Які є динаміка індукційних та синхронних двигунів?

Динамічні характеристики асинхронних та синхронних двигунів

Асинхронні (Induction Motor) та синхронні (Synchronous Motor) двигуни — це два найпоширеніші типи об'ємних двигунів. Вони значно відрізняються за будовою, принципами роботи та динамічними характеристиками. Нижче наведений аналіз динамічних характеристик цих двох типів двигунів:

1. Характеристики пуску

Асинхронний двигун:

Асинхронні двигуни зазвичай мають високий стартовий струм, який часто становить 5-7 разів більше номінального струму. Це тому, що при запуску ротор статичний, і сковзання s=1, що спричиняє великий викликаний струм у роторних обмотках.

Стартовий момент є відносно низьким, особливо при повному навантаженні, і може становити лише 1,5-2 рази більше номінального моменту. Для покращення стартових характеристик можна використовувати м'які пускачи або пускачи зі зміною зірки на трикутник, щоб знизити стартовий струм та збільшити стартовий момент.

Процес пуску асинхронного двигуна є асинхронним; двигун поступово прискорюється зі статичного стану до близько синхронної швидкості, але ніколи не досягає точної синхронності.

Синхронний двигун:

Характеристики пуску синхронних двигунів залежать від їх типу. Для самозапуснювальних синхронних двигунів (наприклад, перманентно-магнітних синхронних двигунів або синхронних двигунів з пусковими обмотками), вони можуть запускатися асинхронно, як асинхронні двигуни, але втягуються в синхронізацію системою екситації, коли наближаються до синхронної швидкості.

Для несамозапуснювальних синхронних двигунів зазвичай потрібні зовнішні пристрої (наприклад, частотні перетворювачі або допоміжні двигуни), щоб допомогти запустити двигун до досягнення синхронної швидкості, після чого він може переходити до синхронної роботи.

Синхронні двигуни загалом надають більший стартовий момент, особливо ті, які мають системи екситації, які можуть надавати значний момент під час пуску.

2. Характеристики стаціонарної роботи

Асинхронний двигун:

Швидкість асинхронного двигуна пропорційна частоті живлення, але завжди трохи нижча за синхронну швидкість. Сковзання s представляє різницю між фактичною швидкістю та синхронною швидкістю, зазвичай від 0,01 до 0,05 (тобто 1% до 5%). Меньше сковзання дає вищу ефективність, але відповідно зменшується вихідний момент.

Характеристика момент-швидкість асинхронного двигуна є параболічною, з максимальною величиною моменту при певному значенні сковзання (зазвичай критичне сковзання). Коли навантаження збільшується, швидкість трохи зменшується, але двигун зберігає стабільну роботу.

Коефіцієнт ефективності асинхронного двигуна зазвичай низький, особливо при легкому або без навантаження, може бути такий як 0,7. Зі зростанням навантаження коефіцієнт ефективності покращується.

Синхронний двигун:

Швидкість синхронного двигуна строго пропорційна частоті живлення і залишається сталою при синхронній швидкості, незалежно від змін навантаження. Це забезпечує високу стабільність швидкості, що робить синхронні двигуни придатними для застосувань, де потрібен точний контроль швидкості.

Характеристика момент-швидкість синхронного двигуна є вертикальною лінією, що означає, що він може надавати сталу величину моменту при синхронній швидкості без жодних змін швидкості. Якщо навантаження перевищує максимальну величину моменту двигуна, двигун втратить синхронізацію і зупиниться.

Синхронні двигуни можуть контролювати коефіцієнт ефективності, регулюючи струм екситації, що дозволяє їм працювати в капацитивному або індуктивному режимах. Ця особливість робить синхронні двигуни корисними для покращення коефіцієнта ефективності електричної мережі.

3. Динамічні характеристики відгуку

Асинхронний двигун:

Динамічний відгук асинхронного двигуна є відносно повільним, особливо при раптових змінах навантаження. Через інерцію ротора та електромагнітну інерцію, є затримка часу для того, щоб двигун адаптувався до нових умов навантаження. Ця затримка може спричинити флуктуації швидкості, особливо в важких навантаженнях або при частих пусках-зупинках.

Діапазон керування швидкістю асинхронного двигуна обмежений, зазвичай досягається зміною частоти живлення (наприклад, за допомогою частотного регулятора). Однак, це може призвести до зниження моменту, особливо на низьких швидкостях.

Синхронний двигун:

Динамічний відгук синхронного двигуна є швидшим, особливо при зміні навантаження. Оскільки швидкість двигуна завжди синхронізована з частотою живлення, він може зберігати стабільну швидкість навіть при змінах навантаження. Крім того, відгук моменту синхронного двигуна є швидким, надаючи необхідний момент за короткий час.

Синхронні двигуни можуть регулювати момент та коефіцієнт ефективності, змінюючи струм екситації, що надає більш гнучке керування. Розроблені методи керування, такі як векторне керування або прямий контроль моменту (DTC), також можуть бути використані для досягнення точного керування швидкістю та моментом.

4. Перевантажувальна здатність та захист

Асинхронний двигун:

Асинхронні двигуни мають певну перевантажувальну здатність і можуть витримати 1,5-2 рази номінальне навантаження протягом короткого часу. Проте, довге перевантаження може призвести до перегріву, що пошкоджує ізоляційний матеріал. Тому асинхронні двигуни зазвичай оснащені пристроями захисту від перевантаження, такими як теплові реле або датчики температури, для запобігання перегріву.

Перевантажувальна здатність асинхронних двигунів залежить від їхнього проектування. Наприклад, двигуни з обмотаним ротором зазвичай мають кращу перевантажувальну здатність, ніж двигуни з клітинчатим ротором, оскільки струм ротора можна регулювати за допомогою зовнішніх резисторів.

Синхронний двигун:

Синхронні двигуни мають сильну перевантажувальну здатність, особливо ті, які мають системи екситації, які можуть витримати 2-3 рази номінальне навантаження протягом короткого часу. Проте, довге перевантаження також може призвести до перегріву.

Синхронні двигуни захищаються різними способами, включаючи захист від перевищення струму, захист від втрати синхронізації та захист від вади екситації. Захист від втрати синхронізації запобігає втраті синхронізації двигуна при надмірному навантаженні, а захист від вади екситації забезпечує правильну роботу системи екситації.

5. Сценарії застосування

Асинхронний двигун:

Асинхронні двигуни широко використовуються в промисловості, сільському господарстві та побутових приладах, особливо в застосуваннях, де не потрібен точний контроль швидкості. Приклади включають вентилятори, насоси та компресори.

Завдяки простій конструкції, невисокій вартості та легкості обслуговування, асинхронні двигуни часто є вибором для багатьох застосувань.

Синхронний двигун:

Синхронні двигуни придатні для застосувань, де потрібен точний контроль швидкості, таких як прецизійні металообробні машини, генератори та великі компресори. Їх здатність підтримувати сталу швидкість та надавати високий коефіцієнт ефективності робить їх цінними в енергетичних системах для покращення ефективності мережі.

Синхронні двигуни також широко використовуються в застосуваннях, де потрібен точний контроль швидкості та швидкий динамічний відгук, таких як сервосистеми та робототехніка.

Висновок

• Асинхронний двигун: високий стартовий струм, нижчий стартовий момент, швидкість трохи нижча за синхронну, повільніший динамічний відгук, придатний для загальних промислових та побутових застосувань.

• Синхронний двигун: характеристики пуску залежать від типу, строга синхронна швидкість, швидкий динамічний відгук, придатний для застосувань, де потрібен точний контроль швидкості та покращення коефіцієнта ефективності.