Асинхронные и синхронные электродвигатели: отличия

В качестве приводов станков и всевозможных механизмов в горнодобывающей и обогатительной отрасли, в пищевой и текстильной промышленности, на предприятиях нефтегазового комплекса, а также на металлообрабатывающих или деревоперерабатывающих заводах используются асинхронные и синхронные электрические машины переменного тока. Выполнение производственных процессов с максимальной энергоэффективностью зависит от правильного подхода при выборе типа электродвигателя для привода механизмов.

Рисунок 1 Синхронный электродвигатель

Рисунок 2 Асинхронный электродвигатель

Асинхронные двигатели

Упрощенное конструктивное исполнение электродвигателей переменного тока можно представить в виде статора, неподвижно закрепленного в корпусе (станине), который выполнен из чугуна или алюминиевых сплавов и подвижного ротора, зафиксированного на валу.

В электродвигателях этого типа сердечник статора собирается из пластин, выполненных из электротехнической стали, изолированных особым лаком. В пазы, образованные вырезами профильной формы, укладывается одна или несколько групп обмоток.

В трехфазном электродвигателе взаимное расположение групп обмоток в статоре выполнено под углом равным 120°. Благодаря этому после подачи на выводы обмоток питающего напряжения, ток проходящий по ним, поочередно создает пару магнитных полюсов с разной полярностью. В результате чего в обмотках генерируется магнитное поле, которое вращается по или против часовой стрелки. Направление его вращения зависит от очередности подключения фаз питающего напряжения.

Рисунок 3 Статор электродвигателя с обмотками в станине

Ротор двигателей этой группы также собирается из пластин электротехнической стали, которые зажаты в «беличьей клетке» – замкнутом каркасе из меди или алюминиевых сплавов. Стержни «беличьей клетки» имеют наклон по отношению к оси вращения вала. Это сделано для снижения воздействия высших гармоник на работу электродвигателя и стабилизации магнитного поля ротора.

Рисунок 4 Ротор с короткозамкнутой обмоткой

Благодаря конструктивному исполнению ротора асинхронные двигатели относятся к электрическим машинам с самозапуском. То есть после подачи напряжения двигатель сразу начинает работать

Синхронные двигатели

Статор двигателей этого типа имеет аналогичное строение с асинхронными машинами. Однако ротор в этих электродвигателях имеет другую конструкцию, которая определяется мощностью и скоростью вращения. Роторы маломощных моделей выполнены в виде нескольких пар постоянных магнитов. В мощных синхронных машинах роторы комплектуются обмотками возбуждения, уложенными в отдельные катушки (явнополюсными) или в пазы профилированного сердечника из листов электротехнической стали (распределенными). 

Рисунок 5 Ротор с явнополюсными обмотками возбуждения

Различия между асинхронными и синхронными двигателями

Различия между двигателями заключается в способе взаимодействия магнитных полей статора и ротора.

В асинхронных электродвигателях генерируемое в обмотках статора вращающееся магнитное поле, индуцирует в замкнутом контуре «беличьей клетки» ротора ЭДС (электродвижущую силу), под воздействием которой в нем генерируется собственное магнитное поле. Благодаря взаимодействию противоположных полей статора и ротора возникает крутящий момент, который и вовлекает ротор с валом двигателя в круговое движение.

При достижении равных скоростей вращения магнитного поля статора и ротора индуцирование ЭДС в стержнях «беличьей клетки» прекращается, что приводит к замедлению скорости вращения ротора из-за стремления крутящего момента к нулю. Снижение частоты вращения ротора приводит к повторному возникновению электродвижущей силы в замкнутом контуре. Из-за этого в асинхронных электродвигателях невозможно добиться одной скорости вращения магнитного поля статора и частоты вращения ротора.

В синхронных электрических машинах бесконтакным способом или через щеточно-коллекторный узел на обмотки возбуждения ротора подается постоянное напряжение. В результате этого на катушках полюсов возникает постоянное магнитное поле. Разнополярные полюса магнитных полей статора и ротора притягиваются друг к другу и «входят в зацепление». Поэтому скорость вращения ротора всегда совпадает с частотой вращения магнтного поля статора.

К сожалению, синхронные машины не имеют возможности самозапуска, так как частота вращения магнитного поля статора не позволяет увлечь в движение ротор, находящийся в состоянии покоя. Поэтому разгон двигателя осуществляется в асинхронном режиме. Для этого в конструкции ротора присутствует короткозамкнутая обмотка. Когда двигатель разгонится до асинхронной частоты вращения ротора, на обмотки возбуждения, с помощью автоматики шкафов управления, подается напряжение и двигатель начинает работать в синхронном режиме.

Преимущества асинхронных двигателей

Асинхронные электрические машины благодаря простоте конструкции и эксплуатации, а также нетребовательности в техническом обслуживании имеют наибольшее распространение во всех отраслях промышленности. Такие двигатели востребованы там, где требуется не только работа в длительном режиме, но и в условиях частых пусков и остановок. К недостаткам асинхронных машин относится чувствительность к перепадам питающего напряжения и невозможность сохранить номинальную частоту вращения ротора при больших нагрузках на вал.

Преимущества синхронных двигателей

Синхронные машины по сравнению с асинхронными имеют более высокий КПД и большую мощность. На работу таких двигателей воздействие перепадов питающего напряжение минимально. Кроме того, частота вращения вала остается неизменной, даже при высоких нагрузках на него. Из недостатков можно выделить более сложную конструкцию, которая обусловлена наличием щеточно-коллекторного узла или собственным генератором (возбудителем) постоянного тока. Кроме того, для управления синхронными двигателями требуется специальное оборудование.