Synchronní stroje jsou stroje na střídavý proud, u kterých se rychlost rotoru rovná rychlosti pole statoru (n1 = n2), takže skluz synchronních strojů je nula. (s = 0). Synchronní stroje jsou reverzibilní, to znamená, že mohou být jak motory, tak generátory.
Synchronní generátory jsou hlavními zdroji elektrické energie v průmyslových napájecích sítích, v dopravě, mobilních elektrárnách atd.
Synchronní motory (SM) se používají u pohonů s vysokým výkonem (několik desítek megawattů).
Synchronní motory pohánějí čerpadla, kompresory, ventilátory a další mechanismy pracující při konstantní úhlové rychlosti.
Kromě toho se synchronní motory používají jako synchronní kompenzátory pro zlepšení účiníku zařízení, protože mohou pracovat na rozdíl od indukčních motorů s různým jalovým výkonem – indukčním nebo kapacitním. Kompenzátory pracují v režimu volnoběhu a do sítě dodávají pouze složku jalového výkonu, která je nezbytná pro asynchronní motory.
Speciální nízkopříkonové LED se používají v zařízeních, kde je vyžadována přísná stálost úhlové rychlosti – například elektrické hodiny, automatické záznamníky, zařízení s programovým ovládáním. Výroba synchronních motorů je složitější než u asynchronních a jejich cena je vyšší.
12.2. Zařízení, princip činnosti a rozběh synchronních motorů
Synchronní motor přeměňuje střídavou elektrickou energii na mechanickou energii při konstantní rychlosti rotoru rovné frekvenci rotace magnetického pole statoru, nezávisle na zatížení.
SM se skládá z pevné části – statoru a pohyblivé části – rotoru. Stator se neliší od statoru indukčního motoru, statorové vinutí je také připojeno k třífázové síti střídavého proudu.
Rotor má vinutí tzv budící vinutí, je připojen přes kartáče a sběrací kroužky k samostatnému DC zdroj – budič.
Rotor SM může být vyčnívající a nevyčnívající pól. Synchronní stroje jsou konstruovány tak, aby počet pólů magnetického pole rotoru a magnetického pole statoru byl stejný.
Pokud je budicí vinutí OB synchronního motoru připojeno ke zdroji stejnosměrného proudu a vinutí statoru je připojeno k síti třífázového proudu, pak se SM neotáčí, protože výsledné magnetické pole se bude otáčet vyšší rychlostí 1 vzhledem k ještě nehybnému rotoru 2.
Elektrický obvod synchronního stroje je znázorněn na Obr. 94.
To je vysvětleno skutečností, že rotující magnetické pole statoru okamžitě nabírá rychlost a rotor se v důsledku mechanické setrvačnosti také nemůže okamžitě pohybovat.
Proto musí být rotor SM tak či onak rozkroucen na rychlost blízkou synchronní.
Synchronní motory lze spustit dvěma způsoby.
1. Synchronní start se provádí pomocí přídavného urychlovacího motoru umístěného na stejné hřídeli jako rotor SM, díky kterému se rotor otáčí. Tato metoda se používá pouze při volnoběhu synchronního motoru a v současné době se téměř nepoužívá.
Výkon zrychlujícího motoru je malý, je dán výkonem potřebným pouze pro otáčení rotoru SM. Když otáčky rotoru dosáhnou frekvence otáčení magnetického pole statoru, je statorové vinutí SM připojeno k třífázové síti střídavého proudu a do vinutí rotoru je přiváděn stejnosměrný proud. Poté se zrychlovací motor vypne a SM se otáčí synchronní rychlostí.
2. Asynchronní start. S rotorem s vyčnívajícím pólem, zkratovaný spouštěč vinutí měděných nebo mosazných tyčí. Připomíná veverčí kolo asynchronního stroje, ale zabírá pouze část obvodu rotoru.
Startování motoru se skládá ze dvou fází:
– první stupeň: asynchronní sada otáček při absenci buzení stejnosměrným proudem;
– druhý stupeň: tah do synchronismu po zapnutí stejnosměrného budícího proudu.
Během první fáze je budicí vinutí LED umístěné na rotoru odpojeno od stejnosměrného zdroje a uzavřeno na rezistor R = (610) RВKde RВ – odpor budícího vinutí, protože když je vinutí otevřené, může se v něm indukovat značné EMF, což je nebezpečné pro celistvost izolace.
Motor se stává jakoby asynchronním a vlivem asynchronního krouticího momentu lze otáčky rotoru zvýšit přibližně na 0,951.
Po zrychlení rotoru je budicí vinutí opět připojeno ke stejnosměrnému zdroji (druhý stupeň). Vznikne synchronní elektromagnetický moment, stroj je vtažen do synchronismu, tj. rotor a statorové pole se otáčejí synchronně (1 = 2).
