단상 동기 모터
단상 동기 모터는 시간 유지, (시계) 및 테이프 플레이어와 같이 정확한 타이밍이 필요한 응용 분야에 소형으로 제공됩니다. 배터리 구동 석영 조절 시계가 널리 사용 가능하지만 AC 라인 작동 종류가 더 나은 장기 정확도를 제공합니다. 몇 달 동안.
이는 발전소 운영자가 AC 분배 시스템의 주파수의 장기적 정확성을 의도적으로 유지하기 때문입니다. 몇 사이클 뒤떨어지면 AC의 손실된 사이클을 보충하여 시계가 시간을 잃지 않도록 합니다.
대형 동기 모터 vs. 소형 동기 모터
10마력(10kW) 이상에서는 더 높은 효율과 선도 역률로 인해 대형 동기 모터가 산업에서 유용합니다. 대형 동기 모터는 보다 일반적인 유도 모터보다 몇 퍼센트 더 효율적이지만 동기 모터는 더 복잡합니다.
모터와 발전기는 구조가 비슷하므로 발전기를 모터로 사용하고, 반대로 모터를 발전기로 사용하는 것도 가능합니다.
비동기 모터는 회전 자기장이 있는 교류 발전기와 유사합니다. 아래 그림은 영구 자석 회전 자기장이 있는 작은 교류 발전기를 보여줍니다. 아래 그림은 기계적 에너지 소스에 의해 구동되는 두 개의 병렬 및 동기화된 교류 발전기이거나 동기 모터를 구동하는 교류 발전기일 수 있습니다. 또는 외부 전원이 연결된 경우 두 개의 모터일 수 있습니다.
요점은 어느 경우든 회전자는 동일한 공칭 주파수에서 작동해야 하며 서로 동상이어야 한다는 것입니다.즉, 동기화 되어야 합니다 .두 발전기를 동기화하는 절차는 (1) 스위치를 엽니다. (2) 두 발전기를 동일한 회전 속도로 구동합니다. (3) 두 AC 출력이 동상이 될 때까지 한 장치의 위상을 앞당기거나 늦춥니다. (4) 위상이 어긋나기 전에 스위치를 닫습니다.
일단 동기화가 되면 발전기는 서로 잠기므로, 한 장치를 다른 장치와 분리하려면 상당한 토크가 필요합니다(동기화 해제).
교류 발전기와 함께 작동하는 동기 모터
동기 모터의 토크 계산
위의 회전 교류 발전기 중 하나의 회전자에 회전 방향으로 더 큰 토크가 가해지면, 회전자의 각도는 동기화된 상태에서 스테이터 코일의 자기장에 대해 (3)의 반대로) 증가하고 회전자는 교류 발전기처럼 AC 라인에 에너지를 전달합니다.
로터는 다른 발전기의 로터에 대해서도 전진합니다. 브레이크와 같은 부하가 위의 장치 중 하나에 가해지면 로터의 각도는 (3)과 같이 스테이터 필드보다 늦어져 모터처럼 AC 라인에서 에너지를 추출합니다.
과도한 토크나 드래그가 가해지면 로터는 최대 토크 각도를 초과하여 전진하거나 지연되어 동기화가 손실됩니다. 토크는 모터의 동기화가 유지될 때만 개발됩니다.
동기 모터를 최고 속도로 만들기
교류 발전기 대신 작은 동기 모터를 사용하는 경우 교류 발전기에 대한 정교한 동기화 절차를 거칠 필요가 없습니다. 그러나 동기 모터는 자체 시동이 아니며 발전기 회전 속도에 잠기려면(동기화하려면) 여전히 대략적인 교류 발전기 전기 속도까지 올려야 합니다.
동기 전동기는 속도에 도달하면 AC 전원과 동기화를 유지하고 토크를 발생시킵니다.
사인파는 동기 모터를 구동합니다
모터가 동기 속도에 도달했다고 가정하면 사인파가 위의 그림(1)에서 양수로 바뀌면서 아래쪽 북쪽 코일이 북쪽 로터 극을 밀고, 위쪽 남쪽 코일은 그 로터 북쪽 극을 끌어당깁니다. 마찬가지로 로터 남쪽 극은 위쪽 남쪽 코일에 의해 밀려나고 아래쪽 북쪽 코일에 끌립니다.
사인파가 (2)에서 정점에 도달할 때쯤이면 로터의 북극을 위로 유지하는 토크는 최대가 됩니다. 이 토크는 사인파가 (3)에서 0 VDC로 감소하면서 토크가 최소가 되면서 감소합니다.
