Silnik synchroniczny

Miniaturowy silnik synchroniczny stosowany w zegarach analogowych. Wirnik wykonany jest z magnesu stałego.
Mały silnik synchroniczny ze zintegrowaną przekładnią redukcyjną z kuchenki mikrofalowej

Synchroniczny silnik elektryczny to silnik elektryczny prądu przemiennego , w którym w stanie ustalonym obrót wału jest zsynchronizowany z częstotliwością prądu zasilającego ; okres rotacji jest dokładnie równy całkowitej liczbie prądu przemiennego . Silniki synchroniczne zawierają wielofazowe elektromagnesy prądu przemiennego na stojanie silnika, które wytwarzają pole magnetyczne , które obraca się w czasie wraz z oscylacjami prądu sieciowego. Wirnik _ z magnesami trwałymi lub elektromagnesami obraca się krokowo z polem stojana z tą samą szybkością, w wyniku czego zapewnia drugie zsynchronizowane wirujące pole magnetyczne dowolnego silnika prądu przemiennego. Silnik synchroniczny jest określany jako zasilany podwójnie, jeśli jest zasilany niezależnie wzbudzonymi wielofazowymi elektromagnesami prądu przemiennego zarówno na wirniku, jak i stojanie.

Silnik synchroniczny i silnik indukcyjny to najczęściej stosowane typy silników prądu przemiennego. Różnica między tymi dwoma typami polega na tym, że silnik synchroniczny obraca się z prędkością dopasowaną do częstotliwości linii, ponieważ nie polega na indukcji prądu w celu wytworzenia pola magnetycznego wirnika. Z kolei silnik indukcyjny wymaga poślizgu : wirnik musi obracać się nieco wolniej niż przemienne prądy przemienne, aby indukować prąd w uzwojeniu wirnika. Małe silniki synchroniczne są używane w aplikacjach do pomiaru czasu, takich jak zegary synchroniczne , timery w urządzeniach, magnetofony oraz precyzyjne serwomechanizmy , w których silnik musi pracować z precyzyjną prędkością; Dokładność prędkości odpowiada częstotliwości linii elektroenergetycznej , która jest dokładnie kontrolowana w dużych, wzajemnie połączonych systemach sieciowych. [ potrzebne źródło ]

Silniki synchroniczne są dostępne w rozmiarach od samowzbudnych o mocy poniżej ułamkowej do rozmiarów przemysłowych o dużej mocy. W zakresie ułamkowej mocy większość silników synchronicznych jest stosowana tam, gdzie wymagana jest precyzyjna stała prędkość. Maszyny te są powszechnie stosowane w analogowych zegarach elektrycznych, timerach i innych urządzeniach, w których wymagany jest prawidłowy czas. W rozmiarach przemysłowych o większej mocy silnik synchroniczny spełnia dwie ważne funkcje. Po pierwsze, jest to wysoce wydajny sposób przekształcania energii prądu przemiennego w pracę. Po drugie, może działać przy współczynniku mocy wiodącym lub równym jedności , a tym samym zapewniać korekcję współczynnika mocy.

Typ

Silniki synchroniczne należą do bardziej ogólnej kategorii maszyn synchronicznych , która obejmuje również generator synchroniczny. Działanie generatora będzie obserwowane, jeśli bieguny pola będą „napędzane przed wynikowym strumieniem szczeliny powietrznej przez ruch do przodu głównego napędu ”. Działanie silnika będzie obserwowane, jeśli bieguny pola będą „ciągnięte za wynikowym strumieniem szczeliny powietrznej przez hamujący moment obrotowy obciążenia wału ”.

Istnieją dwa główne typy silników synchronicznych w zależności od sposobu namagnesowania wirnika: niewzbudzone i wzbudzone prądem stałym .