Při zatížení hřídele ve vinutí statoru vznikají aktivní složky proudu, které mají opačný směr než je směr EMF v rotoru. Tyto proudy vytvářejí své vlastní rotující magnetické pole.
Vlivem magnetického pole statorových proudů na stejnosměrné proudy budícího vinutí rotoru vzniká elektromagnetický moment, který roztáčí rotor.
Jinými slovy, vznik točivého elektromagnetického momentu synchronního motoru lze považovat za výsledek interakce pólů dvou magnetizovaných těles – statoru a rotoru a vedoucí prvek – póly statorua otrok – póly rotoru.
Tento krouticí moment vyrovnává opačný krouticí moment ovládacího mechanismu.
Rovnost momentů motoru a zatížení nepřesahuje nejvyšší hodnotu momentu, kterou je synchronní motor schopen vyvinout.
Není-li momentová rovnováha, je narušeno udržování synchronní rychlosti otáčení rotoru a stroj vypadne ze synchronismu, rychlost stroje začne klesat, dochází k nepřijatelným výkyvům proudu a točivého momentu a motor musí být okamžitě vypnut odpojen od sítě.
Snížení napětí v síti, která napájí stator, vede ke snížení maximálního točivého momentu vyvinutého motorem a ke snížení jeho stability stability, ale vhodnou regulací budicího proudu rotoru lze obnovit předchozí hodnotu točivého momentu. Mmax. Tímto způsobem je synchronní motor srovnatelný s asynchronním motorem.
Omezení synchronní motory:
– složitost konstrukce rotoru;
– potřeba zdroje stejnosměrného proudu;
Proto je účelné použít SD pro instalace s vysokým výkonem >> 100 kW, pracující v podmínkách ojedinělých startů.
12.3. U-tvarová charakteristika synchronního motoru. Synchronní kompenzátor
Zvažte režim provozu synchronního motoru při brzdném momentu na hřídeli M2 konstantní a budící proud IВ změny na rotoru.
U SM s konstantní rychlostí otáčení konstantní brzdný moment M2 znamená, že užitečná síla P2 – konstantní, a tedy energie odebraná ze sítě P1 a elektromagnetický výkon jsou také konstantní. Na tomto základě jsou postaveny U-tvarové charakteristiky – závislost proudu statoru a účiníku (I1 a cos 1) z budícího proudu IВ na M2 = konst a Usíť = konst.
Na Obr. 95 ukazuje rodinu takových charakteristik pro různé hodnoty momentů M2.
Hodnota a znaménko úhlu fázového posunu mezi proudem a napětím závisí na velikosti budícího proudu Iв. Změnou budícího proudu synchronního motoru lze nastavit takový provozní režim, ve kterém proud odebíraný motorem povede napětí.
Při podbuzení, tzn Iв < Inom, SD se chová jako induktivní zátěž pro síť (spotřebovává reaktivní složku ze sítě) a při přebuzení, tzn. Iв > Inom SD se chová jako kapacitní zátěž pro síť (předává síti reaktivní složku). Vlivem vedoucího kapacitního proudu je kompenzován účiník sítě.
Tato vlastnost synchronních motorů se využívá u synchronních kompenzátorů.
Synchronní kompenzátor je lehký synchronní motor, který pracuje v klidovém režimu při výrazné přebuzení.
Synchronní kompenzátor je lokálním zdrojem jalového výkonu pro elektrické přijímače, zbavuje dlouhé přenosové linky přenosu jalového výkonu; instalované ve velkých rozvodnách. Síťové napětí může stabilizovat i synchronní kompenzátor: když zvedání je potřeba síťové napětí snížit budící proud, at downgrade síťové napětí – zvýšit budící proud.
Na Obr. 96, a, b znázorňuje vedení pro přenos energie používající synchronní kompenzátor (a) a ukazuje vektorový diagram vysvětlující jeho použití (b).
Při připojení synchronního kompenzátoru v místě spínání výkonového přijímače IM (obr. 96, a) je proud ve vedení roven vektorovému součtu proudu přijímače a kompenzátoru. Jak je vidět z vektorového diagramu (obr. 96, b), proud ve vedení klesá (), fázový úhel (1 < ) mezi proudem Iл a síťové napětí klesá a účiník se zvyšuje (cos 1 > cos ).
Synchronní kompenzátor je tedy lokálním zdrojem jalového výkonu pro elektrické přijímače, zbavuje dlouhé přenosové vedení přenosu jalového výkonu a zlepšuje účiník elektrického systému. Synchronní kompenzátory jsou instalovány na velkých rozvodnách.
Synchronní motor je typ elektrického stroje se stejnou rychlostí otáčení hřídele a rotujícího magnetického pole pevné sestavy. Vzhledem k poměrně složité konstrukci nejsou takové motory tak běžné jako motory asynchronní, nicméně v některých případech jsou prakticky nepostradatelné.
