Особенности устройства и назначение ливневой канализации: как работает, когда нужна, виды, инструкция как сделать

• чугунные, вариант неплохой, но краска дольше 2-3 лет не держится даже на самых дорогих;
• стальные — самый плохой вариант, так как очень быстро ржавеют;
• из алюминиевых сплавов — самые долговечные и имеющие стабильно хороший внешний вид, но и самые дорогие.

Решетки еще могут быть квадратными — для точечных дождеприемников

Трубы. Для ливневой канализации лучше всего ставить полиэтиленовые трубы для наружного использования (рыжего цвета). Их гладкие стенки не позволяют скапливаться осадкам, также они имеют большую проводящую способность чем трубы аналогичного диаметра из другого материала. Еще применяют чугунные и асбестовые трубы. Немного о диаметре труб для ливневки. Он зависит от количества осадков, разветвленности системы. Но самый минимальный диаметр — 150 мм, а лучше — больше. Трубы укладываются с уклоном не менее 3% (3 см на метр) в сторону дождеприемников, а затем — в сторону колодца.

При устройстве ливневой канализации возле дома лучше использовать пластиковые трубы для наружного применения
Ревизионные колодцы. Это небольшие пластиковые или бетонные колодцы, которые ставят на протяженном участке трубопровода, в местах разветвления системы. Через них, при необходимости, чистят трубы.

На протяженных участках нужны точки ревизии — для прочистки возможных засоров в трубах

Не всегда ливневая канализация в частном доме содержит все эти устройства, но из них можно построить систему любой конфигурации и сложности.

Порядок строительства

Вообще, для начала требуется создать проект. Если нет возможности или желания воспользоваться услугами профессионалов, нарисуйте его в масштабе (на листке бумаги или в одной из программ). Так вы сможете довольно точно определиться с тем, чего вам надо и сколько. Закупив необходимые материалы можно приступать к работам.

Сначала устанавливают систему водостоков. Затем начинается монтаж ливневой канализации. Эту работу имеет смысл проводить одновременно с укладкой дренажной и канализационных систем, а также провести работы по подготовке у укладке дорожек и отмостки. Для всех этих работ требуется снимать грунт, так почему бы не сделать все сразу?

Установка дождеприемника — залить бетоном и «пригрузить» чем-то тяжелым, чтобы не выдавило

Если другие системы уже готовы или они просто не нужны, можно выкопать траншеи. Они должны быть больше требуемой глубины на 10-15 см. На дно траншей насыпают щебень, а в него укладывают трубы, ставят устройства. Щебень будет нейтрализовать силы пучения: он всегда остается подвижным, так что при нагрузках просто передвигается с места на место. Как вы знаете, установленные в нем устройства нагрузки почти не ощущают.

При установке дождеприемников их бетонируют. Вокруг ставят опалубку, заливают слоем бетона в 15-20 см. Его надо рассчитать так, чтобы нормально «легло» финишное покрытие, которое вы собираетесь настелить.

Устройство ливневой канализации принцип работы, конструкция, СНИП

Длительные весенние дожди, за которыми следует распутица, является серьезной проблемой для большинства домовладельцев. В итоге земельный участок больше похож на болотистую местность, но это не единственная неприятность. Следует помнить и о том, что регулярное подтапливание основания здания и его стеновых конструкций приводит к преждевременному выходу из строя данных элементов. В данной статье мы расскажем про устройство колодцев ливневой канализации, различные ее виды и порядок обустройства.

Но для начала разберемся, что представляет собой данная канализационная система. Данная система, по сути, является инженерной магистралью, чья главная задача – это накопление дождевых вод и последующий их отвод с территории земельного участка. Для обустройства вышеописанных магистралей необходимо знать о правилах и СНиПах, в которых как раз таки и рассматриваются вопросы обустройства канализационных магистралей внешнего типа.

СНиП на устройство ливневой системы канализации регламентирует правила, которые должны быть применены к внешним канализационным магистралям. Также в СНиПе находятся различные формулы, которые применяются для осуществления расчетов, без которых невозможно обустройство канализации. Помимо этого документ регламентирует типы строительных материалов, которые можно применять и глубину расположения канализации.

Виды ливневых канализаций

На данный момент существует три типа ливневых канализационных систем:

• линейная канализация;
• закрытая канализация;
• точечная канализация.

Точечные ливневые системы

Представленная канализационная система состоит из большого количества дождеприемников, которые соединяются посредством труб небольшого диаметра. Для увеличения срока эксплуатации подобной системы необходимо устанавливать специальные фильтры на дождеприемники, которые называются пескоулавливателями, а также металлические сетки для более крупного мусора.

Линейные ливневые магистрали

Линейные канализационные системы представляют собой несколько канавок, по которым и осуществляется отвод дождевых вод с земельного участка. Главной особенностью такой магистрали является необходимость ее установки под наклоном.

Ливневая закрытая магистраль представляет собой несколько приемников дождевой воды, которые соединяются магистралями, и трубой для отвода сточных вод в специальный коллектор.

Подобная система предполагает наличие ревизионного колодца, диметр которого должен составлять как минимум 1 метр.

Если во время монтажа канализационной системы выяснилось, что не получится уложить магистрали под наклоном, то такая система должна быть оснащена несколькими насосами для транспортировки жидкости.

Элементы ливневой канализации

В большинстве случаев канализационные системы состоят из следующих элементов.

Дождеприемники. Данное устройство является одним из самых важных звеньев канализационной системы. Оно используется для сбора жидкости с земельного участка.

Придверные поддоны. Это разновидность приемника дождевых вод, который устанавливается перед дверями или воротами.

Элементы ливневой канализации

Приемные лотки. После рытья канавы в нее устанавливают данные элементы, которые способствуют отводу воды с земельного участка. Их необходимо монтировать под наклоном в сторону коллектора, для обеспечения протекания жидкости.

Трубы. Конструкция ливневой канализации включает в себя трубы, которые необходимы для оттока жидкости за пределы земельного участка или в специальный коллектор.

Пескоулавливатели. По сути, данное устройство представляет собой фильтр, который необходимо монтировать поверх дождеприемника. Используется для предотвращения образования засоров в канализационной системе.

Ревизионные колодцы. Данные конструкции используются для проведения проверок состояния канализационной магистрали или обнаружения неисправностей.

Расчет ливневой канализации

Обустройство ливневой канализации следует начинать с осуществления некоторых расчетов, для чего потребуется следующая информация:

• годовое количество осадков для данного региона в среднем;
• особенности почвы на земельном участке;
• расположение уже проложенных инженерных магистралей.

Схема ливневой канализации

Вычислить необходимый диаметр канализационных магистралей можно по следующей формуле:

• Q – объем дождевой воды, который транспортируется с помощью канализации.
• q20 обозначает частоту дождей.

• F – так обозначается общая площадь всего участка, с которого необходимо отводить дождевые воды.
• ? – это коэффициент, зависящий от материала изготовления покрытия земельного участка, откуда будет отводиться жидкость.

В большинстве случаев для обустройства канализационных магистралей внешнего типа используются трубы диаметром до 15 сантиметров. Для стандартных земельных участков достаточно диаметра 11 сантиметров.

Общая схема ливневой канализации

Глубина заложения труб

Принцип работы ливневой канализации определяет ее место расположения, то есть под землей. Поэтому возникает вполне справедливый вопрос, на какую глубину необходимо закапывать трубы. Ответ на данный вопрос приведен в СНиПе 2.04.03-85. Как гласит данный документ, минимальная глубина должна определять опытом использования инженерных сетей в конкретном регионе.

