Synchronní stroje se bez ohledu na provozní režim skládají ze dvou hlavních částí: pevného statoru, který funguje jako kotva, a rotoru, který se otáčí uvnitř statoru a slouží jako induktor (obr. 4.1).
Stator třífázového synchronního stroje je podobný statoru třífázového indukčního motoru. Skládá se z těla /, válcového jádra 2, rekrutované z jednotlivých plátů elektrooceli a třífázového vinutí 3, uloženy v drážkách jádra.
Rotor synchronního stroje je stejnosměrný elektromagnet, který vytváří magnetické pole, které se otáčí s rotorem. Rotor má budicí vinutí 4, které je přes speciální sběrací kroužky 5 napájeno stejnosměrným proudem z usměrňovače nebo z malého stejnosměrného generátoru zvaného budič.
V domácí elektroenergetice se používají i synchronní stroje s “bezkartáčovým” buzením. Vinutí rotoru takových strojů je poháněno usměrňovačem, který se otáčí s rotorem. Usměrňovač zase přijímá energii z budiče, který má třífázové vinutí rotující spolu s rotorem, buzené pevnými permanentními magnety.
Rotory synchronních strojů jsou dvou typů: s explicitními a implicitními póly.
Rotory s výraznými póly (obr. 4.1) se používají v relativně pomaloběžných strojích (80 – 1000 ot./min), např. hydrogenerátorech; mají značný počet pólů. Konstrukčně se rotory tohoto typu (obr. 4.2) skládají z hřídele 6, náboje 7, pólů 8, upevněných v drážkách náboje, pólových budicích cívek 4 umístěných na pólech.
Povrch pólového nástavce pólů má takový profil, že magnetická indukce ve vzduchové mezeře stroje je rozložena přibližně podle sinusového zákona. Pro vysokorychlostní stroje (turbinové generátory, synchronní motory, turbodmychadla atd.) není konstrukce rotoru s vyvýšenými póly použitelná z důvodu relativně velkého průměru rotoru a nepřijatelně velkých odstředivých sil, které v souvislosti s tím vznikají. .
Rotor s implicitně vyjádřenými póly má větší mechanickou pevnost. Skládá se (obr. 4.3) z jádra 1 a budícího vinutí 2. Jádro je vyrobeno z válcového ocelového výkovku. Na jeho vnějším povrchu jsou vyfrézovány drážky, do kterých je uloženo budicí vinutí.
Budící vinutí je rozmístěno ve štěrbinách jádra tak, že jím vytvořené magnetické pole je rozloženo v prostoru podle zákona blízkého sinusovému tvaru.
Princip činnosti a EMF synchronního generátoru.
Činnost synchronního generátoru je založena na jevu elektromagnetické indukce. Naprázdno je vinutí kotvy (statoru) otevřené a magnetické pole stroje je tvořeno pouze budicím vinutím rotoru (obr. 4.4).
Když se rotor synchronního generátoru otáčí od drátového motoru PD s konstantní frekvencí nо magnetické pole rotoru, křižující vodiče fázových vinutí statoru AX, BY, CZ (obr. 4.4, a) v nich indukuje EMF, kde B – magnetická indukce ve vzduchové mezeře mezi statorem a rotorem; l je aktivní délka vodiče; – lineární rychlost křížení vodičů magnetickým polem.
Výše bylo uvedeno, že indukce B ve vzduchové mezeře je rozložena podle sinusového zákona, kde je úhel počítán od neutrální čáry, tedy EMF v jednom vodiči.
Označení , získáme , tzn. EMF ve vodičích statorových vinutí se mění podle sinusového zákona.
EMF jednotlivých vodičů každého statorového vinutí jsou vůči sobě fázově posunuty, takže se geometricky sčítají (podobně jako EMF statoru asynchronního motoru – viz odstavec 3.8.1). Efektivní hodnota EMF jedné fáze je určena výrazem:
kde je koeficient vinutí; – frekvence sinusového EMF; – počet závitů jedné fáze statorového vinutí; je počet párů pólů; – maximální magnetický tok pólu rotoru; – synchronní rychlost.
