Скидка на подшипники из наличия!
Уже доступен
Синхронный двигатель — электрическая машина переменного тока, ротор которой вращается строго с той же частотой, что и вращающееся магнитное поле статора. Это фундаментальное свойство обеспечивает стабильную угловую скорость при любых нагрузках и делает такие машины незаменимыми в задачах, требующих точного поддержания частоты вращения, высокого КПД и управления реактивной мощностью.
Синхронный электродвигатель относится к классу машин переменного тока, у которых частота вращения ротора жёстко связана с частотой питающей сети. При частоте 50 Гц и числе пар полюсов p = 1 синхронная скорость составляет 3000 об/мин, при p = 2 — 1500 об/мин, при p = 3 — 1000 об/мин. Расчётная формула: n = 60f / p (об/мин), где f — частота сети, p — число пар полюсов. Скольжение, характерное для асинхронных машин, у синхронного двигателя в установившемся режиме равно нулю.
Конструктивно машина состоит из двух основных частей. Статор — трёхфазная обмотка в пазах шихтованного сердечника из электротехнической стали, аналогичная по принципу построения асинхронной машине. Ротор несёт источник постоянного магнитного поля — постоянные магниты или обмотку возбуждения с питанием постоянным током. Это поле "захватывается" вращающимся полем статора и тянется за ним синхронно.
Ключевое отличие от асинхронного двигателя: ротор вращается точно со скоростью поля, а не отстаёт от него. Это исключает потери на скольжение и позволяет машине работать с коэффициентом мощности cosφ вплоть до 1,0, а при перевозбуждении — генерировать реактивную мощность в сеть.
При подаче трёхфазного напряжения на статор формируется вращающееся магнитное поле. Полюсы ротора взаимодействуют с ним по принципу притяжения разноимённых полюсов — ротор "захватывается" полем и увлекается вместе с ним. Угол между осью поля статора и осью ротора называется углом нагрузки: он возрастает с увеличением механической нагрузки, однако скорость вращения при этом остаётся неизменной вплоть до предельного (опрокидывающего) момента.
Важнейшее эксплуатационное свойство синхронной машины с электромагнитным возбуждением — возможность управлять потреблением реактивной мощности путём изменения тока в роторной обмотке. При нормальном возбуждении cosφ ≈ 1,0: двигатель не потребляет реактивной мощности из сети. При перевозбуждении машина переходит в режим опережающего тока и генерирует реактивную мощность, компенсируя индуктивную нагрузку соседних потребителей. Диапазон регулирования cosφ у машин с электровозбуждением составляет от 0,8 отстающий до 0,8 опережающий.
Синхронный двигатель не развивает пускового момента при прямом подключении к сети с номинальной частотой — ротор не способен мгновенно достичь скорости поля. Применяются три основных метода:
Существуют два принципиально разных подхода к формированию постоянного магнитного потока ротора, определяющих конструкцию, область применения и способ управления машиной.
В роторе установлены редкоземельные магниты на основе сплавов NdFeB (неодим-железо-бор) или SmCo (самарий-кобальт). Остаточная магнитная индукция (реманентность Br) материала NdFeB составляет 1,0–1,45 Тл в зависимости от марки, что обеспечивает высокую плотность потока и удельную мощность при компактных габаритах. Индукция в воздушном зазоре двигателя при этом составляет 0,7–1,1 Тл. PMSM требуют управления через преобразователь частоты с векторным или прямым регулированием момента — прямое включение в сеть невозможно.
Классификация PMSM и SynRM по энергоэффективности при питании от ПЧ регламентируется стандартом IEC TS 60034-30-2:2016, который устанавливает классы IE1–IE5 для двигателей переменной скорости. КПД серийных PMSM достигает уровня IE4–IE5 по данному стандарту.
Ротор оснащён обмоткой возбуждения, питаемой постоянным током через контактные кольца и щётки (явнополюсная конструкция) или через бесщёточный возбудитель. Мощность таких машин начинается от нескольких сотен кВт и достигает десятков МВт. Регулировка тока возбуждения позволяет управлять cosφ в диапазоне 0,8 опережающий — 0,8 отстающий. Машины с демпферной обмоткой допускают асинхронный пуск непосредственно от сети.
