под действием которой по обмотке ротора начинает течь ток. На проводники с током этой обмотки, расположенные в магнитном поле обмотки возбуждения, действуют электромагнитные силы; их суммарное усилие образует электромагнитный вращающий момент, увлекающий ротор за магнитным полем. Если этот момент достаточно велик, то ротор приходит во вращение, и его установившаяся частота вращения [об/мин] соответствует равенству электромагнитного момента тормозному, создаваемого нагрузкой на валу, силами трения в подшипниках и инерцией ротора. Частота вращения ротора не может достигнуть частоты вращения магнитного поля, так как в этом случае угловая скорость вращения магнитного поля относительно обмотки ротора станет равной нулю, магнитное поле перестанет индуцировать в обмотке ротора ЭДС и, в свою очередь, создавать крутящий момент; таким образом, для двигательного режима работы асинхронной машины справедливо неравенство:

.

Относительная разность частот вращения магнитного поля и ротора называется скольжением:

.

Очевидно, что при двигательном режиме .

Генераторный режим

Если ротор разогнать с помощью внешнего момента (например, каким-либо двигателем) до частоты, большей частоты вращения магнитного поля, то изменится направление ЭДС в обмотке ротора и активной составляющей тока ротора, то есть асинхронная машина перейдет в генераторный режим. При этом изменит направление и электромагнитный момент, который станет тормозящим. В генераторном режиме работы скольжение .

При отсутствии первоначального магнитного поля в обмотке статора поток возбуждения создают с помощью постоянных магнитов, либо за счёт остаточной индукции машины и пусковых конденсаторов, параллельно подключенных по схеме «звезда» к фазам обмотки статора .

Асинхронный генератор потребляет намагничивающий ток значительной силы и требует наличия в сети генераторов реактивной мощности в виде синхронных машин,синхронных компенсаторов,батарей статических конденсаторов(БСК). Несмотря на простоту обслуживания, асинхронный генератор применяют сравнительно редко, в основном как вспомогательные источники небольшой мощности и как тормозные устройства.

Режим электромагнитного тормоза

Если изменить направление вращения ротора или магнитного поля так, чтобы они вращались в противоположных направлениях, то ЭДС и активная составляющая тока в обмотке ротора будут направлены так же, как в двигательном режиме, и машина будет потреблять из сети активную мощность. Однако электромагнитный момент будет направлен встречно моменту нагрузки, являясь тормозящим. Такой режим работы асинхронной машины называется режимом электромагнитного тормоза, и для него справедливы неравенства .

Способы управления асинхронным двигателем

Под управлением асинхронным двигателем переменного тока понимается изменение частоты вращения ротора. Существуют следующие способы управления асинхронным двигателем:

• реостатный — изменение частоты вращения АД с фазным ротором путём изменения сопротивления реостата в цепи ротора,

• частотный — изменение частоты вращения АД путём изменения частоты тока в питающей сети, что влечёт за собой изменение частоты вращения поля статора. Применяется включение двигателя через частотный преобразователь,

• переключением обмоток со схемы «звезда» на схему «треугольник» в процессе пуска двигателя, что даёт снижение пусковых токов в обмотках примерно в три раза;

• импульсный — подачей напряжения питания специального вида (например, пилообразного),

• изменением числа пар полюсов, если такое переключение предусмотрено конструктивно,

• изменением амплитуды питающего напряжения, когда изменяется только амплитуда (или действующее значение) управляющего напряжения. Тогда векторы напряжений управления и возбуждения остаются перпендикулярны,

• Фазовое управление характерно тем, что изменение частоты вращения ротора достигается путём изменения сдвига фаз между векторами напряжений возбуждения и управления,

• Амплитудно-фазовый способ включает в себя оба предыдущих способа.

Ссылки

Wikimedia Foundation. 2010.

отличия по конструкции и принципу работы

Всем известно, что основное предназначение электродвигателей – это преобразование электрической энергии в энергию механическую. Это обнаружил аж в 1821 году Майкл Фарадей, который проводил опыты с магнитами и магнитным полем. С тех пор прошло много времени, а электрические моторы заняли свое основное место в промышленности и быту. Без них сегодня никуда. В настоящее время производители электродвигателей предлагают большое количество моделей, различающихся по конструкции и принципу действия. Это двигатели постоянного и переменного тока, синхронные и асинхронные. Нас сегодня интересует именно синхронный и асинхронный двигатель – отличия.

Чтобы разобраться в отличиях, необходимо рассмотреть конструктивные особенности каждого типа моторов и понять принцип их работы.

Асинхронный электродвигатель

Итак, надо начать с рассмотрения конструкции асинхронной модели. Основное отличие от синхронной – это наличие трех обмоток в статоре, концы которых выводятся для подключения в клеммную коробку. Вторая основная часть мотора – ротор цельного типа, торцы которого замыкаются между собой, отсюда, в принципе, и название – короткозамкнутый.

Дополнением конструкции является крыльчатка, с помощью которой охлаждается двигатель. Устанавливается крыльчатка на вал (ротор) электрического мотора. Сам ротор держится и вращается в подшипниках, установленных в двух крышках корпуса. Обратите внимание, что именно подшипники и являются самым уязвимым местом агрегата. Именно они чаще всего выходят из строя. Правда, заменить их не очень сложно.