Для того, чтобы избежать сложный расчетов и неуверенности в полученных данных, лучше воспользоваться опытом людей, которые занимаются установкой подобных канализационных систем профессионально, и узнать о необходимой глубине. Также можно получить данную информацию у соседей, при условии, что они уже завершили обустройство ливневых канализационных систем.

Уклон труб ливневок

Для того, чтобы вычислить необходимый наклон канализационной магистрали необходимо учитывать следующие факторы:

• диаметр магистралей;
• метод отвода дождевых вод;
• материал изготовления поверхностей.

В случае использования магистралей, диаметр которых составляет 20 сантиметров, то наклон должен составлять по 7 миллиметров на каждый погонный метр магистрали. Если диаметр магистрали составляет 15 сантиметров, то ее наклон должен быть не менее 8 миллиметров на каждый погонный метр канализационной системы. Если имеется такая необходимость, то можно сделать наклон немного меньше, чем указано выше. Вся эта информация содержится в СНиПе 2.04.03-85.

Согласно данному документу, можно уменьшить наклон до 5 миллиметров в случае с магистралью диаметром 20 сантиметров, а для трубы с диаметром 15 сантиметров допустим наклон по 7 миллиметров на каждый метр установленной системы.

Рекомендуем также прочесть статью о прочистке ливневой канализации. Перейдя по ссылке http://vse-postroim-sami.ru/engineering-systems/plumbing-sewerage/882_slivnaya-yama-svoimi-rukami/, вы найдете полезную информацию по обустройству сливных ям. В данной статье рассматривается один из самых популярных септиков.

Из этого следует, что в крайне случае у вас имеется возможность сэкономить около 2 миллиметров на каждый погонный метр канализационной магистрали. Следует помнить и о том, что нормативный документ регламентирует не только минимальный, но и максимальный наклон, который не должен превышать 15 миллиметров.

В случае превышения данного значения возникает возможность образования засоров в канализационной системе. Все дело в том, что слишком большой наклон обеспечивает очень быстрый отток воды, но песок, который имеется в сточных водах, оседает на внутренней поверхности магистрали и скапливается там.

Схема кровельной части ливневки

После завершения всех подготовительных работ, когда схема ливневых канализаций подготовлена, можно начинать саму установку канализационной системы. Магистрали, которые планируется использовать для отвода дождевых вод с крыши должны устанавливаться под наклоном в 2% по отношению к длине конструкции. Далее мы приведем пошаговую инструкцию монтажа.

Монтаж кровельной части

Начинать необходимо с установки приемников дождевой воды. Для них необходимо рассверлить отверстия, после чего монтировать в них устройства и закрепить мастикой. После этого нужно будет обработать все получившиеся стыки герметиком на силиконовой основе.

Затем нужно заняться подвешиванием труб, в случае монтажа точечной канализационной системы или лотками, если мы говорим о линейном типе.

После этого необходимо установить трубы для отвода воды или стояки, в зависимости от того, какая канализационная система была выбрана.

Последним шагом станет обустройство закрытого отвода дождевой воды в специальный коллектор. Некоторые типы ливневой канализации требуют обустройства открытого отвода воды.

Работы по установке должны проводиться с использованием хомутов, которые закрепляются на стеновых конструкциях или перегородках. Разметку необходимо проводить заранее с учетом угла наклона.

Монтаж наземной части ливневой канализации

Монтаж наземного фрагмента ливневой канализации происходит следующим образом.
Очень важно соблюсти корректный угол наклона. Для этого применятся трассировочный трос.
Для начала необходимо провести разметку земельного участка. После этого можно приступать к работам с землей.

Монтаж наземной части

Имеется ввиду рытье траншей и ревизионных колодцев. Делать это нужно с учетом глубины, на которую почва может промерзнуть в зимнее время. Помимо этого необходимо прорыть канавки для монтажа лотков или желобов.

Теперь нужно монтировать приемники для сбора дождевой воды.

В вырытые траншеи необходимо насыпать небольшой слой песка и провести его трамбовку.

После этой операции можно укладывать трубы в места, которые предусмотрены схемой.

Следующим шагом станет подсоединение всех фрагментов канализационной системы друг к другу, после чего нужно будет установить фильтры и защитные решетки.

На последнем этапе установочных работ необходимо будет установить приемочные лотки на цементный раствор и закопать магистрали.

После завершения всех работ необходимо провести тест, который заключается в искусственном «дожде», нужно будет просто включить воду и направить на территорию с установленной системой струю воды. Если система нормально справляется, то можно считать установку завершенной. Такая канализационная система прослужит не один год, но только при условии правильного использования.

Необходимость создания охранных зон

Охранная зона ливневки

Некоторые люди даже не догадываются о том, что существует необходимость обустройства охранной территории для канализационной системы, о чем упоминается в соответствующих СНиПах. В нормативных документах также содержится информация о размерах данной территории. В большинстве случаев необходимо отступить от трубы на 5 метров в каждую сторону, таким образом можно определить данную территорию.

На этой территории категорически не рекомендуется:

• возводить постройки любого типа;
• организовывать свалки;
• обустраивать парковки;
• также нельзя высаживать деревья или любые другие растения с мощной корневой системой ближе, чем на три метра от магистралей;
• запрещено ограничивать доступ к ревизионным колодцам.

В заключение можно сказать, что главное – это четкое следование всем правилам и нормам, не лишним будет изучить указанные в статье нормативные документы.

Видео

Принцип работы синхронного двигателя

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

Его строение практически аналогично 3-фазному асинхронному двигателю, за исключением того факта, что на ротор подается источник постоянного тока.

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.

Способы запуска

• Пуск синхронного двигателя при помощи вспомогательного двигателя. Синхронный двигатель механически соединяется с другим двигателем. Это может быть либо 3-х фазный индукционный двигатель, либо двигатель постоянного тока. Постоянный ток изначально не подается. Двигатель начинает вращаться со скоростью, близкой к синхронной скорости, после чего подается постоянный ток. После того, как магнитное поле замыкается, связь со вспомогательного двигателя прекращается.
• Асинхронный пуск. В полюсных наконечниках полюсов ротора устанавливается дополнительная короткозамкнутая обмотка. При включении напряжения в обмотку статора возникает вращающееся магнитное поле. Пересекая короткозамкнутую обмотку, которая заложена в полюсных наконечниках ротора, это вращающееся магнитное поле индуцирует в ней токи, который взаимодействуя с вращающимся полем статора, приводят ротор во вращение. Когда достигнута синхронная скорость, ЭДС и крутящийся момент уменьшается. И наконец, когда магнитное поле замыкается, крутящий момент также сводится к нулю. Таким образом, синхронность вначале запускается индукционным двигателем с использованием дополнительной обмотки.

Применение

• Синхронный двигатель используется для улучшения коэффициента мощности. Синхронные двигатели широко применяются в энергосистеме, поскольку они работают при любом коэффициенте мощности и имеют экономичные эксплуатационные показатели.
• Синхронные двигатели находят свое применение там, где рабочая скорость не превышает 500 об / мин и требуется увеличить мощность. Для энергетической потребности от 35 кВт до 2500 кВт, стоимость, размер, вес и соответствующего индукционного двигателя будет довольно высоким. Такие двигатели часто используются для работы поршневых насосов, компрессоров, прокатных станков и другого оборудования.

