Synchronní motor: princip činnosti, zařízení, účel

Synchronní elektromotor je zařízení, které přeměňuje elektrickou energii na mechanickou energii. Může být také použit jako generátor. Nejčastěji se používá v kompresorech, válcovacích strojích, pístových čerpadlech a dalších podobných zařízeních. Uvažujme o principu činnosti synchronního elektromotoru, jeho charakteristikách a vlastnostech.

Zařízení synchronního elektromotoru

Struktura tohoto typu kameniva je typická. Motor se skládá z:

• Pevná část (kotva nebo stator).
• Pohyblivá část (rotor nebo induktor).
• Fanoušek.
• kontaktní kroužky.
• kartáče.
• Patogen.

Stator je jádro sestávající z vinutí, které je uzavřeno v pouzdře. Induktor je doplněn stejnosměrnými elektromagnety (póly). Konstrukce induktoru může být dvou typů – vyčnívající pól a implicitní pól. Stator a rotor obsahují feromagnetická jádra ze speciální elektrooceli. Jsou nezbytné pro snížení magnetického odporu a zlepšení průchodu magnetického toku.

Frekvence otáčení rotoru u synchronního motoru se rovná frekvenci otáčení magnetického pole. Bez ohledu na připojenou zátěž se frekvence rotoru nemění, protože počet párů pólů magnetického pole a rotoru je stejný. Jejich interakce zajišťuje konstantní úhlovou rychlost, nezávislou na momentu působícím na hřídel.

Princip činnosti synchronního motoru

Nejběžnější typy takových jednotek jsou jednofázové a třífázové. Princip činnosti synchronního elektromotoru je v obou případech přibližně stejný. Po připojení vinutí kotvy k síti zůstává rotor v klidu, zatímco do budícího vinutí proudí stejnosměrný proud. Směr elektromagnetického momentu se během jedné změny napětí změní dvakrát. Když je průměrná hodnota točivého momentu nula, rotor pod vlivem vnějšího točivého momentu (mechanický náraz) zrychlí na frekvenci blízkou hodnotě frekvence rotace magnetického pole v mezeře, načež se motor přepne na synchronní režimu.

V třífázovém zařízení jsou vodiče umístěny v určitém úhlu vůči sobě navzájem. Je v nich vybuzeno elektromagnetické pole rotující synchronní rychlostí.

Zrychlení motoru lze provádět ve dvou režimech:

• Asynchronní. Vinutí induktoru je uzavřeno pomocí reostatu. Rotující magnetické pole, které vzniká při zapnutí napětí, prochází zkratovaným vinutím namontovaným na rotoru. Indukují se v něm proudy a interagují s točivým polem statoru. Jakmile je dosaženo synchronních otáček, točivý moment začne klesat a po uzavření magnetického pole se sníží na nulu.
• S pomocným motorem. K tomu je synchronní motor mechanicky spojen s pomocným motorem (stejnosměrný motor nebo třífázový indukční motor). Stejnosměrný proud je dodáván až poté, co motor dosáhne téměř synchronních otáček. Magnetické pole je uzavřeno a komunikace s pomocným motorem je ukončena.

Charakteristika synchronního elektromotoru

Ačkoli jsou asynchronní motory považovány za spolehlivější a levnější, jejich synchronní „bratři“ mají určité výhody a jsou široce používány v různých průmyslových odvětvích. Charakteristické vlastnosti synchronního elektromotoru zahrnují:

• Provoz při vysokém účiníku.
• Vysoká účinnost ve srovnání s asynchronním zařízením stejného výkonu.
• Udržuje nosnost i při poklesu síťového napětí.
• Neměnnost otáček bez ohledu na mechanické zatížení hřídele.
• Ekonomické.

Synchronní motory mají také některé nevýhody:

• Poměrně složitá konstrukce, která prodražuje jejich výrobu.
• Požadavek na stejnosměrný zdroj (budič nebo usměrňovač).
• Obtížnost spuštění.
• Nutnost korigovat úhlovou frekvenci otáčení změnou frekvence napájecího napětí.

