Proč se elektromotor nazývá synchronní?

Synchronní motor je elektrické zařízení, které přeměňuje elektrickou energii na mechanickou energii, což způsobuje otáčení hřídele. Jeho hlavní vlastností je, že otáčky rotoru jsou synchronizovány s frekvencí dodávaného střídavého proudu.

Synchronní elektromotory jsou důležitou součástí moderních systémů elektrického pohonu. Jsou široce používány v průmyslových provozech, kde je vyžadována přesná regulace otáček a spolehlivý provoz.

Zařízení synchronního elektromotoru

Zařízení obsahuje několik klíčových součástí, které spolupracují, aby zajistily stabilní a efektivní provoz:

• Stator je pevnou součástí. Skládá se z ocelových laminovaných sáčků, do kterých jsou umístěny vinutí. Vinutí statoru se obvykle vyrábí v třífázovém provedení a jsou umístěny v určité vzdálenosti od sebe. Tato vinutí přenášejí střídavé napětí a vytvářejí kolem statoru magnetické pole.
• Rotor je rotační část. Může být vyroben ve formě vinutí navinutých na železném rámu (typ vinutí), nebo z permanentních magnetů. Je umístěn uvnitř statoru, umístěn na hřídeli a otáčí se stejnou rychlostí jako magnetické pole statoru.
• Ložiska a hřídel nechte rotor volně se otáčet uvnitř statoru. Kvalita a přesnost ložisek ovlivňuje účinnost a životnost motoru.
• Spínací systém umožňuje dodávat elektrický proud do vinutí statoru v požadovaném pořadí. K tomu se používají kartáče a komutátory pro zařízení s navíjecím rotorem, nebo složitější systémy pro modely s permanentně magnetickým prvkem.

Synchronní motory, zejména ve velkých a intenzivně pracujících systémech, vyžadují účinný chladicí systém. To pomáhá zabránit přehřátí motoru a zajišťuje stabilní provoz. Zařízení mohou být umístěna v ochranném obalu nebo krytu, který je chrání před vlivy prostředí, prachem, vlhkostí a dalšími vnějšími faktory.

Princip činnosti synchronního elektromotoru

Na základě interakce magnetických polí statoru a rotoru. Tato interakce zajišťuje, že se rotor otáčí synchronně specifickou rychlostí související s frekvencí střídavého proudu dodávaného do statoru. Při činnosti induktoru se vytváří magnetické pole, které mění svou polaritu podle frekvence střídavého proudu. Toto magnetické pole tvoří točivé pole, které se nazývá magnetické pole rotujícího statoru.

Rotor je umístěn uvnitř rotujícího magnetického pole statoru. Pokud obsahuje také vinutí, pak se vlivem rotujícího magnetického pole začne řadit rovnoběžně s tímto polem a otáčet se s ním synchronizovaně. Pokud je rotor permanentní magnet, pak bude „zachycen“ rotujícím polem statoru.

Otáčky rotoru jsou určeny frekvencí střídavého proudu a počtem pólových párů. Jednou z výhod je možnost přesně řídit rychlost otáčení. Toho je dosaženo pomocí frekvenčních měničů, které mění frekvenci proudu přiváděného do statoru, což ovlivňuje rychlost otáčení rotoru.

Charakteristika synchronního elektromotoru

Specifické vlastnosti motoru se mohou lišit v závislosti na jejich konstrukci, použití a výrobci. Klíčové vlastnosti:

• jmenovitý výkon – maximální výkon, který je motor schopen vyvinout za jmenovitých provozních podmínek;
• napájecí napětí (AC) – 380 V nebo 220 V;
• Frekvence střídavého proudu (Hz) – 50 nebo 60 Hz;
• počet párů pólů na statoru nebo rotoru – ovlivňuje synchronní rychlost otáčení motoru, například 4 páry pólů dávají indikátor 1500 ot / min (při frekvenci 50 Hz);
• účinnost (%) – poměr výstupního mechanického výkonu ke vstupnímu elektrickému výkonu, vysoký indikátor indikuje, že se ztrácí méně energie ve formě tepla;
• Faktor síly – ukazuje, jak blízko je činný výkon plnému, hodnota blízká 1 popisuje malý jalový výkon;
• moment setrvačnosti rotoru (kg m²) – udává jeho setrvačné vlastnosti (důležité při posuzování dynamických charakteristik motoru);
• třída izolace – označuje maximální teplotu, kterou povlak vydrží;
• třída ochrany (IP) – udává stupeň ochrany krytu před prachem a vlhkostí (IP55, IP65);
• hmotnosti (kg) – hmotnost zařízení ovlivňuje jeho instalaci a přepravu;
• typ chlazení – vzduch nebo kapalina.

