Uvod

Sinhronski stroji, za razliko od transformatorjev, ki pretvarjajo električno energijo v električno, pretvarjajo med električno in mehansko v obe smeri.

Povezava z transformatorjem

U_{1} + E_{1} = 0

I_{1}^{'} > I_{1}

E_{1} = N_{1} \frac{d Φ}{d t}

Φ^{'} = Φ

E_{2} = N_{2} \frac{d Φ}{d t}

Φ^{'} < Φ

E_{2}^{'} < E_{2}

Struktura

Sinhronski stroj je sestavljen iz dveh glavnih komponent: statorja in rotorja. Stator je zunanji in nepremični del stroja, medtem ko je rotor notranji in predstavlja premikajoči se del. Obstajajo tudi izvedbe, kjer je rotor zunanji, vendar so redke.

V statorju se nahajajo trifazna navitja, v katerih se inducira napetost. Rotor je običajno opremljen z vzbujevalnim navitjem, ki je napajano z enosmernim tokom. To vzbujevalno navitje v kombinaciji z vrtenjem ustvarja rotacijsko magnetno polje. Rotor ima lahko trajne magnete, namesto vzbujalnega navitja, vendar take stroje je težej voditi, saj rotor generira konstantno amplitudo magnetnega polja.

Ko rotor vrti to magnetno polje znotraj statorskih navitij, se zaradi spremembe magnetnega fluksa skozi stator inducira trifazna izmenična napetost. Stroj deluje sinhrono, kar pomeni, da je hitrost vrtenja rotorja vedno enaka hitrosti vrtenja magnetnega polja, torej je natančno povezana s frekvenco izhodne napetosti.

Frekvenca $f$ je odvisna od števila parov polov $p$ in hitrosti vrtenja $n$ v obratih na minuto (rpm). Izračuna se po formuli:

f = p \frac{n}{60}

kjer je $p$ število polovih parov in $n$ hitrost vrtenja rotorja v vrtljajih na minuto $[\frac{v r t}{m i n}]$ .

Na spodnji rizbi je narisan enofazni sinhronski stroj, ki ima dva izražena pola/en polov par.

Trifazni dvopolni sinhronski stroj

Pri tej izvedbi sinhronskega stroja, imamo 3 tuljave na statorju. Ker so razporejene enakomirno, lahko rečemo da je njun geometrijski kot 120°, njun električni kot, je pa odvisen od števila polovih parov. V našem primeru je samo en, zato je geometrijski kot enak električnemu.

Konstrukcija rotorja

Rotor sinhronskega stroja je lahko izveden na dva glavna načina:

z izraženimi poli,
z cilindrično oblikovanim rotorjem.

Izraženi poli

Rotor z izraženimi poli ima vidno oblikovane, izbočene pole. Med posameznimi poli obstaja razlika v reluktanci, kar pomeni, da je reluktanca v smeri pola drugačna kot v smeri med poli. Ta lastnost prispeva k dodatnemu sinhronizacijskemu navoru, še posebej pri delni obremenitvi.

Cilindrični rotor

Rotor cilindrične oblike ima enakomerno zračno režo po celotnem obodu. Zaradi tega reluktanca ostaja konstantna in rotor ni občutljiv na pozicijo. Navitje je v utorih pod površjem rotorja, kar omogoča višje obratovalne hitrosti.

Abstrakcija

Če poenostavimo celotno strukturo sinhronskega stroja ugotovimo, da ga lahko predstavimo samo z tuljavami. Te tuljave prestavljajo navitja, ki so na rotorju in v statorju. Če imamo samo 1 polov par na rotorju, ga lahko predstavimo z eno tuljavo. Če imamo dva, z dvema, če imamo 3, z tremi ... Medtem ko stator predstavljamo z toliko tuljavami kolikor je fazni stroj. Če je enofazni z eno, če je tro z trema, in če je pet z petimi. Te tuljave so medseboj enakomerno razporeje po krožnici.

Rotacija rotorja, posledično magnetnega polja, pomeni spreminjajoči se fluks na statorju. To povzroči inducirano napetost, ki ima sinusoidno obliko. Če narišemo fluks, ki ga vidi ena izmed tuljav v odvisnosti od kota $α$ , ki je kot rotatija, dobimo sinusno obliko.

Če povečamo število polovih parov, se bo magnetni fluks znotraj tuljave statorja hitrje spreminjal, saj imamo več prehodov iz severna na jug in obratno.

Pp	Vrt/min
1	3000
2	1500
3	1000
4	750
5	600
6	500
10	300
...	...

Recimo, da imamo en polov par. Če želimo, da se inducira napetost s frekvenco 50 Hz, to pomeni, da se mora fluks znotraj tuljave na statorju obrniti dvakrat v času $\frac{1}{50 Hz} = 20 ms$ . To pomeni, da mora rotor opraviti en mehanski obrat v 20 ms, kar je 50 obratov na sekundo oziroma 3000 obratov na minuto. Če pa imamo več polovih parov, se število obratov na minuto zmanjša sorazmerno.

