Jakie są dynamiki silników indukcyjnych i synchronicznych?

Dynamiczne cechy silników indukcyjnych i synchronicznych

Silniki indukcyjne (Induction Motor) i synchroniczne (Synchronous Motor) to dwa popularne typy silników przemiennych. Różnią się znacząco strukturą, zasadami działania i dynamicznymi cechami. Poniżej przedstawiono analizę dynamicznych cech tych dwóch typów silników:

1. Cechy startu

Silnik indukcyjny:

Silniki indukcyjne mają zazwyczaj wysoki prąd startowy, często 5 do 7 razy większy od nominalnego. To jest spowodowane tym, że podczas startu rotor jest nieruchomy, aślizg s=1, co powoduje duży prąd indukcyjny w cewkach rotora.

Moment startowy jest stosunkowo niski, szczególnie pod pełnym obciążeniem, i może wynosić tylko 1,5 do 2 razy moment nominalny. Aby poprawić wydajność startu, można używać miękkich starterów lub starterów gwiazda-trójkąt, aby zmniejszyć prąd startowy i zwiększyć moment startowy.

Proces startu silnika indukcyjnego jest asynchroniczny; silnik stopniowo przyspiesza od stanu nieruchomego do prędkości bliskiej prędkości synchronicznej, ale nigdy nie osiąga dokładnej synchronizacji.

Silnik synchroniczny:

Cechy startowe silników synchronicznych zależą od ich typu. Dla samostartujących silników synchronicznych (np. silników synchronicznych z magnesami trwałymi lub z cewkami startowymi) mogą one startować asynchronicznie, jak silniki indukcyjne, ale są wprowadzane do synchronizacji przez system wzbudzenia, gdy zbliżają się do prędkości synchronicznej.

Dla silników synchronicznych, które nie są samostartujące, zwykle wymagane są zewnętrzne urządzenia (np. konwertery częstotliwości lub motory pomocnicze), aby pomóc w uruchomieniu silnika, dopóki nie osiągnie on prędkości synchronicznej, po czym może wejść w tryb synchroniczny.

Silniki synchroniczne ogólnie zapewniają wyższy moment startowy, zwłaszcza te wyposażone w systemy wzbudzenia, które mogą dostarczać znaczny moment podczas startu.

2. Cechy pracy w stanie ustalonym

Silnik indukcyjny:

Prędkość silnika indukcyjnego jest proporcjonalna do częstotliwości zasilania, ale zawsze jest nieco niższa od prędkości synchronicznej. Ślizg s reprezentuje różnicę między rzeczywistą prędkością a prędkością synchroniczną, zazwyczaj w zakresie 0,01 do 0,05 (czyli 1% do 5%). Mniejszy ślizg oznacza wyższą wydajność, ale moment obrotowy maleje odpowiednio.

Charakterystyka moment-prędkość silnika indukcyjnego jest paraboliczna, z maksymalnym momentem występującym przy określonej wartości ślizu (zwykle krytycznym ślizgu). Gdy obciążenie wzrasta, prędkość maleje nieznacznie, ale silnik utrzymuje stabilną pracę.

Współczynnik mocy silnika indukcyjnego jest zazwyczaj niski, zwłaszcza pod lekkim lub brakującym obciążeniem, może być nawet tak niski jak 0,7. Wraz ze wzrostem obciążenia współczynnik mocy się poprawia.

Silnik synchroniczny:

Prędkość silnika synchronicznego jest ścisłym proporcjonalna do częstotliwości zasilania i pozostaje stała na prędkości synchronicznej, niezależnie od zmian obciążenia. To zapewnia bardzo stabilną prędkość, co sprawia, że silniki synchroniczne są odpowiednie dla zastosowań wymagających precyzyjnej kontroli prędkości.

Charakterystyka moment-prędkość silnika synchronicznego to pionowa linia, co oznacza, że może dostarczać stały moment na prędkości synchronicznej bez jakiejkolwiek zmiany prędkości. Jeśli obciążenie przekroczy maksymalny moment, jaki silnik może dostarczyć, silnik straci synchronizację i zatrzyma się.

Silniki synchroniczne mogą kontrolować współczynnik mocy, dostosowując prąd wzbudzenia, co pozwala im działać w trybie pojemnościowym lub indukcyjnym. Ta funkcja sprawia, że silniki synchroniczne są użyteczne do poprawy współczynnika mocy sieci elektrycznej.

3. Cechy odpowiedzi dynamicznej

Silnik indukcyjny:

Odpowiedź dynamiczna silnika indukcyjnego jest stosunkowo wolna, zwłaszcza podczas nagłych zmian obciążenia. Ze względu na bezwładność rotora i elektromagnetyczną bezwładność, istnieje opóźnienie, zanim silnik dostosuje się do nowych warunków obciążenia. To opóźnienie może powodować fluktuacje prędkości, szczególnie w aplikacjach z dużym obciążeniem lub częstym start-stopem.

