Synchrónny motor: princíp činnosti, zariadenie, účel

Synchrónne elektromotory (SM) nie sú také bežné ako indukčné motory s klietkou nakrátko. Ale používajú sa tam, kde je potrebný veľký krútiaci moment a často preťaženie. Tiež tento typ motora sa používa tam, kde je potrebný vysoký výkon na pohon mechanizmov, kvôli vysokému účinník a schopnosť zlepšiť účinník siete, čo výrazne zníži náklady na energiu a zaťaženie linky. Čo je to synchrónny motor, kde sa používa a aké sú jeho výhody a nevýhody, zvážime v tomto článku.

Definícia a princíp činnosti

Zjednodušene povedané, elektromotor sa nazýva synchrónny motor, v ktorom sa rýchlosť otáčania rotora (hriadeľa) zhoduje s rýchlosťou otáčania magnetického poľa statora.

Stručne zvážime princíp činnosti takéhoto elektromotora - je založený na interakcii rotujúceho magnetické pole statora, ktoré je zvyčajne vytvárané trojfázovým striedavým prúdom a konštantným magnetickým poľom rotor.

Konštantné magnetické pole rotora je vytvárané budiacim vinutím alebo permanentnými magnetmi. Prúd vo vinutí statora vytvára rotujúce magnetické pole, zatiaľ čo rotor je v prevádzke je permanentný magnet, jeho póly sa ponáhľajú k opačným pólom magnetického statorové polia. V dôsledku toho sa rotor otáča synchrónne so statorovým poľom, čo je jeho hlavnou vlastnosťou.

Pripomeň si to pre asynchrónny motor rýchlosť otáčania statora MF a rýchlosť otáčania rotora sa líšia veľkosťou sklzu a jeho mechanická charakteristika „hrboľatá“ s vrcholom pri kritickom sklze (pod menovitou rýchlosťou rotácia).

Rýchlosť otáčania magnetického poľa statora možno vypočítať pomocou nasledujúcej rovnice:

N = 60 f/p

f je frekvencia prúdu vo vinutí, Hz, p je počet pólových párov.

Rovnaký vzorec teda určuje rýchlosť otáčania hriadeľa synchrónneho motora.

Väčšina striedavých motorov používaných vo výrobe je navrhnutá bez permanentných magnetov a s budiace vinutie, zatiaľ čo synchrónne motory na striedavý prúd s nízkym výkonom sa vyrábajú so zapnutými permanentnými magnetmi rotor.

Prúd do budiaceho vinutia je dodávaný krúžkami a zostavou kefy. Na rozdiel od kolektorového motora, kde sa na prenos prúdu používa rotujúca cievka kolektor (súprava pozdĺžne usporiadaných dosiek), na synchrónnych krúžkoch sú inštalované cez jeden z koncov stator.

Súčasným zdrojom konštantného budiaceho prúdu sú tyristorové budiče, často nazývané "VTE" (podľa názvu jedného zo série takýchto zariadení domácej výroby). Predtým sa používal budiaci systém „generátor-motor“, keď bol generátor (aka budič) inštalovaný na rovnakom hriadeli s motorom, ktorý cez odpory dodávaný prúd do budiaceho vinutia.

Rotor takmer všetkých synchrónnych jednosmerných motorov sa vykonáva bez budiaceho vinutia a s permanentnými magnetmi, aj keď sú podobné v princíp fungovania na AC LED diódy, avšak spôsobom ich zapojenia a ovládania sú veľmi odlišné od klasických trojfázových stroje.

Jednou z hlavných charakteristík elektromotora sú jeho mechanické vlastnosti. Pri synchrónnych elektromotoroch sa blíži k priamej vodorovnej čiare. To znamená, že zaťaženie hriadeľa neovplyvňuje jeho rýchlosť (kým nedosiahne určitú kritickú hodnotu).

To je dosiahnuté práve vďaka jednosmernému budeniu, preto je synchrónny motor výborný udržiava konštantnú rýchlosť pri meniacich sa zaťaženiach, preťaženiach a poklesoch napätia (až do určitého limit).

Nižšie vidíte legendu na schéme synchrónneho stroja.

Dizajn rotora

Ako každý iný, aj synchrónny elektromotor má dve hlavné časti:

• stator. Sú v ňom vinutia. Nazýva sa aj kotva.
• Rotor. Sú na ňom inštalované permanentné magnety alebo budiace vinutie. Nazýva sa tiež induktor kvôli svojmu účelu - vytvárať magnetické pole).

Na privádzanie prúdu do budiaceho vinutia sú na rotor inštalované 2 krúžky (keďže budenie jednosmerným prúdom, jeden z nich je napájaný "+" a druhý "-"). Kefy sú pripevnené k držiaku kefiek.

Rotory pre AC synchrónne motory sú dvoch typov v závislosti od účelu:

1. Explicitné pole. Póly (cievky) sú jasne viditeľné. Používa sa pri nízkych rýchlostiach a veľkom počte palíc.
2. Implicitné - vyzerá ako okrúhly polotovar v štrbine, na ktorej sú položené drôty vinutia. Používajú sa pri vysokých rýchlostiach otáčania (3000, 1500 ot./min.) a malom počte pólov.

Synchrónny štart motora

Zvláštnosťou tohto typu elektromobilu je, že ho nemožno jednoducho zapojiť do siete a čakať na jeho naštartovanie. Okrem toho na prevádzku LED nie je potrebný iba zdroj budiaceho prúdu, ale má aj pomerne zložitý štartovací obvod.

Rozbeh nastáva ako pri indukčnom motore a pre vytvorenie rozbehového momentu je na rotor okrem budiaceho vinutia umiestnené aj prídavné skratované vinutie „klietka nakrátko“. Nazýva sa aj „tlmiace“ vinutie, pretože zvyšuje stabilitu pri náhlych preťaženiach.

