מנוע סינכרוני: עקרון הפעולה, התקן, מטרה

מנועים חשמליים סינכרוניים (SM) אינם נפוצים כמו מנועי אינדוקציה של כלוב סנאי. אבל הם משמשים במקום שבו יש צורך במומנט גדול ובתהליך הפעולה, תכופים להעמיס יותר מדי. כמו כן, סוג זה של מנוע משמש כאשר יש צורך בהספק גבוה להנעת מנגנונים, בשל הגבוה מקדם ההספק והיכולת לשפר את מקדם ההספק של הרשת, מה שיפחית משמעותית את עלויות האנרגיה והעומס על שורות. מהו מנוע סינכרוני, היכן משתמשים בו ומהם היתרונות והחסרונות שלו נשקול במאמר זה.

הגדרה ועיקרון הפעולה

במילים פשוטות, מנוע חשמלי נקרא סינכרוני, שבו מהירות הסיבוב של הרוטור (הפיר) עולה בקנה אחד עם מהירות הסיבוב של השדה המגנטי של הסטטור.

הבה נבחן בקצרה את עקרון הפעולה של מנוע חשמלי כזה - הוא מבוסס על אינטראקציה של מסתובב שדה מגנטי סטטור, שנוצר בדרך כלל על ידי זרם חילופין תלת פאזי ושדה מגנטי קבוע רוטור.

השדה המגנטי הקבוע של הרוטור נוצר על ידי פיתול עירור או מגנטים קבועים. הזרם בפיתולי הסטטור יוצר שדה מגנטי מסתובב, בזמן שהרוטור פועל הוא מגנט קבוע, הקטבים שלו ממהרים אל הקטבים ההפוכים של המגנטי שדות סטטור. כתוצאה מכך, הרוטור מסתובב באופן סינכרוני עם שדה הסטטור, שהוא המאפיין העיקרי שלו.

זכור זאת עבור מנוע אסינכרוני מהירות הסיבוב של הסטטור MF ומהירות הסיבוב של הרוטור נבדלות בכמות ההחלקה, מאפיין מכני "דבש" עם שיא בהחלקה קריטית (מתחת למהירות הנקובת שלו רוֹטַציָה).

ניתן לחשב את המהירות שבה מסתובב השדה המגנטי של הסטטור באמצעות המשוואה הבאה:

N = 60f / p

f הוא תדירות הזרם בפיתול, Hz, p הוא מספר זוגות הקטבים.

בהתאם לכך, אותה נוסחה קובעת את מהירות הסיבוב של הציר של מנוע סינכרוני.

רוב מנועי ה-AC המשמשים בייצור מתוכננים ללא מגנטים קבועים, ועם סלילה שדה, בעוד מנועים סינכרוניים AC בעלי הספק נמוך מיוצרים עם מגנטים קבועים רוטור.

הזרם לליפוף השדה מסופק על ידי הטבעות ומכלול המברשת. בניגוד למנוע אספן, שבו סליל מסתובב משמש להעברת זרם אספן (סט של לוחות מרווחים לאורך), על הטבעות הסינכרוניות מותקנים על פני אחד הקצוות גַלגַל מְכַוֵן.

המקור הנוכחי של זרם עירור קבוע הוא מעוררי תיריסטורים, הנקראים לעתים קרובות "VTE" (על שם אחד מסדרות התקנים כאלה של ייצור מקומי). בעבר, נעשה שימוש במערכת עירור "גנרטור-מנוע", כאשר על אותו פיר עם המנוע הותקן גנרטור (המכונה גם מעורר) אשר באמצעות נגדים מסופק זרם לפיתול העירור.

הרוטור של כמעט כל מנועי ה-DC הסינכרוניים מתבצע ללא פיתול עירור, ועם מגנטים קבועים, למרות שהם דומים ב עקרון הפעולה על נוריות AC, אך בדרך החיבור והשליטה בהן, הם שונים מאוד מהתלת פאזי הקלאסי מכונות.

אחד המאפיינים העיקריים של מנוע חשמלי הוא המאפיין המכאני שלו. עבור מנועים חשמליים סינכרוניים, הוא קרוב לקו אופקי ישר. המשמעות היא שהעומס על הפיר אינו משפיע על מהירותו (עד שהוא מגיע לערך קריטי כלשהו).

