str. 1

Temat: Silnik synchroniczny i jego właściwości ruchowe.
1. Silnik synchroniczny jest zbudowany podobnie jak prądnica, z tym że większość silników
ma zabudowaną w wirniku klatkę rozruchową umożliwiającą samoczynny rozruch.
W większości przypadków silniki synchroniczne są wykonywane jako maszyny z biegunami
jawnymi, a więc występuje w nich nie tylko moment synchroniczny, ale i moment
reluktancyjny.
Podstawową wadą silnika synchronicznego jest brak momentu rozruchowego. Dzieje się tak
dlatego, że przy nieruchomym wirniku wytworzony przez uzwojenie twornika strumień wirując
napotyka kolejno bieguny wirnika różnych znaków pociągając je raz w jednym raz w drugim
kierunku. Średnia wartość momentu obrotowego jest równa zeru i wirnik i wirnik nie może
ruszyć z miejsca.
2. Rozruch silników synchronicznych.
Rozruch silnika synchronicznego można przeprowadzać:



wykorzystując moment asynchroniczny silnika synchronicznego wytworzony przez
klatkę rozruchową i lity blok żelaza wirnika, po włączeniu silnika do sieci;
stosując pomocniczą maszynę napędową;
wykorzystując moment synchroniczny (tzw. rozruch częstotliwościowy)
a) Rozruch asynchroniczny
Silniki synchroniczne, dla których przewiduje się ten typ rozruchu, są wyposażone w klatkę
rozruchową (podobną do klatki wirnika silnika indukcyjnego klatkowego) umieszczoną
w nabiegunnikach. Klatka rozruchowa jest wykonana z brązu lub mosiądzu, w celu
powiększenia momentu rozruchowego. Silnik taki ma w wirniku dwa uzwojenia: wzbudzające
i klatki rozruchowej.
Po przyłączeniu twornika do sieci, w rozwartym uzwojeniu wzbudzającym indukowałoby się
napięcie, w początkowym okresie rozruchu wielokrotnie większe od znamionowego. Wynika
to stąd, że wirnik jest w pierwszej chwili nieruchomy, a więc pole wirujące wytworzone przez
przepływ stojana wirowałoby z bardzo dużą prędkością względem wirnika. Tak duże napięcie
stwarzałoby groźbę przebicia izolacji uzwojenia wzbudzającego i mogłoby być niebezpieczne
dla obsługi. Aby nie dopuścić do powstania przepięcia, należy zamknąć obwód wzbudzenia
przez odpowiednio dobraną rezystancję (rys. 7.38).
str.1 Po osiągnięciu przez silnik prędkości obrotowej, przy której poślizg s < 0,05, należy odłączyć
rezystancję przyłączoną do uzwojenia wzbudzającego i zasilić to uzwojenie napięciem. Pod
wpływem wytworzonego momentu synchronicznego silnik wchodzi w synchronizm, przy
czym przebieg zjawiska jest taki sam, jak przy włączaniu do sieci prądnicy metodą
samosynchronizacji. Jeżeli rozruch silnika odbywa się na biegu jałowym, to silnik może wejść
w synchronizm pod wpływem momentu reluktancyjnego i wtedy napięcie wzbudzenia włącza
się przy prędkości synchronicznej. Po włączeniu napięcia wzbudzenia należy nastawić prąd
wzbudzenia na wartość zbliżoną do wartości znamionowej, aby ewentualne zmiany
momentu obciążenia nie powodowały wypadnięcia silnika z synchronizmu.
