M - t-net.com.pl

Temat:
SILNIKI SYNCHRONICZNE
W UKŁADACH AUTOMATYKI
Zagadnienia:
• praca silnikowa prądnicy synchronicznej
• silnik o magnesach trwałych (permasyn)
• silnik reluktancyjny
• silnik histerezowy
1
SILNIKI SYNCHRONICZNE
Co to jest silnik synchroniczny?
Silnik synchroniczny - maszyna prądu przemiennego, w której wirnik
wiruje w stanie ustalonym z tą samą prędkością co pole magnetyczne
stojana
60 ⋅ f
n=
p
n − prędkość wirowania wirnika [obr/min],
f − częstotliwość prądu w uzwojeniach stojana [Hz],
p – liczba par biegunów.
Silniki synchroniczne stosuje się tam gdzie potrzebna jest stała prędkość
obrotowa. Jest to główna zaleta tych silników.
Podstawową zaś wadą jest brak momentu rozruchowego i kołysanie wirnika w
stanach nieustalonych.
Jeżeli w maszynie synchronicznej pracującej prądnicowo, równolegle
z siecią sztywną, zmniejszymy moc doprowadzoną do wału to wówczas pracuje
ona jako silnik synchroniczny.
2
MOC I MOMENT MASZYNY SYNCHRONICZNEJ
Em
Xs
XX
R
UXs
UXx
UR
E
I
U Z
Xs -reaktancja rozproszenia
XX -reaktancja uzwojenia stojana
R - rezystancja uzw. stojana
Z - impedancja obciążenia
Schemat zastępczy obciążonej prądnicy
nienasyconej z biegunami utajonymi
3
MOC I MOMENT MASZYNY SYNCHRONICZNEJ
XX
Xs
UXs
Em
UXx
R
I
U Xs + U Xx = U X = I ⋅ X
UR
U Z
E
Εm
A
ϕ
U
X
Em = U + UX + UR
U
Φwyp
X >> R
Moc wyjściowa
maszyny synchronicznej
P = 3UI cos ϕ
Φm
ϑ ϕ
ϑ
AB
= cos ϕ z trójkąta OAB AB = E sin ϑ
z trójkąta ABC
m
UX
B
C
I
D
90
O
E
E
P = 3UI m sin ϑ = 3U m sin ϑ ponieważ
UX
X
2πf
P
ω
=
i
M=
p
ω
3p
UE m sin ϑ = M m sin ϑ
to moment synchroniczny jest równy M =
2πf ⋅ X
4
MOC I MOMENT MASZYNY SYNCHRONICZNEJ
M
Mm
M
Ms
90
ϑ[
]
Charakterystyka kątowa maszyny synchronicznej
dM
= M s = M m cos ϑ
dϑ
Ms - moment synchronizujący
5
ZASADA DZIAŁANIA SILNIKA SYNCHRONICZNEGO
ϑ
n1
S
N
S
N
n
S
N
Przy idealnym
biegu jałowym
Moment synchroniczny
silnika
n1
n
S
N
Pod obciążeniem
3 ⋅ p U ⋅ Em
M=
sin ϑ
2⋅π⋅f X
ϑ - kąt między osią magnetyczną pola stojana a osią geometryczną wirnika
X- reaktancja wypadkowa
Em-napięcie indukowane przez strumień
U - napięcie uzwojenia stojana
6
PRACA SILNIKOWA PRĄDNICY SYNCHRONICZNEJ
W nieruchomym silniku istnieje pole wirujące stojana i stałe (nieruchome) pole
magnetyczne wirnika. Powstający zmienny moment obrotowy (którego średnia wartość
w ciągu jednego obrotu jest równa zeru) nie jest w stanie wprowadzić w ruch obrotowy
wirnik o dość dużym momencie bezwładności.
Podstawową wadą silnika synchronicznego o budowie klasycznej
jest brak momentu rozruchowego
Metody rozruchu silnika synchronicznego:
* rozruch asynchroniczny (najczęściej stosowany)
* rozruch z dodatkowym silnikiem napędowym (sporadycznie)
* rozruch częstotliwościowy (w specjalnych przypadkach-napęd śrub okrętowych)
7
SILNIK SYNCHRONICZNY O MAGNESACH TRWAŁYCH
Permasyny - silniki synchroniczne małej mocy mające na wirniku zamiast
wzbudzenia elektromagnetycznego wzbudzenie magnetyczne od magnesów trwałych
Oprócz permasynów jako silniki małej mocy stosowane są silniki reluktancyjne,
histerezowe oraz silniki skokowe.
