Synchronní stroje

Elektromotor je hlavní součástí elektrického pohonu různých strojírenských zařízení, ovládacích částí obráběcích strojů, domácích spotřebičů, hořáků kotlů na plyn a kapalná paliva. Motor je součástí servopohonů, může pracovat v režimu elektrického generátoru, je součástí automatizačních systémů a funguje jako akční člen. Pro každý úkol se používá specifický typ motoru, který se liší konstrukcí, interakcí magnetických polí rotoru a statoru a napájením ze sítě.

V tomto článku si popíšeme, co jsou synchronní a asynchronní elektromotory a jak fungují.

Co jsou synchronní a asynchronní motory

Elektromotory jsou obecně elektromechanické měniče energie, které fungují na principu elektromagnetické indukce. Obsahují dvě klíčové komponenty – stator a rotor. První je statický, druhý se otáčí nepřetržitě. V tomto případě jsou zařízení umístěna se vzduchovou mezerou. Synchronní a asynchronní motory jsou bezkartáčové střídavé stroje. V závislosti na řešení mohou být napájeny jednofázovou nebo třífázovou sítí a navíc obsahují kondenzátor, který zjednodušuje spouštění elektromotoru a chrání ho před přepětím.

Asynchronní motory se dělí na modely s rotorem nakrátko (SC) a fázovým rotorem. První jmenované se staly nejrozšířenějšími díky své výjimečné spolehlivosti, nízkým nákladům a nenáročné údržbě. Právě tento typ motoru nabízí italský výrobce Simel pro hořáky na plyn a kapalná paliva. Včetně jednofázových a třífázových modelů, stejně jako těch, které jsou vybaveny kondenzátorem různých kapacit. Každá verze zařízení je navržena pro specifické technické požadavky a provozní podmínky.

Příkladem jednofázového řešení s rotorem veverkovitého typu je asynchronní elektromotor Simel ZD 51/2196-32 o výkonu 250 W s kapacitou kondenzátoru 8 μF. Jedná se o kompaktní, snadno instalovatelný, energeticky úsporný motor s optimální účinností a spolehlivou ochranou proti zkratovým proudům.

Moderní třífázovou verzí pro hořáky na kapalná paliva je model Simel 18/6-54 o výkonu 1.5 kW. Jedná se o nejnovější asynchronní elektromotor s rotorem nakrátko, robustní skříní a nuceným chlazením díky vestavěnému ventilátoru. Je určen pro spolehlivý pohon palivových čerpadel.

Verze s fázovým rotorem se používají, když je nutné snížit rozběhový proud a upravit frekvenci otáčení asynchronního motoru. Motory tohoto typu se vyznačují větší hmotností, rozměry a cenou ve srovnání s elektromotory se zkratovým rotorem.

Princip činnosti synchronních elektromotorů

Provoz synchronního motoru zahrnuje neustálý kontakt mezi magnetickými poli statoru a rotoru. Při napájení se ve statoru vytvoří rotující magnetické pole, které se začne dotýkat pole rotoru. K tomu dochází, když je budicí proud přiváděn přes speciální kontaktní kroužky. U motorů s permanentními magnety se pole vytváří bez vnějšího napájení. V důsledku obousměrné interakce vzniká elektromagnetický moment, který způsobuje, že se rotor otáčí synchronně se statorovým polem, tj. stejnou rychlostí. To je klíčový rys provozu motorů tohoto typu.

Princip činnosti synchronních motorů umožňuje dosáhnout stabilní frekvence otáčení. Tato vlastnost umožňuje jejich použití v zařízeních, jako jsou pohony kompresorů, čerpadla a generátory v elektrárnách. Synchronní motory však mají jednu nevýhodu – obtížné spouštění. Faktem je, že elektrické stroje tohoto typu nejsou schopny samostatného spouštění pod zatížením. Pro jejich spuštění je nutné nejprve zrychlit rotor na synchronní otáčky, což vyžaduje další spouštěcí zařízení. Existuje několik řešení pro spouštění motorů:

• asynchronní start s tlumičem vinutí
• frekvenční start s plynulým zvyšováním frekvence
• startování z pomocného motoru

To vše komplikuje konstrukci motoru, a proto je méně spolehlivý a dražší ve srovnání s asynchronními řešeními. Zároveň jsou méně citlivé na kolísání síťového napětí, mají vysokou účinnost, účiník a přetížitelnost. Synchronní elektromotory navíc pracují se stejnou rychlostí bez ohledu na zatížení hřídele (v rozsahu svých charakteristik).

