Aplikace synchronních motorů, charakteristiky

Elektromotory s rotorem s permanentním magnetem jsou nejpravděpodobnějším modelem „stroje věčného pohybu“. Mnoho vědců na tomto tématu pracovalo a pracuje, ale dosud nevytvořili dokonalý design pro „stroj na věčný pohyb“. Synchronní motor je elektrický stroj pracující na střídavém proudu. Říká se jim tak, protože frekvence otáčení hřídele rotoru přesně odpovídá frekvenci magnetického pole, tzn. se otáčí synchronně, indukované statorem. Pokud je frekvence statorových proudů konstantní, pak se rotor otáčí přísně konstantní rychlostí. Elektromotory jsou podle principu činnosti synchronní a asynchronní a podle počtu fází napájecího napětí se dělí na jednofázové a třífázové. Jejich hlavní rozdíl, bez ohledu na fáze, spočívá v tom, že rychlost magnetomotorické síly statoru u synchronních motorů se rovná rychlosti otáčení rotoru, ale u asynchronních motorů se tyto rychlosti nekryjí pomaleji než magnetické pole statoru a ano nedosahuje tří tisíc otáček za minutu.

Charakteristické vlastnosti synchronního elektromotoru zahrnují:

– pracovat při vysokém účiníku – až do jednoty;

– vysoká účinnost ve srovnání s asynchronním zařízením stejného výkonu;

– stabilita rychlosti otáčení nezávisí na změnách velikosti mechanického zatížení hřídele;

– zachování zatížitelnosti i při napěťových rázech a asymetrii v napájecí síti;

– konstantní rychlost otáčení bez ohledu na mechanické zatížení hřídele;

Oblasti použití synchronních elektromotorů se v poslední době rozšířily. S příchodem frekvenčních měničů se synchronní motor začal používat jako pohon automatických systémů, vysokorychlostních pohonů obráběcích strojů, kovoobráběcích center, robotiky a ponorných čerpacích agregátů. Začaly se také používat bez ohledu na výkon v případech, kdy je vyžadována konstantní rychlost otáčení elektrického pohonu. V budoucnu by se využití synchronních motorů mělo stále více rozšiřovat, a to i u mechanismů s proměnnými otáčkami a rovnoměrným zatížením.

V energetice se nejvíce používají synchronní stroje, které mohou fungovat jako generátory i jako elektromotory. V současnosti zůstávají hlavními zdroji elektrické energie synchronní generátory v tepelných, jaderných a vodních elektrárnách. Podle typu pohonu se synchronní generátory dělí na turbogenerátory, hydrogenerátory a dieselgenerátory.

Zvláštnost synchronních elektromotorů činí atraktivním pro použití jako zdroje jalové energie, což umožňuje flexibilní nastavení účiníku a úrovně napětí v síti. Srovnávací výpočty použití synchronních motorů jako kompenzačních zařízení ukazují, že kromě nejnižších investičních nákladů při výstavbě mají synchronní motory ve srovnání s jinými typy kompenzačních zařízení, jako je statický kondenzátor, ekonomičtější výkonnostní ukazatele. Pro zlepšení „kosinus phi“ velkých elektrických instalací jsou proto v elektrických rozvodnách instalovány synchronní motory pracující v režimu bez zátěže s fázově vedoucím proudem. Říká se jim kompenzátory jalového výkonu.

Synchronní motory jsou nepostradatelné jako pohon v různých mechanismech v hornictví, hutnictví, kovodělném průmyslu a stavebnictví. Synchronní elektromotory jsou nejvýkonnější, dosahují několika desítek megawattů a jsou široce používány pro pohon výkonných vysokopecních dmychadel, uhelných a cementářských mlýnů, kompresorů, čerpacích a ventilačních jednotek, přesných zpracovatelských strojů, zdvihacích a dopravních strojů, dopravníků a válcoven. , ve vysoce výkonných gilotinových nůžkách, kde dochází k velkým rázovým zatížením rotoru elektromotoru.

Přísná stálost rychlosti otáčení určuje široké použití synchronních mikromotorů s výkonem od zlomků wattu až po stovky wattů. Mají zjednodušenou konstrukci a používají se k pohonu automatických záznamových a záznamových zařízení, magnetofonů, tiskařských strojů, v systémech pro záznam zvuku a obrazu a tak dále. Synchronní motor se často používá jako mikromotor při výrobě hodinek, fotoaparátů a přesných přístrojů.

Většina počítačového vybavení má vysokou produktivitu a je vybavena synchronními krokovými motory, bez ohledu na jejich malou velikost.

