Ciele cvičenia
- Pochopiť princíp činnosti synchrónneho stroja
- Porozumieť náhradnej schéme synchrónneho stroja
- Prepočítať príklady pre synchrónny stroj
1. Čo je to synchrónny stroj?
Synchrónny stroj je prvý točivý elektrický stroj, ktorý si preberieme. Keďže sa jedná o točivý stroj, bude pozostávať z dvoch hlavných častí. Prvá časť, ktorá je statická, sa nazýva stator. Druh časť, ktorá sa otáča, sa nazýva rotor. Tomuto stroju sa hovorí synchrónny preto, lebo rotor sa točí rovnakou uhlovou rýchlosťou ako točivé magnetické pole v statore. Hovoríme, že rotor a magnetické pole statora su v synchronizme. Tento stroj môže pracovať aj ako motor aj ako generátor. Generátory majú v energetike značnú prevahu, nakoľko sa používajú ako generátory vo veľkých jadrových, vodných či tepelných elektrárňach. Synchrónny stroj je neoddeliteľnou súčasťou moderného sveta. Rozoznávame dva druhy synchrónnych generátorov:
- Hydrogenerátor - je synchrónny generátor, ktorý má rotor s vyniklými pólmi. Pracuje pri malých otáčkach, a preto tam vznikajú malé odstredivé sily. Konštrukčne sa jedná o široké (veľký priemer) a krátke stroje.
- Turbogenerátor - je synchrónny generátor, ktorý má hladký rotor. Pracuje pri vysokých otáčkach, a preto tam vznikajú veľké odstredivé sily. Konštrukčne sa jedná o úzke (malý priemer) a dlhé stroje.
2. Princíp činnosti synchrónneho stroja
Pripojením trojfázovej siete k statoru preteká statorom prúd, ktorý vytvára v statore točivé magnetické pole. Rotor funguje ako magnet so severným a južným pólom, ktorý môže byť vytvorený buď elektromagnetom alebo permanentným magnetom. Rotor sa "prilepí" k točivému magnetickému poľu statora, čím sa dosiahnu synchrónne otáčky. Na vytvorenie elektromagnetu v rotore je potrebné, aby bol rotor napájaný jednosmerným prúdom. Napájanie sa dostane do rotora cez krúžky a kefy, pričom sú potrebné dva krúžky, pre kladný a záporný pôl zdroja. Rýchlosť stroja závisí od frekvencie siete a počtu pólov: \[ n_\mathrm{s} = \dfrac{60 \cdot f}{p} = \dfrac{120 \cdot f}{2p} \] kde
- \( n_\mathrm{s} \) sú synchrónne otáčky
- \( p \) je počet párov pólov
- \( 2p \) je počet pólov
- \( f \) je frekvencia siete
Pre lepšie pochopenie činnosti synchrónneho stroja odporúčame si pozrieť nasledujuce video.
3. Náhradná schéma synchrónneho stroja
Náhradná schéma synchrónneho stroja je dôležitý model, ktorý sa používa na analýzu a simuláciu správania synchrónnych generátorov a motorov v elektrických sieťach. Tento model umožňuje jednoduchšie porozumieť elektrickým a magnetickým vlastnostiam stroja, ako aj jeho reakciám na rôzne prevádzkové stavy. Synchrónny stroj môže byť reprezentovaný elektrickým ekvivalentom pomocou niekoľkých základných prvkov:
- Odpor statora \( R_\mathrm{1} \)
- Synchrónna reaktancia statora \( X_\mathrm{s} \)
- Indukované napätie \( U_\mathrm{i} \)
Náhradná schéma jednofázového synchrónneho stroja
Synchrónna reaktancia \( X_\mathrm{s} \) je dan súčtom magnetizačnej reaktancie (nazývanej aj reaktancia reakcie kotvy) \( X_\mathrm{ad} \) a rozptylovej reaktancie statora \( X_\mathrm{1\sigma} \): \[ X_\mathrm{s} = X_\mathrm{ad} + X_\mathrm{1\sigma} \]
Fázorový diagram jednofázového synchrónneho stroja je zobrazený na nasledujúcom obrázku.
Fázorový diagram jednofázového synchrónneho stroja
4. Prevádzkové stavy synchrónneho stroja
Po pripojení synchrónneho stroja na sieť môžeme vyšetrovať jeho chovanie v jednotlivých režimoch. Podľa chodu môžeme rozdeliť na:
- Generátorický chod - dodáva do siete činný výkon \( \mathrm{P}\uparrow \)
- Motorický chod - odoberá zo siete činný výkon \( \mathrm{P}\downarrow \)
Podľa budenia môžeme rozdeliť na:
- Prebudený - dodáva do siete jalový výkon \( \mathrm{Q}\uparrow \)
- Ideálne budený - jalový výkon je rovný nule \( \mathrm{Q} = 0 \)
- Podbudený - odoberá zo siete jalový výkon \( \mathrm{Q}\downarrow \)
Synchrónny kompenzátor je silne prebudzovaný nezaťažený synchrónny motor. Kompenzuje účinník siete, tým že dodáva do siete jalový výkon.
Prevádzkové stavy synchrónneho stroja
5. Počítanie príkladov
Na tomto mieste si môžete stiahnuť súbor potrebný pre výpočtové cvičenie. Súbor obsahuje prepočítané príklady, ktoré vám pomôžu pri riešení zadania a lepšom pochopení problematiky synchrónnych strojov. Heslo vám poskytne cvičiaci na cvičení.