Jaké jsou dynamiky indukčních a synchronních motorů?

Dynamické charakteristiky indukčních a synchronních motorů

Indukční motory (Induction Motor) a synchronní motory (Synchronous Motor) jsou dvě běžné typy střídavých motorů. Výrazně se liší strukturou, principy fungování a dynamickými charakteristikami. Níže je analyzovány dynamické charakteristiky těchto dvou typů motorů:

1. Spouštěcí charakteristiky

Indukční motor:

Indukční motory obvykle mají vysoký spouštěcí proud, často 5 až 7 krát nominální proud. To je způsobeno tím, že při spuštění je rotor stacionární a skluz s=1, což způsobuje velký indukovaný proud v rotorových cívkách.

Spouštěcí moment je relativně nízký, zejména při plné zatížení, a může být pouze 1,5 až 2 krát nominální moment. Pro zlepšení spouštěcích vlastností lze použít měkké spouštěče nebo hvězdicové-deltové spouštěče, které snižují spouštěcí proud a zvyšují spouštěcí moment.

Proces spuštění indukčního motoru je asynchronní; motor postupně zrychluje ze stacionárního stavu až k téměř synchronní rychlosti, ale nikdy nedosáhne přesné synchronizace.

Synchronní motor:

Spouštěcí charakteristiky synchronních motorů závisí na jejich typu. U samočinných synchronních motorů (např. permanentnímagnetových synchronních motorů nebo synchronních motorů s spouštěcími cívkami) mohou startovat asynchronně jako indukční motory, ale jsou přitahovány do synchronizace excitací systému, jak se blíží k synchronní rychlosti.

U nesamočinných synchronních motorů jsou obvykle potřebné externí zařízení (např. frekvenční měniče nebo pomocné motory), které pomáhají motoru spustit, dokud nedosáhne synchronní rychlosti, po čemž může vstoupit do synchronního provozu.

Synchronní motory obecně poskytují vyšší spouštěcí moment, zejména ty s excitací, které mohou poskytnout významný moment během spuštění.

2. Charakteristiky stálého provozu

Indukční motor:

Rychlost indukčního motoru je úměrná frekvenci napájecí sítě, ale je vždy mírně nižší než synchronní rychlost. Skluz s reprezentuje rozdíl mezi skutečnou rychlostí a synchronní rychlostí, obvykle se pohybuje v rozmezí 0,01 až 0,05 (tj. 1% až 5%). Menší skluz znamená vyšší efektivitu, ale výkon momentu se příslušně snižuje.

Charakteristika moment-rychlost indukčního motoru je parabolická, s maximálním momentem v konkrétní hodnotě skluzu (obvykle kritický skluz). Když se zatížení zvýší, rychlost mírně klesne, ale motor udržuje stabilní provoz.

Faktor moci indukčního motoru je obvykle nízký, zejména při lehkém nebo žádném zatížení, může být až 0,7. S rostoucím zatížením se faktor moci zlepšuje.

Synchronní motor:

Rychlost synchronního motoru je přesně úměrná frekvenci napájecí sítě a zůstává konstantní na synchronní rychlosti, bez ohledu na změny zatížení. To zajišťuje vysokou stabilitu rychlosti, což dělá synchronní motory vhodnými pro aplikace vyžadující přesné řízení rychlosti.

Charakteristika moment-rychlost synchronního motoru je svislá čára, což naznačuje, že může poskytovat konstantní moment na synchronní rychlosti bez jakékoli změny rychlosti. Pokud překročí zatížení maximální momentovou kapacitu motoru, motor ztratí synchronizaci a zastaví se.

Synchronní motory mohou ovládat faktor moci změnou excitace proudu, což jim umožňuje pracovat buď v kapacitním, nebo induktivním režimu. Tato vlastnost dělá synchronní motory užitečnými pro zlepšení faktoru moci elektrické sítě.

