ELEKTROMOTORNI POGONI 4ELEKTROMOTORNI POGONI 4--55

SINKRONI MOTORISINKRONI MOTORI

Zdravko BoriZdravko Borićć,prof.,prof.

• Odnos snaga najmanjih i najvećih izvedenih sinkronih strojeva je 1012.• Strojevi su izvedeni za snage od nekoliko mW do nekoliko GW.• Najmanji strojevi se rade za različite instrumente.• Najveći strojevi se grade za potrebe velikih elektroenergetskih sustava (elektrane).

Bitna karakteristika sinkronih strojeva je njihova brzina vrtnje, koja je konstantna i odreñena brojem pari polova stroja p i frekvencijom mreže f prema relaciji:

• Sinkroni stroj je izveden najčešće tako da na rotoru ima uzbudni namot kroz koji teče istosmjerna struja i stvara uzbudno protjecanje koje stvara magnetski tok.• Kod strojeva male snage uzbuda se može ostvariti pomoću permanentnih magneta, dakle bez uzbudnog namota.

• Ako sinkroni stroj spojen na krutu mrežu opteretimomomentom, umjesto da ga tjeramo pogonskimstrojem, on počinje raditi kao motor.• Pri tome će mu brzina n biti stalna i jednaka:

Ovisnost momenta o brzini vrtnje je bitno svojstvo svakog motora. Ta se ovisnost često nazivakarakteristika ili krivulja momenta.

• Sinkroni stroj može raditi kao motor jedino pri sinkronoj brzini.• Za neku drugu brzinu sinkroni stroj uopće ne razvijapogonski moment.• Pri sinkronoj brzini motor može razviti najviše neki maksimalni moment odreñen izvedbom stroja, indukcijom i protjecanjem.• Ako bismo moment tereta povećali preko maksimalnog iznosa, motor bi ispao iz sinkronizma.

• Uz konstantan napon na motoru maksimalni moment ovisi o uzbudnom protjecanju θm.• Ovo protjecanje možemo u nekim granicama mijenjati promjenom uzbudne struje.• Moment motora je jednak momentu tereta na osovini, pa je time odreñena radna snaga koju motor uzima iz mreže:

• Uz čvrsti napon je time odreñena i radna komponenta struje statora.• Vektor indukcije mora ostati čvrst jer je definiran naponom mreže.• Promjenom uzbudne struje se mijenja kut opterećenja i jalova komponenta struje.• Uz jednak moment na osovini pri promjeni uzbuderadna komponenta struje ostane ista.

• Sinkroni motori mogu promjenom uzbude raditi kao kompenzatori jalove energije (obično induktivne).• Promjenom uzbude se može podesiti da stroj radi s faktorom snage cosφs=1, dakle kao čisti radni teret.• Sinkroni motor nema momenta u kratkom spoju, pri brzini vrtnje n = 0 (zakočen rotor).• Sinkroni motor u kratkom spoju i nije sinkroni stroj!

• Stoga se kod sinkronih motora javlja problem pokretanja.• Postoji nekoliko mogućih rješenja:– asinkroni zalet,– sinkroni zalet i– pomoćni motor za zalet.

• Asinkroni zalet se izvodi pomoću prigušnog kaveza ugrañenog u polne papuče.• Sinkroni motor se bez uzbude priključi na mrežu i zaleti kao asinkroni kavezni motor do približno sinkrone brzine.• Onda se uključi uzbuda, i motor uskoči u sinkronizam.• To je ujedno i najjednostavniji način pokretanja, ali motor mora imati odgovarajuće dimenzioniran prigušni kavez.

• Sinkroni zalet se izvodi pomoću drugog generatora ili statičkog pretvarača.• Uzbuñenom motoru se postepeno podižu napon i frekvencija do punog napona i brzine vrtnje.• Tada se stroj sinkronizira i priključi na mrežu.• Rješenje sa statičkim pretvaračem se koristi u reguliranim pogonima i u pogonima s više sinkronih motora koji se pokreću jednim pretvaračem, ali i za pokretanje velikih strojeva u reverzibilnim elektranama.

