Rodzaje silników prądu zmiennego (Silniki synchroniczne)

Silnik synchroniczny to silnik, w którym prędkość wirowania wirnika jest synchroniczna z prędkością wirowania pola magnetycznego.

Budowa

Podobnie jak w silniku asynchronicznym, silnik ten zwykle posiada trójfazowe uzwojenie stojana, wytwarzające kołowe pole wirujące. Różnice występują w wirnikach tych silników. Starsze rozwiązania budowy silników synchronicznych zakładają, że wirnik wykonany jest w postaci uzwojenia nawiniętego na rdzeniu i zasilanego, za pośrednictwem pierścieni ślizgowych i szczotek, z źródła prądu stałego lub przemiennego. Wirniki te wykonuje się w dwojaki sposób, jako: wirniki cylindryczne (z utajonymi biegunami) lub wirniki z biegunami jawnymi.

Każdy biegun posiada własne uzwojenie nawinięte na rdzeniu bieguna Poprzez nadawanie odpowiedniego kształtu nabiegunnikom uzyskuje się odpowiedni rozkład indukcji na obwodzie wirnika.

Wirniki z biegunami jawnymi stosuje się zwykle w maszynach dużych mocy i ze względu na konstrukcję (znacznie ograniczona wytrzymałość mechaniczna na siły odśrodkowe). W maszynach osiągających niezbyt duże prędkości obrotowe. Najczęstsze zastosowania tej konstrukcji to silniki i wolnoobrotowe prądnice napędzane turbinami wodnymi(hydrogeneratory)

 

Czterobiegunowy wirnik jawny 

 Uzwojenie wzbudzenia wirnika cylindrycznego umieszcza się w wyfrezowanych w stalowym korpusie żłobkach i zabezpiecza się przed wypadnięciem ze żłobków za pomocą klinów. Uzwojenie to zajmuje tylko część obwodu wirnika (około 2/3 obwodu).

Wirniki takie są droższe od jawnobiegunowych, ale ze względu na dużą wytrzymałość mechaniczną są stosowane w maszynach osiągających większe prędkości obrotowe. Konstrukcja ta znajduje zastosowanie np. w szybkoobrotowych prądnicach (turbogeneratorach) osiągających z reguły prędkość 3000 obr/min napędzanych turbinami parowymi lub wodnymi.

dwubiegunowy wirnik cylindryczny (o biegunach utajonych)

 Ostatnio jednak coraz częściej stosuje się maszyny z wzbudzeniem magnetoelektrycznym w których wirnik zamiast uzwojenia ma zamontowane magnesy trwałe.

 Specjalne magnesy wykonane z odpowiednich stopów metali zamontowane są na powierzchni wirnika. Dzięki takiej konstrukcji uzyskuje się relatywnie dużą wartość momentu obrotowego przy stosunkowo małym momencie bezwładności wirnika.

 czterobiegunowy wirnik z magnesami przyklejonymi promieniowo

 

Zasada działania

Po zasileniu uzwojeń stojana, wytworzone zostanie w nim wirujące pole magnetyczne. Jeżeli wyobrazić sobie to pole jako wirująca parę biegunów, to nieobciążony namagnesowany wirnik ustawi się w osi pola stojana i zacznie wirować wraz z tym polem synchronicznie. Siły działające między tak przedstawionymi biegunami mają kierunki promieniowe, więc nie dają żadnego momentu obrotowego. Jeżeli wirnik obciążony zostanie momentem hamującym spóźni się nieznacznie względem wirującego pola. W ten sposób oś wirnika nie będzie się juz pokrywać z osią stojana a więc siły działające między biegunami spowodują powstanie momentu mechanicznego, który przeciwstawi się momentowi hamującemu. Zmiany obciążenia nie powodują zmian prędkości obrotowej wirnika (jak to ma miejsce w silniku asynchronicznym). Wirnik zarówno w stanie jałowym (bez obciążenia) jak i przy obciążeniu obraca się ze stałą prędkością, równą prędkości wirowania pola magnetycznego (z prędkością synchroniczną). Jeżeli jednak moment obciążenia będzie większy niż maksymalny moment elektromagnetyczny silnika (jeżeli kąt pomiędzy osią stojana i wirnika przekroczyłby 90°), wówczas maszyna wypadnie z synchronizmu i po pewnym czasie zatrzyma się.

 Rozruch
 Jedna z wad silnika synchronicznego jest fakt, że nie potrafi on samoczynnie wystartować z miejsca po  zasileniu uzwojeń stojana z sieci. Podanie napięcia na stojan powoduje powstanie pola wirującego, które  wywołuje przemienny moment obrotowy działający na wirnik. Ze względu na zbyt dużą częstotliwość zmian  tego momentu wobec bezwładności wirnika, nie jest on w stanie ruszyć z miejsca

 Wartość średnia momentu rozruchowego wirnika silnika synchronicznego jest równa zero.

Istnieje kilka możliwości radzenia sobie z tą niedogodnością. Jedna z nich jest zastosowanie dodatkowej maszyny, która rozpędziłaby wirnik silnika synchronicznego. Rolę takiej maszyny mógłby pełnić dodatkowy silnik asynchroniczny lub silnik prądu stałego, ale raczej tego rozwiązania nie stosuje się w praktyce. Innym sposobem uruchomienia silnika synchronicznego jest skorzystanie z rozwiązania stosowanego dla silników asynchronicznych. W nabiegunnikach wirnika umieszcza się klatkę rozruchową najczęściej utworzoną z miedzianych prętów, podobną do klatki z w wirniku silnika asynchronicznego klatkowego. Silnik synchroniczny startując tak jak silnik asynchroniczny, osiąga prędkość zbliżoną do prędkości synchronicznej. Jeżeli po osiągnięciu takiej prędkości zasili się obwód wzbudzenia prądem stałym pozwoli to wirnikowi wejść w synchronizm i dalej poruszać się z prędkością synchroniczną.
 Obecnie najlepszym rozwiązanie służącym do uruchamiania silników synchronicznych wydaje się zastosowanie specjalnych elektronicznych przemienników częstotliwości (falowników) które pozwalają na systematyczne zwiększanie częstotliwości napięcia zasilania uzwojeń stojana co pozwala na stopniowe rozpędzenie wirnika. W przypadku silników z magnesami trwałymi jest to w zasadzie jedyne rozwiązanie.