20

Masina sincrona

Embed Size (px)

Citation preview

1. Introducere2. Generalitati privind masina sincrona3. Elemente constructive ale masinii sincrone4. Semne conventionale5. Principiul de functionare a masinii sincrone in regim de generator

electric6. Bilantul puterilor si randamentul masinii sincrone7. Reactia indusului la masina sincrona8. Ecuatia tensiunilor9. Regimurile de functionare10.

Masina sincrona

1. Introducere

Masinile electrice sunt utilizate de om in toate domeniile de activitate. Acestea reprezinta toate sursele de energie electrica si elementele de actionare in vederea efectuarii unui lucru mecanic de catre mecanisme si instalatii. Masinile electrice sunt folosite pentru producerea energiei electrice,in acest caz fiind denumite generatoare electrice,sau pentru transformarea energiei electrice in energie mecanica,caz in care sunt denumite motoare electrice. In procesul de conversie,masina realizeaza modificarea parametrilor energiei electrice (frecventa,tensiune,curent,etc.) prin intermediul energiei mecanice. (fig. 1).

Fig. 1. Conversia energiei cu ajutorul masinilor electrice:Pm – putere mecanica; Pe – putere electrica; Pjf – pierderi electrice (efect Joule) si prin frecari.

2. Generalitati privind masina sincrona Masina sincrona este o masina de curent alternativ a carei turatie este constanta, indiferent de regimul de functionare (stabilizat) si independent de valoarea sarcinii. Turatia este cea de sincronism si este legata de frecventa f a retelei de curent alternativ la care este cuplata masina. Masinile sincrone pot functiona in trei regimuri: ca generatoare si ca motoare. In regimul de generator, masina transforma puterea mecanica care este primita pe la arbore de la un motor auxiliar, in putere electrica, debitata intr-o retea de curent alternativ. In regimul de motor,masina transforma puterea electrica primita de la o retea de curent alternativ, in putere mecanica cedata pe la arbore unei instalatii mecanice.

Un alt regim posibil de functionare al masinii sincrone este acela de compensator al factorului de putere. Regimul de compensator nu este insa un regim de baza distinct, ci un regim de motor functionand in gol.

Fig. 2. Compensarea locala a factorului de putere al retelei cu o baterie de condensatori

Cea mai larga raspandire o are masina sincrona in regim de generator sincron trifazat, folosit in prezent in toate centralele electrice de mare putere. Regimul de functionare a unei masini sincrone se caracterizează prin marimile nominale inscrise pe placuta ei indicatoare:- regimul de functionare (generator, motor, compensator);- puterea: la generatoare – puterea aparenta la borne, in kVA sau MVA, sau puterea activa la borne, in kW sau MW; la motoare – puterea mecanica la arbore, in kW; la compensatoare – puterea reactiva la borne, in kVar sau MVar, in regim supraexcitat;- curentul de linie in A sau kA;- tensiunea de linie in V sau kV;- factorul de putere;- numarul de faze;- conexiunea infasurarilor indusului;- frecventa in Hz;- tensiunea de excitatie la functionarea in gol si in regimul nominal;- curentul de excitaţie nominal şi curentul de excitaţie maxim admisibil, în A sau kA. De remarcat ca, spre deosebire de transformator, la masina sincrona, sarcina admisibila nu este caracterizata numai prin puterea aparenta ci si prin factorul de putere, deoarece acesta determina valoarea puterii de excitatie.

