SYNCHRONNÍ MOTOR. Konstrukce

SYNCHRONNÍ MOTOR Konstrukce

A. stator synchronního motoru  má stejnou konstrukci jako stator asynchronního motoru  na svazku statorových plechů je uloženo trojfázové vinutí, potřebné k vytvoření točivého pole  stator motoru je připojen k třífázovému střídavému napájecímu napětí B. rotor → kotva  skládá se z železného jádra, buď masivního nebo složeného se svazku plechů a budicího vinutí, napájeného přes sběrné kroužky stejnosměrným proudem  kotva působí jako elektromagnet, který má stejný počet pólů jako stator  u malých motorků bývají používány kotvy z permanentních magnetů

Malé synchronní motorky s kotvou z permanentního magnetu

Princip činnosti

 při zapnutí má točivé pole okamžité otáčky odpovídající počtu pólů a kmitočtu napájecího napětí  póly rotoru jsou přitahovány protipóly statoru a odpuzovány statorovými póly stejného druhu  rotor se vzhledem ke své setrvačné hmotě neroztočí okamžitě synchronně s točivým polem statoru  jakmile se otáčky kotvy přiblíží díky rozběhovému systému (např. rozběhová klec v rotoru) otáčkám točivého pole, je

kotva vtažena do synchronních otáček a běží dál synchronně

Silové působení na otáčející se kotvu

Proud statorem vytváří točivé magnetické pole, které se otáčí synchronní rychlostí. Rotor vytvářející magnetický tok je vtažen do točivého pole a otáčí se stejnými tedy synchronními otáčkami.

Synchronní motory potřebují k rozběhu pomocný rozběhový systém.

Vlastnosti synchronního motoru  po rozběhu běží motor synchronně s točivým polem statoru  tah motoru závisí na přitažlivé síle mezi točivým mag. polem statoru a mag. polem rotoru → závisí na velikosti buzení rotoru  při rostoucím zatížení motoru narůstá vzdálenost (pootočení) mezi póly kotvy a protipóly (rotujícími) statoru  póly rotoru tak zůstávají zpět o úhel zátěže za póly točivého pole, nebo též za polohou při běhu naprázdno (bez zatížení

motoru)

Závislost točivého momentu na úhlu zatížení

Synchronní motory mají i při zatížení stejné otáčky jako točivé pole statoru.

Závislost točivého momentu na úhlu zatížení

 točivý moment je tím větší, čím větší je úhel zátěže

 uprostřed mezi dvěma sousedními póly (kladným a záporným) statoru působí na póly rotoru největší síla, kdy předbíhající pól statoru táhne a následující tlačí  u dvoupólového motoru je tedy optimální úhel zátěže 90º, při dalším nárůstu úhlu zátěže točivý moment opět klesá

Moment zvratu nastane v polovině úhlu mezi sousedními póly, tj. při úhlu zátěže 90º u dvoupólového motoru.  synchronní motory většinou mají moment zvratu (maximální moment) dvojnásobný než jmenovitý moment  při překročení momentu zvratu se přeruší spojení mezi točivým polem a kotvou → kotva vypadne ze synchronismu a zastaví se  synchronní motory jsou však méně citlivé na pokles napětí než motory asynchronní → magnetická indukce točivého pole a točivý moment se zmenšují proporcionálně s poklesem napětí  je-li synchronní motor provozován s větším než jmenovitým budicím proudem, mluvíme o přebuzeném provozu (synchronní generátor)  motor působí současně jako generátor a dodává do sítě induktivní jalový výkon  synchronní motory mohou být tedy použity jako kompenzátory fázového posunu:  v přebuzeném režimu mohou být použity ke kompenzaci jalového proudu jako kompenzační kondenzátory  v nevybuzeném (málo vybuzeném rotoru) režimu odebírají synchronní motory induktivní jalový výkon ze sítě

Momentová charakteristika dvoupólového motoru  velikost otáček motoru je konstantní až do maximálního momentu Mmax, kdy dojde k výpadku ze synchronismu a motor se zastaví

 tento poruchový stav je doprovázený proudovými a momentovými rázy a tato událost může mechanicky poškodit synchronní motor Nejpoužívanější způsoby rozběhu synchronního motoru  do výkonů 1200kW se mohou připojovat k síti přímo A. asynchronní rozběh  kromě budícího vinutí je na rotoru umístěno ještě tlumící (rozběhové) klecové vinutí  motor se tedy rozbíhá jako asynchronní motor nakrátko

 během asynchronního rozběhu musí být budicí vinutí rotoru zkratováno přes odpor, aby se nenaindukovalo velké napětí, které by prorazilo izolaci vinutí  při provozu zabrání zkratované vinutí při nárazovém kolísání zatížení prudkému kolísání otáček rotoru  jakmile motor dosáhne otáčky blízké synchronním, nabudí se a rotor se vtáhne do synchronismu a) motor s rotorem s vyjádřenými póly

 v rotoru synchronního motoru s vyjádřenými póly jsou v pólových nástavcích umístěny měděné tyče klecového vinutí a spojeny na obvodu v kruhy b) motor s hladkým rotorem  klecové vinutí je tvořeno masívními zuby rotoru a vodivými klíny z bronzu, kterými se uzavírají drážky rotoru  motor se obvykle rozbíhá jako asynchronní motor