Niepodekscytowany

Jednofazowy silnik synchroniczny 60 Hz 1800 obr./min do maszyny Teletype , wirnik niewzbudzany, produkowany w latach 1930-1955

W silnikach niewzbudzonych wirnik jest wykonany ze stali. Przy prędkości synchronicznej obraca się zgodnie z wirującym polem magnetycznym stojana, dzięki czemu przepływa przez niego prawie stałe pole magnetyczne. Zewnętrzne pole stojana magnesuje wirnik, indukując bieguny magnetyczne potrzebne do jego obracania. Wirnik jest wykonany ze stali o wysokiej retencji , takiej jak stal kobaltowa . Są one produkowane w wersjach z magnesami trwałymi , reluktancyjnymi i histerezy :

Niechęć

Mają one wirnik składający się z solidnego odlewu stali z wystającymi (wystającymi) zębatymi biegunami. Zwykle jest mniej wirników niż biegunów stojana, aby zminimalizować tętnienia momentu obrotowego i zapobiec jednoczesnemu wyrównaniu wszystkich biegunów — pozycji, która nie może generować momentu obrotowego. Wielkość szczeliny powietrznej w obwodzie magnetycznym, a tym samym reluktancja jest minimalna, gdy bieguny są wyrównane z (obracającym się) polem magnetycznym stojana i wzrasta wraz z kątem między nimi. Tworzy to moment obrotowy ciągnący wirnik do wyrównania z najbliższym biegunem pola stojana. Zatem przy prędkości synchronicznej wirnik jest „zablokowany” w wirującym polu stojana. To nie może uruchomić silnika, więc bieguny wirnika mają zwykle osadzone w nich uzwojenia klatkowe , aby zapewnić moment obrotowy poniżej prędkości synchronicznej. Maszyna uruchamia się jako silnik indukcyjny, aż osiągnie prędkość synchroniczną, kiedy wirnik „wciągnie się” i zablokuje w wirującym polu stojana.

Konstrukcje silników reluktancyjnych mają moc znamionową w zakresie od ułamkowej mocy (kilka watów) do około 22 kW . Bardzo małe silniki reluktancyjne mają niski moment obrotowy i są zwykle używane do zastosowań oprzyrządowania. Umiarkowane momenty obrotowe, silniki o dużej mocy wykorzystują konstrukcję klatkową z wirnikami zębatymi. W przypadku zastosowania z zasilaczem o regulowanej częstotliwości wszystkie silniki w układzie napędowym mogą być sterowane z dokładnie taką samą prędkością. Częstotliwość zasilania określa prędkość pracy silnika.

Histereza

Posiadają one solidny gładki cylindryczny wirnik, odlany z "twardej" stali kobaltowej o wysokiej koercji magnetycznej. Materiał ten ma szeroką pętlę histerezy (wysoka koercja ), co oznacza, że ​​gdy zostanie namagnesowany w danym kierunku, wymaga dużego odwrotnego pola magnetycznego, aby odwrócić namagnesowanie. Wirujące pole stojana powoduje, że każda mała objętość wirnika doświadcza odwracającego się pola magnetycznego. Z powodu histerezy faza magnesowania opóźnia się w stosunku do fazy przyłożonego pola. Powoduje to, że oś pola magnetycznego indukowanego w wirniku pozostaje w tyle za osią pola stojana o stały kąt δ, wytwarzając moment obrotowy, gdy wirnik próbuje „dogonić” pole stojana. Dopóki wirnik znajduje się poniżej prędkości synchronicznej, każda cząstka wirnika doświadcza odwracającego się pola magnetycznego z częstotliwością „poślizgu”, która napędza ją wokół pętli histerezy, powodując opóźnienie pola wirnika i wytwarzanie momentu obrotowego. W wirniku znajduje się 2-biegunowa struktura prętów o niskiej reluktancji. Gdy wirnik zbliża się do prędkości synchronicznej, a poślizg spada do zera, magnesuje się i wyrównuje z polem stojana, powodując „zablokowanie” wirnika w obracającym się polu stojana.

