Zařízení synchronních strojů. Elektrické stroje.

Synchronní Nazývá se stroj na střídavý proud, jehož rotor se otáčí frekvencí rovnou frekvenci otáčení magnetického pole statoru. Frekvence otáčení synchronního stroje v ustáleném stavu nezávisí na jeho zatížení a je určena frekvencí síťového proudu ƒ počtem pólových párů р stroje: n = 60 ƒ/р. Synchronní stroje jsou k dispozici se dvěma typy rotorů: s vyčnívajícími póly a bez vyčnívajících pólů.

Rýže. 84. Synchronní stroj:
1 – jádro statoru; 2 – vinutí statoru; 3 — pól rotoru; 4 — sběrací kroužky; 5 — ložiskový štít; 6 — ložisko (pouzdro); 7 – hřídel; 8 – lůžk.

Statorové jádro 1 je zalisováno do rámu synchronního stroje s vyčnívajícím pólovým rotorem, v jehož drážkách je uloženo třífázové vinutí 2 (obr. 84). Rotor je umístěn ve vývrtu jádra statoru. Na hřídeli rotoru s vyčnívajícími póly jsou namontovány póly 3 s budicími vinutími. Energie je dodávána do vinutí pole pomocí kartáčů a kroužků 4, izolovaných od hřídele a od sebe navzájem. Hřídel 7 spočívá na ložiskách 6 umístěných v ložiskových štítech 5.

Rotory s výběžky pólů se používají při relativně nízkých rychlostech otáčení synchronních strojů (až 1500 ot./min) (obr. 85, a). Lůžko 13 má válcový tvar a je vyrobeno odléváním z šedé litiny, siluminu. Uvnitř má rám podélná žebra 14, mezi kterými je pomocí přítlačných kroužků 10, čepů 11 a čepů 15 nalisováno jádro statoru 12.

Jádro statoru je vyrobeno sloučením plechů lisovaných z elektrooceli o tloušťce 0,5 mm. Vnější obvod plechů má výstupky nebo prohlubně pro jejich upevnění v žebrech rámu při montáži. Po vnitřním obvodu polotovarů jádra jsou rovnoměrně vytvořeny drážky, ve kterých jsou umístěny aktivní vodiče statorového vinutí 9. Při sestavování jádra se mezi obaly 12 pokládají plechy se svařenými distančními vložkami, které tvoří ventilační kanály.

Rýže. 85. Konstrukce rotorů s vyčnívajícími póly (a) a bez vyčnívajících pólů (b):
1 – odbočka budícího vinutí; 2 — svazek třmenu rotoru; 3 – ventilační potrubí; 4 — pólový přítlačný kolík: 5 — pólový; 6 — budicí vinutí; 7 – uzavírací kroužek uklidňovacího vinutí; 8 — odpočinková navíjecí tyč; 9 – vinutí statoru; 10 — přítlačný kroužek statoru; 11 — tlakový prst; 12 — svazek statoru; 13 – postel; 14 — žebrový klín; 15 — vlásenka; 16 — skříň rotoru; 17 – klín; 18 — dřík pólu rotoru; 19 — drážka rotoru; 20 — ocelové klíny; 21 – axiální chladicí kanál; 22 – obvaz; 23 – středící kroužek; 24 — sběrací kroužky; 25 — hlaveň rotoru; 26 – velký zub; 27 – axiální kanál.

Jádro rotoru s vyčnívajícími póly se skládá z pólů 5 a třmenu 2, namontovaných na skříni 16 (obr. 85, a). Tyče jsou sestaveny z ocelových plechů tloušťky 1 – 1,5 mm a lisovány mezi litými nebo kovanými přítlačnými čelistmi 4 pomocí čepů 15.

