Sinhrona mašina

Sinhrona mašina je vrsta električne mašine za naizmjeničnu struju.^[1] Sinhrona mašina je reverzibila mašina, što znači da ona može da radi kao generator ili kao elektromotor. Sinhroni motor i indukcioni motor su najviše korišteni tipovi naizmjeničnih motora. Mali sinhroni motori se koriste u vremenskim uređajima kao što su sinhroni satovi, tajmeri, te u kasetofonskim snimačima i u preciznim servomehanizmima u kojima motori moraju raditi na preciznim brzinama. Ovi motori se mogu naći u malim veličinama za male kućne uređaje^[2] sve do velikih, snažnih motora za industriju.^[2]

Mali sinhroni motor sa mjenjačem iz mikrovalne peći

Svojstva sinhronih mašina

Sinhrone mašine predstavljaju mašine naizmjenične struje bez komutatora, kod kojih preobražaj energije nastaje usljed mehaničkog premještanja stalnog magnetnog fluksa polova u odnosu na nepokretan namotaj indukta.

Sinhrone mašine koriste se uglavnom kao generatori električne energije naizmjenične struje. U svakoj elektrani (hidro, termo i nuklearnoj) nalazi se po nekoliko sinhronih generatora velikih snaga spojenih na iste sabirnice. Sinhroni generatori manjih snaga reda nekoliko desetina ili stotina kVA koriste se u malim autonomnim elektranama.

Sinhrone mašine imaju široku primjenu i kao električni motori i pri snagama iznad 100 kW koriste se za pogon centrifugalnih i klipnih pumpi, ventilatora, kompresora i drugih mehanizama. U praksi imaju široku primjenu i sinhroni motori uproštene konstrukcije, koji rade kao fazni (sinhroni) kompenzatori za popravak faktora snage^[3] mreže koja napaja veći broj asinhronih motora.

Radi uproštenja konstrukcije sinhronih mašina male snage, oni se grade bez budilice (pobudnog namotaja). U tom slučaju pobudni namotaj se napaja usmjerenom strujom statora. Radi obezbjeđenja samopobuđivanja generatora između polova se postavljaju stalni magneti.

Pri obrtanju rotora sinhrone mašine, sa njegovim polovima obrće se i magnetni fluks koji iz njih izbija. Ovdje je obrtni fluks proizveden mehaničkim putem. Ovaj obrtni fluks siječe provodnike nepokretnog statora i u njima indukuje napone naizmjenične prirode. Zaokretu indukta za jedan polni korak odgovara jedna perioda napona indukovanog u provodniku.

Ako namotaj statora priključujemo na simetričan višefazni prijemnik, u namotaju statora proteći će višefazne struje. Te struje obrazuju magnetni napon statora, a ovaj magnetni fluks statora, koji se po njegovom obimu okreće u smjeru obrtanja rotora. Rotor se obrće istom brzinom kao i obrtni magnetni fluks statora. Iz ove činjenice potiče i naziv sinhrona mašina.

Konstrukcija

Rotor velike vodene pumpe.

Kod sinhronih mašina se primjenjuju dvije konstrukcije rotora^[4]: rotori sa istaknutim polovima i valjkasti ili puni rotori.^[5] Kod rotora sa istaknutim polovima oko jezgra svakog pola nalaze se pobudni navoji koji se učvršćuju pomoću polnih nastavaka. Polni nastavci obično imaju takav oblik da je međugvožđe između polnog nastavka i statora najmanje u sredini pola, a najveće na njegovim krajevima. Time se postiže približno harmonična raspodjela magnetne indukcije duž međugvožđa.

Rotor sa istaknutim polovima obično se koristi kod mašina sa tri ili više parova polova, kojima odgovaraju manje brzine obrtanja. Za frekvenciju od f = 50 Hz rotor mašine sa tri para polova obrće se brzinom n= 1000 ob/min. Kad mašina radi kao generator, onda je pogonski motor obično sporohodna hidraulična (vodna) turbina. Zbog toga se sinhroni generatori sa istaknutim polovima nazivaju i hidrogeneratori.

