Przeznaczenie i układ maszyn synchronicznych

Maszyna synchroniczna - maszyna prądu przemiennego, w której prędkość wirnika przy stałej częstotliwości prądu w uzwojeniach stojana pozostaje stała i nie zależy od wielkości obciążenia wału maszyny.

Maszyny synchroniczne Stosowane są głównie do przetwarzania energii mechanicznej silników napędowych na energię elektryczną, czyli jako generatory energii elektrycznej prądu przemiennego. Jednak maszyny synchroniczne są również stosowane w trybach silników, kompensatorów mocy biernej i innych urządzeń.

W instalacjach przemysłowych najczęściej stosowane są trójfazowe maszyny synchroniczne. Jednofazowe silniki synchroniczne stosowane są w napędach elektrycznych sprężarek, wentylatorów dużej mocy, silnikach małej mocy w różnych urządzeniach automatyki itp.

Synchroniczne urządzenie maszynowe

Trójfazowa maszyna synchroniczna składa się ze stacjonarnego stojana i obracającego się w nim ukrytego lub wypukłego wirnika biegunowego, między nimi znajduje się szczelina powietrzna, której rozmiar promieniowy zależy od mocy znamionowej maszyny, jej prędkości i zmienia się od ułamki do kilkudziesięciu milimetrów.

Stojan takiej maszyny praktycznie nie różni się konstrukcją od stojana maszyny indukcyjnej, ma uzwojenie trójfazowe, którego początek faz jest oznaczony C1, C2, C3, a końce - C4, C5, C6 i są doprowadzone do zacisków o podobnych oznaczeniach, co pozwala na połączenie faz uzwojenia stojana z trójkątem lub gwiazdą.

Fazy ​​uzwojenia stojana trójfazowego generatora synchronicznego są głównie połączone w gwiazdę, ponieważ pozwala to trójfazowej czteroprzewodowej sieci na napięcia liniowe i fazowe różniące się od siebie o √3 razy (ryc. 1 ).

Ryż. 1. Schemat podłączenia trójfazowej sieci czterofazowej do zacisków uzwojenia stojana trójfazowego generatora synchronicznego, gdy fazy są połączone w gwiazdę.

Wirnik maszyny synchronicznej jest układem elektromagnetycznym prądu stałego, którego uzwojenie ma taką samą liczbę biegunów jak trójfazowe uzwojenie stojana. Linie sił magnetycznych są zamknięte między odpowiednimi biegunami północnym i południowym wirnika przez szczelinę powietrzną i linię zasilającą stojana (ryc. 2, a, b).

Uzwojenie wirnika lub uzwojenie pola jest zasilane przez prostownik lub mały generator prądu stałego - wzbudnicę, której moc wyjściowa wynosi od 0,5 do 10% mocy znamionowej maszyny synchronicznej. Wzbudnica może być umieszczona na tym samym wale z maszyną synchroniczną, napędzana z jej wału przez elastyczną przekładnię lub napędzana oddzielnym silnikiem.

Ukryty wirnik biegunowy maszyny synchronicznej to pełny lub kompozytowy cylinder wykonany ze stali węglowej lub stopowej z rowkami wyfrezowanymi na jego powierzchni w kierunku osiowym. Te gniazda zawierają cewkę wykonaną z izolowanego drutu miedzianego lub aluminiowego.Początek I1 i koniec I2 tego uzwojenia połączone są z dwoma pierścieniami ślizgowymi osadzonymi na tulei izolacyjnej umieszczonej na wale maszyny i obracającej się wraz z wirnikiem.

Stałe szczotki są dociskane do pierścieni, z których wyprowadzane są druty do zacisków oznaczonych I1 i I2 w celu podłączenia do źródła stałej energii elektrycznej. Duże, pozbawione szczelin zęby cylindra wirnika tworzą bieguny wirnika.

Wirnik biegunowy niejawny ma zwykle dwa lub cztery bieguny o zmiennej biegunowości, jest stosowany w szybkich maszynach synchronicznych, w szczególności w turbogeneratorach - trójfazowych generatorach synchronicznych bezpośrednio podłączonych do turbin parowych zaprojektowanych na prędkość 3000 lub 1500 obrotów na minutę przy Częstotliwość AC 50 Hz...