Silnik synchroniczny podczas rozruchu asynchronicznego pobiera duży prąd rozruchowy,
niekiedy znacznie większy od znamionowego, który może powodować wahania napięcia
sieci oraz nadmierne nagrzewanie się silnika. Prąd rozruchowy ogranicza się takimi samymi
metodami, jak w silniku indukcyjnym (jeżeli pozwalają na to warunki rozruchu).
b) Rozruch za pomocą dodatkowej maszyny
Przy zastosowaniu rozruchu z dodatkową maszyną napędzającą, silnik synchroniczny
załącza się do sieci tak, jak prądnicę, a więc metodą synchronizacji dokładnej lub
samosynchronizacji. Ten sposób rozruchu, ze względu na konieczność stosowania
dodatkowych maszyn, jest kłopotliwy i dlatego jest stosowany bardzo rzadko.
c) Rozruch częstotliwościowy
Ten sposób rozruchu polega na zasilaniu uzwojenia twornika uruchamianego silnika
z oddzielnej prądnicy synchronicznej, której prędkość obrotową, a więc i częstotliwość,
zwiększa się od zera do prędkości synchronicznej. Jeżeli uzwojenie silnika jest zasilane przy
włączonym wzbudzeniu silnika, to przy powolnym uruchamianiu prądnicy i stopniowym
zwiększaniu jej prędkości, wirnik silnika będzie nadążać za wirnikiem prądnicy. Po
osiągnięciu prędkości obrotowej, odpowiadającej częstotliwości sieci, można włączyć cały
zespół do sieci, odłączając jednocześnie prądnicę rozruchową.
Do rozruchu częstotliwościowego można stosować zamiast prądnic synchronicznych
przetwornik częstotliwości.
3. Właściwości ruchowe silnika synchronicznego.
Właściwości silnika synchronicznego są analogiczne do właściwości prądnicy pracującej
w sieci sztywnej. Maszyna synchroniczna pracująca jako silnik jest obciążona momentem
oporowym o charakterze mechanicznym, czyli wirnik silnika jest hamowany względem
wirującego pola magnetycznego twornika, a więc kąt mocy silnika ma wartość ujemną.
Bardzo istotna właściwość silnika synchronicznego wiąże się z wpływem prądu wzbudzenia
na pracę silnika. Pole magnetyczne wirnika wytwarza w stojanie sem Ef, która jest
skierowana przeciwnie do napięcia doprowadzonego. Pod wpływem różnicy między
napięciami a sem Ef płynie prąd. W silnikach synchronicznych wartość strumienia
magnetycznego, a więc i sem Ef, zależy od prądu wzbudzenia. Przy odpowiednim prądzie
możemy uzyskać sem Ef nawet większą od napięcia zasilającego.
Jeżeli silnik pobiera z sieci prąd będący w fazie z napięciem, to mówimy, że jest wzbudzony
normalnie. Jeżeli prąd jest opóźniony, to silnik będzie niedowzbudzony, jeśli zaś prąd będzie
wyprzedzał napięcie, to silnik będzie przewzbudzony. Tę właściwość silnika synchronicznego
wykorzystuje się do poprawienia współczynnika mocy w sieci.
str.2 Silnik synchroniczny zasilany z sieci sztywnej (U = const, f = const), utrzymuje w całym
zakresie obciążeń, aż do wypadnięcia z synchronizmu, stałą prędkość obrotową równą
prędkości synchronicznej (prędkość pola wirującego).
Prędkość wirowania wirnika musi być równa prędkości wirowania pola (jest to warunek
powstawania momentu obrotowego).
Charakterystyka mechaniczna silnika synchronicznego n = f(M) jest więc linią prostą
(rys. 7.40).
Analizując wpływ zmian napięcia zasilającego U na pracę silnika synchronicznego, należy
stwierdzić, że moment silnika zależy liniowo od napięcia zasilającego przy stałym prądzie
wzbudzenia. Dlatego przy wahaniach napięcia w sieci zasilającej silnik synchroniczny
wykazuje mniejszą tendencję do wypadania z synchronizmu niż silnik indukcyjny do
zatrzymania się. Znajomość mocy znamionowej i przeciążalności silnika pozwala określić
moc maksymalną (moment maksymalny), jaką można obciążyć silnik. Obciążenie silnika
mocą większą niż moc maksymalna spowoduje wypadnięcie silnika z synchronizmu i jego
zatrzymanie.
Typowym przykładem zastosowań silników synchronicznych są napędy w hutnictwie
i górnictwie, w energetyce (sprężarki) oraz w technice okrętowej (napęd śrub okrętowych).
str.3