Synchronní stroj má dvě vinutí. Jedno vinutí je napojeno na stejnosměrný zdroj a vytváří hlavní magnetické pole stroje. Toto vinutí se nazývá polní vinutí. Někdy stroje s nízkým výkonem nemají budicí vinutí a magnetické pole je vytvářeno permanentními magnety. Druhé vinutí je vinutí kotvy a skládá se z jedné, dvou nebo tří fází. Třífázové vinutí kotvy jsou nejběžnější u synchronních strojů. Hlavní emf stroje je indukován ve vinutí kotvy.
U synchronních strojů je nejrozšířenější provedení, kdy je vinutí kotvy umístěno na statoru a budicí vinutí na rotoru (obr. 32.1 ). Někdy se u synchronních strojů s nízkým výkonem používá reverzní konstrukce, kdy je vinutí kotvy umístěno na rotoru a budicí vinutí je umístěno na pólech statoru (obr. 32.2). Z elektromagnetického hlediska jsou obě provedení ekvivalentní. Z praktických důvodů je však výhodnější první provedení, protože v tomto případě je budicí výkon přiváděn na kluzný kontakt na rotoru, který činí pouze 0,3-3 % jmenovitého výkonu stroje. Ve druhé možnosti by měl být posuvný kontakt počítán na plný výkon stroje. U velkých strojů s relativně vysokým napětím a vysokými proudy by bylo velmi obtížné zajistit uspokojivý provoz takového kontaktu. V budoucnu budeme uvažovat o synchronních strojích vyrobených podle první (hlavní) konstrukční varianty.
Rýže. 32 1. Konstrukční verze synchronního stroje: vinutí kotvy je umístěno na statoru a budicí vinutí je umístěno na rotoru
Rýže. 32 2 Konstrukční verze synchronního stroje: vinutí kotvy je umístěno na rotoru a budicí vinutí je umístěno na statoru
Zvážit princip jednání synchronním generátorem protéká budicím vinutím stejnosměrný proud a póly vytvoří konstantní magnetické pole se střídavou polaritou. Při rotaci pólů, a tedy i pole vůči vodičům vinutí kotvy, se v nich indukuje proměnná EMF a EMF jednotlivých vodičů fáze se sečtou. Pokud jsou na kotvě položena tři stejná vinutí, posunutá v prostoru o elektrický úhel rovný 120°, pak se v těchto vinutích indukuje třífázový systém fázového EMF. Frekvence tohoto EMF závisí na počtu pólových párů р a otáčky rotoru nр:
Pro získání EMF požadované frekvence musí být počet pólových párů a rychlost otáčení v určitém vzájemném vztahu. Takže, abyste získali standardní frekvenci f=50 Hz při p=1, musíte mít rychlost otáčení nР= 3000 ot/min a při p = 24 nР= 125 ot./min.
Pokud je na třífázové vinutí kotvy synchronního generátoru připojena zátěž, výsledný proud vytvoří točivé magnetické pole kotvy. Frekvence rotace tohoto pole
nп = 60 f /str. (32.2)
Nahrazením frekvence v (32.2) její hodnotou z (32.1) získáme
Charakteristickým znakem synchronního stroje, který dal vzniknout jeho názvu, je rovnost frekvencí otáčení rotoru a pole kotvy.
V hlavní konstrukční variantě má budicí pole stejnou frekvenci otáčení jako rotor, proto výsledné pole vytvořené kombinovaným působením proudů kotvy a budicího vinutí bude mít frekvenci otáčení rotoru.
V obrácené verzi (obr. 32.2) budou frekvence otáčení kotvy (rotoru) a jejího pole stejné, ale směrované v opačných směrech. Proto bude výsledné pole stroje stejně jako budící pole stacionární.