Ryż. 2. Urządzenie trójfazowej maszyny synchronicznej z wirnikiem: a — biegun ukryty, b — biegun widoczny, 1 — rama, 2 — obwód magnetyczny stojana, 3 — druty stojana, 4 — szczelina powietrzna, 5 — biegun wirnika, 6 — końcówka bieguna, 7 — prosto na wirniku, 8 — uzwojenie cewki wzbudzenia, 9 — zwarcie, 10 — pierścienie ślizgowe, 11 — szczotki, 12 — wał.

Wirnik jednobiegunowy maszyny synchronicznej z czterema lub więcej biegunami ma jarzmo pełne lub wykładane z blachy stalowej, na którym zamocowane są słupki stalowe o podobnej konstrukcji, o przekroju prostokątnym, zakończone kolcami (ryc. 2, b) ). Cewki połączone ze sobą znajdują się w biegunach, tworząc cewkę wzbudzającą.

Taki wirnik stosowany jest w wolnoobrotowych maszynach synchronicznych, którymi mogą być hydrogeneratory i generatory diesla - odpowiednio trójfazowe generatory synchroniczne podłączone bezpośrednio do turbin hydraulicznych lub silniki spalinowe, przeznaczone do prędkości obrotowych 1500, 1000, 750 i niższe obroty przy częstotliwości prądu przemiennego 50 Hz.

Wiele maszyn synchronicznych ma na wirniku, oprócz uzwojenia wzbudzenia, zwarte miedziane lub mosiężne uzwojenie tłumiące, które w wirniku niegładkobiegunowym niewiele różni się od podobnego uzwojenia na wirniku maszyny indukcyjnej, a w Wirnik z wystającymi biegunami jest wykonany w postaci niepełnej zwartej cewki, której pręty są osadzone tylko w rowkach i nie występują w przestrzeni międzybiegunowej. Uzwojenie to przyczynia się do tłumienia oscylacji wirnika w trybach niestacjonarnych maszyny synchronicznej, a także zapewnia asynchroniczny rozruch silników synchronicznych.

Maszyny synchroniczne o mocy do 5 kW są czasami produkowane w układzie odwrotnym z uzwojeniem pola stojana i trójfazowym uzwojeniem wirnika.

Sprawność trójfazowego generatora synchronicznego

Eksploatacji trójfazowych maszyn synchronicznych w trybie prądnicowym towarzyszą straty energii, które z natury są podobne do strat w maszynach asynchronicznych. W tym zakresie sprawność trójfazowego generatora synchronicznego charakteryzuje się wartością współczynnika sprawności (sprawności), która w warunkach symetrycznego obciążenia jest określona wzorem:

η = (√3UIcosφ) / (√3UIcosφ + ΔP),

gdzie U i I — napięcie i prąd pracy sieci, cosφ — współczynnik mocy odbiorników, ΔP — straty całkowite odpowiadające danemu obciążeniu maszyny synchronicznej.

Wartość sprawności (sprawności) generatorów synchronicznych zależy od wielkości obciążenia i współczynnika mocy odbiorników (rys. 3).

Ryż. 3. Wykresy zależności sprawności trójfazowego generatora synchronicznego od obciążenia i współczynnika mocy odbiorników.

Maksymalna wartość sprawności odpowiada obciążeniu zbliżonemu do nominalnego i wynosi dla maszyn średniej mocy 0,88-0,92, a dla generatorów dużej mocy osiąga wartość 0,96-0,99. Pomimo dużej sprawności dużych maszyn synchronicznych, ze względu na dużą ilość wytwarzanego ciepła, konieczne jest chłodzenie uzwojeń wodorem, wodą destylowaną lub olejem transformatorowym, co przyczynia się do lepszego odprowadzania ciepła, a także pozwala tworzyć bardziej zwarte i wydajne trójfazowe maszyny synchroniczne.