Cívky jednotlivých fází statoru jsou posunuty v prostoru o elektrický úhel rovný 120 0 a jejich EMF tvoří symetrický třífázový systém.
Změnou budícího proudu je možné regulovat magnetický tok rotoru a jemu úměrné EMF generátoru. Na Obr. 4.5 ukazuje závislost měřenou při jmenovitých otáčkách.
Tato závislost se nazývá klidová charakteristika. Tvar charakteristiky připomíná tvar magnetizační křivky feromagnetického jádra. Jeho charakteristickým rysem je nedostatek úměrnosti mezi magnetickým tokem a budícím proudem, což je způsobeno jevem saturace magnetického systému stroje.
Princip činnosti a točivý moment synchronního motoru.
Princip činnosti synchronního motoru je založen na jevu přitahování opačných pólů dvou magnetických polí – statoru a rotoru. Točivé pole statoru s póly N a S vzniká při napájení statorových vinutí z třífázové sítě podobně jako točivé pole asynchronního motoru (na obr. 4.6 jsou póly statoru N a S znázorněny šrafováním, otáčejí se proti směru hodinových ručiček s frekvencí). Rotorové pole vzniká stejnosměrným proudem procházejícím vinutím rotoru.
Předpokládejme, že rotor je nějak zrychlen na synchronní otáčky proti směru hodinových ručiček. Potom se póly rotoru budou otáčet s frekvencí; dojde ke „spojení“ těchto pólů s opačnými póly statoru a (viz šrafované čáry na obr. 4.6).
V ideálním klidovém režimu (odporový moment) se osy magnetických polí statoru a rotoru shodují (obr. 4.6.a). V tomto případě na póly rotoru působí radiální síly, které nevytvářejí ani točivý moment, ani moment odporu.
Pokud na hřídel stroje působí mechanické zatížení, které vytváří moment odporu, osa rotoru a jeho póly se posunou směrem k úhlu zpoždění (obr. 4.6, b). Nyní rotující pole statoru „vede“ pole rotoru a rotor samotný. Tangenciální složky vytvářejí krouticí moment , kde je poloměr rotoru.
Stroj pracuje v motorovém režimu, jeho krouticí moment překonává moment odporu mechanického zatížení.
S nárůstem mechanického zatěžovacího momentu na hřídeli rotoru se úhel zvětšuje (až do určité hranice), což vede ke zvýšení točivého momentu motoru , přičemž otáčky rotoru zůstávají nezměněny a rovny .
Proti momentu a zpětného EMF.
Když synchronní stroj pracuje v režimu zatíženého generátoru (ve schématu na obr. 4.4, b je zátěž Zn připojena ke statorovým vinutím přes spínač Q), protéká statorovými vinutími proud, který vytváří vlastní rotující magnetické pole. V režimu generátoru jsou na rozdíl od režimu motoru póly rotoru předsunuty o úhel pólů magnetického pole statoru.
V důsledku vzájemného působení protilehlých pólů statoru a rotoru působí na rotor moment směřující proti otáčení, tzn. brzdný moment. V ustáleném stavu moment vyrovnává moment hnacího motoru: .
Při chodu synchronního stroje v motorovém režimu křižuje rotorové pole závity třífázového statorového vinutí a indukuje se v něm EMF, které podle Lenzova pravidla působí proti proudu statoru. Z tohoto důvodu se nazývá back-EMF. V ustáleném stavu zadní EMF téměř úplně vyrovnává síťové napětí.
Když tedy synchronní stroj pracuje na zátěži (elektrické nebo mechanické), ve vinutí statoru se indukuje EMF E a vzniká rotorový moment.
Reakce kotvy u synchronního stroje.
Reakce kotvy je vliv pole kotvy (statoru) na magnetické pole stroje. Když synchronní stroj pracuje na zátěži (elektrické v režimu generátoru a mechanické v režimu motoru), protékají vinutími statoru (kotvy) sinusové proudy, které vytvářejí rotující magnetické pole statoru. Rotor má otáčky, tedy frekvenci EMF a statorového proudu, kde je počet párů pólů stroje.