Použití synchronních motorů s nízkým výkonem může výrazně rozšířit oblast použití pro pohon hlubinných čerpacích jednotek v ropných polích, ropných a plynových rafineriích a čerpacích stanicích ropy a plynu hlavních ropovodů.

V současné době se v čerpacích zařízeních, a to jsou dobře, oběhová, posilovací, fekální a jiná čerpadla, stále častěji používají jako pohony synchronní elektromotory s permanentními magnety.

U ponorných synchronních elektromotorů s rotorem s permanentním magnetem je účinnost o 13 % vyšší než u asynchronních elektromotorů s rotorem nakrátko. Přitom synchronní elektromotory s permanentními magnety mají oproti jiným elektromotorům lepší ukazatele: výkon/objem, moment/setrvačnost a další.

Světové zkušenosti ukazují, že použití synchronního elektromotoru může zlepšit energetickou účinnost ponorných čerpadel a proces zásobování vodou v moderních vodovodních systémech. Evropský výrobce Franklin Electric má nyní vysoce účinné systémy ponorných motorů s permanentními magnety pro pohon čerpadel studní. Výzkum společnosti Franklin Electric ukazuje, že systém čerpadlo-motor se synchronním pohonem je až o 11 % účinnější než podobný systém s asynchronním pohonem. Tento systém získal nejvyšší energetickou třídu A v Evropě.

JSC „Plant Promburvod“ zase vypracovala projektovou dokumentaci, provedla testy provozní spolehlivosti a uvedla do výroby synchronní elektromotor s permanentními magnety. Tento motor s vrtným čerpadlem, řídicím systémem a dálkovým monitorováním jsou součástí vysoce účinného systému zásobování vodou.

Podrobnější informace o vysoce účinných systémech zásobování vodou, jeho účinnosti a použití naleznete ve vědecké a praktické příručce „Doporučení pro použití vysoce účinného čerpacího zařízení pro studny“ pod odkazem na materiály, které obsahují:

– instalace ponorných čerpadel pro studny;

– konstrukční vlastnosti synchronních motorů s permanentními magnety;

– srovnávací zkoušky použitých studňových čerpadel s asynchronními a synchronními elektromotory;

– studie proveditelnosti výměny použitých elektrických čerpacích jednotek s asynchronními pohony za vysoce účinné systémy zásobování vodou;

– výsledky testování vysoce účinných vodovodních systémů v podmínkách odběrů vody Běloruské republiky.

Synchronní stroje patří do třídy třífázových strojů na střídavý proud. Frekvence otáčení rotoru synchronního stroje se rovná frekvenci rotujícího magnetického pole, tj. S = 0.

Synchronní stroje jsou široce používány jako elektrické generátory a motory, především vysokého výkonu. Téměř všechny generátory elektrické energie v elektrárnách jsou synchronní. Kapacita moderních velkých generátorů je desítky a stovky tisíc kilovoltampérů.

Konstrukce statoru synchronního stroje se zásadně neliší od konstrukce statoru asynchronního stroje. Ve statorových štěrbinách je umístěno třífázové vinutí, jehož konce jsou vyvedeny na svorkovnici. Rotor je elektromagnet (někdy permanentní magnet), jehož vinutí je napájeno stejnosměrným proudem přes dva izolované kontaktní kroužky upevněné na hřídeli stroje a otáčející se společně s rotorem. Stejnosměrný proud je do rotoru přiváděn zvenčí přes pevné kartáče posuvné na sběracích kroužcích. Existují dvě různé konstrukce rotoru synchronního stroje – výběžek-pól и implicitně polární.

Obrázek schematicky znázorňuje vzhled rotoru s vyčnívajícími póly. Yavpole rotor, který má vyčnívající póly, se používá u pomaloběžných strojů s otáčkami do 1000–1500 ot./min. U vysokootáčkových výkonných strojů s otáčkami 1500–3000 ot/min je rotor s vyčnívajícími póly konstrukčně nepraktický z důvodu obtížného spolehlivého upevnění pólů při vysokých odstředivých silách.

Proto se používá pro vysokorychlostní stroje nevyčnívající pólový rotor, mající tvar válce bez vyčnívajících pólů. Obrázek ukazuje schematický řez rotorem s nevystupujícími póly; při zadaných směrech proudů ve vinutí rotoru se v něm vytváří magnetické pole se dvěma póly, znázorněné na obrázku.