זה מושג בדיוק בגלל עירור DC, ולכן המנוע הסינכרוני מצוין שומר על מהירות קבועה תחת עומסים משתנים, עומסי יתר ויפילות מתח (עד לרמה מסוימת לְהַגבִּיל).

להלן אתה רואה אגדה בתרשים של מכונה סינכרונית.

עיצוב רוטור

כמו כל מנוע חשמלי סינכרוני יש שני חלקים עיקריים:

• גַלגַל מְכַוֵן. יש בו פיתולים. זה נקרא גם עוגן.
• רוטור. מותקנים עליו מגנטים קבועים או פיתול עירור. הוא נקרא גם משרן בגלל מטרתו - ליצור שדה מגנטי).

כדי לספק זרם לפיתול העירור, מותקנות 2 טבעות על הרוטור (מכיוון עירור עם זרם ישר, אחת מהן מסופקת עם "+", והשנייה עם "-"). המברשות מחוברות למחזיק המברשת.

רוטורים עבור מנועים סינכרוניים AC הם משני סוגים, בהתאם למטרה:

1. מוט מפורש. הקטבים (סלילים) נראים בבירור. משמש במהירויות נמוכות ובמספר רב של מוטות.
2. משתמע - נראה כמו ריק עגול, בחריץ שעליו מונחים החוטים המתפתלים. הם משמשים במהירויות סיבוב גבוהות (3000, 1500 סל"ד) ומספר קטן של מוטות.

התנעת מנוע סינכרונית

הייחודיות של מכונית חשמלית מסוג זה היא שלא ניתן פשוט לחבר אותה לרשת ולחכות עד שהיא תתחיל. בנוסף, לצורך פעולת ה-LED, יש צורך לא רק במקור זרם עירור, יש לו גם מעגל התחלה מורכב למדי.

ההתנעה מתרחשת כמו במנוע אינדוקציה, וכדי ליצור מומנט התנעה, מניחים על הרוטור בנוסף לליפוף העירור גם "כלוב סנאי" מתפתל נוסף קצר. זה נקרא גם פיתול "שיכוך" מכיוון שהוא מגביר את היציבות בעת עומסי יתר פתאומיים.

אין זרם עירור בפיתול הרוטור בעת ההפעלה, וכשהוא מאיץ למהירות תת-סינכרונית (פחות 3-5% סינכרוני), זרם העירור מסופק, ולאחר מכן הוא וזרם הסטטור מתנודדים, המנוע נכנס לסינכרון ועובר אל מצב עבודה.

כדי להגביל את זרמי ההתחלה של מכונות חזקות, המתח במסופים של פיתולי הסטטור מופחת לפעמים על ידי חיבור שנאי אוטומטי או נגדים בסדרה.

בעוד המכונה הסינכרונית מופעלת במצב אסינכרוני, נגדים מחוברים לליפוף העירור, שההתנגדות שלו עולה על ההתנגדות של הפיתול עצמו פי 5 עד 10. זה הכרחי כדי שהשטף המגנטי הפועם הנובע תחת פעולת הזרמים המושרים בפיתול במהלך ההפעלה לא יאט את התאוצה, וגם כדי לא לפגוע בפיתולים עקב EMF המושרה בו.

צפיות

ישנם הרבה סוגים של מכונות כאלה, העיצוב של מנוע חשמלי סינכרוני עם זרם חילופין עם פיתולי שדה, כמו הנפוץ ביותר בייצור, תואר לעיל. ישנם גם סוגים אחרים, כגון:

• מנועים סינכרוניים מגנט קבוע. מדובר במנועים חשמליים שונים כמו PMSM - מנוע סינכרוני מגנט קבוע, BLDC - Brushless Direct Current ואחרים. ההבדלים ביניהם הם בשיטת הבקרה ובצורת הזרם (סינוס או טרפז). הם נקראים גם מנועים ללא מברשות או ללא מברשות. משמש בכלי מכונות, דגמים מבוקרים רדיו, כלי עבודה חשמליים וכו'. הם אינם פועלים ישירות מזרם ישר, אלא באמצעות ממיר מיוחד.
• מנועי צעד הם מנועים סינכרוניים ללא מברשות, שבהם הרוטור מחזיק במדויק מיקום נתון, הם משמשים למיקום כלי עבודה במכונות CNC ולבקרת אלמנטים שונים של מערכות אוטומטיות (לדוגמה, מיקום שסתום המצערת ב אוטו). הם מורכבים מסטטור, במקרה זה, פיתולי השדה ממוקמים עליו, ורוטור, העשוי מחומר מגנטי רך או קשה. מבחינה מבנית, הם דומים מאוד לסוגים הקודמים.
• תְגוּבָתִי.
• היסטרזיס.
• היסטרזיס ריאקטיבי.