• Treće rješenje je zalet s pomoćnim motorom (“pony” motor) koji je mehanički spojen sa sinkronim motorom.• Tim motorom se sinkroni motor zaleti do sinkronizma i tada priključi na mrežu.• Pomoćni motor služi samo za zalet (ako je asinkroni) a u nekim se rješenjima koristi za zalet istosmjerni uzbudnik samog stroja.

Sinkroni motori su strojevi koji se koriste za pogone s konstantnom brzinom vrtnje.

• Grade se za široki raspon snaga (od nekoliko mW do nekoliko stotina MW ) i široki raspon brzina.• U novije vrijeme se sinkroni motori sve više koriste u reguliranim pogonima. Izvoru napajanja može se pri tome mijenjati frekvencija, pa je i brzina vrtnje promjenljiva.

• Najveći sinkroni motori su strojevi dvostruke namjene i koriste se u reverzibilnim hidroelektranama.• Rade kao generatori kad je potrebno proizvoditi električnu energiju.• U vrijeme kad postoji višak električne energije rade kao motori i pumpaju vodu u akumulacijsko jezero.

• Osnovne podatke o izvedenom stroju možemo saznati s natpisne pločice.• Svaki stroj mora imati natpisnu pločicu, osim ako seisporučuje već ugrañen u neki složeniji ureñaj (na primjer mlinac za kavu).• Natpisna pločica sadrži:– osnovne podatke o proizvoñaču,– godinu proizvodnje,– standarde po kojima je stroj izrañen i– nazivne podatke za koje je stroj grañen.

• Nazivni podaci sinkronog stroja su:– nazivna snaga,

– nazivni napon (efektivna vrijednost linijskog napona),– nazivna struja (efektivna vrijednost linijske struje),

– nazivna frekvencija,– nazivna brzina vrtnje,– nazivni faktor snage,

– uzbudna struja i– nazivni uzbudni napon.

Zadatak Zadatak –– primjer:primjer:

Sinkroni stroj koji radi kao motor ima nazivne podatke: P = 40 kW, U = 380 V, Y, cos φ = 0,8 (kap) , f = 50 Hz, IF = 4 A. Stroj najprije radi pod nazivnim opterećenjem s cos φ = 0,8 (ind), a zatim mu se struja uzbude poveća za 25%. Nacrtajte fazorski dijagram za nazivno i za promatrano opterećenje (P = 40 kW) ukoliko je korisnost stroja za odabrano induktivno opterećenje η = 846%, a reaktancija statora XS = 1 Ω. Koliki je faktor snage u drugom slučaju?

RjeRješšenje: enje:

Nazivna snaga motora je snaga koju motor daje na osovini, a ne ulazna snaga. Ipak, za izračun faktora snage je potrebno odrediti ulaznu struju (ujedno faznu i linijsku) na podlozi ulazne snage. Budući da je stroj spojen u zvijezdu fazni napon niži je za od liniskog pa vrijedi:

3

A6,898,02203

103,47

cos3

3803

846,01040

cos3

3

3

F

in =⋅⋅

⋅=⋅

⋅

=⋅

=ϕϕU

PI

P = 40 kW a) cos φ = 0,8 (kap ) b) cos φ = 0,8 (ind),UL = 380 V struja uzbude 25%Y - zvjezda η = 846%

f = 50 Hz XS = 1 ΩIF = 4 A

o86,368,0cosarccosarc ==ϕ

A6,898,02203

103,47

cos3

3803

846,01040

cos3

3

3

F

in =⋅⋅

⋅=⋅

⋅

=⋅

=ϕϕU

PI

pa je fazor fazne (linijske) struje zaostaje za faznim naponom te je odreñen s:

)(86,36/6,89 AI o−=

Radi boljeg uvida u rezultat prikazana je nadomjesna shema:

UU

V78,23/18815,76j78,172

15,76j22,472202,58/6,890/220

8,31/6,8990/10/220As

o

oo

ooo

−=−==−−=−

=−⋅−=−= IjXUE

Ukoliko se struja uzbude poveća na 5 A promijeni se fazni kut fazora struje u odnosu na napon stezaljki U.

