Silnik elektryczny synchroniczny

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Skocz do: nawigacja, szukaj

Silnik synchroniczny - silnik elektryczny prądu przemiennego, w którym prędkość wirowania wirnika jest równa prędkości wirowania pola magnetycznego wytworzonego przez nieruchome uzwojenia stojana.

Budowa[edytuj | edytuj kod]

Podobnie jak w silniku asynchronicznym, silnik ten zwykle posiada trójfazowe uzwojenie stojana, wytwarzające magnetyczne pole wirujące. Różnice występują w wirnikach tych silników. Starsze rozwiązania budowy silników synchronicznych zakładają, że wirnik wykonany jest w postaci uzwojenia nawiniętego na rdzeniu i zasilanego, za pośrednictwem pierścieni ślizgowych i szczotek, ze źródła prądu stałego lub zmiennego. Wirniki te wykonuje się w dwojaki sposób, jako: wirniki cylindryczne (z utajonymi biegunami) lub wirniki z biegunami jawnymi.

Każdy biegun posiada własne uzwojenie nawinięte na rdzeniu bieguna. Poprzez nadawanie odpowiedniego kształtu nabiegunnikom uzyskuje się odpowiedni rozkład wartości i kierunku pola magnetycznego na obwodzie wirnika.

Wirniki z biegunami jawnymi[edytuj | edytuj kod]

Wirniki z biegunami jawnymi, ze względu na znacznie ograniczoną wytrzymałość mechaniczną na siły odśrodkowe, stosuje się zwykle w maszynach osiągających niezbyt duże prędkości obrotowe. Najczęstsze zastosowania tej konstrukcji to silniki i wolnoobrotowe prądnice napędzane turbinami wodnymi (hydrogeneratory).

Wirnik cylindryczny[edytuj | edytuj kod]

Uzwojenie wzbudzenia wirnika cylindrycznego umieszcza się w wyfrezowanych w stalowym korpusie żłobkach i zabezpiecza się przed wypadnięciem ze żłobków za pomocą klinów. Uzwojenie to zajmuje tylko część obwodu wirnika (około 2/3 obwodu).

Wirniki takie są droższe od jawnobiegunowych, ale ze względu na dużą wytrzymałość mechaniczną są stosowane w maszynach osiągających większe prędkości obrotowe. Konstrukcja ta znajduje zastosowanie np. w szybkoobrotowych prądnicach (turbogeneratorach) osiągających z reguły prędkość 3000 obr/min (dla 50 Hz) lub 3600 obr/min (dla 60 Hz) napędzanych turbinami parowymi lub gazowymi.

Zasada działania[edytuj | edytuj kod]

Moment elektromagnetyczny[edytuj | edytuj kod]

Wirujące pole magnetyczne wytworzone przez trójfazowe uzwojenie stojana - jako suma trzech wektorów pola magnetycznego wytwarzanego przez trzy nieruchome uzwojenia umieszczone na stojanie

Po zasileniu uzwojeń stojana, wytworzone zostanie w nim wirujące pole magnetyczne. Jeżeli wyobrazić sobie to pole jako wirującą parę biegunów, to nieobciążony namagnesowany wirnik ustawi się w osi pola stojana i zacznie wirować wraz z tym polem synchronicznie. Siły działające między tak przedstawionymi biegunami mają kierunki promieniowe, więc nie dają żadnego momentu obrotowego. Jeżeli wirnik obciążony zostanie momentem hamującym, spóźni się nieznacznie względem wirującego pola. W ten sposób oś wirnika nie będzie się już pokrywać z osią stojana, a siły działające między biegunami wywołają moment mechaniczny, który przeciwstawi się momentowi hamującemu. Zmiany obciążenia nie powodują zmian prędkości obrotowej wirnika (jak to ma miejsce w silniku asynchronicznym), lecz opóźnienie wirnika względem wirującego pola, zmianę kąta opóźnienia. Teoretycznie maksymalna wartość kąta opóźnienia może wynieść do 90°, jednak przy zbyt wysokich wartościach tego kąta praca silnika jest niestabilna. W praktyce maksymalna wartość kąta opóźnienia wynosi 60°, powyżej tej wartości silnik wypada z synchronizmu.

Wirnik zarówno w stanie jałowym (bez obciążenia) jak i przy obciążeniu obraca się ze stałą prędkością, równą prędkości wirowania pola magnetycznego (z prędkością synchroniczną). Jeżeli jednak moment obciążenia będzie większy niż maksymalny moment elektromagnetyczny silnika, maszyna wypadnie z synchronizmu wirnik będzie okresowo hamowany i przyspieszany i po pewnym czasie zatrzyma się.

Rozruch[edytuj | edytuj kod]

Jedną z wad silnika synchronicznego jest to, że nie potrafi on samoczynnie wystartować po zasileniu uzwojeń. Podanie napięcia na stojan powoduje powstanie pola wirującego, które wywołuje przemienny moment obrotowy działający na wirnik. Ze względu na zbyt dużą częstotliwość zmian tego momentu wobec bezwładności wirnika, nie jest on w stanie ruszyć z miejsca.

Wartość średnia momentu rozruchowego wirnika silnika synchronicznego jest równa zero.

Istnieje kilka możliwości radzenia sobie z tą niedogodnością. Jedną z nich jest zastosowanie dodatkowej maszyny, która rozpędza wirnik silnika synchronicznego do prędkości zbliżonej do synchronicznej. Rolę takiej maszyny pełni dodatkowy silnik asynchroniczny lub silnik prądu stałego, ale raczej tego rozwiązania nie stosuje się w praktyce. Innym sposobem uruchomienia silnika synchronicznego jest skorzystanie z rozwiązania stosowanego w silnikach asynchronicznych. W nabiegunnikach wirnika umieszcza się klatkę rozruchową najczęściej utworzoną z miedzianych prętów, podobną do klatki z w wirniku silnika asynchronicznego klatkowego. Silnik taki startuje tak jak silnik asynchroniczny, czyli zasilane są tylko uzwojenia stojana. Po osiągnięciu prędkości podsynchronicznej uzwojenia wirnika zasilane są prądem stałym, co pozwala wirnikowi wejść w synchronizm i dalej obracać się z prędkością synchroniczną. Kolejną metodą rozruchu jest zwarcie uzwojeń wirnika, bezpośrednio lub poprzez rezystancję ograniczającą prąd rozruchowy. Zwarte uzwojenia zachowuje się jak typowa klatka. Po uzyskaniu prędkości podsynchronicznej następuje załączenie uzwojeń wirnika. Silnik dochodzi do synchronizmu samoczynnie.

Wikimedia Commons

Obecnie najlepszym rozwiązaniem służącym do uruchamiania silników synchronicznych wydaje się zastosowanie specjalnych elektronicznych przemienników częstotliwości (falowników), które pozwalają na systematyczne zwiększanie częstotliwości napięcia zasilania uzwojeń stojana co pozwala na stopniowe rozpędzenie wirnika. W przypadku silników z magnesami trwałymi jest to w zasadzie jedyne rozwiązanie.