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 * 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 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 Turboalternátor: Simulace 1 Simulace 2

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 U0 = 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 Synchronní stroje Kocman Elektrické stroje a přístroje I Mravec Elektrické stroje a přístroje I Měřička Elektrické stroje