Princip činnosti asynchronních elektromotorů

Princip činnosti asynchronního motoru je založen na jevu elektromagnetické indukce. Když proud prochází vinutími statoru, vzniká magnetické pole s vlastními parametry frekvence otáčení. Výsledné pole je spřaženo s uzavřeným vinutím rotoru a indukuje elektromotorickou sílu (EMF), což má za následek proudy. Ty, když se dostanou do kontaktu s magnetickým polem statoru, vytvářejí sílu a elektromagnetický moment, které nutí rotor k otáčení. To je princip přeměny elektrické energie na mechanickou práci.

Zvláštností provozu všech asynchronních motorů je nesoulad mezi rychlostí rotoru a magnetickým polem statoru. Desynchronizace rychlosti je nezbytnou podmínkou pro vznik indukce. Bez ní by indukce elektromotorického pole nebyla možná. Rotor se proto vždy mírně zpožďuje, což vytváří jev skluzu – rozdíl v rychlostech, který umožňuje motoru udržovat točivý moment.

Přeměna elektrické energie na mechanickou probíhá vždy se ztrátami. Účinnost je v průměru na úrovni 90–96 %. Zároveň účiník závisí na zátěži (0,7–0,9 v nominální hodnotě).

Jednou z hlavních nevýhod asynchronních motorů je vysoký rozběhový proud, který je 5-7krát vyšší než jmenovitý. Proto se přijímají různá opatření k jeho snížení. Například se přepíná z obvodu „hvězda“ na „trojúhelník“, instalují se autotransformátorové rozběhy nebo frekvenční měniče.

Asynchronní motory jsou obecně jednoduché konstrukce, vysoce spolehlivé a nevyžadují složité řídicí systémy. Kromě toho motory slouží dlouho, nevyžadují častou údržbu a jsou univerzálně použitelné. Kombinace pozitivních vlastností umožňuje jejich použití v průmyslu, domácích spotřebičích a dopravě.

Pokud je v rotujícím magnetickém poli magnet umístěn na hřídeli rotoru tak, že osa spojující jeho póly směřuje podél vektoru indukce magnetického pole, pak rotující magnetické pole uvede magnet do rotace spolu s hřídelí rotoru, která se otáčí synchronně s magnetické pole. K tomu je však nutné roztočit rotor na otáčky pole (podmínka synchronismu). Na rotor působí točivý moment a proudová energie se přeměňuje na mechanickou energii elektromotoru, který se nazývá synchronní motor.

Synchronní stroje se používají jako zdroje elektrické energie (generátory), elektromotory a synchronní kompenzátory.

Synchronní generátory vodních elektráren se otáčí pomocí hydraulických turbín a nazývají se hydrogenerátory. Kromě elektráren se synchronní generátory používají v instalacích, které vyžadují autonomní zdroj energie.

Synchronní střídavé motory se používají s mechanismy středního a vysokého výkonu pro vzácné starty, které vyžadují konstantní rychlost otáčení. Mezi takové mechanismy patří kompresory, ventilátory, čerpadla atd.

Synchronní kompenzátor je určen ke zlepšení účiníku elektrických instalací (kompenzace indukčního jalového výkonu).

Дополнительно по теме

Ekvivalentní obvod synchronního motoru a vektorové schéma

Konstrukčně se synchronní stroj skládá ze statoru a rotoru. Stator je obdobou statoru asynchronního stroje a rotor je permanentní magnet, jehož pole je vytvářeno budicím vinutím, kterým prochází stejnosměrný proud. Budící vinutí je napájeno přes kluzný kontakt mezi sběracími kroužky a pevnými kartáči. Zvláštností synchronního stroje je schopnost pracovat v režimu motoru i generátoru.

Frekvence emf střídavého proudu u synchronního stroje závisí na rychlosti rotoru a počtu pólových párů, f1 = рn/60. Efektivní hodnota EMF indukovaného ve vodičích

Interakce rotujícího pole statoru a pole permanentního magnetu rotoru způsobuje vznik točivého momentu, v jehož důsledku se rotor otáčí ve stejném směru jako pole statoru (n1=n). Skluz synchronního stroje je nulový.

Na obrázku je Xc synchronní indukční reaktance; q – úhel zatížení

V souladu s diagramem rovnice vypadá takto:

Charakteristika závislosti točivého momentu motoru na úhlu zatížení má tvar sinusoidy a vyjadřuje činnost jak režimu motoru, tak generátoru.

Aby se získala rezerva stability, jmenovitý krouticí moment synchronního motoru je 0,5 Mn, což odpovídá úhlu q = 30°.