Rotorové třmeny strojů s nízkým a středním výkonem jsou vyrobeny masivní. V tomto případě jsou póly připevněny ke třmenu pomocí radiálních šroubů. U výkonných strojů jsou třmeny vyráběny laminované z lisovaných plechů StZ oceli do tloušťky 6 mm. Obaly 2 jsou vytvořeny z listů, oddělených kanálky 3 a stlačeny spojovacími tyčemi. Póly jsou spojeny s třmenem upevněním dříků 18 ve tvaru T v drážkách třmenu pomocí klínů 17. Na každém pólu je instalována cívka 6 budícího vinutí. Svorky 1 budícího vinutí jsou připojeny ke sběracím kroužkům (nejsou znázorněny).

V kulatých drážkách na povrchu pólů jsou uloženy tyče 8 vodičů vinutí tlumiče rotoru, na koncích zkratované kroužky 7.

Nevýrazný pólový rotor je pevný masivní válcový výkovek, ve kterém je jádro rotoru kombinováno s hřídelí (obr. 85, b). K výrobě rotoru se používá uhlíková ocel (pokud jeho průměr nepřesahuje 800 mm). U velkých rozměrů se používá speciální legovaná ocel pro zvýšení mechanické pevnosti konstrukce.

Nevýrazný pólový rotor (obr. 85, b) je podroben zpracování, během kterého je vyvrtán axiální kanál 27, což je nezbytné pro kontrolu kvality výkovku a snížení vnitřních pnutí v kovu. Vnější povrch hlavně 25 má spirálovou drážku s hloubkou a šířkou asi 5 mm pro zlepšení podmínek chlazení. Podél tvořící přímky aktivní části jsou vyfrézovány drážky 19 a axiální chladicí kanál 21 ve velkém zubu 26, bez vinutí. Drážky 19 s vinutím 6 a axiální kanály jsou vyplněny klíny 20, které drží vinutí. Vývody budícího vinutí jsou napojeny na sběrací kroužky 24. Čelní části vinutí jsou vyztuženy bandážemi 22 z vysokopevnostní nemagnetické oceli. Pásky pokrývají středící kroužky 23, které jsou elastické.

• Konstrukce asynchronních motorů
• Konstrukce stejnosměrných strojů
• Konstrukce ložisek pro elektrické stroje
• Mechanické vlastnosti elektrických strojů

Synchronní generátor je jednotka, jejímž účelem je přeměnit jakoukoli energii (tepelnou, sluneční, mechanickou) na energii elektrickou. Vyznačuje se jednoduchým principem činnosti a spolehlivým designem. Zvláštností je, že magnetické pole rotoru a statoru rotují stejnou frekvencí. PG s kapacitou až několik tisíc megawattů se používají téměř ve všech typech elektráren po celém světě. Jednotky jsou reverzibilní; mohou pracovat jako elektrické generátory a vykonávat funkce elektromotorů.

Konstrukční vlastnosti synchronních generátorů

Konstrukce synchronních generátorů zahrnuje následující součásti: stator, rotor, vinutí, chladicí systém.

Stator

Stator je stacionární část sestávající z pouzdra a jádra sestaveného z tenkých plechů. Listy jsou od sebe odděleny izolačními materiály, například lakovými směsmi. V drážkách jádra je umístěno třífázové vinutí. Kvalita generovaného elektrického proudu závisí na tom, jaké plechy jsou v jádře použity – plné nebo prefabrikované.

Stator má tvar plného válce nebo válce složeného ze segmentů. Stator vysoce výkonných strojů se skládá ze dvou částí, které lze rozdělit podél osy rotoru. Tato konstrukční varianta usnadňuje přepravu, instalaci a instalaci SG.

Modely se samobuzením mají statorové budicí vinutí. V drahých systémech je vyroben z měděného lakovaného drátu, v levnějších systémech je vyroben z hliníkového vodiče. U bezkomutátorových SG jsou vinutí statoru umístěna tak, že jejich jádra splývají s výstupky magnetických pólů rotoru. Elektrický proud je odváděn přímo z vinutí statoru.

U výkonných elektrických strojů jsou vždy instalována pouze vinutí s nezávislým buzením. K jejich napájení jsou požadovány nízkoenergetické stejnosměrné generátory.