V některých případech je však výhodnější použití synchronních motorů:

• Pro zlepšení účiníku.
• V dlouhodobých technologických procesech, kde není potřeba časté spouštění a zastavování.

„Pro“ motorů tohoto typu tedy výrazně převažují „nevýhody“, a proto jsou v současnosti velmi žádané.

Po prostudování synchronního motoru, struktury a principu jeho činnosti a při zohlednění podmínek, ve kterých bude provozován, můžete rychle a snadno vybrat typ jednotky, který je optimální pro vaše účely (chráněný, uzavřený, otevřený) a používejte jej s maximální účinností.

Synchronní elektromotor se používá jako zařízení pro přeměnu elektrické energie na mechanickou energii v průmyslu a každodenním životě. Ve srovnání s jinými typy elektrických strojů se stal méně rozšířeným, ale ve vyhrazených oblastech je nepostradatelným oblíbencem. Jaká je zvláštnost synchronních jednotek a jak se používají v praxi, budeme zvažovat v tomto článku.

Zařízení

Konstrukčně se synchronní elektromotor skládá z pevného prvku, pohyblivé části, vinutí pro různé účely a může být vybaven sestavou kolektoru. Dále se budeme podrobněji zabývat každou komponentou synchronní jednotky na pracovním příkladu (obrázek 1).

• Stator nebo kotva – z elektrooceli, monolitické nebo sazba z vrstveného železa. Navrženo tak, aby vyhovovalo pracovnímu vinutí, vede siločáry elektromagnetického pole tvořeného protékajícími proudy.
• Vinutí na statoru – vyrábí se z měděných vodičů, podle typu statoru synchronního elektromotoru lze provádět různými způsoby, způsoby vinutí a uspořádáním vodičů. Slouží k napájení napětí a vytvoření pracovního magnetického toku.
• Rotor s budicím vinutím – navržený pro interakci s magnetickým polem statoru. V důsledku přivedení napětí na budicí vinutí v rotoru elektromotoru vzniká vlastní magnetické pole, které nastavuje stav rotujícího prvku.
• Hřídel – slouží k přenosu rotační síly z elektromotoru na zátěž k němu připojenou. Ve většině případů se jedná o základnu, na kterou se montuje zátěž nebo póly rotoru, ložiska, kroužky, desky a další pomocné prvky.
• Skluzné kroužky – slouží k napájení vinutí rotoru, ale nejsou instalovány ve všech modelech synchronních jednotek. Napájení je dodáváno přes speciální AC-to-DC měnič.
• Корпус – navrženo k ochraně před vnějšími faktory, poskytuje synchronnímu motoru dostatečnou pevnost a těsnost v závislosti na podmínkách jeho provozu.

Princip činnosti

Provoz synchronního elektromotoru je založen na interakci magnetického toku generovaného pracovními vinutími s konstantním magnetickým tokem. Nejběžnějším modelem synchronního elektrického stroje je varianta s pracovním vinutím na statoru a budícím vinutím na rotoru.

Rýže. 2. Princip činnosti synchronního motoru

Jak můžete vidět na obrázku 2 výše, do vinutí statoru je ze sítě přiváděno třífázové napětí, které tvoří střídavé magnetické pole. Na vinutí rotoru elektromotoru je přivedeno konstantní napětí, které na pólech indukuje stejný konstantní magnetický tok. Pro názornost zvažte proces na zjednodušeném modelu synchronní jednotky (obrázek 3).

Rýže. 3. Princip tvorby proudění v synchronním elektrickém stroji

Když je napájení přivedeno na fázové závity statoru elektromotoru, první vrchol amplitudy proudu a EMF vzájemné indukce připadá na fázi A, poté B a fázi C.

Graf ukazuje četnost střídání křivek v závislosti na čase:

• v bodě 1 maximální EMF E_A tvoří maximální průtok a elektromotorické síly fází E_B a E_C stejné a opačné ve znamení doplňují výslednou sílu.
• v bodě 2 vrchol dosáhne EMF E_Ba elektromotorické síly fází E_A a E_C stanou se navzájem rovnocennými a opačnými ve znaménku, doplňují výslednou sílu, v důsledku čehož magnetické pole vykonává rotační pohyb.
• v bodě 3 připadá maximum na EMF E_Ca elektromotorické síly fází E_B a E_A společně doplňují výslednou sílu a opět posouvají vektor pole ve směru hodinových ručiček.

