MAINA SINCRON

GENERATOARE SINCRONE NAVALE1. Introducere

Maina sincron este o main electric de curent alternativ n general trifazat, la care viteza de rotaie a rotorului n regim permanent stabilizat de funcionare, este identic cu viteza de rotaie a cmpului magnetic nvrtitor din ntrefier. Prin urmare viteza a rotorului este constant, fiind chiar viteza de sincronism a cmpului magnetic nvrtitor , adic:

(4.1)

depinznd numai de frecvena f a reelei i de numrul de perechi de poli p ai cmpului, deci de nfurare.

Pentru frecvena de 50 Hz rezult acelai ir de viteze de sincronism ca n cazul mainii asincrone . Folosind noiunea de alunecare din teoria mainii asincrone, putem spune c n cazul mainii sincrone alunecarea s este egal mereu cu 0 (zero), rotorul i cmpul rotindu-se n ntrefier cu aceeai vitez.

O deosebire important ntre cele dou tipuri de maini de curent alternativ, const n aceea c la maina sincron cmpul magnetic nvrtitor inductor, este produs pe cale mecanic , astfel c nfurarea inductoare, numit i nfurare de excitaie, este parcurs de curent continuu. Maina sincron este deci o main mai complex, avnd nfurri parcurse de curent continuu (excitaia) i nfurri parcurse de cureni alternativi sinusoidali (nfurarea polifazat a indusului).

Mainile sincrone se mpart n dou clase mari:

maini cu poli apareni (ieii) pe rotor - construcie adoptat la viteze mici i mijlocii (pn la 1000 rot/min)

maini cu poli necai pe rptor - construcie specific vitezelor ridicate (1500 rot/min i 3000 rot/min)

O alt clasificare important este dup tipul de motor primar folosit la antrenarea de turbine hidraulice la viteze specifice acestora (cel mult cteva sute de rot/min) se numesc hidrogeneratoare i sunt de tipul celor cu poli apareni. Mainile antrenatede turbine cu abur la viteze specifice acestora (mii de rot/min) se numesc turbogeneratoare i sunt de tipul cu poli necai. Exist de asemenea aa numitele Diesel-generatoare antrenate de ctre motoare cu ardere intern de tip Diesel, la viteze comparabile cu hidrogeneratoarele.

Hidrogeneratoarele sunt maini cu axul vertical, excepie fcnd cele cuplate cu turbine Pelton sau construciile speciale cum ar fi generatoarele bulb. Turbogeneratoarele sunt totdeauna maini cu axul orizontal, la fel ca i dieselgeneratoarele. Unele tipuri de motoare sincrone se execut de asemenea cu axul vertical , majoritatea avnd ns axul orizontal.

