Wybór między silnikiem synchronicznym a silnikiem indukcyjnym sprowadza się do tego, w jaki sposób każda maszyna wytwarza moment obrotowy i jak ściśle synchronizuje się z częstotliwością sieci.
Silnik synchroniczny pracuje dokładnie z prędkością ustaloną przez częstotliwość zasilania i liczbę par biegunów, bez poślizgu, podczas gdy silnik indukcyjny zawsze pracuje nieco wolniej od prędkości synchronicznej, ponieważ do wytworzenia prądu wirnika potrzebny jest poślizg.
Ta jedna różnica determinuje prawie wszystkie praktyczne różnice między nimi: wzbudzenie, zachowanie współczynnika mocy, metoda rozruchu, sprawność i zastosowania na hali produkcyjnej.
Silnik indukcyjny (zwany też asynchronicznym) działa wyłącznie na zasadzie działania transformatora. Uzwojenie stojana, zasilane z trójfazowej sieci, tworzy wirujące pole magnetyczne z prędkością synchroniczną N_s = 120f/P, gdzie f to częstotliwość sieci w Hz, a P to liczba biegunów.
To wirujące pole przecina pręty wirnika i indukuje w nich prąd przez sprzężenie wzajemne, dokładnie jak w uzwojeniu wtórnym transformatora. Indukowany prąd następnie oddziałuje z tym samym wirującym polem, wytwarzając moment obrotowy.
Ponieważ prąd może być indukowany w wirniku tylko wtedy, gdy istnieje względny ruch między wirnikiem a polem, wirnik musi zawsze obracać się wolniej niż N_s. Ta różnica prędkości to poślizg, s = (N_s - N_r)/N_s, typowo 1, 5% przy obciążeniu znamionowym dla standardowych silników klatkowych.
Silnik synchroniczny wytwarza moment inaczej. Jego wirnik ma albo wzbudzenie prądem stałym, albo magnesy trwałe, więc generuje własne niezależne pole magnetyczne zamiast polegać na indukcji. Gdy wirnik zablokuje się w synchronizmie z wirującym polem stojana, oba pola magnetycznie się przeplatają i obracają dokładnie z tą samą prędkością, stąd nazwa „synchroniczny”.
W stanie ustalonym nie ma poślizgu. Jeśli moment obciążenia przekroczy maksymalny moment wyrwania z synchronizmu, wirnik wypada z kroku i zatrzymuje się, zamiast po prostu zwolnić, to kluczowa różnica eksploatacyjna w porównaniu z maszyną indukcyjną.
Wzbudzenie jest najjaśniejszym podziałem konstrukcyjnym między obydwoma rozwiązaniami.
Prąd wzbudzenia DC w synchronicznym silniku z uzwojeniem wzbudzającym jest „uchwytem” do sterowania mocą bierną. Zwiększanie prądu wzbudzenia przewzbudza maszynę i sprawia, że z punktu widzenia zasilania zachowuje się jak element pojemnościowy; zmniejszanie go powoduje niedowzbudzenie i zachowanie indukcyjne. To jest podstawa charakterystycznego przebiegu „V-curve”, z którego znane są silniki synchroniczne.
To największa pojedyncza zaleta silników synchronicznych nad indukcyjnymi. Silnik indukcyjny zawsze pobiera bierną moc indukcyjną (opóźnioną) do wytworzenia pola magnetycznego, zwykle pracując przy współczynniku mocy 0,80, 0,90 (opóźniony) przy obciążeniu znamionowym i znacznie gorzej przy częściowym obciążeniu.
Silnik synchroniczny z kolei może być przewzbudzony, by pracować przy współczynniku mocy wyprzedzającym albo dokładnie jedności, skutecznie działając jako wirujący bank kondensatorów, jednocześnie wykonując pracę mechaniczną.
Duże silniki synchroniczne są rutynowo specyfikowane przy 0,8 wyprzedzająco wyłącznie po to, aby skorygować współczynnik mocy całej stacji zasilającej zespół odbiorników indukcyjnych, unikając kar ze strony zakładu energetycznego bez instalacji oddzielnych kondensatorów.
