Zřejmou výhodou oproti asynchronnímu motoru napájenému z měniče frekvence je, že otáčky synchronního motoru jsou přesně určeny frekvencí, zatímco asynchronní motor musí vždy běžet s konečným skluzem.
K přesnému řízení otáček synchronního motoru stačí přesný zdroj frekvence, zatímco u asynchronního motoru je k dosažení přesnosti nezbytná zpětná vazba otáček.
V praxi není provoz synchronních motorů napájených měničem s otevřenou smyčkou tak rozšířený, jak by se dalo očekávat, ačkoli se běžně používá v pohonech s více motory. Uzavřená smyčka nebo samosynchronní provoz však rychle nabírá na síle a je již dobře zaveden ve dvou různých podobách na opačných koncích velikostního rozsahu. Na jedné straně se místo stejnosměrných pohonů používají velké synchronní motory s buzeným rotorem, zejména tam, kde jsou požadovány vysoké otáčky nebo kde motor musí pracovat v nebezpečném prostředí (např. ve velkém plynovém kompresoru). Na druhém konci stupnice jsou malé synchronní motory s permanentními magnety, které se používají v bezkartáčových stejnosměrných pohonech.
Pohony synchronních motorů s měničem napájených v otevřené smyčce
Tato jednoduchá metoda je atraktivní v instalacích s více motory, kde všechny motory musí běžet s přesně stejnými otáčkami. Jednotlivé motory jsou dražší než ekvivalentní sériově vyráběný asynchronní motor, ale to je kompenzováno tím, že není nutná zpětná vazba otáček a všechny motory mohou být napájeny z jediného měniče, jak je znázorněno na obr. 1.
Poměr napětí a frekvence měniče se obvykle udržuje konstantní, aby se zajistilo, že motory pracují s plným tokem při všech otáčkách, a mají tedy schopnost "konstantního momentu". Pokud je nutný dlouhodobý provoz při nízkých otáčkách, může být nutné zlepšit chlazení motorů. Otáčky jsou přesně určeny frekvencí měniče, ale změny otáček (včetně rozběhu z klidu) musí být prováděny pomalu, pod řízením rampy, aby se zabránilo možnosti překročení úhlu vytažení zátěže, což by mělo za následek zastavení.
Problémem, který se někdy může vyskytnout při tomto druhu provozu s otevřenou smyčkou, je to, že otáčky motoru vykazují zjevně samovolné oscilace. Napájecí frekvence může být naprosto konstantní, ale otáčky rotoru kolísají kolem očekávané (synchronní) hodnoty, někdy se znatelnou amplitudou a obvykle s nízkou frekvencí, třeba 1 Hz. Příčina tohoto nestabilního chování spočívá v tom, že motor a zátěž tvoří systém nejméně čtvrtého řádu, a proto může být pro určité kombinace parametrů systému velmi špatně tlumena nebo dokonce nestabilní. Faktory, které ovlivňují stabilitu, jsou svorkové napětí, napájecí frekvence, časové konstanty motoru, setrvačnost a tlumení zátěže. Nestabilní chování v pravém slova smyslu (tj. kdy kmitání narůstá bez omezení) je vzácné, ale ohraničená nestabilita není neobvyklá, zejména při otáčkách výrazně nižších než základní 50 Hz a za podmínek malého zatížení. Je velmi obtížné přesně předpovědět, kdy se nestabilní chování může vyskytnout, a je třeba přijmout opatření proti němu. Některé měniče proto obsahují obvody, které detekují jakoukoli tendenci ke kolísání proudů a modulují napětí a/nebo frekvenci, aby potlačily nežádoucí oscilace.
Samosynchronní (uzavřený) provoz
Ve schématu na obr. 1 s otevřenou smyčkou je frekvence napájení motoru nezávisle řízena oscilátorem, který řídí spínací zařízení v měniči. Měnič nemá možnost zjistit, zda je rotor správně uzamčen na točivém poli vytvářeném statorem, a pokud je překročen vytahovací moment, motor se jednoduše zastaví.
V samosynchronním režimu je však výstupní frekvence měniče určena otáčkami rotoru. Přesněji řečeno, okamžiky, kdy spínací zařízení zapínají a vypínají statorové vinutí, jsou určovány signály závislými na poloze rotoru získanými ze snímače polohy rotoru namontovaného na hřídeli rotoru. Tímto způsobem se statorové proudy zapínají vždy ve správný čas, aby se na rotoru vytvořil požadovaný točivý moment, protože měnič v každém časovém okamžiku ví, kde se rotor nachází. Použití zpětnovazebních signálů o poloze rotoru k řízení měniče vysvětluje uvedený popis "uzavřená smyčka". Pokud se rotor zpomalí (např. v důsledku zvýšení zátěže), automaticky se sníží napájecí frekvence statoru, takže rotor zůstane synchronizován s točivým polem, a motor se proto nemůže "vytrhnout" tak, jak se to děje při provozu v otevřené smyčce.