Fazori su u prvom slučaju prikazani crnom, a u drugom slučaju crvenom bojom. Budući da se snagapogonskog stroja ne mijenja kut δ moguće jeizračunati iz fazorskog dijagrama kao:

2211 sinsin δδ ⋅=⋅ EE

gdje je uzeto u obzir da željezo stroja nije u zasićenju odnosno da se fazor induciranog napona mijenja proporcionalno struji uzbude.

32,018825,1

)78,23sin(188sinsin

2

112 −=

⋅−⋅=⋅=

o

E

E δδ

o82,18)32,0(sinarc)(sinsinarc 22 −=−== δδ

Struja u drugom slučaju:

( )

A36,2/68,7290/1

36,92/68,72

j

62,72j3

j

62,72j223220

j

82,18/18825,10/220

j S

o

o

o

oo

==

=+−=−−=−⋅−=−=X

EUI

Faktor snage za drugi primjer iznosi cos 2,36˚ = 0,999.

Djelatna snaga je u oba slučaja ista, ipak fazna (linijska) struja jednog namotaja u drugom je slučaju 72,7 A, a u prvom 23% veća (89,6 A).

Upotreba sinkronih strojeva predstavlja način za poboljšanje faktora snage.

Elektromotor programatoraElektromotor programatora

Mali sinkroni elektromotor u mikro izvedbi, čiji je zadatak okretanje grebenasto-rotirajućeg dijela programatora za po jedan impuls, odnosno za kontinurano pokretanje brze grebenaste ploče.

Konstrukcija:

-Metalno kućište

-Električni svitak

-Rotor i

- Blokada rotora

Svitak je izgrañen od vrlo tanke bakrene Svitak je izgrañen od vrlo tanke bakrene žžice promjera 0,07 mmice promjera 0,07 mm2 2 s s omskim otporom oko 10 komskim otporom oko 10 kΩΩ..

Kod veKod veččine programatora elektriine programatora električčni je svitak zaliven izolacijskom ni je svitak zaliven izolacijskom plastiplastiččnom masom s dva izvunom masom s dva izvuččena prikljuena priključčna vodina vodičča.a.

Rotor je pogodno oblikovani permanentni magnetRotor je pogodno oblikovani permanentni magnet

375375375375Broj okretaja u min.Broj okretaja u min.

0,2 Ncm0,2 Ncm0,2 Ncm0,2 NcmSinkroni momentSinkroni moment

1,6 W1,6 W1,6 W1,6 WRadna snagaRadna snaga

2,2 VA2,2 VA2,2 VA2,2 VAPrikljuPriključčna snagana snaga

220 V, 50 Hz220 V, 50 Hz220 V, 50 Hz220 V, 50 HzPrikljuPriključčni naponni napon

““ISKRAISKRA”” SM 04SM 04““ISKRAISKRA”” S11M8S11M8Naziv / izvedbaNaziv / izvedba

REKAPITULACIJAREKAPITULACIJA

p

fn

M SR

⋅=

Θ⋅=60

sinδφ

Pogoni sa sinkronim motorom

Razvijeni momentRazvijeni moment

Brzina vrtnjeBrzina vrtnje

Svojstva: Konstantna brzina neovisna o teretu, pokretanje Svojstva: Konstantna brzina neovisna o teretu, pokretanje posebnim tehnikama: zaletni motor, asinkroni zalet posebnim tehnikama: zaletni motor, asinkroni zalet regulacijom frekvencijeregulacijom frekvencije

Regulacija brzine vrtnje:Regulacija brzine vrtnje:

promijenom frekvencijepromijenom frekvencije

napona napajanjanapona napajanja

U/f =konstU/f =konst