Kod punih rotora navojni dijelovi pobudnog namotaja raspoređeni su u žlijebove, tako da se susjedni suprotni polovi dodiruju. Radi dobijanja približno harmonične raspodjele magnetne indukcije duž međugvožđa, pobudni namotaj smiješta se u žlijebove, koji zauzimaju 2/3 svakog polnog koraka. Puni rotori koriste se kod sinhronih mašina sa jednim ili dva para polova, kojima pri f = 50 Hz odgovaraju brzine obrtanja n' = 1500 o/min. U ovom slučaju primjena prostijih rotora sa istaknutim polovima nije moguća zbog toga što oni ne bi mogli da izdrže velika mehanička naprezanja koja se javljaju pri ovim brzinama. Sinhrone generatore sa punim induktorom obično pokreću brzohodne parne turbine. Otuda se ovi generatori nazivaju i turbogeneratori.

Sinhroni motori sa istaknutim polovima danas se često grade sa namotajem za puštanje u rad; namotaj je tipa "vjeveričjeg kaveza" i gradi se od materijala koji ima veliku aktivnu otpornost. Takav isti namotaj, načinjen od bakarnih štapova^[6]^[7], primjenjuje se i u sinhronim generatorima. On ima ulogu namotaja za prigušivanje (Leblanov amortizator), pošto služi za brzo prigušivanje ljuljanja rotora koja nastaju u prelaznim režimima rada generatora. Ukoliko je sinhrona mašina izgrađena sa punim (masivnim) polovima, onda se u toku puštanja u rad i u prelaznim režimima u njima javljaju vrtložne struje, čije je djelovanje ekvivalentno sa djelovanjem struje u "vjeveričjem kavezu".

Dijelovi

Sinhrona mašina sastoji se od sljedećih dijelova:

Stator je vanjski, nepomični dio mašine, na kojeg je namotan armaturni namotaj. Faze armaturnog namota su prostorno razmaknute za stepen određen brojem faza mreže; u slučaju trofazne mreže, to je 120°. U motorskom radu kroz armaturni namotaj teče struja koja stvara obrtno magnetsko polje.

Rotor je dio motora koji se okreće. Na njega je namotan uzbudni namotaj, kojim teče istosmjerna, uzbudna struja, koja stvara magnetsko polje zbog kojeg u motorskom radu rotor slijedi obrtno magnetsko polje sa statora. Umjesto uzbudnog namota se ponekad koriste permanentni magneti,^[8] ili se rotor izgradi tako da zbog svog oblika pod uticajem obrtnog magnetskog polja proizvodi tzv. reluktantni moment.

Uzbudna struja na rotor dolazi preko kliznih prstenova.

Princip rada sinhrone mašine

Model 3 faznog sinhronog električnog motora sa animiranim prikazom magnetnog polja statorskog namotaja

Princip rada sinhrone mašine je relativno jednostavan.

U motorskom načinu rada, armaturnim namotom na statoru teče višefazna naizmjenična struja, najčešće trofazna. Prolaskom kroz namote na statoru, naizmjenična struja stvara okretno magnetsko polje unutar njega. Na rotoru uzbudni namot ili permanentni magneti stvaraju statičko magnetsko polje, koje se zbog prisutnosti okretnog polja počinje vrtiti za njim, i pritom za sobom vuče rotor. U normalnom pogonu, dok se rotor vrti za okretnim magnetskim poljem jednakom brzinom, motor je u sinhronizmu. Brzina vrtnje ovisi o frekvenciji mreže na koju je motor priključen, te o broju polova motora:

n={60\times {f} \over {p}}

,

pri čemu je n brzina vrtnje (u obrtajima u minuti), f frekvencija mreže, a p broj pari polova motora (2 pola = 1 par polova). Kako je broj p prirodan broj, brzine vrtnje sinhrone mašine pri određenoj frekvenciji poprimaju fiksne vrijednosti u ovisnosti o broju polova motora. Tako se dvopolna sinhrona mašina priključena na mrežu od 50 Hz vrti brzinom od 3000 obrtaja u minuti, četveropolna 1500 ob/min, itd. Nije neobično da sinhrona mašina ima i 30, pa i više polova, zbog čega se sporo vrti. Takve mašine najčešće nalaze primjenu u hidroelektranama.

