Каковы особенности работы индукционных и синхронных двигателей?

Динамические характеристики асинхронных и синхронных двигателей

Асинхронные (Induction Motor) и синхронные (Synchronous Motor) двигатели — это два распространенных типа AC-двигателей. Они существенно различаются по своей конструкции, принципам работы и динамическим характеристикам. Ниже приведен анализ динамических характеристик этих двух типов двигателей:

1. Пусковые характеристики

Асинхронный двигатель:

Асинхронные двигатели обычно имеют высокий пусковой ток, часто в 5-7 раз превышающий номинальный ток. Это связано с тем, что при запуске ротор неподвижен, и скольжение s=1, что вызывает большое индуцированное напряжение в обмотках ротора.

Пусковой момент относительно низкий, особенно при полной нагрузке, и может составлять только 1,5-2 раза номинальный момент. Для улучшения пусковых характеристик можно использовать мягкие пускатели или звездно-треугольные пускатели, чтобы снизить пусковой ток и увеличить пусковой момент.

Процесс запуска асинхронного двигателя является асинхронным; двигатель постепенно ускоряется от неподвижного состояния до близкой к синхронной скорости, но никогда не достигает точной синхронизации.

Синхронный двигатель:

Пусковые характеристики синхронных двигателей зависят от их типа. Для самозапускающихся синхронных двигателей (например, постоянномагнитных синхронных двигателей или синхронных двигателей с пусковыми обмотками) они могут запускаться асинхронно, как асинхронные двигатели, но система возбуждения затягивает их в синхронизм, когда они приближаются к синхронной скорости.

Для синхронных двигателей, которые не могут самозапуститься, обычно требуются внешние устройства (например, частотные преобразователи или вспомогательные двигатели), чтобы помочь запустить двигатель до достижения синхронной скорости, после чего он может перейти в синхронный режим работы.

Синхронные двигатели обычно обеспечивают более высокий пусковой момент, особенно те, у которых есть системы возбуждения, которые могут обеспечивать значительный момент во время запуска.

2. Характеристики стационарного режима работы

Асинхронный двигатель:

Скорость асинхронного двигателя пропорциональна частоте питания, но всегда немного ниже синхронной скорости. Скольжение s представляет собой разницу между фактической скоростью и синхронной скоростью, обычно находящуюся в диапазоне от 0,01 до 0,05 (то есть 1% до 5%). Меньшее скольжение приводит к более высокой эффективности, но выходной момент снижается соответственно.

Характеристика момента-скорости асинхронного двигателя параболическая, с максимальным моментом, возникающим при определенном значении скольжения (обычно критическом скольжении). При увеличении нагрузки скорость немного снижается, но двигатель сохраняет стабильную работу.

Коэффициент мощности асинхронного двигателя обычно низкий, особенно при легкой или нулевой нагрузке, возможно, до 0,7. По мере увеличения нагрузки коэффициент мощности улучшается.

Синхронный двигатель:

Скорость синхронного двигателя строго пропорциональна частоте питания и остается постоянной на синхронной скорости, независимо от изменений нагрузки. Это обеспечивает высокую стабильность скорости, что делает синхронные двигатели подходящими для применения, требующего точного управления скоростью.

Характеристика момента-скорости синхронного двигателя представляет собой вертикальную линию, указывающую, что он может обеспечивать постоянный момент на синхронной скорости без изменения скорости. Если нагрузка превышает максимальную способность двигателя, двигатель теряет синхронизм и останавливается.

Синхронные двигатели могут контролировать коэффициент мощности, регулируя ток возбуждения, позволяя им работать в конденсаторном или индуктивном режимах. Эта особенность делает синхронные двигатели полезными для улучшения коэффициента мощности электрической сети.

3. Динамические характеристики отклика

Асинхронный двигатель:

Динамический отклик асинхронного двигателя относительно медленный, особенно при внезапных изменениях нагрузки. Из-за инерции ротора и электромагнитной инерции существует задержка, необходимая для адаптации двигателя к новым условиям нагрузки. Эта задержка может вызывать колебания скорости, особенно в условиях тяжелой нагрузки или частых запусков и остановок.

Диапазон управления скоростью асинхронного двигателя ограничен, обычно достигаемый путем изменения частоты питания (например, с помощью частотного преобразователя). Однако это может привести к снижению момента, особенно на низких скоростях.

Синхронный двигатель:

Динамический отклик синхронного двигателя быстрее, особенно при изменении нагрузки. Поскольку скорость двигателя всегда синхронизирована с частотой питания, он может поддерживать стабильную скорость даже при вариациях нагрузки. Кроме того, отклик момента синхронного двигателя быстр, обеспечивая необходимый момент в короткое время.

Синхронные двигатели могут регулировать момент и коэффициент мощности, изменяя ток возбуждения, что обеспечивает более гибкое управление. Продвинутые методы управления, такие как векторное управление или прямое управление моментом (DTC), также могут использоваться для достижения точного управления скоростью и моментом.

4. Перегрузочная способность и защита

Асинхронный двигатель:

Асинхронные двигатели имеют определенную перегрузочную способность и могут выдерживать 1,5-2 раза номинальную нагрузку в течение короткого времени. Однако длительная перегрузка может вызвать перегрев, повреждающий изоляционный материал. Поэтому асинхронные двигатели обычно оснащены устройствами защиты от перегрузки, такими как тепловые реле или датчики температуры, чтобы предотвратить перегрев.

Перегрузочная способность асинхронных двигателей зависит от их конструкции. Например, фазные роторные асинхронные двигатели обычно имеют лучшую перегрузочную способность, чем короткозамкнутые, поскольку ток ротора можно регулировать с помощью внешних резисторов.

Синхронный двигатель:

Синхронные двигатели имеют высокую перегрузочную способность, особенно те, у которых есть системы возбуждения, которые могут выдерживать 2-3 раза номинальную нагрузку в течение короткого времени. Однако длительная перегрузка также может привести к перегреву.

Синхронные двигатели защищаются различными способами, включая защиту от перегрузки по току, защиту от потери синхронизма и защиту от отказа системы возбуждения. Защита от потери синхронизма предотвращает потерю синхронизма при чрезмерной нагрузке, а защита от отказа системы возбуждения обеспечивает правильную работу системы возбуждения.

5. Сценарии применения

Асинхронный двигатель:

Асинхронные двигатели широко используются в промышленности, сельском хозяйстве и бытовых приборах, особенно в приложениях, где не требуется высокоточное управление скоростью. Примеры включают вентиляторы, насосы и компрессоры.

Из-за простой конструкции, низкой стоимости и легкости обслуживания асинхронные двигатели часто являются предпочтительным выбором для многих применений.

Синхронный двигатель:

Синхронные двигатели подходят для применений, требующих высокоточного управления скоростью, таких как точные станки, генераторы и крупные компрессоры. Их способность поддерживать постоянную скорость и обеспечивать высокий коэффициент мощности делает их ценными в энергетических системах для улучшения эффективности сети.

Синхронные двигатели также широко используются в приложениях, требующих точного управления скоростью и быстрого динамического отклика, таких как сервосистемы и робототехника.

Заключение

• Асинхронный двигатель: высокий пусковой ток, меньший пусковой момент, скорость немного ниже синхронной, медленный динамический отклик, подходит для общепромышленных и бытовых применений.

• Синхронный двигатель: пусковые характеристики зависят от типа, строго синхронная скорость, быстрый динамический отклик, подходит для применений, требующих высокоточного управления скоростью и улучшения коэффициента мощности.