Ротор не имеет ни магнитов, ни обмоток — вращение обеспечивается разностью магнитных сопротивлений по продольной и поперечной осям (d- и q-осям). Конструкция отличается высокой надёжностью и термостойкостью, поскольку в роторе отсутствуют проводники и магниты. КПД SynRM в составе частотно-регулируемого привода соответствует уровню IE4 по IEC TS 60034-30-2:2016. Применяются в насосах, вентиляторах и компрессорах.
Синхронный двигатель применяется там, где критичны постоянство скорости, высокий КПД или управление реактивной мощностью. Рассмотрим основные направления.
Поршневые и центробежные компрессоры требуют стабильной частоты вращения и длительной непрерывной работы. Синхронный привод с электромагнитным возбуждением мощностью 1–20 МВт обеспечивает постоянную производительность при нулевом скольжении и одновременно компенсирует реактивную мощность компрессорной станции. В нефтехимической промышленности синхронные двигатели широко применяются для привода технологических газовых компрессоров и дожимных установок.
Шаровые, стержневые и трубные мельницы в горнодобывающей и цементной промышленности работают на постоянной скорости при мощности 500 кВт–15 МВт. Тихоходный синхронный привод с числом пар полюсов 20 и более позволяет организовать прямой безредукторный привод барабана, исключив механический редуктор. Например, при 50 Гц и 20 парах полюсов синхронная скорость составляет 150 об/мин, при 30 парах — 100 об/мин. Это снижает потери в трансмиссии и объём регламентного обслуживания.
PMSM-двигатели в сервоприводах обеспечивают высокий крутящий момент при малой инерции ротора. Постоянная момента (Km) у серво-PMSM составляет 0,5–5 Н·м/А в зависимости от типоразмера, что обеспечивает высокую динамику позиционирования. Применяются в токарных, фрезерных и шлифовальных станках, промышленных роботах, намоточных и упаковочных машинах.
Установки водоснабжения, насосы трубопроводного транспорта и крупные вентиляторы с регулированием производительности переводятся на PMSM или SynRM в составе частотно-регулируемых приводов. В соответствии с законом подобия для лопастных машин снижение частоты вращения на 20% уменьшает потребляемую мощность приблизительно вдвое. На практике экономия электроэнергии при частичной нагрузке по сравнению с нерегулируемым асинхронным приводом достигает 30–50%.
Режим синхронного компенсатора — работа машины без механической нагрузки исключительно для выработки или потребления реактивной мощности. Машина устанавливается на подстанциях для поддержания уровня напряжения в распределительных сетях. Диапазон мощностей промышленных синхронных компенсаторов — от единиц до нескольких сотен МВАр.
При подборе машины необходимо учитывать ряд технических характеристик, регламентированных стандартами IEC 60034 и ГОСТ 27471-87.
При проектировании синхронного привода необходим расчёт ресурса подшипниковых узлов по ISO 281:2007 — базовый номинальный ресурс L10h определяется с учётом динамической грузоподъёмности, радиальных и осевых нагрузок, частоты вращения и требуемого уровня надёжности.
Синхронный двигатель — один из наиболее энергоэффективных типов электрических машин для промышленного применения. Его принципиальные преимущества: нулевое скольжение в установившемся режиме, КПД класса IE4–IE5 у машин с постоянными магнитами, управляемый коэффициент мощности cosφ и стабильная частота вращения при любой нагрузке в пределах устойчивой работы.
Выбор исполнения — PMSM, с электромагнитным возбуждением или SynRM — определяется требованиями технологического процесса, диапазоном мощностей и наличием системы частотного регулирования. Классификация по энергоэффективности для двигателей с ПЧ регламентируется стандартом IEC TS 60034-30-2:2016; для машин прямого пуска — ГОСТ IEC 60034-30-1-2016 и IEC 60034-30-1:2014. В сочетании с современными преобразователями частоты синхронный привод обеспечивает максимально достижимую энергоэффективность при широком диапазоне регулирования скорости и момента.
Вы можете задать любой вопрос на тему нашей продукции или работы нашего сайта.