사인파가 (3&4) 사이에서 음으로 바뀌면서, 하부 사우스 코일은 사우스 로터 극을 밀고, 동시에 북쪽 로터 극을 끌어당깁니다. 비슷한 방식으로, 북쪽 로터 극은 상부 북쪽 코일에 의해 밀려나고 하부 사우스 코일에 끌립니다. (4)에서 사인파는 다시 최대 토크를 유지하면서 음의 피크에 도달합니다. 사인파가 음에서 0 VDC로, 다시 양으로 바뀌면서 프로세스가 새로운 사인파 주기 동안 반복됩니다.
참고로, 위 그림은 무부하 조건(α=0°)의 로터 위치를 보여줍니다. 실제로 로터에 부하를 걸면 로터가 각도 α로 표시된 위치보다 지연됩니다. 이 각도는 부하가 증가함에 따라 증가하여 최대 모터 토크가 α=90°에 도달합니다.
동기화와 토크는 이 각도를 넘어서면 손실됩니다. 단상 동기 모터의 코일 전류는 극성을 번갈아가며 맥동합니다.
영구 자석 로터 속도가 이 교번의 주파수에 가까우면 이 교번과 동기화됩니다. 코일 필드가 맥동하고 회전하지 않으므로 보조 모터로 영구 자석 로터를 속도까지 올려야 합니다. 이것은 다음 섹션의 모터와 유사한 소형 유도 모터입니다.
필드 폴을 추가하면 속도가 감소합니다.
2극(NS 극 한 쌍) 발전기는 3600rpm(분당 회전 수)으로 회전하면 60Hz 사인파를 생성합니다. 3600rpm은 초당 60회전에 해당합니다. 비슷한 2극 영구 자석 동기 모터도 3600rpm으로 회전합니다.
더 낮은 속도의 모터는 더 많은 극 쌍을 추가하여 구성할 수 있습니다. 4극 모터는 1800rpm으로 회전하고, 12극 모터는 600rpm으로 회전합니다. 표시된 구성 스타일(위 그림)은 설명을 위한 것입니다. 더 높은 효율, 더 높은 토크의 다중 극 스테이터 동기 모터는 실제로 로터에 여러 극이 있습니다.
1권선 12극 동기전동기
12극 모터에 12코일을 감는 대신, 위 그림과 같이 12개의 서로 맞물린 강철 극 조각이 있는 단일 코일을 감습니다. 적용된 AC로 인해 코일의 극성이 번갈아가지만, 상단이 일시적으로 북쪽이고 하단이 남쪽이라고 가정합니다.
극 조각은 코일의 바닥과 바깥쪽에서 위로 남쪽 플럭스를 라우팅합니다. 이 6개의 남쪽은 코일의 강철 극 조각의 상단에서 위로 구부러진 6개의 북쪽 탭과 교차되어 있습니다. 따라서 영구 자석 로터 막대는 막대 자석의 한 물리적 회전에서 6개의 AC 사이클에 해당하는 6개의 극 쌍을 만나게 됩니다.
회전 속도는 AC 전기 속도의 1/6입니다. 로터 속도는 2극 동기 모터에서 경험하는 속도의 1/6입니다. 예: 60Hz는 2극 모터를 3600rpm으로 회전시키고, 12극 모터의 경우 600rpm으로 회전시킵니다.
www.clockHistory.com에서 Westclox History의 허가를 받아 재인쇄됨
스테이터(위 그림)는 12극 Westclox 동기식 클록 모터를 보여줍니다. 구조는 단일 코일이 있는 이전 그림과 유사합니다. 단일 코일 스타일의 구조는 저토크 모터에 경제적입니다. 이 600rpm 모터는 클록 바늘을 움직이는 감속 기어를 구동합니다.
질문: Westclox 모터가 50Hz 전원에서 600rpm으로 작동하려면 몇 개의 극이 필요할까요?
A: 10극 모터는 5쌍의 NS 극을 갖습니다. 초당 50/5 = 10회전 또는 600rpm(10초-1 x 60초/분)으로 회전합니다.
www.clockHistory.com에서 Westclox History의 허가를 받아 재인쇄됨
로터(위 그림)는 영구 자석 막대와 강철 유도 모터 컵으로 구성되어 있습니다. 극 탭 내부에서 회전하는 동기 모터 막대는 정확한 시간을 유지합니다. 막대 자석 외부의 유도 모터 컵은 탭 외부와 위에 맞춰져 자체 시동이 가능합니다. 한때 유도 모터 컵이 없는 비자체 시동 모터가 제조되었습니다.
3상 동기 모터
아래 그림과 같이 3상 동기 모터는 스테이터에서 전기적으로 회전하는 자기장을 생성합니다. 이러한 모터는 산업 현장에서 발견되는 50Hz 또는 60Hz와 같은 고정 주파수 전원에서 시동하는 경우 자체 시동되지 않습니다.