Устройство и принцип действия синхронного двигателя

Отличие от асинхронного мотора

Главное отличие синхронной машины заключается в том, что скорость вращения якоря такая же, как и аналогичная характеристика магнитного потока.

И если в асинхронных моторах используется короткозамкнутый ротор, то в синхронных имеется на нем проволочная обмотка, к которой подводится переменное напряжение.

В некоторых конструкциях используются постоянные магниты. Но это делает двигатель дороже.

Если увеличивать нагрузку, подключаемую к ротору, частота вращения его не изменится. Это одна из ключевых особенностей такого типа машин. Обязательное условие – у движущегося магнитного поля должно быть столько же пар полюсов, сколько у электромагнита на роторе. Именно это гарантирует постоянную угловую скорость вращения этого элемента двигателя. И она не будет зависеть от момента, приложенного к нему.

Конструкция мотора

Устройство и принцип действия синхронных двигателей несложны.

Конструкция включает в себя такие элементы:

1. Неподвижная часть – статор. На ней находится три обмотки, которые соединяются по схеме «звезда» или «треугольник». Статор собран из пластин электротехнической стали с высокой степенью проводимости.
2. Подвижная часть – ротор. На нем тоже имеется обмотка. При работе на нее подается напряжение.

Между ротором и статором имеется прослойка воздуха. Она обеспечивает нормальное функционирование двигателя и позволяет магнитному полю беспрепятственно воздействовать на элементы агрегата. В конструкции присутствуют подшипники, в которых вращается ротор, а также клеммная коробка, расположенная в верхней части мотора.

Как работает двигатель

Если кратко, принцип действия синхронного двигателя, как и любого другого, заключается в преобразовании одного вида энергии в другой. А конкретно – электрической в механическую. Работает мотор таким образом:

1. На статорные обмотки подается переменное напряжение. Оно создает магнитное поле.
2. На обмотки ротора также подается переменное напряжение, создающее поле. Если используются постоянные магниты, то это поле уже по умолчанию имеется.
3. Два магнитных поля взаимопересекаются, противодействуют друг другу – одно толкает другое. Из-за этого двигается ротор. Именно он установлен на шарикоподшипниках и способен свободно вращаться, дать ему нужно только толчок.

Вот и все. Теперь остается только использовать полученную механическую энергию в нужных целях. Но требуется знать, как правильно вывести в нормальный режим синхронный двигатель. Принцип работы у него отличается от асинхронного. Поэтому требуется придерживаться определенных правил.

Для этого электродвигатель подключают к оборудованию, которое необходимо привести в движение. Обычно это механизмы, которые должны работать практически без остановок – вытяжки, насосы и прочее.

Синхронные генераторы

Обратная конструкция – синхронные генераторы. В них процессы протекают немного иначе. Принцип действия синхронного генератора и синхронного двигателя отличаются, но не существенно:

1. На обмотку статора не подается напряжение. С нее оно снимается.
2. На обмотку ротора подается переменное напряжение, которое необходимо для создания магнитного поля. Потребление электроэнергии крайне маленькое.
3. Ротор электрогенератора раскручивается при помощи дизельного или бензинового двигателя либо же силой воды, ветра.
4. Вокруг ротора имеется магнитное поле, которое двигается. Поэтому в обмотке статора индуцируется ЭДС, а на концах появляется разность потенциалов.

Но в любом случае требуется стабилизировать напряжение на выходе генераторной установки. Для этого достаточно запитать роторную обмотку от источника, напряжение которого постоянно и не изменяется при колебаниях частоты вращения.

Полюсы обмоток двигателя

В конструкции ротора имеются постоянные или электрические магниты. Их обычно называют полюсами. На синхронных машинах (двигателях и генераторах) индукторы могут быть двух типов:

1. Явнополюсными.
2. Неявнополюсными.

Они различаются между собой только взаимным расположением полюсов. Для уменьшения сопротивления со стороны магнитного поля, а также улучшения условий для проникновения потока, используются сердечники, изготовленные из ферромагнетиков.

Эти элементы располагаются как в роторе, так и в статоре. Для изготовления используются только сорта электротехнической стали. В ней очень много кремния. Это отличительная особенность такого вида металла. Это позволяет существенно уменьшить вихревые токи, повысить электрическое сопротивление сердечника.

Воздействие полюсов

В основе конструкции и принципа действия синхронных двигателей лежит обеспечение влияния пар полюсов ротора и статора друг на друга. Для обеспечения работы нужно разогнать индуктор до определенной скорости. Она равна той, с которой вращается магнитное поле статора. Именно это позволяет обеспечить нормальную работу в синхронном режиме. В момент, когда происходит запуск, магнитные поля статора и ротора взаимно пересекаются. Это называется «вход в синхронизацию». Ротор начинает вращаться со скоростью, как у магнитного поля статора.

Запуск электродвигателей синхронного типа

Самое сложное в работе синхронного мотора – это его запуск.

Именно поэтому его используют крайне редко. В

едь конструкция усложняется за счет системы запуска.

На протяжении долгого времени работа синхронного двигателя зависела от разгонного асинхронника, механически соединенным с ним.

Что это значит? Второй тип двигателя (асинхронный) позволял разогнать ротор синхронной машины до подсинхронной частоты.

Обычные асинхронники не требуют специальных устройств для запуска, достаточно только подать рабочее напряжение на обмотки статора.

После того, как будет достигнута требуемая скорость, происходит отключение разгонного двигателя. Магнитные поля, которые взаимодействуют в электрическом моторе, сами выводят его на работу в синхронном режиме. Для разгона потребуется другой двигатель. Его мощность должна составлять примерно 10-15 % от аналогичной характеристики синхронной машины. Если нужно вывести в режим электродвигатель 1 кВт, для него потребуется разгонный мотор мощностью 100 Вт. Этого вполне достаточно, чтобы машина смогла работать как в режиме холостого хода, так и с незначительной нагрузкой на валу.

Более современный способ разгона

Стоимость такой машины оказывалась намного выше. Поэтому проще использовать обычный асинхронный мотор, пусть и много у него недостатков. Но именно его принцип работы и был использован для уменьшения габаритов и стоимости всей установки. При помощи реостата производится замыкание обмоток на роторе. В итоге двигатель становится асинхронным. А запустить его оказывается намного проще – просто подается напряжение на обмотки статора.

Во время выхода на подсинхронную скорость возможно раскачивание ротора. Но это не происходит за счет работы его обмотки. Напротив, она выступает в качестве успокоителя. Как только частота вращения будет достаточной, производится подача постоянного напряжения на обмотку индуктора. Двигатель выводится в синхронный режим. Но такой способ можно воплотить только в том случае, если используются моторы с обмоткой на роторе. Если там применяется постоянный магнит, придется устанавливать дополнительный разгонный электродвигатель.

Преимущества и недостатки синхронных моторов

Основное преимущество (если сравнивать с асинхронными машинами) – за счет независимого питания роторной обмотки агрегаты могут работать и при высоком коэффициенте мощности. Также можно выделить такие достоинства, как:

1. Снижается ток, потребляемый электродвигателем, увеличивается КПД. Если сравнивать с асинхронным мотором, то эти характеристики у синхронной машины оказываются лучше.
2. Момент вращения прямо пропорционален напряжению питания. Поэтому даже если снижается напряжение в сети, нагрузочная способность оказывается намного выше, нежели у асинхронных машин. Надежность устройств такого типа существенно выше.

