Synchronní motor: princip činnosti, zařízení, účel

Synchronní elektromotory (SM) nejsou tak běžné jako indukční motory s kotvou nakrátko. Používají se ale tam, kde je potřeba a často velký kroutící moment přetížení. Také tento typ motoru se používá tam, kde je potřeba vysoký výkon k pohonu mechanismů, kvůli vysokému účiník a schopnost zlepšit účiník sítě, což výrazně sníží náklady na energii a zatížení linky. Co je synchronní motor, kde se používá a jaké jsou jeho výhody a nevýhody, budeme zvažovat v tomto článku.

Definice a princip činnosti

Zjednodušeně se elektromotor nazývá synchronní, u kterého se rychlost otáčení rotoru (hřídele) shoduje s rychlostí otáčení magnetického pole statoru.

Podívejme se krátce na princip fungování takového elektromotoru - je založen na interakci rotujícího magnetické pole statoru, které je obvykle vytvářeno třífázovým střídavým proudem a konstantním magnetickým polem rotor.

Konstantní magnetické pole rotoru je vytvářeno budicím vinutím nebo permanentními magnety. Proud ve vinutí statoru vytváří rotující magnetické pole, zatímco rotor je v provozu je permanentní magnet, jeho póly spěchají k opačným pólům magnetického statorová pole. V důsledku toho se rotor otáčí synchronně s polem statoru, což je jeho hlavní rys.

Vzpomeňte si na to asynchronní motor rychlost otáčení statoru MF a rychlost otáčení rotoru se liší velikostí skluzu a jeho mechanická charakteristika „hrbatá“ s vrcholem při kritickém skluzu (pod její jmenovitou rychlostí otáčení).

Rychlost, kterou se magnetické pole statoru otáčí, lze vypočítat pomocí následující rovnice:

N = 60f/p

f je frekvence proudu ve vinutí, Hz, p je počet pólových párů.

Stejný vzorec tedy určuje rychlost otáčení hřídele synchronního motoru.

Většina střídavých motorů používaných ve výrobě je navržena bez permanentních magnetů a s budicí vinutí, zatímco střídavé synchronní motory s nízkým výkonem jsou vyráběny se zapnutými permanentními magnety rotor.

Proud do budícího vinutí je dodáván kroužky a sestavou kartáče. Na rozdíl od kolektorového motoru, kde se k přenosu proudu používá rotující cívka kolektor (soubor podélně uspořádaných desek), na synchronních kroužcích jsou instalovány přes jeden z konců stator.

Současným zdrojem konstantního budícího proudu jsou tyristorové budiče, často nazývané "VTE" (podle názvu jednoho z řady takových zařízení domácí výroby). Dříve se používal budicí systém „generátor-motor“, kdy byl na stejnou hřídel s motorem instalován generátor (neboli budič), který přes rezistory dodávaný proud do budícího vinutí.

Rotor téměř všech synchronních stejnosměrných motorů je proveden bez budícího vinutí a s permanentními magnety, i když jsou podobné princip fungování na AC LED, ale způsobem jejich zapojení a ovládání se velmi liší od klasických třífázových stroje.

Jednou z hlavních charakteristik elektromotoru jsou jeho mechanické vlastnosti. U synchronních elektromotorů se blíží rovné vodorovné čáře. To znamená, že zatížení hřídele neovlivňuje jeho otáčky (dokud nedosáhne nějaké kritické hodnoty).

Toho je dosaženo právě díky stejnosměrnému buzení, proto je synchronní motor výborný udržuje konstantní rychlost při měnícím se zatížení, přetížení a poklesech napětí (až do určité míry omezit).

Níže vidíte konvenční označení na schématu synchronního stroje.

Konstrukce rotoru

Jako každý jiný má synchronní elektromotor dvě hlavní části:

• Stator. Jsou v něm vinutí. Říká se mu také kotva.
• Rotor. Jsou na něm instalovány permanentní magnety nebo budicí vinutí. Říká se mu také induktor kvůli svému účelu - vytvářet magnetické pole).

Pro napájení budícího vinutí jsou na rotoru instalovány 2 kroužky (protože buzení stejnosměrným proudem je jeden z nich napájen "+" a druhý "-"). Kartáče jsou připevněny k držáku kartáčů.

Rotory pro AC synchronní motory jsou dvou typů v závislosti na účelu:

1. Explicitní pole. Póly (cívky) jsou dobře viditelné. Používá se při nízkých rychlostech a velkém počtu tyčí.
2. Implicitní - vypadá jako kulatý polotovar ve štěrbině, na které jsou položeny dráty vinutí. Používají se při vysokých rychlostech otáčení (3000, 1500 ot./min.) a malém počtu pólů.

Synchronní start motoru

Zvláštností tohoto typu elektrického stroje je, že jej nelze jednoduše zapojit do sítě a čekat, až se spustí. Kromě toho je pro provoz LED potřebný nejen zdroj budícího proudu, ale má také poměrně složitý spouštěcí obvod.

Rozběh probíhá jako u indukčního motoru a pro vytvoření rozběhového momentu je kromě budícího vinutí na rotoru umístěno přídavné vinutí nakrátko „klec nakrátko“. Říká se mu také „tlumící“ vinutí, protože zvyšuje stabilitu při náhlém přetížení.

