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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Электрические двигатели давно и прочно заняли лидирующие позиции среди силовых агрегатов различного типа оборудования. Их можно найти в автомобиле и в пылесосе, в сложнейших станках и в обычных детских игрушках. Они есть практически везде, хотя и отличаются между собой типом, строением и рабочими характеристиками.
Электродвигатели – это силовые агрегаты, способные превращать электрическую энергию в механическую. Различают два их основных вида: двигатели переменного и постоянного тока. Разница между ними, как понятно из названия, заключается в типе питающего тока. В данной статье речь пойдет о первом виде – электродвигателе переменного тока
Основная движущая сила любого электрического двигателя – электромагнитная индукция. Электромагнитная индукция, если описать ее в двух словах – это появление силы тока в проводнике, помещенном в переменное магнитное поле. Источником переменного магнитного поля является неподвижный корпус двигателя с размещенными на нем обмотками – статор, подключенный к источнику переменного тока. В нем расположен подвижный элемент – ротор, в котором и возникает ток. По закону Ампера на заряженный проводник, помещенный в магнитное поле, начинает действовать электродвижущая сила – ЭДС, которая вращает вал ротора. Таким образом, электрическая энергия, которая подается на статор, превращается в механическую энергию ротора. К вращающемуся валу можно подключать различные механизмы, выполняющие полезную работу.
Электродвигатели переменного тока делятся на синхронные и асинхронные. Разница между ними в том, что в первых ротор и магнитное поле статора вращаются с одной скоростью, а во вторых ротор вращается медленнее, чем магнитное поле. Отличаются они и по устройству, и по принципу работы.
На статоре асинхронного двигателя закреплены обмотки, создающие переменное вращающееся магнитное поле, концы которой выводятся на клеммную коробку. Поскольку при работе двигатель нагревается, на его валу устанавливается вентилятор системы охлаждения.
Ротор асинхронного двигателя выполнен с валом как одно целое. Он представляет собой металлические стержни, замкнутые между собой с двух сторон, из-за чего такой ротор еще именуется короткозамкнутым. Своим видом он напоминает клетку, поэтому его часто называют «беличьим колесом» Более медленное вращение ротора в сравнении с вращением магнитного поля – результат потери мощности при трении подшипников. Кстати, если бы не было этой разницы в скорости, ЭДС бы не возникала, а без нее не было бы и тока в роторе и самого вращения.
Магнитное поле вращается за счет постоянной смены полюсов. При этом соответственно меняется направление тока в обмотках. Скорость вращения вала асинхронного двигателя зависит от числа полюсов магнитного поля.
Устройство синхронного двигателя
Устройство синхронного электродвигателя немного отличается. Как понятно из названия, в этом двигателе ротор вращается с одной скоростью с магнитным полем. Он состоит из корпуса с закрепленными на нем обмотками и ротора или якоря, снабженного такими же обмотками. Концы обмоток выводятся и закрепляются на коллекторе. На коллектор или токосъемное кольцо подается напряжение посредством графитовых щеток. При этом концы обмоток размещены таким образом, что одновременно напряжение может подаваться только на одну пару.
В отличие от асинхронных на ротор синхронных двигателей напряжение подается щетками, заряжая его обмотки, а не индуцируется переменным магнитным полем. Направление тока в обмотках ротора меняется параллельно с изменением направления магнитного поля, поэтому выходной вал всегда вращается в одну сторону. Синхронные электродвигатели позволяют регулировать скорость вращения вала путем изменения значения напряжения. На практике для этого обычно используются реостаты.
Впервые возможность превратить электричество в механическую энергию открыл британский ученый М.Фарадей еще в 1821 году. Его опыт с проводом, помещенным в ванну с ртутью, оснащенной магнитом, показал, что при подключении провода к источнику электроэнергии он начинает вращаться. Этот нехитрый опыт наверняка многие помнят по школе, правда, ртуть там заменяется безопасным рассолом. Следующим шагом в изучении этого феномена было создание униполярного двигателя – колеса Барлоу. Никакого полезного применения он так и не нашел, зато наглядно демонстрировал поведение заряженного проводника в магнитном поле.