Принцип работы

По какому принципу работает асинхронный двигатель? Внутри корпуса мотора, где расположены обмотки статора, возникает магнитное поле, которое действует на ротор, заставляя его вращаться под действием возникшей электродвижущей силы. Но вращение ротора может быть только в том случае, если скорость вращения магнитного поля будет быстрее вращения самого вала двигателя. Если скорости будут одинаковыми, то электродвижущая сила не появится.

Но в любом случае этого произойти не может, потому что здесь несколько причин, сдерживающих скорость вращения ротора.

• Трение в подшипниках.
• Нагрузка на сам вал.

Но самое главное, что магнитные полюса в асинхронном двигателе постоянно меняются, что влияет на смену направлений тока в статоре электродвигателя. То есть, в определенное время ток начинает вращаться «на нас», а в следующий промежуток «от нас». Именно поэтому такие двигатели называются асинхронными, у них просто нет стабильного направления тока.

Что касается скорости вращения ротора, то тут необходимо сделать одно замечание. Этот показатель будет зависеть от того, сколько полюсов одномоментно подключено к питанию. К примеру, максимальная скорость вращения вала будет при двух подключенных полюсах. Чтобы снизить данный показатель, необходимо добавить еще два полюса, то есть, увеличить их вдвое.

И еще один недостаток. Асинхронные двигатели при работе обладают разной скоростью вращения вала. К примеру, на холостом ходу это может быть одна величина, при нагрузке она резко снижается. По сути, получается так, что изменение частоты тока влияет на скорость вала. Другого способа изменить скорость вращения не существует.

Синхронный электродвигатель

Итак, синхронный электродвигатель – это мотор с постоянной скоростью вращения ротора, плюс возможность регулировать эту скорость. Устройство синхронного мотора достаточно сложное. Чтобы в нем разобраться, необходимо рассмотреть фотографию ниже.

Здесь четко показано, что обмотки двигателя располагаются на якоре или роторе агрегата. Концы обмоток выведены и закреплены на токосъемное кольцо, а, точнее, к его секторам. Сам же ток подается на это же кольцо только через графитовые щетки, которые подключены к питающей сети.

Внимание! Концы обмоток подключаются таким образом, что при работе мотора через щетки электрический ток попадал всегда только на одну пару.

У двигателя этой модели больше уязвимых мест, чем у асинхронной.

• Снашиваются графитные щетки.
• Плохой контакт между токосъемным кольцом и щетками за счет ослабления пружины, которая прижимает последние к кольцу (коллектору).
• Изнашиваются подшипники.
• Образование грязевого налета на поверхности токосъемного кольца.

Теперь переходим к другой позиции – принцип работы синхронного электродвигателя. Вращающийся момент внутри мотора образуется за счет взаимодействия магнитного поля, которое образуется в обмотках возбуждения, и тока, проходящего по якорю агрегата. Но тут есть один момент – изменяющееся направление тока (переменного) будет менять и направление вращения магнитного поля двигателя. Правда, смена вращения будет меняться и в корпусе аппарата, и на якоре одновременно. Вот почему вращение ротора мотора всегда происходит с одинаковой скоростью.

Именно поэтому изменить эту величину можно лишь тем, если изменить напряжение подаваемой на щетки электроэнергии. Вспомните пылесосы, где всасываемую мощность изменяют переключателем, который просто соединен с реостатом. А мощность пылесоса зависит от скорости вращения вала крыльчатки, то есть вала электродвигателя. Чем больше скорость, тем больше мощность всасывания.

Но синхронные электродвигатели в промышленности своего основного места не нашли. Здесь в основном используются асинхронные модели.

Какой лучше

Итак, в статье были разобраны устройство и принцип действия двух видов электродвигателей. Говорить о том, что какой-то из них лучше, нельзя. Но отметим, что асинхронные модели проще в конструктивном аспекте. Они надежнее в эксплуатации. Если их не перегружать, то срок службы может быть очень длительным. К сожалению, синхронные виды этим похвастаться не могут. Графитовые щетки быстро изнашиваются, им требуется замена. Но если не уследить, и графит сотрется полностью, то металлические держатели щеток начнут истирать токосъемное кольцо. А его выход из строя – это не только полный выход из строя двигателя, это большое количество искр (трение металла о металл) и возможность появления более серьезных неприятностей.

Чем отличается синхронный двигатель от асинхронного

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:

1. якорь;
2. 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.

к содержанию ↑

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.

к содержанию ↑

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:

1. простота конструкции, надежность;
2. относительно невысокая себестоимость производства, эксплуатации;
3. 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.

к содержанию ↑

Таблица

Синхронный двигатель	Асинхронный двигатель
Вращение ротора и магнитного поля в синхронных двигателях осуществляется с одинаковой частотой	Вращение ротора и магнитного поля в асинхронных агрегатах осуществляется с разной частотой
Имеет часто более сложную конструкцию	Обычно имеет менее сложную конструкцию
Оптимален при необходимой мощности в 100 кВт и выше	Оптимален при необходимой мощности менее 100 кВт