Но вот имеется один большой недостаток – сложная конструкция. Поэтому при производстве и последующих ремонтах затраты окажутся выше. Кроме того, для питания обмотки ротора обязательно требуется наличие источника постоянного тока. А регулировать частоту вращения ротора можно только с помощью преобразователей – стоимость их очень высокая. Поэтому синхронные моторы используются там, где нет необходимости часто включать и отключать агрегат.

Устройство и принцип действия синхронного двигателя

Содержание

1. Устройство синхронного электродвигателя
2. Принцип работы синхронного электродвигателя
3. Характеристики синхронного электродвигателя

Синхронный электродвигатель – это устройство, преобразующее электрическую энергию в механическую. Его также можно использовать в качестве генератора. Чаще всего он применяется в компрессорах, прокатных станках, поршневых насосах и другом подобном оборудовании. Рассмотрим принцип действия синхронного электродвигателя, его характеристики и свойства.

Устройство синхронного электродвигателя

Строение агрегата данного вида типично. Двигатель состоит из:

• Неподвижной части (якорь или статор).
• Подвижной части (ротор или индуктор).
• Вентилятора.
• Контактных колец.
• Щеток.
• Возбудителя.

Статор представляет собой сердечник, состоящий из обмоток, который заключен в корпус. Индуктор комплектуется электромагнитами постоянного тока (полюсами). Конструкция индуктора может быть двух видов – явнополюсная и неявнополюсная. В статоре и роторе расположены ферромагнитные сердечники, изготовленные из специальной электротехнической стали. Они необходимы для уменьшения магнитного сопротивления и улучшения прохождения магнитного потока.

Частота вращения ротора в синхронном двигателе равна частоте вращения магнитного поля. Независимо от подключаемой нагрузки частота ротора неизменна, так как число пар полюсов магнитного поля и ротора совпадают. Их взаимодействие обеспечивает постоянную угловую скорость, не зависящую от момента, приложенного к валу.

Принцип работы синхронного электродвигателя

Самые распространенные типы такого рода агрегатов – однофазный и трехфазный. Принцип работы синхронного электродвигателя в обоих случаях примерно одинаков. После подключения обмотки якоря к сети ротор остается неподвижным, в то время как постоянный ток поступает в обмотку возбуждения. Направление электромагнитного момента меняется дважды за время одного изменения напряжения. При значении среднего момента равном нулю, ротор под влиянием внешнего момента (механического воздействия) разгоняется до частоты, близкой по значению частоте вращения магнитного поля в зазоре, после чего двигатель переходит в синхронный режим.

В трехфазном устройстве проводники расположены под определенным углом относительно друг друга. В них возбуждается вращающееся с синхронной скоростью электромагнитное поле.

Разгон двигателя может осуществляться в двух режимах:

• Асинхронный. Обмотки индуктора замыкаются с помощью реостата. Вращающееся магнитное поле, возникающее при включении напряжения, пересекает короткозамкнутую обмотку, установленную на роторе. В ней индуцируются токи, взаимодействующие с вращающимся полем статора. По достижении синхронной скорости крутящий момент начинает уменьшаться и сводится к нулю после замыкания магнитного поля.
• С помощью вспомогательного двигателя. Для этого синхронный двигатель механически соединяется со вспомогательным (двигателем постоянного тока либо трехфазным индукционным двигателем). Постоянный ток подается только после того, как вращение двигателя достигает скорости, близкой к синхронной. Магнитное поле замыкается, и связь со вспомогательным двигателем прекращается.

Характеристики синхронного электродвигателя

Хотя асинхронные двигатели считаются более надежными и дешевыми, их синхронные «собратья» имеют некоторые преимущества и широко применяются в различных областях промышленности. К отличительным характеристикам синхронного электродвигателя можно отнести:

• Работу при высоком значении коэффициента мощности.
• Высокий КПД по сравнению с асинхронным устройством той же мощности.
• Сохранение нагрузочной способности даже при снижении напряжения в сети.
• Неизменность частоты вращения независимо от механической нагрузки на валу.
• Экономичность.

Синхронным двигателям также присущи некоторые недостатки:

• Достаточно сложная конструкция, делающая их производство дороже.
• Необходимость источника постоянного тока (возбудителя или выпрямителя).
• Сложность пуска.
• Необходимость корректировать угловую частоту вращения путем изменения частоты питающего напряжения.

Однако в некоторых случаях использование синхронных двигателей предпочтительнее:

• Для улучшения коэффициента мощности.
• В длительных технологических процессах, где нет необходимости в частых запусках и остановках.

Таким образом, «плюсы» двигателей такого типа значительно превосходят «минусы», поэтому на данный момент они высоко востребованы.

Изучив синхронный двигатель, устройство и принцип его действия и учтя условия, в которых он будет эксплуатироваться, вы сможете быстро и с легкостью подобрать оптимально подходящий для ваших целей тип агрегата (защищенный, закрытый, открытый) и использовать его с максимальной эффективностью.

Принцип действия синхронного двигателя

Прежде чем рассматривать принцип действия синхронного двигателя, необходимо помнить, что это электрическая машина, работающая на переменном токе, у которой ротор вращается с частотой, которая равна частоте вращения магнитного поля в воздушной прослойке.

1. Устройство синхронного двигателя
2. Как работает синхронный двигатель
3. Схема запуска двигателя и его регулировка
4. Различия синхронных и асинхронных двигателей

Устройство синхронного двигателя

Синхронный двигатель состоит из основных частей – якоря и индуктора. Обычно, его исполнение сделано таким образом, что якорь расположен на статоре, а индуктор – на роторе, отделенном воздушной прослойкой. Данные агрегаты обладают высоким коэффициентом мощности. Существенным плюсом является возможность их использования в сетях с любым напряжением.

Конструкция синхронного двигателя состоит из двух основных частей – статора и ротора. Статор является неподвижной частью агрегата, а ротор – подвижной. В состав якоря входят одна или несколько обмоток переменного тока. При работе двигателя токи, поступающие в якорь, приводят к вращению магнитного поля, пересекающегося с полем индуктора и преобразующего энергию. Поле якоря носит другое название – поле реакции якоря. В генераторе такое поле создается с помощью индуктора.

В состав индуктора входят электромагниты постоянного тока, называемые полюсами. Во всех синхронных электродвигателях индукторы бывают двух конструкций – явнополюсная и не явнополюсная, отличающиеся расположением полюсов. Конструкция статора включает в себя корпус и сердечник, в состав которого входят двух- и трехфазные обмотки. Сами обмотки могут быть распределенными и сосредоточенными.

Чтобы уменьшить магнитное сопротивление и улучшить прохождение магнитного потока, используются ферромагнитные сердечники, расположенные в роторе и статоре, для изготовления которых используется электротехническая сталь. Она обладает интересными свойствами, например, повышенным содержанием кремния, с целью повышения ее электрического сопротивления и уменьшения вихревых токов.

Каждый синхронный электродвигатель обладает важным параметром – электромагнитным моментом. Он возникает в том случае, когда магнитный поток ротора начинает взаимодействовать с вращающимся магнитным полем. Данное поле образуется под влиянием трехфазного тока, протекающего по обмотке якоря.

В режиме холостого хода происходит совпадение осей магнитных полей ротора и статора. Поэтому электромагнитные силы, возникающие между их полюсами, принимают радиальное направление и значение электромагнитного момента агрегата становится равным нулю. При переходе устройства в двигательный режим, на ротор начинает воздействовать внешние нагрузочный момент, приложенный к валу. В результате, происходит смещение ротора на величину определенного угла против направления вращения.