La fel ca alte maini electrice, mainile sincrone pot s funcioneze n diverse regimuri, generator, motor, frn, fr deosebiri constructive eseniale.Regimul de generator sincron (alternator) este regimul de baz n funcionarea mainii sincrone,la fel cum regimul motor este cel de baz pentru maina asincron.Maina sincrona n regim generator reprezint baza economic a producerii energiei electromagnetice n toate centralele electrice actuale.mpreuna cu motorul primar cuplat pe acela ax, formeaz agregatul de baz (blocul energetic) al oricfrei centrale electrice, fiind cea mai important component a centralei.Dei snt n studiu i alte procedee de conversie electromecanic (ex.generatoarele MHO), se apreciaz c n urmtoarele dou decenii baza economic a producerii energiei electrice va rmne cea clasic, adic folosirea mainilor sincrone mari n regim generator.n acest regim de funcionare mainile sincrone ating cele mai mari puteri nominale (500....1500 MW) i cele mai mari dimensiuni (diametre da 15m i lungimi de acelai ordin, dar nu la una i aceeai main), fiind cele mai mari maini construite de om.Consideraii economice pledeaz pentru creterea nencetat a puterii nominale a mainilor sincrone generatoare (scad investiiile specifice n lei/kw, crete randamentul).Cele mai mari maini sincrone actuale au atins puteri de 1200 MW ca turbogene-ratoare i 700 MW ca hidrogeneratoare.Regimul de motor sincron se folosete deasemenea, mai cu seam n ultimii zeci de ani, n special datorit avantajelor fa de motoarele asincrone (randament mai ridicat, factor de putere mergnd pn la unitate, cuplu variind mai puin cu tensiunea, ntrefier mai mare, posibilitatea de reglare mai comod). Lucrul aceasta a fost cu putina numai dup ce tehnica a putut rezolva cu succes doua deficiene grave ale motorului sincron: absena cuplului de pornire i posibilitatea de pendulare cu pericolul desprinderii din sincronism (pierderea stabilitii).n acest regim de funcionare maina sincron se folosete n toate acionrile ce necesita o vitez constant ), nlocuind din ce n ce mai mult motoarele asincrone.Un regim particular de funcionare ca motor sincron este aa numitul regim de compensator sincron, regim n care axul mainii se nvrte n gol,maina aprnd fa de reea fie ca o inductan reglabil, fie ca o capacitate reglabil, n funcie de valorile curentului de excitaie. n acest regim special de funcionare, maina sincron servete la nbuntirea factorului de putere a consumatorilor de puteri mai mari, fiind n concuren cu bateriile de condensatoare reglabile.Regimul de frn este mai rar folosit la maini sincrone.Ca urmare a celor spuse, vom studia de preferin regimul generator al mainii sincrone atunci cnd va fi vorba de chestiuni de teorie general a funcionrii acestui tip de maini electric.Datele nominale ale unui generator sincron nscrise pe placa indicatoare fixat pe carcasa acestuia,sunt: puterea nominal aparent n kVA,sau MVA,care este putereaaparent maxim debitat pe la borne timp nedefinit, fr ca nclzirile diferitelor pri ale mainii s depeasc valorile maxime periculoase pentru izolaia mainii: se presupune c tensiunile sunt cele nominale, iar serviciul este cel continuu puterea nominal activ n kw,sau MW,definit asemntor factorul de putere nominal cos

numrul de faze i modul lor de conexiune tensiunea nominal n V sau kv, care este tensiunea de linie(deci ntre faze) la care funcionarea mainii te face n condiii normale de saturaie i pierderi n fier i n conformitate cu gradul de izolaie stabilit-frecvena n Hz; - viteza de rotaie nominal n rot/min;

- randamentul nominal n %; curentul nominal al indusulul in A sau kA, care este curentul de linie maxim debitat n regim de lung durat i la puterea nominal; curentul de excitaie n A, sau kA, care este cel necesar pentru asipurarea regimului nominal de sarcin pe partea bornelor indusului (frecven, tensiune, curent statoric i factor de putere); tensiunea de excitaie n V, corespunztoare curentului de excitaie precedent, la temperatura de lucru a mainii.Alte date tehnice ale mainii sunt date n paaportul sau cartea tehnic a acesteia.

4.2. PRINCIPIUL DE FUNCIONARE SI ELEMENTE DE CONSTRUCIE.Pentru a nelege modul concret n care se produce cuplul sincron i pentru a marca mai bine diferena de principiu dintre maina sincron i cea asincron, vom considera un caz simplu , reprezentat pe fig.l. La fel ca acolo vom presupune cmpul magnetic nvrtitor produs prin rotaia continu i constant a unui magnet permanent, care produce ntre poli un cmp socotit uniform, n care se poate roti o spir dreptunghiular deschis (deci nu n scurtcircuit ca n cazul de la maina asincron) cu capetele legate la dou inele de contact care se rotesc odat cu spira i pe care calc dou perii fixe p1 i p2 pentru asigurarea

Fig.4.1.

alimentrii cu curent electric din exterior .Sistemul din fig.l poate funciona ca motor sincron numai dac spira este alimentat n curent continuu cu polaritatea din figur i numai dac viteza ei este identic cu cea a cmpului, fiind de acelai sens:

n fig. 4.2 este artat o seciune transversal prin dispozitivul din fig.4.l,vzut din spre dreapta.Curentul continuu i care senchide prih spir n sensul indicat pe desen interacioneaz cu cmpul magnetic n lungul laturilor paralele cu axul de rotaie, rezultatul interaciunii fiind forele egale l opuse, de mrime:

f =Boil (4.2)Asupra spirei n micare cu viteza n acelai sens cu cea a cmpului nvrtitorse va exercita cuplul instantaneu :

(4.3)

Fig.4.2.

