Synchronní stroje - konstrukce, princip a použití

Dalšími z široké řady elektrických strojů jsou vedle v dřívějším článku představovaných asynchronních strojů stroje synchronní. Ty nacházejí svoje uplatnění především v elektrárnách a tvoří tak velkou základnu výroby elektrické energie. Název synchronních strojů napovídá, že rotor se oproti asynchronnímu stroji otáčí stejnými otáčkami, jaké má točivé magnetické pole vyvolané budícími cívkami statoru (platí pro synchronní motor).

Výkony synchronních generátorů mohou dosahovat obrovských hodnot. Není výjimkou stroj o výkonu 1 500 MVA. Tyto stroje mají uplatnění i v automobilovém průmyslu nebo v elektrocentrálách jako generátory s výkonem řádově menším. Provedením mohou být třífázové nebo jednofázové.

Konstrukce synchronních strojů

Stejně jako ostatní točivé elektrické stroje mají synchronní stroje pevně zabudovanou část nazývanou stator a otáčivou část nazývanou rotor. Většina těchto strojů má budící vinutí na rotoru. Na statoru je umístěno jednofázové nebo častěji trojfázové vinutí.

Konstrukčně se rotory těchto strojů dělí na hladké rotory a na rotory s vyniklými póly. Synchronní generátory s vyniklými póly jsou používány především ve vodních elektrárnách, kde jsou poháněny vodní turbínou. Tyto generátory dosahují typicky menších otáček, řádově několik stovek otáček za minutu. Typické pro tyto stroje je, že jsou velké v průměru a menší v osové délce.

Stroje s hladkým rotorem jsou používány například v jaderných nebo v tepelných elektrárnách. Obecně jsou tedy poháněné parními nebo plynovými turbínami a dosahují otáček v řádech tisíců otáček za minutu. Generátory v takové elektrárně se nazývají turboalternátory a oproti předešlým strojům jsou menší v průměru ale delší v osové délce. To je dáno snahou zmenší působením odstředivých sil na části rotoru pohybující se velkou rychlostí. Takový rotor má tvar válce s drážkami obsahujícími budící vinutí.

Do cívek statoru se u synchronního generátoru indukuje střídavé napětí, které způsobuje průchod střídavého proudu. Z důvodu snížení ztrát vířivými proudy je magnetický obvod statoru, podobně jako magnetický obvod transformátorů, složen z jednotlivých, vzájemně izolovaných, plechů.

Princip funkce synchronního generátoru

Na statoru jsou cívky vzájemně posunuty o 120°, což je dáno fázovým posunem jednotlivých fází v síti, který je také 120°. Cívky jsou dvoupólové. Stejnosměrný proud procházející vinutím rotoru vybudí sinusové magnetické pole ve vzduchové mezeře. Siločáry vystupují ze severního pólu elektromagnetu rotoru a uzavírají se přes magneticky obvod statoru do jižního pólu rotoru. Při otáčení rotorem otáčkami n1 se magnetické pole rotoru otáčí stejnou rychlostí a siločáry protínající cívky statoru indukují v cívkách elektrické napětí. Největší napětí je v cívce, které je nejblíže magnetický pól rotoru.

Indukované napětí v takové cívce má hodnotu

V tomto vztahu je f1 součin mechanických otáček rotoru a počtu pólových dvojic, N1 je počet závitů, kv1 je činitel vinutí kotvy a Φ je maximální hodnota magnetického toku, který je ve vzduchové mezeře stroje.

Při rozpojeném vinutí statoru neprochází žádný proud, na cívkách se jen indukuje napětí. Při zapojení zátěže na svorky generátoru prochází cívkami statoru elektrický proud.

Na následujícím obrázku jsou znázorněny jednotlivé fáze indukovaného proudu jako závislost úhlu natočení rotou vůči statoru.

Moment synchronního stroje

Pokud stroj pracuje jako generátor, jeho moment je dán vztahem

V tomto vztahu P1 je elektrický činný výkon na svorkách stroje, ω1 je úhlová rychlost otáčení hřídele stroje, m1 je počet fází statoru, I1 je proud fáze statoru a úhel φ je fázový posun mezi U1 a I1. Velikost tohoto úhlu záleží na tom, jestli stroj pracuje do kapacitní nebo induktivní zátěže.

Reference: Studijní texty FEKT, VUT v Brně