3. Elemente constructive ale masinii sincrone In constructia actuala, masina sincrona realizata pentru a functiona la frecventa industriala se compune din doua parti principale: statorul, format de partea fixa, exterioara si rotorul, asezat concentric in interiorul statorului si care constituie partea mobila. Statorul la masina sincrona de constructie normala reprezinta indusul masinii, adica partea in care se induc tensiuni electromotoare date de campul inductor si este format din miezul feromagnetic care poarta o infasurare de curent alternativ polifazata (de obicei trifazata), asezat in interiorul unei carcase de consolidare si protectie. El mai este alcatuit din carcasa, scuturile cu lagare, sistemul de ventilatie, etc. Miezul statoric al masinii sincrone este construit din tole de otel electrotehnic, izolate intre ele si prezinta la periferia disnpre rotor, crestaturi in care sunt plasate bobinele infasurarilor trifazate de curent alternativ. Carcasa se face uneori din fonta turnata, eventual cu nervuri pentru marirea suprafetei de racire, iar la masinile de puteri mari ea se executa din otel. Rotorul masinii sincrone de constructie normala constituie inductorul masinii,adica partea care creeaza campul magnetic (de excitatie) al masinii si este format din miezul feromagnetic echipat cu o infasurare de excitatie. El poate fi cu poli aparenti folosit la turatii mici (de obicei sub 1500 rot/min) sau cu poli inecati utilizat in special la turatii mari (3000 – 10.000 rot/min). Rotorul cu poli inecati este construit dintr-o roata polara (compusă din butuc, brate, prag) pe care se fixează polii masinii (compusi din miezul polar si piesa polara). La masinile de puteri mici, bratele rotii polare pot lipsi. Forma piesei polare este astfel realizata incat sa se obtina o distributie a campului magnetic in intrefier cat mai apropiata de o sinusoida. In piesele polare se prevad crestaturi (fig. 2) pentru plasarea barelor coliviei de amortizare. Barele sunt scurtcircuitate la ambele capete prin segmente inelare care se aseaza numai in lungul arcului polar sau de jur imprejur. Bobinele polare de excitatie se efectueaza din banda de cupru sau conductor rotund.

Fig. 3. Pol aparent prevazut cu crestaturi pentru barele coliviei de amortizare.

Fig. 4. Masina sincrona cu poli inecati. Fig. 5. Varianta de rotor cu poli inecati.

La periferia rotorului masinilor cu poli inecati, pe un numar par de portiuni ale circumferintei acestuia, sunt prevazute crestaturile in care se aseaza infasurarea de excitatie (fig. 3). Fixarea infasurarilor in crestaturi se face cu ajutorul penelor, iar fixarea partilor frontale cu ajutorul unor bandaje puternice. Dupa pozitia axei de rotatie masinile sincrone pot avea o constructie orizontala sau verticala. Tipul vertical este utilizat indeosebi in cazul alternatoarelor actionate de turbine hidraulice, fiind denumite in acest caz hidrogeneratoare. Alternatoarele bipolare sunt de tip orizontal; pentru actionarea lor se utilizeaza turbine cu aburi si sunt denumite turbogeneratoare.

Fig. 6. Sectiune longitudinala printr-o masina sincrona cu poli iesiti.

Fig. 7. Masina sincrona cu poli iesiti

La masina sincrona, armatura inductoare, în general rotorul, poseda o infasurare (de excitatie) alimentata in curent continuu, iar armatura indusului, in general statorul, este echipata cu infasurarea de curent alternativ. Constructia se face astfel, deoarece: - curentul continuu, de alimentare a infasurarii inductorului este mult mai mic decat curentul care circula prin infasurarea indusului; - masinile sincrone de puteri mari, in special generatoarele sincrone, se construiesc de obicei pentru tensiuni mari (pana la 30 kV), la care izolatia unui bobinaj static prezinta mai multa siguranta de functionare decat izolatia unui bobinaj situat pe o armatura care se roteste. La masinile de puteri mici (sub 50 kVA), sau la masini cu destinatie speciala, se utilizeaza si constructia „inversa” (indusul - rotor si inductorul - stator).

4. Semne conventionale

In fig. 7 se dau o parte din semnele conventionale pentru masinile sincrone. Infasurarile indusului sunt notate cu U, V si W ca la masina asincrona, infasurarea de excitatie cu F.

Fig. 8. Semne conventionale pentru masinile sincrone:a-generator cu poli formatii de magneti permanenti; b-generator trifazat,in stea; c-generator trifazat in stea cu nulul scos; d-motor sincron

5. Principiul de functionare a masinii sincrone in regim de generator electric Se considera ca rotorul sincron al masinii (inductorul) este antrenat de un motor cu viteza unghiulara . Infasurarea de excitatie a celor 2p poli, alimentata in curent continuu, produce un camp magnetic invartitor inductor, care se roteste cu viteza unghiulara in acelasi sens cu rotorul. Corespunzator acestui camp, spirele infasurarilor de faza ale statorului (indus) sunt intretaiate de un flux , variabil în timp. Infasurarile de faza fiind declarate in spatii cu un unghi de 120, tensiunile electromotoare induse in cele trei infasurari statorice de faza sunt:

e01=E02cos(wt-/2) e02=E02cos(wt-/2-2/3) e03=E02cos(wt-/2-4/3)

unde: E0=expresia pentru fluxul 0 de la functionarea în gol. Daca, campul invartitor inductor are o repartitie sinusoidala in spatiu, fluxul va avea o variatie sinusoidala in timp, de pulsatie:

= p

Fig. 9. Forma campului invartitor

Intr-o infasurare de faza se va induce o tensiune electromotoare sinusoidala in timp, de aceeasi pulsatie , iar in cele trei infasurari de faza se va induce un sistem de trei tensiuni electromotoare simetrice, echilibrate. Succesiunea in timp a celor trei tensiuni electromotoare este impusa de sensul de rotatie a campului invartitor inductor.

Daca infasurarea statorului este conectata pe o impedanta trifazata simetrica aceasta,ca si infasurarile va fi parcursa de curentii de faza care formeaza un sistem simetric echilibrat,curentul din faza de referinta avand forma:

i1=I2coswt-(/2+)

Unghiul de decalaj “” dintre tensiunea electromotoare. e01 şi curentul i1 depinde de natura sarcinii si de parametrii infasurarii. In acest caz masina cedeaza o putere electrica sarcinii, putere preluata prin intermediul campului electromagnetic de la motorul primar, functionand deci, in regim de generator.

6. Bilantul puterilor si randamentul masinii sincrone

Schimbul de energie a masinii sincrone cu reteaua la care este conectata depinde, cum s-a aratat, de regimul sau de functionare. Puterea utila poate fi activa la motor, activ-reactiva la generator sau complet reactiva la compensator. Motorul primar, care dezvolta un cuplu activ Ma (al carui sens de rotatie coincide cu cel al rotorului si deci al campului invartitor) cedează masinii sincrone puterea mecanica:

P1 = Ma .

Asupra indusului masinii se exercita cuplul electromagnetic:

M=

E0 I cos (E0 , I ) ,

deoarece viteza unghiulara relativa a indusului (stator) fata de campul magnetic invartitor este . Acest cuplu este pozitiv fiindca, oricare ar fi natura impedantei de sarcina, cos(E0, I)>0. Cuplul electromagnetic tinde sa roteasca indusul in sensul campului invartitor dar, statorul fiind fix, nu se poate roti. Conform principiului actiunii si reactiunii, asupra rotorului se exercita in acest caz un cuplu electromagnetic M, in sens opus sensului de miscare, deci reprezint un cuplu rezistent. Pe de alta parte, asupra rotorului se mai exercita si alte cupluri rezistente: cuplul datorat frecarilor mecanice si de ventilatie Mfv ,si cuplul datorat excitatoarei de curent continuu Mex (daca aceasta este cuplata la axul generatorului sincron). Daca se considera ca sens pozitiv al cuplului electromagnetic sensul campului invartitor, se obtine:

Ma – Mfv – Mex = -M

sau,

Ma = -M + Mfv + Mex

PFe1PCu1

PexPfv

P1

-M = PP2

si inmultind cu viteza unghiular:

Ma = P1 = -P + Pfv + Pex.

Deci, din puterea absorbita pe la ax: P1= Ma, o parte: Pfv = Mfv, reprezinta pierderile mecanice de frecare si ventilatie ale masinii, alta parte: Pex = Mex, reprezinta puterea mecanica preluata de excitatoare (daca aceasta este cuplata la axul generatorului) si alta parte: P = - M, reprezinta puterea electromagnetica ce se transmite de la rotor la stator, la nivelul intrefierului, prin intermediul campului electromagnetic. Puterea electromagnetica este componenta cea mai importanta a puterii absorbite. Din aceasta putere P, o parte acopera pierderile in infasurarile statorului, PCu2 (pierderi prin efect Joule), o alta parte compenseaza pierderile in miezul feromagnetic al statorului, PFe2 (pierderi de histerezis si prin curenti turbionari), iar cea mai mare parte devine putere utila, P2 si este transmisa impedantei de sarcina. Se poate considera ca in miezul feromagnetic al rotorului nu se produc pierderi deoarece acesta este strabatut de un camp magnetic constant in timp. Bilantul puterilor masinii sincrone este prezentat schematic in fig. 10.

Fig. 10. Bilantul puterilor masinii sincrone.