(1 este lungimea axial a spirei, D este limea ei; se mai presupune c la t=0 normala n la planul spirei cu sensul corelat cu cel al curentului dup regula burghiului drept este orientat n lungul liniilor de cmp).Dac unghiul crete (sau scade) nedefinit n timp l cuplul m va fi o funcie sinusoidal periodic de timp cu valoarea medie nul, aa cum se arat n fig.4.3 alturat.

Dac avem ns sincronism unghiul va fi constant i motorul va dezvolta un cuplu continuu, uniform egal cu cel rezistent al mecanismului acionat. La mers n gol (ax liber) cuplul rezistent este foarte mic (frecri) i rezult .Cuplul maxim pe care poate s-1 dezvolte n sarcin motorul corespunde situaiei cnd

. Dependena cuplului funcie de unghiul Fig.4.3.

(vom vedea c acest unghi denumit "intern" joac n teoria mainii sincrone un rol asemntor alunecrii n teoria mainii asincrone) este reprezentat pe fig.4.4.Se observ c pe msura creterii sarcinii motorului (adic creterea cuplului la ax) crete i unghiul "intern" motiv pentru care el mai este denumit i unghi de sarcin. Se va vedea mai trziu, c din cele dou ramuri ale curbei numai cea din stnga (ntre 0 i 90) permite o funcionare stabil. Fig. 4.4.

S mai observm , c dispozitivul prezentat nu este propriu zis un convertor electromecanic, ci mai degrab un fel de cupl mecanic prin intermediul cmpului magnetic (micarea de la axul magnetului se transmite cu aceeai vitez la axul spirei).Pentru a obine conversie electromecanic este suficient s producem de exemplu cmpul nvrtitor pe cale electric, cu trei nfurri imobile la cte 120 parcurse de trei cureni sinusoidali trifazai , obinnd astfel un model simplificat de motor sincron trifazat.Comparnd cazul studiat aici cu cel de la maina asincron, observm urmtoarele:1- motorul sincron funcioneaz la o vitez legat rigid de frecvena reelei , vitez identic cu cea a cmpului magnetic nvrtitor (viteza de sincronism) i independent de sarcin (deci alunecare nul) ; motorul asincron funcioneaz la o vitez diferit de cea a cmpului (excepie mersul ideal n gol) i care scade (relativ puin) pe msura creterii sarcinii (deci cu alunecare nenul care crete cu creterea sarcinii.. 2- cuplul dezvoltat de motorul sincron depinde de unghiul intern (de sarcin) i variaz proporional cu cmpul inductor Bo la curent i sarcin date: cuplul dezvoltat de motorul asincron depinde de alunecare i variaz proporional cu ptratul cmpului inductor .Pe baza aceluiai exemplu putem explica i regimul generator al mainii sincrone, dac presupunem magnetul fix i spira rotit din axterior (de ctre alt motor numit de obicei motorul primar) cu vitez constant . n acest caz fluxul magnetic prin planul spirei va avea o variaie sinusoidal n timp:

(4.4)

undo este unghiul dintre normala la planul spirei i inducia magnetic a cmpulul fix al magnetului Bo la t=0 acest unghi fiind nul.

Rezult tensiunea electromotoare:

(4.5)defazat la 90 n urma fluxului, deci avem pe aceast cale explicaia funcionrii generatorului sincron monofazat.la mers n gol.

