1 Masina Sincron

46
Ă MAŞINA SINCRONĂ

description

proiect

Transcript of 1 Masina Sincron

  • MAINA SINCRON

  • Maina sincron este o main electric de curent alternativ cu cmp magnetic nvrtitor la care turaia alternativ cu cmp magnetic nvrtitor, la care turaia rotorului este egal cu turaia cmpului magnetic nvrtitor, indiferent de valoarea sarcinii, cele dou turaii fiind sincrone

    Maina sincron poate funciona n regim de generatorsau n regim de motor nefiindu i caracteristic regimul de sau n regim de motor, nefiindu-i caracteristic regimul de frn.

    De asemenea, maina sincron se folosete pe scar De asemenea, maina sincron se folosete pe scar larg i n regim de compensator sincron (motor sincron supraexcitat, funcionnd n gol), caz n care compenseaz energia reactiv a reelei de alimentare.

    Pentru maina sincron, inductorul (partea care creeaz cmpul magnetic) este rotorul iar indusul creeaz cmpul magnetic) este rotorul, iar indusul (partea n care se induc t.e.m.) este statorul. Acest tip constructiv de main sincron este cel mai folosit i se constructiv de main sincron este cel mai folosit i se numete main sincron de construcie normal sau direct.

  • ELEMENTE CONSTRUCTIVE, DOMENII DE UTILIZARE, DATE NOMINALE, SIMBOLIZARENOMINALE, SIMBOLIZARE

  • ELEMENTE CONSTRUCTIVEELEMENTE CONSTRUCTIVE

  • Statorul este partea fix a mainii, fiind constituit, ca i l i i di l i l ti la maina asincron, din aceleai elemente:

    miezul feromagnetic statoric i nfurarea statoric. n plus statorul mai include i carcasa mainiin plus, statorul mai include i carcasa mainii mpreun cu elementele ei caracteristice (tlpi de fixare, scuturi laterale etc).fixare, scuturi laterale etc).

    Miezul feromagnetic statoric se execut din tole sau segmente de tole, stanate.segmente de tole, stanate.

    Rotorul mainii sincrone de construcie normal se deosebete fundamental de rotorul mainii asincronedeosebete fundamental de rotorul mainii asincrone i este constituit, n principal, din miezul rotoric i din nfurarea rotoric. Dup construcia miezului p rotorului, se deosebesc:

    maini sincrone cu poli necai p i maini sincrone cu poli apareni.

  • nfurarea statoric se construiete uzual n varianta trifazat i este uniform repartizat n varianta trifazat i este uniform repartizat n crestturile statorice. Materialul conductor din care se execut nfurarea este cuprul.

    La generatoarele sincrone trifazate, nfurarea statoric se conecteaz n stea, pentru a se evita nchiderea armonicilor curentului de ordinul 3 sau multiplu de 3, precum i apariia unor

    i i d l i di b t i ii darmonici de acelai ordin n curba tensiunii de faz.

  • Mainile cu poli necai se construiesc uzual ca maini bipolare i au viteza rotoric periferic maremaini bipolare i au viteza rotoric periferic mare Acest tip de main rezist bine la aciunea forelor centrifuge care solicit rotorul din punct de vederecentrifuge care solicit rotorul din punct de vedere mecanic i se numete main de tip turboalternator, care se realizeaz de obicei, la , ,mare putere, cu axul orizontal, fiind antrenat de o turbin cu abur.

    Pentru a avea fore centrifuge ct mai reduse, turboalternatoarele au lungimea rotorului mare i di l i Mi l i l i ii lidiametrul mic. Miezul rotoric al mainii cu poli necai este construit din oel masiv i se realizeaz uzual prin turnare n miezul rotoric sunt frezateuzual prin turnare. n miezul rotoric, sunt frezate crestturi radiale, repartizate uniform pe aproape 2/3 din periferia rotorului; lrgimea ntrefierului dintre2/3 din periferia rotorului; lrgimea ntrefierului dintre stator i rotor poate fi considerat constant.

  • Mainile cu poli apareni se construiesc ca maini multipolare i au viteza rotoric perifericmaini multipolare i au viteza rotoric periferic mai mic .

    Din acest punct de vedere, maina se Din acest punct de vedere, maina se construiete cu rotorul de diametru mare i lungime mic, forele centrifuge care solicit g grotorul din punct de vedere mecanic fiind mai mici. Acest tip de main se numete main de ti hid lt t li d bi itip hidroalternator, care se realizeaz de obicei, la mare putere, cu axul vertical, fiind antrenat de o turbin cu apde o turbin cu ap.