2
N
S
3
S
N
Silnik synchroniczny (Mirella)
1 - magnes trwały
2 - blacha wirnika
3 - głęboki żłobek
M=
1
m UE m
sin ϑ
ωs X
U- napięcie zasilania uzw. stojana
Em - napięcie indukowane w uzwojeniu
stojana
m - liczba faz uzwojenia stojana
ωs - synchroniczna prędkość kątowa
8
ZASADA POWSTAWANIA MOMENTU RELUKTANCYJNEGO
Φ
Mr
z⋅I
Θ
Φ=
=
Rm Rm
l
Rm =
µ ⋅S
N
Mr
ϑ
S
90
180
ϑ[
]
ϑ- kąt między osią magnetyczną pola stojana a osią geometryczną wirnika
Mr - moment reluktancyjny
Rm- reluktancja obwodu magnetycznego
Θ- przepływ (siła magnetomotoryczna)
9
WIRNIK SILNIKA RELUKTANCYJNEGO
Wirnik silnika reluktancyjnego o dwóch parach biegunów (p=2)
3
2
2
1
1- materiał niemagnetyczny
2 - rdzeń ferromagnetyczny
3 - pręty klatki
10
KOŁYSANIE WIRNIKA SILNIKA SYNCHRONICZNEGO
ϑ1
N
ϑ2 ϑ
2
ϑ2
ωs
ωs +∆ω
m U2  1
1 
Mr =
−

 sin 2ϑ
ωs 2  X q X d 
Xd- reaktancja synchroniczna podłużna
odpowiadająca permeancji Λd na drodze
reakcji podłużnej wirnika
i permeancji ΛX dróg strumieni roozproszenia
Xq - reaktancja synchroniczna poprzeczna
w stanie ustalonym M r = M o1 przy
ωs +∆ω
ωs
Mr - moment reluktancyjny
Mo - moment obciążenia
jeżeli nagle zmniejszymy obciążenie to M r > M o 2
najpierw
S
ϑ = ϑ1
następnie
ϑ'2 < ϑ2
i
M r < M o2
ϑ"2 > ϑ2 i wtedy M r > M o 2
aż nastąpi nowy stan ustalony przy
ϑ = ϑ2
11
KOŁYSANIE WIRNIKA SILNIKA SYNCHRONICZNEGO
M
M
0
Jeżeli silnik zostanie wyprowadzony
z położenia równowagi
stabilnej (0) przez siłę zewnętrzną,
to będzie działał na niego moment
m
ϑ1
ϑ[
M
1
t=0
] Nadający wirnikowi przyspieszenie
&&
ϑ
Ruch wirnika opisuje wtedy równanie
&& + M m sin ϑ = 0
ϑ
J
Dla małych kątów ϑ
Dla
M (ϑ) = − M m ⋅ sin ϑ
&& + M m ⋅ ϑ = 0 -równanie oscylatora harmonicznego
ϑ
J
, ϑ = ϑ0
&& = 0
i ϑ
to położenie kątowe wirnika w danej chwili czasowej będzie opisywała zależność
ϑ = ϑ0 ⋅ cos(ωo t )
gdzie
ωo =
p ⋅ Mm
J
pulsacja drgań własnych wirnika
12
SILNIK RELUKTANCYJNY
Zalety:
1. Prosta budowa
2. Niska cena
3. Stała prędkość obrotowa
Wady:
1. Brak momentu rozruchowego
2. Mały cosϕ
3. Mała sprawność
4. Kołysanie wirnika
13
SILNIK SYNCHRONICZNY HISTEREZOWY
1
µ1
µ2
2
Przekrój wirnika:
1 - materiał magnetycznie twardy
2 - dia lub ferromagnetyk
1 - tarcza łożyskowa
2 - rdzeń ferro lub diamagnetyczny
3 - materiał histerezowy
4 - uzwojenie stojana
5 - obwód magnetyczny stojana
6 - korpus
7 - wał silnika
14
PORÓWNANIE Hc RÓŻNYCH MATERIAŁÓW
MAGNETYCZNYCH
Lp
1
2
3
4
5
6
7
8
Materiał
Stal krzemowa
Stop Alnico
Ferryt magnetycznie twardy
Ferryt magnetycznie miękki
Permaloy
Materiał „histerezowy”
Stop SmCo5
NdFeB
Hc
kA/m
0,032
48
120
0,024
0,004
1,2-16
705
860
Oe
0,4
600
1500
0,3
0,05
15-200
8812,5
10750
B
1
2
3
-H
H
-B
Porównanie pętli histerezy
magnetycznej:
1-idealny kształt
2- materiał magnetycznie twardy
3- materiał magnetycznie miękki
15
ZASADA DZIAŁANIA SILNIKA SYNCHRONICZNEGO
HISTEREZOWEGO
N
Fr
ϑ
s
n
s
n
N
Fs
ϑ
ωs
s
n
S
F
S
Fs
s
n
F
Fr
ωs
Moment histerezowy
Mh =
V- objętość materiału histerezowego;
Ph - stratność jednostkowa materiału histerezowego przypadająca na
jednostkę objętości i 1 cykl przemagnesowania
Φs, Φw - strumień stojana i wirnika
1
⋅ V ⋅ Ph
2π
16
SILNIK HISTEREZOWY
Zalety:
1. Duży moment rozruchowy
i synchronizujący
2. Płynne wejście w synchronizm
3. Cicha praca
4. Prosta konstrukcja
5. Duża niezawodność
Wady:
1. Mały cosϕ (0,3- 0,45)
2. Kołysanie wirnika
17
18