Synchronní stroje používané jako generátory jsou obvykle připojeny přímo k hlavním hnacím ústrojím, bez mezipřevodovek. Primárními hybateli výkonných synchronních generátorů jsou hydroturbíny, parní a plynové turbíny a poměrně vzácně spalovací motory. Hydroturbíny mají obvykle nízké otáčky (přibližně desítky otáček za minutu), zatímco parní turbíny mají vysoké otáčky (obvykle 1500–3000 ot./min.). Generátory napojené na vodní turbíny, tzn. Hydrogenerátory, mají nízkou rychlost otáčení, proto jsou jejich rotory vyrobeny s vyčnívajícími póly. Turbogenerátory, připojené k parním turbínám, jsou vysokorychlostní stroje a jejich rotory jsou vyrobeny s nevystupujícími póly.

Obrázek výše ukazuje rotor s výrazným pólem se čtyřmi póly. U pomaloběžných strojů je pro získání požadované frekvence střídavého proudu rotor s vyčnívajícími póly vyroben s desítkami pólů. Nevýrazné pólové rotory se obvykle vyrábějí se dvěma nebo čtyřmi póly.

Stejnosměrný proud pro napájení budícího vinutí lze napájet z malého stejnosměrného generátoru – patogen (otáčející se společně s rotorem nebo poháněné samostatným motorem) nebo z jednotky usměrňovače.

Statorové vinutí a rotor mají stejný počet pólů. V raných konstrukcích synchronních strojů byly póly buzené stejnosměrným proudem umístěny na pevném rámu a vinutí střídavého proudu bylo umístěno na rotujícím rotoru. V současné době se tato konstrukce používá zřídka – pouze u nízkonapěťových strojů s nízkým výkonem.

Jako každý elektrický stroj může i synchronní stroj pracovat v režimu generátoru i motoru.

Alternátory

Generátory střídavého proudu jsou konstruovány pro značný výkon a vysoké napětí. Stejně jako asynchronní stroje mají dvě vinutí. Typicky je vinutí kotvy umístěno v tělese statoru. Induktory, které vytvářejí primární magnetický tok, jsou namontovány na rotoru a napájeny budičem, malým stejnosměrným generátorem namontovaným na hřídeli rotoru. U výkonných strojů někdy vzniká buzení usměrněným střídavým napětím.

Vzhledem k nehybnosti vinutí kotvy odpadají technické potíže spojené s použitím kluzných kontaktů při vysokých výkonech.

Princip činnosti synchronního generátoru je založen na jevu elektromagnetické indukce. : když se rotor otáčí, magnetický tok vytvářený budícím vinutím střídavě zabírá s každou z fází statorového vinutí a vyvolává v nich EMF. V nejběžnějším případě použití třífázového vinutí kotvy se v každé z fází indukuje sinusový EMF, posunutý vůči sobě o 120 stupňů. Propojením fází pomocí standardních obvodů „trojúhelník“ nebo „hvězda“ produkuje výstup generátoru třífázové napětí, které je obecně uznávaným standardem pro hlavní elektrické sítě.

Stejně jako u každého generátoru, který pracuje podle zákona elektromagnetické indukce, indukovaná EMF je úměrná magnetickému toku stroje a rychlosti rotoru.

Frekvence indukovaného emf f (Hz) souvisí s otáčkami rotoru n poměr (ot./min):

kde p – počet párů pólů.

Protože frekvence EMF v síti musí být konstantní, rychlost otáčení rotorů musí být konstantní. Pro získání EMF technické frekvence (50 Hz) lze použít relativně pomalou rotaci, pokud je počet pólů rotoru dostatečně velký.

Pokud je generátor poháněn vodním proudem (hydrogenerátor), pak se obvykle vyrábí nízkootáčkový. Pro získání požadované proudové frekvence je nutné zvýšit počet pólů, což zase vyžaduje zvětšení průměru rotoru.

Výkonné hydrogenerátory mají z řady technických důvodů většinou vertikální hřídel a jsou umístěny nad hydroturbínou, která je pohání (viz obr.).

Generátory poháněné parními turbínami – turbogenerátory – jsou většinou vysokootáčkové. Pro snížení mechanického namáhání mají malé průměry a v důsledku toho malý počet pólů. Řada technických úvah nás nutí vyrábět turbogenerátory s horizontálním hřídelem (viz obr.).

Pokud je generátor poháněn spalovacím motorem, nazývá se dieselový generátor, protože dieselové motory se obvykle používají jako motory, které spotřebovávají levnější palivo.

Synchronní generátory se často používají místo kolektorových strojů pro generování stejnosměrného proudu připojením jejich vinutí kotvy k třífázovým usměrňovačům – u dieselových lokomotiv, automobilů a letadel. Děje se tak z důvodu mnohem vyšší spolehlivosti a životnosti mezi opravami synchronních strojů.