Volba specifických charakteristik závisí na požadavcích hlavního procesního zařízení a jeho provozních podmínkách. Synchronní elektromotory se používají v různých oblastech, jako jsou těžební, zpracovatelské a hutní závody, výroba minerálních hnojiv, cementářský a ropný a plynárenský průmysl.

Synchronní stroj je dvouvinutý střídavý elektrický stroj, jehož jedno vinutí je připojeno k elektrické síti s konstantní frekvencí a druhé je buzeno stejnosměrným proudem. V tomto případě je frekvence otáčení rotoru rovna frekvenci otáčení magnetického pole ve vzduchové mezeře [1]. Je elektromotor.

Zařízení [upravit | upravit kód]

Synchronní hlavní generátor dieselové lokomotivy 2TE25KM: 1 – kartáč, 2 – sběrací kroužek, 3 – hřídel rotoru, 4 – pól rotoru, 5 – stator

Hlavními částmi synchronního stroje jsou kotva a induktor (budící vinutí). Kotva je zpravidla umístěna na statoru a na rotoru odděleném od ní mezerou je induktor – tedy podle principu činnosti je synchronní stroj jako stejnosměrný stroj „obrácený naruby“, střídavý proud pro vinutí kotvy se nezískává pomocí komutátoru, ale je přiváděn zvenčí.

Kotva se skládá z jednoho nebo více střídavých vinutí. U motorů vytváří proudy vstřikované do kotvy rotující magnetické pole, které je v záběru s polem induktoru a dochází tak k přeměně energie. Pole kotvy ovlivňuje pole induktoru, a proto se také nazývá reakční pole kotvy. U generátorů je reakční pole kotvy vytvářeno střídavými proudy indukovanými ve vinutí kotvy z induktoru.

Induktor se skládá z pólů – stejnosměrných elektromagnetů [2] nebo permanentních magnetů (u mikrostrojů). Synchronní strojní induktory mají dvě různé konstrukce: vyčnívající pól nebo nevyčnívající pól. Stroj s vyčnívajícími póly se vyznačuje tím, že póly jsou výrazné a mají konstrukci podobnou pólům stejnosměrného stroje. U nevyčnívajícího pólového provedení je budicí vinutí uloženo v drážkách jádra induktoru, velmi podobně jako vinutí rotorů asynchronních strojů s vinutým rotorem, jen s tím rozdílem, že mezi póly je prostor nevyplněné vodiči (tzv velký zub). Nevýrazné konstrukce pólů se používají ve vysokorychlostních strojích ke snížení mechanického zatížení pólů.

Pro snížení magnetického odporu, tedy pro zlepšení průchodu magnetického toku, se používají feromagnetická jádra rotoru a statoru. V podstatě se jedná o laminovanou (sestavenou ze samostatných plechů) konstrukci z elektrooceli.

Princip činnosti [upravit | upravit kód]

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

Režim generátoru [upravit | upravit kód]

Jednofázový synchronní budič dieselové lokomotivy 2TE25KM, 8 – stator, 9 – sběrací kroužky, 10 – kartáče

Obvykle jsou synchronní generátory vyrobeny s kotvou umístěnou na statoru pro snadné odstranění elektrické energie. Vzhledem k tomu, že budicí výkon je malý ve srovnání s výkonem odebíraným z kotvy (0,3 %), nezpůsobuje napájení budicího vinutí stejnosměrným proudem pomocí dvou sběracích kroužků žádné zvláštní potíže. Princip činnosti synchronního generátoru je založen na jevu elektromagnetické indukce; Když se rotor otáčí, magnetický tok vytvářený budícím vinutím se postupně propojuje s každou z fází statorového vinutí a indukuje v nich EMF. V nejběžnějším případě použití třífázového distribuovaného vinutí kotvy se v každé z fází indukuje sinusové EMF, vzájemně posunuté o 2 stupňů. Spojením fází podle standardních obvodů „trojúhelník“ nebo „hvězda“ se na výstupu generátoru získá třífázové napětí, které je obecně uznávaným standardem pro hlavní energetické sítě.