Główną zaletą silnika histerezy jest to, że ponieważ kąt opóźnienia δ jest niezależny od prędkości, rozwija on stały moment obrotowy od rozruchu do prędkości synchronicznej. Dlatego jest samoczynny i nie potrzebuje uzwojenia indukcyjnego, aby go uruchomić, chociaż wiele konstrukcji ma przewodzącą strukturę uzwojenia klatkowego osadzoną w wirniku, aby zapewnić dodatkowy moment obrotowy podczas rozruchu. [ potrzebne źródło ]

Silniki histerezy są produkowane w mocach ułamkowych, głównie jako serwomotory i silniki rozrządu. Droższe niż typu reluktancyjnego, silniki histerezy są stosowane tam, gdzie wymagana jest precyzyjna stała prędkość. [ potrzebne źródło ]

Trwały magnes

Silnik synchroniczny z magnesami trwałymi (PMSM) wykorzystuje magnesy trwałe osadzone w stalowym wirniku do wytworzenia stałego pola magnetycznego. Stojan zawiera uzwojenia podłączone do źródła prądu przemiennego w celu wytworzenia wirującego pola magnetycznego (jak w silniku asynchronicznym ). Przy prędkości synchronicznej bieguny wirnika blokują się w wirującym polu magnetycznym. Silniki synchroniczne z magnesami trwałymi są podobne do bezszczotkowych silników prądu stałego . Magnesy neodymowe są najczęściej stosowanymi magnesami w tych silnikach. Chociaż w ciągu ostatnich kilku lat, ze względu na gwałtowne wahania cen magnesów neodymowych, wiele badań dotyczyło magnesów ferrytowych jako alternatywy. Ze względu na nieodłączne właściwości obecnie dostępnych magnesów ferrytowych , konstrukcja obwodu magnetycznego tych maszyn musi być w stanie skoncentrować strumień magnetyczny, jedną z najczęstszych strategii jest użycie wirników szprychowych. Obecnie nowe maszyny wykorzystujące magnesy ferrytowe mają niższą gęstość mocy i gęstość momentu obrotowego w porównaniu z maszynami wykorzystującymi magnesy neodymowe.

Silniki z magnesami trwałymi są stosowane jako bezprzekładniowe silniki do wind od 2000 roku.

Większość PMSM wymaga do uruchomienia napędu o zmiennej częstotliwości . Jednak niektóre zawierają klatkę wiewiórki w wirniku do rozruchu - są one znane jako PMSM z rozruchem liniowym lub samoczynnym. Są one zwykle używane jako zamienniki silników indukcyjnych o wyższej sprawności (ze względu na brak poślizgu), ale należy je dokładnie określić dla danego zastosowania, aby zapewnić osiągnięcie prędkości synchronicznej i odporność systemu na wahania momentu obrotowego podczas rozruchu.

Silniki synchroniczne z magnesami trwałymi są sterowane głównie za pomocą bezpośredniego sterowania momentem obrotowym i sterowania zorientowanego na pole . Jednak metody te charakteryzują się stosunkowo wysokim momentem obrotowym i tętnieniami strumienia stojana. Ostatnio opracowano sterowanie predykcyjne i kontrolery sieci neuronowych, aby poradzić sobie z tymi problemami.

Silniki wzbudzane prądem stałym

Silnik wzbudzany prądem stałym, 1917 r. Wzbudnica jest wyraźnie widoczna z tyłu maszyny.

Zwykle produkowane w większych rozmiarach (większych niż około 1 konie mechaniczne lub 1 kilowat) silniki te wymagają prądu stałego (DC) dostarczanego do wirnika w celu wzbudzenia. Jest to najłatwiej dostarczane przez pierścienie ślizgowe , ale można również zastosować bezszczotkowy układ indukcji prądu przemiennego i prostownika. Prąd stały może być dostarczany z oddzielnego źródła prądu stałego lub z generatora prądu stałego podłączonego bezpośrednio do wału silnika.

Techniki kontrolne

Silnik synchroniczny z magnesami trwałymi i silnik reluktancyjny wymagają do pracy systemu sterowania ( przetwornica częstotliwości lub serwonapęd ).