게다가 로터는 산업에서 사용되는 멀티 마력(멀티 킬로와트) 모터의 영구 자석이 아니라 전자석입니다. 대형 산업용 동기 모터는 유도 모터보다 효율적입니다. 이들은 일정한 속도가 필요할 때 사용됩니다. 선행 역률을 가지고 있으므로 AC 라인의 지연 역률을 교정할 수 있습니다.
스테이터 여기의 3단계는 벡터적으로 더해져 초당 f/2n회 회전하는 단일 합성 자기장을 생성합니다. 여기서 f는 전력선 주파수이며 산업용 전력선 작동 모터의 경우 50 또는 60Hz입니다. 극 수는 n입니다. 회전자 속도(rpm)의 경우 60을 곱합니다.
S = f120/n 여기서: S = 회전자 속도(rpm) f = AC 라인 주파수 n = 위상당 극 수
3상 4극(위상당) 동기 모터는 60Hz 전력으로 1800rpm으로 회전하거나 50Hz 전력으로 1500rpm으로 회전합니다. 코일에 φ-1, φ-2, φ-3 순서로 하나씩 전원을 공급하면 회전자는 차례로 해당 극을 가리켜야 합니다.
사인파가 실제로 겹치므로, 결과적인 자기장은 단계적으로가 아니라 매끄럽게 회전합니다. 예를 들어, φ-1과 φ-2 사인파가 일치할 때, 자기장은 이 극 사이를 가리키는 피크에 있을 것입니다. 표시된 막대 자석 로터는 소형 모터에만 적합합니다.
여러 개의 자석 극(오른쪽 아래)이 있는 로터는 상당한 부하를 구동하는 모든 효율적인 모터에 사용됩니다. 이는 대형 산업용 모터의 슬립 링 공급 전자석이 됩니다. 대형 산업용 동기 모터는 전기자에 내장된 스쿼럴 케이지 도체에 의해 자체 시동되어 유도 모터 역할을 합니다.
전자기 전기자는 회전자가 동기 속도에 가까워진 후에만 활성화됩니다.
3상 4극 동기 전동기
소형 다상 동기 모터
작은 다상 동기 모터는 구동 주파수를 0에서 최종 작동 주파수까지 램핑하여 시작할 수 있습니다. 다상 구동 신호는 전자 회로에 의해 생성되며 가장 까다로운 응용 분야를 제외한 모든 응용 분야에서 사각파가 됩니다.
이러한 모터는 무브러시 DC 모터로 알려져 있습니다. 진정한 동기 모터는 사인파로 구동됩니다. 스테이터에 적절한 수의 권선을 공급하여 2상 또는 3상 구동을 사용할 수 있습니다. 위에는 3상만 표시되어 있습니다.
전자 동기 모터
블록 다이어그램은 저전압(12V DC) 동기 모터와 관련된 구동 전자 장치를 보여줍니다. 이러한 모터에는 모터 내부에 통합된 위치 센서가 있어 모터 회전 속도에 비례하는 주파수를 가진 저레벨 신호를 제공합니다.
위치 센서는 홀 효과 장치 와 같은 솔리드 스테이트 자기장 센서만큼 간단할 수 있으며, 드라이브 전자 장치에 정류(아마추어 전류 방향) 타이밍을 제공합니다. 위치 센서는 리졸버 , 인덕토신 (자기 인코더) 또는 광학 인코더 와 같은 고해상도 각도 센서가 될 수 있습니다 .
일정하고 정확한 회전 속도가 필요한 경우(디스크 드라이브의 경우처럼) 타코미터 와 위상 잠금 루프를 포함할 수 있습니다(아래 그림). 모터 속도에 비례하는 펄스 트레인인 이 타코미터 신호는 위상 잠금 루프로 다시 공급되며, 이 루프는 타코미터 주파수와 위상을 수정 발진기와 같은 안정적인 기준 주파수 소스와 비교합니다.
위상 잠금 루프는 동기 모터 속도를 제어합니다.
무브러시 DC 모터
간단한 홀 효과 센서에서 제공하는 사각파 전류 로 구동되는 모터를 무브러시 DC 모터 라고 합니다. 이 유형의 모터는 사인파로 구동되는 모터보다 샤프트 회전을 통한 리플 토크 변화가 더 큽니다 . 이는 많은 응용 분야에서 문제가 되지 않습니다. 하지만 이 섹션에서는 주로 동기 모터에 관심이 있습니다.
모터 리플 토크 및 기계적 아날로그
리플 토크 또는 코깅은 로터 극이 스테이터 극 조각에 자기적으로 끌려 생기는 것입니다. (위 그림) 스테이터 코일이 없다는 점에 유의하세요. PM 로터는 손으로 돌릴 수 있지만 극 조각에 가까이 가면 극 조각에 끌립니다.