Подобное электромагнитное взаимодействие между ротором и статором приводит к созданию электромагнитных сил, направленных в сторону вращения. Таким образом, действие вращающегося электромагнитного момента стремится к преодолению действия внешнего момента. Максимальное значение электромагнитного момента образует угол 90 градусов, при расположении полюсов ротора между осями полюсов статора.

Если значение нагрузочного момента, приложенного к валу двигателя, превысит максимальный электромагнитный момент, в этом случае двигатель остановится под влиянием внешнего момента. Из-за этого в неподвижном двигателе по обмотке якоря будет проходить очень высокий ток. Данный режим является аварийным, он представляет собой выпадение из синхронизма и на практике не должен допускаться.

Как работает синхронный двигатель

Принцип действия синхронного двигателя основывается на взаимном влиянии магнитных полей якоря и полюсов индуктора. При обращенной конструкции агрегата расположение якоря и индуктора выполнено наоборот, то есть, первый расположен на роторе, а другой – на статоре. Такой вариант используют криогенные синхронные машины, у которых в состав обмоток возбуждения входят материалы со свойствами сверхпроводимости.

При запуске двигателя его разгоняют до частоты близкой к той, с которой в зазоре вращается магнитное поле. Только после этого он переходит в синхронный режим. В данной ситуации происходит пересечение магнитных полей якоря и индуктора. Этот момент получил название входа в синхронизацию.

При разгоне используется состояние асинхронного режима, когда происходит замыкание обмоток индуктора с помощью реостата или короткозамкнутым путем, подобно асинхронным машинам. Для того, чтобы осуществлять запуск в таком режиме, ротор оснащается короткозамкнутой обмоткой, которая одновременно является успокоительной обмоткой, способной устранить раскачивание ротора во время синхронизации. После того, как скорость становится близко к номинальной, в индуктор подается постоянный ток.

Таким образом, синхронный двигатель это не только двигатель, но и своеобразный генератор, поскольку у них одинаковое конструктивное исполнение. Схема работы двигателя будет следующей. Обмотка якоря подключается к трехфазному переменному току, а к обмотке возбуждения от постороннего источника подается постоянный ток. Вращающееся магнитное поле, созданное трехфазной обмоткой и поле, созданное обмоткой возбуждения, взаимодействуют между собой. Это вызывает появление электромагнитного момента, приводящего ротор во вращающееся состояние.

Для двигателей, где установлены постоянные магниты, применяются специальные внешние разгонные двигатели. В отличие от асинхронных устройств, разгон ротора в синхронном двигателе должен достигнуть частоты вращения магнитного поля. Это связано с подачей в обмотку ротора тока из постороннего источника, а не индуцируется в нем под действием магнитного поля статора, следовательно, на него не влияет частота вращения вала. В результате, синхронный двигатель переменного тока приобретает постоянную частоту вращения ротора вне зависимости от нагрузки. Специфический принцип работы этих устройств оказал влияние на их пуск и регулировку частоты вращения.

Схема запуска двигателя и его регулировка

У синхронных двигателей отсутствует начальный пусковой момент. При подключении якорной обмотки к источнику переменного тока, электромагнитный момент дважды изменить свое направление за один период изменения тока. Это происходит, когда ротор находится в неподвижном состоянии, а в обмотке возбуждения протекает постоянный ток.

Таким образом, величина среднего момента в течение одного периода будет иметь нулевое значение. Чтобы увидеть, как работает синхронный двигатель при пуске, нужно выполнить разгон его ротора под действием внешнего момента до вращения с частотой, приближенной к синхронной.

Сам запуск агрегата может производиться разными способами:

• В первом случае используется схема асинхронного включения, основой которой служит глухо подключенный возбудитель. Данный способ применяется при статическом моменте нагрузки ниже 0,4, когда отсутствует падение напряжения. Сопротивление разряда замыкается в обмотке возбуждения, за счет чего исключаются перебои с возбуждением обмотки во время впуска, поскольку незначительная скорость вращения ротора приводит к перенапряжению. Когда скорость становится близкой к синхронной, контактор реагирует на это изменение, в результате происходит переключение обмотки возбуждения из разрядного сопротивления непосредственно на якорь возбудителя.
• Во втором варианте пуска используется тиристорный возбудитель. Этот способ считается более надежным из-за высокого КПД. Управление возбуждением значительно облегчается. Подача возбуждение осуществляется автоматически с помощью электромагнитного реле.

Различия синхронных и асинхронных двигателей

Все электродвигатели переменного тока по принципу действия могут быть асинхронными и синхронными. В первом случае вращение ротора будет медленнее, по сравнению с магнитным полем, а во втором – вращение ротора и магнитного поля происходит с одинаковой скоростью.

В асинхронном двигателе вращающееся переменное магнитное поле создается обмотками, закрепленными на статоре. Концы этих обмоток выведены в общую клеммную коробку. Во избежание перегрева на валу двигателя устанавливается вентилятор. Ротор выполнен из металлических стержней, замкнутых с двух сторон между собой. Он представляет единое целое с валом и получил название короткозамкнутого ротора.

Вращение магнитного поля происходит под действием постоянной смены полюсов. Соответственно, в обмотках изменяется направление тока. На скорость вращения вала оказывает влияние количество полюсов магнитного поля.

Синхронный электродвигатель конструктивно отличается от асинхронных агрегатов. Здесь вращение ротора и магнитного поля происходит с одинаковой скоростью. Напряжение на ротор для зарядки обмоток подается с помощью щеток, а не индуцируется действием переменного магнитного поля. Направление тока в обмотках изменяется одновременно с направлением магнитного поля, поэтому вал синхронного двигателя всегда вращается в одну сторону.

Что необходимо знать о синхронных двигателях

Электрические синхронные машины – отдельный вид приводного оборудования, обладающий своими особенностями. Отличия этого типа двигателей заметны во всем: в конструкции, функциональности, принципе работы. Как и любой механизм, они обладают своими достоинствами и недостатками.

Двигатели переменного тока находят свое применение практически повсеместно. Они обладают надежной и простой конструкцией, более функциональны и безопасны по сравнению с машинами, питающимися от сети постоянного тока. В зависимости от принципа работы, механизмы этого типа подразделяются на асинхронные и синхронные двигатели. О второй категории моторов, их устройстве, структуре, особенностях работы и пойдет речь в этой статье.

Конструктивные элементы

Устройство синхронного электропривода основано на использовании свойств трехфазного тока создавать вращающееся магнитное поле. Поэтому его конструктивное исполнение предусматривает включение следующих основных частей:

• индукторное колесо (или индуктор, статор) – стационарный узел мотора;
• ротор (или якорь) – подвижный механизм.

Каждый компонент состоит из ряда более мелких элементов, тесно взаимодействующих между собой. Индуктор имеет структуру аналогичную асинхронному приводу и содержит:

• корпус;
• шарикоподшипники, поддерживающие якорь;
• опоры, фиксирующие положение подшипников и являющиеся завершением корпуса;
• вентилятор, предназначенный для охлаждения электродвигателя;
• кожух, служащий для защиты от вращающегося вентилятора.