Zakres sterowania prędkością silnika indukcyjnego jest ograniczony, zwykle osiągany przez zmianę częstotliwości zasilania (np. za pomocą konwertera częstotliwości). Jednak to może prowadzić do zmniejszenia momentu, zwłaszcza przy niskich prędkościach.

Silnik synchroniczny:

Odpowiedź dynamiczna silnika synchronicznego jest szybsza, zwłaszcza podczas zmian obciążenia. Ponieważ prędkość silnika zawsze jest zsynchronizowana z częstotliwością zasilania, może on utrzymywać stabilną prędkość nawet przy zmianach obciążenia. Dodatkowo, odpowiedź momentowa silnika synchronicznego jest szybka, dostarczając niezbędny moment w krótkim czasie.

Silniki synchroniczne mogą dostosować moment i współczynnik mocy, zmieniając prąd wzbudzenia, co oferuje bardziej elastyczną kontrolę. Zaawansowane metody sterowania, takie jak sterowanie wektorowe lub bezpośrednie sterowanie momentem (DTC), mogą również być używane do uzyskania precyzyjnej kontroli prędkości i momentu.

4. Pojemność przeciążeniowa i ochrona

Silnik indukcyjny:

Silniki indukcyjne mają pewną pojemność przeciążeniową i mogą znieść 1,5 do 2 razy obciążenie nominalne przez krótki okres. Jednak długotrwałe przeciążenie może spowodować przegrzanie, uszkadzając materiał izolacyjny. Dlatego silniki indukcyjne są zazwyczaj wyposażone w urządzenia ochronne przeciwko przeciążeniom, takie jak relé termiczne lub czujniki temperatury, aby zapobiec przegrzaniu.

Pojemność przeciążeniowa silników indukcyjnych zależy od ich projektu. Na przykład, silniki indukcyjne z obudowanym rotorem ogólne mają lepszą wydajność przeciążeniową niż silniki z klatką zwierzęcą, ponieważ prąd rotora można regulować za pomocą zewnętrznego rezystora.

Silnik synchroniczny:

Silniki synchroniczne mają dużą pojemność przeciążeniową, zwłaszcza te wyposażone w systemy wzbudzenia, które mogą znieść 2 do 3 razy obciążenie nominalne przez krótki okres. Jednak długotrwałe przeciążenie może również prowadzić do przegrzania.

Silniki synchroniczne są chronione różnymi metodami, w tym ochroną przeciwko nadprądowi, ochroną przed utratą kroku i ochroną przed awarią wzbudzenia. Ochrona przed utratą kroku zapobiega utracie synchronizacji silnika pod nadmiernym obciążeniem, podczas gdy ochrona przed awarią wzbudzenia zapewnia prawidłowe działanie systemu wzbudzenia.

5. Scenariusze zastosowań

Silnik indukcyjny:

Silniki indukcyjne są szeroko stosowane w przemyśle, rolnictwie i sprzęcie domowym, szczególnie w zastosowaniach, gdzie nie wymagana jest precyzyjna kontrola prędkości. Przykłady obejmują wentylatory, pompy i kompresory.

Ze względu na prostą budowę, niskie koszty i łatwą obsługę, silniki indukcyjne są często preferowanym wyborem dla wielu zastosowań.

Silnik synchroniczny:

Silniki synchroniczne są odpowiednie dla zastosowań wymagających precyzyjnej kontroli prędkości, takich jak precyzyjne maszyny narzędziowe, generatory i duże kompresory. Ich zdolność do utrzymania stałej prędkości i dostarczania wysokiego współczynnika mocy sprawia, że są cenne w systemach energetycznych do poprawy efektywności sieci.

Silniki synchroniczne są również szeroko stosowane w zastosowaniach wymagających precyzyjnej kontroli prędkości i szybkiej odpowiedzi dynamicznej, takich jak systemy serwomechaniczne i robotyka.

Podsumowanie

• Silnik indukcyjny: wysoki prąd startowy, niższy moment startowy, prędkość nieco niższa od prędkości synchronicznej, wolniejsza odpowiedź dynamiczna, odpowiedni dla ogólnych zastosowań przemysłowych i gospodarstw domowych.

• Silnik synchroniczny: cechy startowe zależą od typu, ścisła prędkość synchroniczna, szybka odpowiedź dynamiczna, odpowiedni dla zastosowań wymagających precyzyjnej kontroli prędkości i poprawy współczynnika mocy.