СИНХРОННЫЙ И АСИНХРОННЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ

Министерство образования и науки Пермского края ГБПОУ «Кизеловский политехнический техникум» Сравнение синхронного и асинхронного электродвигателей Выполнил: студент группы ТМ­14/9 Поморцев  Анатолий  Александрович  Руководитель: Архипова Антонина Петровна,  преподаватель  физики 2018, г. Кизел 2 Содержание. 1 Введение………………………………………………………….3 2 Историческая сводка открытий, связанных с темой работы…...4 3 Асинхронный электродвигатель…………………...……….……5 4 Конструкция АД…………………………………………….…….6 5 Применение АД………………………………………………......10 6 Синхронный электродвигатель……………………………….…14 7 Конструкция СД………………….………………………..…......14 8 Применение СД…………………………………………......……16 9 Сравнение электродвигателей…………………………….…….18 10 Вывод……………………………………………………..……..20      11 Список литературы………………………………………..……20 2 3 Введение. Открытие электричества и последующие открытия в этой области сыграли огромную роль в развитие человечества, позволив отойти от древних источников работы (физический труд). Открытие электромагнетизма позволило изобрести первый   электродвигатель,   который   впоследствии   был   множество   раз усовершенствован.     Я   решил   разобрать,   где   используются   электродвигатели;   какие существуют двигатели различного устройства, назначения, мощности и размеров (от миниатюрных до огромнейших), на примере сравнения асинхронного, здесь беличье колесо, и синхронного двигателей.  Цель исследования:  Рассмотреть синхронный и асинхронный двигатели и сравнить их. Задачи исследования: O Выяснить историю создания электродвигателя O Изучить  принцип действия Ад и СД и их устройство. O  Рассмотреть применение АД и СД. O Сравнить АД и СД O Сделать вывод о проделанной работе. Объект исследования:  Синхронный и асинхронынй двигатели Предмет исследования:   выдающиеся открытия физики, связанные с созданием электродвигателя 3 Историческая сводка создания трехфазного электродвигателя. 4 Первую теорию электричества создаёт американец Бенджамин Франклин, «нематериальную рассматривает электричество как   который       жидкость», флюид («Опыты   и   наблюдения   с   электричеством», 1747   год).   Он также   вводит   понятие   положительного   и   отрицательного   заряда, изобретает молниеотвод и с его помощью доказывает электрическую природу молний.  Итальянец Вольта в 1800 году изобретает   первый   источник   постоянного тока — гальванический элемент, представляющий собой столб из цинковых и серебряных кружочков, разделённых смоченной в подсоленной воде бумагой. В 1802 году Василий Петров обнаружил вольтову дугу.  Электромагнетизм – это выдающееся открытие физики.  В 1820   году датский   физик Эрстед на опыте обнаружил электромагнитное взаимодействие.   Замыкая   и   размыкая   цепь   с   током,   он   увидел   колебания стрелки компаса,   расположенной   вблизи проводника.   Французский физик Ампер в 1821   году установил,   что   связь   электричества   и   магнетизма наблюдается   только   в   случае   электрического   тока   и   отсутствует   в   случае статического   электричества.   Работы Джоуля, Ленца, Ома  расширяют понимание   электричества. Гаусс формулирует   основную   теорему   теории электростатического поля (1830). Опираясь   на   исследования Эрстеда и Ампера, Фарадей открывает явление электромагнитной индукции в 1831 году и создаёт на его основе первый в мире генератор электроэнергии, вдвигая в катушку намагниченный сердечник и   фиксируя   возникновение   тока   в   витках катушки. Фарадей открывает электромагнитную законы электролиза (1834), вводит понятие электрического и магнитного полей. индукцию (1831) и     Анализ   явления   электролиза   привёл Фарадея к   мысли,   что   носителем 4 5 электрических сил являются не какие­либо электрические жидкости, а атомы — частицы материи. «Атомы материи каким­то образом одарены электрическими силами», —   утверждает   он. Фарадеевские исследования   электролиза   сыграли принципиальную   роль   в   становлении   электронной   теории. Фарадей создал   и первый в мире электродвигатель — проволочка с током, вращающаяся вокруг   Венцом   исследований электромагнетизма явилась   разработка магнита. английским физиком Д. К. Максвеллом теории электромагнитных явлений. Он вывел уравнения,   связывающие   воедино   электрические   и   магнитные характеристики поля в 1873 году.  Принцип   работы   двухфазного   и   многофазного   двигателя   был   разработан   и запатентован  Н.   Теслой.   