Zvažte konstrukci synchronních elektromotorů, jejich výhody a nevýhody.
Princip činnosti
Princip činnosti synchronních elektrických strojů je založen na vazbě točivého magnetického pole statoru a konstantního magnetického pole rotoru.
V tomto případě je koncepce stejná jako u asynchronního motoru: při přivedení třífázového napětí na vinutí pevného uzlu, posunutého o 1200, vzniká magnetické pole se střídavě se měnícími póly.
V tomto případě je na vinutí rotoru aplikován stejnosměrný proud, který indukuje konstantní magnetické pole.
Když je na stator přivedeno střídavé třífázové napětí a na rotor stejnosměrný proud, budou opačné póly magnetického pole rotoru přitahovány k odpovídajícím pólům rotujícího pole statoru. Při této interakci se generuje krouticí moment, který otáčí hřídelí. V tomto případě bude jeho rychlost rovna frekvenci rotujícího magnetického pole indukovaného vinutími pevného uzlu. Princip činnosti synchronních elektrických strojů je názorně znázorněn na obrázku níže.
Konstrukce a typy synchronních motorů
Rotační vinuté synchronní motory jsou nejběžnějšími elektrickými stroji tohoto typu. Pohonné jednotky se skládají z následujících hlavních součástí:
- Stanice a trupy. Konstrukční prvky jsou navrženy tak, aby vyhovovaly dalším uzlům a podporám.
- stator. Pevná část obsahuje jádro a vinutí třífázového střídavého proudu.
- Rotor. Rotační sestava se skládá z magnetického obvodu, v němž je uloženo stejnosměrné vinutí.
- Vala. Konstrukční prvek je určen pro připojení mechanické zátěže, obsahuje i budicí cívky.
- kontaktní kroužky. Uzly jsou navrženy tak, aby dodávaly konstantní napětí do vinutí rotoru.
Konstrukce synchronních motorů se může lišit v závislosti na typu. Například u elektrických strojů typu SDPM se k vytvoření magnetického pole používají permanentní magnety, takové elektromotory také nemají elektrické prstence. Existují rotory s explicitním a implicitním pólovým provedením. První jmenované se používají v hnacích motorech pomaloběžných zařízení pracujících při značné zátěži.
Elektromotory s nevýraznou pólovou otočnou sestavou se používají ve vysokorychlostních pohonech. Podle provedení statoru se synchronní elektrické stroje rozlišují s distribuovaným (na obrázku vlevo) a soustředěným vinutím (na obrázku vpravo).
U asynchronních motorů se EMF rotující sestavy indukuje vlivem magnetického pole statoru. V důsledku toho existuje rozdíl mezi rychlostmi rotace magnetického pole a rotoru, který se nazývá skluz. Synchronní elektrické stroje nemají prokluz, díky kterému lze takové motory použít v pohonech přesných mechanismů.
Mezi výhody synchronních motorů s vinutím rotoru dále patří vysoká přetížitelnost, zvýšená účinnost (může dosáhnout až 95 %), proporcionální závislost točivého momentu na hřídeli od napájecího napětí, stabilní otáčky s proměnnou zátěží. Mezi nevýhody synchronních strojů patří relativní složitost konstrukce, přítomnost stejnosměrného zdroje pro budicí vinutí, složitost spouštěcího obvodu.
Způsoby spouštění a buzení synchronních motorů
Synchronní stroje vyžadují stejnosměrný zdroj pro napájení vinutí rotoru. Nejrozšířenější jsou systémy statického buzení na bázi tyristorových měničů. Systémy s stejnosměrným generátorem na hřídeli motoru se již prakticky nepoužívají.
Napájení tyristorových budičů se provádí z transformátoru připojeného na stejnou síť jako motor. Systémy umožňují upravit napětí, účiník, hodnotu jalové složky vinutí statoru.
Synchronní elektrické stroje nelze spouštět přímým připojením k síti, jelikož ke změně pólů točivého magnetického pole dochází příliš rychle, vlivem setrvačnosti je zrychlení rotoru na synchronní otáčky nemožné.
Existuje několik schémat pro spouštění synchronních motorů.
Motor. Synchronní motor se spouští zrychlením rotoru na synchronní frekvenci pomocí pomocného elektrického stroje. V tomto případě je elektromotor připojen k síti po dosažení synchronní frekvence, po jejímž uplynutí se pomocný motor zastaví. Motorové obvody jsou považovány za zastaralé, vzhledem k vysokým nákladům a značným rozměrům a hmotnosti se již prakticky nepoužívají.
