Maszyny synchroniczne — silniki, generatory i kompensatory

Maszyny synchroniczne to maszyny elektryczne prądu przemiennego, w których wirnik i pole magnetyczne prądów stojana obracają się synchronicznie.
Trójfazowe generatory synchroniczne są najpotężniejszymi maszynami elektrycznymi. Jednostkowa moc generatorów synchronicznych w elektrowniach wodnych wynosi 640 MW, aw elektrowniach cieplnych — 8 — 1200 MW. W maszynie synchronicznej jedno z uzwojeń jest podłączone do sieci prądu przemiennego, a drugie jest wzbudzane prądem stałym. Uzwojenie prądu przemiennego nazywa się uzwojeniem twornika.
Uzwojenie twornika przekształca całą moc elektromagnetyczną maszyny synchronicznej w energię elektryczną i odwrotnie. Dlatego zwykle umieszcza się go na stojanie, który nazywa się twornikiem. Cewka wzbudzenia zużywa 0,3 - 2% przetwarzanej mocy, dlatego zwykle znajduje się na obracającym się wirniku, który nazywa się cewką indukcyjną, a niska moc wzbudzenia jest dostarczana przez pierścienie ślizgowe lub bezkontaktowe urządzenia wzbudzające.

Pole magnetyczne twornika obraca się z prędkością synchroniczną n1 = 60f1 / p, rpm, gdzie p = 1,2,3 … 64 itd. jest liczbą par biegunów.
Przy częstotliwości sieci przemysłowej f1 = 50 Hz liczba prędkości synchronicznych przy różnej liczbie biegunów: 3000, 1500, 1000 itd.). Ponieważ pole magnetyczne cewki indukcyjnej jest nieruchome względem wirnika, dla ciągłej interakcji pól cewki indukcyjnej i twornika wirnik musi obracać się z tą samą prędkością synchroniczną.

Budowa maszyn synchronicznych
Stojan maszyny synchronicznej z uzwojeniem trójfazowym nie różni się budową asynchroniczny stojan maszyny, a wirnik z cewką wzbudzającą jest dwojakiego rodzaju - biegun widoczny i biegun ukryty. Przy dużych prędkościach i małej liczbie biegunów stosuje się wirniki z biegunami niejawnymi, ponieważ mają bardziej trwałą konstrukcję, a przy małych prędkościach i dużej liczbie biegunów stosuje się wirniki z biegunami jawnymi o budowie modułowej. Siła takich wirników jest mniejsza, ale są one łatwiejsze w produkcji i naprawie. Widoczny wirnik biegunowy:

Stosowane są w maszynach synchronicznych o dużej liczbie biegunów i odpowiednio niskim n. Elektrownie wodne (hydrogeneratory). częstotliwość n od 60 do kilkuset obrotów na minutę. Najpotężniejsze hydrogeneratory mają średnicę wirnika 12 m przy długości 2,5 m, p — 42 i n = 143 obr./min.
Wirnik pośredni:

Uzwojenie — średnica d = 1,2 — 1,3 mw kanałach wirnika, długość czynna wirnika nie przekracza 6,5 ​​m. TPP, NPP (turbinowe generatory). S = 500 000 kVA w jednej maszynie n = 3000 lub 1500 obr./min (1 lub 2 pary biegunów).
Oprócz cewki wzbudzenia na wirniku znajduje się tłumik lub cewka tłumiąca, która służy do rozruchu w silnikach synchronicznych. Cewka ta jest wykonana podobnie jak cewka zwarciowa klatkowa, tylko o znacznie mniejszym przekroju, gdyż główną objętość wirnika zajmuje cewka wzbudzająca.W wirnikach niejednobiegunowych rolę uzwojenia tłumika pełnią powierzchnie zębów pełnych wirnika oraz kliny przewodzące w kanałach.
Prąd stały w uzwojeniu wzbudzenia maszyny synchronicznej może być dostarczany ze specjalnego generatora prądu stałego zainstalowanego na wale maszyny i zwanego wzbudnicą lub z sieci poprzez prostownik półprzewodnikowy.
Zobacz też w tym temacie:
Przeznaczenie i układ maszyn synchronicznych

Jak działają synchroniczne turbosprężarki i hydrogeneratory

Maszyna synchroniczna może pracować jako prądnica lub jako silnik. Maszyna synchroniczna może pracować jako silnik, jeżeli do uzwojenia stojana zostanie doprowadzony trójfazowy prąd sieciowy. W tym przypadku, w wyniku oddziaływania pól magnetycznych stojana i wirnika, pole stojana niesie ze sobą wirnik. W tym przypadku wirnik obraca się w tym samym kierunku iz tą samą prędkością co pole stojana.

Generatorowy tryb pracy maszyn synchronicznych jest najbardziej powszechny, a prawie cała energia elektryczna jest wytwarzana przez generatory synchroniczne.Silniki synchroniczne są stosowane o mocy powyżej 600 kW i do 1 kW jako mikrosilniki. Generatory synchroniczne na napięcia do 1000 V są stosowane w jednostkach autonomicznych systemów zasilania.

Jednostki z tymi generatorami mogą być stacjonarne i mobilne. Większość jednostek jest używana z silnikami wysokoprężnymi, ale mogą być napędzane turbinami gazowymi, silnikami elektrycznymi i silnikami benzynowymi.

Silnik synchroniczny różni się od prądnicy synchronicznej jedynie tłumiącą cewką rozruchową, która powinna zapewniać dobre właściwości rozruchowe silnika.