Михаил  Доливо­Добровольский усовершенствовал конструкцию   электродвигателя   и   предложил   использовать   три   фазы   вместо двух,   используемых Н.   Теслой. Усовершенствование   основано   на   том,   что сумма двух синусоид равной частоты, различающихся по фазе, дают в сумме синусоиду,   это   дает   возможность   использовать   три   провода   (в   четвёртом «нулевом» проводе ток близок к нулю) при трехфазной системе против четырёх необходимых проводов при двухфазной системе токов. Его усовершенствование некоторое время было ограничено патентом Н. Теслы впоследствии проданным Д. Вестингаузу. Трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором. Трехфазный   двигатель,   предназначенный   для   работы   от   питающей трехфазной сети переменного тока,  представляет собой машину переменного тока,   состоящую   из   статора   с   тремя   обмотками,   магнитные   поля   которых сдвинуты   в   пространстве   на   120°   и   при   подаче   трехфазного   напряжения образуют   вращающееся   магнитное   поле   в магнитной   цепи машины,   из   ротора вращающегося   несколько   медленнее   магнитного   поля   статора.   Наибольшее 5 6 распространение   в   технике   и   промышленности   получил  асинхронный трёхфазный электродвигатель с короткозамкнутой обмоткой ротора, также называемой «беличье колесо». Под выражением «трехфазный двигатель» обычно подразумевается именно этот тип двигателя. Конструкция асинхронного двигателя. Трехфазный   асинхронный   электродвигатель   состоит   из   двух   основных частей ­ статора и ротора. Статор ­ неподвижная часть, ротор ­ вращающаяся часть. Ротор размещается внутри статора. Между ротором и статором имеется небольшое расстояние, называемое воздушным зазором. Статор состоит   из   корпуса   и   сердечника   с   обмоткой.   Сердечник   статора собирается   из   тонколистовой   технической   стали   толщиной   обычно   0,5   мм, покрытой   изоляционным   лаком.   Шихтованная   конструкция   сердечника способствует   значительному   снижению   вихревых   токов,   возникающих   в процессе   перемагничивания   сердечника   вращающимся   магнитным   полем. Обмотки статора располагаются в пазах сердечника. Ротор состоит из сердечника с короткозамкнутой обмоткой и вала. Сердечник ротора   тоже   имеет   шихтованную   конструкцию.   При   этом   листы   ротора   не покрыты   лаком,   так   как   ток   имеет   небольшую   частоту   и   оксидной   пленки достаточно для ограничения вихревых токов. Концепция вращающегося магнитного поля.  Чтобы   понять   феномен вращающегося   магнитного   поля   лучше,   рассмотрим   упрощенную   трехфазную обмотку с тремя витками. Ток, текущий по проводнику создает магнитное поле вокруг   него.   На   рисунке   ниже   показано   поле,   создаваемое   трехфазным переменным током в конкретный момент времени. Составляющие   переменного   тока   будут   изменяться   со   временем,   в результате чего будет изменяться создаваемое ими магнитное поле. При этом результирующее магнитное поле трехфазной обмотки будет принимать разную ориентацию, сохраняя при этом одинаковую амплитуду.Действие вращающегося 6 7 магнитного поля на замкнутый виток. Теперь разместим замкнутый проводник внутри вращающегося магнитного поля. По закону электромагнитной индукции изменяющееся   магнитное   поле   приведет   к   возникновению   электродвижущей силы   (ЭДС)   в   проводнике.   В   свою   очередь   ЭДС   вызовет   ток   в   проводнике. Таким  образом,  в  магнитном  поле  будет  находиться  замкнутый   проводник  с током, на который согласно закону Ампера будет действовать сила, в результате чего контур начнет вращаться. Короткозамкнутый ротор асинхронного двигателя. По этому принципу также работает асинхронный электродвигатель. Вместо рамки с током внутри асинхронного   двигателя   находится   короткозамкнутый   ротор   по   конструкции напоминающий беличье колесо. Короткозамкнутый ротор состоит из стержней, накоротко замкнутых с торцов кольцами. Трехфазный   переменный   ток,   проходя   по   обмоткам   статора,   создает вращающееся магнитное поле. Таким образом, также как было описано ранее, в стержнях   ротора   будет   индуцироваться   ток,   в   результате   чего   ротор   начнет вращаться.   На   рисунке   ниже   Вы   можете   заметить   различие   между индуцируемыми токами в стержнях. Это происходит из­за того, что величина изменения   магнитного   поля   отличается   в   разных   парах   стержней,   из­за   их разного  расположения относительно  поля.  Изменение тока  в  стержнях будет изменяться со временем. Принцип действия асинхронного двигателя.       