Asynchronní. Synchronní motory s asynchronním rozběhem mají na pólových nástavcích rotoru přídavné vinutí „klece nakrátko“. Start elektromotoru se provádí za nepřítomnosti stejnosměrného proudu v budicím vinutí, jako u asynchronních elektrických strojů. Po zrychlení na rychlost blízkou synchronnímu je na cívku rotoru přiveden stejnosměrný proud, motor začne pracovat v synchronním režimu. Při startu, před vstupem do synchronismu, je vinutí rotoru uzavřeno na odpor, to je nutné pro omezení proudu indukovaného statorovým polem při rozběhu a zrychlení. Tato metoda umožňuje spustit synchronní stroj přímo ze sítě. Mezi nevýhody patří značný startovací proud, obtížný start pod zátěží.
Frekvence. V tomto případě je elektromotor připojen k frekvenčnímu měniči. Start elektrického stroje se provádí přiložením nízkofrekvenčního napětí a jeho plynulým zvyšováním na jmenovitou hodnotu, motor vždy běží v synchronním režimu. Tato metoda umožňuje zkrátit dobu přechodových a rozběhových proudů, snížit tepelné zatížení, spouštět synchronní elektrické stroje pod zátěží. Nevýhodou této metody je poměrně vysoká cena specializovaného frekvenčního měniče. Frekvenční rozběh je nejslibnější, umožňuje eliminovat mnohé nedodávky synchronních elektrických strojů.
Typy synchronních motorů
Elektrické pohonné jednotky se synchronní rychlostí se používají pro řešení pohonů různých účelů: zařízení pro strojírenské systémy a průmysl, domácí a průmyslové mechanismy. Kromě elektrických strojů s rotačním vinutím existuje několik dalších typů synchronních motorů. Zvažte jejich typy a design podrobněji.
Motory s permanentními magnety
Konstrukce PMSM připomíná synchronní motory s vinutím rotoru. Hlavním rozdílem je přítomnost permanentních magnetů na rotační části namísto vinutí. Motory s permanentními magnety nevyžadují stejnosměrný zdroj pro napájení budícího vinutí.
- Zjednodušená konstrukce ve srovnání se synchronním motorem s vinutím rotoru.
- Zvýšená účinnost
- Vylepšený poměr hmotnost/výkon.
- Schopnost přesně řídit točivý moment a rychlost.
PMSM jsou dražší, což poněkud omezuje jejich použití. Rozsahem elektrických strojů jsou pohony středního a malého výkonu.
Synchronní reluktanční motor
Otáčení hřídele takových elektromotorů se provádí v důsledku rozdílu v magnetické vodivosti rotoru v příčné a podélné rovině. Čím více se tyto hodnoty liší, tím vyšší je točivý moment na hřídeli elektrického stroje. Konstrukce statoru jalových elektromotorů se neliší od standardních synchronních elektrických strojů s distribuovaným nebo soustředěným třífázovým vinutím.
Varianty provedení otočné části: s výraznými póly (vlevo), osově vrstvené (uprostřed) a příčně vrstvené (vpravo).
Synchronní reluktanční motor má následující výhody:
- Jednoduchá konstrukce rotoru bez magnetů a vinutí.
- Malé topení.
- Nízká setrvačnost.
- Možnost nastavení rychlosti v širokém rozsahu.
Mezi nevýhody elektrických strojů patří nízký účiník. Rozsahem takových motorů jsou pohony zařízení a mechanismů s nízkým výkonem.
Hysterezní motor
Princip činnosti elektrických strojů s hysterezí je založen na jevu hystereze tvrdých magnetických materiálů. Točivý moment vzniká působením zbytkové magnetizace rotoru, která je prováděna magnetickým polem statoru elektromotoru, jinak je princip činnosti elektromotorů podobný jako u PMSM.
Rotační část hysterezních motorů má konstrukci nevyčnívající pólové sestavy. Mezi výhody elektrických strojů patří:
- Snadný start bez dalšího hardwaru.
- Nedostatek vysokých startovacích proudů.
- Plynulý vstup do synchronního režimu.
- Jednoduchá konstrukce.
- Vyšší účiník než synchronní reluktanční motory.
Mezi nevýhody patří vysoká cena, která je dána cenou tvrdých magnetických materiálů s širokou hysterezní smyčkou pro rotor.
Elektromotor s reaktivní hysterezí
Reaktivní hysterezní motory jsou typem synchronních elektrických strojů s vyčnívajícím pólovým rotátorem. Start se provádí díky točivému momentu vznikajícímu při interakci rotujícího magnetického pole statoru a hystereze rotoru.
Další chod motoru v synchronním režimu je způsoben jalovým momentem a zbytkovou magnetizací. Motory tak kombinují výhody jalových a hysterečních elektrických strojů:
- Jednoduchost designu.
- Samostartování bez dalšího vybavení.
- Schopnost pracovat z jednofázového napájení.
Mezi nevýhody patří nízká účinnost a cosφ. Rozsah motorů s reaktivní hysterezí: mikropohony pro různé účely.