Rotor

Rotor je rotační část SG, ve které je umístěno jádro s budicím vinutím nebo magnety. Rotory jsou vyráběny s vyčnívajícími a nevyčnívajícími póly. Zařízení prvního typu jsou žádaná u synchronních strojů kombinovaných se spalovacími motory s nízkofrekvenčním hřídelem. Ve vysokovýkonových a frekvenčních generátorech jsou instalovány rotory druhého typu, často namontované na stejné hřídeli jako parní turbíny. SG této konstrukce se nazývají turbogenerátory.

Chladicí systém

Teplo je odváděno ze statoru a rotoru pomocí chladicích systémů. U elektrických strojů s nízkým výkonem se tento problém řeší pomocí ventilátorů. Velká zařízení mají vodíkový chladicí systém.

Výhody a nevýhody synchronních generátorů

Popularita synchronních generátorů je zajištěna následujícími technickými vlastnostmi:

• schopnost udržovat konstantní výstupní napětí;
• možnost synchronního provozu několika synchronních strojů, což umožňuje rychle zvýšit výkon ve špičce připojením záložních generátorů;
• nízká citlivost na zkraty;
• schopnost řídit zatížení SG.

Mezi nevýhody tohoto technického řešení patří:

• nespolehlivost sestavy kartáče (existují také bezkartáčové konstrukce);
• složitost konstrukčních prvků;
• u velkých elektrických strojů – nákladná údržba.

Typy synchronních generátorů

V souladu s konstrukcí jsou SG rozděleny do typů:

• Hydrogenerátory. Jejich konstrukce zahrnuje rotory s výraznými póly. V poptávce v situacích, které nevyžadují vysoké rychlosti.
• Turbogenerátory. V takových jednotkách nejsou žádné výrazné póly. Stroje sestavené z několika turbín výrazně zvyšují otáčky rotoru.
• Synchronní kompenzátory. Jsou žádané ve výrobních závodech pro získání kvalitního elektrického proudu a stabilizaci napětí.

Synchronní generátory mohou pracovat v režimu elektromotorů: na vstupu je elektrická energie, na výstupu mechanická energie. Statorové vinutí je připojeno k centralizovanému napájecímu systému a rotorové vinutí je připojeno ke zdroji stejnosměrného proudu. Synchronní elektromotory se obvykle používají v elektroinstalacích s výkonem nad 50 kW.

Princip činnosti SG

U synchronního elektrického stroje používaného v režimu elektrického generátoru je primární energií mechanická energie, která otáčí hřídelem.

Princip činnosti synchronního generátoru střídavého proudu:

• Primární motor otáčí rotor-induktor. Magnetické pole rotuje s rotorem, což dalo tomuto elektrickému stroji jméno.
• Když se rotor otáčí, magnetický tok prochází vinutím statoru, v důsledku čehož se v něm indukuje emf podle zákona elektromagnetické indukce. Indukované EMF je přímo úměrné magnetickému poli elektrického stroje a rychlosti otáčení rotoru. Frekvence střídavého proudu přímo závisí na otáčkách rotoru.
• V případě potřeby parametry magnetické indukce instalací dalších reostatů nebo elektronických jednotek.

Kde se používají synchronní generátory střídavého proudu?

Třífázové SG jsou žádané v:

• vozidla, střídavý proud je usměrněn v polovodičových blocích;
• výstavba – na místech, kde není centrální napájení nebo jeho parametry neodpovídají plánovaným úkolům;
• místa geologického průzkumu a těžebních prací;
• výkonné vodní a tepelné elektrárny, mobilní stanice a jaderná zařízení;
• hybridní automobily, v tomto případě je ve vozidle instalován spalovací motor a synchronní elektromotor.

SG lze použít i v jiných oblastech, které vyžadují konstantní výstupní napětí a proudové parametry a odolnost proti přetížení při připojování zátěží s činným a jalovým výkonem.