موتورهای سنکرون

جریان تغذیه سیم پیچی تحریک روتور، از طریق دو حلقه که بر روی محور روتور نصب شده به وسیله جاروبکها تأمین می شود و روتور این موتورها عملا بصورت یک مغناطیس الکتریکی (چرخ قطب) رفتار می کند که تعداد قطبهای روتور به اندازه قطبهای سیم پیچی استاتور خواهد بود.
طرز کار:
هنگام وصل استاتور به شبکه سه فاز ، یک میدان دوار که سرعت آن متناسب با فرکانس شبکه و تعداد قطبهای استاتور است در آن بوجود می آید و سطح روتور را جاروب می کند.
قطبهای روتور از طریق قطبهای غیر همنام استاتور جذب و لحظه ای بعد مجدداً این قطبها به وسیله قطبهای همنام استاتور دفع خواهند شد. پس میانگین گشتاور صفر و روتور حرکت نمی کند قطبهای روتور به دلیل سنگینی و اینرسی موجود در آن نمی توانند به سرعت همراه میدان دوار استاتور بچرخند. پس باید با یک وسیله کمکی (راه انداز) ابتدا سرعت روتور را به نزدیکی سرعت میدان دوار استاتور رساند تا روتور بتواند همراه میدان دوار چرخش کند.
سؤال: گشتاور راه اندازی این موتورها چقدر است؟
روشهای راه اندازی موتورهای سنکرون:
برای راه اندازی موتورهای سنکرون سه روش اساسی می توان به کار برد.
۱-کاهش سرعت میدان مغناطیسی استاتور: تا حدی که روتور بتواند طی نیم سیکل چرخش میدان مغناطیسی شتاب بگیرد و با آن قفل شود . این کار را می توان با کاهش فرکانس منبع تغذیه انجام داد.
۲- استفاده از یک گرداننده اولیه: که سرعت موتور را تا حد سرعت سنکرون بالا میبرد و با طی مراحل موازی کردن , ماشین مثل ژنراتور روی خط آورده شود. پس از این مراحل خاموش کردن با جدا کردن گرداننده اولیه ماشین سنکرون را تبدیل به موتور خواهد کرد.
۳- استفاده از سیم پیچ های میرا کننده که در انتهای قطبین روتور نصب می شود.
در موتورهای سنکرون سرعت حرکت روتور در هر حال برابر با سرعت میدان دوار استاتور خواهد بود و افزایش بار فقط عقب ماندگی روتور نسبت به میدان را موجب می شود.
اختلاف فاز این دو میدان Bs وBR همان زاویه گشتاور است که از۰ تا۹۰ درجه تغییر می کند. البته اگر افزایش بار بیش حد باشد. موتور از حالت سنکرونیزم خارج خواهد شد که اصطلاحا آن را ناپایدار می نامیم ضمنا هنگام کار با سرعت سنکرون با تغییرات جریان تحریک امتداد جریان آرمیچر و ضریب قدرت ماشین از حالت پس فازی به اهمی و پیش فازی قابل کنترل خواهد بود که از این خاصیت جهت اصلاح ضریب قدرت شبکه استفاده می شود که به موتورهای سنکرون پر تحریک (کاردر حالت پیش فازی) خازن های سنکرون نیز گفته می شود . (موتورهای سنکرون در حالت کار پیش فازی کم تحریک هستند.) مدار معادل تکفاز موتور سنکرون بصورت زیر می باشد
مزایای موتور سنکرون:
۱- این موتور دارای ضریب قدرت مناسب و قابل تنظیم است.
۲- بازده عالی دارد.
۳- در مقابل نوسان ولتاژ حساسیت ندارد.
۴- امکان بکار بردن آن به طور مستقیم با ولتاژ زیاد وجود دارد.
۵- با تحریک مناسب هیچگونه قدرت راکتیو مصرف نمیکند و فقط قدرت اکتیو مناسب می گیرد.
۶- از این موتور میتوان به عنوان مولد قدرت راکتیو برای بالا بردن ضریب قدرت خط استفاده کرد.
معایب موتور سنکرون:
۱- یک وسیله راه اندازی اولیه که موتور کمکی و غیره می باشد احتیاج دارد.
۲- علاوه بر جریان متناوب برای سیم پیچ استاتور ، جریان دائم برای قطبهای آن هم مورد احتیاج است در نتیجه قیمت ماشین را نسبت به مشابه خود بالا میبرد.
۳- سرعت آن ثابت است در نتیجه قابل تنظیم است.
۴- نداشتن تحمل اضافه بار ( در صورتیکه خیلی زیادتر از حد مجاز به آن بار دهند میایستد و دوباره بایستی آنرا راه اندازی کرد.)