Дополнительно имеется коробка для электрических соединений, которая находится сбоку от корпуса статора. В корпусе расположен шихтованный металлический сердечник. Термин «шихтованный» подразумевает под собой набор из тонких (толщиной 0,3-0,5 мм) стальных пластин с изоляцией друг от друга. Наружные полосы имеют выштампованные пазы для фазных обмоток.

Размеры и конструкция индукторного колеса может быть разной: в виде цельного или собранного из отдельных сегментов цилиндра. Конструктивное исполнение корпуса зависит от мощности и габаритов электромотора. Для малых машин выполняется неразъемное изделие с запрессованным статором, для мощного электрооборудования предусматривается сборный вариант. Это упрощает перевозку, установку на рабочее место и эксплуатацию электрического двигателя.

Роторный механизм предназначен для возбуждения синхронного двигателя (СД), поэтому содержит сердечник либо с постоянными магнитами (у маломощных электроприводов), либо с электромагнитами. Аналогично индуктору ротор может быть сборным или цельным. У мотора, рассчитанного на большие скорости (3000, 1500 об/мин.), роторная обмотка равномерно распределена по поверхности цилиндрического якоря. Такой электропривод называется неявнополюсным. У тихоходного СД (до 1000 об/мин) на роторе выполнены полюса с катушками возбуждения, поэтому он носит название явнополюсного.

В синхронном двигателе неявнополюсного типа якорь представляет собой стальной цилиндр, по длине которого выполнены пазы для укладки роторной электроцепи. В зависимости от конструкции он может быть кованым сразу соединенным с валом, или представлять собой отдельное изделие, напрессованное на вал. Для защиты от центробежной силы система возбуждения синхронного привода прикрывается стальными немагнитными кольцами.

Электрический двигатель с явнополюсным ротором отличается иным расположением якорных электроцепей. В этом случае якорь имеет закрепленный на валу машины магнитопровод. На магнитопроводе находятся полюса с полюсными наконечниками, на которых расположена электрическая роторная обмотка. Система возбуждения синхронного электромотора также содержит соединяющие элементы в виде колец, установленных на валу, и прижатые к ним неподвижные электрические щетки.

По мере вращения кольца скользят по щеткам, обеспечивая скользящий электроконтакт. Аналогичный щеточный узел имеет асинхронный эл/двигатель с фазным ротором. Различие состоит только в количестве контактных колец и щеток. Фазная обмотка якоря асинхронной машины требует три контактных кольца, тогда как синхронной всего два.

Рабочий процесс

Синхронный двигатель это электротехническое устройство, работающее на основе закона электромагнитной индукции. Принцип работы и устройство СД предусмотрены из условия практического применения этого физического явления. Магнитное поле создается трехфазной обмоткой, размещенной в пазах статорного пакета аналогично цепи асинхронной машины. На роторе размещена обмотка возбуждения, питаемая постоянным током. Питание к ней подводится через щетки и кольца. Постоянный ток, протекающий по возбуждающей обмотке, взаимодействует с вращающимся полем индуктора, что вызывает круговое движение вала. Вращающий момент зависит от токовой нагрузки и не зависит от скорости. Вот почему этот тип привода называется синхронный электродвигатель, то есть частота оборотов якоря равна скорости поля индуктора.

После запуска синхронный двигатель переменного тока вращается одновременно с магнитным потоком. СД не может запускаться с помощью только питающей сети. Это объясняется инерционностью роторного блока и высокой скоростью вращающегося поля. Схема включения маломощной машины предусматривает использование пусковых (демпферных) обмоток, с которыми она работает как синхронный двигатель с короткозамкнутым ротором (то есть реализуется асинхронный пуск). В случае мощных электроприводов пуск производится вспомогательным электромотором или преобразователем частоты.

Наибольшее распространение получил асинхронный пуск, предусматривающий устройство дополнительной КЗ-обмотки. В этом случае синхронный двигатель с короткозамкнутым ротором запускается аналогично асинхронному эл/двигателю. Вследствие таких действий роторный механизм разгоняется до скорости вращающегося магнитного потока. Если синхронный электродвигатель нагружается, расстояние между полюсами якоря и поля увеличивается. Как результат, якорный механизм отстает на нагрузочный угол, что соответствует отставанию от своего положения на холостом ходу.

Устройство и принцип действия синхронного двигателя предусматривают эксплуатацию привода с постоянной скоростью, которая не зависит от нагрузки. СД не рассчитан на нагрузку, величина которой превышает пусковую мощность между роторным механизмом и магнитным потоком. В противном случае синхронизм прерывается, и работа синхронного двигателя останавливается.

Механическая и угловая характеристика

В силу особенностей, присущих синхронному двигателю, значение его момента не зависит от оборотов вращения. Это свойство привода определяет его назначение и сферу применения. Технические качества приводного оборудования для конфигурирования электропривода оцениваются зависимостью частоты вращения мотора от электромагнитного момента, развиваемого им. Эта зависимость известна как механическая характеристика синхронного двигателя. Она может быть статической или динамической. Первая показывает поведение СД в стабильном рабочем режиме. Вторая характеризует его работу в переходный период.

Качество механических характеристик оценивается жесткостью. Относительно этого параметра все характеристики делятся на идеально жесткие, жесткие и мягкие. В связи с тем, что частота вращения ротора синхронного двигателя под нагрузкой не меняется, этот тип электромоторов обладает идеально жесткой характеристикой, что выражается формулой:

где f1 – частота тока статора;

p – число пар полюсов статорной обмотки.

Но зависимость n = f (M) не отражает полного поведения мотора, в котором при увеличении нагрузки происходит смещение осей поля индуктора и якоря. Каждой нагрузке соответствует определенный угол между их осями. Уравнение угловой характеристики:

M эм = M max *sin θ

Это формула, выражает приблизительную зависимость момента на валу от угла вылета ротора. В реальных условиях максимальному моменту соответствует угол, несколько меньший, чем 90˚. При этом перегрузочная способность СД равна: λм = М max /MN = 2–3.

Схемы замещения

В СД при вращательном движении роторного узла с постоянным магнитным полем в цепи статорного устройства индуцируется электродвижущая сила (ЭДС). Она уравновешивает напряжение источника, подключенного к обмотке индукторного колеса. Поэтому ее называют противоЭДС. Схема замещения синхронного двигателя отражает создание противоЭДС в обмотке индуктора.

Электрический ток статора СД также формирует собственное магнитное поле, которое индуцирует ЭДС самоиндукции. Это учитывается в схеме замещения индуктивным элементом с индуктивным сопротивлением X1. Данная схема имеет вид:

Схема замещения позволяет составить уравнение электрического состояния СД и анализировать их характеристики и режимы работы.

Основные виды СД

Классификация синхронных двигателей может производиться относительно разных факторов. В зависимости от рабочего режима электроприводы представляют собой:

• электромеханические приводы – двигательные режимы;
• генераторные устройства – генераторный режим.

