Silnik synchroniczny: zasada działania, urządzenie, przeznaczenie

Synchroniczne silniki elektryczne (SM) nie są tak powszechne, jak silniki indukcyjne klatkowe. Ale są używane tam, gdzie potrzebny jest duży moment obrotowy, a w trakcie eksploatacji często przeciążać. Również ten typ silnika jest używany tam, gdzie potrzebna jest duża moc do napędzania mechanizmów, ze względu na dużą współczynnik mocy i możliwość poprawy współczynnika mocy sieci, co znacznie obniży koszty energii i obciążenie linie. Co to jest silnik synchroniczny, gdzie jest używany i jakie są jego zalety i wady, które rozważymy w tym artykule.

Definicja i zasada działania

Mówiąc prościej, silnik elektryczny nazywa się synchronicznym, w którym prędkość obrotowa wirnika (wału) pokrywa się z prędkością obrotową pola magnetycznego stojana.

Rozważmy krótko zasadę działania takiego silnika elektrycznego - opiera się na interakcji wirującego pole magnetyczne stojana, które zwykle wytwarzane jest przez trójfazowy prąd przemienny i stałe pole magnetyczne wirnik.

Stałe pole magnetyczne wirnika jest wytwarzane przez uzwojenie wzbudzenia lub magnesy trwałe. Prąd w uzwojeniach stojana wytwarza wirujące pole magnetyczne podczas pracy wirnika jest magnesem trwałym, jego bieguny pędzą do przeciwnych biegunów magnesu pola stojana. W efekcie wirnik obraca się synchronicznie z polem stojana, co jest jego główną cechą.

Przypomnij sobie to za silnik asynchroniczny prędkość obrotowa stojana MF i prędkość obrotowa wirnika różnią się wielkością poślizgu, a jego charakterystyka mechaniczna „garbata” ze szczytem przy krytycznym poślizgu (poniżej prędkości znamionowej) obrót).

Prędkość, z jaką wiruje pole magnetyczne stojana, można obliczyć za pomocą następującego równania:

N = 60f/p

f to częstotliwość prądu w uzwojeniu, Hz, p to liczba par biegunów.

W związku z tym ten sam wzór określa prędkość obrotową wału silnika synchronicznego.

Większość silników prądu przemiennego stosowanych w produkcji jest zaprojektowana bez magnesów trwałych i z uzwojenie polowe, podczas gdy silniki synchroniczne prądu przemiennego małej mocy są wykonane z włączonymi magnesami trwałymi wirnik.

Prąd do uzwojenia polowego jest dostarczany przez pierścienie i zespół szczotek. W przeciwieństwie do silnika kolektora, w którym do przesyłania prądu używana jest obracająca się cewka kolektor (zestaw podłużnie rozmieszczonych płyt), na jednym z końców są zamontowane pierścienie synchroniczne stojan.

Obecnym źródłem stałego prądu wzbudzenia są wzbudnice tyrystorowe, często nazywane „VTE” (od nazwy jednej z serii takich urządzeń produkcji krajowej). Wcześniej stosowano układ wzbudzenia „generator-silnik”, gdy generator (inaczej wzbudnica) był instalowany na tym samym wale z silnikiem, który poprzez rezystory dostarczany prąd do uzwojenia wzbudzenia.

Wirnik prawie wszystkich silników synchronicznych prądu stałego jest wykonywany bez uzwojenia wzbudzenia i z magnesami trwałymi, chociaż są one podobne w zasada działania na diodach AC, ale w sposobie ich podłączenia i sterowania bardzo różnią się od klasycznego trójfazowego maszyny.

Jedną z głównych cech silnika elektrycznego jest jego charakterystyka mechaniczna. W przypadku synchronicznych silników elektrycznych jest zbliżony do prostej poziomej linii. Oznacza to, że obciążenie na wale nie wpływa na jego prędkość (do momentu osiągnięcia pewnej wartości krytycznej).

Osiąga się to właśnie dzięki wzbudzeniu prądu stałego, dlatego silnik synchroniczny jest doskonały utrzymuje stałą prędkość przy zmiennych obciążeniach, przeciążeniach i zapadach napięcia (do pewnego limit).