На заре истории электродвигателей ученые пытались создать модель с сердечником, двигающимся в магнитном поле не по кругу, а возвратно-поступательно. Такой вариант был предложен, как альтернатива поршневым двигателям. Электродвигатель в привычном для нас виде впервые был создан в 1834 году русским ученым Б.С. Якоби. Именно он предложил идею использования вращающегося в магнитном поле якоря, и даже создал первый рабочий образец.
Первый асинхронный двигатель, в основе работы которого заложено вращающееся магнитное поле, появился в 1870 году. Авторами эффекта вращающегося магнитного поля независимо друг от друга стали два ученых: Г.Феррарис и Н. Тесла. Последнему принадлежит также идея создания бесколлекторного электродвигателя. По его чертежам были построены несколько электростанций с применением двухфазных двигателей переменного тока. Следующей более удачной разработкой оказался трехфазный двигатель, предложенный М.О. Доливо-Добровольским. Его первая действующая модель была запущена в 1888 году, после чего последовал ряд более совершенных двигателей. Этот русский ученый не только описал принцип действия трехфазного электродвигателя, но и изучал различные типы соединений фаз (треугольник и звезда), возможность использование разных напряжений тока. Именно он изобрел пусковые реостаты, трехфазные трансформаторы, разработал схемы подключения двигателей и генераторов.
На сегодня электродвигатели являются одними из самых распространенных видов силовых установок, и тому есть немало причин. У них высокий КПД порядка 90%, а иногда и выше, довольно низкая себестоимость и простая конструкция, они не выделяют вредных веществ в процессе эксплуатации, дают возможность плавно менять скорость во время работы без использования дополнительных механизмов типа коробки передач, надежны и долговечны.
Среди недостатков всех типов электромоторов — отсутствие высокоемкостного аккумулятора электроэнергии для автономной работы.
Основное отличие электродвигателя переменного тока от его ближайшего родственника – электродвигателя постоянного тока – заключается в том, что первый питается переменным током. Если сравнивать их функциональные возможности, первый менее мощный, у него сложно регулировать скорость в широком диапазоне, он имеет меньший КПД.
Если же сравнивать асинхронный и синхронный электродвигатель переменного тока, то первый имеет более простую конструкцию и лишен «слабого звена» — графитовых щеток. Именно они обычно первыми выходят из строя при поломке синхронных двигателей. Вместе с тем, у него сложно получить и регулировать постоянную скорость, которая зависит от нагрузки. Синхронные двигатели позволяют регулировать скорость вращения с помощью реостатов.
Электродвигатели переменного тока широко используются практически во всех сферах. Ими оснащаются электростанции, их используют в автомобиле- и машиностроении, есть они и в домашней бытовой технике. Простота их конструкции, надежность, долговечность и высокий показатель КПД делает их практически универсальными.
Асинхронные двигатели нашли применение в приводных системах различных станков, машин, центрифуг, вентиляторов, компрессоров, а также бытовых приборов. Трехфазные асинхронные двигатели являются наиболее распространенными и востребованными. Синхронные двигатели используются не только в качестве силовых агрегатов, но и генераторов, а также для привода крупных установок, где важно контролировать скорость.
Электродвигатели переменного тока бывают трех и однофазные.
Асинхронные однофазные двигатели имеют на корпусе 2 вывода и подключить их к сети не составляет трудности. Т.к. вся бытовая электрическая сеть в основном однофазная 220В и имеет 2 провода — фаза и ноль. С синхронными все намного интереснее, их тоже можно подключить с помощью 2 проводов, достаточно обмотки ротора и статора соединить. Но соединять их нужно так, чтобы обмотки однополюсного намагничивания ротора и статора располагались напротив друг друга.