U generatorskom načinu rada se dešava obrnut proces. Rotor je spojen na zajedničku osovinu s izvorom mehaničkog rada, naprimjer turbinom ili motorom s unutarnjim sagorijevanjem (SUS). Kako se on vrti, s njim se vrti i njegovo magnetsko polje, kojeg generiše pobudni namotaj. Gledano sa statora, to polje je okretno. Zbog toga se na statoru indukuje napon koji slijedi polje rotora, a sljedstveno i struja. Frekvencija struje je određena brzinom vrtnje rotora, odnosno izvora mehaničkog rada, te brojem polova sinhrone mašine.

Reference

^ Fitzgerald, A. E. (1971). "Chapter 6, Synchronous machines, steady state". Electric Machinery, 3rd Ed. USA: McGraw-Hill. str. 283–330. Library of Congress Catalog No. 70-137126.
^ ^a ^b Fitzgerald, A. E.; Charles Kingsley, Jr.; Alexander Kusko (1971). "Chapter 6, Synchronous machines, steady state". Electric Machinery, 3rd Ed. USA: McGraw-Hill. str. 283–330. Library of Congress Catalog No. 70-137126. CS1 održavanje: nepreporučeni parametar (link)
^ Theraja, B L; Theraja, A K. Electrical technology. II (reprint 2010 izd.). S Chand. str. 1524.
^ "Electrical machine". University of Alberta. Arhivirano s originala, 19. 2. 2013. Pristupljeno 20. 3. 2016.
^ James G Stallcup, Stallcup's Generator, Transformer, Motor and Compressor, strane 15-13, Jones & Bartlett, 2012 ISBN 1-4496-9519-1.
^ Theraja, B.L. Electrical technology. II (2010 izd.). S. Chand. str. 1404. ISBN 81-219-2437-5.
^ Isidor Kerszenbaum, Geoff Klempner. Handbook of Large Turbo-Generator Operation and Maintenance (Drugo izd.). Wiley.
^ Markus Lindegger. "Economic viability, applications and limits of efficient permanent magnet motors". str. 7, str. 21

[1] Fitzgerald, A. E. (1971). "Chapter 6, Synchronous machines, steady state". Electric Machinery, 3rd Ed. USA: McGraw-Hill. str. 283–330. Library of Congress Catalog No. 70-137126.

[Fitzgerald1971b-2] Fitzgerald, A. E.; Charles Kingsley, Jr.; Alexander Kusko (1971). "Chapter 6, Synchronous machines, steady state". Electric Machinery, 3rd Ed. USA: McGraw-Hill. str. 283–330. Library of Congress Catalog No. 70-137126. CS1 održavanje: nepreporučeni parametar (link)

[3] Theraja, B L; Theraja, A K. Electrical technology. II (reprint 2010 izd.). S Chand. str. 1524.

[4] "Electrical machine". University of Alberta. Arhivirano s originala, 19. 2. 2013. Pristupljeno 20. 3. 2016.

[5] James G Stallcup, Stallcup's Generator, Transformer, Motor and Compressor, strane 15-13, Jones & Bartlett, 2012 ISBN 1-4496-9519-1.

[6] Theraja, B.L. Electrical technology. II (2010 izd.). S. Chand. str. 1404. ISBN 81-219-2437-5.

[7] Isidor Kerszenbaum, Geoff Klempner. Handbook of Large Turbo-Generator Operation and Maintenance (Drugo izd.). Wiley.

[8] Markus Lindegger. "Economic viability, applications and limits of efficient permanent magnet motors". str. 7, str. 21

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]