Synchronní motory vysvětleny: Princip činnosti, typy a použití

Synchronní elektromotory: Přehled

Synchronní elektromotory jsou motory na střídavý proud, ve kterých se rotor otáčí přesně stejnou rychlostí jako rotující magnetické pole vytvářené statorem – tedy „synchronní“ – spíše než za ním mírně zaostávat, jak se to děje u běžnější konstrukce indukčního (asynchronního) motoru. Tohoto přesného přizpůsobení rychlosti je dosaženo díky magnetizaci samotného rotoru buď prostřednictvím permanentních magnetů, vinutí externě buzeného pole nebo jinou metodou magnetizace, která způsobí, že se zablokuje a otáčí se v přesné synchronizaci s rotujícím magnetickým polem statoru.

Protože rychlost rotoru je přímo svázána s frekvencí napájení střídavým proudem a počtem pólů motoru, synchronní motory poskytují vysoce přesné a stabilní řízení rychlosti, které se nehýbe se změnami zátěže jako rychlost indukčního motoru – vlastnost, která řídí jejich použití v aplikacích, kde na přesné, konzistentní rychlosti záleží stejně jako na dodání surového výkonu.

Princip činnosti synchronního motoru

Vinutí statoru, napájené střídavým napájením, generuje rotující magnetické pole, které se pohybuje kolem motoru rychlostí určenou napájecí frekvencí a počtem pólů statoru. Vlastní magnetické pole rotoru se zablokuje na toto rotující pole statoru je v podstatě „tažena“ magnetickou přitažlivostí, takže rotor se otáčí přesně stejnou rotační rychlostí jako samotné pole statoru – tato rychlost se nazývá synchronní rychlost a zůstává konstantní bez ohledu na zatížení, za předpokladu, že motor zůstává v rámci své schopnosti udržet tento zámek.

Protože rotor vyžaduje vlastní magnetické pole, aby se zablokovalo na točivém poli statoru, synchronní motory (jiné než konstrukce s permanentními magnety s vlastním spouštěním) obvykle potřebují metodu externího spouštění, protože stacionární magnetizovaný rotor přirozeně nevyvíjí startovací moment proti točivému poli, jako to dělá rotor indukčního motoru s indukovaným proudem.

Typy synchronních motorů

Synchronní motor s permanentním magnetem (PMSM)

Konstrukce PMSM vkládá nebo povrchově montuje vysokopevnostní permanentní magnety (běžně magnety ze vzácných zemin, jako je neodym) přímo na rotor, čímž eliminuje potřebu vinutí rotoru, sběracích kroužků nebo externího zdroje buzení, které vyžadují synchronní motory s vinutým rotorem. Tato konstrukce výrazně zlepšuje účinnost , protože nedochází k žádným odporovým ztrátám ve vinutí rotoru a není potřeba budicí energie a zároveň se snižují požadavky na údržbu odstraněním sběracího kroužku a sestavy kartáčů, na kterých závisí konstrukce vinutého rotoru.

PMSM se staly dominantním typem synchronního motoru ve vysoce účinných aplikacích průmyslových a elektrických vozidel, konkrétně kvůli této výhodě účinnosti a spolehlivosti, i když cena a v některých případech dostupnost materiálu pro magnety vzácných zemin zůstává praktickým hlediskem při návrhu PMSM a získávání zdrojů.

Základy AC synchronního motoru

Všechny synchronní motory jsou z definice střídavým motorem, protože synchronizační mechanismus závisí specificky na blokování rychlosti rotoru vůči točivému poli vytvářenému střídavým napájením. Synchronní otáčky se vypočítávají přímo z frekvence střídavého napájení a počtu pólů motoru — motor připojený ke zdroji střídavého proudu s pevnou frekvencí běží pevnou rychlostí určenou výhradně tímto vztahem, což je základem pro použití synchronních motorů v aplikacích s konstantní rychlostí a proč aplikace synchronních motorů s proměnnou rychlostí vyžadují měnič s proměnnou frekvencí ke změně frekvence napájení, kterou motor vidí.