Aceleai rezultate se obin dac meninem spira fix i rotim magnetul cu aceeai vitez n sens invers (principiul relativitii fenomenelor de inducie electromagnetic).

n cele ce urmeaz prezentm aspectele constructive eseniale ale principalelor tipuri de maini sincrone, fr a intra prea mult n detaliile ce reprezint obiectul de studiu al lucrrilor de specialitate.

Mainile sincrone de puteri nominale mari se execut totdeauna cu rotorul n calitate de inductor i cu statorul n calitate de indus.In acest mod nfurarea de excitaie parcurs de curentul continuu se rotete odat cu rotorul, fiind alimentat din exterior prin sistemul de contacte alunectoare perii-inele,iar cele trei faze ale indusului (la maini trifazate) se dispun pe stator, fiind deci n repaus.Motivele snt urmtoarele:

a. dac s-ar dispune pe rotor cele trei faze ale indusului ar fi nevoie de cel puin trei contacte alunectoare ; din cauza tensiunilor ridicate.problemele de izolaie a inelelor devin delicate iar dimensiunile acestora ct i cele ale periilor fiind mari din cauza curenilor inteni, vor produce o uzura considerabil cu o siguran mic n funcionare;

b. izolaia unei nfurri n micare rapid i la tensiune ridicat este mult mai greu de realizat, cci forele centrifuge i vibraiile din cauza micrii solicit permanent izolaia, uznd-o premature;

c. armtura inductoare fiind parcurs de fluxuri magnetice constante, poate fi fcut masiv (nu trrebuie realizat din tole subiri) i deci cu o rezisten mecanic mai mare dect a indusului;

d. rcirea unei nfurri fixe se realizeaz mai uor

e. la maini mari aezarea celor trei faze pe stator permite realizarea tehnologic a acestuia din mai multe segmente independente gata bobinate ; statorul fiind la exterior (adic mprejurul rotorului) spaiul disponibil pentru cele trei faze este mai mare ; dac s-ar dispune pe rotor ar rezulta diametre mai mari i deci un gabarit mai mare al mainii la aceeai putere

La puteri mici se ntlnesc ns i execuii inversate, cu rotorul indus i statorul inductor.

Tipurile constructive principale de maini sincrone n execuie normal se deosebesc n principal prin forma de construcie a rotorului inductor, statorul indus nedeosebindu-ss principial de cel studiat la maina asincron.Construcia rotorului este impus de viteza sa de rotaie, la rndul ei dependent de tipul motorului primar folosit, sau de tipul mecanismului acionat.

Construcia turbogeneratoarelorTurbogeneratoarele sunt generatoare sincrone antrenate n micare de turbine cu abur la viteze ridicate impuse de specificul acestora din urm, fiind maini cu axul orizontal i avnd rotorul cu poli necai. Necesitatea de a funciona la viteze ct mai ridicate, dar totodat de a asigura o frecven de 50 Hz, a condus la micorarea numrului de poli ai mainii, conform formulei bine cunoscute dat de (1) . Se ntlnesc astfel maini bipolare (2p=2) foarte rspndite pn acum 10....15 ani n toate centralele termoelectrice i maini tetrapolare (2p=4) aprute n ultimul timp n legtur cu centralele atomoelectrice (impuse de parametrii mai slabi ai aburului n aceste centrale) .Vitezele corespunztoare la 50 Hz sunt deci 3000 rot/min , respective 1500 rot/min.

Din motive de solicitare mecanic centrifugal, la viteze aa de mari nu trebuie s se depeasc o vitez periferic de ordinul a 200...300 m/s, de aceea diametrul rotorului este limitat la valori de 1,4...1,6 m volumul de fier necesar fiind asigurat prin lungimi deosebit de meri ale rotorului (de ordinul 10..15m). Prin urmare turbogeneratoarele sunt maini lungi i de grosime relativ redus (maini suple).