Istnieje duża liczba metod sterowania PMSM, które dobiera się w zależności od budowy silnika elektrycznego i zakresu.

Metody kontroli można podzielić na:

Sinusoidalny

Trapezowy

Prędkość synchroniczna


Prędkość synchroniczna silnika synchronicznego jest dana: w RPM , przez:

iw rad·s −1 , przez:

Gdzie:

Przykłady

Jednofazowy , 4-biegunowy (2 pary biegunów) silnik synchroniczny pracuje z częstotliwością zasilania prądem przemiennym 50 Hz . Liczba par biegunów wynosi 2, więc prędkość synchroniczna wynosi:

Trójfazowy , 12-biegunowy (6 par biegunów) silnik synchroniczny pracuje z częstotliwością zasilania prądem przemiennym 60 Hz . Liczba par biegunów wynosi 6, więc prędkość synchroniczna wynosi:

Liczba biegunów magnetycznych równa liczbie grup cewek na fazę Aby określić liczbę grup cewek na fazę w silniku 3-fazowym, policz liczbę cewek, podziel przez liczbę faz, która wynosi 3. Cewki mogą obejmować kilka żłobków w rdzeniu stojana, co utrudnia ich liczenie . W przypadku silnika 3-fazowego, jeśli policzysz łącznie 12 grup cewek, ma on 4 bieguny magnetyczne. Dla 12-biegunowej maszyny 3-fazowej będzie 36 cewek. Liczba biegunów magnetycznych w wirniku jest równa liczbie biegunów magnetycznych w stojanie.

Budowa

Wirnik dużej pompy wodnej. Pierścienie ślizgowe można zobaczyć pod bębnem wirnika.
Uzwojenie stojana dużej pompy wodnej

Głównymi elementami silnika synchronicznego są stojan i wirnik. Stojan silnika synchronicznego i stojan silnika indukcyjnego mają podobną konstrukcję. jest synchroniczna maszyna elektryczna z podwójnym zasilaniem z wirnikiem uzwojonym, rama stojana zawiera płytę owijającą . Do płyty owijarki przymocowane są obwodowe żebra i listwy prowadzące . Aby udźwignąć ciężar maszyny, wymagane są mocowania do ramy i stopy . Gdy uzwojenie pola jest wzbudzane przez wzbudzenie DC , do podłączenia do zasilania wzbudzenia wymagane są szczotki i pierścienie ślizgowe. Uzwojenie pola można również wzbudzić za pomocą wzbudnicy bezszczotkowej. Cylindryczne, okrągłe wirniki (znane również jako niewystające wirniki biegunowe) są używane do maksymalnie sześciu biegunów. W niektórych maszynach lub gdy potrzebna jest duża liczba biegunów, stosuje się wirnik z wystającymi biegunami. Budowa silnika synchronicznego jest podobna do budowy alternatora synchronicznego . Większość konstrukcji silników synchronicznych wykorzystuje stacjonarny twornik i uzwojenie pola wirującego. Ten typ konstrukcji ma przewagę nad silnika prądu stałego , w którym zastosowano zworę typu obrotowego.

Operacja

Wirujące pole magnetyczne powstaje z sumy wektorów pola magnetycznego trzech faz uzwojeń stojana.

Działanie silnika synchronicznego wynika z interakcji pól magnetycznych stojana i wirnika. Jego uzwojenie stojana, które składa się z uzwojenia 3-fazowego, jest zasilane prądem 3-fazowym, a wirnik jest zasilany prądem stałym. Trójfazowe uzwojenie stojana przewodzące prądy trójfazowe wytwarza trójfazowy wirujący strumień magnetyczny (a zatem wirujące pole magnetyczne). Wirnik blokuje się z wirującym polem magnetycznym i obraca się wraz z nim. Gdy pole wirnika zablokuje się z wirującym polem magnetycznym, mówi się, że silnik jest zsynchronizowany. Możliwe jest jednofazowe (lub dwufazowe wywodzące się z jednej fazy) uzwojenie stojana, ale w tym przypadku kierunek obrotów nie jest określony i maszyna może ruszyć w dowolnym kierunku, chyba że uniemożliwiają to układy rozruchowe.