Vo vinutí rotora nie je žiadny budiaci prúd pri štarte a keď sa zrýchľuje na subsynchrónne otáčky (o 3-5% menej synchrónny), je privádzaný budiaci prúd, po ktorom on a statorový prúd oscilujú, motor vstupuje do synchronizácie a prejde do Pracovný režim.

Na obmedzenie štartovacích prúdov výkonných strojov sa napätie na svorkách statorových vinutí niekedy znižuje zapojením autotransformátora alebo odporov do série.

Kým sa synchrónny stroj spúšťa v asynchrónnom režime, na budiace vinutie sú pripojené odpory, ktorých odpor prevyšuje odpor samotného vinutia 5 až 10-krát. Je to potrebné, aby pulzujúci magnetický tok vznikajúci pri pôsobení prúdov indukovaných vo vinutí počas štartovania nespomalil zrýchlenie a tiež aby nedošlo k poškodeniu vinutia v dôsledku EMF indukovaného v ňom.

Názory

Existuje veľa typov takýchto strojov, konštrukcia striedavého synchrónneho elektromotora s poľným vinutím, ako najbežnejšieho vo výrobe, bola opísaná vyššie. Existujú aj iné typy, ako napríklad:

• Synchrónne motory s permanentnými magnetmi. Ide o rôzne elektromotory, ako napríklad PMSM – synchrónny motor s permanentným magnetom, BLDC – Brushless Direct Current a iné. Rozdiely medzi nimi sú v spôsobe riadenia a tvare prúdu (sínusový alebo lichobežníkový). Nazývajú sa tiež bezkomutátorové alebo bezkomutátorové motory. Používa sa v obrábacích strojoch, rádiom riadených modeloch, elektrických nástrojoch atď. Nefungujú priamo z jednosmerného prúdu, ale cez špeciálny menič.
• Krokové motory sú synchrónne bezkomutátorové motory, v ktorých rotor presne drží danú polohu, slúžia na polohovanie pracovný nástroj v CNC strojoch a na ovládanie rôznych prvkov automatických systémov (napríklad poloha škrtiacej klapky v auto). Pozostávajú zo statora, v tomto prípade sú na ňom umiestnené vinutia poľa, a rotora, ktorý je vyrobený z mäkkého magnetického alebo tvrdého magnetického materiálu. Štrukturálne sú veľmi podobné predchádzajúcim typom.
• Reaktívny.
• Hysteréza.
• Reaktívna hysterézia.

Posledné tri typy LED diód tiež nemajú kefy, fungujú vďaka špeciálnej konštrukcii rotora. Reaktívne SM majú tri konštrukcie: krížovo vrstvený rotor, rotor s výraznými pólmi a axiálne vrstvený rotor. Vysvetlenie princípu ich práce je pomerne komplikované a zaberie veľa, preto ho vynecháme. V praxi takéto elektromotory pravdepodobne uvidíte len zriedka. Ide najmä o nízkovýkonové stroje používané v automatizácii.

Pôsobnosť

Synchrónne motory sú drahšie ako asynchrónne motory a vyžadujú si aj ďalší zdroj budenie jednosmerným prúdom - tým sa čiastočne zmenšuje šírka poľa použitia tohto typu elektro stroje. Synchrónne elektromotory sa však používajú na pohon mechanizmov, kde je možné preťaženie a kde je potrebné presné udržiavanie stabilnej rýchlosti.

Okrem toho sa najčastejšie používajú v oblasti vysokého výkonu - stovky kilowattov a jednotiek megawattov a, zároveň sa spustenie a zastavenie vyskytuje pomerne zriedka, to znamená, že stroje pracujú nepretržite po dlhú dobu čas. Táto aplikácia je spôsobená skutočnosťou, že synchrónne stroje pracujú s cosphi blízko 1 a môžu produkovať reaktívne výkonu do siete, v dôsledku čoho sa zlepšuje účinník siete a znižuje sa jej spotreba, čo je dôležité pre podnikov.

Výhody a nevýhody

Zjednodušene povedané, každý elektromobil má svoje pre a proti. Pozitívne aspekty synchrónneho motora sú:

1. Prevádzka s cosPhi = 1, v dôsledku budenia jednosmerným prúdom, resp. nespotrebúvajú jalový výkon zo siete.
2. Počas prevádzky sa pri prebudení prenáša jalový výkon do siete, čím sa zlepšuje účinník siete, pokles napätia a straty v nej a zvyšuje sa KM generátorov v elektrárňach.
3. Maximálny krútiaci moment vyvinutý na hriadeli SD je úmerný U a pre IM - U² (kvadratická závislosť od napätia). To znamená, že LED má dobrú zaťažiteľnosť a stabilitu prevádzky, ktoré sú zachované v prípade poklesu napätia v sieti.
4. V dôsledku toho je rýchlosť otáčania stabilná pri preťaženiach a poklesoch v medziach kapacity preťaženia, najmä pri zvýšení budiaceho prúdu.

Podstatnou nevýhodou synchrónneho motora je však zložitejšia konštrukcia ako pri indukčnom motore s rotorom nakrátko, je potrebný budič, bez ktorého nemôže fungovať. To všetko vedie k vyšším nákladom v porovnaní s asynchrónnymi strojmi a zložitosti údržby a prevádzky.

Možno tu končia výhody a nevýhody synchrónnych elektromotorov. V tomto článku sme sa pokúsili zhrnúť všeobecné informácie o synchrónnych motoroch. Ak máte čo pridať k materiálu - napíšte do komentárov.

Súvisiace materiály:

• Čo je rotor a stator
• Ako sa elektrina prenáša na vzdialenosti bez drôtov
• Čo je to frekvenčný menič