Silniki indukcyjne są z natury zdolne do samostartowania: natychmiast po przyłożeniu napięcia poślizg wynosi 100% i moment pojawia się natychmiast, choć prąd rozruchowy może osiągać 5, 8-krotność prądu znamionowego (litery kodowe przy zablokowanym wirniku według NEMA MG 1). Metody rozruchu takie jak gwiazda-trójkąt, autotransformator, miękki rozruch lub falowniki stosuje się głównie w celu ograniczenia tego prądu rozruchowego i wstrząsu mechanicznego związanego z rozruchem przy pełnym napięciu.
Silniki synchroniczne nie mogą same wystartować ze wzbudzonym wirnikiem DC ani z wirnikiem z magnesami trwałymi do prędkości synchronicznej, ponieważ nieruchome pole wirnika i wirujące pole stojana dają zerowy średni moment startowy. Praktyczne metody rozruchu obejmują:
Silniki synchroniczne utrzymują dokładnie stałą prędkość niezależnie od obciążenia, aż do granicy momentu wyrwania z synchronizmu, która zwykle mieści się między 150% a 250% momentu znamionowego w zależności od konstrukcji. Czyni to je naturalnym wyborem tam, gdzie wiele napędów musi pozostawać w precyzyjnym stosunku lub fazie, np. zsynchronizowane sekcje maszyny papierniczej czy zespoły sprężarek tłokowych.
Silniki indukcyjne wykazują spadek prędkości w miarę rosnącego obciążenia: poślizg wzrasta od około 0,5% przy lekkim obciążeniu do 3, 5% przy obciążeniu znamionowym w standardowym silniku NEMA Design B, co jest akceptowalne dla zdecydowanej większości pomp, wentylatorów i przenośników, lecz nie nadaje się tam, gdzie wiele wałów nie może względnie dryfować bez wspólnego odniesienia falownika.
Ponieważ poślizg generuje rzeczywiste straty w wirniku (strata miedziana wirnika jest proporcjonalna do poślizgu razy moc szczeliny powietrznej), ma on też bezpośredni sygnaturowy charakter dla utrzymania: narastający poślizg przy stałym obciążeniu jest jednym z najwcześniejszych wskaźników uszkodzenia prętów wirnika, a porównywanie mierzonego poślizgu z wartością na tabliczce znamionowej jest standardową diagnostyką omawianą obok metod wykrywania uszkodzonych prętów wirnika.
Silniki synchroniczne, w szczególności konstrukcje PMSM, zwykle osiągają wyższą sprawność niż silniki indukcyjne o tym samym znamionowym obciążeniu, ponieważ eliminują straty I²R wirnika wynikające z prądu indukowanego (typy z PM) albo pozwalają dostroić pole do obciążenia (typy z uzwojeniem wzbudzającym).
Różnice w sprawności są najbardziej widoczne przy częściowym obciążeniu, gdzie sprawność silnika indukcyjnego spada szybciej z powodu stałego prądu magnesującego.
Norma IEC 60034-30-1 oraz klasy efektywności IE1 do IE4 odnoszą się do obu technologii, ale IE4 i powstająca klasa ultra-premium IE5 są zdominowane przez konstrukcje reluktancyjne synchroniczne i PMSM właśnie dlatego, że unikają strat wskutek poślizgu wirnika. Aby uzyskać pełne zestawienie granic klas i typowych pozycji poszczególnych konstrukcji, zobacz klasy efektywności silników IE.
| Charakterystyka | Silnik indukcyjny | Silnik synchroniczny |
|---|---|---|
| Prędkość wirnika | Poniżej N_s (poślizg 1, 5%) | Dokładnie N_s, brak poślizgu |
| Źródło pola wirnika | Prąd indukowany (działanie transformatora) | Uzwojenie wzbudzające DC lub magnesy trwałe |
| Rozruch | Samostartujący | Wymaga uzwojenia tłumiącego, silnika pomocniczego lub falownika |
| Współczynnik mocy | 0,80, 0,90 (opóźniony), zależny od obciążenia | Regulowany, od jedności do wyprzedzającego przez wzbudzenie |
| Typowy pułap klasy sprawności | IE3 do IE4 dla konstrukcji klatkowych | IE4 do IE5 (PMSM, reluktancyjne synchroniczne) |
| Zachowanie przy przeciążeniu | Zwaluje prędkość, rośnie poślizg, ostatecznie zatrzymuje się | Utrzymuje prędkość do momentu wyrwania z synchronizmu, potem gwałtownie zatrzymuje się |
| Względny koszt i złożoność | Niższy koszt, prostsze, mniej konserwacji | Wyższy koszt, wzbudnica/magnesy, bardziej złożone sterowanie |
| Typowe zastosowania | Pumpy, wentylatory, przenośniki, sprężarki, napędy ogólnego przeznaczenia | Duże zespoły sprężarkowe, korekcja współczynnika mocy, procesy wymagające precyzyjnej prędkości |
Wybierz silnik indukcyjny dla zdecydowanej większości napędów ogólnego przeznaczenia w zakładzie: pompy odśrodkowe, wentylatory, sprężarki poniżej kilku megawatów oraz przenośniki, gdzie odporność, niski koszt i prosta konserwacja przeważają nad umiarkowaną stratą sprawności i współczynnika mocy. Dopasowanie silnika do prawidłowo dobranej pompy (zobacz pompa odśrodkowa kontra pompa wyporowa) zwykle ma większe znaczenie dla ogólnej sprawności układu niż sama technologia silnika.
