Какви са динамиките на индукционните и синхронните мотори?

Динамични характеристики на индукционните и синхронните мотори

Индукционните (Induction Motor) и синхронните (Synchronous Motor) мотори са два често срещани типа алтернативни мотори. Те се различават значително по конструкция, принципи на действие и динамични характеристики. По-долу е анализът на динамичните характеристики на тези два вида мотори:

1. Характеристики при стартиране

Индукционен мотор:

Индукционните мотори обикновено имат висок стартов ток, често 5 до 7 пъти по-голям от номиналния ток. Това е така, защото при стартиране роторът е неподвижен, а проскаленето s=1, което предизвиква голям индуциран ток в обмотките на ротора.

Стартовият момент е относително нисък, особено при пълна нагрузка, и може да бъде само 1,5 до 2 пъти по-голям от номиналния момент. За подобряване на характеристиките при стартиране могат да се използват мягки стартери или звезда-триъгълник стартери, за да се намали стартовият ток и да се увеличи стартовият момент.

Процесът на стартиране на индукционния мотор е асинхронен; моторът постепенно ускорява от неподвижно състояние до почти синхронна скорост, но никога не достига точно синхронност.

Синхронен мотор:

Характеристиките при стартиране на синхронните мотори зависят от техния тип. За самозапалващите се синхронни мотори (например, перманентномагнитни синхронни мотори или синхронни мотори с запалващи обмотки), те могат да стартират асинхронно като индукционните мотори, но се привличат в синхронност от системата за возбуждане, когато се приближават до синхронната скорост.

За незапалващите се синхронни мотори, обикновено са необходими външни устройства (например, преобразуватели на честота или помагални мотори), за да помогнат за стартирането на мотора, докато достигне синхронната скорост, след което може да влезе в синхронна операция.

Синхронните мотори обикновено предлагат по-висок стартов момент, особено тези с системи за возбуждане, които могат да доставят значителен момент по време на стартиране.

2. Характеристики при стабилна работа

Индукционен мотор:

Скоростта на индукционния мотор е пропорционална на честотата на напрежението, но винаги е леко под синхронната скорост. Проскаленето s представлява разликата между фактическата скорост и синхронната скорост, обикновено в диапазон от 0,01 до 0,05 (т.е. 1% до 5%). По-малко проскалене води до по-висока ефективност, но моментът на изхода се намалява съответно.

Характеристиката на момента-скорост на индукционния мотор е параболична, с максимален момент, който се явява при определена стойност на проскаленето (обикновено критично проскалене). Когато нагрузката се увеличава, скоростта леко намалява, но моторът поддържа стабилна работа.

Коефициентът на мощност на индукционния мотор обикновено е нисък, особено при лека или без нагрузка, може да бъде колкото 0,7. С увеличаването на нагрузката, коефициентът на мощност се подобрява.

Синхронен мотор:

Скоростта на синхронния мотор е строго пропорционална на честотата на напрежението и остава постоянна при синхронната скорост, независимо от промените в нагрузката. Това осигурява висока стабилност на скоростта, правейки синхронните мотори подходящи за приложения, изискващи точен контрол на скоростта.

Характеристиката на момента-скорост на синхронния мотор е вертикална линия, показвайки, че може да предоставя постоянен момент при синхронната скорост, без никакво изменение на скоростта. Ако нагрузката надхвърли максималния моментен капацитет на мотора, той ще загуби синхронност и спре.

Синхронните мотори могат да контролират коефициента на мощност, регулирайки тока за возбуждане, позволявайки им да работят в капацитивен или индуктивен режим. Тази функция прави синхронните мотори полезни за подобряване на коефициента на мощност на електрическата мрежа.

3. Динамични характеристики на отговора

Индукционен мотор:

Динамичният отговор на индукционния мотор е относително бавен, особено когато се случват внезапни промени в нагрузката. От инерцията на ротора и електромагнитната инерция, има забавяне в адаптирането на мотора към новите условия на нагрузка. Това забавяне може да причини колебания на скоростта, особено при тежка нагрузка или често стартиране-спиране.

Диапазонът на контрол на скоростта на индукционния мотор е ограничен, обикновено постиган чрез вариране на честотата на напрежението (например, чрез преобразувател на честота). Но това може да доведе до намаление на момента, особено при ниски скорости.

Синхронен мотор:

Динамичният отговор на синхронния мотор е по-бърз, особено когато се случват промени в нагрузката. Тъй като скоростта на мотора винаги е синхронизирана с честотата на напрежението, той може да поддържа стабилна скорост дори при промени в нагрузката. Освен това, отговорът на момента на синхронния мотор е бърз, предоставяйки необходимия момент в кратък период от време.

Синхронните мотори могат да регулират момента и коефициента на мощност, променяйки тока за возбуждане, предлагайки по-гъвкав контрол. Продвинати методи за контрол, като векторен контрол или директен контрол на момента (DTC), могат да се използват за постигане на точен контрол на скоростта и момента.

4. Капацитет за прекомерна нагрузка и защита

Индукционен мотор:

Индукционните мотори имат определен капацитет за прекомерна нагрузка и могат да издържат 1,5 до 2 пъти номиналната нагрузка за кратък период. Но продължителната прекомерна нагрузка може да предизвика прекомерно затопляне, повредяйки изолационния материал. Затова индукционните мотори обикновено са оборудвани с устройства за защита от прекомерна нагрузка, като термореле или температурни сензори, за да се предотврати прекомерното затопляне.

Капацитетът за прекомерна нагрузка на индукционните мотори зависи от техния дизайн. Например, индукционните мотори с обмотки на ротора обикновено имат по-добро изпълнение при прекомерна нагрузка от клетчатите мотори, защото токът на ротора може да се регулира с помощта на външни резистори.

Синхронен мотор:

Синхронните мотори имат силен капацитет за прекомерна нагрузка, особено тези с системи за возбуждане, които могат да издържат 2 до 3 пъти номиналната нагрузка за кратък период. Но продължителната прекомерна нагрузка също може да доведе до прекомерно затопляне.

Синхронните мотори са защитени по различни начини, включително защита от прекомерен ток, защита от загуба на синхронност и защита от дефект на возбуждане. Защитата от загуба на синхронност предотвратява мотора от загуба на синхронност при прекомерна нагрузка, докато защитата от дефект на возбуждане осигурява правилната работа на системата за возбуждане.

5. Приложения

Индукционен мотор:

Индукционните мотори се използват широко в индустрията, земеделието и домакинските прибори, особено в приложения, където не е необходима висока прецизност на контрола на скоростта. Примери включват вентилатори, помпи и компресори.

Благодарение на простата конструкция, ниската цена и лесното поддръжка, индукционните мотори често са предпочитаният избор за много приложения.

Синхронен мотор:

Синхронните мотори са подходящи за приложения, изискващи висока прецизност на контрола на скоростта, като прецизни машини, генератори и големи компресори. Их способността да поддържат постоянна скорост и да предоставят висок коефициент на мощност ги прави ценни в енергийните системи за подобряване на ефективността на мрежата.

Синхронните мотори се използват широко и в приложения, изискващи прецизен контрол на скоростта и бърз динамичен отговор, като серво системи и роботика.

Резюме

• Индукционен мотор: Висок стартов ток, по-нисък стартов момент, скорост леко под синхронната, по-бавен динамичен отговор, подходящ за общоиндустриални и домашни приложения.

• Синхронен мотор: Характеристиките при стартиране зависят от типа, строго синхронна скорост, бърз динамичен отговор, подходящ за приложения, изискващи висока прецизност на контрола на скоростта и подобряване на коефициента на мощност.