Synchronní stroje
Synchronní stroje n 1 Φ f n 1 Φ f I f I f I f tlumicí (rozběhové) vinutí Stator: jako u asynchronního stroje ( 3 fáz vinutí, vytvářející kruhové pole ) n 1 = 60.f 1 / p Rotor: I f ss. + kroužky kruhové pole Φ f ~ I f Provedení rotoru: a) vyniklé póly b) hladký rotor (turbo)
Detaily rotoru turbostroje Schematický příčný řez rotorem Bandáž rotorového vinutí (obruč)
ČKD - 25000 kw, 10 kv, 2p=2 2600 až 3900 min -1
Rotor turbomotoru
Rotor stroje s vyniklými póly Rozběhová klec (tlumicí vinutí)
ČKD - 6300 kw, 6 kv, 2p=4 synchronní motor
ČKD - 14000 kw, 6 kv, 2p=4
ČKD - 3250 kva, 11 kv, 2p=8 synchronní generátor
ČKD 2500 kw 10 kv, 2p=40 synchr.
Rotor pomaluběžného stroje Magnetové kolo Náboj Hřídel
Magnetický tok ve stroji s vyniklými póly
Toky a reaktance Výsledné pole je buzeno magnetomotorickým napětím vyvolaným proudem trojfázového vinutí a stejnosměrným budicím proudem v rotoru. Výsledný fiktivní magnetizační proud: Ve statoru: Uˆ Uˆif Iˆ - napětí napájecí sítě Iˆ - napětí indukované budicím proudem I f U ˆ ˆ vytvoří proud Î, protékající odporem U if a podélnou synchronní reaktancí X d. X d X ad Iˆ f X 1 Φ ad hlavní tok, (zabírá s vodiči rotoru) Φ 1σ rozptylový tok X ad - podélná reaktance reakce kotvy Obdobně lze odvodit příčnou synchronní reaktanci X q.
Předpoklady: Synchronní alternátor s hladkým rotorem a) Vzduchová mezera je konstantní po celém obvodu konst. R m konst. b) Magnetomotorická napětí statoru i rotoru jsou prostorově rozložena podle sinusovky F m F c) Úhlová rychlost otáčení rotoru je d) Permeabilita max sin p 2 f konst. µ = konst. Φ ~ F m
Napěťové rovnice Uˆ RIˆ U R I f f f jx Iˆ ˆ U i Platí-li U i =4,44 f 1 Φ µ N 1 k v1 ~ Φ µ ~ F µ Platí také Fˆ ˆ Uˆ i Fˆ f Fˆ ˆ Uˆ a ˆ f a f Uˆ a
Pro hladký rotor: X d = X q = X s = X ad + X 1σ Napěťová rovnice má tvar nebo Uˆ Uˆ RIˆ RIˆ jx jx Iˆ ˆ d U if Iˆ jx ad Iˆ Uˆ if
Fázorový diagram turboalternátoru
n Asynchronní rozběh synchronního motoru n n 1 A A n' < n 1 Synchronizace: S rotoru se přitáhne k J statoru Trvalá vazba mezi Φ f a Φ a : n = n 1 = konst = f (f ) M
n Asynchronní rozběh synchronního motoru n' n'' n 1 A A' A'' n'' < < n 1 Synchronizace nenastane M
Zatěžování synchronního motoru Nárůst zatěžovacího momentu M p S n 1 Φ a J n S Φ f J n = n 1
Zatěžování synchronního motoru Nárůst zatěžovacího momentu M p S n 1 Φ a J δ n = n 1 Rotorové pole se za statorovým opožďuje o zátěžný úhel δ.
Zatěžování synchronního motoru Nárůst zatěžovacího momentu M p S n 1 Φ a J n = n 1
J S Zatěžování synchronního motoru Nárůst zatěžovacího momentu M p S n 1 Φ a n Φ f J n = n 1
Zatěžování synchronního generátoru - alternátoru Nárůst poháněcího momentu M p S n 1 Φ a J n S Φ f J n = n 1
Zatěžování synchronního generátoru - alternátoru Nárůst poháněcího momentu M p S n 1 Φ a J n = n 1
Zatěžování synchronního generátoru - alternátoru Nárůst poháněcího momentu M p S n 1 Φ a J n = n 1
Zatěžování synchronního generátoru - alternátoru Nárůst poháněcího momentu M p S n 1 Φ a J S Φf n J n = n 1
Zjednodušené náhradní schéma turbostroje ~ U if X d I U X d - synchronní reaktance (respektuje existenci rozptylového toku a toku vyvolaného proudem I ) R 1 = 0 - zanedbatelný oproti X d Uˆ Uˆ if jx d Iˆ
Zatěžování do tvrdé sítě při konstantním výkonu X d I jx d I w ~ U if U jx d.i q U I w φ I U if Důležité: I w = I cosφ ~ M X d I w = U if sinδ δ p I I q p U
Zatěžování do tvrdé sítě při konstantním výkonu X d I jx d I w ~ U if U U U if I=I w δ
Zatěžování do tvrdé sítě při konstantním výkonu X d I jx d I w jx d.i q ~ U if U U U if φ I I w δ I q Výhody synchronního motoru: n = n 1 = konst. změna cos φ
Fázorový diagram přebuzeného turbostroje X d I motor ~ U if U generátor φ jx d.i q jx d.i w U U if jx d.i q U if jx d I w U I I w δ δ I q I q I I w
Regulace činného a jalového výkonu
Zatěžování do tvrdé sítě při konstantním výkonu Všechny proudy jsou přepočítány na stator
Zatěžování do tvrdé sítě při konstantním výkonu V křivky synchronního stroje
Zatěžování do tvrdé sítě při konstantním buzení I μ je magnetizační proud ve statoru pro vybuzení jmenovitého napětí při chodu naprázdno. Při tvrdé síti je konstantní.