Spouštění synchronního motoru autosynchronně

 po dobu rozběhu nakrátko je budící vinutí spojeno nakrátko přes rezistor R, jehož odpor má velikost asi 5-7 Rb  ochranný rezistor R omezuje vznik vysokého napětí v budícím vinutí při rozběhu a chrání tak izolaci  po dosažení téměř synchronních otáček (skluz 2 až 5 %) se odpojí zkratovací rezistor, připojí se budící napětí a motor se nabudí  rotor je potom synchronizačním momentem vtažen do synchronních otáček a tím je rozběh ukončen

Spouštění synchronního motoru tlumivkou

 záběrný proud je omezen zařazením tlumivky L do statorového obvodu motoru  po připojení motoru k síti spínačem 1 necháme motor rozběhnout  po rozběhu zapneme spínač 2 a tím vytvoříme uzel vinutí  další postup spouštění odpovídá spouštění autosynchronně

Spouštění synchronního motoru autotransformátorem

 statorové vinutí je trvale připojeno na pevnou odbočku transformátoru  při spouštění zapneme nejdříve spínač 1  zapnutím spínače 2 se motor začne rozbíhat při sníženém napětí  po rozběhu rozpojíme spínač 1, takže část vinutí autotransformátoru působí jako tlumivka  necháme motor dále rozbíhat a po ustálení otáček zapneme spínač 3 B. rozběh pomocným motorem  pro rozběh se použije buď budič (stejnosměrný generátor), který je umístěn na hřídeli motoru, nebo rozběhový asynchronní motor, který se používá pro rozběhy strojů vysokých výkonů  tento typ rozběhu se téměř nevyužívá

C. řízený rozběh  motor je napájen z měniče kmitočtu umožňujícího plynulé zvyšování kmitočtu  po připojení statorového vinutí k trojfázové síti se rotor neroztočí, i když bude nabuzen  točivé mag. pole statoru a stojící magnetické pole rotoru vytvoří moment, jehož velikost a směr se mění tak, že střední hodnota momentu je nulová

Synchronní motor musíme nejdříve roztočit a potom teprve přifázovat k síti.

Řízení otáček synchronního motoru  otáčky lze řídit plynule změnou kmitočtu napájecího napětí  lze k tomu použít výkonové polovodičové měniče  pro regulované pohony se synchronními motory se používají nepřímé měniče kmitočtu (obecně frekvenční měniče), nebo přímé měniče kmitočtu tzv. cyklokonvertory, u nich je řízení otáček značně omezeno a s nástupem cenově dostupných frekvenčních měničů se již nepoužívá)  možnost skokové změny synchronních otáček změnou počtu pólů se nevyužívá   

Výhody:  konstantní provozní otáčky, které nezávisejí na zatížení a napětí sítě  nezatěžuje síť jalovým proudem, ale naopak může dodávat jalový proud do sítě - v případě, že je motor v přebuzeném

  



stavu, a tím zlepšuje (kompenzuje) účiník cosφ sítě v daném místě spotřeby motor lze stavět do velkých výkonů - desítky MW vykazuje větší účinnost než asynchronní motor stejného výkonu z konstrukčního hlediska nemusí mít malou vzduchovou mezeru, tak jako se vyžaduje u indukčních motorů, protože neodebírá na rozdíl od indukčního motoru magnetizační proud pro vybuzení ze sítě, ale má své buzení není citlivý na změny napětí

Nevýhody:  obtížné řízení otáček  obtížný rozběh - synchronní motor nemá, nebo má malý, záběrný moment, takže se sám neroztočí (musí se roztočit malým indukčním motorem a poté přifázovat k síti jako alternátor)  musí mít budič  moment zátěže musí být menší, než tzv. moment zvratu, jinak by to vedlo k vypadnutí ze synchronizmu a to by vedlo k novému rozběhu a fázování Využití:  z jeho typických vlastností vyplývá jeho využití:  pohony, které nevyžadují velké záběrné momenty  pohony nevyžadují regulaci otáček  pohony nevyžadující časté zastavování a spouštění 

 motory pro velké výkony – synchronní motory s výkony řadově 1 – 1 000 MW, dříve používané hlavně pro aplikace s

trvalým provozem. Dnes, se díky frekvenčním měničům nasazují i pro dynamické aplikace. Příkladem mohou být 4 synchronní motory, každý s výkonem 5,2 MW s rozsahem otáček 125-300 ot./min. a napájecím napětím 3 000V, v provozní jednotce válcovny VJ16 v závodu ArcelorMittal Ostrava.  motory pro malé výkony – tyto motory se vyrábějí řádově od 1 – 1 000 W, jsou to různé typy speciálních synchronních motorů, např. krokové motory, spínané reluktanční motory, servomotory apod. Tyto motory mají široké použití, jak ve výpočetní technice, bílé technice, ovládacích mechanismech, strojních systémech, tak v automobilovém, lodním a leteckém průmyslu. Tyto synchronní stroje můžeme najít například v hradiscích počítačů, pračkách, pojezdech obráběcích strojů, ventilech armatur, centrálním zamykání aut, posilovačích (brzd, volantu, klapek letadel apod.), mechanismech ovládání dveří, žaluzií, vzduchotechnických klapek atd. Zapojení svorkovnice stroje