Když synchronní stroj pracuje jako motor, je třífázové vinutí statoru připojeno k třífázové síti a rotující magnetické pole se vytváří rychlostí otáčení пп Toto pole, interagující s polem pólů rotoru, vytváří točivý moment. Aby měl okamžik při interakci polí stejný směr, musí být vůči sobě nehybné. To bude případ, kdy se rotor, a tedy jeho magnetické pole, otáčí rychlostí otáčení п п. Proto se u synchronního motoru rotor otáčí konstantní rychlostí rovnou rychlosti pole jak při volnoběhu, tak při zatížení.
Líbil se vám článek? Přidejte si ji do záložek (CTRL+D) a nezapomeňte ji sdílet se svými přáteli:
Synchronní stroj je střídavý stroj, u kterého otáčky rotoru při konstantní frekvenci proudu ve vinutí statoru zůstávají konstantní a nezávisí na zatížení hřídele stroje.
Synchronní stroje se používají především k přeměně mechanické energie primárních motorů na elektrickou energii, tedy jako generátory střídavého proudu. Synchronní stroje se však používají i v režimech motorů, kompenzátorů jalového výkonu a dalších zařízení.
V průmyslových instalacích se nejvíce používají třífázové synchronní stroje. Jednofázové synchronní motory našly uplatnění v elektrických pohonech kompresorů, výkonných ventilátorů, motorů s nízkým výkonem v různých automatických zařízeních atd.
Zařízení synchronního stroje
Třífázový synchronní stroj se skládá ze stacionárního statoru a uvnitř rotujícího nevyčnívajícího nebo vyčnívajícího pólového rotoru, mezi nimiž je vzduchová mezera, jejíž radiální velikost je dána jmenovitým výkonem stroje, jeho otáčkami a se pohybuje od zlomků po několik desítek milimetrů.
Stator takového stroje se prakticky neliší od statoru asynchronního stroje, má třífázové vinutí, jehož začátky fází jsou označeny C1, C2, C3 a konce – C4, C5, C6 a vedou ke svorkám s podobným označením, což umožňuje spojit fáze vinutí statoru s trojúhelníkem nebo hvězdou.
Fáze statorového vinutí třífázového synchronního generátoru jsou spojeny převážně hvězdou, protože to umožňuje v třífázové čtyřvodičové síti mít lineární a fázová napětí, která se od sebe liší √ 3krát ( Obr. 1).
Rýže. 1. Schéma připojení třífázové čtyřfázové sítě na svorky vinutí statoru třífázového synchronního generátoru při spojení fází hvězdou.
Rotor synchronního stroje je stejnosměrný elektromagnetický systém s vinutím, které má stejný počet pólů jako vinutí třífázového statoru. Magnetické silové vedení je uzavřeno mezi odpovídajícím severním a jižním pólem rotoru vzduchovou mezerou a vedením obvodu statoru (obr. 2, a, b).
Rotorové vinutí neboli budící vinutí přijímá energii z usměrňovače nebo malého generátoru stejnosměrného proudu – budiče, jehož výkon je 0,5 – 10% jmenovitého výkonu synchronního stroje. Budič může být umístěn na stejné hřídeli se synchronním strojem, poháněn z jeho hřídele pružným převodem, nebo poháněn od samostatného motoru.
Nevyčnívající pólový rotor synchronního stroje je plný nebo kompozitní válec z uhlíkové nebo legované oceli s vyfrézovanými drážkami na povrchu v axiálním směru. V těchto drážkách je umístěno vinutí z izolovaného měděného nebo hliníkového drátu. Začátek I1 a konec I2 tohoto vinutí jsou spojeny se dvěma sběracími kroužky namontovanými na izolační objímce umístěné na hřídeli stroje a otáčejícími se s rotorem.
Ke kroužkům jsou přitlačeny pevné kartáče, ze kterých jsou vyvedeny vodiče na svorky označené I1 a I2 pro připojení ke zdroji stejnosměrné elektrické energie. Velké zuby válce rotoru, které nemají žádné drážky, tvoří póly rotoru.
