Który z wymienionych silników elektrycznych charakteryzuje się najbardziej sztywną charakterystyką mechaniczną n = f(M) w zakresie pracy stabilnej?
A. Szeregowy prądu stałego.
B. Obcowzbudny prądu stałego.
C. Asynchroniczny klatkowy.
D. Synchroniczny.
Pytanie z egzaminu CKE, styczeń 2023 (arkusz E.07-SG-23.01).
Silnik synchroniczny ma najbardziej sztywną charakterystykę mechaniczną $n=f(M)$, bo w normalnym, stabilnym zakresie pracy jego prędkość obrotowa jest związana głównie z częstotliwością sieci i liczbą par biegunów, a nie z obciążeniem mechanicznym. Mówiąc prosto: gdy zwiększamy moment obciążenia, wirnik nie zaczyna sobie po prostu wolniej chodzić, tylko zmienia się kąt obciążenia między polem wirującym stojana a polem wirnika. Prędkość pozostaje praktycznie równa prędkości synchronicznej, aż do granicy momentu krytycznego, po której silnik może wypaść z synchronizmu. To jest właśnie bardzo sztywna charakterystyka. Z mojego doświadczenia najłatwiej zapamiętać to tak: silnik synchroniczny trzyma tempo narzucone przez sieć, jak zegar. W praktyce wykorzystuje się to tam, gdzie potrzebna jest stała prędkość, np. w dużych napędach przemysłowych, sprężarkach, pompach, wentylatorach lub układach, gdzie ważna jest stabilność obrotów. Dobre praktyki branżowe, zgodne z podejściem norm serii PN-EN IEC 60034 dla maszyn wirujących, wymagają jednak sprawdzenia momentu rozruchowego, momentu przeciążeniowego i zabezpieczeń, bo sama sztywność charakterystyki nie znaczy, że silnik zniesie każde obciążenie.
W tym pytaniu łatwo pomylić silnik o dość stałej prędkości z silnikiem o najbardziej sztywnej charakterystyce. Silnik obcowzbudny prądu stałego rzeczywiście ma charakterystykę dość sztywną, zwłaszcza przy stałym strumieniu wzbudzenia. Jednak wraz ze wzrostem obciążenia rośnie prąd twornika, pojawia się większy spadek napięcia na rezystancji uzwojenia i prędkość trochę maleje. W wielu zastosowaniach jest to bardzo dobry napęd regulacyjny, ale nie jest tak sztywny jak synchroniczny, który w pracy ustalonej trzyma prędkość synchroniczną. Silnik asynchroniczny klatkowy też bywa uznawany za napęd o w miarę stabilnej prędkości, szczególnie w pobliżu punktu znamionowego. Trzeba jednak pamiętać o poślizgu. Żeby wytworzyć większy moment, silnik indukcyjny musi zwiększyć poślizg, czyli jego prędkość obrotowa spada względem prędkości pola wirującego. To jest normalne i konstrukcyjnie potrzebne, więc charakterystyka nie jest idealnie sztywna. Silnik szeregowy prądu stałego ma natomiast charakterystykę miękką, bo prędkość bardzo silnie zależy od obciążenia. Przy małym obciążeniu może nadmiernie się rozpędzić, dlatego w praktyce nie powinien pracować bez obciążenia, jeśli układ nie jest do tego przystosowany. Typowy błąd myślowy polega na tym, że ktoś patrzy tylko na duży moment rozruchowy albo popularność danego silnika w napędach, a nie na zależność prędkości od momentu. Właściwe kryterium tutaj jest jedno: jak bardzo zmienia się n przy zmianie M w stabilnym zakresie pracy. Pod tym względem wygrywa silnik synchroniczny.