Wyjaśnienie silników synchronicznych: zasada działania, typy i zastosowania

Synchroniczne silniki elektryczne: przegląd

Synchroniczne silniki elektryczne to silniki prądu przemiennego, w których wirnik obraca się dokładnie z tą samą prędkością, co wirujące pole magnetyczne wytwarzane przez stojan – a zatem „synchroniczne” – a nie nieco opóźnione w stosunku do niego, jak to ma miejsce w bardziej powszechnej konstrukcji silnika indukcyjnego (asynchronicznego). To precyzyjne dopasowanie prędkości osiąga się dzięki namagnesowaniu samego wirnika , albo za pomocą magnesów trwałych, uzwojenia pola wzbudzonego zewnętrznie, albo innej metody namagnesowania, powodując jego zablokowanie i obrót w dokładnej synchronizacji z wirującym polem magnetycznym stojana.

Ponieważ prędkość wirnika jest bezpośrednio powiązana z częstotliwością zasilania prądem przemiennym i liczbą biegunów silnika, silniki synchroniczne zapewniają bardzo precyzyjną, stabilną kontrolę prędkości, która nie zmienia się wraz ze zmianami obciążenia, tak jak ma to miejsce w przypadku prędkości silnika indukcyjnego — właściwość, która decyduje o ich zastosowaniu w zastosowaniach, w których dokładna, stała prędkość ma tak samo duże znaczenie jak dostarczanie czystej mocy.

Zasada działania silnika synchronicznego

Uzwojenia stojana, zasilane prądem zmiennym, wytwarzają wirujące pole magnetyczne, które omiata silnik z prędkością określoną przez częstotliwość zasilania i liczbę biegunów stojana. Własne pole magnetyczne wirnika blokuje się na wirującym polu stojana , zasadniczo „ciągnięty” przez przyciąganie magnetyczne, tak że wirnik obraca się z dokładnie tą samą prędkością obrotową, co samo pole stojana — prędkość ta nazywana jest prędkością synchroniczną i pozostaje stała niezależnie od obciążenia, pod warunkiem, że silnik pozostaje w granicach swoich możliwości utrzymania tej blokady.

Ponieważ wirnik wymaga własnego pola magnetycznego, aby zablokować pole wirujące stojana, silniki synchroniczne (inne niż konstrukcje z samoczynnym rozruchem z magnesami trwałymi) zazwyczaj wymagają zewnętrznej metody rozruchu, ponieważ stacjonarny namagnesowany wirnik nie wytwarza w sposób naturalny momentu rozruchowego względem pola wirującego, tak jak robi to wirnik prądu indukowanego w silniku indukcyjnym.

Rodzaje silników synchronicznych

Silnik synchroniczny z magnesami trwałymi (PMSM)

Konstrukcja PMSM osadza lub montuje powierzchniowo magnesy trwałe o wysokiej wytrzymałości (zwykle magnesy ziem rzadkich, takie jak neodym) bezpośrednio na wirniku, eliminując potrzebę stosowania uzwojeń wirnika, pierścieni ślizgowych lub zewnętrznego zasilania wzbudzenia, którego wymagają silniki synchroniczne z uzwojonym wirnikiem. Taka konstrukcja znacznie poprawia wydajność , ponieważ nie ma strat rezystancyjnych w uzwojeniach wirnika i nie ma potrzeby stosowania mocy wzbudzenia, a jednocześnie zmniejszają się wymagania konserwacyjne poprzez usunięcie pierścienia ślizgowego i zespołu szczotek, na których opierają się konstrukcje uzwojonego wirnika.

PMSM stały się dominującym typem silników synchronicznych w wysokowydajnych pojazdach przemysłowych i elektrycznych, szczególnie ze względu na przewagę w zakresie wydajności i niezawodności, chociaż koszt i, w niektórych przypadkach, dostępność dostaw magnesów ziem rzadkich pozostają praktycznym czynnikiem branym pod uwagę przy projektowaniu i pozyskiwaniu PMSM.

Podstawy silników synchronicznych prądu przemiennego

Wszystkie silniki synchroniczne są z definicji silnikami prądu przemiennego, ponieważ mechanizm synchronizacji zależy w szczególności od blokowania prędkości wirnika w stosunku do pola wirującego wytwarzanego przez źródło prądu przemiennego. Prędkość synchroniczną oblicza się bezpośrednio z częstotliwości zasilania AC i liczby biegunów silnika — silnik podłączony do zasilania prądem przemiennym o stałej częstotliwości pracuje ze stałą prędkością określoną całkowicie przez tę zależność, co stanowi podstawę stosowania silników synchronicznych w zastosowaniach o stałej prędkości, oraz dlaczego zastosowania silników synchronicznych o zmiennej prędkości wymagają przetwornicy o zmiennej częstotliwości, aby zmienić częstotliwość zasilania obserwowaną przez silnik.