Сложности представляют двигатели для 3ех фазной сети. Ну во-первых у таких двигателей в основном в клеммной коробке 6 выводов и это означает что обмотки двигателя нужно подключать самому, а во-вторых их обмотки можно подключать разными способами — по типу «звезда» и «треугольник». Ниже приведен рисунок соединения клем в клеммной коробке, в зависимости от типа соединения обмоток. 
Подключение одного и того же электродвигателя разным способом в одну и туже электрическую сеть приведет к потреблению разной мощности. При этом не правильное подключение электродвигателя, может привести к расплавлению обмоток статора.
Обычно асинхронные двигатели предназначены для включения в трехфазную сеть на два разных напряжения, отличающиеся в раз. Например, двигатель рассчитан для включения в сеть на напряжения 380/660 В. Если в сети линейное напряжение 660 В, то обмотку статора следует соединить звездой, а если 380 В, то треугольником. В обоих случаях напряжение на обмотке каждой фазы будет 380 В. Выводы обмоток фаз располагают на панели таким образом, чтобы соединения обмоток фаз было удобно выполнять посредством перемычек, без перекрещивания последних. В некоторых двигателях небольшой мощности в коробке выводов имеется лишь три зажима. В этом случае двигатель может быть включен в сеть на одно напряжение (соединение обмотки статора такого двигателя звездой или треугольником выполнено внутри двигателя).
Принципиальная схема включения в трехфазную сеть асинхронного двигателя с фазным ротором показана на рисунке. Обмотка ротора этого двигателя соединена с пусковым реостатом ЯР, создающим в цепи ротора добавочное сопротивление R добав.
Существуют различные виды электродвигателей, и очень часто возникает вопрос, в чем же отличия между синхронным и асинхронным двигателем. В асинхронном обмотки, расположенные в статоре, создают вращающееся магнитное поле, взаимодействующее с токами, образующимися в роторе, благодаря чему он приходит во вращающееся состояние. Поэтому, в настоящее время, наиболее популярным считается простой и надежный асинхронный электродвигатель, имеющий короткозамкнутый ротор.
В его пазах расположены токопроводящие стержни из алюминия или меди, соединенные своими концами с кольцами из такого же материала, которые производят короткое замыкание этих стержней. Поэтому, ротор и называется короткозамкнутым. Вихревые токи, взаимодействующие с полем, вызывают вращение ротора со скоростью, меньшей, чем скорость вращения самого поля. Таким образом, весь двигатель получил название асинхронного. Это движение получило название относительного скольжения, поскольку скорости ротора и магнитного поля неравны и магнитное поле не пересекается с токопроводящими стержнями ротора. Поэтому, они не создают вращающийся момент.
Принципиальным отличием обоих видов двигателей является исполнение ротора. В синхронном он представляет собой постоянный магнит относительно небольшой мощности или такой же электромагнит. Вращающийся магнит, создающий статора, приводит в движение магнитный ротор. Скорость движения статора и ротора, в этом случае, одинаковая. Поэтому, данный двигатель получил название синхронного.
Синхронный двигатель отличается возможностью значительного опережения током напряжения по фазе. Повышая коэффициент мощности по типу конденсаторных батарей.
Асинхронные электродвигатели отличаются простотой конструкции и надежностью в эксплуатации. Единственный недостаток этих агрегатов заключается в достаточной трудности регулировки частоты их вращения. асинхронные двигатели могут быть легко реверсированы, то есть вращение двигателя может измениться на противоположное направление. Для этого, достаточно изменить место расположения двух линейных проводов или фаз, которые замыкаются на обмотку статора. В отличие от синхронного, это простой и дешевый двигатель, применяющийся повсеместно.