Nevýrazný pólový rotor má obvykle dva nebo čtyři póly se střídavou polaritou a používá se u rychloběžných synchronních strojů, zejména u turbogenerátorů – třífázových synchronních generátorů přímo spojených s parními turbínami pro otáčky 3000 nebo 1500 ot./min. při frekvenci střídavého proudu 50 Hz .
Rýže. 2. Návrh třífázového synchronního stroje s rotorem: a – nevyčnívající pól, b – vyčnívající pól, 1 – rám, 2 – magnetický obvod statoru, 3 – vodiče statoru, 4 – vzduchová mezera, 5 – pól rotoru, 6 – pólový nástavec, 7 – pravý rotor, 8 – vinutí buzení cívky, 9 – vinutí nakrátko, 10 – sběrací kroužky, 11 – kartáče, 12 – hřídel.
Rotor s vyčnívajícími póly synchronního stroje s počtem pólů čtyř a více má masivní třmen nebo vrstvený z ocelových plechů, na kterých jsou připevněny ocelové póly obdobného provedení, mající obdélníkový průřez, zakončené hroty ( Obr. 2, b). Na pólech jsou vzájemně propojené cívky tvořící budicí vinutí.
Takový rotor se používá v nízkootáčkových synchronních strojích, kterými mohou být hydrogenerátory a dieselgenerátory – třífázové synchronní generátory, přímo připojené k hydraulickým turbínám nebo spalovacím motorům, navržené pro rychlosti otáčení 1500, 1000, 750 a pod otáčkami při frekvenci střídavého proudu 50 Hz
Mnoho synchronních strojů má na rotoru kromě budícího vinutí ještě měděné nebo mosazné zkratované uklidňovací vinutí, které se u rotoru bez vyčnívajících pólů jen málo liší od podobného vinutí rotoru asynchronního stroje a v rotor s vyvýšenými póly je vyroben ve formě neúplného vinutí nakrátko, jehož tyče jsou umístěny pouze v drážkách pólových nástavců a v mezipolárním prostoru chybí. Toto vinutí přispívá k tlumení kmitů rotoru při nestabilních podmínkách synchronního stroje a také zajišťuje asynchronní spouštění synchronních motorů.
Synchronní stroje o jmenovitém výkonu do 5 kW se někdy vyrábí v reverzním provedení s budicím vinutím na statoru a třífázovým vinutím na rotoru.
Provozní účinnost třífázového synchronního generátoru
Provoz třífázových synchronních strojů v generátorovém režimu je doprovázen energetickými ztrátami, které mají podobný charakter jako ztráty u asynchronních strojů. V tomto ohledu je provozní účinnost třífázového synchronního generátoru charakterizována hodnotou součinitele výkonu (účinnosti), která je za podmínek symetrického zatížení určena vzorcem:
η = ( √3 UIcosφ)/( √3 UIcosφ+ΔP),
kde U a I jsou efektivní, lineární napětí a proud, cosφ je účiník přijímačů, ΔP jsou celkové ztráty odpovídající danému zatížení synchronního stroje.
Hodnota faktoru účinnosti (účinnosti) synchronních generátorů závisí na velikosti zátěže a účiníku přijímačů (obrázek 3).
Rýže. 3. Grafy závislosti účinnosti třífázového synchronního generátoru na zátěži a účiníku přijímačů.
Maximální hodnota účinnosti odpovídá zatížení blízkému jmenovitému a je 0,88-0,92 pro středně výkonné stroje a dosahuje 0,96-0,99 pro vysokovýkonné generátory. I přes vysokou účinnost u velkých synchronních strojů je vzhledem k velkému množství generovaného tepla nutné používat chlazení vinutí vodíkem, destilovanou vodou nebo transformátorovým olejem, což přispívá k lepšímu odvodu tepla a zároveň umožňuje vytvářet více kompaktní a výkonné třífázové synchronní stroje.
Telegramový kanál pro ty, kteří se chtějí každý den učit nové a zajímavé věci: Škola pro elektrikáře
Pokud se vám tento článek líbil, sdílejte odkaz na něj na sociálních sítích. Velmi to pomůže rozvoji našeho webu!