Mnogo navitji

V resnici je statorsko navitje sestavljeno iz več navitij, zato je primerneje, da ga predstavimo z več skupki tuljav.

Posamične tuljave znotraj skupka imajo med seboj določen geometrijski kot, kar pomeni, da bodo faze fluksa, ki ga tuljave čutijo, zamaknjene. To pa ni težava, saj bo seštevek teh fluksov vedno poravnan s fazo fluksa sredinske tuljave.

Navitja so med seboj vezana zaporedno in se zato napetosti na njih seštevajo. Vendar ne linearno, temveč vektorsko, saj med seboj niso v fazi. To se lepo vidi na kazalčnem diagramu spodaj.

Navitja imajo med seboj določen geometrijski kot $γ_{geo}$ .

To lahko razložimo tudi z Kazalčni diagrami.

V tem primeru smo lahko vse risali z $γ_{geo}$ , ker smo imeli samo en polov par. Če bi imeli več polovih parov, bi bil fazni zamik na grafu enak $\frac{γ_{geo}}{P_{p}}$ , in tudi na kazalčnem diagramu bi bil kot zmanjšan na $\frac{γ_{geo}}{P_{p}}$ .

Ker so tuljave geometrijsko zamaknjene, moramo njihove napetosti seštevati geometrijsko. Ker je to lahko zamudno, proizvajalci običajno podajajo faktor navitja $K_{n}$ (med 1 in 0.866). Ta pove, kako se razlikuje dolžina kazalca skupne inducirane napetosti $E_{s}$ glede na vsoto posameznih napetosti.

Tako se spremeni enačba za napetost na statorju iz »magične formule« v:

E_{s} = 4, 44 f N K_{n} B A

Delovanje v prostem teku

Prosti tek je definiran tako, da na statorju nimamo priključeno nič — sponke so odprte. To pomeni, da je prisotna napetost, ni pa toka.

$E_{0}$ je napetost, ki jo želimo generirati s sinhronskim strojem.
$E_{r e m}$ je inducirana napetost, ki je posledica remanentnega magnetnega polja, ki ostane zaradi histereze rotorja.

Zaradi kompleksnosti izračunavanja pogosto uporabimo karakteristiko zasičenja rotorja (k.z.r.) namesto dejanske $B - H$ krivulje stroja. Pri tem moramo biti pozorni, da če želimo nekoliko višjo inducirano napetost, lahko že preidemo v nasičenje — čez »koleno« — kar pomeni mnogo večji vzbujalni tok $I_{v}$ , ki bi lahko povzročil pregretje oziroma poškodbe navitja.

Kratek stik: kratek stik.

Sinhronizacia na omrežje

Da lahko sinhronski generator priključimo na omrežje, moramo poskrbeti, da je pravilno priključen. To pomeni, da je prava faza vezana na pravo fazo. To preverimo z voltmetrom $Δ U$ . Da se ujameta frekvenci, pa preverimo z frekvenčnim merilnikom $f$ .

Amplitudo napetosti reguliramo z enosmernim vzbujanjem, frekvenco pa z hitrostjo vrtenja. Če se faze ne ujemajo z omrežjem, lahko začasno pred vklopom spremenimo hitrost vrtenja, da se medsebojne napetosti "ujamejo".

Ko pa je stroj popolnoma sinhroniziran z omrežjem, ne teče noben tok, ker ni razlike v napetosti, in posledično ne oddajamo nobene energije. Tako pa elektrarne ne bi služile denarja.

Vklop stikala

Če hočemo oddajati moč, moramo na sponkah generatorja imeti višjo napetost, kot jo ima omrežje, zato zvišamo vzbujalni tok in posledično fiktivno napetost $E_{f}$ . Sedaj teče tok, vendar vidimo iz kazalčnega diagrama, da je kot med tokom $I$ in fiktivno napetostjo $E_{f}$ pravi kot 90°. To pomeni, da oddajamo čisto jalovo moč, ki pa ni produktivna.

V tem primeru nas omrežje vidi kot kondenzator. Elektrarne tako še vedno ne služijo denarja. Zato bomo poskusili ravno obratno in zmanjšali vzbujalni tok. Tako se spremeni smer padca napetosti $Δ U$ in tudi toka.

Iz kazalčnega diagrama je razvidno, da je padec napetosti sedaj obrnjen v drugo smer, ker smo zmanjšali vzbujanje in je posledično fiktivna napetost $E_{f}$ manjša. Sedaj je tok, ki teče med generatorjem in omrežjem, obrnjen v drugo smer, vendar še vedno pod kotom 90°. To pomeni, da s tem ne generiramo nobene uporabne moči in elektrarne ne služijo denarja.

Da oddajamo delovno moč, mora biti kot med napetostjo omrežja in tokom različen od 90°. Ker vemo, da je tok pravokreten na padec napetosti, moramo spremeniti smer padca napetosti $Δ U$ .

Naslednje poglavje: Predavanje 9
Prejšnje predavanje: Predavanje 7