Синхронные и асинхронные электродвигатели представляют собой два распространенных типа силовых установок, применяемых в промышленности. Несмотря на общую цель – переработка электроэнергии в механическую, конструктивно и по принципу функционирования они различаются. Данные различия определяют специфику применения каждого типа.
Особенности асинхронного электродвигателя
Асинхронный электродвигатель – это электромеханическое устройство, работающее на переменном токе, принцип которого заключается во взаимодействии вращающегося магнитного поля, которое инициируется статором, и токов, индуцируемых этим полем в роторе.
Конструктивно он состоит из двух ключевых частей:
- Статор. Он всегда неподвижен, выполняется в форме полого цилиндра из электротехнического стального сплава, собирается в пакеты для сокращения потерь энергии на вихревые токи. В корпусе, в специальных пазах, размещена обмотка из изолированного медного либо алюминиевого провода. При подаче переменного напряжения на нее создается вращающееся магнитное поле. Число полюсов этого поля определяется схемой подключения обмотки статора.
- Ротор. Он вращается, располагается внутри статора, также выполнен из электротехнического стального сплава. Бывают разные типы роторов: короткозамкнутый — наиболее распространенный благодаря своей простоте и надежности, выполняется в виде цилиндра с пазами, заполненными расплавленным алюминием, формирующим замкнутые проводящие контуры (так называемую «беличью клетку»). Фазный по сравнению с первым вариантом оснащается обмоткой, которая напоминает статорную, ее концы выводятся на контактные кольца, благодаря этому можно изменять скорость вращения мотора, добавляя внешнее сопротивление в цепь ротора.
Функционирование асинхронного электродвигателя базируется на принципе взаимодействия магнитных полей. Статорная обмотка, питаемая переменным током, формирует вращающееся магнитное поле. Оно, пронизывая проводящие элементы ротора (будь то обмотка или замкнутые проводящие контуры), создает в них ЭДС согласно закону Фарадея. Возникающая от этого ЭДС приводит к появлению токов в роторе. Взаимодействие роторных токов с магнитным полем статора генерирует электромагнитный момент, который и заставляет ротор вращаться.
Работа и конструктивные особенности синхронного электродвигателя
Синхронный двигатель выполняет ту же функцию, что и асинхронный. Его ключевая особенность – строгое соответствие скорости вращения ротора частоте питающего статор переменного тока. Такая синхронность обусловлена спецификой конструкции и принципами работы.
Статор установки оснащен обмотками. По ним течет переменный ток, благодаря которому появляется вращающееся магнитное поле. Оно вращается со скоростью, которая зависит от количества полюсов и схемы соединения статорных обмоток. Роторы у подобных электродвигателей бывают двух типов:
- с явно выраженными полюсами;
- с неявно выраженными (гладкими) полюсами.
В моделях с явнополюсными роторами установлены постоянные магниты или электромагниты. В последнем случае питание электромагнитов постоянным током осуществляется через скользящие контакты – щетки и контактные кольца. В конструкции второго типа обмотка возбуждения, питаемая постоянным током, размещается в роторных пазах, благодаря чему возникает распределенное магнитное поле без выделенных полюсов.
В основе работы синхронного двигателя лежит взаимодействие вращающегося магнитного поля статора и ротора. Роторное магнитное поле стремится «захватить» вращающееся статорное поле и следовать за ним. Когда ротор достигает синхронной скорости, его вращение становится строго согласованным с частотой вращения магнитного поля статора.
Запуск синхронного двигателя – более сложный процесс, чем запуск асинхронного. Ротор не способен мгновенно набрать синхронную скорость, поэтому используются специальные методы пуска. В их числе – асинхронный пуск. В подобных случаях в конструкции предусмотрена короткозамкнутая пусковая обмотка, напоминающая «беличью клетку». Когда ротор начинает развивать скорость, на обмотку возбуждения пускают постоянный ток, и силовой агрегат входит в синхронизм. Другой способ – использование вспомогательного мотора, который разгоняет ротор до необходимой скорости.
Критерии выбора для промышленного применения
Выбирая между синхронным и асинхронным двигателем, руководствуются несколькими основными факторами. Необходимо учитывать требуемую мощность, скорость вращения, условия эксплуатации, а также экономические соображения.
Один из параметров выбора – необходимость поддерживать постоянную скорость при вращении, независимо от нагрузки. Синхронные двигатели обеспечивают этот показатель, поэтому считаются предпочтительными для областей, где важна высокая точность позиционирования. Асинхронные двигатели, напротив, характеризуются небольшими колебаниями скорости при изменении нагрузки.
Еще один немаловажный аспект – энергоэффективность. Синхронные модели, особенно с постоянными магнитами, имеют высокий коэффициент полезного действия, особенно при частичных нагрузках. Это позволяет снизить эксплуатационные расходы на электроэнергию. КПД асинхронных двигателей несколько ниже, но они, как правило, дешевле в приобретении и обслуживании.
Сферы эксплуатации
Синхронные электродвигатели входят в состав мощных приводов, например, они встречаются в компрессорных установках, насосах, вентиляторах большой производительности, а также в прокатных станах и других тяжелых механизмах. Способность работать с высоким КПД при переменной нагрузке делает их привлекательным решением для энергоемких производств. Кроме того, их применяют в системах, требующих точного поддержания скорости и позиционирования, например, это актуально для робототехники и станков с ЧПУ.
Асинхронные электродвигатели за счет упрощенной конструкции, надежности и умеренной стоимости применяются в приводах конвейеров, вентиляторов небольшой мощности, насосов, станков, а также в бытовой технике. Их использование оправдано в случаях, когда не требуется строгое поддержание постоянной скорости и допустимы небольшие колебания оборотов при изменении нагрузки.