Zastosowania silników synchronicznych

• Sprzęt do procesów przemysłowych wymagające precyzyjnej, stałej prędkości niezależnie od zmian obciążenia — sprężarki, duże pompy i napędy linii technologicznych
• Korekta współczynnika mocy w przemysłowych układach elektrycznych, z wykorzystaniem przewzbudzonych silników synchronicznych (kondensatorów synchronicznych) do zasilania mocy biernej
• Pojazdy elektryczne i hybrydowe układy napędowe, gdzie konstrukcje PMSM zapewniają wysoką wydajność i precyzyjną kontrolę momentu obrotowego
• Robotyka i precyzyjne sterowanie ruchem, gdzie liczy się dokładna, przewidywalna prędkość i reakcja na pozycję
• Zegary, timery i oprzyrządowanie historycznie opierało się na stałej zależności silników synchronicznych między częstotliwością zasilania a prędkością obrotową
• Duże zastosowania związane z wytwarzaniem energii, gdzie maszyny synchroniczne służą również jako generatory powiązane z częstotliwością sieci

Silniki synchroniczne do zastosowań przemysłowych

Obiekty przemysłowe preferują silniki synchroniczne szczególnie w zastosowaniach, w których niezależna od obciążenia stabilność prędkości bezpośrednio wpływa na jakość produktu lub spójność procesu — napęd papierni lub duża sprężarka pracująca z dokładnie stałą prędkością pozwala uniknąć subtelnych zmian prędkości pod obciążeniem, jakie wykazywałby silnik indukcyjny, co może mieć istotne znaczenie w przypadku procesów wrażliwych na dokładną kontrolę prędkości. Duże silniki synchroniczne są również często używane, szczególnie ze względu na ich zdolność do korekcji współczynnika mocy , ponieważ nadmiernie wzbudzony silnik synchroniczny może dostarczać wiodącą moc bierną do układu elektrycznego, kompensując opóźniony współczynnik mocy, który często tworzą duże obciążenia silników indukcyjnych w innych miejscach obiektu — zapewniając podwójną korzyść w postaci napędzania obciążenia mechanicznego, a jednocześnie poprawiając ogólny współczynnik mocy obiektu.

Wysokowydajne silniki elektryczne i energooszczędna technologia silników

Silniki synchroniczne, w szczególności konstrukcje PMSM, znajdują się w czołówce technologii silników o wysokiej wydajności, ponieważ eliminują straty rezystancyjne wirnika (straty poślizgowe) nieodłącznie związane z pracą silnika indukcyjnego — prąd wirnika silnika indukcyjnego jest indukowany przez różnicę między prędkością pola stojana a prędkością wirnika, a ten indukowany prąd z natury generuje rezystancyjne straty ciepła, których całkowicie namagnesowany wirnik silnika synchronicznego całkowicie unika. Ta przewaga wydajności łączy się w warunkach częściowego obciążenia , gdzie konstrukcje PMSM często utrzymują wyższą sprawność niż silniki indukcyjne, których sprawność zwykle spada bardziej znacząco, gdy pracują poniżej pełnego obciążenia znamionowego.

Regulacyjne standardy wydajności w wielu regionach przyspieszyły przyjęcie technologii silników synchronicznych w zastosowaniach wcześniej zdominowanych przez silniki indukcyjne, ponieważ spełnienie coraz bardziej rygorystycznych wymagań w zakresie wydajności jest często prostsze w przypadku konstrukcji PMSM niż w przypadku stopniowych ulepszeń samej konstrukcji silnika indukcyjnego.

Zastosowania silników o stałej prędkości

Praca ze stałą prędkością jest jedną z najbardziej charakterystycznych praktycznych cech silników synchronicznych — ponieważ prędkość wirnika dopasowuje się bezpośrednio do częstotliwości zasilania, a nie dryfuje wraz z obciążeniem, jak ma to miejsce w przypadku poślizgu silnika indukcyjnego, silniki synchroniczne zapewniają naprawdę stałą prędkość w całym zakresie obciążenia aż do punktu wyciągnięcia. To sprawia, że są naturalnym wyborem do zastosowań, w których stała prędkość bezpośrednio wpływa na jakość wydruku , takich jak przetwórstwo tekstyliów, prasy drukarskie i niektóre zastosowania wrzecion obrabiarek, gdzie nawet niewielkie zmiany prędkości pod zmiennym obciążeniem mogą spowodować niespójność w gotowym produkcie.

Zalety silnika synchronicznego

• Precyzyjna, niezależna od obciążenia kontrola prędkości: prędkość pozostaje stała zgodnie z częstotliwością zasilania, niezależnie od obciążenia, aż do limitu momentu wyciągającego
• Wysoka wydajność, szczególnie w konstrukcjach PMSM: pozwala uniknąć strat rezystancyjnych wirnika charakterystycznych dla silników indukcyjnych
• Korekta współczynnika mocy capability: nadmiernie wzbudzone silniki synchroniczne mogą dostarczać moc bierną do układu elektrycznego
• Wysoka wydajność przy częściowym obciążeniu: Konstrukcje PMSM często utrzymują wydajność lepiej niż silniki indukcyjne w warunkach zmniejszonego obciążenia
• Mniejsza konserwacja w konstrukcjach PMSM: brak uzwojeń wirnika, pierścieni ślizgowych lub szczotek wymagających noszenia lub serwisowania

Zalety te wiążą się z kompromisami, które warto rozważyć w stosunku do wymagań aplikacji — silniki synchroniczne (inne niż typy samorozruchowe) zazwyczaj wymagają bardziej złożonych układów rozruchowych lub sterowania napędem o zmiennej częstotliwości niż prosty silnik indukcyjny, a konstrukcje PMSM wiążą się z wyższym początkowym kosztem materiałów ze względu na zawartość magnesu stałego, co oznacza, że korzyści w zakresie wydajności i precyzji muszą uzasadniać tę dodatkową inwestycję w konkretnym zastosowaniu.