Během periody dochází k rotaci pole statoru a vzhledem k tomu, že rotor má svou vlastní elektromagnetickou sílu konstantní v čase, synchronně sleduje pohyb střídavého magnetického pole, rotujícího kolem dané osy. V důsledku takového otáčení dochází k synchronnímu pohybu rotoru po změně amplitudy EMF v závitech pracovních vinutí, kvůli tomuto jevu byl elektromotor nazýván synchronní. Přítomnost samostatného napájecího zdroje se také odrazila ve schematickém označení takových elektrických strojů (obrázek 4) v souladu s GOST 2.722-68.

Rýže. 4. Schematické označení synchronního motoru

Rozdíl od indukčního motoru

Hlavním rozdílem mezi synchronním elektromotorem a asynchronním je princip přeměny elektrické energie na mechanickou rotaci. U synchronního elektromotoru je proces rotace rotoru shodný s rotací pracovního elektromagnetického pole generovaného třífázovou sítí. U asynchronního však pracovní pole nezávisle indukuje EMF v rotoru, který teprve poté generuje vlastní vzájemný indukční tok a uvádí hřídel do rotace. V důsledku toho dostávají asynchronní elektrické stroje rozdíl v rotaci pracovního pole a zatížení hřídele, který je vyjádřen fyzikální veličinou – skluzem.

V práci jsou klasické modely asynchronních elektromotorů s rotorem nakrátko:

• netolerují přetížení;
• mají potíže začít se značným úsilím;
• měnit rychlost otáčení v závislosti na zatížení pracovního těla.

Tyto nedostatky do jisté míry překonává asynchronní motor s fázovým rotorem, ale pouze synchronní jednotka se může nedostatků zcela zbavit.

Rýže. 5. Rozdíl mezi asynchronním a synchronním motorem

Odrůdy

V moderním průmyslu a domácích spotřebičích se synchronní elektromotory používají k řešení široké škály úkolů. V důsledku toho se výrazně liší i jejich konstrukční vlastnosti. V praxi existuje několik kritérií, podle kterých se typy synchronních jednotek rozdělují. V souladu s GOST 16264.2-85 je lze rozdělit podle následujících technických charakteristik:

• napájecí napětí;
• frekvence provozního napětí;
• počet otáček.

V závislosti na způsobu získání rotorového pole se rozlišují následující typy synchronních elektromotorů:

• S budicím vinutím na rotoru – synchronizační síla je generována napájením z převodníku.
• S magnetickým rotorem – na hřídeli je instalován permanentní magnet, který plní stejné funkce jako budicí vinutí, ale bez nutnosti dobíjení (viz obrázek 6).

Reluktační rotor – konstrukce je provedena tak, že v jejím jádru dochází k lomu magnetických čar, čímž se celá konstrukce uvede do pohybu (viz obrázek 7). Vlivem silového pole nejsou příčné a podélné složky v rotoru stejné, díky čemuž se desky po poli otáčejí.

Rýže. 7. Příklad reaktivního rotoru

V závislosti na přítomnosti pólů lze všechny synchronní motory rozdělit na:

• vyčnívající pól – v provedení jsou dobře viditelné izolované póly s vinutím, používají se pro nízké rychlosti;
• implicitní pól – tyč není rozlišena, takové modely jsou instalovány pro vysoké rychlosti;

V závislosti na umístění pracovních vinutí se rozlišují přímé (na statoru) a reverzní (pracovní vinutí na rotoru).