    La maina cu poli apareni, ntrefierul dintre stator i rotor nu este constant; n dreptul polilorstator i rotor nu este constant; n dreptul polilor inductori, ntrefierul este mic, iar n spaiul dintre poli intrefierul este mare Maina sincron cupoli intrefierul este mare. Maina sincron cu poli apareni este anizotrop din punct de vedere magnetic.

  • Seciune transversal printr-o main sincron:Seciune transversal printr-o main sincron:a) - cu poli necai bipolar; b)cu poli apareni tetrapolar;1 t t t i 2 t l l t i 3 t 1 - armtur statoric; 2 - talp polar rotoric; 3 - armtur feromagnetic rotoric; 4 - nfurare rotoric (de excitaie); 5 - linie a cmpului magnetic de excitaie; 6 ax rotoric.

  • nfurarea de excitaie (rotoric) a mainii nfurarea de excitaie (rotoric) a mainii sincrone cu poli necai se realizeaz din b bi ti t tt il t l i ibobine repartizate n crestturile rotorului, iar a mainii cu poli apareni se realizeaz din bobine concentrate aezate pe polii inductori i nseriate.

    nfurarea de excitaie este parcurs de curentul continuu de excitaie Ie carecurentul continuu de excitaie Ie, care creeaz, la rndul lui, cmpul magnetic de excitaie de inducie B0 cmp fix fa deexcitaie de inducie B0 , cmp fix fa de rotor i nvrtitor fa de stator.

  • La mainile sincrone de putere mijlocie i mare, n piesele polare de pe partea dinspre ntrefier, sunt prevzute crestturi n care se , pplaseaz un sistem de bare scurtcircuitate la capete, ce pot fi privite ca elemente ale uneicapete, ce pot fi privite ca elemente ale unei colivii rotorice, asemntoare unei colivii de main asincron colivie care are rolmain asincron, colivie care are rol important la pornirea n asincron a motoarelor sincrone sau la amortizarea pendulaiilorsincrone sau la amortizarea pendulaiilor rotorului, fiind denumit, din aceast cauz, colivie de pornire i amortizarecolivie de pornire i amortizare

  • Legtura dintre nfurarea rotoric i exterior se realizeaz prin intermediul pcontactelor alunectoare perie - colector.

    Capetele nfurrii rotorice sunt legate la Capetele nfurrii rotorice sunt legate la dou inele colectoare, fixate la unul din e tremitile a l i Periile care calc pe ineleextremitile axului. Periile care calc pe inele asigur legtura ntre sursa exterioar de

    t ti i f d it icurent continuu i nfurarea de excitaie.

  • M i il i t f i i d Mainile sincrone pot funciona n regim de generator cnd primesc energie mecanic la arbore i o transform, prin intermediul cmpului magnetic de excitaie, n energie electric, cedat reelei pe la borne, sau pot funciona n regim de motor, cnd primesc g , penergie electric de la reeaua de c.a. i o transform n energie mecanic, cedat la axtransform n energie mecanic, cedat la ax mecanismului antrenat

  • Generatoarele sincrone, numite i alternatoare, i di fii d tili t tiau cea mai mare rspndire, fiind utilizate practic,

    n exclusivitate pentru producerea energiei electrice de c ade c.a.

    Acestea echipeaz n prezent centralele electrice racordate la sistemele energetice sau centraleleracordate la sistemele energetice sau centralele electrice cu reele proprii. Generatoarele sincrone antrenate de turbine hidraulice (hidrogeneratoare)antrenate de turbine hidraulice (hidrogeneratoare) se realizeaz, n funcie de potenialul hidroenergetic al apelor curgtoare, cu puteri de la g p g , pcteva sute de kVA la cteva sute de MVA i tensiuni ntre 400 V i 25 kV. Generatoarele sincrone antrenate de turbine cu abur (turbogeneratoare) se utilizeaz pn la puterea de 1200 MVA i pn la tensiunea de 30 kV1200 MVA i pn la tensiunea de 30 kV.

  • Generatoarele sincrone antrenate de Generatoarele sincrone antrenate de motoare Diesel formeaz grupurile electrogene care se construiesc pentru puterielectrogene care se construiesc pentru puteri de la cteva sute de wai la puteri de ordinul megawailor. Ele se utilizeaz ca surse de g energie acolo unde nu sunt reele electrice

    (ex pe navele maritime) sau ca grupuri de(ex. pe navele maritime) sau ca grupuri de intervenie n cazul ntreruperii alimentrii cu energie electric a unor obiective deenergie electric a unor obiective de importan mare (spitale, teatre, nocturna stadioanelor, instituii publice sau oficiale , petc).