גם לשלושת הסוגים האחרונים של נוריות אין מברשות, הן פועלות בשל העיצוב המיוחד של הרוטור. ל-SMs ריאקטיביים יש שלושה עיצובים: רוטור בעל למינציה צולבת, רוטור עם מוטות בולטים ורוטור בעל למינציה צירית. ההסבר על העיקרון של עבודתם הוא די מסובך וייקח הרבה, אז נשמיט אותו. בפועל, סביר להניח שתראה מנועים חשמליים כאלה לעיתים רחוקות. מדובר בעיקר במכונות בעלות הספק נמוך המשמשות באוטומציה.

היקף היישום

מנועים סינכרוניים יקרים יותר ממנועים אסינכרוניים, והם גם דורשים מקור נוסף עירור זרם ישר - זה מקטין חלקית את רוחב שדה היישום של סוג זה של חשמל מכונות. עם זאת, מנועים חשמליים סינכרוניים משמשים להנעת מנגנונים שבהם עומס יתר אפשרי ונדרשת תחזוקה מדויקת של מהירות יציבה.

יתר על כן, הם משמשים לרוב בתחום ההספק הגבוה - מאות קילוואט ויחידות מגה וואט, וכן, יחד עם זאת, התנעה ועצירה מתרחשות די נדירות, כלומר, המכונות פועלות מסביב לשעון במשך זמן רב. זְמַן. יישום זה נובע מהעובדה שמכונות סינכרוניות פועלות עם cosphi קרוב ל-1, ויכולות לייצר תגובתי הספק לרשת, כתוצאה מכך מקדם ההספק של הרשת משתפר וצריכתו מצטמצמת, דבר שחשוב עבור מפעלים.

יתרונות וחסרונות

במילים פשוטות, לכל מכונית חשמלית יש את היתרונות והחסרונות שלה. ההיבטים החיוביים של מנוע סינכרוני הם:

1. פעולה עם cosPhi = 1, עקב עירור זרם ישר, בהתאמה, הם אינם צורכים כוח תגובתי מהרשת.
2. במהלך הפעולה, עם עירור יתר, מועבר כוח תגובתי לרשת, משפר את גורם ההספק של הרשת, ירידת מתח והפסדים בה, וה-KM של גנרטורים בתחנות כוח עולה.
3. המומנט המרבי שפותח על הציר של ה-SD הוא פרופורציונלי ל-U, ועבור ה-IM - U² (תלות ריבועית במתח). המשמעות היא שללד יש כושר עומס טוב ויציבות פעולה, שנשמרים במקרה של נפילת מתח ברשת.
4. כתוצאה מכל זה, מהירות הסיבוב יציבה במהלך עומסי יתר וצניחה, בגבולות קיבולת עומס יתר, במיוחד כאשר זרם העירור גדל.

עם זאת, חסרון משמעותי של מנוע סינכרוני הוא שהעיצוב שלו מסובך יותר מזה של מנוע אינדוקציה עם רוטור קצר חשמלי, יש צורך במעורר, שבלעדיו הוא לא יכול לעבוד. כל זה מוביל לעלות גבוהה יותר בהשוואה למכונות אסינכרוניות ולמורכבות בתחזוקה ובתפעול.

אולי כאן מסתיימים היתרונות והחסרונות של מנועים חשמליים סינכרוניים. במאמר זה ניסינו לסכם את המידע הכללי על מנועים סינכרוניים. אם יש לכם מה להוסיף לחומר - כתבו בתגובות.

חומרים קשורים:

• מה זה רוטור וסטטור
• כיצד מועבר חשמל למרחקים ללא חוטים
• מהו ממיר תדרים