4. Maszyny synchroniczne

 

      

Maszyną  synchroniczną  nazywa  się  maszynę  prądu  przemiennego,  której  wirnik  w  stanie 

ustalonym obraca sie z taką samą prędkością, z jaką wiruje pole magnetyczne. 

 

      

Maszynami synchronicznymi są np. generatory, czyli jednostki dużej mocy,  wytwarzające energię 

elektryczną  dla  potrzeb  systemu  elektroenergetycznego,  a  także  silniki  synchroniczne  małej  mocy, 
coraz częściej stosowane ze względu na korzystne właściwości ruchowe.

 

Maszyny synchroniczne mogą pracować jako:

 

- 

prądnice,

 

- silniki,

 

- kompensatory synchroniczne.

 

  

4.1 Prędkość obrotowa silnika synchronicznego:   

 

Między  prędkością  obrotową  maszyny  synchronicznej  n

s 

(obr/min),  liczbą  par  biegunów 

magnetycznych p i częstotliwością f (w Hz) występuje stała zależność:

 

  

 

  

      

Prędkość  maszyny  synchronicznej  jest  stała  i  niezależna  od  obciążenia  oraz  napięcia 

zasilającego.  Zmianę  kierunku  wirowania  silnika  uzyskuje  się  przez  zamianę  połączenie  dwóch 
przewodów  po  stronie  zasilania.  Jeżeli  wzbudnicą  jest  maszyna  prądu  stałego  samowzbudna, 
osadzona  na  wale  silnika  lub  z  nim  sprzęgnięta,  to  przy  zmianie  kierunku  wirowania  należy  także 
odpowiednio zmienić połączenia wzbudnicy.

 

  

4.2 Moc silnika na wale

 

      

Oddawana moc elektryczna jest równa mocy mechanicznej pobieranej na wale. Moc silnika na 

wale E

max 

wyznacza sie z mocy pozornej S, 

współczynnika mocy  cosφ, przy którym silnik pracuje, 

oraz sprawności η - ze wzoru: 

 

  

 

  

Pr

ąd pobierany przez silnik synchroniczny zależy od obciążenia na wale i od wzbudzenia silnika.

 

  

4.3 Elektromagnetyczny moment obrotowy

 

      

Wartość maksymalna momentu elektromagnetycznego wytwarzanego przez silnik jest zależnością 

liniową napięcia oraz prądu wzbudzenia. Zależność ta oraz możliwość wpływania  na wartość 
momentu maksymalnego jest zaletą maszyny synchronicznej

 

      Charakterystyka elektromagnetycznego momentu obrotowego w warunkach pracy ustalonej (przy 
stałym napięciu twornika (U = const) i stałym prądzie wzbudzenia (I

f

 

= const), zależy od rodzaju 

maszyny i nazywa się charakterystyką kątową M = f 

ϑ). Moment obrotowy wymagany do napędzania 

maszyny wynosi:

 

  

 

gdzie:

 

E

f

 - 

siła elektromotoryczna w uzwojeniach fazowych

 

U  - 

napięcie fazowe sieci,

 

X

d

- 

reaktancja synchroniczna podłużna

 

ϑ

 - 

kąt obciążenia,

 

m - liczba faz,

 

n

N

- 

znamionowa prędkość obrotowa.

 

  

4.4 Oznaczenie typu siln

ików synchronicznych; składa się z części literowej i liczbowej, których 

znaczenie jest następujące:

 

- pozycja 1.; G - maszyna synchroniczna;

 

- pozycja 2.: A - budowa otwarta (IP00); C - budowa okapturzona (IP23); - Y - budowa o 

przewietrzaniu

 

  przelotowy

m obcym w obiegu otwartym lub własnym w obiegu zamkniętym z chłodnicami wodnymi 

 

  (IP44);

 

- pozycja 3.d, e - 

oznacza serię;

 

- pozycja 4.; 10...20 - 

wielkość mechaniczna;

 

- pozycja 5.; - 4 - 32 - 

liczba biegunów;

 

- pozycja 6. p,r,s,t - 

długość rdzenia stojana przy napięciu 6 kV,

 

                  s,b,c  - 

przy napięciu 380 - 500 V. 

 

  

4.5 Rozruch silników synchronicznych

 

Rozruch silnika synchronicznego przeprowadza się:

 

a) 

umożliwiając rozruch asynchroniczny

 przy b

ezpośrednim włączeniu do sieci zasilającej. Silniki 

 

    

synchroniczne, dla których przewiduje sie ten typ rozruchu, wyposażone są w uzwojenie

 

    

rozruchowe klatkowe, umieszczone w nabiegunnikach. Rozruch odbywa się tak, jak w silniku 

 

    indukcyjnym. Pr

zy poślizgu równym lub mniejszym od 5% włącza się układ wzbudzenia, co

 

    powoduje wprowadzenie wirnika w bieg synchroniczny,

 

b) 

stosując dodatkową maszynę napędową. 

W tym przypadku silnik synchroniczny załącza się do

 

    

sieci tak jak prądnicę,

 

c) 

wykorz

ystując moment synchroniczny (tzw. rozruch częstotliwościowy). 

Ten sposób rozruchu

 

    

polega na zasilaniu uzwojenia twornika silnika synchronicznego z oddzielnej prądnicy

 

    

synchronicznej lub z przetwornika częstotliwości. 

 

  

      

Podstawową  wadą  rozruchu  silników  synchronicznych  jest  potrzeba  stosowania  dodatkowych 

urządzeń  i aparatury.

 

 

Ad.a)  Bezpośrednie  włączenie  silnika  do  sieci  może  być  stosowane  wówczas,  gdy  sieć  ma 

dostateczną moc zasilania, by nie wywołać szkodliwych spadków napięć. 

 

       W  c

elu  ograniczenia  prądu  rozruchowego  pobieranego  z  sieci  włącza  się  silnik  przy  obniżonym 

napięciu,  stosując  dławik,  transformator  rozruchowy  lub  autotransformator  z  rozwieranym  punktem 

gwiazdowym (rozruch dwustopniowy).

 

 

4.6 Kompensatory synchroniczne

 

      

Są to generatory mocy biernej. Pracują one jak silniki synchroniczne nieobciążone momentem na 

wale, pobierając z sieci nieznaczną moc czynną na pokrycie strat w maszynie oraz właściwą dla jego 
pracy moc bierną pojemnościową. Oddaje jednocześnie do sieci moc bierną indukcyjną, poprawiając 
bilans mocy biernej w sieci. Poprawie ulega także współczynnik mocy w sieci.

 

      

Wzbudzenie  kompensatorów  jest  uzależnione  od  stanu  obciążenia  linii.  Kompensatory  są 

przystosowane do rozruchu asynchronicznego, a bardzo d

uże jednostki w tym celu są wyposażone w 

silniki  rozruchowe.  Kompensatory  stosuje  się  także  do  poprawienia  współczynnika  mocy  zakładu 
przemysłowego. 

 

      

Kompensatory synchroniczne są stosowane w liniach elektroenergetycznych wysokiego napięcia 

do regula

cji napięcia przez zmianę rozpływu prądów biernych. Obecnie są zastępowane przez baterie 

kondensatorów, których poszczególne sekcje są uruchamiane automatycznie.