Rotorul turbogeneratorulul sete cea mal solicitat parte a sa i totodat cea mai pretenioas.Se obine prin turnare din oeluri puternic aliate (cu crom,nichel,molibden ),urmat de forjar

deoarece masa rotorului atinge valori n iur de 100 tone, la procesul de turnare se folosesc arje din mai multe cuptoare ce particip simultan la proces. O importan deosebit o au tratamentele termice ulterioare care urmresc detensionarea materialului si obinerea unor proprieti mecanice deosebite. Rotorul se controleaz prin defectoscopie cu ultrasunete si prin control optic la exterior i prin canalul central interior practicat pe lungimea sa.In continuare rotorul este supus prelucrrilor prin aehiere a suprafeelor exterioare .Una din cele mai importante operaii este frezarea crestturilor radiale (fig.4.5 a), sau paralele (fig.4.5b) n lungul rotorului,prima variant fiind cea mai

Fig.4.5.

des ntlnit. Se folosesc crestturi deschise cu perei paraleli i mai rar crestturi tra-pezoidale (care asigur dini cu perei paraleli). Deoarece crestturile rotorice snt relativ adnci, de multe ori se practic n zona aa numiilor poli, crestturi suplimentare nebobinate pentru o mai bun echilibrare mecanic.

n crestturile rotorului se dispune nfurarea de excitaie.care este o nfurare n simplu strat cu bobine concentrice, avnd conductoare de cupru dreptunghiulare ndoite pe lat, de tipul celei din fig .4.6.

Fig.4.6

Din motive de nbuntire a formei cmpului n ntrefier ultimele crestturi (notate cu pe fig.4.5 a) se fac mai mici i au un numr mai. mic de conductoare.Conductoarele de bobinaj snt de cele mai multe ori tubulare pentru a permite trecerea prin interior a agenilor de rcire. Dei tensiunile nominale de excitaie snt de 110...540 V, nfurarea este foarte bine izolat fa de corpul rotorului. Pentru aceasta se folosesc teci izolatoare n form de L din band sticlat cu lacuri epoxifenolice, hrtia cu sticlomicanit precum i folii de sticlotextolit.

Pentru preluarea forelor centrifugale se folosete nchiderea crestturilor cu pene de bronz, dural sau aliaje pe baz de titan, precum i bandaje peste capetele frontale de bobine de tip inelar. Acestea din urm fac parte dintre cele mai solicitate din punct de vedere mecanic pori ale rotorului i prin urmare se fac din aliaje de oel cu crom,nichel i mangan .nemagnetice i tratate termic special.

Pe rotor se mai dispun inelele colectoare din aliaje de oel izolate cu micanit i sticl, precum i ventilatoarele axiale de la capete. Se dispune de asemenea la unul din capete semicupla de legtur cu turbina.

n fig.7 se arat aspectul general al unui rotor n stare finit ( 1-semicupl, 2- bandaje ale bobinelor n partea frontal, 3- zona polilor, 4- crestturi cu pene de nchidere, 5- ventilatoare, 6- zona inelelor de contact i a lagrului exterior)

Fig.4.7

naintea montrii rotorul se supune operaiilor de echilibrare static i mai ales dinamic,menite s asigure o funcionare linitit fr vibraii i fr ncrcri variabile ala lagrelor. Rotorul se verific deasemenea la vitezele critice la care pot efi apar oscilaii transversale periculoase ala arborelui.

La maini mari lagrele snt totdeauna pri separate ale construciei fiind dispuse n exteriorul mainii de ambele pri ale acesteia. Se folosesc lagre de alunecare cu ungere forat cu ui ulei sub presiune.La maini de putere mai redus se pot folosi i lagre interioare plasate n scuturile mainii.Statorul turbogeneratorului comport carcasa cu cele dou scuturi i miezul magnetic al statorului prevzut cu cele trei nfurri ale celor trei faze. n cazul mainilor de mare putere se folosesc n prezent carcase din trei pri distincte (una central i dou de capt), realizate prin sudare etan (datorit rcirii cu hidrogen) i prevzute cu un numr de rame transversale cu nervuri longitudinale n care se prind pachetele de tole ale miezului magnetic. Carcasa trebuie s prezinte rigiditatea necesar i s asigure o prindere de fundaie prin sisteme speciale antivibratorii. Pentru prindere se folosesc tlpi laterale legate de carcas cu arcuri plane duble. Carcasa este prevzut i cu sisteme de rotaie a ei n jurul axului ei de simetrie .pentru a putea repara cu uurin eventualele defecte din partea de sus a bobinajului. Deobicei prinderea tlpilor se face pe o platform la nlime, prevzut cu o decupare corespunztoare (fig.4.8).

