Encyklopedia

Budowa

Podobnie jak w silniku asynchronicznym, silnik ten zwykle posiada trójfazowe uzwojenie stojana, wytwarzające magnetyczne 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, ze 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

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

Wirnik cylindryczny

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.

Zasada działania

Moment elektromagnetyczny

Po zasileniu uzwojeń stojana, wytworzone zostanie w nim wirujące pole magnetyczne. Jeżeli wyobrazić sobie to pole jako wirującą 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 już pokrywać z osią stojana, a siły działające między biegunami wywołają moment mechaniczny, który przeciwstawi się momentowi hamującemu. Zmiany obciążenia nie powodują zmian prędkości obrotowej wirnika (jak to ma miejsce w silniku asynchronicznym), lecz zmianę kąta opóźnienia wirnika.

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 wirnik będzie okresowo hamowany i przyspieszany i po pewnym czasie zatrzyma się.

Rozruch

Jedną z wad silnika synchronicznego jest to, że nie potrafi on samoczynnie wystartować po zasileniu uzwojeń. 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. Jedną z nich jest zastosowanie dodatkowej maszyny, która rozpędza wirnik silnika synchronicznego do prędkości zbliżonej do synchronicznej. Rolę takiej maszyny pełni 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 w silnikach asynchronicznych. W nabiegunnikach wirnika umieszcza się klatkę rozruchową najczęściej utworzoną z miedzianych prętów, podobną do klatki z w wirniku silnika asynchronicznego klatkowego. Taki silnik startuje tak jak silnik asynchroniczny, zasilane są jego uzwojenia stojana a niezasilane uzwojenia wirnika pozostają rozłączone lub zwarte. Po osiągnięciu prędkości zbliżonej do synchronicznej zasila się obwód wzbudzenia prądem stałym, pozwala to wirnikowi wejść w synchronizm i dalej poruszać się z prędkością synchroniczną.

Obecnie najlepszym rozwiązaniem 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.