Silnik synchroniczny vs silnik asynchroniczny

Silnik synchroniczny vs silnik asynchroniczny

Decydującą różnicą jest prędkość wirnika w stosunku do wirującego pola magnetycznego stojana: a silnik synchroniczny Wirnik silnika obraca się dokładnie z tą samą prędkością co pole, podczas gdy wirnik silnika asynchronicznego (indukcyjnego) zawsze obraca się nieco wolniej, co jest różnicą zwaną poślizgiem. Poślizg ten jest w rzeczywistości niezbędny do działania silnika indukcyjnego, ponieważ względny ruch pomiędzy wirnikiem a polem wirującym indukuje przede wszystkim prąd wirnika, który generuje moment obrotowy — silnik indukcyjny bez poślizgu nie generowałby żadnego momentu obrotowego.

Silniki synchroniczne unikają tej zależności, ponieważ wirnik przenosi własne pole magnetyczne (z magnesów trwałych lub uzwojeń pola), a nie polega na prądzie indukowanym, co pozwala mu zablokować i utrzymać dokładną synchronizację z polem stojana, zamiast wiecznie pozostawać w tyle.

Przewodnik po wyborze silnika synchronicznego

• Potwierdź, że aplikacja rzeczywiście potrzebuje stałej, niezależnej od obciążenia prędkości — jeśli precyzja prędkości nie jest krytyczna, silnik indukcyjny może stanowić prostsze i tańsze rozwiązanie
• Oceń wymagania początkowe — większość silników synchronicznych (innych niż samostartujące typy PMSM) wymaga metody rozruchu lub sterowania VFD
• Porównaj korzyści w zakresie wydajności z kosztami początkowymi, szczególnie w przypadku projektów PMSM, w których materiał magnesu zwiększa koszty, ale zapewnia wzrost wydajności
• Upewnij się, że wymagania dotyczące momentu obrotowego mieszczą się w limicie momentu wyciągającego silnika w całym zakresie działania aplikacji
• Rozważ wartość korekcji współczynnika mocy czy szerszy system elektryczny obiektu skorzystałby na możliwości dostarczania mocy biernej przez silnik synchroniczny

Jak wybrać silnik synchroniczny

Wybór konkretnego silnika synchronicznego do zastosowania rozpoczyna się od dopasowania wymaganego momentu obrotowego, prędkości i mocy znamionowej do obciążenia, podobnie jak w przypadku każdego procesu doboru silnika, ale z dodatkową uwagą zwróconą na konkretny typ silnika synchronicznego najlepiej pasującego do danego zastosowania. Konstrukcje PMSM pasują do większości nowoczesnych zastosowań, w których priorytetem jest wydajność i kompaktowe rozmiary , podczas gdy silniki synchroniczne z uzwojonym wirnikiem pozostają przydatne w bardzo dużych zastosowaniach przemysłowych, gdzie dodatkowa złożoność systemu kontroli wzbudzenia jest uzasadniona skalą instalacji i wartością regulowanego wzbudzenia do kontroli współczynnika mocy.

Porównanie wydajności silnika synchronicznego

Silniki synchroniczne, szczególnie konstrukcje PMSM, generalnie przewyższają silniki indukcyjne pod względem wydajności w większości swojego zakresu roboczego, przy czym różnica jest zwykle najbardziej widoczna przy częściowym obciążeniu – w stanie, w którym wiele rzeczywistych aplikacji spędza znaczny czas pracy, zamiast pracować ciągle przy pełnym obciążeniu znamionowym. Ta przewaga w zakresie wydajności wynika z wyeliminowania strat poślizgu wirnika , czyli nagrzewanie rezystancyjne występujące w wirniku silnika indukcyjnego jako bezpośrednia konsekwencja indukowanego prądu potrzebnego do wytworzenia momentu obrotowego, czyli mechanizm strat, który po prostu nie istnieje w niezależnie namagnesowanym wirniku silnika synchronicznego.

Charakterystyka momentu obrotowego silnika synchronicznego

Zależność momentu obrotowego od prędkości silnika synchronicznego różni się zasadniczo od zależności silnika indukcyjnego — zamiast momentu zmieniającego się w sposób ciągły wraz z prędkością w miarę zmian poślizgu, silnik synchroniczny wytwarza moment obrotowy niezbędny do utrzymania prędkości synchronicznej, aż do jego maksymalnego (wyciągającego) limitu momentu obrotowego. Po przekroczeniu tej granicy silnik nie zwalnia stopniowo tak, jak zrobiłby to silnik indukcyjny — całkowicie traci synchronizację i gaśnie, co oznacza, że aplikacje silników synchronicznych należy dobierać z odpowiednim marginesem momentu powyżej maksymalnego oczekiwanego momentu obciążenia, aby uniknąć tego nagłego trybu awarii.

