Synchronn stroje I Konstrukce a princip Zkladn informace

Synchronní stroje I. Konstrukce a princip

Základní informace Rozvoj synchronních strojů byl dán zavedením střídavé soustavy. V počátku se používaly zejména synchronní generátory – alternátory, které slouží pro výrobu trojfázového střídavého proudu. Jejich hlavní výhodou je skutečnost, že energii odebíráme ze statoru – pevné části stroje. Výhodou synchronních motorů jsou konstantní otáčky při různém zatížení. I přes tuto výhodu se synchronní motory ale používaly zřídka, problémy byly s rozběhem a složitější konstrukcí (v porovnání s asynchronním motorem). S rozvojem výkonové elektroniky a zlepšováním vlastností trvalých magnetů se používání synchronních strojů v současné době výrazně zvyšuje.

Rozdělení synchronních strojů Podle směru toku energie: * synchronní motory - klasické motory - krokové motory - reluktanční motory * synchronní generátory (alternátory) * synchronní kompenzátory Podle konstrukce: * s hladkým rotorem * s vyniklými póly * s permanentním magnetem (náhrada budícího vinutí)

Charakteristické vlastnosti a použití Vlastnosti: * konstantní (synchronní) otáčky při změně zátěže * možnost regulovat účiník (jalovou energii do/ze sítě) * vysoká účinnost Použití: * generátory - turbogenerátory - hydrogenerátory * motory - motory velkých výkonů s plynulou regulací otáček - nízkootáčkové motory velkých výkonů - motory s trvalými magnety pro trakční pohony - motory pro průmyslovou automatizaci - …

Konstrukce synchronního stroje Stator (u synchronních strojů kotva) je stejný jako a indukčního stroje – trojfázové vinutí je uloženo v drážkách magnetického obvodu. ocelová stahovací konstrukce lamelový magnetický obvod tyčové trojfázové vinutí

Na rotoru je umístěno budící stejnosměrné vinutí, které je napájeno přes kroužky z vnějšího stejnosměrného budiče (řízený usměrňovač nebo dynamo) nebo je vytvořena střídavé magnetická vazba mezi statorem a rotorem. Součástí rotoru pak musí být usměrňovač (nesené ventily). Podle rychlosti otáčení může být hladký rotor (rychloběžné stroje) nebo rotor s vyniklými póly (pomaloběžné stroje). Stejnosměrné budící vinutí může být nahrazeno trvalými magnety.

Alternátor - princip činnosti Alternátor má stejný princip jako dynamo, pouze si stator a rotor vyměnily pozice. 1. Vinutím rotoru prochází stejnosměrný budící proud, v okolí rotoru vzniká stejnosměrné magnetické pole. 2. Rotor se otáčí synchronní rychlostí a tím je vytvořeno točivé magnetické pole. 3. Točivé magnetické pole protíná vinutí statoru, ve vinutí se indukuje napětí 4. Po zatížení alternátoru začne vinutím procházet proud.

Alternátor - princip činnosti Vznik trojfázového indukovaného napětí ve vinutí statoru.

Alternátor - princip činnosti Frekvence výstupního napětí: Podle typu poháněcí turbíny rozlišujeme alternátory: 1. rychloběžné (turboalternátory) * pohon – parní nebo plynová turbína, ns = 3000 1/min p=1 Rotor má malý průměr, jeho délka může být několik metrů (poměr l/d 6) 2. pomaloběžné (hydroalternátory) * pohon – vodní turbína, ns 500 1/min p 6 Rotor má velký průměr, jeho průměr může být několik metrů (poměr l/d 0, 2)

Alternátor - princip činnosti Velikost indukovaného napětí: Ui = 4, 44 * N * * f * kv Simulace 1 Simulace 2 Turboalternátor:

chladič vývody vinutí statoru plášť ucpávka stator rotor ventilátor chlazení ložisko

Chod naprázdno Alternátor ve stavu naprázdno – rotor se otáčí synchronní rychlostí, na výstupní svorky není připojena zátěž výstupní proud je nulový. Na čem závisí velikost výstupního napětí ? Velikost výstupního napětí je dána velikostí budícího proudu U 0 = Uib Ui = 4, 44 * f * * N * kv Ui ~ (magnetizační křivka) UR Ib

Provoz alternátoru samostatně pracující alternátor Provoz alternátoru lze rozdělit na 2 případy: 1. Alternátor napájí trvale samostatnou zátěž - záložní zdroj energie pro výpad vnější sítě (nemocnice, rozvodny, …) - alternátory pro mobilní prostředky (lodě, pojízdná údržba) - alternátory pro armádu 2. Parametry alternátoru se upravují pro připojení na síť V obou případech jsou alternátory jsou poháněny turbínou nebo spalovacím motorem Postup při rozběhu alternátoru: - rozběh na synchronní otáčky - nabuzení na požadované napětí - spínačem připojíme zátěž

Provoz alternátoru samostatně pracující alternátor Regulace alternátoru a vliv změny zátěže: U samostatně pracujícího alternátoru lze regulovat dvě základní veličiny: * otáčky - mechanická energie na hřídeli (turbína, spalovací motor) * napětí - budící proud Při zvýšení zátěže: a) klesají otáčky (frekvence). K udržení synchronních otáček se používá regulátor otáček, který má vazbu na dodávanou mechanickou energii na hřídeli b) v důsledku synchronní reaktance se zvýší úbytek napětí na alternátoru a klesne svorkové napětí – je třeba zvýšit budící proud (regulátor buzení). Alternátor je v důsledku velké synchronní reaktance relativně měkký zdroj. Při náhlém odlehčení stroje (vypnutí vypínače při poruše) hrozí: 1. nárůst otáček - uzavření přívodu energie na poháněcí stroj 2. zvýšení napětí - okamžité odbuzení stroje (rychloodbuzovače)

Provoz alternátoru v síti Předpoklad – dostatečně tvrdá síť, parametry sítě jeden alternátor neovlivní. Po přifázování je alternátor ve stavu naprázdno. Možnosti regulace: 1. změna mechanické energie na hřídeli (energie na turbíně) změna činného výkonu alternátoru (otáčky se nezmění, frekvence je držena sítí). Jaká je reakce, jestliže alternátory nejsou schopny dodat do sítě potřebný výkon ? Dojde k poklesu frekvence, což může být příčinou rozpadu sítě ! 2. změna budícího proudu změna jalového výkonu do sítě (napětí se nezmění, je drženo sítí Alternátory pracují většinou k konstantní budícím tokem (konstantní dodávkou jalové energie do sítě). Případná regulace se týků činného výkonu.

Materiály Kocman Mravec Měřička Synchronní stroje Elektrické stroje a přístroje I Elektrické stroje