Mis on induktio- ja sinkroonmootorite dünaamika?

Induktiivsete ja sinkroonmootorite dünaamilised omadused

Induktiivsed mootorid (Induction Motor) ja sinkroonmootorid (Synchronous Motor) on kaks tavalist AC-mootori tüüpi. Nende struktuur, tööpõhimõtted ja dünaamilised omadused erinevad oluliselt. Allpool on analüüsitud nende kahe mootori tüübi dünaamilised omadused:

1. Käivitamise omadused

Induktiivne mootor:

Induktiivsetel mootoritel on tavaliselt kõrge käivitamiskülg, millel on sageli 5–7 korda suurem kui niminaalne vool. See on sellega seotud, et käivitamisel on rotor paigus, ja lisaküljendus s=1, mis tekitab rotri vedelikujoontes suure induktiivse voolu.

Käivitamistõkk on suhteliselt madal, eriti täielikul laengul, ja võib olla ainult 1,5–2 korda suurem kui niminaalne tõkk. Käivitamisomaduste parandamiseks saab kasutada peen-käivitajaid või tähtäis-triidikäivitajaid, mis vähendavad käivitamiskülge ja suurendavad käivitamistõkke.

Induktiivse mootori käivitamise protsess on asünkroonne; mootor järk-järgult kiireneb paigusest lähedale sinkroonkiirusele, kuid ei jõua täpselt sinkrooni.

Sinkroonmootor:

Sinkroonmootorite käivitamise omadused sõltuvad nende tüübist. Omakäivitava sinkroonmootori puhul (nt. jäätmeinduktiivne sinkroonmootor või käivituskülgedega varustatud sinkroonmootor) võivad need käivituda asünkroonselt nagu induktiivsed mootorid, kuid excitatsioonisüsteem tuvastab neid sinkrooni, kui nad lähenevad sinkroonkiirusele.

Mitte-omakäivitava sinkroonmootori puhul on tavaliselt vaja väliseid seadmeid (nt. sagedusmuundurit või abimootorit), et aidata mootoril käivituda, kuni see jõuab sinkroonkiirusele, pärast seda saab see käivituda sinkroonselt.

Sinkroonmootorid pakkuvad tavaliselt kõrgemat käivitamistõkke, eriti need, millel on excitatsioonisüsteem, mis võivad käivitamisel anda olulist tõkke.

2. Püsivara töötamise omadused

Induktiivne mootor:

Induktiivse mootori kiirus on proportsionaalne toitepinge sagedusega, kuid see on alati vähegi all poolt sinkroonkiiruse. Lisaküljendus s näitab tegeliku kiiruse ja sinkroonkiiruse vahe, tavaliselt 0,01–0,05 (st 1%–5%). Väiksem lisaküljendus tähendab kõrgemat efektiivsust, kuid tõkke väljavõte vastavalt väheneks.

Induktiivse mootori tõkke-kiiruse karakteristik on paraabeliline, maksimaalne tõkk esineb kindla lisaküljenduse väärtuse korral (tavaliselt kriitiline lisaküljendus). Kui laeng suureneb, siis kiirus väheneks vähegi, kuid mootor säilitab stabiilse töö.

Induktiivse mootori võimsuse tegur on tavaliselt madal, eriti heikke või puuduliku laengu korral, võib olla nii madal kui 0,7. Kui laeng suureneb, paraneb võimsuse tegur.

Sinkroonmootor:

Sinkroonmootori kiirus on striktne proportsionaalne toitepinge sagedusega ja jääb konstantseks sinkroonkiiruses, olenemata laengumuutustest. See tagab väga stabiilse kiiruse, mis muudab sinkroonmootorid sobivaks rakendusteks, mis nõuavad täpset kiiruse kontrolli.

Sinkroonmootori tõkke-kiiruse karakteristik on vertikaalne joon, mis näitab, et see võib pakkuda konstantset tõkke sinkroonkiiruses ilma kiiruse muutusteta. Kui laeng ületab mootori maksimaalset tõkkevõimet, siis mootor kaotab sinkrooni ja peatab.

Sinkroonmootorid saavad kontrollida võimsuse tegurit excitatsioonivoolu reguleerimise kaudu, lubades neil töötada nii kapatsiitse kui ka induktiivses režiimis. See omadus muudab sinkroonmootorid kasutatavaks elektrivõrgu võimsuse teguri parandamiseks.

