Wat zijn de dynamiek van asynchrone en synchrone motoren?

Dynamische Eigenschappen van Asynchrone en Synchrone Motoren

Asynchrone motoren (Induction Motor) en synchrone motoren (Synchronous Motor) zijn twee veelvoorkomende types wisselstroommotoren. Ze verschillen aanzienlijk in structuur, werking en dynamische eigenschappen. Hieronder volgt een analyse van de dynamische eigenschappen van deze twee soorten motoren:

1. Starteigenschappen

Asynchrone Motor:

Asynchrone motoren hebben meestal een hoge startstroom, vaak 5 tot 7 keer de nominale stroom. Dit komt doordat bij het opstarten de rotor stilstaat, en de slip s=1, wat een grote geïnduceerde stroom in de rotorwindingen veroorzaakt.

Het startkoppel is relatief laag, vooral onder volle belasting, en kan slechts 1,5 tot 2 keer het nominale koppel bedragen. Om de startprestaties te verbeteren, kunnen soft starters of ster-driehoek starters worden gebruikt om de startstroom te verlagen en het startkoppel te verhogen.

Het startproces van een asynchrone motor is asynchroon; de motor versnelt geleidelijk vanuit een stilstaande toestand naar bijna-synchrone snelheid, maar bereikt nooit exacte synchronisatie.

Synchrone Motor:

De starteigenschappen van synchrone motoren hangen af van hun type. Voor zelfstartende synchrone motoren (zoals permanente magneet synchrone motoren of synchrone motoren met startwindingen) kunnen ze asynchroon starten zoals asynchrone motoren, maar worden ze door het opwekkingsysteem getrokken naar synchronisatie als ze de synchrone snelheid naderen.

Voor niet-zelfstartende synchrone motoren zijn externe apparaten (zoals frequentie-omzetters of hulpmotoren) meestal nodig om de motor te helpen starten totdat hij de synchrone snelheid bereikt, waarna hij synchroon kan gaan werken.

Synchrone motoren bieden over het algemeen een hoger startkoppel, vooral die met opwekkingsystemen, die significant koppel kunnen leveren tijdens het opstarten.

2. Statische Werkeigenschappen

Asynchrone Motor:

De snelheid van een asynchrone motor is evenredig met de voedingsspanning, maar ligt altijd iets onder de synchrone snelheid. De slip s vertegenwoordigt het verschil tussen de werkelijke snelheid en de synchrone snelheid, en ligt meestal tussen 0,01 en 0,05 (d.w.z. 1% tot 5%). Een kleinere slip leidt tot hogere efficiëntie, maar het koppel neemt hierdoor af.

Het koppel-snelheidsverloop van een asynchrone motor is parabolisch, met maximaal koppel op een specifieke slipwaarde (meestal de kritische slip). Wanneer de belasting toeneemt, neemt de snelheid licht af, maar de motor blijft stabiel werken.

Het vermogensfactor van een asynchrone motor is meestal laag, vooral onder lichte of geen belasting, mogelijk zo laag als 0,7. Naarmate de belasting toeneemt, verbetert de vermogensfactor.

Synchrone Motor:

De snelheid van een synchrone motor is strikt evenredig met de voedingsspanning en blijft constant op de synchrone snelheid, ongeacht veranderingen in de belasting. Dit zorgt voor een zeer stabiele snelheid, waardoor synchrone motoren geschikt zijn voor toepassingen die nauwkeurige snelheidsregeling vereisen.

Het koppel-snelheidsverloop van een synchrone motor is een verticale lijn, wat aangeeft dat het constante koppel kan leveren op synchrone snelheid zonder verandering in snelheid. Als de belasting het maximale koppelvermogen van de motor overschrijdt, zal de motor de synchronisatie verliezen en stoppen.

Synchrone motoren kunnen de vermogensfactor regelen door de opwekkingsstroom aan te passen, waardoor ze kunnen werken in capaciteits- of inductieve modus. Deze functie maakt synchrone motoren nuttig voor het verbeteren van de vermogensfactor van het elektriciteitsnet.