Uzwojenie amortyzacyjne

Gdy silnik pracuje, prędkość silnika zależy tylko od częstotliwości zasilania. Kiedy obciążenie silnika wzrasta powyżej obciążenia przebicia, silnik traci synchronizację, a uzwojenie wzbudzenia nie podąża już za wirującym polem magnetycznym.

Ponieważ silnik nie może wytworzyć (synchronicznego) momentu obrotowego, jeśli wypadnie z synchronizacji, praktyczne silniki synchroniczne mają częściowy lub całkowity amortyzator klatkowy zwany uzwojeniem amortyzującym, który stabilizuje pracę i ułatwia rozruch.

Ponieważ to uzwojenie jest mniejsze niż u równoważnego silnika indukcyjnego i może się przegrzewać podczas długiej pracy, a także ponieważ w uzwojeniu wzbudzenia wirnika indukowane są duże napięcia o częstotliwości poślizgu, urządzenia zabezpieczające silnik synchroniczny wykrywają ten stan i przerywają zasilanie (poza krokiem ochrona).

Metody uruchamiania

Powyżej pewnego rozmiaru silniki synchroniczne nie są silnikami samoczynnymi. Ta właściwość wynika z bezwładności wirnika; nie może natychmiast podążać za obrotem pola magnetycznego stojana. Ponieważ silnik synchroniczny nie wytwarza własnego średniego momentu obrotowego podczas postoju, nie może przyspieszyć do prędkości synchronicznej bez dodatkowego mechanizmu.

Duże silniki pracujące z komercyjną częstotliwością zasilania zawierają uzwojenie indukcyjne klatkowe, które zapewnia wystarczający moment obrotowy do przyspieszenia, a także służy do tłumienia oscylacji prędkości silnika podczas pracy. Gdy wirnik zbliża się do prędkości synchronicznej, uzwojenie pola jest wzbudzane, a silnik przechodzi do synchronizacji. Bardzo duże układy silnikowe mogą obejmować silnik „kucyka”, który przyspiesza nieobciążoną maszynę synchroniczną przed przyłożeniem obciążenia. Silniki sterowane elektronicznie można przyspieszać od prędkości zerowej poprzez zmianę częstotliwości prądu stojana.

Bardzo małe silniki synchroniczne są powszechnie stosowane w elektrycznych zegarach mechanicznych lub timerach zasilanych z sieci, które wykorzystują częstotliwość linii energetycznej do uruchamiania mechanizmu przekładni z odpowiednią prędkością. Takie małe silniki synchroniczne są w stanie uruchomić się bez wspomagania, jeśli moment bezwładności wirnika i jego obciążenie mechaniczne są wystarczająco małe [ponieważ silnik] będzie przyspieszany od prędkości poślizgu do prędkości synchronicznej podczas półcyklu rozpędzania momentu reluktancyjnego. „ Jednofazowe silniki synchroniczne, takie jak elektryczne zegary ścienne, mogą swobodnie obracać się w dowolnym kierunku, w przeciwieństwie do silników z zacienionymi biegunami. Zobacz Silnik synchroniczny z zacienionymi biegunami zapewniający spójny kierunek rozruchu.

Ekonomika operacyjna jest ważnym parametrem w odniesieniu do różnych metod rozruchu silnika. Odpowiednio, wzbudzenie wirnika jest możliwym sposobem rozwiązania problemu rozruchu silnika. Ponadto nowoczesne proponowane metody rozruchu dużych maszyn synchronicznych obejmują powtarzalną zmianę polaryzacji biegunów wirnika podczas rozruchu.