Синхронный и асинхронный двигатель имеет еще и такое важное отличие, как постоянная частота вращения у первого при различных нагрузках. Поэтому их применяют в приводах машин, требующих постоянных скоростей, например, в компрессорах, насосах или вентиляторах, поскольку они очень легки в управлении.
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.
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.
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.
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.
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.
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 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.
Асинхронный двигатель отличается от синхронного следующими параметрами:
Отличия синхронного двигателя от асинхронного заключаются в следующем:
Но у каждого имеются и присущие только ему недостатки.
Асинхронный имеет следующие отрицательные черты:
Недостатки синхронного двигателя:
Несмотря на различия, оба электрических двигателя нашли себе применение в технике и используются в самых разных исполнениях и размерах.
Принципиальное отличие синхронного двигателя от асинхронного заключается в исполнении ротора. Последний у синхронного двигателя представляет собой магнит, выполненный (при относительно небольших мощностях) на базе постоянного магнита или на основе электромагнита. Поскольку разноименные полюсы магнитов притягиваются, то вращающееся магнитное поле статора, которое можно интерпретировать как вращающийся магнит, увлекает за собой магнитный ротор, причем их скорости равны. Это объясняет название двигателя - синхронный.
В заключение отметим, что в отличие от асинхронного двигателя, у которого обычно не превышает 0,8…0,85, у синхронного двигателя можно добиться большего значения и сделать даже так, что ток будет опережать напряжение по фазе. В этом случае, подобно конденсаторным батареям, синхронная машина используется для повышения коэффициента мощности.
Асинхронные двигатели имеют простую конструкцию и надежны в эксплуатации. Недостатком асинхронных двигателей является трудность регулирования их частоты вращения.
Чтобы реверсировать трехфазный асинхронный двигатель (изменить направление вращения двигателя на противоположное), необходимо поменять местами две фазы, то есть поменять местами два любых линейных провода, подходящих к обмотке статора двигателя.
Т.е это достаточно дешевый двигатель, который применяется везде, синхронную машину найти крайне тяжело.
В отличие от асинхронного двигателя частота вращения синхронного двигателя постоянная при различных нагрузках. Синхронные двигатели находят применение для привода машин постоянной скорости (насосы, компрессоры, вентиляторы) ими легко управлять.
Отличить можно по кол-ву оборотов на табличке (если там явно не указан тип машины), у асинхронного не круглое число оборотов, 950 об/мин у синхронной машины 1000 об/мин.
Синхронные двигатели управляются также сложно как и асинхронные, т.к. требуют управления частотой подводимого напряжения. Они имеют абсолютно жесткую механическую характеристику, это означает, что как бы не менялась нагрузка на валу двигателя, он будет иметь одну и ту же частоту вращения. Естественно, нагрузка должна меняться в разумных пределах, есть значение критического момента нагрузки, при котором двигатель "выпадает" из синхронного режима, что чревато его поломкой. К основным недостаткам относится то, что обмотку возбуждения необходимо питать постоянным током, также наличие скользящего контакта "щетка-контактное кольцо", сложность пуска.
Чаще всего синхронные машины используют в качестве генераторов, вообще подавляющее большинство генераторов - синхронные, начиная с тех, которые устанавливаютс на автомобилях, и заканчивая теми, которые стоят на АЭС. Из всех других они наиболее надежны, имеют наибольший КПД, проще других в обслуживании.
КПД машины не зависит от косинуса фи электрической машины. КПД зависит восновном только от потерь в обмотке (потери в меди), в магнитопроводе (потери в стали), механических потерь и дополнительных потерь. Также КПД машины зависит от ее нагрузки, при этом максимум (КПД) наблюдается в точке, когда потери в стали и в меди равны, как правило это наблюдается, когда нагрузка составляет 75-80% от номинальной мощности машины.
Учитывая особенности производства электрических машин имеем что с ростом мощности выпущенной машины, потери растут не пропорционально, поэтому мощные электрические машины могут иметь КПД достигающий 99%.