Wybierz silnik synchroniczny, gdy niezbędna jest stała prędkość niezależna od obciążenia, gdy silnik jest na tyle duży, że korzyści z wyprzedzającej korekcji współczynnika mocy rekompensują wyższy koszt początkowy, lub gdy wiele zespołów napędowych musi pozostawać w stałym stosunku prędkości. Wysokoprędkościowe PMSM i reluktancyjne silniki synchroniczne są coraz częściej stosowane w aplikacjach z napędem falownikowym ze względu na zysk IE4/IE5 w sprawności, nawet przy umiarkowanych obciążeniach wentylatorów i pomp.
Niezależnie od zastosowanej technologii, sygnatury awarii są różne: silniki indukcyjne ujawniają degradację poprzez narastający poślizg i charakterystyki prętów wirnika, podczas gdy silniki synchroniczne dają znać przez zdarzenia utraty synchronizmu, przebicia izolacji uzwojeń wzbudzenia lub uszkodzenia uzwojenia tłumiącego podczas powtarzanych rozruchów.
Ciągły monitoring stanu zasilający system CMMS pozwala zespołom utrzymania ruchu ustawić progowe alarmy specyficzne dla technologii i automatycznie generować zlecenia pracy w chwili, gdy prąd wzbudzenia silnika synchronicznego zaczyna dryfować lub gdy poślizg silnika indukcyjnego rośnie, zamiast czekać na zadziałanie zabezpieczeń.
Śledzenie tych danych wraz z OEE pokazuje też, czy powolne straty związane z silnikami nie uszczuplają dostępności zanim nastąpi awaria. Zespoły standaryzujące to w całej flocie mieszanych typów silników mogą zarezerwować demo Fabrico , aby zobaczyć, jak dane o stanie i wyzwalacze zleceń pracy są konfigurowane per klasa aktywów.
Tak. Przy stałym obciążeniu mechanicznym zmiana jedynie prądu wzbudzenia DC przesuwa fazę prądu stojana, przesuwając punkt pracy wzdłuż krzywej V od opóźnionego przez jedność do wyprzedzającego współczynnika mocy bez zmiany momentu wyjściowego.
Uzwojenie tłumiące istnieje specjalnie po to, by zapewnić moment rozruchowy i tłumić oscylacje. Bez niego wirnik wzbudzany DC lub z magnesami trwałymi nie dawałby netto momentu startowego ze stanu spoczynku i byłby podatny na „hunting” (oscylacje prędkości) po niewielkich zaburzeniach obciążenia.
Nie, poślizg jest zasadniczy dla sposobu, w jaki silnik wytwarza moment w ogóle. To, co ma znaczenie dla monitoringu stanu, to czy poślizg przy danym obciążeniu odpowiada wartości z tabliczki znamionowej; narastający trend, a nie samo występowanie poślizgu, wskazuje na pogorszenie stanu wirnika, takie jak złamane pręty czy wysoka rezystancja połączeń.
Falownik pozwala zmieniać samą prędkość synchroniczną silnika indukcyjnego przez zmianę częstotliwości zasilania, zmniejszając różnicę w kontroli prędkości względem maszyn synchronicznych, lecz nie zapewnia pracy bez poślizgu ani wrodzonej zdolności do pracy przy współczynniku mocy wyprzedzającym, oba te zachowania pozostają cechami konstrukcyjnymi silnika synchronicznego.
Zaloguj
Blog
