Silniki elektryczne są urządzeniami elektromechanicznymi, które przekształcają energię elektryczną w energię mechaniczną. W oparciu o typ wejścia sklasyfikowaliśmy je na silniki jednofazowe i trójfazowe.
Najczęstszym typem silników trójfazowych są silniki synchroniczne i indukcyjne. Gdy trójfazowe przewodniki elektryczne zostaną umieszczone w określonych pozycjach geometrycznych (tzn. pod pewnym kątem względem siebie) – wytwarza się pole elektryczne. Wirujące pole magnetyczne obraca się z pewną prędkością zwaną prędkością synchroniczną.
Jeśli elektromagnes znajduje się w tym wirującym polu magnetycznym, elektromagnes jest magnetycznie zablokowany z tym wirującym polem magnetycznym i obraca się z tą samą prędkością pola wirującego.
To stąd pochodzi termin silnik synchroniczny, ponieważ prędkość wirnika silnika jest taka sama jak obracającego się pola magnetycznego.
Jest to silnik o stałej prędkości, ponieważ ma tylko jedną prędkość, która jest prędkością synchroniczną. Prędkość ta jest zsynchronizowana z częstotliwością zasilania. Prędkość synchroniczna jest dana przez:
Gdzie:
- N= Prędkość synchroniczna (w RPM – tj. Rotations Per Minute)
- f = Częstotliwość zasilania (w Hz)
- p = Liczba biegunów
Konstrukcja silnika synchronicznego
Zwykle jego konstrukcja jest prawie podobna do konstrukcji silnika indukcyjnego trójfazowego, z wyjątkiem faktu, że tutaj dostarczamy prąd stały do wirnika, czego przyczynę wyjaśnimy później. Prześledźmy teraz najpierw podstawową budowę tego typu silnika. Z powyższego rysunku jasno wynika, jak skonstruowana jest tego typu maszyna. Stosujemy zasilanie trójfazowe do stojana i zasilanie prądem stałym do wirnika.
Główne cechy silników synchronicznych
- Silniki synchroniczne z natury nie są samorozruchowe. Wymagają one pewnych zewnętrznych środków, aby zbliżyć ich prędkość do prędkości synchronicznej, zanim zostaną zsynchronizowane.
- Prędkość działania jest zsynchronizowana z częstotliwością zasilania, a zatem dla stałej częstotliwości zasilania zachowują się jak silnik o stałej prędkości niezależnie od stanu obciążenia
- Silnik ten posiada unikalną charakterystykę pracy przy dowolnym współczynniku mocy elektrycznej. To sprawia, że jest on wykorzystywany do poprawy współczynnika mocy elektrycznej.
Zasada działania silnika synchronicznego
Silniki synchroniczne są maszynami podwójnie wzbudzanymi, tzn. dostarczane są do nich dwa wejścia elektryczne. Jego uzwojenie stojana, które składa się z trójfazowego zasilania trójfazowego uzwojenia stojana i prądu stałego do uzwojenia wirnika.
Trójfazowe uzwojenie stojana przewodzące prąd trójfazowy wytwarza trójfazowy wirujący strumień magnetyczny. Wirnik przewodzący prąd stały również wytwarza stały strumień. Biorąc pod uwagę częstotliwość zasilania 50 Hz, z powyższej zależności wynika, że 3-fazowy wirujący strumień magnetyczny obraca się o około 3000 obrotów w ciągu 1 minuty lub 50 obrotów w ciągu 1 sekundy.
W danej chwili bieguny wirnika i stojana mogą mieć tę samą polaryzację (N-N lub S-S) powodując powstanie siły odpychającej na wirniku, a w następnej chwili będzie to N-S powodując powstanie siły przyciągającej. Jednak z powodu bezwładności wirnika, nie jest on w stanie obracać się w żadnym kierunku z powodu tych sił przyciągających lub odpychających, a wirnik pozostaje w stanie zatrzymania. Stąd silnik synchroniczny nie jest samorozruchowy.
Tutaj używamy pewnych środków mechanicznych, które początkowo obracają wirnik w tym samym kierunku co pole magnetyczne do prędkości bardzo zbliżonej do prędkości synchronicznej. Po osiągnięciu prędkości synchronicznej następuje blokada magnetyczna, a silnik synchroniczny obraca się nawet po usunięciu zewnętrznych środków mechanicznych.
Ale z powodu bezwładności wirnika, nie jest on w stanie obracać się w żadnym kierunku z powodu sił przyciągających lub odpychających, a wirnik pozostaje w stanie spoczynku. Hence a synchronous motor is not self-starting.
Here we use some mechanical means which initially rotates the rotor in the same direction as the magnetic field to speed very close to synchronous speed. Po osiągnięciu prędkości synchronicznej następuje blokada magnetyczna, a silnik synchroniczny kontynuuje obrót nawet po usunięciu zewnętrznych środków mechanicznych.
Metody rozruchu silnika synchronicznego
- Rozruch silnika z zewnętrznym prime moverem: Silniki synchroniczne są mechanicznie sprzężone z innym silnikiem. Może to być zarówno silnik indukcyjny trójfazowy jak i silnik bocznikowy prądu stałego. W tym przypadku nie stosujemy początkowo wzbudzenia prądem stałym. Obraca się on z prędkością bardzo zbliżoną do prędkości synchronicznej, a następnie podajemy wzbudzenie stałe. Po pewnym czasie, gdy następuje zablokowanie magnetyczne, zasilanie silnika zewnętrznego zostaje odcięte.
- Uzwojenie tłumika W tym przypadku, gdy silnik synchroniczny jest silnikiem o biegunach obojętnych, dodatkowe uzwojenie jest umieszczone na czole biegunów wirnika. Początkowo, gdy wirnik nie obraca się, prędkość względna pomiędzy uzwojeniem tłumika a strumieniem wirującym szczeliny powietrznej jest duża i indukuje się w nim prąd elektryczny, który wytwarza wymagany moment rozruchowy. W miarę zbliżania się prędkości do prędkości synchronicznej, emf i moment obrotowy zmniejszają się i w końcu, gdy następuje zablokowanie magnetyczne, moment obrotowy również zmniejsza się do zera. Stąd w tym przypadku silnik synchroniczny pracuje najpierw jako trójfazowy silnik indukcyjny z dodatkowym uzwojeniem, a następnie jest synchronizowany z częstotliwością.
Zastosowanie silników synchronicznych
- Silnik synchroniczny bez obciążenia podłączonego do wału jest wykorzystywany do poprawy współczynnika mocy. Ze względu na swoje właściwości zachowywania się przy dowolnym współczynniku mocy elektrycznej, jest on stosowany w systemie energetycznym w sytuacjach, w których kondensatory statyczne są drogie.
- Silnik synchroniczny znajduje zastosowanie tam, gdzie prędkość robocza jest mniejsza (około 500 obr./min.) i wymagana jest duża moc. W przypadku zapotrzebowania na moc od 35 kW do 2500 KW, rozmiar, waga i koszt odpowiedniego trójfazowego silnika indukcyjnego jest bardzo wysoki. Dlatego te silniki są preferowane. Przykłady: pompa tłokowa, sprężarka, walcarki itp.
.