4. Maszyny synchroniczne

      Maszyną synchroniczną nazywa się maszynę prądu przemiennego, której wirnik w stanie ustalonym obraca sie z taką samą prędkością, z jaką wiruje pole magnetyczne.

      Maszynami synchronicznymi są np. generatory, czyli jednostki dużej mocy,  wytwarzające energię elektryczną dla potrzeb systemu elektroenergetycznego, a także silniki synchroniczne małej mocy, coraz częściej stosowane ze względu na korzystne właściwości ruchowe.

Maszyny synchroniczne mogą pracować jako:

- prądnice,

- silniki,

- kompensatory synchroniczne.

4.1 Prędkość obrotowa silnika synchronicznego:  

Między prędkością obrotową maszyny synchronicznej n_s (obr/min), liczbą par biegunów magnetycznych p i częstotliwością f (w Hz) występuje stała zależność:

      Prędkość maszyny synchronicznej jest stała i niezależna od obciążenia oraz napięcia zasilającego. Zmianę kierunku wirowania silnika uzyskuje się przez zamianę połączenie dwóch przewodów po stronie zasilania. Jeżeli wzbudnicą jest maszyna prądu stałego samowzbudna, osadzona na wale silnika lub z nim sprzęgnięta, to przy zmianie kierunku wirowania należy także odpowiednio zmienić połączenia wzbudnicy.

4.2 Moc silnika na wale

      Oddawana moc elektryczna jest równa mocy mechanicznej pobieranej na wale. Moc silnika na wale E_max wyznacza sie z mocy pozornej S, współczynnika mocy  cosφ, przy którym silnik pracuje, oraz sprawności η - ze wzoru:

Prąd pobierany przez silnik synchroniczny zależy od obciążenia na wale i od wzbudzenia silnika.

4.3 Elektromagnetyczny moment obrotowy

      Wartość maksymalna momentu elektromagnetycznego wytwarzanego przez silnik jest zależnością liniową napięcia oraz prądu wzbudzenia. Zależność ta oraz możliwość wpływania  na wartość momentu maksymalnego jest zaletą maszyny synchronicznej

      Charakterystyka elektromagnetycznego momentu obrotowego w warunkach pracy ustalonej (przy stałym napięciu twornika (U = const) i stałym prądzie wzbudzenia (I_f = const), zależy od rodzaju maszyny i nazywa się charakterystyką kątową M = f ϑ). Moment obrotowy wymagany do napędzania maszyny wynosi:

gdzie:

E_f - siła elektromotoryczna w uzwojeniach fazowych

U  - napięcie fazowe sieci,

X_d- reaktancja synchroniczna podłużna

ϑ - kąt obciążenia,

m - liczba faz,

n_N- znamionowa prędkość obrotowa.

4.4 Oznaczenie typu silników synchronicznych; składa się z części literowej i liczbowej, których znaczenie jest następujące:

- pozycja 1.; G - maszyna synchroniczna;

- pozycja 2.: A - budowa otwarta (IP00); C - budowa okapturzona (IP23); - Y - budowa o przewietrzaniu

  przelotowym obcym w obiegu otwartym lub własnym w obiegu zamkniętym z chłodnicami wodnymi

  (IP44);

- pozycja 3.d, e - oznacza serię;

- pozycja 4.; 10...20 - wielkość mechaniczna;

- pozycja 5.; - 4 - 32 - liczba biegunów;

- pozycja 6. p,r,s,t - długość rdzenia stojana przy napięciu 6 kV,

                  s,b,c  - przy napięciu 380 - 500 V.

4.5 Rozruch silników synchronicznych

Rozruch silnika synchronicznego przeprowadza się:

a) umożliwiając rozruch asynchroniczny przy bezpośrednim włączeniu do sieci zasilającej. Silniki

    synchroniczne, dla których przewiduje sie ten typ rozruchu, wyposażone są w uzwojenie

    rozruchowe klatkowe, umieszczone w nabiegunnikach. Rozruch odbywa się tak, jak w silniku

    indukcyjnym. Przy poślizgu równym lub mniejszym od 5% włącza się układ wzbudzenia, co

    powoduje wprowadzenie wirnika w bieg synchroniczny,

b) stosując dodatkową maszynę napędową. W tym przypadku silnik synchroniczny załącza się do

    sieci tak jak prądnicę,

c) wykorzystując moment synchroniczny (tzw. rozruch częstotliwościowy). Ten sposób rozruchu

    polega na zasilaniu uzwojenia twornika silnika synchronicznego z oddzielnej prądnicy

    synchronicznej lub z przetwornika częstotliwości.

      Podstawową wadą rozruchu silników synchronicznych jest potrzeba stosowania dodatkowych urządzeń  i aparatury.

 Ad.a) Bezpośrednie włączenie silnika do sieci może być stosowane wówczas, gdy sieć ma dostateczną moc zasilania, by nie wywołać szkodliwych spadków napięć.

      W celu ograniczenia prądu rozruchowego pobieranego z sieci włącza się silnik przy obniżonym napięciu, stosując dławik, transformator rozruchowy lub autotransformator z rozwieranym punktem gwiazdowym (rozruch dwustopniowy).

4.6 Kompensatory synchroniczne

      Są to generatory mocy biernej. Pracują one jak silniki synchroniczne nieobciążone momentem na wale, pobierając z sieci nieznaczną moc czynną na pokrycie strat w maszynie oraz właściwą dla jego pracy moc bierną pojemnościową. Oddaje jednocześnie do sieci moc bierną indukcyjną, poprawiając bilans mocy biernej w sieci. Poprawie ulega także współczynnik mocy w sieci.

      Wzbudzenie kompensatorów jest uzależnione od stanu obciążenia linii. Kompensatory są przystosowane do rozruchu asynchronicznego, a bardzo duże jednostki w tym celu są wyposażone w silniki rozruchowe. Kompensatory stosuje się także do poprawienia współczynnika mocy zakładu przemysłowego.

      Kompensatory synchroniczne są stosowane w liniach elektroenergetycznych wysokiego napięcia do regulacji napięcia przez zmianę rozpływu prądów biernych. Obecnie są zastępowane przez baterie kondensatorów, których poszczególne sekcje są uruchamiane automatycznie.