이것은 기계적 상황과 유사합니다. 테이프 플레이어에 사용되는 모터에 리플 토크가 문제가 될까요? 그렇습니다. 우리는 모터가 테이프 재생 헤드를 지나 오디오 테이프를 움직일 때 번갈아가며 빨라지고 느려지는 것을 원하지 않습니다. 팬 모터에 리플 토크가 문제가 될까요? 아니요.
벨트에 분포된 권선은 더 많은 사인파 필드를 생성합니다.
모터가 모터 역기전력과 동기된 전류의 사인파에 의해 구동되는 경우, 구동 파형이 전자적 수단에 의해 생성되는지 여부와 관계없이 동기 AC 모터로 분류됩니다. 동기 모터는 스테이터 자기장이 사인파 분포를 갖는 경우 사인파 역기전력을 생성합니다.
폴 와인딩이 하나의 큰 폴에 집중되는 대신(대부분의 단순화된 그림에서 그려진 것처럼) 벨트에 여러 슬롯에 분산되면 더 사인파가 될 것입니다. 이러한 배열은 많은 스테이터 필드 홀수 고조파를 취소합니다.
위상 권선의 가장자리에 권선이 적은 슬롯은 다른 위상과 공간을 공유할 수 있습니다. 권선 벨트는 아래 그림과 같이 대체 동심원 형태를 취할 수 있습니다.
동심벨트
사인파로 구동되는 2상 모터의 경우 토크는 삼각 함수 항등성에 의해 회전 내내 일정합니다.
sin2θ + cos2θ = 1
구동 파형의 생성 및 동기화에는 무브러시 DC 모터에 사용되는 홀 효과 센서에서 제공하는 것보다 더 정확한 로터 위치 표시가 필요합니다. 리졸버 또는 광학 또는 자기 인코더는 회전당 수백에서 수천 개의 부품(펄스)의 분해능을 제공합니다.
리졸버는 샤프트 각도의 사인과 코사인에 비례하는 신호 형태로 아날로그 각도 위치 신호를 제공합니다. 인코더는 직렬 또는 병렬 형식으로 디지털 각도 위치 표시를 제공합니다.
사인파 구동은 실제로 PWM( Pulse Width Modulator) 에서 나올 수 있습니다. PWM 은 디지털 파형으로 사인파를 근사하는 고효율 방법입니다. 각 위상에는 위상당 적절한 양만큼 위상이 이동된 이 파형에 대한 구동 전자 장치가 필요합니다.
PWM은 사인파를 근사합니다
동기 모터의 이점
동기 모터 효율은 유도 모터보다 높습니다. 동기 모터는 특히 회전자에 고에너지 영구 자석을 사용하는 경우 더 작을 수도 있습니다. 최신 솔리드 스테이트 전자 장치의 출현으로 이러한 모터를 가변 속도로 구동할 수 있습니다.
유도 모터는 주로 철도 견인에 사용됩니다. 그러나 구동 휠 내부에 장착되는 소형 동기 모터는 이러한 응용 분야에 매력적입니다. 이 모터의 고온 초전도 버전은 구리 권선 모터의 무게의 1/5에서 1/3입니다.
가장 큰 실험적 초전도 동기 모터는 해군 구축함급 함선을 구동할 수 있습니다. 이러한 모든 응용 분야에서 전자 가변 속도 드라이브는 필수적입니다. 가변 속도 드라이브는 또한 낮은 주파수에서 유도 리액턴스가 감소하기 때문에 저속에서 구동 전압을 줄여야 합니다.
최대 토크를 개발하려면 로터가 스테이터 필드 방향보다 90° 뒤떨어져 있어야 합니다. 더 이상 늦으면 동기화가 손실됩니다. 훨씬 적게 늦추면 토크가 감소합니다. 따라서 로터의 위치를 정확하게 알아야 합니다. 그리고 스테이터 필드에 대한 로터의 위치를 계산하고 제어해야 합니다.
이러한 유형의 제어는 벡터 위상 제어 로 알려져 있습니다 . 이는 스테이터 위상에 대한 펄스 폭 변조기를 구동하는 빠른 마이크로프로세서로 구현됩니다. 동기 모터의 스테이터는 보다 인기 있는 유도 모터의 스테이터와 동일합니다.
결과적으로 유도 모터와 함께 사용되는 산업용 전자 속도 제어는 대형 산업용 동기 모터에도 적용할 수 있습니다. 기존 회전 동기 모터의 로터와 스테이터를 펼치면 동기 선형 모터가 생성됩니다.
이 유형의 모터는 정밀한 고속 선형 위치 지정에 적용됩니다.