3. Dynamische Reactie-eigenschappen

Asynchrone Motor:

De dynamische reactie van een asynchrone motor is relatief traag, vooral wanneer de belasting plotseling verandert. Vanwege de inertie van de rotor en elektromagnetische inertie is er een vertragingsperiode voor de motor om zich aan te passen aan nieuwe belastingsomstandigheden. Deze vertraging kan snelheidsfluctuaties veroorzaken, vooral in zwaarbelaste of frequente start-stop toepassingen.

Het snelheidsregelbereik van een asynchrone motor is beperkt, meestal bereikt door de voedingsfrequentie te variëren (bijv. met behulp van een frequentieregelaar). Dit kan echter leiden tot een vermindering van het koppel, vooral bij lage snelheden.

Synchrone Motor:

De dynamische reactie van een synchrone motor is sneller, vooral wanneer de belasting verandert. Aangezien de snelheid van de motor altijd gesynchroniseerd is met de voedingsfrequentie, kan hij een stabiele snelheid handhaven, zelfs bij variaties in de belasting. Bovendien is de koppelreactie van een synchrone motor snel, waardoor het benodigde koppel binnen korte tijd wordt geleverd.

Synchrone motoren kunnen koppel en vermogensfactor regelen door de opwekkingsstroom te wijzigen, wat meer flexibele controle biedt. Geavanceerde besturingstechnieken zoals vectorbesturing of directe koppelbesturing (DTC) kunnen ook worden gebruikt om nauwkeurige snelheids- en koppelregeling te bereiken.

4. Overbelastingsvermogen en Bescherming

Asynchrone Motor:

Asynchrone motoren hebben een bepaald overbelastingsvermogen en kunnen korte tijd 1,5 tot 2 keer de nominale belasting verdragen. Langdurige overbelasting kan echter oververhitting veroorzaken, wat de isolatiematerialen kan beschadigen. Daarom zijn asynchrone motoren meestal uitgerust met overbelastingsbeschermingsapparatuur, zoals thermische relais of temperatuursensoren, om oververhitting te voorkomen.

Het overbelastingsvermogen van asynchrone motoren hangt af van hun ontwerp. Bijvoorbeeld, gewondenrotor-asynchrone motoren hebben over het algemeen betere overbelastingsprestaties dan kooirotor-motoren, omdat de rotorstroom kan worden geregeld met externe weerstanden.

Synchrone Motor:

Synchrone motoren hebben een sterk overbelastingsvermogen, vooral die met opwekkingsystemen, die korte tijd 2 tot 3 keer de nominale belasting kunnen verdragen. Langdurige overbelasting kan echter ook oververhitting veroorzaken.

Synchrone motoren worden beschermd door verschillende middelen, waaronder overstromingsbescherming, loss-of-step bescherming en opwekkingsfoutbescherming. Loss-of-step bescherming voorkomt dat de motor de synchronisatie verliest bij excessieve belasting, terwijl opwekkingsfoutbescherming ervoor zorgt dat het opwekkingsysteem correct functioneert.

5. Toepassingsscenario's

Asynchrone Motor:

Asynchrone motoren worden breed toegepast in industriële, landbouw- en huishoudelijke apparatuur, vooral in toepassingen waar hoge precisie van snelheidsregeling niet nodig is. Voorbeelden zijn ventilatoren, pompen en compressors.

Vanwege hun eenvoudige constructie, lage kosten en gemakkelijke onderhoud, zijn asynchrone motoren vaak de voorkeur voor veel toepassingen.

Synchrone Motor:

Synchrone motoren zijn geschikt voor toepassingen die hoge precisie van snelheidsregeling vereisen, zoals precisie-werkbanken, generatoren en grote compressors. Hun vermogen om een constante snelheid te handhaven en een hoge vermogensfactor te leveren maakt hen waardevol in energie-systemen voor het verbeteren van de netefficiëntie.

Synchrone motoren worden ook breed toegepast in toepassingen die precieze snelheidsregeling en snelle dynamische reactie vereisen, zoals servo-systemen en robotica.

Samenvatting

• Asynchrone Motor: Hoge startstroom, lager startkoppel, snelheid licht onder de synchrone snelheid, langzamere dynamische reactie, geschikt voor algemene industriële en huishoudelijke toepassingen.

• Synchrone Motor: Starteigenschappen hangen af van het type, strikte synchrone snelheid, snelle dynamische reactie, geschikt voor toepassingen die hoge precisie van snelheidsregeling en verbetering van de vermogensfactor vereisen.