موتورهای سنکرون توضیح داده شده: اصل کار، انواع و موارد استفاده

موتورهای الکتریکی سنکرون: بررسی اجمالی

موتورهای الکتریکی سنکرون موتورهای AC هستند که در آنها روتور دقیقاً با همان سرعت میدان مغناطیسی دوار تولید شده توسط استاتور - از این رو "همزمان" - به جای عقب ماندن کمی از آن، همانطور که در طراحی موتورهای القایی (ناهمزمان) رایج تر اتفاق می افتد، می چرخد. این تطابق دقیق سرعت به این دلیل حاصل می شود که خود روتور مغناطیسی شده است از طریق آهنرباهای دائمی، سیم پیچ میدان برانگیخته بیرونی، یا روش مغناطیسی دیگر، که باعث می شود در هماهنگی دقیق با میدان مغناطیسی در حال چرخش استاتور قفل شود و بچرخد.

از آنجایی که سرعت روتور مستقیماً به فرکانس منبع تغذیه AC و تعداد قطب های موتور وابسته است، موتورهای سنکرون کنترل سرعت بسیار دقیق و پایداری را ارائه می دهند که با بار تغییر نمی کند، نحوه سرعت موتور القایی را تغییر می دهد - خاصیتی که استفاده از آنها را در کاربردهایی که سرعت دقیق و ثابت به اندازه تحویل توان خام اهمیت دارد، هدایت می کند.

اصل کار موتور سنکرون

سیم‌پیچ‌های استاتور، که توسط منبع AC انرژی می‌گیرند، یک میدان مغناطیسی دوار ایجاد می‌کنند که با سرعتی که توسط فرکانس تغذیه و تعداد قطب‌های استاتور تعیین می‌شود، اطراف موتور را می‌چرخاند. میدان مغناطیسی خود روتور روی این میدان استاتور در حال چرخش قفل می شود ، اساساً توسط جاذبه مغناطیسی "کشیده می شود" به طوری که روتور دقیقاً با همان سرعت چرخشی خود میدان استاتور می چرخد - به این سرعت سرعت سنکرون می گویند و بدون توجه به بار ثابت می ماند، مشروط بر اینکه موتور در توانایی خود برای حفظ آن قفل باقی بماند.

از آنجایی که روتور به میدان مغناطیسی خود نیاز دارد تا روی میدان دوار استاتور قفل شود، موتورهای سنکرون (غیر از طرح‌های آهنربای دائمی خود راه‌انداز) معمولاً به یک روش راه‌اندازی خارجی نیاز دارند، زیرا روتور مغناطیسی ثابت به طور طبیعی گشتاور راه‌اندازی را در برابر میدان دوار ایجاد نمی‌کند، همانطور که روتور جریان القایی موتور القایی انجام می‌دهد.

انواع موتورهای سنکرون

موتور سنکرون مغناطیس دائم (PMSM)

طراحی PMSM آهنرباهای دائمی با استحکام بالا (معمولاً آهنرباهای خاکی کمیاب مانند نئودیمیم) را مستقیماً روی روتور تعبیه می کند یا روی سطح نصب می کند و نیاز به سیم پیچی روتور، حلقه های لغزش یا منبع تحریک خارجی را که موتورهای سنکرون روتور-روتور به آن نیاز دارند، از بین می برد. این طراحی به طور قابل توجهی کارایی را بهبود می بخشد از آنجایی که هیچ افت مقاومتی در سیم‌پیچ‌های روتور وجود ندارد و نیازی به نیروی تحریک نیست، در حالی که با حذف حلقه لغزش و مجموعه برس که طراحی‌های روتور پیچشی به آن بستگی دارد، نیازهای تعمیر و نگهداری کاهش می‌یابد.

PMSMها به دلیل این مزیت کارایی و قابلیت اطمینان، به نوع موتور سنکرون غالب در کاربردهای خودروهای صنعتی و الکتریکی با راندمان بالا تبدیل شده‌اند، اگرچه هزینه و در برخی موارد، در دسترس بودن مواد آهنربایی خاکی کمیاب یک ملاحظات عملی در طراحی و منبع PMSM است.

اصول موتور سنکرون AC

همه موتورهای سنکرون، طبق تعریف، موتورهای AC هستند، زیرا مکانیسم همگام سازی به طور خاص به قفل کردن سرعت روتور به میدان دوار تولید شده توسط منبع AC بستگی دارد. سرعت سنکرون مستقیماً از فرکانس منبع AC و تعداد قطب های موتور محاسبه می شود - یک موتور متصل به منبع AC با فرکانس ثابت با سرعت ثابتی کار می‌کند که کاملاً توسط این رابطه تعیین می‌شود، که مبنای استفاده از موتورهای سنکرون در کاربردهای سرعت ثابت است و چرا کاربردهای موتور سنکرون با سرعت متغیر به یک درایو فرکانس متغیر برای تغییر فرکانس تغذیه که موتور می‌بیند نیاز دارد.

