Synchronní stroje 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). Synchronní stroj je točivý elektrický stroj na střídavý proud. Otáčky stroje jsou synchronní vůči točivému magnetickému poli. 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 1. Podle směru toku energie: a) synchronní motory: klasické motory krokové motory - speciální druh mnohapólového synchronního motoru výhody: - přesné řízení otáček - přesné řízení polohy rotoru uplatnění v mechanice, robotice atd
reluktanční motory b) synchronní generátory (alternátory) c) synchronní kompenzátory slouží ke kompenzaci účiníku elektrické sítě synchronní kompenzátor je naprázdno běžící synchronní motor, který dodává do sítě pouze jalový výkon 2. Podle konstrukce: - s hladkým rotorem - s vyniklými póly - s permanentním magnetem (náhrada budícího vinutí) Charakteristické vlastnosti a použití Vlastnosti: - otáčejí se synchronními otáčkami (n = n s ), nezávisle na zatížení, když se překročí M max, vypadnou ze synchronismu a zastaví se - možnost regulovat účiník (jalovou energii do/ze sítě) - vysoká účinnost - synchronní motory se samy nerozeběhnou
Použití: generátory: - turbogenerátory (2p=2, n=3000ot/min) - hydrogenerátory hydroalternátory (2p>2) (např.: n=75ot/min, ) 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 Ocelová stahovací konstrukce Lamelový magnetický obvod Tyčové trojfázové vinutí Stator je stejný jako a indukčního stroje trojfázové vinutí je uloženo v drážkách magnetického obvodu
Rotor na něm umístěno budící stejnosměrné vinutí, které je napájeno přes kroužky z vnějšího stejnosměrného budiče (řízený usměrňovač nebo dynamo) nebo je vytvořena střídavá magnetická vazba mezi statorem a rotorem konstrukce podle rychlosti: a) s vyniklými póly (pomaloběžné stroje) b) hladký rotor (rychloběžné stroje) c) s trvalými magnety Rotor s vyniklými póly na magnetovém kole (screen) jsou dva nebo čtyři póly, jejichž budicí vinutí je napájeno stejnosměrným proudem ze zvláštního zdroje, buď samostatného derivačního dynama - budiče, nebo nověji z polovodičového měniče, který budí střídavě severní a jižní pól budicí proud se k budicím cívkám přivádí prostřednictvím dvou kroužků a kartáčů, které na ně dosedají
Hladký rotor stroje s velkými otáčkami 3000 min -1 je tvořen pevným válcem s podélnými drážkami, ve kterých je uloženo budící vinutí napájené stejnosměrným proudem nejčastěji je vyhotoven s jednou, případně dvěma, pólovými dvojicemi přívody ke kroužkům od budícího vinutí procházejí vývrtem v hřídeli alternátory jsou charakteristické poměrně vysokými otáčkami, vinutí v drážkách rotoru musí být zajištěno proti uvolnění vlivem odstředivých sil tyto alternátory se používají v tepelných elektrárnách, kde hnacími stroji jsou parní turbíny jsou charakteristické, poměrně ke svému výkonu malým průměrem, ale větší délkou výkony těchto alternátorů se dnes pohybují ve stovkách až tisících MW stroje v tomto provedení nazýváme turboalternátory a turbomotory Budič je nezbytný pro práci synchronního stroje většinou se používá dynamo, které je namontováno na hřídeli synchronního stroje zajištění spolehlivého provozu a pohonu dnes se místo budičů velmi často používají pro buzení polovodičové usměrňovače
Chlazení rozhoduje o rozměrech, spolehlivosti a životnosti u malých strojů se provádí chladícím vzduchem dodávaným do stroje vlastním nebo cizím ventilátorem u velkých turbostrojů (nad 50 MW) se provádí chlazení vodíkem stroj musí být vzduchotěsně uzavřen většinou s přetlakem vodík má 4krát lepší chladící schopnost než vzduch výhodou je stále stejná kvalita izolace nevýhodou je nebezpečí výbuch turbostroje se chladí také kapalinou destilovanou vodou nebo deionizovanou vodou někdy se používá kombinované chlazení, kdy se chladí: stator vodou rotor vodíkem Synchronní otáčky otáčky jsou přesně synchronní, při frekvenci sítě 50 Hz je to 3000 děleno počtem pólových dvojic (3000ot/min, 1500ot/min, 1000ot/min, 750ot/min, 600ot/min, 500ot/min, atd.). => f napájecí kmitočet p počet pólpárů
p 1 2 3 4 n s 3000 1500 1000 750 Přehled provozních stavů synchronního stroje provozní stav synchronního stroje připojeného k síti se mění podle polohy fázoru statorového proudu I fázor napětí U klademe do směru kladné poloosy y a používáme stále spotřebičovou soustavu 1. kvadrant stroj pracuje jako buzený synchronní motor ze sítě odebírá činný a jalový výkon pracuje podobně jako asynchronní motor 2. kvadrant stroj pracuje jako přebuzení synchronní motor ze sítě odebírá činný výkon a odevzdává do sítě jalový kapacitní výkon
v tomto stavu pracuje synchronní motor nejčastěji, neboť se tím současně výhodně kompenzuje špatný účiník 3. kvadrant stroj pracuje jako přebuzení synchronní generátor do sítě dodává činný i jalový výkon je to nejčastější provozní stav alternátoru 4. kvadrant stroj pracuje jako podbuzený synchronní generátor do sítě dodává činný výkon a ze sítě odebírá jalový indukční výkon je to vyjímečný provozní stav alternátoru