SINHRONE MAŠINE

UVOD

Grupa strojeva koji u stacionarnom radu imaju iste (sinhrone) brzine vrtnje rotora i okretnog magnetnog polja statora nazivaju se sinhroni strojevi.Sinhroni stroj može raditi i kao generator i kao motor. U oba režima reda moze proizvoditi reaktivnu energiju i predavati je u mrezu. Kad se koristi samo za proizvodnju reaktivne elektricne snage, sinhroni stroj se naziva sinhroni kompenzator.Sinhroni strojevi najces ce se koriste kao trofazni generatori za proizvodnju elektricne energije.Prema vrsti pogonskih strojeva sinhroni generatori se dijele na:

turbogeneratore - pogon s parnim ili plinskim turbinama hidrogeneratore - pogon vodenim turbinama dizelske generatore - pogon s naftnim (dizelskim) motorima

Turbogeneratori koriste se u termoelektranama i nuklearnim elektranama i grade se vec do snaga 2000 MVA i napone do 27 kV.Hidrogeneratori koriste se u hidroelektranama i grade za snage do 800 MVA i napone 110 kV.Snaga dizelskih generatora ograničena je snagom pogonskog dizelskog motora i iznosi nekoliko desetina MVA.Sinhroni motori koriste se za pogon radnih strojeva kojima treba konstantna brzina vrtnje. Sinhroni motori vecih snaga (do nekoliko stotina MW) koriste se u elektranama i industriji za pogon pumpi, kompresora i mlinova.Sinhroni motori manjih snaga (nekoliko desetina vata) i s permanentnim magnetima na rotoru grade se i u velikim proizvodnim serijama, za vrlo male snage (nekoliko desetina vata), a koriste se u proizvodnji satova, muzičkih aparata i uredaja precizne mehanike.

SINHRONE MAŠINE – KONSTRUKCIJSKA IZVEDBA

Ovisno o nacinu izvedbe rotora sinhroni strojevi se dijele na: strojeve s neistaknutim polovima - cilindricni rotor strojeve s istaknutim polovima

1

Namot na statoru je trofazni a namot rotora priključuje se na izvor istosmjernog napona i može biti:

raspodijeljeni - strojevi s neistaknutim polovima koncentirani - strojevi s istaknutim polovima

Namot rotora naziva se i pobudni namot.

Izvedba rotora sinhronog stroja ovisi o vrsti pogonskog stroja (turbine) koji obezbjeduje vanjsku mehaničku snagu.

za pogon parnim turbinima (brzine 3000 i 1500 o/min) gradi se cilindrični rotor velike aksijalne duljine i malog prečnika - turbogeneratori.

za pogon vodenim turbinama (brzine od 50 - 1000 o/min) gradi se rotor s više istaknutih dijelova i s manjom aksijalnom duljinom i s većim prečnikom - hidrogeneratori.

Frekvencija i sinhrona brzina vrtnja

Brzinu vrtnje rotora sinhronog generatora odreduje vrsta pogonske turbine i zahtijevana frekvencija napona kojeg treba proizvesti generator.Frekvencija napona generatora određena je izrazom:

Generatori u evropskom elektroenergetskom sistemu trebaju proizvesti napon frekvencije f1=50 Hz, a u američkom elektroenergetskom sistemu napon frekvencije f1=60 Hz.Sinhrona brzina vrtnje stroja odredena je izrazom:

Brzine vrtnje rotora za generatore koji trebaju proizvesti napon frekvencije f1 =50 Hz su:

2

Broj polova 2p Brzina vrtnje ns [o/min]2 4 6 8 10 12 16 20 24 48 80

30001500100075060050037530025012575

Sistemi pobude

Istosmjernu pobudu sinhronom stroju obezbjeduje pobudni sistem sastavljen od opreme koja omogućuje brzo i automatsko podešavanje struje pobude u svim režimima rada.Snaga pobudnog kruga ovisi o veličini stroja. (Naprimjer, kod dvopolnih turbogeneratora snaga u opsegu od 100 kVA do 1000 MVA pobudni krug ima snagu od 3 kW do 4000 kW).Prema načinu na koji se obezbjeduje istosmjerna pobuda, pobudni sistemi sinhronih strojeva se dijele na:

sisteme pobude u kojima se istosmjerni napon dobiva iz drugih rotacijskih strojeva,

sisteme pobude s upravljivim ispravljačima - uredaj energetske elektronike.

3

Sinhrone mašine - Princip rada

Princip rada sinhronog stroja u generatorskom i motorskom režimu rada bit će objašnjen za elementarni trofazni sinhroni stroj priključen na trofaznu električnu mrežu konstantnog napona i frekvencije.

Princip rada – generator

Pogonski stroj (turbina) vrti istosmjerno magnetno polje na rotoru konstantnom mehaničkom brzinom vrtnje ns, a u namotima statora se, prema zakonu elektromagnetne indukcije, induciraju trofazni naponi.Efektivna vrijednost i frekvencija induciranog napona u jednoj fazi namota na statoru, su:

4

Priključenjem generatora na krutu mrežu napona U1 i frekvencije f1, u namotima statora poteku struje ia, ib i ic uslijed kojih se formira trofazno okretno magnetno polje koje se vrti brzinom ns = 60f1/p.Istosmjerno magnetno polje rotora i okretno magnetno polje statora formiraju u stroju zajedničko magnetno polje koje se takoder vrti mehaničkom brzinom ns.