Frekvence otáčení magnetického pole statoru.
Proto se pole rotoru a statoru otáčejí stejnou frekvencí; vzájemně se ovlivňují a tvoří výsledné točivé magnetické pole stroje. Vzájemné působení polí závisí na charakteru zatížení a provozním režimu stroje.
Uvažujme reakci kotvy na příkladu dvoupólového synchronního generátoru s implicitními póly rotoru pracujícího na zátěži různé povahy.
S aktivní zátěží s odporem R EMF fáze statorového vinutí a jeho proud jsou ve fázi a dosahují maxima v okamžiku, kdy osa mm1 magnetický tok rotoru Ф kolmo k ose nn1 cívky statorového vinutí (např. АX na Obr. 4.7a).
Magnetický tok statoru Fя se uzavírá na jádrech statoru a rotoru vzduchovou mezerou. V případě aktivního zatížení je tedy osa toku rotoru Ф před osou toku statoru Фя o elektrický úhel rovný 90 0 (příčná reakce kotvy).
V tomto případě výsledný magnetický tok stroje (osa qq1) se otáčí vzhledem k toku rotoru Ф pod úhlem ve směru opačném ke směru otáčení rotoru.
S čistě indukční zátěží XL proud ve vinutí statoru zaostává za EMF o 90 0 a dosahuje proto maxima v okamžiku, kdy se pól rotoru otočí o 90 0 ve směru otáčení (obr. 4.7b). V tomto případě se ukáže, že magnetický tok statoru směřuje k magnetickému toku rotoru a demagnetizuje stroj ( ).
S kapacitní zátěží XC proud ve fázi statoru vede EMF o 90 0 a proto dosahuje maxima v okamžiku, kdy pól rotoru nedosáhne osy o 90 0 mm1 (obr. 4.7, c). Magnetický tok statoru se v tomto případě ukazuje jako směrovaný v souladu s magnetickým tokem rotoru a magnetizuje stroj ( ).
Když synchronní stroj pracuje v režimu motoru, proud ve statoru se stejným směrem otáčení má opačný směr. Osa výsledného proudění motoru se ukazuje být natočena vzhledem k proudění rotoru o úhel , nikoli však proti směru otáčení jako u generátoru, ale ve směru otáčení.
Kotevní odezva u synchronního stroje tedy mění jak proudění stroje, tak jeho směr (na rozdíl od asynchronního stroje, který má ). Změna Fstřih vede ke změně EMF, což nepříznivě ovlivňuje provoz spotřebitelů elektřiny, když stroj pracuje v režimu generátoru.
Snížení nepříznivého vlivu reakce kotvy je dosaženo snížením magnetického toku statoru zvětšením vzduchové mezery mezi rotorem a statorem synchronního stroje.
Synchronní elektrický stroj je střídavý stroj, ve kterém je rychlost rotoru n rovná frekvenci otáčení magnetického toku statoru n1 a proto je určena frekvencí síťového proudu f1, tj. , otáčky za minutu, kdep– počet párů pólů vinutí statoru.
Synchronní generátor je hlavním typem alternátoru používaného v procesu výroby energie (obrázek 3.1).
Synchronní motory mají na rozdíl od asynchronních motorů přísně konstantní otáčky, které nezávisí na zatížení.
Výhodou synchronních motorů je možnost řídit jejich účiník a účiník elektrické soustavy.
Synchronní stroje mají další velmi důležité uplatnění – jako synchronní kompenzátor, který umožňuje zlepšit účiník elektrického systému.
1 – kontaktní kroužky; 2 – držáky kartáčů; 3 – pólová cívka rotoru; 4 – hrot pólu; 5 – jádro statoru; 6 – ventilátor; 7 – hřídel
3.1. Zařízení a princip činnosti synchronního stroje
Synchronní stroje se podle konstrukce dělí na vyčnívající pólové a bezpólové (obr. 3.2).
