Zasada działania synchronicznego silnika elektrycznego

Konstrukcja i wzbudzenie silników synchronicznych

Silnik synchroniczny składa się z dwóch głównych elementów: statora (cząstka nieruchoma) i rotora (część obracająca się). Stator jest napędzany prądem trójfazowym przemiennym, podczas gdy rotor jest wzbudzany prądem stałym.

Zasada wzbudzenia:
Wzbudzenie oznacza proces indukowania pól magnetycznych zarówno w statorze, jak i w rotora, przekształcając je w elektromagnesy. To sprzężenie magnetyczne jest niezbędne do przekształcania energii elektrycznej w obrot mechaniczny.

Generowanie pola magnetycznego w silnikach synchronicznych

Trójfazowe zasilanie przemienne indukuje naprzemiennie bieguny północne i południowe w statorze. Ponieważ zasilanie jest sinusoidalne, jego fala zmienia polaryczność (pozytywną/negatywną) co pół okresu, powodując, że bieguny północne i południowe statora naprzemiennie się zmieniają. Powstaje w ten sposób obracające się pole magnetyczne w statorze.

Pole magnetyczne rotora jest tworzone przez zasilanie stałe, które ustala polaryczność i tworzy nieruchome pole magnetyczne — oznacza to, że jego bieguny północne i południowe pozostają stałe.

Prędkość obrotowa pola magnetycznego statora nazywana jest prędkością synchroniczną, która jest określana przez częstotliwość zasilania i liczbę biegunów silnika.

Oddziaływanie biegunów magnetycznych w silnikach synchronicznych

Gdy przeciwne bieguny statora i rotora są wyrównane, powstaje siła przyciągająca między nimi, generując moment obrotowy przeciwny do ruchu wskazówek zegara. Moment, będący obrotowym odpowiednikiem siły, sprawia, że rotor podąża za biegunami magnetycznymi statora.

Po każdym półokresie polaryczność biegunów statora odwraca się. Jednakże bezwładność rotora — jego skłonność do oporu przed zmianami ruchu — utrzymuje jego pozycję. Gdy jednakowe bieguny (północ-północ lub południe-południe) są wyrównane, powstaje siła odpychająca, tworząc moment obrotowy zgodny z ruchem wskazówek zegara.

Aby to zilustrować, rozważmy silnik dwubiegunowy: na rysunku poniżej, przeciwne bieguny statora i rotora (N-S lub S-N) indukują siły przyciągające, jak pokazano.

Po półokresie bieguny statora odwracają się. Ten sam biegun statora i rotora staje naprzeciwko siebie, a między nimi powstaje siła odpychająca.

Nieunikierunkowany moment pulsacyjny porusza rotor tylko w jednym miejscu, dlatego silnik synchroniczny nie jest samooczepny.

Mechanizm uruchamiania silników synchronicznych

Aby rozpocząć działanie, rotor jest początkowo zakręcony przez napęd zewnętrzny, wyrównując jego polaryczność z obracającym się polem magnetycznym statora. Gdy bieguny statora i rotora zaczynają się zacinać, powstaje unidirectionalny moment, pociągający rotor do obrotu z prędkością synchroniczną pola statora.

Po synchronizacji, silnik pracuje z stałą prędkością równą prędkości synchronicznej, która jest ustalona przez częstotliwość zasilania i liczbę biegunów.