کاربرد موتور سنکرون:
به خاطر راه اندازی مشکل موتور سنکرون ، مورد استفاده آن محدود است.
به خاطر سرعت ثابت آن، در مواردیکه دور ثابت نیاز باشد، استفاده می شود. در وسایل دقیق مانند ساعتهای الکتریکی و گرام و ….
کاربرد مهم موتور سنکرون ، برای اصلاح Cosφ است. بار روی آن قرار نداده یعنی موتور بدون بار کار میکند در این حالت موتور سنکرون را خازن سنکرون گویند.
معمولترین موتور تک فاز موتور سنکرون قطب چاکدار است، که اغلب در دستگاه هایی بکار می رود که گشتاور پایین نیاز دارند، نظیر پنکه‌های برقی ، اجاقهای ماکروویو و دیگر لوازم خانگی کوچک. نوع دیگر موتور AC تک فاز موتور القایی است، که اغلب در لوازم بزرگ نظیر ماشین لباسشویی و خشک کن لباس بکار می‌رود. عموماً این موتورها می‌توانند گشتاور راه اندازی بزرگتری را با استفاده از یک سیم پیچ راه انداز به همراه یک خازن راه انداز و یک کلید گریز از مرکز ، ایجاد کنند.
هنگام راه اندازی ، خازن و سیم پیچ راه اندازی از طریق یک دسته از کنتاکتهای تحت فشار فنر روی کلید گریز از مرکز دوار ، به منبع برق متصل می‌شوند. خازن به افزایش گشتاور راه اندازی موتور کمک می‌کند. هنگامی که موتور به سرعت نامی رسید، کلید گریز از مرکز فعال شده ، دسته کنتاکتها فعال می‌شود، خازن و سیم پیچ راه انداز سری شده را از منبع برق جدا می‌سازد، در این هنگام موتور تنها با سیم پیچ اصلی عمل می‌کند.
اصول عملکرد و مقایسه موتور های القایی با موتورهای سنکرون
بزرگترین تفاوت بین یک موتور القایی AC و یک موتور سنکرون AC این است که در موتور سنکرون توان روتور به طور مستقیم از یک منبع خارجی تامین می‌شود. این جریان در روتور نیز خود میدان مغناطیسی تولید خواهد کرد و به دلیل اثر متقابل میدان‌های استاتور و روتور, روتور در جهت میدان دوار استاتور به حرکت در خواهد آمد.
از طرفی برای القای جریان در روتور باید اختلاف سرعتی بین سرعت میدان دوار و سرعت گردش روتور وجود داشته باشد در غیر این صورت میدان دوار نسبت به روتور حرکتی نخواهد داشت و هادی‌های روتور شار میدان تولید شده توسط استاتور را قطع نکرده و در نتیجه ولتاژی در روتور القا نخواهد شد. این اختلاف سرعت بین سرعت میدان دوار و سرعت حرکت روتور در اصطلاح لغزش (Slip) نامیده می‌شود. لغزش یک موئلفه بدون واحد است. از آنجا که در موتورهای القایی اختلاف سرعت شرط و ضرورت عملکرد آنهاست به این موتورهای موتورهای غیرهمزمان یا آسنکرون می‌گویند.
فرمول‌ها
مهمترین رابطه در موتورهای القایی رابطه بین فرکانس منبع f, تعداد زوج قطب‌ها p و سرعت میدان دوار ns است:
.
و از این رابطه خواهیم داشت:

و سرعت روتور برابر است با:

و s نشان‌دهنده لغزش (Slip) است و از این رابطه به دست می‌آید:

در موتورهای سنکرون سرعت روتور همیشه برابر سرعت میدان دوار است و از این رابطه به دست می‌آید.
اصول چرخش موتورهای سنکرون (همزمان)
شکل مقابل، اساس کار موتورهای سنکرون را نشان می دهد؛ به این صورت که با به چرخش درآمدن آهنربای نعلی شکل، آهنربای کوچک نیز به حرکت در می آید. چون قطب N آهنربای کوچک کنار قطب S آهنربای نعلی شکل قرار دارد، همدیگر را جذب می کنند و قفل مغناطیسی بوجود می آورند که بصورت همزمان شروع به چرخش می کنند. در عمل استاتور موتورهای سنکرون سه فاز را سیم پیچی می کنند. زمانی که استاتور را به شبکه وصل می کنیم، میدان گردان بوجود می آید که با سرعت سنکرون می چرخد. روتور این موتورها نیز سیم پیچی شده است که توسط منبع DC تغذیه می شود. روتور نیز میدان مغناطیسی ثابتی ایجاد می کند. برای راه اندازی موتور سنکرون، ابتدا روتور را به سرعت سنکرون می رسانیم و بعد جریان استاتور را وصل می کنیم. در این صورت، قفل مغناطیسی به وجود می آید و موتور پس از قطع محرک اولیه، با سرعت سنکرون می چرخد.
نکته ۱: ماشین سنکرون، ماشینی است که هم بعنوان ژنراتور سنکرون و هم بعنوان موتور سنکرون می تواند به کار رود.
نکته ۲: از این موتور برای اصلاح ضریب قدرت در کارخانه ها استفاده می شود.
موتور سنکرون خطی با استاتور بلند
مزایا
*سیم‌پیچی استاتور و تجهیزات تأمین توان در ایستگاه فرعی و در کنار ریل قرارگرفته‌اند و بدین ترتیب قطار اساساً باید سبک باشد
*قابلیت توان بالای موتور می‌تواند احتیاجات بخش‌های خاصی از مسیر در نواحی با نرخ سرعت بالا و شتاب بالا را فراهم سازد .
* سیستم‌های دیگر مانند نیروگاه برق وسیستم محرک می‌تواند با سیستم محرک یکی شود
*قرارگرفتن تجهیزات قدرت در ایستگاه فرعی و کاهش وزن قطار، شتاب بالا و توانایی کاهش سریع سرعت را نتیجه می‌دهد
*راندمان مکانیکی به الکتریکی موتور سنکرون خطی در ترمینال‌های موتور بالاست
معایب
*امپدانس ناشی از طول غیر فعال ریل راندمان را کاهش می‌دهد
*ویژگی شتاب بالا برای آسایش حرکت، عملکرد مناسب کمربند ایمنی و امنیت جانی محدود شده‌است
*طول بخش‌های غیرفعال از طول قسمت فعال LSM بلندتر بوده و این راندمان را کاهش می‌دهد
*نیاز به اطلاعات دقیق برای اطمینان از موفعیت آهنرباها و هم‌زمانی با موج سیار تولید شده توسط سیم‌پیچی استاتور در ریل می‌باشد
سیستم اندازه‌گیری سرعت و موقعیت قطار باید بسیار دقیق و قابل اطمینان باشد
*در مقایسه با ریل عکس العملی مورد استفاده در موتور القایی خطی، ساختار ریل LSM بسیار پیچیده است
*عملکرد سیستم حمل‌ونقل به‌وسیلۀ ترکیب قسمت‌های فعال ریل مشخص می‌شود و سیستم
نمی تواند با تغییرات تعداد مسافرین خود را هماهنگ کند