Moment turbostroje P m = m U I cosφ = M ω 1m X d I w = U if sinδ M m UU X 1m d if sin n 1 (δ =90 ) δ
Zatěžování do tvrdé sítě při konstantním buzení Statická stabilita a přetižitelnost Stabilní chod dp 0 d Synchronizačního činitel: dp m d 1 U U 1 X Určuje schopnost stroje udržet se v synchronizmu. Max. je při δ = 0. d if cos
Zatěžování do tvrdé sítě při konstantním buzení Statická stabilita a přetižitelnost Stabilní chod dp 0 d Synchronizační činitel: dp m d 1 U U Synchronizační výkon: 1 X d if cos dp d Udává míru statické stability alternátoru v daném pracovním bodě při zátěžném úhlu δ - zda je stroj schopen se při změně výkonu ustálit v novém bodě výkonové charakteristiky beze změny buzení.
Zatěžování do tvrdé sítě při konstantním buzení Statická stabilita a přetižitelnost Stabilní chod dp 0 d Synchronizační činitel: dp m d 1 U U Synchronizační výkon: 1 X d if cos dp d Výkonová přetižitelnost: p M P P max Motor p M 1,5 Alternátor p M 1,25 N M M max N
Výkonová (momentová) přetižitelnost p p M M P P N M M max max Motor p M 1,5 Alternátor p M 1,25 N muu 1m d d 1m if X muin cos N I N U if X cos N I N IkN cos N I kn p M je ustálený proud nakrátko, odpovídající budicímu proudu I fn I fkn I I fn i cos fn k cos N I f 0N N Přetižitelnost je větší při větším zkratovém poměru i k a při menším cosφ N 1 ik větší vzduchová mezera větší budicí proud větší rozměry X d
Výkonová (momentová) přetižitelnost Závěry: Zkratový poměr je menší při větším elektrickém a magnetickém využití stroje. Stabilita se zajišťuje rychloregulátory napětí. Jmenovitý účiník závisí na dimenzování budicího vinutí. Synchronní alternátory mívají cosφ N = 0,8 velké 0,85 nebo i 0,9.
Moment synchronního stroje s vyniklými póly
Samostatně pracující alternátor Charakteristika naprázdno U 0 I = 0, n = konst. I f
Samostatně pracující alternátor Vnější charakteristiky I f = konst., cos φ = konst. n = konst.
Fázování synchronního alternátoru na síť - stejný sled fází alternátoru a sítě - stejná frekvence - stejné napětí - stejná fáze napětí v okamžiku zapnutí U 0 f p. n 1 60 I f
Rozměry turboalternátorů Výkon Ložisková rozteč Průměr rotoru (MW) (mm) (mm) 500 10300 1125 800 11780 1200 1200 13000 1250
Budicí soustavy synchronních strojů Buzení z rotačního měniče 1 synchronní stroj 2 dynamo 3 pomocný budič
Budicí soustavy synchronních strojů Buzení ze střídavého budiče 4 soustava pro řízení budicího proudu
Budicí soustavy synchronních strojů Buzení nesenými ventily (bezkartáčová budicí soustava)
Budicí soustavy synchronních strojů Buzení ze soustavy s rotačním transformátorem 4 střídavý regulátor napětí
Budicí soustavy synchronních strojů Buzení ze statického usměrňovače
Budicí soustavy synchronních strojů Buzení permanentními magnety
Malé synchronní stroje Reluktanční motor (bez budicího vinutí) Drápkový generátor Permanentní magnet J S Pólové nástavce
Bezkartáčový stejnosměrný motor používané názvy: EC motor, BLDC motor - vlastnosti motoru jsou podobné stejnosměrnému motoru - konstrukce je podobná synchronnímu motoru (3-fázové statorové vinutí, rotující magnety) - napájení 3 fází podle polohy rotoru Použity materiály firmy UZIMEX, dodávající motory firmy MAXON.
Součásti pohonu s EC motorem napájecí zdroj mechanická část zátěž elektrická část komutace a řízení enkodér z Hallových sond povely elektronická část
Průběh komutace 1 2 15 3 6 5 4
Průběh komutace 15
Pomaluběžný s vnějším rotorem - 40 pólů na rotoru - 36 pólů na statoru - 300 W - 36 V - 230 min -1
Rychloběžný s planetovou převodovkou dopomala Rotor uvnitř má 4 póly
Třecí planetová převodovka
Planetová převodovka s ozubením P N =450 W