Rozdíl mezi provozem v uzavřené a otevřené smyčce může pomoci objasnit analogie se spalovacím motorem. Motor vždy pracuje jako uzavřený systém v tom smyslu, že otevírání a zavírání sacích a výfukových ventilů je automaticky synchronizováno s polohou pístů pomocí vačkového hřídele a rozvodového řemene. U samosynchronního stroje je tomu podobně v tom smyslu, že spínací zařízení v měniči zapínají a vypínají proud podle polohy rotoru. Naproti tomu provoz motoru v otevřené smyčce by znamenal, že jsme odstranili rozvodový řemen a rozhodli se ovládat ventily samostatným pohonem vačkového hřídele, a v takovém případě by mělo být jasné, že motor bude schopen vyrábět výkon pouze při jedné rychlosti, při níž pohyb pístů nahoru a dolů přesně odpovídá otevírání a zavírání ventilů.
Ukazuje se, že celkové provozní vlastnosti samosynchronního střídavého motoru jsou velmi podobné vlastnostem běžného stejnosměrného motoru. To skutečně není překvapivé, když si uvědomíme, že u stejnosměrného motoru mechanický komutátor obrací směr proudu v každé (rotující) cívce kotvy v příslušném bodě tak, že bez ohledu na rychlost je proud pod každým (nehybným) pólem pole vždy ve správném směru, aby se vytvořil požadovaný točivý moment. V samosynchronním motoru jsou role statoru a rotoru ve srovnání se stejnosměrným motorem obrácené. Pole se otáčí a vinutí "kotvy" (skládající se ze tří samostatných skupin cívek nebo fází) je stacionární. Časování a směr proudu v každé fázi se řídí spínáním měniče, které je zase určováno snímačem polohy rotoru. Proto je bez ohledu na otáčky točivý moment vždy ve správném směru.
Kombinace snímače polohy rotoru a měniče plní v podstatě stejnou funkci jako komutátor v běžném stejnosměrném motoru. Samozřejmě jsou zde obvykle pouze tři vinutí, která musí měnič spínat, ve srovnání s mnohem více cívkami a segmenty komutátoru, které musí spínat kartáče ve stejnosměrném motoru, ale jinak srovnání platí. Není divu, že kombinace snímače polohy a měniče se někdy označuje jako "elektronický komutátor", zatímco celková podobnost chování dává vzniknout termínu "elektronicky komutovaný motor" (ECM) nebo "bezkartáčový stejnosměrný motor" (BLDC) pro označení samosynchronních strojů.
Provozní vlastnosti a řízení
Pokud je vstupní stejnosměrné napětí do měniče konstantní a motor se rozbíhá z klidu, proud motorem bude zpočátku velký, ale s rychlostí bude klesat, dokud se pohybová elektro-magnetická síla generovaná uvnitř motoru téměř nevyrovná přiloženému napětí. Když se zvýší zatížení hřídele, otáčky začnou klesat, pohybová elektro-magnetická síla se zmenší a proud se zvětší, dokud se nedosáhne nové rovnováhy, kdy se přídavný točivý moment motoru rovná točivému momentu zátěže. Toto chování je obdobné jako u běžného stejnosměrného motoru, kde otáčky naprázdno závisí na přiloženém kotevním napětí. Rychlost samosynchronního motoru lze tedy řídit řízením napětí na stejnosměrném spoji k měniči.
Celková podobnost se stejnosměrným pohonem je záměrně zdůrazněna na obr. 2. Přerušovaná čára ohraničující střídavý motor spolu s detektorem polohy rotoru a měničem v podstatě nahrazuje konvenční stejnosměrný motor. Poznamenáváme však, že otáčkoměr není pro řízení otáček v uzavřené smyčce nutný, protože signál zpětné vazby otáček lze odvodit z frekvence signálu polohy rotoru. A stejně jako u stejnosměrného pohonu lze použít proudovou regulaci na rozdíl od napěťové regulace, pokud se má řídit výstupní točivý moment, nikoliv otáčky. Pokud je měnič napájen z plně řízeného měniče, je možný plný čtyřkvadrantový provoz.
Z hlediska nákladů se samosynchronní systém jeví jako atraktivní, pokud jsou kombinované náklady na měnič a synchronní motor nižší než náklady na ekvivalentní stejnosměrný motor. Když byla takováto schémata poprvé představena v 70. letech 20. století, byla nákladově efektivní pouze ve velmi velkých velikostech (řekněme nad 1 MW), ale bod zlomu pro motory s vinutým polem klesá a pohony se jmenovitými výkony v řádu stovek kW jsou nyní běžné.
S poklesem nákladů na měniče se staly atraktivními pohony s nižším výkonem využívající motory s permanentními magnety, zejména tam, kde jsou požadovány velmi vysoké otáčky a kde je konvenční kartáčový stejnosměrný motor nevhodný kvůli omezení komutátoru.