  • Motoarele Sincrone sunt competitive n raport cu motoarele asincrone

    numai la puteri de peste 100 kW i turaii sub 1000 rot/min, cnd funcioneaz la factor de putere dorit sau cnd sunt utilizate pentru compensarea local a f t l i d t t li t tfactorului de putere. n prezent, s-au realizat motoare sincrone cu puteri de pn la 20 MVA i tensiuni de alimentare de pn la 10 kV Ele prezint dezavantajulalimentare de pn la 10 kV. Ele prezint dezavantajulc necesit o surs de c.c. pentru excitaie, iar pornirea este mai dificilpornirea este mai dificil.

    Nu sunt recomandate n scheme de acionare cu variaii brute de sarcin Sunt folosite la antrenareavariaii brute de sarcin. Sunt folosite la antrenarea pompelor, a ventilatoarelor, a turbosuflantelor, a concasoarelor, a elicelor de propulsie ale navelor,n , p p ,general a mecanismelor la care cuplul crete odat cu turaia.

  • Compensatoarele sincrone sunt maini sincrone construite special pentru a produce numai putere p p p preactiv, n scopul mbuntirii factorului de putere al reelelor, avnd acelai rol cu bateriile de condensatoarecondensatoare.

    Ele sunt motoare sincrone cu poli apareni, puternic supraexcitate care funcioneaz n gol Spresupraexcitate, care funcioneaz n gol. Spre deosebire de motoarele sincrone obinuite, compensatoarele sincrone au axul mai subire i f d it i i l i nfurarea de excitaie mai voluminoas.

    Compensatoarele sincrone prezint avantaje fa de bateriile de condensatoare prin faptul c permitde bateriile de condensatoare prin faptul c permit un reglaj continuu al puterii reactive, precum i al tensiunii reelei locale, tensiune care variaz cu ,sarcina i cu caracterul ei.

    Compensatoarele sincrone se realizeaz pentru t i i d l 25 kV i t i d ltensiuni de pn la 25 kV i puteri de pn la

    200 MVAr.

  • DATELE NOMINALE ALE MAINII SINCRONE

    Datele nominale ale mainii sincrone, trecute pe plcua indicatoare, difer n funcie de regimul de funcionare (generator, motor, compensator) i de putere. Acestea se p ) pdefinesc pentru regimul nominal permanent de funcionarede funcionare

  • Puterea nominal a mainii sincrone este puterea electric la bornele indusului n kVA sau MVA pentruelectric la bornele indusului, n kVA sau MVA, pentru generatoare; puterea mecanic util la arbore, n kW sau MW pentru motoare; puterea reactiv la borne nsau MW, pentru motoare; puterea reactiv la borne n kVAr sau MVAr, pentru compensatoare. Puterea nominal este valoarea maxim a puterii debitat de pmain un timp ndelungat, fr ca nclzirea diferitelor pri ale mainii s depeasc valoarea

    l i i i iicorespunztoare clasei termice a mainii. Tensiunea nominal a mainii, n V sau kV, este

    l d li i l f i i ii fvaloarea de linie la care funcionarea mainii se face n condiii normale de saturaie i pierderi n fier i n conformitate cu gradul de izolaie al mainiiconformitate cu gradul de izolaie al mainii.

    Curentul nominal n A sau kA, este valoarea de linie n regim de lung durat cnd maina este alimentatn regim de lung durat, cnd maina este alimentat la tensiunea nominal i debiteaz puterea nominal.

  • Factorul de putere nominal, cosNDe regul cos = 0 9 pentru generatorulDe regul, cos = 0,9 pentru generatorul sincron i pentru motorul sincron la sarcina nominalnominal.

    Compensatoarele sincrone au factorul de putere aproape nul deoarece acestea nuputere aproape nul, deoarece acestea nu schimb dect o cantitate foarte mic de putere activ cu reeaua, doar pentru p , pacoperirea pierderilor electrice, mecanice i magnetice.

  • Turaia nominal este turaia de sincronism a Turaia nominal este turaia de sincronism a mainii; n cazul reelelor electrice de 50 Hz, este una dintre valorile: 3000, 1500, 1000,este una dintre valorile: 3000, 1500, 1000, 750, 600, ... rot/min. Turaia mainii sincrone este aceeai, la orice sarcin, dac frecvena rmne aceeai.