В разделе выше было рассмотрено, как работает синхронный двигатель в двигательном режиме, и из каких структурных элементов он состоит. Конструктивное исполнение генератора аналогично, разница заключается в основном в режиме работы. Схема включения с синхронным генератором для работы совместно с сетью представлена на рисунке:

Генератор синхронного типа является симметричным трехфазным источником электроэнергии. Он преобразует механическую энергию приводного механизма в электрическую энергию трехфазного тока. К индуктору генератора подключается потребитель электроэнергии, либо статор подключается к электросети для совместной параллельной работы с другими трехфазными агрегатами. Обмотка возбуждения генератора, подключенная к сетевому питанию (возбудителю) с напряжением 220в (или другими параметрами), создает постоянный магнитный поток, который замыкается в магнитной цепи СД следующим образом:

Принцип работы синхронного двигателя, его мощность, схема подключения ложатся в основу при построении разных электрических агрегатов. В связи с этим различают следующие виды синхронных машин:

• гидрогенератор, вырабатывающий электроэнергию от гидравлических турбин;
• турбогенератор, работающий совместно с паровой или газовой турбиной;
• электрооборудование для повышения коэффициента мощности электротехнических установок или для стабилизации напряжения в сети;
• ударный генератор, служащий для кратковременного использования в режиме короткого замыкания;
• установка двойного питания, обеспечивающая несинхронные рабочие режимы;
• сельсин, представляющий собой маломощное устройство, выполняющее функции датчика угла поворота.

Это далеко не все технические установки, где используются разные типы синхронных устройств.

Положительные и отрицательные качества

Достоинства и недостатки синхронного двигателя, вытекающие из его конструктивных и технических особенностей, обуславливают возможность подключения синхронного электропривода, его практическое применение и спрос. Преимущества СД позволяют формировать разные типы приводов, где требуется надежная работа без регулирования оборотов и частых пусков/остановок. Среди положительных качеств этого типа машин отмечают:

• способность преобразовывать электрическую энергию в механическую и наоборот; это свойство особенно важно для производственных предприятий, где СД нужен для компенсации реактивной мощности, снижения нагрузки на трансформаторные устройства, повышения коэффициента мощности электросети, увеличения качества электроэнергии;
• высокий КПД порядка 97-98%;
• доступность изменения перегрузочных характеристик за счет токовых параметров роторного узла;
• низкую чувствительность к перепадам сетевого напряжения, что допускает подключение к питанию с относительно нестабильными показателями;
• повышенную надежность привода, что обуславливает применение синхронных машин в местах, где требуется большая мощность; синхронники широко применяются для приводов компрессорных агрегатов, насосных установок, оборудования с рабочими узлами, требующими мощности в сотни киловатт.

Недостатки синхронных двигателей накладывают определенные ограничения в их использовании. К ним относятся:

• сложность конструкции, поэтому только опытный специалист способен разобраться, как подключить, ремонтировать и обслуживать СД;
• невозможность прямого запуска, что вызывает ряд неудобств при эксплуатации;
• ограниченная сфера применения, допускающая только построение приводов с неизменной скоростью, небольшим количеством включений и выключений и сетевым питанием постоянного тока.

Большие плюсы и немалые минусы СД формируют объективное представление о машине этого типа. Поэтому при выборе необходимо заранее понимать, для чего он предназначен, зачем конструктивно предусмотрен тот или иной элемент. Лучше заранее изучить обозначение на шильдике или ознакомиться с паспортными данными электромашины, посмотреть, как подключить к существующей сети и после этого сделать осознанную покупку.

Что такое синхронный двигатель и как он работает?

В качестве устройства преобразования электрической энергии в механическую в промышленности и быту используется синхронный электродвигатель. В сравнении с другими типами электрических машин он получил меньшее распространение, но в отведенных сферах является незаменимым фаворитом. В чем особенность синхронных агрегатов и как их применяют на практике, мы рассмотрим в данной статье.

Устройство

Конструктивно синхронный электродвигатель состоит из неподвижного элемента, подвижной части, обмоток различного назначения, может комплектоваться коллекторным узлом. Далее рассмотрим каждую составляющую синхронного агрегата более детально на рабочем примере (рисунок 1).

Рис. 1. Устройство синхронного электродвигателя

• Статор или якорь – выполняется из электротехнической стали монолитным или наборным из шихтованного железа. Предназначен для размещения рабочей обмотки, проводит силовые линии электромагнитного поля, формируемого протекающими токами.
• Обмотка на статоре – изготавливается из медных проводников, в зависимости от типа статора синхронного электродвигателя может выполняться различными методами, способами намотки и расположения проводников. Применяется для подачи напряжения питания и формирования рабочего магнитного потока.
• Ротор с обмоткой возбуждения – предназначен для взаимодействия с магнитным полем статора. В результате подачи напряжения на обмотку возбуждения в роторе электродвигателя создается собственное магнитное поле, задающее состояние вращающегося элемента.
• Вал – используется для передачи вращательного усилия от электродвигателя к подключаемой к нему нагрузке. В большинстве случаев это основание, на котором крепиться шихтовка или полюса ротора, подшипники, кольца, пластины и другие вспомогательные элементы.
• Контактные кольца – применяются для подачи питания на обмотки ротора, но устанавливаются не во всех моделях синхронных агрегатов. Питание производиться через специальный преобразователь переменного напряжения в постоянное.
• Корпус – предназначен для защиты от воздействия внешних факторов, обеспечивает синхронному двигателю достаточную прочность и герметичность, в зависимости от условий его эксплуатации.

Принцип работы

В основе работы синхронного электродвигателя лежит взаимодействие магнитного потока, генерируемого рабочими обмотками с постоянным магнитным потоком. Наиболее распространенной моделью синхронной электрической машины является вариант с рабочей обмоткой на статоре и обмоткой возбуждения на роторе.

Рис. 2. Принцип действия синхронного электродвигателя

Как видите на рисунке 2 выше, в обмотку статора подается трехфазное напряжение из сети, которое формирует переменное магнитное поле. На обмотки ротора электродвигателя подано постоянное напряжение, которое индуцирует такой же постоянный магнитный поток у полюсов. Для наглядности рассмотрим процесс на упрощенной модели синхронного агрегата (рисунок 3).

Рис. 3. Принцип формирования потоков в синхронной электрической машине

При подаче питания на фазные витки статора электродвигателя первый пик амплитуды тока и ЭДС взаимоиндукции приходиться на фазу A, затем B и фазу C.

На графике показана периодичность чередования кривых в зависимости от времени:

• в точке 1 максимальная ЭДС E_A формирует максимальный поток, а электродвижущие силы фаз E_B и E_C равны между собой и противоположны по знаку, они дополняют результирующую силу.
• в точке 2 пика достигает ЭДС E_B, а электродвижущие силы фаз E_A и E_C становятся равны между собой и противоположны по знаку, они дополняют результирующую силу, в результате чего магнитное поле совершает вращательное движение.
• в точке 3 максимум приходиться на ЭДС E_C, а электродвижущие силы фаз E_B и E_A вместе дополняют результирующую силу и снова смещают вектор поля по часовой стрелке.

Оборот поля статора происходит в течении периода, а за счет того, что ротор обладает собственным электромагнитным усилием постоянным во времени, то он синхронно следует за движением переменного магнитного поля, вращаясь вокруг заданной оси. В результате такого вращения происходит синхронное движение ротора вслед за сменой амплитуды ЭДС в витках рабочих обмоток, за счет этого явления электродвигатель и получил название синхронного. Наличие отдельного питания отразилось и на схематическом обозначении таких электрических машин (рисунок 4) в соответствии с ГОСТ 2.722-68.

Рис. 4. Схематическое обозначение синхронного электродвигателя

Отличие от асинхронного двигателя

Основным отличием синхронного электродвигателя от асинхронного заключается в принципе преобразования электрической энергии в механическое вращение. У синхронного электродвигателя процесс вращения ротора идентичен вращению рабочего электромагнитного поля, вырабатываемого трехфазной сетью. А вот у асинхронного рабочее поле самостоятельно наводит ЭДС в роторе, которая уже затем вырабатывает собственный поток взаимоиндукции и приводит вал во вращение. В результате чего асинхронные электрические машины получают разность во вращении рабочего поля и нагрузки на валу, что выражается физической величиной – скольжением.

