Sinhroni motor
Sinhrona mašina je vrsta električne mašine za naizmeničnu struju. Sinhrone mašine mogu da rade u generatorskom i motorskom režimu. Sinhrone mašine se uglavnom koriste kao generatori u elektranama, pošto se kao motori danas koriste jeftinije i prostije asinhrone mašine.
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 uprošćene konstrukcije, koji rade kao fazni (sinhroni) kompenzatori za popravku snage mreže koja napaja veći broj asinhronih motora.
Radi uprošćenja konstrukcije sinhronih mašina male snage, one se grade bez budilice. 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 poteći će višefazne struje. Te struje obraѕuju 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.
Kod sinhronih mašina se primjenjuju dvije konstrukcije rotora: rotori sa istaknutim (isturenim) polovima i valjkasti ili puni rotori. Kod rotora sa istaknutim polovima oko jezgra svakog pola usredsređeni su 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 učestalost f = 50 Hz rotor mašine sa tri para polova obrće se brzinom n'= 1000 o/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, primjenjuje se i u sinhronim generatorima. Tada on ima ulogu namotaja za prigušivanje (Leblanov amortizator), pošto služi za brzo prigušivanje njihanja 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 vihorne struje, čije je djelovanje ekvivalentno sa djelovanjem struje u „vjeveričjem kavezu“.
Kada se rotor obrće brzinom n', pobudni magnetni fluks rotora siječe provodnike višefaznog (najčešće trofaznog ili dvofaznog) namotaja statora i indukuje u njegovim faznim navojima naizmjenični napon E'.
Kada se mašina optereti, u namotaju statora javiće se višefazne struje pod čijim uticajem nastaje obrtni magnetni fluks statora, koji se obrće u smijeru obrtanja rotora istom brzinom kao i rotor.
Kod ovih mašina rezultantni magnetni fluks nastaje pod zajedničkim djelovanjem magnetnih napona statora i rotora i obrće se u prostoru istom brzinom kao i rotor.
Kod sinhrone mašine namotaj, u kome se indukuju višefazni naponi i kroz koji protiču višefazne struje opterećenja, naziva se namotaj indukta, a dio mašine, na kojem je smješten pobudni namotaj, naziva se induktor. S obzirom na način rada i teoriju rada sinhrone mašine svejedno je da li se obrće indukt ili induktor. Kod savremenih sinhronih mašina induktor je redovno rotor, a indukt stator. Sinhrone mašine su reverzibilne, tj. svaka sinhrona mašina može da radi kao generator i kao motor.
Da bi generator radio, mora ga goniti pogonski motor sa regulatorom, čiji je zadatak da održava sinhronu brzinu obrtanja rotora generatora. Kada radi kao generator, sinhrona mašina može da radi autonomno, i u tom slučaju napaja neki zaseban prijemnik električne energije, ili paralelno priključena na mrežu, na koju su priključeni i drugi sinhroni generatori. Kada radi paralelno sa mrežom, sinhrona mašina može da šalje ili da uzima električnu energiju iz mreže, tj. da radi ili kao generator ili kao motor. Ako je namotaj statora priključen na mrežu napona U i učestalosti f, u njemu će se javiti višefazne struje, koje stvaraju, kao i u asinhronoj mašini, Teslino obrtno magnetno polje. Usljed uzajamnog djelovanja ovog polja i struje J' koja teče u namotaju rotora, stvara se elektromagnetni momenat mašine M, koji je kretni kad mašina radi kao motor, a otporni kad mašina radi kao generator. U sinhronoj mašini, za razliku od asinhrone, pobudni fluks pri praznom hodu mašine stvara namotaj jednosmjerne struje, koji je smješten na rotoru. Znači, u ustaljenom režimu rada relativna brzina obrtanja rotora u odnosu na obrtno polje statora jednaka je nuli, tj. rotor se obrće zajedno sa obrtnim poljem statora brzinom n' = n, nezavisno od režima rada mašine.