Takie zachowanie momentu obrotowego oznacza również, że silniki synchroniczne na ogół nie uruchamiają się samoczynnie pod obciążeniem stacjonarnym, jak wiele silników indukcyjnych, ponieważ pole magnetyczne nieruchomego wirnika nie wytwarza znaczącego średniego momentu obrotowego w przypadku szybko obracającego się pola stojana.

Synchroniczna kontrola prędkości silnika

Ponieważ prędkość silnika synchronicznego jest bezpośrednio powiązana z częstotliwością zasilania, regulacja prędkości wymaga dostosowania tej częstotliwości, co jest dokładnie tym, co robi napęd o zmiennej częstotliwości (VFD). Silniki synchroniczne sterowane przez VFD zapewniają zarówno precyzyjną kontrolę prędkości, jak i korzyści w zakresie wydajności wynikające z pracy synchronicznej , połączenie coraz powszechniejsze w nowoczesnych przemysłowych układach napędowych i elektrycznych układach napędowych pojazdów, gdzie jednocześnie wymagana jest zarówno precyzyjna kontrola prędkości/momentu obrotowego, jak i wysoka wydajność.

Silnik z magnesami trwałymi a silnik indukcyjny

Porównanie to obejmuje w dużej mierze ten sam obszar, co szersze porównanie synchronicznego i asynchronicznego, ponieważ PMSM jest dominującą konstrukcją współczesnego silnika synchronicznego porównywaną z silnikami indukcyjnymi w większości obecnych dyskusji. Zalety PMSM skupiają się na wydajności, gęstości mocy i precyzyjnej kontroli , podczas gdy silniki indukcyjne są nadal preferowane tam, gdzie niższy koszt początkowy, prostota mechaniczna i możliwość samorozruchu bez dodatkowej elektroniki sterującej przewyższają wzrost wydajności, jaki PMSM zapewniałby dla danego zastosowania.

Wybór silnika o wysokiej wydajności

Wybór silnika o wysokiej sprawności wymaga spojrzenia poza pojedynczą wartość procentową sprawności i sprawdzenia, jak ta sprawność utrzymuje się w rzeczywistym oczekiwanym zakresie pracy silnika, ponieważ wiele zastosowań pracuje znacznie poniżej pełnego obciążenia znamionowego przez znaczną część cyklu pracy. Sprawdzanie wydajności w całym zakresie obciążenia, a nie tylko przy obciążeniu 100%, daje dokładniejszy obraz rzeczywistego zużycia energii i potencjału oszczędności niż poleganie wyłącznie na pojedynczym wskaźniku efektywności przy pełnym obciążeniu.

Porównanie wydajności silnika elektrycznego

Dobór silników do urządzeń przemysłowych

Wybór silników do urządzeń przemysłowych zazwyczaj rozpoczyna się od zdefiniowania profilu momentu obrotowego i prędkości obciążenia w całym zakresie roboczym, a następnie oceny, która technologia silnika najlepiej spełnia te wymagania, biorąc pod uwagę wydajność, złożoność sterowania i ograniczenia budżetowe. Zastosowania ze stałymi, przewidywalnymi obciążeniami i niewymagającymi precyzyjnej kontroli prędkości często dobrze radzą sobie ze standardowymi silnikami indukcyjnymi, podczas gdy zastosowania wymagające precyzyjnej regulacji prędkości, wysokiej wydajności lub dynamicznej kontroli momentu obrotowego coraz częściej preferują konstrukcje synchroniczne (szczególnie PMSM) w połączeniu ze sterowaniem VFD.

Czynniki, które należy wziąć pod uwagę przy wyborze silnika elektrycznego

• Wymagany moment obrotowy i prędkość w całym zakresie roboczym, włączając warunki początkowe i szczytowe
• Wymagania dotyczące wydajności, zarówno przy pełnym obciążeniu, jak i w typowych warunkach pracy przy częściowym obciążeniu
• Potrzeby kontroli prędkości — stała prędkość, zmienna prędkość lub precyzyjna kontrola położenia/ruchu
• Wymagania rozruchowe i dostępna elektronika sterująca (bezpośrednio, VFD lub inna metoda rozruchu)
• Całkowity koszt posiadania, równoważenie początkowych kosztów silnika i sterowania z oczekiwanymi oszczędnościami energii i wymaganiami konserwacyjnymi w całym okresie użytkowania sprzętu