Синхронний електродвигун

Обертове магнітне поле утворюється з суми векторів магнітного поля трьох фаз обмоток статора.

Синхронний електродвигун — електродвигун змінного струму, в якому в усталеному режимі обертання вала синхронізовано з

частотою струму живлення; період його обертання точно дорівнює цілій кількості циклів змінного струму.

Здебільшого, якір у синхронних машинах розташовується на статорі, а на відокремленому від нього зазором роторі міститься індуктор. Отже синхронні електродвигуни мають багатофазні електромагніти змінного струму на статорі двигуна, які створюють магнітне поле, котре обертається в такт з коливаннями мережевого струму. Ротор із постійними магнітами або електромагнітами обертається синхронно із полем статора з тією ж швидкістю, що забезпечується другим синхронізованим обертовим магнітним полем будь-якого двигуна змінного струму. Синхронний двигун називається з подвійним живленням, якщо він обладнаний багатофазними електромагнітами змінного струму з незалежним збудженням як на роторі, так і на статорі.

Маленький синхронний двигун, який використовується в аналогових годинниках. Ротор виготовлений з постійного магніту.

Синхронний двигун і асинхронний двигун є найбільш широко використовуваними типами двигунів змінного струму, зокрема і в електромобілях. Різниця між двома різновидами полягає в тому, що синхронний двигун обертається зі швидкістю, відповідною частоті мережі, оскільки він не покладається на індукцію струму для створення магнітного поля ротора. Навпаки, асинхронний двигун потребує ковзання: ротор має обертатися трохи повільніше, ніж чергування змінного струму, щоб індукувати струм в обвитці ротора. Невеличкі синхронні двигуни застосовуються в системах синхронізації, таких як синхронні годинники, таймери в приладах, магнітофонах і точних сервомеханізмах, в яких двигун повинен працювати з точною швидкістю; точність швидкості – це частота лінії електропередач, яка ретельно підтримується у великих взаємопов’язаних мережевих системах електропостачання.

Синхронні двигуни із самозбудженням, доступні потужністю від часток кінських сил до потужних промислових розмірів. Синхронні двигуни потужністю у межах часток кінських сил, переважно використовуються там, де потрібна точна постійна швидкість. Ці машини зазвичай працюють в аналогових електричних годинниках, таймерах та інших пристроях, де потрібен точний час. Синхронні двигуни промислової потужності виконують два важливі завдання. По-перше, це дуже діяльний засіб перетворення енергії змінного струму в роботу. По-друге, він може працювати з випереджувальним або одиничним коефіцієнтом потужності, тобто забезпечувати корекцію коефіцієнта потужності електричної мережі (синхронний компенсатор).

Улаштування та спосіб дії

Поле в роторі створюється постійними магнітами (самозбудження — наприклад, намагнічений феритовий циліндр як ротор) або електромагнітним зовнішнім збудженням (з котушкою збудження на роторі — живлення відбувається через контактні кільця). Котушки статора, особливо у великих синхронних машинах, іноді живляться від перетворювачів частоти з відповідним керованим змінним струмом. Це означає, що можна створювати високопродуктивні приводи зі змінною швидкістю.

В усталеному режимі роботи, синхронні двигуни не проковзують. Під навантаженням, магнітне поле ротора відстає від магнітного поля статора на певний кут (кут ротора), який збільшується зі збільшенням навантаження на валу. Однак це можливо лише до найбільшого моменту, коли кут становитиме 90°. Якщо крутний момент навантаження перевищує цей тяговий момент, ротор зупиняється.

Одразу після вмикання двигуна, обертове поле статора негайно обертається з синхронною швидкістю. Однак ротору потрібен деякий час для пришвидшення через притаманний йому момент інерції. Через це, синхронний двигун потребує допомоги під час запуску, наприклад — пускова клітка. Це короткозамкнена клітка в роторі, завдяки якій двигун, як трифазна асинхронна машина, запускається до синхронної швидкості. Коли ротор майже досягає синхронної швидкості, вмикається струм збудження обвитки ротора, отже ротор втягується в обертове поле статора.

Напрямок обертання синхронного двигуна визначається обертовим полем статора. Для зміни напрямку треба поміняти будь-які дві фази місцями.

Будь-який синхронний двигун з постійними магнітами також може працювати як синхронний генератор. Прикладом є генератори змінного струму для велосипедів і мотоциклів. Синхронні машини із зовнішнім збудженням використовуються на електростанціях, в електрогенераторах і як автомобільні генератори змінного струму.

Синхронні двигуни можуть працювати як від однофазного змінного струму, так і від трифазного струму. Рідше зустрічаються і двофазні синхронні двигуни.

Переваги і недоліки

Однією з переваг синхронних двигунів порівняно з комутованими двигунами постійного струму є те, що тут немає комутатора, який пропускає робочий струм – на ротор за допомогою контактних кілець повинна передаватися лише значно менша потужність збудження; у синхронних двигунів з постійним збудженням, вони взагалі відсутні. Це усуває знос щіток і підвищує ефективність.

Перевагою синхронного двигуна порівняно з асинхронним двигуном, є жорсткий зв'язок швидкості і кутового положення з робочою частотою. Завдяки цьому, синхронні двигуни підходять для приводів та інших застосувань, де потрібна стала швидкість незалежно від навантаження. Водночас, синхронні двигуни з постійними магнітами є більш компактними та ефективними, ніж асинхронні машини, особливо стосовно менших розмірів. Робота із зсувом фаз, також можлива з трифазним синхронним двигуном. Вадою, є ​​більш важкий самозапуск від трифазної мережі. Один із способів уникнути цього недоліку — встановити додаткову короткозамкнену клітку в ротор, щоби двигун міг запускатися як асинхронний.

Типовими для синхронних двигунів є небажані механічні крутильні коливання ротора, які можуть виникати через нерівномірне навантаження або підведення струму. Вони здатні призвести до перевищення моменту перекидання та створення нерівномірного крутного моменту. Їх можна уникнути за допомогою обмоток короткого замикання (обмотки короткого замикання або демпферні обмотки навколо полюсів ротора). Положення ротора зазвичай записується для роботи перетворювача.

Див. також

• Індукційний двигун
• Вентильно-індукторний електродвигун