3. Dynamické odezvy

Indukční motor:

Dynamická odezva indukčního motoru je relativně pomalá, zejména při náhlých změnách zatížení. Díky inertii rotoru a elektromagnetické inertii je zde prodleva, než se motor přizpůsobí novým podmínkám zatížení. Tato prodleva může způsobit fluktuace rychlosti, zejména v aplikacích s těžkým zatížením nebo častými spouštěními a zastavováními.

Rozsah řízení rychlosti indukčního motoru je omezen, obvykle dosažen variací frekvence napájecí sítě (např. pomocí frekvenčního měniče). Nicméně to může vést ke snížení momentu, zejména při nízkých rychlostech.

Synchronní motor:

Dynamická odezva synchronního motoru je rychlejší, zejména při změnách zatížení. Protože rychlost motoru je vždy synchronizována s frekvencí napájecí sítě, může udržovat stabilní rychlost i při změnách zatížení. Navíc odpověď momentu synchronního motoru je rychlá, poskytující potřebný moment v krátké době.

Synchronní motory mohou upravovat moment a faktor moci změnou excitace proudu, což nabízí flexibilnější řízení. Přesné řízení rychlosti a momentu lze také dosáhnout pokročilými metodami, jako je vektorové řízení nebo přímé řízení momentu (DTC).

4. Přetížení a ochrana

Indukční motor:

Indukční motory mají určitou kapacitu přetížení a mohou vydržet 1,5 až 2 krát nominální zatížení na krátkou dobu. Nicméně, dlouhodobé přetížení může způsobit přehřátí a poškození izolačního materiálu. Proto jsou indukční motory obvykle vybaveny ochrannými zařízeními proti přetížení, jako jsou termorele nebo teplotní senzory, aby zabránily přehřátí.

Kapacita přetížení indukčních motorů závisí na jejich konstrukci. Například, motory s otáčivým rotorem obecně mají lepší výkon při přetížení než klecevé motory, protože proud rotoru lze regulovat externími odporovými prvky.

Synchronní motor:

Synchronní motory mají silnou kapacitu přetížení, zejména ty s excitací, které mohou zvládnout 2 až 3 krát nominální zatížení na krátkou dobu. Nicméně, dlouhodobé přetížení může také způsobit přehřátí.

Synchronní motory jsou chráněny různými způsoby, včetně ochrany před přetokem proudu, ochrany před ztrátou synchronizace a ochrany před poruchou excitace. Ochrana před ztrátou synchronizace brání motoru v ztrátě synchronizace při přílišném zatížení, zatímco ochrana před poruchou excitace zajišťuje správné fungování excitace systému.

5. Aplikační scénáře

Indukční motor:

Indukční motory jsou široce používány v průmyslu, zemědělství a domácích spotřebičích, zejména v aplikacích, kde není vyžadováno přesné řízení rychlosti. Příkladem jsou ventilátory, čerpadla a kompresory.

Díky své jednoduché konstrukci, nízké ceně a snadné údržbě jsou indukční motory často preferovaným výběrem pro mnoho aplikací.

Synchronní motor:

Synchronní motory jsou vhodné pro aplikace vyžadující přesné řízení rychlosti, jako jsou precizní obráběcí stroje, generátory a velké kompresory. Schopnost udržovat konstantní rychlost a poskytovat vysoký faktor moci je dělá cennými v elektrizačních systémech pro zlepšení efektivity sítě.

Synchronní motory jsou také široce používány v aplikacích vyžadujících přesné řízení rychlosti a rychlou dynamickou odezvu, jako jsou servosystémy a robotika.

Souhrn

• Indukční motor: Vysoký spouštěcí proud, nižší spouštěcí moment, rychlost mírně nižší než synchronní rychlost, pomalejší dynamická odezva, vhodný pro obecné průmyslové a domácí aplikace.

• Synchronní motor: Spouštěcí charakteristiky závisí na typu, přesná synchronní rychlost, rychlá dynamická odezva, vhodný pro aplikace vyžadující přesné řízení rychlosti a zlepšení faktoru moci.