Fig.4.8.

Dedesubtul platformei se afl instalaiile de deservire ale mainii (rcire,ungere). Miezul magnetic este realizat segmentat din tole de oel electrotehnic laminat la rece cu grosime de 0.5 mm acoperite cu lac izolant i formnd pachete de tole distanate ntre ele pentru a forma canale de ventilaie radiale. Segmentele statorice (fig.4.9) n numr destul de mare ( ex.12 buci) se asambleaz circular cap la cap fiind presate cu ramele transversale i fixate n carcas prin cozi de rndu-nic.n crestturile statorului ce dispune nfurarea trifazat n dublu strat, cu pas scurtat, realizat deobicei cu mai multe ci de curent n paralel din bare izolate dreptunghiulare de cupru.Capetele frontale se dispun nevolvent pentru micorarea consumului de cupru.

Fig.4.9.

Conductoarele din crestturi sunt grupate (de ex.trei pline al patrulea tubular.cu rcire cu ap distilat) i efectueaz pe lungimea axial a crestturii transpoziii pentru reducerea pierderilor (fig.4.10).Deoarece tensiunea n indus este mai mare ca n rotor , o atenie deosebit este acordat^ izolaiei nfurrii statorice . Capetele frontale ale bobinelor sunt deasemenea fixate i consolidate contra vibraiilor,cu efecte de obosire mecanic a izolaiei.Fig.4.10.De obicei toate cele ase (sau 12) capete ale nfurrilor snt scoase prin izolatoare de trecere tip condensa tor,la borne, n prile laterale ale carcasei,n partea de jos a acesteia.n fig.4.ll este redat o seciune longitudinal printr-un turbogenrator de 100 MW,pe care s-au notat poziiile :l-miez stator,2-arbo-. rele rotoric,3-siste-mul de rcire,4-pie-s de strngere a miezului stat orie,5-bo-binaj statoric,5-bo-binaj rotoric,7-venti-lator,8-lagr de aluneca re,9-inele de con tact,10-scut,11-izolatoare , 12-fundaie .Consideraii analoge rmn valabile i pentru motoarele sincrone la viteze mari.cum sunt

cele folosite la acionarea turbo-compresoarclor centrifugale.Fig.4.11.Construcia hidrogeneratoarelor:Hidrogeneratoarele sunt generatoare sincrone antrenate n micare de ctre turbine hidraulice, la viteze reduse, fapt ce permite realizarea rotorului n varianta mai simpl tehnologic, a construciei cu poli apareni (ieii). Ele sunt att maini cu ax vertical , ct i maini cu ax orizontal , fiind n general de o varietate de tipuri mai mare ca turbogeneratoarele.Dac turbogeneratoarele pot fi tipizate n corelaie cu turbinele cu abur i cazanele de producere a aburului, hidrogeneratoarele dimpotriv constituie unicate sau serii foarte mici, impuse de condiiile hidraulice specifice fiecrui curs de ap i fiecrei amenajri hidrotehnice.

Necesitatea de a asigura frecvena de 50 Hz la viteze mici pune folosirea unui mare numr de poli ai cmpului nductor, ceea ce conduce la adoptarea de diametre mari ale rotorului i implicit ale ntregii construcii, astfel c spre deosebire de turbogeneratoare hidrogeneratoarele sunt maini cu diametru mare i lungime (nlime mic) .Rezult c puterile mari sunt realizate mai cu seam de cupluri foarte mari, deci de solicitri mecanice considerabile. Din aceste motive mainile de puteri foarte ridicat se realizeaz totdeauna cu axul vertical, soluie n deplin acord cu cerinele turbinelor hidraulice de mare putere.

