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:
- prÄ…dnice,
- silniki,
- kompensatory synchroniczne.
4.1 Prędkość obrotowa silnika synchronicznego:
Między prędkością obrotową maszyny synchronicznej ns (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 Emax wyznacza sie z mocy pozornej S, współczynnika mocy cosĆ, przy którym silnik pracuje,
oraz sprawnoÅ›ci · - ze wzoru:
Prąd 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 zaletÄ… maszyny synchronicznej
Charakterystyka elektromagnetycznego momentu obrotowego w warunkach pracy ustalonej (przy
stałym napięciu twornika (U = const) i stałym prądzie wzbudzenia (If = const), zależy od rodzaju
maszyny i nazywa się charakterystyką kątową M = f Ń). Moment obrotowy wymagany do napędzania
maszyny wynosi:
gdzie:
Ef - siła elektromotoryczna w uzwojeniach fazowych
U - napięcie fazowe sieci,
Xd- reaktancja synchroniczna podłużna
Ń - kąt obciążenia,
m - liczba faz,
nN- znamionowa prędkość obrotowa.
4.4 Oznaczenie typu silników 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
przelotowym obcym w obiegu otwartym lub własnym w obiegu zamkniętym z chłodnicami wodnymi
(IP44);
- pozycja 3.d, e - oznacza seriÄ™;
- 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 siÄ™:
a) umożliwiając rozruch asynchroniczny przy bezpośrednim włączeniu do sieci zasilającej. Silniki
synchroniczne, dla których przewiduje sie ten typ rozruchu, wyposażone są w uzwojenie
rozruchowe klatkowe, umieszczone w nabiegunnikach. Rozruch odbywa siÄ™ tak, jak w silniku
indukcyjnym. Przy 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 prÄ…dnicÄ™,
c) wykorzystując moment synchroniczny (tzw. rozruch częstotliwościowy). Ten sposób rozruchu
polega na zasilaniu uzwojenia twornika silnika synchronicznego z oddzielnej prÄ…dnicy
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 celu 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 duże 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 regulacji napięcia przez zmianę rozpływu prądów biernych. Obecnie są zastępowane przez baterie
kondensatorów, których poszczególne sekcje są uruchamiane automatycznie.