Stator synchronního stroje má stejné zařízení jako stator asynchronního stroje a nazývá se kotva. Třífázové vinutí kotvy synchronního stroje je vyrobeno se stejným počtem pólů jako rotor. Obrázek 3.2 podmíněně zobrazuje pouze svorky začátku fází A, B, C kotevní vinutí.
1 – stator (kotva); 2 – rotor (induktor); 3 – budicí vinutí
Rotor synchronního stroje má budicí vinutí připojené přes dva sběrací kroužky a kartáče ke stejnosměrnému zdroji. Účelem budícího vinutí je vytvořit hlavní magnetický tok ve stroji. Rotor spolu s budícím vinutím se nazývá induktor.
Pokud se rotor synchronního stroje uvede do rotace s rychlostí otáčení na vybuďte jej, pak bude budící tok indukovat EMF s frekvencí ve vinutí kotvy.
EMF vinutí kotvy tvoří symetrický třífázový systém, a když je k vinutí kotvy připojen generátor symetrické zátěže, bude toto vinutí zatíženo symetrickým proudovým systémem. Stroj pak bude pracovat v režimu generátoru.
Při zatížení vytváří vinutí kotvy vlastní točivé magnetické pole, které se otáčí ve stejném směru jako rotor s frekvencí ot./min. Pole kotvy a rotoru rotují se stejnou frekvencí a jsou vůči sobě stacionární.
Synchronní stroj může pracovat i jako motor, pokud je na vinutí kotvy připojen třífázový proud ze sítě. V tomto případě, v důsledku interakce magnetických polí kotvy a rotoru, pole kotvy táhne rotor s sebou. V tomto případě se rotor otáčí stejným směrem jako pole kotvy.
3.2. Magnetické pole budícího vinutí synchronního stroje
stroj s význačnými póly. Na Obr. 3.3 a ukazuje magnetické pole budícího vinutí ve vzduchové mezeře synchronního stroje s vyčnívajícími póly při dělení pólů. Rozložení magnetické indukce pole budícího vinutí na vnitřní ploše kotvy je znázorněno na Obr. 3.3b. Reálné rozložení (1) magnetické indukce lze díky nesinusovosti rozložit na hlavní (2) a vyšší harmonické složky.
Výše uvedené harmonické pole budícího vinutí indukují hlavní a vyšší harmonické EMF ve vinutí kotvy. Vyšší harmonické EMF jsou malé, protože odpovídající harmonické magnetické indukce pole budícího vinutí jsou malé a také kvůli zkrácení stoupání vinutí kotvy a jeho rozložení.
Amplituda základní harmonické pole je
kde je amplituda skutečného rozložení indukce pole budícího vinutí; – tvarový faktor pole budícího vinutí; – minimální vzduchová mezera; – maximální vzduchová mezera; – délka oblouku pólový nástavec;a– koeficient pólového oblouku; – magnetická permeabilita vzduchu; – koeficient vzduchové mezery; – koeficient nasycení magnetického obvodu podél podélné osy (podélná osadse shoduje s podélnou osou symetrie každého pólu induktoru, příčnou osouquprostřed mezi sousedními hlavními póly – magnetomotorická síla (MMF) pólu budícího vinutí;wf,if – počet závitů a proud budícího vinutí.
Obvykle ,, což umožňuje poskytovat vysoké hodnoty tvarového faktoru pole budícího vinutí
nevyčnívající pólový stroj. Na obr. 3.4 a je znázorněno magnetické pole budícího vinutí ve vzduchové mezeře nevyčnívajícího pólového synchronního stroje při dělení pólů. Rozložení magnetické indukce pole budícího vinutí na vnitřní ploše kotvy je na obr. 3.4,b. Reálné rozložení (1) magnetické indukce má tvar lichoběžníku, který lze rozložit na hlavní (2) a vyšší harmonickou složku.
Amplituda základní harmonické pole budícího vinutí
kde – faktor tvaru pole budícího vinutí – koeficient vinutí buzení vinutí;y– poměr počtu štěrbin budícího vinutí k celkovému počtu štěrbinových dělení vnějšího povrchu tlumivky. Obvykle, což vám umožní získat