Rotorul hidrogeneratoarelor, dat fiind viteza sczut.se realizeaz dup o soluie mai simpl tehnologic, cea cu poli apareni, avnd aspectul unei "roi polare asa ca n fig . 4.12 . El ndeplinetetrei funcii, de inductor, de ventilator i de

volant, putnd fi realizat masiv, n construcie sudat (tambur) sau n forma aa numit a rotorului disc. Prile principale ale rotorului sunt: butucul central 1 (fig.4.12) spiele 2, obada 3 i polii 4, realizai dintr-o bucat sau cu tlpi 5 aplicate. Fiind la distan mai mare da ax , obada i polii, sunt cele mai solicitate din punct de vedere (mecanic pri ale

Fig.4.12.

rotorului. Materiale folosite sunt: oel turnat i forjat aliat cu crom, nichel, sau tabla de oel de grosime 24...60mm sudat cu maini automate. Polii sunt masivi sau alctuii din tole.n uneia cazuri foloslndu-se i o execuie combinat. Ei se fixeaz de obad fis cu buloane, fie prin sisteme cu coad de rndunic sau n form de T cum este de exemplu cel notat cu 5 pe fig.4.13, care reprezint una din variantele posibile de pol combinat (miezul masiv din el metriat 1, prevzut cu talpa 2 din tole suprapuse cu grosimea 1...2 mm, tanate din tabl de oel electotehnic cu adaus slab de siliciu).

Pe figur mai sunt reprezentate obada 6, bobina concentrat ce aparin sistemului de excitaie 3,carcasa izolsnt 4 i crestturile 7 practicate n talpa polului pentru nfurarea de amortizare (se va vedea mai departe rolul acestei nfurri).Aspectul general al unui rotor n stare finit este redat n figura 4.14./ W

Fig.4.13.

Pe rotor,n afara nfurrii de excitaie care produce cmpul magnetic inductor exist ncf' o nfurare numit, de amortizare,care seamn ca aspect cu nfurarea n colivie simpl de la maina asincron barele fiind plasate n crestturile din tlpile polilor rotorului.

Fig.4.14

Scurtcircuitarea (parelor se face fie cu inele complete (fig. 4.15 a),fie cu segmeni circulari (fig.4.15 b).

Fig. 4.15.

In primul caz se spune c nfurarea acioneaz dup ambele axe de simetrie ale rotorului (d) i (q) n timp ce n al doilea caz ea acioneaz numai pe axa (d).n fig.414 avem acest al doilea caz.

fig. 4.16Pe fig.4.16 se reprezint o vedere n perspectiv a rotorului cu nfurare de amortizare de primul tip (fig.4.15 a). S-au notat; l-miezul polului, 2-inelul de scurtcircuitare, 3-bare, 4-talpa

polului.

nfurarea de amortizare nu are nici-un efect la funcionarea mainii n regimul staionar nu se deplaseaz fa de cmp iar acesta este continuu,invariabil n timp.Ea intervine numai n regimuri tranzitorii servind la amortizarea oscilaiilor mecanice ale rotorului n raport cu cmpul sau ca mijloc de asigurare a cuplului de pornire al motoarelor sincrone. n cazul turbogeneratoarelor rolul de amortizare este ndeplinit de curenii turbionari din tlpile masive ale zonelor nebobinate de penele conductoare ale crestturilor sau de nfurri speciale de amortizare plasate n aceleai crestturi cu nfurarea de excitaie .Statorul hidrogeneratoarelor comport carcasa realizat prin sudare din tabl groas de oel i alctuit din 4..6 elemente pentru o mai uoar transportare la locul de montaj,n hidrocentral,prevzut cu flane paralele (fig.4.17) de care se prind prin sudare cozile de rndunic 1 (fig.4.18) careservesc la prinderea segmenilor miezului magnetic ntre ei i fa de carcas. La realizarea mpachetrii segmentele.asemntoare celor de la turbogeneratoare celor de la turbogeneratoare se suprapun decalate cu cte 1/2 Fig. 4.17.