Poniżej znajduje się legenda na schemacie maszyny synchronicznej.

Konstrukcja wirnika

Jak każdy inny, synchroniczny silnik elektryczny składa się z dwóch głównych części:

• Stojan. Są w nim uzwojenia. Jest również nazywany kotwicą.
• Wirnik. Zainstalowane są na nim magnesy trwałe lub uzwojenie wzbudzenia. Nazywany jest również induktorem ze względu na swój cel - tworzenie pola magnetycznego).

Aby dostarczyć prąd do uzwojenia wzbudzenia, na wirniku zainstalowane są 2 pierścienie (ponieważ wzbudzenie prądem stałym, jeden z nich jest zasilany „+”, a drugi „-”). Szczotki są przymocowane do szczotkotrzymacza.

Wirniki silników synchronicznych prądu przemiennego są dwojakiego rodzaju, w zależności od przeznaczenia:

1. Wyraźny biegun. Słupy (cewki) są wyraźnie widoczne. Używany przy niskich prędkościach i dużej liczbie biegunów.
2. Ukryte - wygląda jak okrągły blank w szczelinie, na której układane są druty uzwojenia. Stosowane są przy dużych prędkościach obrotowych (3000, 1500 obr/min) i niewielkiej liczbie biegunów.

Rozruch silnika synchronicznego

Osobliwością tego typu samochodu elektrycznego jest to, że nie można go po prostu podłączyć do sieci i czekać na jego uruchomienie. Ponadto do działania diody LED potrzebne jest nie tylko źródło prądu wzbudzenia, ale także dość złożony obwód rozruchowy.

Rozruch następuje jak w silniku indukcyjnym, a dla wytworzenia momentu rozruchowego, oprócz uzwojenia wzbudzenia, na wirniku umieszczona jest również dodatkowa „klatka wiewiórkowa” zwartego uzwojenia. Nazywane jest również uzwojeniem „tłumiącym”, ponieważ zwiększa stabilność podczas nagłych przeciążeń.

Nie ma prądu wzbudzenia w uzwojeniu wirnika podczas rozruchu i gdy przyspiesza do prędkości podsynchronicznej (3-5% mniej synchroniczny), dostarczany jest prąd wzbudzenia, po czym on i prąd stojana oscylują, silnik wchodzi w synchronizację i przechodzi do Tryb pracy.

Aby ograniczyć prądy rozruchowe potężnych maszyn, napięcie na zaciskach uzwojeń stojana jest czasami zmniejszane przez szeregowe połączenie autotransformatora lub rezystorów.

Podczas gdy maszyna synchroniczna jest uruchamiana w trybie asynchronicznym, rezystory są podłączone do uzwojenia wzbudzenia, którego rezystancja przekracza rezystancję samego uzwojenia od 5 do 10 razy. Jest to konieczne, aby pulsujący strumień magnetyczny powstający pod działaniem prądów indukowanych w uzwojeniu podczas rozruchu nie spowalniał przyspieszania, a także aby nie uszkodzić uzwojeń z powodu indukowanego w nim pola elektromagnetycznego.

Wyświetlenia

Istnieje wiele rodzajów takich maszyn, powyżej opisano konstrukcję synchronicznego silnika elektrycznego na prąd przemienny z uzwojeniami polowymi, jako najczęściej stosowanego w produkcji. Istnieją również inne typy, takie jak:

• Silniki synchroniczne z magnesami trwałymi. Są to różne silniki elektryczne, takie jak PMSM - silnik synchroniczny z magnesami trwałymi, BLDC - bezszczotkowy prąd stały i inne. Różnice między nimi dotyczą sposobu sterowania i kształtu prądu (sinusoidalny lub trapezoidalny). Nazywane są również silnikami bezszczotkowymi lub bezszczotkowymi. Stosowany w obrabiarkach, modelach sterowanych radiowo, elektronarzędziach itp. Nie działają bezpośrednio z prądu stałego, ale za pośrednictwem specjalnego konwertera.
• Silniki krokowe to synchroniczne silniki bezszczotkowe, w których wirnik precyzyjnie utrzymuje zadaną pozycję, służą do pozycjonowania narzędzie robocze w maszynach CNC oraz do sterowania różnymi elementami układów automatyki (np. położenie przepustnicy w samochód). Składają się ze stojana, w tym przypadku znajdują się na nim uzwojenia wzbudzające, oraz wirnika, który jest wykonany z materiału magnetycznie miękkiego lub magnetycznie twardego. Strukturalnie są bardzo podobne do poprzednich typów.
• Reaktywny.
• Histereza.
• Histereza reaktywna.