    Curentul de excitaie nominal este curentul continuu necesar pentru asigurarea regimului nominal de sarcin la bornele statorice (f t i t t t i i f t d(frecven, tensiune, curent statoric i factor de putere).

  • C i f ii t t i t t d Conexiunea nfurrii statorice este stea dac maina funcioneaz n regim de generator sau

    t i d t icompensator. n regim de motor, conexiunea poate fi i triunghi.

    Pe plcua indicatoare, se mai indic i alte date cum ar fi: frecvena reelei, numrul de faze, fabrica constructoare, masa total, anul fabricaiei, seria mainii.

  • SIMBOLIZAREA MAINII SINCRONE

  • Maina sincron.Sisteme de excitaie

  • Maina sincron.Si t m d it iSisteme de excitaie

  • PRINCIPIUL DE FUNCIONAREPRINCIPIUL DE FUNCIONARE AL MAINII SINCRONE

    GENERATORUL SINCRON

  • n regim de generator, maina sincron t f i i i it l btransform energia mecanic primit la arbore (de la motorul primar care poate fi o turbin cu aburi un motor Diesel) n energie electricaburi,un motor Diesel) n energie electric debitat la bornele statorului;

    Conversia energiei se face prin intermediul Conversia energiei se face prin intermediul cmpului magnetic de excitaie.

  • Presupunem c maina sincron este de construcie normal, iar nfurarea de excitaie rotoric este alimentat, prin intermediul periilor, de la sursa de curent continuu (excitatoare de c.c, redresor comandat etc.) cu curentul de excitaie Ie.

    Rotorul este antrenat de motorul primar cu o vitez unghiular constant , ntr-un sens dat.unghiular constant , ntr un sens dat.

    Fie c rotorul are poli apareni, fie c are poli necai nfurarea de excitaie parcurs denecai, nfurarea de excitaie parcurs de curentul Ie produce un cmp magnetic nvrtitor de natur mecanic numit cmp magnetic dede natur mecanic, numit cmp magnetic de excitaie (inductor) de expresie:

  • ( ) ( )sms ptBtb = cos, 00= p

    Acest cmp magnetic produce, n nfurrile statoricep g p , fixe, fluxuri magnetice variabile n timp, sinusoidale, depulsaie :p

    t tm cos00 =

  • Fluxul magnetic 0 induce n faza de Fluxul magnetic 0 induce n faza de referin o t.e.m. de aceeai pulsaie , defazat cu /2 n urma fluxului avnddefazat cu /2 n urma fluxului, avnd expresia:

    ( )

    = cos200 tEte ( ) 2cos200 tEte

  • Dac fazele statorului sunt conectate pe o pimpedan de sarcin sau la o reea de putere, atunci prin nfurrile statorice U, V, W seatunci prin nfurrile statorice U, V, W sestabilesc 3 cureni trifazai simetrici :

    ( ) ;2

    cos2

    = tItiU

    ( ) ;2cos2

    =

    tItiV ( )( ) 4

    ;32

    cos

    ttiV

    ( ) .3

    42

    cos2

    = tItiW

  • Sistemul trifazat de cureni va da natere unui cmp magnetic nvrtitor de natur electric, numit cmp magnetic de reacie a , p g indusului, care are aceeai vitez unghiular cu a cmpului magnetic nvrtitor de cu a cmpului magnetic nvrtitor de excitaie.

    Cmpul magnetic de reacie are expresia: Cmpul magnetic de reacie are expresia:

    ( )

    = 2

    cos, samsa ptBtab 2

  • C l d i ti tit d Cele dou cmpuri magnetice nvrtitoare, de excitaie i de reacie, se compun i dau un cmp magnetic rezultant:

    b(as,t) = b0(as,t) + ba(as,t)( ) ( ) ( )

  • Cele dou cmpuri magnetice nvrtitoare nu auCele dou cmpuri magnetice nvrtitoare nu auaceeai vitez unghiular ;n regim de generator sincron vectorul cmpn regim de generator sincron, vectorul cmpmagnetic de excitaie, situat n axa rotoric, se afl i t l i ti lt t hi l naintea cmpului magnetic rezultant cu unghiul .Acest unghi se numete unghiul intern al mainii.D di i l i ti d it iDeoarece direcia cmpului magnetic de excitaiecoincide cu axa polului rotoric, se poate considera hi l i t l i ii i t hi lc unghiul intern al mainii sincrone este unghiul

    dintre axa polului rotoric i direcia cmpuluiti lt t di i magnetic rezultant din main.