Aplikace synchronních motorů

• Zařízení pro průmyslové procesy vyžadující přesné, konstantní otáčky bez ohledu na kolísání zatížení – kompresory, velká čerpadla a pohony procesních linek
• Korekce účiníku v průmyslových elektrických systémech, využívajících přebuzené synchronní motory (synchronní kondenzátory) k dodávání jalového výkonu
• elektrická vozidla a hybridní pohony, kde konstrukce PMSM poskytuje vysokou účinnost a přesné řízení točivého momentu
• Robotika a přesné řízení pohybu, kde záleží na přesné, předvídatelné rychlosti a poloze
• Hodiny, časovače a vybavení historicky spoléhat na pevný vztah synchronních motorů mezi napájecí frekvencí a rychlostí otáčení
• Velké aplikace pro výrobu energie, kde synchronní stroje slouží i jako generátory vázané na síťovou frekvenci

Synchronní motory pro průmyslové aplikace

Průmyslová zařízení upřednostňují synchronní motory speciálně v aplikacích, kde stabilita otáček nezávislá na zatížení přímo ovlivňuje kvalitu produktu nebo konzistenci procesu – pohon papírny nebo velký kompresor běžící přesně pevnou rychlostí zabraňují jemnému kolísání otáček při zatížení, které by vykazoval indukční motor, což může mít velký význam pro procesy citlivé na přesné řízení rychlosti. Velké synchronní motory se také často používají speciálně pro jejich schopnost korekce účiníku , protože přebuzený synchronní motor může dodávat vedoucí jalový výkon do elektrického systému, čímž se kompenzuje zpožděný účiník, který často vytvářejí velké zátěže indukčních motorů jinde v zařízení – poskytuje dvojí výhodu pohonu mechanické zátěže a zároveň zlepšuje celkový účiník zařízení.

Vysoce účinné elektromotory a energeticky účinná motorová technologie

Synchronní motory, zejména konstrukce PMSM, stojí v popředí technologie vysoce účinných motorů, protože eliminují odporové ztráty rotoru (ztráty skluzem) vlastní provozu indukčního motoru – proud rotoru indukčního motoru je indukován rozdílem mezi rychlostí pole statoru a rychlostí rotoru, a že indukovaný proud ze své podstaty zcela nezávisle generuje odporové tepelné ztráty, kterým se synchronní motory vyhýbají. Tato výhoda účinnosti se spojuje při částečném zatížení , kde konstrukce PMSM často udržují vyšší účinnost než indukční motory, jejichž účinnost obvykle výrazněji klesá, když běží pod plnou jmenovitou zátěž.

Regulační normy účinnosti v mnoha regionech urychlily přijetí technologie synchronních motorů v aplikacích, kterým dříve dominovaly indukční motory, protože splnění stále přísnějších požadavků na účinnost je často jednodušší s konstrukcí PMSM než s postupnými vylepšeními samotné konstrukce indukčních motorů.

Aplikace motoru s konstantní rychlostí

Provoz při konstantních otáčkách je jednou z nejvíce definujících praktických charakteristik synchronních motorů – protože se otáčky rotoru zablokují přímo na napájecí frekvenci, spíše než aby driftovaly se zátěží, jako prokluzuje indukční motor, synchronní motory poskytují skutečně konstantní otáčky v celém rozsahu zatížení až do bodu vytažení. Díky tomu jsou přirozenou volbou pro aplikace, kde konzistence rychlosti přímo ovlivňuje kvalitu výstupu , jako je zpracování textilu, tiskařské lisy a určité aplikace vřeten obráběcích strojů, kde i malé změny rychlosti při měnícím se zatížení by mohly způsobit nekonzistenci konečného produktu.

Výhody synchronního motoru

• Přesná regulace otáček nezávislá na zatížení: otáčky zůstávají fixní na napájecí frekvenci bez ohledu na zatížení až do limitu vytahovacího momentu
• Vysoká účinnost, zejména u konstrukcí PMSM: zabraňuje ztrátám odporu rotoru, které jsou vlastní indukčním motorům
• Korekce účiníku capability: přebuzené synchronní motory mohou dodávat jalový výkon do elektrického systému
• Silný výkon při částečném zatížení: Konstrukce PMSM často udržují účinnost lepší než indukční motory za podmínek sníženého zatížení
• Snížená údržba v provedeních PMSM: žádné vinutí rotoru, sběrací kroužky nebo kartáče, které by se opotřebovávaly nebo opravovaly

Tyto výhody přicházejí s kompromisy, které stojí za zvážení požadavků aplikace – synchronní motory (jiné než typy s automatickým spouštěním) obecně vyžadují složitější spouštěcí uspořádání nebo řízení pohonu s proměnnou frekvencí než jednoduchý indukční motor a konstrukce PMSM nesou vyšší počáteční náklady na materiál kvůli obsahu permanentního magnetu, což znamená, že výhody v oblasti účinnosti a přesnosti musí ospravedlnit dodatečné investice pro danou konkrétní aplikaci.