Trzy ostatnie typy diod LED również nie posiadają szczotek, działają dzięki specjalnej konstrukcji wirnika. Reaktywne SM mają trzy konstrukcje: wirnik laminowany krzyżowo, wirnik z wyraźnymi biegunami i wirnik laminowany osiowo. Wyjaśnienie zasady ich działania jest dość skomplikowane i zajmie dużo czasu, więc je pominiemy. W praktyce rzadko widujesz takie silniki elektryczne. Są to głównie maszyny małej mocy stosowane w automatyce.

Szereg zastosowań

Silniki synchroniczne są droższe niż silniki asynchroniczne, a ponadto wymagają dodatkowego źródła wzbudzenie prądem stałym - zmniejsza to częściowo szerokość pola zastosowania tego typu elektryki maszyny. Natomiast synchroniczne silniki elektryczne są wykorzystywane do napędzania mechanizmów tam, gdzie możliwe są przeciążenia i wymagane jest precyzyjne utrzymanie stabilnej prędkości.

Ponadto najczęściej wykorzystywane są w dziedzinie dużych mocy - setki kilowatów i jednostek megawatów oraz, jednocześnie uruchamianie i zatrzymywanie zdarza się dość rzadko, to znaczy maszyny pracują przez całą dobę przez długi czas czas. Ta aplikacja wynika z faktu, że maszyny synchroniczne działają przy cosphi bliskim 1 i mogą wytwarzać reaktywne moc do sieci, w wyniku czego poprawia się współczynnik mocy sieci i zmniejsza się jej zużycie, co jest ważne dla przedsiębiorstw.

Zalety i wady

Mówiąc prościej, każdy samochód elektryczny ma swoje wady i zalety. Pozytywne aspekty silnika synchronicznego to:

1. Pracując z cosPhi = 1, odpowiednio dzięki wzbudzeniu prądem stałym nie pobierają mocy biernej z sieci.
2. Podczas pracy, przy nadmiernym wzbudzeniu, moc bierna jest przekazywana do sieci, poprawiając współczynnik mocy sieci, spadek napięcia i straty w niej, a KM generatorów w elektrowniach wzrasta.
3. Maksymalny moment obrotowy wytworzony na wale SD jest proporcjonalny do U, a dla IM - U² (kwadratowa zależność od napięcia). Oznacza to, że dioda LED ma dobrą obciążalność i stabilność działania, które są zachowane w przypadku spadku napięcia w sieci.
4. W konsekwencji tego wszystkiego prędkość obrotowa jest stabilna podczas przeciążeń i upadów, w granicach zdolności przeciążeniowej, zwłaszcza przy zwiększonym prądzie wzbudzenia.

Jednak istotną wadą silnika synchronicznego jest to, że jego konstrukcja jest bardziej skomplikowana niż silnika indukcyjnego ze zwarciowym wirnikiem, potrzebna jest wzbudnica, bez której nie może on pracować. Wszystko to prowadzi do wyższych kosztów w porównaniu z maszynami asynchronicznymi oraz komplikacji w utrzymaniu i eksploatacji.

Być może na tym kończą się zalety i wady synchronicznych silników elektrycznych. W tym artykule staraliśmy się podsumować ogólne informacje na temat silników synchronicznych. Jeśli masz coś do dodania do materiału - napisz w komentarzach.

Powiązane materiały:

• Co to jest wirnik i stojan
• Jak energia elektryczna jest przesyłana na odległość bez przewodów
• Co to jest przetwornica częstotliwości