    Unghiul intern se mai numete unghi de sarcin.

  • a) Cmpurile magnetice nvrtitoare din generatorula) Cmpurile magnetice nvrtitoare din generatorul sincronb)Cmpurile magnetice nvrtitoare din motorul sincronb)Cmpurile magnetice nvrtitoare din motorul sincron

  • Axa polului rotoric se mai numete ax longitudinal a mainii, notat cu (d).

    n cvadratur electric cu axa longitudinal n cvadratur electric cu axa longitudinal, se gsete axa interpolar sau axa trans ersal a mainii notat c (q)transversal a mainii, notat cu (q).

  • ncrcarea generatorului cu putere activ duce la g pmrirea unghiului intern .

    Ieirea din sincronism a generatorului se produce g patunci cnd unghiul intern ia valoarea critic egal cu 90 (la maina cu poli necai) i se manifest prin ambalarea rotorului peste turaia nominal. Aceasta ambalare se produce deoarece toat puterea mecanic a generatorului primit de laputerea mecanic a generatorului, primit de la motorul de antrenare, se transform n putere de accelerare a rotorului nemaifiind posibilaccelerare a rotorului, nemaifiind posibil conversia electromecanic a energiei.

    n aceast situaie este necesar reducerea n aceast situaie este necesar reducerea rapid a puterii mecanice la axul mainii;

  • Bilanul de puteri active p

    Bilanul de puteri active al generatorului sincron se poate face pornind de la puterea P1 = Ma*, absorbit de generator de la motorul primar.

    Din aceast putere, o fraciune Pm se pierde sub form de pierderi mecanice de frecare i ventilaie i o p alt parte Pe se pierde n circuitul de excitaie al generatorului. g

    Cea mai mare parte din puterea P1 trece din rotor n stator prin ntrefier (prin cmp electromagnetic).stator prin ntrefier (prin cmp electromagnetic). Aceasta se numete putere electromagnetic P a mainii n regim de generator.mainii n regim de generator.

  • din puterea activ P, ajuns n stator, o parte PJ2 se pierde sub form de pierderi Joule n nfurareapierde sub form de pierderi Joule n nfurarea statoric, o alt fraciune PFe se pierde n fierul statoric i cea mai mare parte P2 = 3UIcos sestatoric i cea mai mare parte P2 3UIcos se transmite sarcinii generatorului.

    In armtura feromagnetic a rotorului nu se produc In armtura feromagnetic a rotorului, nu se produc pierderi n fier, deoarece fluxul magnetic rotoric este constant.

    Relaia de bilan a puterilor active pentru generatorul sincron :

    P = PJ2+PFe+P2 P1=Pm+Pe+PJ2+PFe+P2

  • MOTORUL SINCRON Regimul de motor sincron se poate obine, de

    exemplu pornind de la regimul de generatorexemplu, pornind de la regimul de generator sincron conectat la o reea de putere infinit, cruia i se decupleaz motorul primar decruia i se decupleaz motorul primar de antrenare. t it i t l i ii n aceast situaie, rotorul mainii rmne n continuare sincron cu cmpul magnetic nvrtitor

    lt t d t d t d lrezultant, dar trece, odat cu decuplarea motorului primar, n urma acestui cmp, unghiul i t hi b d i l)intern schimbndu-i semnul).

    .

  • MOTORUL SINCRON Inversarea semnului unghiului intern duce

    la schimbarea semnului puterii activela schimbarea semnului puterii active schimbate de main cu reeaua.

    Ieirea motorului din sincronism, la ncrcarea n sarcin a acestuia estencrcarea n sarcin a acestuia, este echivalent cu rmnerea n urm a rotorului fa de cmp cu un unghi internrotorului fa de cmp cu un unghi intern mai mare dect cel critic, care duce n final l i t l ila oprirea rotorului

  • n ambele regimuri energetice, de generator sau g g gmotor, rotorul este sincron cu cmpul magnetic nvrtitor rezultant, nainte aflndu-se elementul care constituie cauza producerii conversiei electromecanice a energiei: rotorul, antrenat de gmotorul primar, la generatorul sincron, respectiv cmpul magnetic nvrtitor rezultant, creat de greeaua de alimentare, la motorul sincron. Maina sincron nu poate funciona n regim de frn sincron.

    Bilanul de puteri active al motorului sincron seBilanul de puteri active al motorului sincron se deduce asemntor cu bilanul de puteri al generatorului sincron.generatorului sincron.