کاربردهای موتور سنکرون

• تجهیزات فرآیند صنعتی نیاز به سرعت دقیق و ثابت بدون توجه به تغییرات بار - کمپرسورها، پمپ‌های بزرگ و محرکه‌های خط فرآیند
• تصحیح ضریب توان در سیستم های الکتریکی صنعتی، استفاده از موتورهای سنکرون بیش از حد برانگیخته (کندانسورهای سنکرون) برای تامین توان راکتیو
• خودروهای الکتریکی و پیشرانه های هیبریدی، که در آن طرح های PMSM راندمان بالا و کنترل دقیق گشتاور را ارائه می دهند
• رباتیک و کنترل حرکت دقیق، که در آن سرعت دقیق و قابل پیش بینی و پاسخ موقعیت اهمیت دارد
• ساعت، تایمر و ابزار دقیق از لحاظ تاریخی با تکیه بر رابطه ثابت موتورهای سنکرون بین فرکانس عرضه و سرعت چرخش
• کاربردهای بزرگ تولید برق، که در آن ماشین های سنکرون نیز به عنوان ژنراتورهای مرتبط با فرکانس شبکه عمل می کنند

موتورهای سنکرون برای کاربردهای صنعتی

تأسیسات صنعتی به ویژه در کاربردهایی که پایداری سرعت مستقل از بار مستقیماً بر کیفیت محصول یا سازگاری فرآیند تأثیر می‌گذارد، ترجیح می‌دهند - یک درایو کارخانه کاغذ یا یک کمپرسور بزرگ که با سرعتی دقیقاً ثابت کار می‌کند، از تغییرات ظریف سرعت تحت بار که یک موتور القایی نشان می‌دهد جلوگیری می‌کند، که می‌تواند برای فرآیندهای حساس به کنترل دقیق سرعت اهمیت زیادی داشته باشد. موتورهای سنکرون بزرگ نیز اغلب به طور خاص برای قابلیت تصحیح ضریب توانشان استفاده می شوند از آنجایی که یک موتور سنکرون بیش از حد برانگیخته می‌تواند توان راکتیو پیشرو را برای سیستم الکتریکی تامین کند، ضریب قدرت تاخیری را که بارهای موتور القایی بزرگ در نقاط دیگر تاسیسات ایجاد می‌کنند، جبران می‌کند - ضمن اینکه فایده دوگانه را از رانندگی بار مکانیکی فراهم می‌کند و در عین حال ضریب توان کلی تسهیلات را نیز بهبود می‌بخشد.

موتورهای الکتریکی با راندمان بالا و فناوری موتورهای کارآمد انرژی

موتورهای سنکرون، به‌ویژه طرح‌های PMSM، در خط مقدم فناوری موتورهای با راندمان بالا قرار دارند، زیرا تلفات مقاومتی روتور (تلفات لغزش) مربوط به عملکرد موتور القایی را از بین می‌برند - جریان روتور موتور القایی از تفاوت بین سرعت میدان استاتور و سرعت روتور القا می‌شود، و این جریان القایی به طور ذاتی تلفات حرارتی مغناطیسی مجدد موتور القایی را ایجاد می‌کند. به طور کامل اجتناب می کند. این مزیت بهره وری در شرایط بار جزئی ترکیب می شود ، که در آن طرح‌های PMSM اغلب راندمان بالاتری نسبت به موتورهای القایی دارند که معمولاً بازدهی آنها در زیر بار نامی کامل کاهش می‌یابد.

استانداردهای راندمان نظارتی در بسیاری از مناطق، پذیرش فناوری موتور سنکرون را در کاربردهایی که قبلاً تحت سلطه موتورهای القایی بود، تسریع کرده‌اند، زیرا برآوردن الزامات راندمان سخت‌گیرانه‌تر با طراحی PMSM اغلب ساده‌تر از پیشرفت‌های افزایشی در طراحی موتورهای القایی به تنهایی است.

کاربردهای موتور با سرعت ثابت

عملکرد سرعت ثابت یکی از مشخص‌ترین ویژگی‌های عملی موتورهای سنکرون است – از آنجایی که سرعت روتور مستقیماً برای فرکانس تأمین قفل می‌شود، به‌جای اینکه با بار به روش لغزش موتور القایی حرکت کند، موتورهای سنکرون سرعت ثابت واقعی را در سراسر محدوده بار کامل خود تا نقطه خروج ارائه می‌کنند. این امر آنها را به انتخاب طبیعی برای برنامه هایی تبدیل می کند که ثبات سرعت مستقیماً بر کیفیت خروجی تأثیر می گذارد مانند پردازش نساجی، ماشین‌های چاپ، و برخی کاربردهای دوک ماشین ابزار، که در آن‌ها حتی تغییرات کوچک سرعت تحت تغییر بار می‌تواند باعث ایجاد ناهماهنگی در محصول نهایی شود.

مزایای موتور سنکرون

• کنترل سرعت دقیق و مستقل از بار: سرعت بر فرکانس عرضه بدون توجه به بار، تا حد گشتاور خروجی ثابت می ماند
• راندمان بالا، به ویژه در طرح های PMSM: از تلفات مقاومتی روتور ناشی از موتورهای القایی جلوگیری می کند
• تصحیح ضریب توان capability: موتورهای سنکرون بیش از حد برانگیخته می توانند توان راکتیو را برای سیستم الکتریکی تامین کنند
• عملکرد قوی در بار جزئی: طرح های PMSM اغلب بازدهی بهتری نسبت به موتورهای القایی در شرایط بار کاهش یافته حفظ می کنند
• کاهش تعمیر و نگهداری در طرح های PMSM: بدون سیم پیچ روتور، حلقه های لغزنده یا برس برای پوشیدن یا سرویس

این مزایا با معاوضه‌هایی همراه است که ارزش مقایسه با الزامات کاربرد دارند - موتورهای سنکرون (غیر از انواع خودراه‌انداز) عموماً به ترتیبات راه‌اندازی پیچیده‌تر یا کنترل درایو با فرکانس متغیر نسبت به یک موتور القایی ساده نیاز دارند، و طرح‌های PMSM هزینه مواد اولیه بالاتری را به دلیل محتوای آهنربای دائمی دارند، به این معنی که راندمان و مزیت‌های دقت لازم برای توجیه این سوال سرمایه‌گذاری اضافی برای دلار است.