Frekvence indukovaného EMF f [Hz] souvisí s otáčkami rotoru n [ot./min] poměrem:

kde p je počet pólových párů.

Často se místo kolektorových strojů pro generování stejnosměrného proudu používají synchronní generátory, které připojují jejich vinutí kotvy k třífázovým usměrňovačům – na dieselových lokomotivách (například TEP70, 2TE116), automobilech, letadlech. Stalo se tak z důvodu mnohem větší spolehlivosti a životnosti synchronních strojů. [3] [4]

Režim motoru [upravit | upravit kód]

Princip činnosti synchronního motoru je založen na interakci rotačního magnetického pole kotvy a magnetického pole pólů induktoru. Obvykle je kotva umístěna na statoru a induktor je umístěn na rotoru. U výkonných motorů se jako póly používají elektromagnety (proud je do rotoru přiváděn přes kluzný kontakt kartáč-kroužek), u motorů s nízkým výkonem, např. u motorů pevných disků, se používají permanentní magnety. Existuje obrácený konstrukce motoru, ve kterém je kotva umístěna na rotoru a induktor je umístěn na statoru (u zastaralých motorů, stejně jako u moderních kryogenních synchronních strojů, ve kterých jsou v budicím vinutí použity supravodiče).

Startování motoru. Motor vyžaduje zrychlení na frekvenci blízkou rychlosti magnetického pole v mezeře, než může pracovat v synchronním režimu. Při této rychlosti je rotující magnetické pole kotvy spřaženo s magnetickými poli pólů induktoru: pokud je induktor umístěn na statoru, pak se ukazuje, že rotující magnetické pole rotující kotvy (rotoru) je stacionární vůči konstantnímu poli induktoru (statoru), pokud je induktor na rotoru, pak magnetické pole otáčejících se pólů induktoru (rotoru) je nehybné vzhledem k rotujícímu magnetickému poli kotvy (statoru) – tento jev se nazývá „vstup do synchronismu“.

Pro akceleraci se obvykle používá asynchronní režim [5], při kterém jsou vinutí induktoru zkratována přes reostat nebo zkratována, neboť u asynchronního stroje se u strojů vyrábí vinutí nakrátko na rotoru, který zároveň slouží jako uklidňující vinutí, eliminuje „houpání“ rotoru při synchronizaci Po dosažení otáček blízkých jmenovitým otáčkám (> 95 % – tzv. subsynchronní otáčky) je induktor napájen stejnosměrným proudem.

U motorů s permanentními magnety se u všech typů SD v provozním režimu používá i externí urychlovací motor nebo frekvenčně řízený rozběh – např. u trakčních motorů rychlovlaku TGV. Motory starých elektrických přehrávačů vyžadovaly ruční startování – ruční roztočení desky se později začaly v přehrávačích používat asynchronní motory;

Někdy je na hřídel velkých strojů instalován malý generátor (stejnosměrný nebo střídavý proud s usměrněním), t. zv. budič, který napájí budicí vinutí. V některých případech (například na dieselových lokomotivách) je budič instalován samostatně a poháněn přes stupňovitou převodovku. [6]

Otáčky rotoru n [ot./min] zůstávají nezměněny, striktně vztaženy k síťové frekvenci f [Hz] poměrem:

kde p je počet párů pólů statoru, v závislosti na zatížení stroje se mění pouze úhel zatížení (úhel theta) – elektrický úhel zpoždění nebo předstihu budícího pole vůči poli kotvy. Když je úhel zatížení větší než 90 elektrických stupňů, stroj vypadne ze synchronizace – zastaví se, pokud je hřídel přetížena brzdným momentem, nebo přejde na zvýšenou rychlost, pokud stroj pracuje v režimu generátoru a je nedostatečně zatížen elektrickou zátěží .

Synchronní kompenzátor v rozvodně 500 kV „Zlatoust“

Synchronní motory při změně buzení mění kosinus fí z kapacitního na indukční. Přebuzené LED při volnoběhu se používají jako kompenzátory jalového výkonu. Synchronní motory v průmyslu se obvykle používají pro výkony jednotek nad 300 kW (dmychadla, vodní a olejová čerpadla), například typ STD pro nižší výkony, jednodušší (a spolehlivější), včetně spouštění, asynchronní motor s veverkou – obvykle se používá klecový rotor .

Typy synchronních strojů [upravit | upravit kód]

Jednofázové indikátorové synchronizátory elektrické lokomotivy VL80

Hydrogenerátor je synchronní generátor s vyčnívajícími póly určený k výrobě elektrické energie při provozu z hydraulické turbíny (při nízkých otáčkách 50 – 600 min -1 ).