Randamentul generatorului si motorului sincron se exprima prin relaţia:

G=P2/P1=P2/(P2+p)=3UIcos/(3UIcos+Pw+PFe+Pv(+Pex)

M=P2/P1=(P1-p)/P1=(3UIcos-Pw-PFe-Pv(-Pex)/3UIcos

unde U si I sunt marimile de faza. Valoarea randamentului creste cu puterea unitara a generatorului, ajungand la valori maxime de 98-98,5 % pentru puteri de ordinul sutelor de MVA.

7. Reactia indusului la masina sincrona

Reactia indusului are o mare influenta asupra comportarii motorului sincron, nu ca la masina de current continuu unde influenta ei este, practic, neglijabila. Infasurarea trifazata a statorului, parcursa de sistemul trifazat de curenti de forma celor dati de relaţia: i1=I2coswt-(/2+),

produce la randul ei un camp invartitor de reactie care are aceeasi viteza unghiulara si acelasi sens de rotatie ca si campul invartitor inductor, dar decalat in urma, ca si curentul “i1”, fata de fluxul care a indus tensiunea electromotoare:

ba=Bacoswt--(/2+)

Deci, fluxul de reactie prin infasurarea de faza a indusului va fi defazat fata de fluxul inductor cu acelasi unghi, avand expresia: a=acoswt-(/2+)

iar tensiunea electromotoare indusa a acestui flux va fi:

ea=wcoswt-(+)=Ea2cos(wt--)

Cele doua fluxuri inductor 0 si de reactie a se compun si dau un flux rezultat:

=0+a

care induce o tensiune electromotoare: –E=E0+Ea

Avand in vedere relatia:

Ψ=wkwΦcosω2t=Ψcosω2t

a lui Ψ0 si relatia 5 a lui Ψa, se traseaza în figura 9 diagramele de fazori corespunzatoare pentru o sarcina rezistiv-inductiva. Fluxul rezultant este decalat in urma fluxului inductor Ψo cu un unghi θ, numit unghi intern al masinii sincrone si care in realitate reprezinta decalajul polilor campului invartitor rezultant fata de polii campului inductor (polii armaturii rotorice). Diagramele de fazori pentru sarcina rezistiva (β = 0), sarcina pur inductiva (β = π/2) si sarcina pur capacitiva (β = - π/2), reprezentate in figura 6,6 conduc la urmatoarele concluzii:- fata de fluxul inductor Ψo fluxul rezultant Ψ din intrefierul masinii este micsorat în cazul sarcinilor inductive si marit in cazul sarcinilor capacitive;- unghiul intern θ=0 numai cand masina este incarcata cu o sarcina pur reactiva.

Fig. 9. Diagramele de fazori ale fluxurilor şi ale t.e.m. corespunzătoare pentru o sarcină rezistiv-

inductivă.

Fig. 10. Influenţa fluxului de reacţie Ψ asupra fluxulul rezultant, în funcţie de caracterul sarcinii: a —

sarcină rezistivă b — sarcină pur inductivă;

c — sarcină pur capacitivă.

9. Ecuatia tensiunilor

Pentru o urmarire mai simpla a fenomenelor de baza, ecuatiile se vor deduce pentru masina sincrona cu intrefier constant (cu polii plini), chiar daca nu vor fi prinse unele particularitati functionale specifice motorului sincron cu intrefier variabil (cu poli aparenti).

Ecuatia tensiunilor pentru o faza a indusului se determina aplicand regula dipolului generator: U+RI+jx0I=E=E0+Ea

Unde :“R” este rezistenta infasurarii de faza;“x0” este reactanta corespunzatoare fluxului de scapari a infasurarii respective; E este data de relaţia ;

E0+Ea=E

Daca avem in vedere ca a este in faza si proportional cu curentul i1, cum reiese din relatiile:

i1=I2coswt-(/2+) şi a=acoswt-(/2+),

în baza relaţiei: ea=wcoswt-(+)=Ea2cos(wt--)

se poate scrie: Ea=-jxaI

Unde xa este reactanţa corespunzătoare fluxului de reacţie. Cu relaţiile: Ea=-jxaI şi U+RI+jx0I=E=E0+Ea se mai poate scrie: E0=U+RI+jx0I+jxaI=U+RI+jxsI

Unde xs=x0+xa este reactanţa sincronă a motorului.

Bibliografie:

1. Năstase Bichir, Dan Mihoc – “Maşini, aparate, acţionări şi automatizări”2.