Synchronní motory

Princip činnosti synchronního motoru je založen na interakci rotujícího magnetického pole kotvy a magnetického pole pólů induktoru . Typicky je kotva umístěna na statoru a induktor je umístěn na rotoru. U výkonných motorů se jako póly používají elektromagnety (proud je přiváděn do rotoru přes kluzný kontakt kartáč-kroužek), zatímco u motorů s nízkým výkonem, například u motorů s pevným diskem, se používají permanentní magnety. Existuje obrácený konstrukce motoru, ve které je kotva umístěna na rotoru a induktor na statoru (u zastaralých motorů, stejně jako u moderních kryogenních synchronních strojů, ve kterých jsou ve budicích vinutích použity supravodiče).

Působením rotujícího magnetického pole buzeného statorem se rotor začne otáčet stejnou rychlostí. Rychlost rotace pole nezávisí na momentu odporu. Pokud je odpor větší než maximální, rotor se zastaví.

Je však třeba poznamenat, že kontinuální pohyb je možný pouze při přesně definované rychlosti otáčení, protože při odchylce od ní bude na každý z pólů rotoru pohybujícího se mezi dvěma statorovými vodiči část času působit zrychlující moment a část času na něj působí brzdný moment.

To znamená, že otáčky motoru musí být přesně definovány, – doba, po kterou je pól nahrazen dalším, se musí shodovat s půlperiodou proudu, proto se takové motory nazývají synchronní.

Pro nastartování motoru je nutné roztočit jeho hřídel na otáčky blízké synchronním – tento jev se nazývá „vstup do synchronicity„.

U synchronních motorů se většinou používá asynchronní rozběh, který spočívá v tom, že na začátku rozběhu motor zrychluje jako asynchronní. K tomuto účelu je rotor vybaven vinutím nakrátko, podobně jako „klece nakrátko“ asynchronního motoru.

Během procesu spouštění, před připojením statoru motoru k třífázové síti, je budicí vinutí, tedy vinutí rotoru, uzavřeno na odpor; stejnosměrný proud do tohoto vinutí ještě není přiváděn. Poté se zapne vinutí statoru a vytvoří se rotující magnetické pole. Indukuje proudy ve spouštěcí kleci rotoru, což má za následek točivý moment a zrychlení motoru na určitou ustálenou rychlost. п . Vše se děje stejným způsobem jako při spouštění asynchronního motoru; takže rychlost п se ukáže být blízko synchronní rychlosti п, tedy k rychlosti rotace pole, ale menší než п o pár procent. Poté je budicí vinutí odpojeno od odporu a připojeno ke zdroji stejnosměrného proudu.

V důsledku toho dochází k momentu interakce mezi točivým polem statoru a póly rotoru, který je typický pro synchronní stroj a stroj je vtažen do synchronismu, tj. rotor se začne otáčet synchronně s polem.

Motory s permanentními magnety obvykle používají externí posilovací motor.

Rychlost rotoru n (ot/min) zůstává konstantní, pevně spojena s frekvencí sítě f poměr (Hz):

kde p – počet pólových párů statoru. Mezi osami statoru a pólů rotoru však existuje určité úhlové posunutí. Toto posunutí závisí na momentu odporu.

Jedinečnost synchronních strojů určuje jejich výhody a nevýhody ve srovnání se stroji jiných tříd. Výhody synchronní stroje jsou následující:

— vysoká účinnost a účiník;

— stálost frekvence otáčení;

— nezávislost frekvence EMF generátoru na zatížení stroje.

Synchronní stroje však také mají nedostatky , které v některých případech omezují jejich použití:

— nutnost použití dvou zdrojů napětí (třífázového střídavého a stejnosměrného) pro motor;

– potíže se startováním motoru.

Porovnání výhod a nevýhod synchronních motorů ukazuje, že je vhodné je použít pro vysoce výkonné instalace od cca 50–100 kW, zejména pro instalace pracující v podmínkách ojedinělých startů. Příklady takových instalací zahrnují výkonné kompresory a měniče elektrických strojů AC-na-DC.

Otázky pro sebeovládání:

1. Jaký je rozdíl mezi asynchronními a synchronními elektrickými stroji se sinusovým proudem?

2. Jaký je princip činnosti synchronního generátoru?

3. Jaká je struktura generátoru s vyčnívajícími a vyčnívajícími póly?

4. Na čem závisí EMF synchronního generátoru?

5. Jak se synchronní motor konstruuje a jak funguje?

6. Jaký jev se nazývá „vstup do synchronicity“?

7. Jaké jsou výhody a nevýhody synchronních motorů?

8. Vyjmenujte hlavní oblast použití synchronních strojů.