Důležitou výhodou synchronního motoru je možnost regulovat jalový výkon odebíraný ze sítě změnou budícího proudu. Uvažujme závislost proudu statoru motoru na budícím proudu.

Při přebuzení má Idv kapacitní charakter a při podbuzení je induktivní. Synchronní motor tedy může být použit jako kompenzační zařízení pro regulaci jalového výkonu.

Charakteristiky mají mez stability, podél níž pokles budícího proudu povede k zastavení motoru nebo „vypadnutí ze synchronizace“. Mez stability odpovídá módu Mdv = Mgen.

Nevýhodou synchronního motoru je nutnost rozběhu budiče, protože pokud je rychlost synchronního otáčení pole statoru rovna rychlosti otáčení pole rotoru, nedochází k rozběhovému momentu. Nejběžnější je asynchronní spouštění. V tomto případě je na pólech motoru umístěno vinutí nakrátko. Při startování je stator připojen k síti. Výsledné magnetické pole indukuje EMF a proudy v tomto vinutí, což má za následek vytvoření elektromagnetického momentu, jako u asynchronního motoru. V tomto případě je budicí vinutí odpojeno od zdroje stejnosměrného proudu, ale je uzavřeno na činný odpor, aby se při rozběhu snížilo napětí na jeho svorkách. Když motor dosáhne rychlosti otáčení blízké synchronní, přepne se budicí vinutí na zdroj stejnosměrného proudu. V tomto případě se říká, že motor je „vtažen do synchronizace“.

Generátorový režim synchronního stroje

Protože výrazy pro elektromagnetický výkon a točivý moment v synchronním stroji jsou podobné v motorovém i generátorovém režimu, stačí uvažovat generátorový režim synchronního stroje.

Když synchronní stroj pracuje jako generátor, je možné změnou budícího proudu regulovat magnetický tok Fo a jeho proporcionální Eo.

Závislost E®=f(Iв) se nazývá charakteristika volnoběžných otáček generátoru.

Zbytkové EMF synchronního generátoru je 5-10 V.

Proudy ve vodičích budou ve fázi s EMF pouze při aktivní zátěži,

Při zapnutí statoru bude vinutím protékat zatěžovacím odporem proud, který vytvoří pole rotující vzhledem ke statoru a stacionární vzhledem k budicímu poli toku Fo hlavního rotoru. Proudy ve vodičích budou ve fázi s EMF pouze při aktivní zátěži s indukční zátěží, proud zaostává o 90° a při kapacitní zátěži vede o 90°. Zvýšení napětí s kapacitní zátěží je spojeno s předpětím reakce kotvy (statoru) a snížení s indukční zátěží je spojeno s demagnetizací.

Zjednodušená rovnice elektrického stavu jedné fáze synchronního generátoru bez zohlednění rozptylového pole kotvy má tvar:

kde Eo je EMF bez zatížení.

Tento výraz odpovídá ekvivalentnímu obvodu (obr. a) a vektorovému diagramu (obr. b). Z diagramu vyplývá, že Eo odpovídá magnetickému toku rotoru Фo a napětí U odpovídá výslednému magnetickému toku Ф. Z toho vyplývá, že v režimu generátoru Фo vede Ф o úhel q.

Hlavním provozním režimem generátoru je zátěž. Když zanedbáme ztráty v odporu vinutí kotvy, získáme z vektorového diagramu útulnou hodnotu mezi napětím a Eo:

Vezmeme-li v úvahu tento výraz, získáme závislost pro určení elektromagnetického výkonu:

Točivý moment se rovná poměru výkonu k rychlosti otáčení:

Výraz v závorkách odpovídá maximálnímu momentu Mmax, a.

Závislosti elektromagnetického výkonu a točivého momentu synchronního stroje při různých budicích proudech jsou znázorněny na obrázku.

U synchronního generátoru s činně-jalovou zátěží je při stanovení elektromagnetického momentu nutné počítat s fázovým posunem proudu vůči magnetickému toku nebo napětí. Pak výraz pro tuto chvíli

K distribuční síti je paralelně připojen synchronní generátor jako zdroj elektrické energie střídavého proudu. Když generátor pracuje paralelně s vysoce výkonným systémem, jeho frekvence a napětí, stejně jako úhlová rychlost, musí zůstat nezměněny při jakýchkoli změnách jak v zátěži, tak v budicím proudu a točivém momentu hnacího motoru. Činný výkon dodávaný generátorem do sítě lze regulovat pouze změnou točivého momentu hnacího motoru a jalový výkon změnou budícího proudu.