Účel a uspořádání synchronních strojů

Synchronní stroj - střídavý stroj, ve kterém otáčky rotoru při konstantní frekvenci proudu ve vinutí statoru zůstávají konstantní a nezávisí na velikosti zatížení hřídele stroje.

Synchronní stroje Používají se hlavně k přeměně mechanické energie hnacích strojů na elektrickou energii, tedy jako generátory elektrické energie 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 se používají v elektrických pohonech kompresorů, výkonných ventilátorů, motorů s nízkým výkonem v různých automatických zařízeních atd.

Synchronní strojní zařízení

Třífázový synchronní stroj se skládá ze stacionárního statoru a v něm rotujícího implicitního nebo konvexního pólového rotoru, mezi nimiž je vzduchová mezera, jejíž radiální velikost je dána jmenovitým výkonem stroje, jeho otáčkami a mění se od zlomky až několik desítek milimetrů.

Stator takového stroje se prakticky neliší v konstrukci od statoru indukčního stroje, má třífázové vinutí, jehož začátek fází je označen C1, C2, C3 a konce - C4, C5, C6 a jsou přivedeny na svorky s podobným označením, což umožňuje propojit fáze vinutí statoru s trojúhelníkem nebo hvězdou.

Fáze statorového vinutí třífázového synchronního generátoru jsou zapojeny převážně do hvězdy, protože to umožňuje třífázové čtyřvodičové síti mít síťová 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 zapojení fází do hvězdy.

Rotor synchronního stroje je stejnosměrný elektromagnetický systém s vinutím, které má stejný počet pólů jako třífázové vinutí statoru. Magnetické siločáry jsou uzavřeny mezi příslušným severním a jižním pólem rotoru vzduchovou mezerou a přívodním vedením statoru (obr. 2, a, b).

Rotorové nebo budicí vinutí je napájeno usměrňovačem nebo malým stejnosměrným generátorem – budičem, jehož výkon je 0,5 až 10 % jmenovitého výkonu synchronního stroje. Budič může být umístěn na stejné hřídeli se synchronním strojem, poháněn z jeho hřídele pružným převodem, nebo poháněn samostatným motorem.

Implicitní pólový rotor synchronního stroje je plný nebo kompozitní válec vyrobený z uhlíkové nebo legované oceli s drážkami vyfrézovanými přes jeho povrch v axiálním směru. Tyto sloty obsahují cívku vyrobenou 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 otáčející se s rotorem.

Pevné kartáče jsou přitlačeny ke kroužkům, ze kterých jsou vedeny dráty do svorek označených I1 a I2 pro připojení ke zdroji konstantní elektrické energie. Velké zuby rotorového válce bez drážek tvoří póly rotoru.

Implicitní pólový rotor má obvykle dva nebo čtyři póly se střídavou polaritou, používá se u rychloběžných synchronních strojů, zejména u turbínových generátorů - třífázové synchronní generátory přímo napojené na parní turbíny konstruované pro rychlost 3000 nebo 1500 otáček za minutu při Frekvence střídavého proudu 50 Hz...

Rýže. 2. Zařízení třífázového synchronního stroje s rotorem: a — skrytý pól, b — výrazný pól, 1 — rám, 2 — magnetický obvod statoru, 3 — dráty statoru, 4 — vzduchová mezera, 5 — pól rotoru, 6 — hrot pólu, 7 — rovný na rotoru, 8 — vinutí budicí cívky, 9 — zkrat, 10 — sběrací kroužky, 11 — kartáče, 12 — hřídel.

Otevřený pólový rotor synchronního stroje se čtyřmi a více póly má pevný nebo vyložený třmen z ocelových plechů, na kterém jsou připevněny ocelové sloupky podobné konstrukce, obdélníkového průřezu, zakončené hroty (obr. 2, b ). Vzájemně spojené cívky jsou umístěny v pólech a tvoří budicí cívku.

Takový rotor se používá u pomaloběžných synchronních strojů, kterými mohou být hydrogenerátory a dieselgenerátory - respektive třífázové synchronní generátory přímo napojené na hydraulické turbíny nebo spalovací motory, určené pro otáčky 1500, 1000, 750 resp. nižší otáčky při frekvenci střídavého proudu 50 Hz.

Mnoho synchronních strojů má na rotoru kromě budícího vinutí ještě zkratované měděné nebo mosazné tlumící vinutí, které se u rotoru s hladkým pólem jen málo liší od podobného vinutí na rotoru indukčního stroje a v rotor s vyvýšeným pólem je proveden ve formě neúplné cívky nakrátko, jejíž tyče jsou uloženy pouze v drážkách a v mezipólovém prostoru chybí. Toto vinutí přispívá k tlumení kmitů rotoru v nestacionárních režimech synchronního stroje a také zajišťuje asynchronní spouštění synchronních motorů.

Synchronní stroje do výkonu 5 kW se někdy vyrábějí v reverzním provedení se statorovým budicím vinutím a třífázovým rotorovým vinutím.

Účinnost třífázového synchronního generátoru

Provoz třífázových synchronních strojů v generátorovém režimu je doprovázen energetickými ztrátami, které jsou ale svou povahou podobné ztrátám u asynchronních strojů. V tomto ohledu je účinnost třífázového synchronního generátoru charakterizována hodnotou koeficientu účinnosti (účinnosti), která je za podmínek symetrického zatížení určena vzorcem:

η = (√3UIcosφ) / (√3UIcosφ + ΔP),

kde U a I — provozní, síťové napětí a proud, cosφ — účiník přijímačů, ΔP — celkové ztráty odpovídající danému zatížení synchronního stroje.

Hodnota účinnosti (účinnosti) synchronních generátorů závisí na velikosti zátěže a účiníku přijímačů (obr. 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 u strojů středního výkonu a u generátorů vysokého výkonu dosahuje hodnoty 0,96-0,99. I přes vysokou účinnost velkých synchronních strojů je vzhledem k velkému množství generovaného tepla nutné chladit vinutí vodíkem, destilovanou vodou nebo transformátorovým olejem, což přispívá k lepšímu odvodu tepla, a také umožňuje vytvářet kompaktnější a výkonné třífázové synchronní stroje.