Provozní režimy

Většina elektrických strojů má reverzibilní funkci a synchronní jednotky nejsou výjimkou. Mohou být také použity jako elektrický pohon nebo jako generátor pro výrobu elektřiny. Oba režimy se liší způsobem působení na elektrický stroj – přivedením napětí na pracovní vinutí nebo uvedením rotoru do pohybu vlivem mechanické síly.

režim generátoru

Synchronní generátory se používají k výrobě elektřiny v síti. Ve většině případů se pro tento účel používají elektrické stroje s fázovými vinutími na statoru, což značně zjednodušuje proces odebírání výkonu a jeho další přenos do sítě. Fyzikálně ke generování dochází vlivem elektromagnetického pole budícího vinutí synchronního generátoru se statorovými vinutími. Silové vodiče střídavě protínají fázové závity a indukují v nich EMF vzájemné indukce, v důsledku čehož se na svorkových vodičích objeví napětí.

Frekvence výsledného napětí přímo závisí na rychlosti otáčení hřídele a je vypočtena podle vzorce:

f = (n*p)/60 ,

kde n je rychlost otáčení hřídele, měřená v otáčkách za minutu, p je počet párů pólů.

Synchronní kompenzátor

S ohledem na fyzikální vlastnosti synchronního elektromotoru, když zařízení běží naprázdno, spotřebovává jalový výkon ze sítě, což může výrazně zlepšit cosφ systému a prakticky se přiblížit k 1. V praxi režim synchronního kompenzátoru se používá jak ke zlepšení účiníku, tak ke stabilizaci parametrů síťového napětí.

Motorový režim

U synchronního stroje se režim motoru provádí, když je na vinutí kotvy přivedeno pracovní třífázové napětí. Poté elektromagnetické pole kotvy začne tlačit na magnetické pole rotoru a hřídel se začne otáčet. V praxi však režim motoru není tak jednoduchý, protože výkonné jednotky nemohou nezávisle získat potřebný rychlostní zdroj. Proto se při spouštění používají speciální metody a schémata připojení.

Způsoby spouštění a schémata zapojení

Pro spuštění synchronního motoru je zapotřebí další pole, nezávislé na vlivu sítě. Současně je ve fázi startu start asynchronním procesem, dokud jednotka nedosáhne synchronních otáček.

Rýže. 8. Schéma spouštění synchronního motoru

Při přivedení napětí na kotvu vzniká v jejích vinutích proud a v železe rotoru vzniká EMF, které zajišťuje asynchronní pohyb, dokud nejsou budicí vinutí napájena.

Další běžnou možností spouštění je použití přídavných generátorů, které mohou být umístěny na hřídeli nebo instalovány samostatně. Tato metoda poskytuje dodatečnou startovací sílu v důsledku točivého momentu třetí strany.

Rýže. 9. Generátorový způsob spouštění synchronního motoru

Jak můžete vidět na obrázku 9, počáteční rotaci motoru M provádí generátor G, který je navržen tak, aby uvedl zařízení na subsynchronní rychlost. Poté je generátor odstraněn z pracovního okruhu otevřením kontaktů KM nebo automaticky při nastavení provozních charakteristik. K dalšímu udržování synchronního režimu dochází přivedením konstantního napětí na budicí vinutí.

Navíc se v praxi používá spouštěcí obvod s polovodičovými měniči. Obrázek 10 ukazuje metodu tyristorového měniče a s instalací rotačních usměrňovačů.

Rýže. 10. Tyristorový obvod pro rozběh synchronního motoru

V prvním případě je start synchronního motoru charakterizován nulovým napětím z UD měniče. Kvůli prokluzu EMF přes zenerovy diody VD jsou tyristory VS otevřeny. Do obvodu budícího vinutí je zaveden rezistor R, určený k zamezení průrazu izolace. Jak motor zrychluje, skluzové emf se proporcionálně sníží a zenerovy diody VD budou zablokovány, obvod bude zablokován a budicí vinutí bude napájeno konstantním napětím přes UD.

přihláška

Rozsah synchronních elektrických strojů pokrývá výrobu elektrické energie v elektrárnách. Podle typu se generátory dělí na turbínové, dieselové a hydraulické, v závislosti na způsobu jejich uvedení do rotace.

Používají se také jako elektromotory, které během provozu vydrží značné přetížení. Takové motory jsou instalovány na ventilátorech, kompresorech, pohonných jednotkách a dalších zařízeních. Samostatná kategorie elektromotorů se používá v přesných zařízeních, kde je důležitá synchronizace operací a procesů.