3. Dünaamilised vastusanemise omadused

Induktiivne mootor:

Induktiivse mootori dünaamiline vastusanemine on suhteliselt aeglane, eriti kui laeng muutub ootamatult. Rotoriga ja elektromagnetilise inertsiga on aeglane vastusanemine uute laengutingimustele. See viivitus võib põhjustada kiiruse lõkslemist, eriti raskest laengul või sagedaste käivitamiste ja peatamiste rakendustes.

Induktiivse mootori kiiruse juhtimisvahemik on piiratud, tavaliselt saavutatakse muutes toitepinge sagedust (nt. muutliku sageduse andurit kasutades). See võib aga põhjustada tõkke vähenemist, eriti madalatel kiirustel.

Sinkroonmootor:

Sinkroonmootori dünaamiline vastusanemine on kiirem, eriti kui laeng muutub. Kuna mootori kiirus on alati sinkroonis toitepinge sagedusega, siis see saab säilitada stabiilse kiiruse isegi laengumuutustel. Lisaks on sinkroonmootori tõkkevastus kiire, pakkudes vajalikku tõkke lühikese aja jooksul.

Sinkroonmootorid saavad reguleerida tõkke ja võimsuse tegurit excitatsioonivoolu muutmisega, pakkudes paindlikumat kontrolli. Täpset kiiruse ja tõkke kontrolli saab saavutada ka täiustatud meetoditega, nt. vektorkontrolli või otseste tõkkekontrolli (DTC) abil.

4. Ülelaenguvõime ja kaitse

Induktiivne mootor:

Induktiivsed mootorid omavad mingit ülelaenguvõimet ja võivad kanda 1,5–2 korda suuremat laengut lühiajaliseks. Kuid pikka aega kestev ülelaeng võib põhjustada ülekuuma, mis kahjustab isolatsioonimaterjale. Seetõttu on induktiivsed mootorid tavaliselt varustatud ülelaengu kaitseseadmetega, nt. termoreleed või temperatuurisensorid, et ära hoida ülekuumumist.

Induktiivsete mootorite ülelaenguvõime sõltub nende disainist. Näiteks kaelerotorilised induktiivsed mootorid omavad tavaliselt paremat ülelaenguomadust kui korgemootorid, kuna rotorivoolu saab reguleerida väliseid vastuseid kasutades.

Sinkroonmootor:

Sinkroonmootoridel on tugev ülelaenguvõime, eriti need, millel on excitatsioonisüsteem, mis võivad kanda 2–3 korda suuremat laengut lühiajaliseks. Kuid pikka aega kestev ülelaeng võib samuti põhjustada ülekuuma.

Sinkroonmootorid on kaitstud mitmesugustega meetoditega, sealhulgas ülevoolukaitse, sammude kaotamise kaitse ja excitatsioonifauldi kaitse. Sammu kaotamise kaitse takistab mootorit kaotada sinkrooni üleliigse laengu korral, samas kui excitatsioonifauldi kaitse tagab excitatsioonisüsteemi õige toimimise.

5. Rakendussenaariumid

Induktiivne mootor:

Induktiivsed mootorid on laialdaselt kasutatud tööstuses, põllumajanduses ja kodumajapidamistes, eriti rakendustes, kus ei nõuta kõrget täpsust kiiruse kontrollimisel. Näited hõlmavad ventilaatoreid, pumbasid ja kompresoreid.

Nende lihtsa struktuuri, madala hinda ja lihtsat hooldust arvestades on induktiivsed mootorid tihti eelistatud paljudes rakendustes.

Sinkroonmootor:

Sinkroonmootorid on sobivad rakendustele, kus nõutakse kõrget täpsust kiiruse kontrollimisel, näiteks täpsete masinriistade, generaatorite ja suurte kompresorite puhul. Nende võime säilitada konstantse kiiruse ja pakkuda kõrget võimsuse tegurit muudab need väärtuslikuks elektrivõrkude efektiivsuse parandamisel.

Sinkroonmootorid on laialdaselt kasutatud rakendustes, kus nõutakse täpset kiiruse kontrolli ja kiiret dünaamilist vastusanemist, näiteks servo-süsteemides ja robotikas.

Kokkuvõte

• Induktiivne mootor: kõrge käivitamiskülg, madalam käivitamistõkk, kiirus veidi all poolt sinkroonkiiruse, aeglane dünaamiline vastusanemine, sobiv üldiste tööstus- ja kodumajapidamiserakenduste jaoks.

• Sinkroonmootor: käivitamise omadused sõltuvad tüübist, striktne sinkroonkiirus, kiire dünaamiline vastusanemine, sobiv rakendustele, kus nõutakse kõrget täpsust kiiruse kontrollimisel ja võimsuse teguri parandamisel.