Schemat sześciobiegunowego generatora synchronicznego.Pokazano przekroje uzwojeń jednej fazy (trzy uzwojenia połączone szeregowo). Uzwojenia pozostałych dwóch faz mieszczą się w wolnych rowkach pokazanych na rysunku. Fazy ​​są połączone w gwiazdę lub trójkąt.

Tryb generatora: silnik (turbina) obraca wirnik, którego cewka jest zasilana stałym napięciem? istnieje prąd, który wytwarza trwałe pole magnetyczne. Pole magnetyczne obraca się wraz z wirnikiem, przecina uzwojenia stojana i indukuje pole elektromagnetyczne o tej samej wielkości i częstotliwości, ale przesunięte o 1200 (symetryczny układ trójfazowy).

Tryb silnika: uzwojenie stojana jest podłączone do sieci trójfazowej, a uzwojenie wirnika do źródła prądu stałego. W wyniku oddziaływania wirującego pola magnetycznego maszyny z prądem stałym cewki wzbudzenia powstaje moment obrotowy Mvr, który wprawia wirnik w ruch obrotowy z prędkością pola magnetycznego.

Charakterystyka mechaniczna silnika synchronicznego — zależność n (M) — to przekrój poziomy.

Film edukacyjny - „Silniki synchroniczne” wyprodukowany przez Fabrykę Materiałów Edukacyjnych w 1966 roku.
Możesz go obejrzeć tutaj: Taśma filmowa «Silnik synchroniczny»

Zastosowanie silników synchronicznych Masowe stosowanie silników asynchronicznych ze znacznym niedociążeniem komplikuje pracę systemów i stacji elektroenergetycznych: zmniejsza się współczynnik mocy w systemie, co prowadzi do dodatkowych strat we wszystkich urządzeniach i liniach oraz do ich niedostatecznego wykorzystania w warunki mocy czynnej. Dlatego konieczne stało się zastosowanie silników synchronicznych, zwłaszcza w przypadku mechanizmów o mocnych napędach.

Silniki synchroniczne mają dużą przewagę nad silnikami asynchronicznymi polegającą na tym, że dzięki wzbudzeniu prądem stałym mogą pracować z cos fi = 1 i nie pobierają mocy biernej z sieci, a podczas pracy przy przewzbudzeniu wręcz oddają moc bierną do sieć. W efekcie poprawia się współczynnik mocy sieci oraz zmniejsza się w niej spadek napięcia i straty, a także współczynnik mocy generatorów pracujących w elektrowniach.

Maksymalny moment obrotowy silnika synchronicznego jest proporcjonalny do U, a dla silnika asynchronicznego U2.

Dlatego, gdy napięcie spada, silnik synchroniczny zachowuje większą obciążalność. Ponadto wykorzystanie możliwości zwiększenia prądu wzbudzenia silników synchronicznych pozwala na zwiększenie ich niezawodności w przypadku awaryjnych spadków napięcia w sieci i poprawę w tych przypadkach warunków pracy całego systemu elektroenergetycznego. Ze względu na większy rozmiar szczeliny powietrznej dodatkowe straty w stali i klatce wirnika silników synchronicznych są mniejsze niż w przypadku silników asynchronicznych, dlatego sprawność silników synchronicznych jest zwykle wyższa.

Z drugiej strony budowa silników synchronicznych jest bardziej skomplikowana niż silników indukcyjnych klatkowych, a ponadto silniki synchroniczne muszą posiadać wzbudnik lub inne urządzenie do zasilania cewki prądu stałego. W rezultacie silniki synchroniczne są w większości przypadków droższe niż asynchroniczne silniki klatkowe.

Podczas eksploatacji silników synchronicznych pojawiały się znaczne trudności w ich uruchamianiu.Te trudności zostały już przezwyciężone.

Rozruch i regulacja prędkości silników synchronicznych są również trudniejsze. Jednak przewaga silników synchronicznych jest na tyle duża, że ​​przy dużych mocach wskazane jest stosowanie ich wszędzie tam, gdzie nie są wymagane częste starty i zatrzymania oraz regulacja prędkości (generatory silnikowe, pompy dużej mocy, wentylatory, sprężarki, młyny, kruszarki itp.). ).

Zobacz też:

Typowe schematy uruchamiania silników synchronicznych

Własności elektromechaniczne silników synchronicznych

Kompensatory synchroniczne

Kompensatory synchroniczne są przeznaczone do kompensacji współczynnika mocy sieci i utrzymywania normalnego poziomu napięcia w sieci w obszarach, w których skoncentrowane są obciążenia konsumentów. Przewzbudzony tryb pracy kompensatora synchronicznego jest zjawiskiem normalnym, gdy dostarcza on do sieci moc bierną.

W związku z tym kompensatory, a także baterie kondensatorów, które służą tym samym celom, zainstalowane w podstacjach odbiorczych, nazywane są również generatorami mocy biernej. Jednak w okresach zmniejszonych obciążeń użytkowników (np. w nocy) często konieczne jest stosowanie kompensatorów synchronicznych oraz w trybie niedowzbudzenia, gdy pobierają one prąd indukcyjny i moc bierną z sieci, ponieważ w tych przypadkach napięcie sieci ma tendencję do wzrostu i utrzymania go na normalnym poziomie konieczne jest obciążenie sieci prądami indukcyjnymi, które powodują w niej dodatkowe spadki napięcia.

W tym celu każdy kompensator synchroniczny jest wyposażony w automatyczny regulator wzbudzenia lub napięcia, który reguluje wielkość prądu wzbudzenia tak, aby napięcie na zaciskach kompensatora było stałe.