Zastosowania, specjalne właściwości i zalety

Użyj jako kondensatora synchronicznego

Krzywa V maszyny synchronicznej

Zmieniając wzbudzenie silnika synchronicznego, można go zmusić do działania przy opóźnionym, wiodącym i jedności współczynniku mocy . Wzbudzenie, przy którym współczynnik mocy jest równy jedności, nazywane jest normalnym napięciem wzbudzenia . Wielkość prądu przy tym wzbudzeniu jest minimalna. Napięcie wzbudzenia wyższe niż normalne wzbudzenie nazywane jest nadmiernym napięciem wzbudzenia, napięcie wzbudzenia mniejsze niż normalne wzbudzenie nazywane jest niedowzbudzeniem. Kiedy silnik jest nadmiernie wzbudzony, siła wsteczna będzie większa niż napięcie na zaciskach silnika. Powoduje to efekt rozmagnesowania w wyniku reakcji twornika.

Krzywa V maszyny synchronicznej przedstawia prąd twornika jako funkcję prądu wzbudzenia. Wraz ze wzrostem prądu pola prąd twornika najpierw maleje, następnie osiąga minimum, a następnie rośnie. Punkt minimalny jest jednocześnie punktem, w którym współczynnik mocy jest równy jedności.

Ta zdolność do selektywnej kontroli współczynnika mocy może być wykorzystana do korekcji współczynnika mocy sieci energetycznej, do której podłączony jest silnik. Ponieważ większość systemów zasilania dowolnej znaczącej wielkości ma opóźniony współczynnik mocy netto, obecność przewzbudzonych silników synchronicznych zbliża współczynnik mocy netto systemu do jedności, poprawiając wydajność. Taka korekcja współczynnika mocy jest zwykle efektem ubocznym silników już obecnych w systemie w celu zapewnienia pracy mechanicznej, chociaż silniki mogą pracować bez obciążenia mechanicznego po prostu w celu zapewnienia korekcji współczynnika mocy. W dużych zakładach przemysłowych, takich jak fabryki, interakcja między silnikami synchronicznymi a innymi obciążeniami opóźnionymi może być wyraźnie uwzględniona w projekcie elektrycznym zakładu. [ potrzebny cytat ]

Granica stabilności w stanie ustalonym

Gdzie,

to moment obrotowy
to kąt momentu obrotowego
to maksymalny moment obrotowy

Tutaj,

Po przyłożeniu obciążenia zwiększa się kąt momentu obrotowego . Gdy będzie maksymalny. Jeśli obciążenie zostanie przyłożone dalej, silnik straci synchronizację, ponieważ moment obrotowy silnika będzie mniejszy niż moment obciążenia. Maksymalny moment obciążenia, który można przyłożyć do silnika bez utraty synchronizmu, nazywa się granicą stabilności stanu ustalonego silnika synchronicznego.

Inny

Silniki synchroniczne są szczególnie przydatne w zastosowaniach wymagających precyzyjnej kontroli prędkości lub pozycji:

  • Prędkość jest niezależna od obciążenia w całym zakresie roboczym silnika.
  • Prędkość i pozycja mogą być dokładnie kontrolowane za pomocą sterowania w pętli otwartej (np. silniki krokowe ).
  • Zastosowania o niskim poborze mocy obejmują maszyny do pozycjonowania, w których wymagana jest wysoka precyzja, oraz siłowniki robotów .
  • Utrzymają swoją pozycję, gdy prąd stały zostanie przyłożony zarówno do uzwojenia stojana, jak i wirnika.
  • Zegar napędzany silnikiem synchronicznym jest w zasadzie tak dokładny, jak częstotliwość linii jego źródła zasilania. (Chociaż w ciągu kilku godzin wystąpią niewielkie dryfy częstotliwości, operatorzy sieci aktywnie dostosowują częstotliwość linii w późniejszych okresach, aby to skompensować, utrzymując w ten sposób dokładność zegarów napędzanych silnikiem; patrz Częstotliwość sieci # Stabilność .)
  • Gramofony do gramofonów
  • Zwiększona wydajność w zastosowaniach o niskiej prędkości (np. młyny kulowe ).

Podtypy

Zobacz też

Linki zewnętrzne