2tom150

5. MASZYNY ELEKTRYCZNE 302

stosowane rozwiązanie odwrotne; wówczas w wirniku uzwojenie twornika jest połączone

z pierścieniami (3 lub 4 w maszynach trójfazowych, 2 w jednofazowych).

Maszyny synchroniczne mają dwa zasadnicze rozwiązania konstrukcyjne:

— maszyny z wirnikiem cylindrycznym (utajone bieguny);

— maszyny z wirnikiem o biegunach wystających (wydatnobiegunowe).

Maszyny mniejszej mocy są budowane także z wirnikiem użłobkowanym bez uzwojenia;

są to tzw. maszyny reluktancyjne.

Konstrukcje maszyn zależą od funkcji jaką one spełniają oraz od prędkości obrotowej.

Maszyny synchroniczne można podzielić na następujące zasadnicze grupy:

1. Turbogeneratory — prądnice szybkoobrotowe (3000, 1500 obr/min przy 50 Hz), budowane z wirnikiem cylindrycznym o mocy od kilkuset kV • A do największych mocy przekraczających 1000 MVA; są one napędzane turbinami parowymi. Turbogeneratory są instalowane w elektrowniach cieplnych zawodowych i przemysłowych jako podstawowe jednostki prądotwórcze zasilające system elektroenergetyczny;

2. Hydrogeneratory — prądnice wolnoobrotowe (62,5-t-500 obr/min przy 50 Hz), budowane z biegunami wystającymi z wałem pionowym (IM 8225 lub IM 8425), napędzane turbinami wodnymi. Są to jednostki o mocy od kilku do kilkuset MV A instalowane w elektrowniach wodnych. Prędkość obrotowa hydrogeneratora zależy od rodzaju zastosowanej turbiny wodnej (Peltona, Francisa, Kapłana);

3. Prądnice malej i średniej mocy z wirnikiem o biegunach wystających z wałem poziomym, napędzane maszynami tłokowymi (parowymi, gazowymi, spalinowymi) oraz małymi turbinami wodnymi. Wirniki prądnic napędzanych silnikami tłokowymi mają zwykle zwiększony moment bezwładności w celu uzyskania równomierności biegu. Większy moment bezwładności może wynikać z odpowiedniej konstrukcji samej magneśnicy (magneśnica zewnętrzna wirująca) lub z zastosowania specjalnego koła zamachowego;

4. Prądnice malej mocy (mniejszej niż 20 kV ■ A) z nieruchomą magneśnicą z wystającymi lub utajonymi biegunami i wirującym uzwojeniem twornika, przeznaczone do zasilania wydzielonych lub specjalnych odbiorów;

5. Silniki z wirnikiem o biegunach wystających mają w wirniku dodatkową klatkę rozruchową lub masywne nabiegunniki, umożliwiające rozruch asynchroniczny silnika. Silniki dwubiegunowe (3000 obr/min przy 50 Hz) są budowane z wirnikiem cylindrycznym (turbosilniki) i są używane do napędu sprężarek wirnikowych. Silniki synchroniczne są stosowane nie tylko w układach napędowych wymagających stałej prędkości obrotowej, ale także w układach napędowych, w których jest dopuszczalna stała prędkość obrotowa i istnieje potrzeba generowania mocy biernej; przy prze-wzbudzeniu, poza pracą silnikową, mogą być generatorami mocy biernej indukcyjnej, a więc mogą poprawiać współczynnik mocy zakładu przemysłowego;

6. Kompensatory synchroniczne (500 — 1500 obr/min), budowane z wirnikami o biegunach wystających o mocy od kilku do kilkuset Mvar. Są przeznaczone do wytwarzania mocy biernej w liniach przesyłowych wysokiego napięcia i są zwykle instalowane w stacjach elektroenergetycznych;

7. Prądnice reluktancyjne (induktorowe) budowane jako maszyny o zwiększonej częstotliwości od 100 -t-10 000 Hz o mocy od kilku watów (prądnice tachometryczne) do kilku tysięcy kilowatów. Są stosowane w przemyśle drzewnym i metalowym (zasilanie elektrowrzecion w fabrykach łożysk tocznych), do zasilania elektronarzędzi (200 — 400 Hz), w lotnictwie, a także jako wzbudnice (w połączeniu z układem prostowników) dużych turbogeneratorów;

8. Prądnice o biegunach kłowych (mają charakterystyczny kształt biegunów), stosowane w różnych rodzajach pojazdów mechanicznych (samoloty, samochody, wagony kolejowe, traktory). Charakteryzują się one dużą trwałością i korzystnym wskaźnikiem mocy z jednostki masy;

9 Silniki reluktancyjne i histerezowe malej mocy (p. 5.6.3).

5.3.2. Rodzaje pracy maszyn synchronicznych

Maszyna synchroniczna może pracować jako prądnica, silnik lub kompensator (generator mocy biernej).

Zachowanie się maszyny w warunkach pracy ustalonej zależy od charakteru sieci energetycznej, w której ona pracuje. Rozróżnia się dwa zasadnicze przypadki:

_ praca samotna, gdy prądnica zasila wydzieloną sieć odbiorów;

_ praca w sieci sztywnej, gdy moc zainstalowanych maszyn synchronicznych w systemie

energetycznym jest znacznie większa od mocy rozpatrywanej maszyny.

Praca samotna charakteryzuje się tym, że częstotliwość sieci zależy od stanu obciążenia prądnicy i zmienia się zgodnie z charakterystyką regulatora prędkości obrotowej silnika napędowego (np. silnika spalinowego, turbiny wodnej). Napięcie sieci natomiast zależy od wzbudzenia maszyny zgodnie ze statyką regulatora napięcia.

Praca w sieci sztywnej charakteryzuje się tym, że napięcie i częstotliwość sieci są niezależne od stanu obciążenia rozpatrywanej maszyny. Maszyna może oddawać lub pobierać zarówno moc czynną w zależności od wartości i znaku momentu mechanicznego na wale, jak również moc bierną zależną od wzbudzenia maszyny.

Prądnica

Silnik

Rys. 5.42. Rodzaje pracy maszyny synchronicznej pracującej w sieci sztywnej

Rozróżnia się 4 zasadnicze rodzaje pracy maszyny synchronicznej pracującej w sieci sztywnej ze względu na położenie fazora prądu względem fazora napięcia, odpowiednio do czterech obszarów podziału płaszczyzny (rys. 5.42):

obszar I — prądnica przewzbudzona — maszyna oddaje do sieci moc czynną oraz moc bierną indukcyjną (magnesującą);

obszar II — prądnica niedowzbudzona — maszyna oddaje do sieci moc czynną i pobiera z sieci moc bierną indukcyjną;

obszar III — silnik niedowzbudzony — maszyna pobiera z sieci moc czynną oraz moc bierną indukcyjną;

obszar IV — silnik przewzbudzony — maszyna pobiera z sieci moc czynną i oddaje do sieci moc bierną indukcyjną.

Jeżeli maszyna oddaje do sieci moc bierną indukcyjną (stan przewzbudzenia), to £punktu widzenia sieci zachowuje się jak odbiornik pojemnościowy; jeśli zaś pobiera moc oiemą indukcyjną (stan niedowzbudzenia), zachowuje się jak odbiornik indukcyjny.

Zwykle maszyny synchroniczne (prądnice i silniki) pracują przy przewzbudzeniu ¹ dostarczają do sieci moc bierną indukcyjną.