Turbogenerátor je synchronní generátor s nevyčnívajícími póly určený k výrobě elektrické energie při provozu z parní nebo plynové turbíny při vysokých otáčkách rotoru – 6000 (zřídka), 3000, 1500 ot./min.

Synchronní kompenzátor – synchronní motor určený pro generování jalového výkonu, pracující bez zatížení hřídele (v klidovém režimu); v tomto případě prochází vinutím kotvy téměř pouze jalový proud. Synchronní kompenzátor může pracovat v režimu zlepšení účiníku nebo v režimu stabilizace napětí. Poskytuje indukční zátěž.

Stroj s dvojitým napájením (zejména ASM) je synchronní stroj, který napájí vinutí rotoru a statoru proudy různých frekvencí, čímž vytváří nesynchronní provozní režimy.

Rázový generátor je synchronní generátor (obvykle třífázový proud), určený pro krátkodobý provoz ve zkratovém (zkratovém) režimu.

Selsyn je nízkovýkonový synchronní stroj používaný jako snímač úhlu natočení nebo ve spojení s jiným selsynem k přenosu úhlu natočení bez přímého mechanického spojení.

Existují také bezpřevodové, krokové, indukční, hysterezní, bezkontaktní synchronní motory.

Bezkontaktní synchronní stroj [upravit | upravit kód]

Bezkontaktní synchronní generátor GT40PCh6 (položka 9) na leteckém motoru NK-8

Klasický synchronní stroj má slabé místo – sběrací kroužky s kartáči, které se vlivem elektrické eroze a jednoduchého mechanického opotřebení opotřebovávají rychleji než ostatní části stroje. Kromě toho mohou jiskřící kartáče způsobit výbuch. Proto se nejprve v letectví a později i v dalších oblastech (zejména na autonomních dieselových generátorech) rozšířily bezkontaktní třístrojní synchronní generátory. V krytu takové jednotky jsou umístěny tři stroje – pomocný budič, budič a generátor, jejichž rotory se otáčejí na společné hřídeli. Subbudič je synchronní generátor s buzením z permanentních magnetů rotujících na rotoru, jeho napětí je přiváděno do řídicí jednotky generátoru, kde je usměrněno, regulováno a přiváděno do vinutí statoru budiče. Statorové pole indukuje proud ve vinutí budiče, který je usměrněn blokem rotujících usměrňovačů (ROB) umístěným na hřídeli a jde do budícího vinutí generátoru. Generátor již generuje proud, který jde ke spotřebitelům.

Toto schéma zajišťuje jak absenci jiných mechanických částí v motoru, kromě ložisek, tak autonomii generátoru – po celou dobu, kdy se generátor otáčí, poskytuje subbudič napětí, které lze použít k napájení řídicích obvodů generátoru.

Poznámky [upravit | upravit kód]

1. ↑(nespecifikováno) . infopedia.su. Datum přístupu: 21. listopadu 2021.Archivováno z originálu 21. listopadu 2021.
2. ↑ Obvykle je budicí proud konstantní, ale někdy může mít složitější závislost na čase (když např. chtějí uměle zajistit stabilitu stroje nebo vytvořit nějaký složitý provozní režim).
3. ↑Letecké vybavení / ed. Yu P. Dobrolensky. – M.: Vojenské nakladatelství, 1989. – 248 s. — ISBN 5-203-00138-3. Archivováno 3. prosince 2021 na Wayback Machine
4. ↑ Konstrukce a provoz vozů MAZ-500A a GAZ-66: Učebnice – M., DOSAAF, 1981, Kalishev G.V., Komarov Yu.N., Romanov V.M., BBK 39.335.4
5. ↑Karelin V. Ya., Minaev A. V.Čerpadla a čerpací stanice. – 2. – M.: Stroyizdat, 1986. Archivní kopie ze dne 27. prosince 2018 na Wayback Machine
6. ↑Filonov S.P.Dieselová lokomotiva 2TE116. – 2. – M.: Doprava, 1985. – ISBN 5-277-02012-8. Archivovaná kopie z 12. prosince 2018 na Wayback Machine

Viz také [upravit | upravit kód]

• Asynchronní stroj
• Ventilový motor
• Spínaný reluktanční motor
• DC stroj
• Digitální budicí systémy