Budicí proud ve vinutí rotoru při rozběhu chybí a když zrychluje na subsynchronní rychlost (o 3-5% méně synchronní), je přiveden budicí proud, načež on a statorový proud oscilují, motor přejde do synchronismu a přejde do Pracovní režim.

Pro omezení startovacích proudů výkonných strojů se někdy snižuje napětí na svorkách statorových vinutí zapojením autotransformátoru nebo odporů do série.

Při spouštění synchronního stroje v asynchronním režimu jsou k budicímu vinutí připojeny odpory, jejichž odpor 5 až 10krát převyšuje odpor vlastního vinutí. To je nezbytné, aby pulzující magnetický tok vznikající z proudů indukovaných ve vinutí při rozběhu nezpomaloval zrychlení a také proto, aby nedošlo k poškození vinutí vlivem EMF v něm indukovaného.

Pohledy

Existuje spousta typů takových strojů, výše byla popsána konstrukce střídavého synchronního elektromotoru s budicím vinutím jako nejběžnějšího ve výrobě. Existují i ​​další typy, např.

• Synchronní motory s permanentními magnety. Jedná se o různé elektromotory, např. PMSM - synchronní motor s permanentními magnety, BLDC - Brushless Direct Current a další. Rozdíly mezi nimi jsou ve způsobu řízení a tvaru proudu (sinusový nebo lichoběžníkový). Nazývají se také bezkomutátorové nebo bezkomutátorové motory. Používá se u obráběcích strojů, rádiem řízených modelů, elektrického nářadí atd. Nefungují přímo ze stejnosměrného proudu, ale přes speciální měnič.
• Krokové motory jsou synchronní bezkomutátorové motory, u kterých rotor přesně drží danou polohu, slouží k polohování pracovní nástroj v CNC strojích a pro ovládání různých prvků automatických systémů (například poloha škrtící klapky v auto). Skládají se ze statoru, v tomto případě jsou na něm umístěna budicí vinutí, a rotoru, který je vyroben z měkkého magnetického nebo tvrdého magnetického materiálu. Strukturálně jsou velmi podobné předchozím typům.
• Reaktivní.
• Hystereze.
• Reaktivní hystereze.

Poslední tři typy LED také nemají kartáčky, fungují díky speciální konstrukci rotoru. Reaktivní SM mají tři provedení: křížově vrstvený rotor, rotor s výraznými póly a axiálně vrstvený rotor. Vysvětlení principu jejich práce je poměrně složité a zabere hodně, proto jej vynecháme. V praxi takové elektromotory pravděpodobně uvidíte jen zřídka. Jedná se především o stroje s malým výkonem používané v automatizaci.

Rozsah použití

Synchronní motory jsou dražší než asynchronní motory a navíc vyžadují další zdroj buzení stejnosměrným proudem - tím se částečně zmenšuje šířka pole použití tohoto typu elektro stroje. Synchronní elektromotory se však používají k pohonu mechanismů, kde je možné přetížení a kde je vyžadováno přesné udržování stabilní rychlosti.

Navíc se nejčastěji používají v oblasti vysokého výkonu - stovky kilowattů a jednotek megawattů a, současně ke spouštění a zastavování dochází poměrně zřídka, to znamená, že stroje pracují nepřetržitě po dlouhou dobu čas. Tato aplikace je způsobena skutečností, že synchronní stroje pracují s cosphi blízkou 1 a mohou produkovat reaktivní výkonu do sítě, čímž se zlepší účiník sítě a sníží se její spotřeba, což je důležité pro podniky.

Výhody a nevýhody

Jednoduše řečeno, každý elektromobil má své klady i zápory. Pozitivní aspekty synchronního motoru jsou:

1. Provoz s cosPhi = 1, díky buzení stejnosměrným proudem, resp. nespotřebovávají jalový výkon ze sítě.
2. Během provozu se při přebuzení přenáší jalový výkon do sítě, zlepšuje se účiník sítě, úbytek napětí a ztráty v ní a zvyšuje se KM generátorů v elektrárnách.
3. Maximální točivý moment vyvinutý na hřídeli SD je úměrný U a pro IM - U² (kvadratická závislost na napětí). To znamená, že LED má dobrou zatížitelnost a stabilitu provozu, které jsou zachovány při poklesu napětí v síti.
4. V důsledku toho je rychlost otáčení při přetížení a poklesech stabilní, v mezích přetížitelnosti, zejména při zvýšení budícího proudu.

Podstatnou nevýhodou synchronního motoru je však jeho konstrukce složitější než u indukčního motoru s rotorem nakrátko, je potřeba budič, bez kterého nemůže fungovat. To vše vede k vyšším nákladům ve srovnání s asynchronními stroji a ke složitosti údržby a provozu.

Možná zde výhody a nevýhody synchronních elektromotorů končí. V tomto článku jsme se pokusili shrnout obecné informace o synchronních motorech. Pokud máte co dodat k materiálu - napište do komentářů.

Související materiály:

• Co je rotor a stator
• Jak se elektřina přenáší na vzdálenosti bez drátů
• Co je to frekvenční měnič