В работе классические модели асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором:

• плохо переносят перегрузки;
• имеют сложности пуска со значительным усилием;
• меняют скорость вращения, в зависимости от нагруженности рабочего органа.

В некоторой степени эти недостатки преодолевает асинхронный двигатель с фазным ротором, но в полной мере избавиться от недостатков получается лишь синхронному агрегату.

Рис. 5. Отличие асинхронного от синхронного электродвигателя

Разновидности

В современной промышленности и бытовых приборах синхронные электродвигатели используются для решения самых разнообразных задач. Как результат, существенно разнятся и их конструктивные особенности. На практике выделяют несколько критериев, по которым разделяются виды синхронных агрегатов. В соответствии с ГОСТ 16264.2-85 могут подразделяться по таким техническим характеристикам:

• питающему напряжению;
• частоте рабочего напряжения;
• количеству оборотов.

В зависимости от способа получения поля ротора выделяют такие типы синхронных электродвигателей:

• С обмоткой возбуждения на роторе – синхронизирующее усилие создается за счет подачи питания от преобразователя.
• С магнитным ротором – на валу устанавливается постоянный магнит, выполняющий те же функции, что и обмотка возбуждении, но без необходимости подпитки (см. рисунок 6).

Рис. 6. Синхронный электродвигатель с постоянными магнитами

С реактивным ротором — конструкция выполнена таким образом, что в его сердечнике происходит преломление магнитных линий, приводящее всю конструкцию в движение (см. рисунок 7). Под воздействием силового поля поперечные и продольные составляющие в роторе не равны за счет чего пластины поворачиваются вслед за полем.

Рис. 7. Пример реактивного ротора

В зависимости от наличия полюсов все синхронные электродвигатели можно подразделить на:

• явнополюсные – в конструкции четко видны обособленные полюса с обмотками, применяются для малых скоростей;
• неявнополюсные – полюс не выделяется, такие модели устанавливают для высоких скоростей;

В зависимости от расположения рабочих обмоток различают прямые (на статоре) и обращенные (рабочие обмотки на роторе).

Режимы работы

Большинство электрических машин обладают обратимой функцией, не составляют исключения и синхронные агрегаты. Их также можно использовать в качестве электрического привода или в качестве генератора, вырабатывающего электроэнергию. Оба режима отличаются способом воздействия на электрическую машину – подачу напряжения на рабочие обмотки или приведение в движение ротора за счет механического усилия.

Генераторный режим

Для производства электроэнергии в сеть используются именно синхронные генераторы. В большинстве случаев для этой цели используются электрические машины с фазными обмотками на статоре, что существенно упрощает процесс съема мощности и дальнейшей передачи ее в сеть. Физически генерация происходит при воздействии электромагнитного поля обмотки возбуждения синхронного генератора с обмотками статора. Силовые линии поочередно пересекают фазные витки и наводят в них ЭДС взаимоиндукции, в результате чего на клеммных выводах возникает напряжение.

Частота получаемого напряжения напрямую зависит от скорости вращения вала и вычисляется по формуле:

f = (n*p)/60 ,

где n – скорость вращения вала, измеряемая в оборотах за минуту, p – количество пар полюсов.

Синхронный компенсатор

В виду физических особенностей синхронного электродвигателя при холостом ходе аппарата он потребляет из сети реактивную мощность, что позволяет существенно улучшить cosφ системы, практически приближая его к 1.На практике режим синхронного компенсатора используется как для улучшения коэффициента мощности, так и для стабилизации параметров напряжения сети.

Двигательный режим

В синхронной машине двигательный режим осуществляется при подаче рабочего трехфазного напряжения на обмотки якоря. После чего электромагнитное поле якоря начинает толкать магнитное поле ротора, и вал приходит во вращение. Однако на практике двигательный режим осуществляется не так просто, так как мощные агрегаты не могут самостоятельно набрать необходимый ресурс скорости. Поэтому во время запуска используют специальные методы и схемы подключения.

Способы пуска и схемы подключения

Для запуска синхронного электродвигателя требуется дополнительное поле, независимое от воздействия сети. В то же время, на стартовом этапе запуск представляет собой асинхронный процесс, пока агрегат не достигнет синхронной скорости.

Рис. 8. Схема пуска синхронного двигателя

При подаче напряжения на якорь возникает ток в его обмотках и генерация ЭДС в железе ротора, который обеспечивает асинхронное движение до того момента, пока не начнется питание обмоток возбуждения.

Еще одним распространенным вариантом пуска является использование дополнительных генераторов, которые могут располагаться на валу или устанавливаться отдельно. Такой метод обеспечивает дополнительное стартовое усилие за счет стороннего крутящего момента.

Рис. 9. Генераторный способ пуска синхронного двигателя

Как видите на рисунке 9, начальное вращение мотора М осуществляется за счет генератора G, который призван вывести устройство на подсинхронную скорость. Затем генератор выводится из рабочей цепи путем размыкания контактов КМ или автоматически при установке рабочих характеристик. Дальнейшее поддержание синхронного режима происходит за счет подачи постоянного напряжения в обмотку возбуждения.

Помимо этого на практике используется схема пуска с полупроводниковыми преобразователями. На рисунке 10 приведен способ тиристорного преобразователя и с установкой вращающихся выпрямителей.

Рис. 10. Тиристорная схема пуска синхронного двигателя

В первом случае запуск синхронного электродвигателя характеризуется нулевым напряжением от преобразователя UD. За счет ЭДС скольжения через стабилитроны VD осуществляется открытие тиристоров VS. В цепь обмотки возбуждения вводится резистор R, предназначенный для предотвращения пробоя изоляции. По мере разгона электродвигателя ЭДС скольжения пропорционально снизится и произойдет запирание стабилитронов VD, цепочка заблокируется, и обмотка возбуждения получит питание постоянным напряжением через UD.

Применение

Область применения синхронных электрических машин охватывает производство электрической энергии на электростанциях. По видам генераторы подразделяются на турбинные, дизельные и гидравлические, в зависимости от способа приведения их во вращение.

Также их используют в качестве электродвигателей, которые могут переносить существенные перегрузки в процессе эксплуатации. Такие двигатели устанавливаются на вентиляторах, компрессорах, силовых агрегатах и прочем оборудовании. Отдельная категория электродвигателей применяется в точном оборудовании, где важна синхронизация операций и процессов.

Преимущества и недостатки

К преимуществам такого электродвигателя следует отнести:

• высокий cosφ, приближающийся по величине к 1, что в значительной мере превосходит асинхронные электродвигатели;
• более высокая механическая прочность за счет особенностей конструкции электродвигателя;
• зависимость момента вращения от напряжения линейная, а не квадратичная, поэтому колебания электродвигателя пропорционально снижаются;
• на валу электродвигателя присутствует постоянная скорость, не зависящая от прикладываемой нагрузки;
• может применяться для уменьшения реактивной составляющей в сети.

Среди недостатков синхронных электродвигателей выделяют:

• сложную конструкцию;
• более сложный пуск;
• необходимость использования вспомогательных устройств и блоков;
• такие электродвигатели сложнее регулировать по числу оборотов;
• ремонт и обслуживание также обойдется дороже, чем асинхронные электродвигатели.