Наибольшее распространение среди электрических двигателей получил трёхфазный   асинхронный   двигатель,   впервые   сконструированный   известным русским   электриком   М.   О.   Доливо­Добровольским.   Асинхронный   двигатель отличается простотой конструкции и несложностью обслуживания. Как и любая машина   переменного   тока   асинхронный   двигатель   состоит   из   двух   основных частей:   статора   и   ротора.   Статором   называется   неподвижная   часть   машины, ротором   –   её   вращающаяся   часть   Асинхронная   машина   обладает   свойством 7 8 обратимости, т. е. может быть использована как в режиме генератора, так и в режиме   двигателя.   Из­за   ряда   существенных   недостатков   асинхронные генераторы   практически   почти   не   применяются,   тогда   как   асинхронные двигатели,   как   это   было   отмечено   выше,   получили   очень   широкое распространение.   Поэтому   мы   будем   рассматривать   работу   асинхронной машины   в   режиме   двигателя,   т.   е.   процесс   преобразования   электрической энергии   в   энергию   механическую.   Многофазная   обмотка   переменного   тока создаёт вращающееся магнитное поле, скорость вращения которого в минуту n1 =60f1/p Если   ротор   вращается   со   скоростью   n2,   равной   скорости   вращения магнитного поля (n2=n1), то такая скорость называется синхронной.  Если ротор вращается со скоростью, не равной скорости вращения магнитного поля (n1 не равен n2), то такая скорость называется асинхронной. В асинхронном двигателе рабочий процесс может протекать только при асинхронной скорости, т. е. при скорости   вращения   ротора,   не   равной   скорости   вращения   магнитного   поля. Скорость ротора может очень мало отличаться от скорости поля, но при работе двигателя она будет всегда меньше (n295% — так называемая под синхронная скорость), индуктор запитывают постоянным током. В двигателях с постоянными магнитами применяется внешний разгонный двигатель   либо частотно­регулируемый   пуск,   также   частотное   регулирование применяют   на   всех   типах   СД   в   рабочем   режиме   —   например,   на   тяговых двигателях Двигатели электропоезда TGV.   скоростного     старых электропроигрывателей требовали   ручного   пуска   —   прокрутки пластинки   рукой,   позже   в   проигрывателях   стали   применяться   асинхронные двигатели.  Иногда   на   валу   крупных   машин   ставят   небольшой   генератор 16 17 (постоянного тока или переменного тока с выпрямлением), т.н. «возбудитель», который питает электромагниты. Синхронные двигатели при изменении возбуждения меняют косинус фи с ёмкостного   на   индуктивный.   Перевозбуждённые   СД   на   холостом   ходу применяют   в   качестве   компенсаторов   реактивной   мощности.   Синхронные двигатели   в   промышленности   обычно   применяют   при   единичных   мощностях свыше   300   кВт   (воздуходувки,   водоперекачивающие   и   нефтеперекачивающие насосы), к примеру, типа СТД, при меньших мощностях обычно применяется более   простой   (и   надёжный)   асинхронный   двигатель   с   короткозамкнутым ротором Генераторный режим Обычно синхронные генераторы выполняют с якорем, расположенным на статоре,   для   удобства   отвода   электрической   энергии.   Поскольку   мощность возбуждения невелика по сравнению с мощностью, снимаемой с якоря (0,3...2%), подвод постоянного тока к обмотке возбуждения с помощью двух контактных колец   не   вызывает   особых   затруднений.   Принцип   действия   синхронного генератора   основан   на   явлении   электромагнитной   индукции;   при   вращении ротора   магнитный   поток,   создаваемый   обмоткой   возбуждения,   сцепляется поочерёдно с каждой из фаз обмотки статора, индуцируя в них ЭДС. В наиболее распространённом   случае   применения   трёхфазной   распределенной   обмотки якоря в каждой из фаз, смещённых друг относительно друга на 120 градусов, индуцируется   синусоидальная   ЭДС.   Соединяя   фазы   по   стандартным   схемам «треугольник»   или   «звезда»,   на   выходе   генератора   получают   трёхфазное напряжение,   являющееся   общепринятым   стандартом   для   магистральных электросетей. Часто   синхронные   генераторы   используют   вместо коллекторных машин для   генерации   постоянного   тока,   подключая   их   обмотки   якоря   к трёхфазным выпрямителям. 17 18 Если   нагрузочный   момент   Мвн,   приложенный   к   валу   электродвигателя, станет   больше   Мmax,   то   двигатель   под   действием   внешнего   момента Мвн останавливается; при этом по обмотке якоря неподвижного двигателя будет протекать   очень   большой   ток.   