ZaključakMehanička brzina vrtnje rotora i brzine vrtnje okretnog i zajedničkog magnetnog polja su jednake - sinhrone.

Princip rada – motor

U motorskom režimu rada stator sinhronog stroja priključen je na trofaznu električnu mrežu. Struje koje teku kroz stator proizvode trofazno okretno magnetno polje koje se vrti brzinom srazmjernom frekvenciji električne mreže:

Ako se rotorski namot priključi na istosmjerni napon, istosmjerna struja If će stvoriti magnetno polje čiji magnetni tok ima konstantnu amplitudu Φf .Da bi sinhroni stroj radio kao motor potrebno je rotor dovesti na brzinu vrtnje koja je jednaka brzini vrtnje okretnog polja statora.Nakon što se dovede na brzinu vrtnje ns, rotor stroja će se nastaviti vrtiti bez pomoći vanjskog izvora i na osovinu će se moći priključiti radni stroj.

Priključenje generatora na mrežu

S obzirom na to da sinhroni generatori imaju velike snage, priključenje generatora na već postojeću krutu mrežu provodi se ako je ispunjeno slijedeće:

naponi generatora i mreže moraju imati jednake amplitude, naponi generatora i mreže moraju imati iste vremenske promjene, odnosno

jednak fazni ugao, frekvencija napona generatora mora biti jednaka frekvenciji mreže, redoslijed faza generatora mora odgovarati redoslijedu faza mreže.

Ako ovi uvjeti nisu ispunjeni, pojavljuju se velike struje izjednačenja izmedu generatora i mreže kao i moment torzije na osovini što uzrokuje trajnu deformaciju namota generatora, a u nekim slučajevima čak i lom osovine stroja.

5

Postupak priključenja sinhronog generatora na električnu mrežu naziva se sinhronizacija.

Sinhronizacija se provodi na slijedeći način:1. sinhroni generator se pogonskim uredajem zavrti do brzine bliske sinhronoj, a

pobudna struja se podesi tako da napon generatora bude približno jednak naponu mreže

2. pogonskim strojem se tačnije podesi brzina vrtnje (frekvencija), a strujom pobude amplituda napona generatora, što se prati na instrumentima sinhronizacijskog uredaja.

3. u trenutku kad nema otklona na nul-voltmetru i kad oba instrumenta za mjerenje frekvencije pokažu istu vrijednost, uključi se sklopka izmedu generatora i mreže čime je postupak sinhronizacije završen.

Sinhronizacija generatora velikih snaga provodi se automatski i brzo, uz pomoć posebnih sinhronizacijskih uredaja koji prate uskladenost redoslijeda faza generatora i mreže te podešavaju amplitudu, fazni ugao i frekvenciju napona generatora u skladu s uvjetima u mreži.

Pokretanje sinhronih motora

Rotor sinhronog motora može se dovesti na sinhronu brzinu vrtnje na tri načina:1. pomoću drugog pomoćnog stroja priključenog na osovinu motora,2. asinhronim pokretanjem koje se može izvesti ako se u rotor ugradi dodatni

(zaletni) kavez,3. korištenjem pretvarača frekvencije postavljenog izmedu mreže i motora.

1. Pokretanje pomoćnim strojem nije praktično jer zahtijeva mehaničko spajanje, a zatim, nakon obavljenog pokretanja, odspajanje osovine pomoćnog stroja.

2. Za asinhrono pokretanje sinhronog stroja potrebno je u rotor ugraditi dodatni - zaletni kavez. Pomoću zaletnog kaveza stroj će se pokrenuti kao asinhroni i dostići brzinu vrtnje koja se malo razlikuje od brzine vrtnje okretnog polja statora.

6

Zatim se rotorski namot priključuje na izvor istosmjernog napona. Konstantan magnetni tok će se vrtiti mehaničkom brzinom rotora, a razlika izmedu brzina vrtnje okretnog magnetnog polja statora i magnetnog polja rotora vrlo mala. U stroju se stvara takozvani sinhronizirajući ili ”uskočni”moment koji će rotor dovesti na sinhronu brzinu vrtnje.

Pored pomoći kod pokretanja, kavez na rotoru služi za prigušenje oscilacija struje i amortiziranje mehaničkih udaraca na osovini u prijelaznim pojavama. Zbog ovakve uloge, kavez se kod sinhronih strojeva naziva prigušni ili amortizirajući.

3. Pokretanje frekventnim pretvaračem vrši se podešenjem male vrijednosti frekvencije na frekventnom pretvaraču, pri uključenoj pobudi na rotoru, uvjeti opisani kod asinhronog pokretanja ostvaruju se pri malim brzinama vrtnje okretnog polja statora. Postepenim povećavanjem frekvencije na izlazu frekventnog pretvarača povećava se i brzina vrtnje rotora motora koja se zatim dovede do nazivne sinhrone brzine vrtnje ns=60f1/p.

7