Этот   режим   называется   выпаданием   из синхронизма, он является аварийным и не должен допускаться. При работе машины в генераторном режиме (рис. 292, д и е) ротор под действием приложенного к валу внешнего момента Мвн смещается на угол ? по направлению   вращения.   При   этом   создаются   электромагнитные   силы, направленные против вращения, т. е. образуется тормозной электромагнитный момент М. Таким образом, при изменении значения и направления внешнего момента на валу ротора Мвн изменяется лишь угол ? между осями полей статора и   ротора,   в   то   время   как   в   асинхронной   машине   в   этом   случае   изменяется частота вращения ротора.           Общее сравнение асинхронного и синхронного двигателей. Основное различие синхронного и асинхронного двигателей кроется в их названии. В синхронном двигателе ротор вращается со скоростью магнитного поля статора, а в асинхронном, следовательно, магнитное поле статора и ротор вращаются с разной скоростью, отсюда и название этих двигателей. Важным различием двух двигателей является использование разных видов токов   для   работы,   так   синхронному   нужен   источник   постоянного   тока,   а асинхронному   переменного.   Для   работы   асинхронного   двигателя   подойдет любой источник тока, потому что, как правило везде используется переменный ток, а вот для использования синхронного двигателя необходим выпрямитель тока или отдельная линия питания. 18 19 Если   вы   подумали,   что   в   синхронном   двигателе   нет   смысла,   из­за   его сложном запуске или запитывании, то вы ошибаетесь. У асинхронного двигателя есть не мало недостатков, таких как: трудность регулировки скоростей, то есть двигатель   может   использовать   только   строго   определенные   мощности (например,   355об/мин),   так   же   на   мощность   двигателя   влияет   и   нагрузка, которую он испытывает при работе, что влияет на скорость его вращения. Если вы   захотите   реверсировать   двигатель,   то   есть   изменить   его   направление вращение на обратное, то вам придется менять расположение двух фаз или двух линейных проводов. Как вы могли понять у синхронного не наблюдается таких проблем,   нагрузка   не   влияет   на   скорость   вращения   в   плоть   до   указанных значений,   превышение   которых   приведет   к   поломке   двигателя.   Настройка скорости вращения тоньше в отличие от своего соперника. Напрашивается   вопрос:   где   и   какой   двигатель   использовать,   чтобы   их плюсы   перекрывали   минусы?   Оба   двигателя,   довольно,   популярны   и востребованы   в   своей   сфере   использования,   так   асинхронные   двигатели используются в машинах требующих частое периодическое использование, здесь частое   включение   и   выключение,   а   так   же   не   требующих   полного   контроля управления. Это могут быть станки, краны, лебедки и прочие подобные машины. Синхронные   двигатели   используют   в   обратных   ситуациях,   таких   в   которых требуется долгосрочная работа, постоянная скорость и полная управляемость. Это могут быть насосы, вентиляторы, компрессоры и прочие. 19 20                                                           Вывод. АД и СД являются незаменимыми в своей сфере работы, потому что, там, где отлично,   свою   задачу,   выполняет   один,   проблематично   будет   выполнить другому. Так, если вы захотите использовать АД в вентиляторах воздуховодов, который   не   сможет   поддерживать   одну   скорость   неделями   или   же   из­за нагрузки,   которую   испытывает   вал   двигателя,   из­за   чего   скорость   вращения будет ниже необходимой. В случае с СД, вы не захотите устанавливать такой двигатель в токарном станке, потому что запуск такого двигателя потребует дополнительных усилий для разгона его до номинальной скорости вращения. Таким образом,  вы можете понять, что эти двигатели должны устанавливаться на своих местах, но не исключается комплексная установка обоих двигателей, как в случае с СД, к которому дополнительно устанавливают АД, для разгона его до набора номинальной скорости вращения и перехода в синхронизм.                                           Список литературы. http://edu.sernam.ru/book_elt.php?id=76 https://  ru.wikipedia.org/wiki      http   ://engineering­ solutions.ru/motorcontrol/induction3ph/ https://    ru.wikipedia.org/wiki https    ://   myslide      .  ru   /  presentation  /  issledovatelyskaya    ­  rabota    ­  na   ­  temu  ­   elektrodvigately    ­ https://project.1september.ru/works/558362 20 O O O O O