.

Fig.4.18.

de la un strat la altul (2 i 3 pe fig.4.18). Asamblarea se face n pachete de tole distanate pentru crearea de canale de rcire radiale. Se folosete tabla de oel cu siliciu laminat la rece de 0,5mm sau 0,35 mm cu direcia de laminare n lungul dinilor, deci la 90 fa de cea de la turbogeneratoare. n crestturile segmenilor statorici se dispun laturile de bobine ale celor trei faze ale nfurrii inclusului.realizat de cele mai multe ori ca infurare dublu strat,cu pasul scurtat,de tip bobina (cu mai multe spire in serie),sau de tip bar (fiecare bara alctuind o jumtate de spira).La hidrogeneratoarele de mare putere se prefera actual infurarea din bare de tip ondulat.care permite o izolaie mai bun precum i lucrri de reparaie mai comode. Ea permite deasemenea o mai bun consolidare a prilor frontale impotriva vibraiilor mecanice. Numrul q de crestturi pe pol i faz este mic (2..4.).puind fi i fractionar. Deoarece de calitatea nfurrii indusului depinde sigurana funcionrii i durata de via a mainii,o atenie cu totul deosebit se acord izolaiei infurrii. Dealtminteri costul izolaiei mainii alctuiete un procent nsemnat din ntregul cost (pn la 30..40%). Izolaia de baz este de tip continuu, din materiale izolante termoreactive (se folosesc benzi de sticlomicanit alctuite din micafoliu cu fibre de sticl i liant bituminos sau compund termoreactiv plolimerlzat cele mai folosite snt ins compundurile epoxidice). Clasa de izolaie cea mai folosit este F (eventual H pentru centrale atomoelectrice,la turbogeneratoare).Schema de conexiune folosit in exclusivitate este stea, sau dubl stea (YY).Capetele celor trei faze. sunt scoase prin ase izolatoare de trecere prinse in partea superioar lateral a carcasei mainii.

0 mare importan o au la hidrogeneratoare lagrele mainii care sunt mai solicitate dect la turbogeneratoare (ndeplinesc pe lng funcia de ghidare i funcia de susinere a ntregului agregat, inclusiv turbina). Construcia i numrul lagrelor depinde de modul de execuie i concepie a ntregului agregat. Se ntlnesc la mainile cu ax vertical in principal dou variante:

generatorul de tip suspendat (fig.4.19)

generatorul de tip n umbrel (fig.4.20)

Primul tip are un lagr axial 1 n partea superioar (crapo-tin) i dou lagre de ghidare 2 i 3,unul superior, altul inferior. Pe desen mai sunt trecute: 4-cupla de legtur cu turbina,S-turbina,6-rotorul mainii,7-scutul superior,8-ffilezul statoric,9-fundaia de beton armat.Aceast execuie se folosete la viteze mari ( peste 150 rot/min) avnd o stabilitate mai bun mecanic.In schimb susinerea greutii agregatului cade n sarcina carcasei mainii.care rezult mai voluminoas (consum ridicat de metal).

La al doilea tip,avem un lagr unic combinat situate sub rotor care ndeplinete ambele funcii de susinere i preluare a eforturilor

Fig.4.19.

Fig.4.20.rilor axiale (notat 1 pe fig.4.20).precum i de ghidare (2). Pe desen mal apar: 3-turbin,4-cupl,5-rotor,6-miez statoric,7-place de rezistena aezat pe fundaie,8-fundaie de beton armat. La acest tip de execuie specific vitezelor mici (zeci de rot/min) susinerea nu mai cade in sarcina carcasei ci este preluat de fundaie. Carcasa nu mai trebuie supradimensionat rezultnd mai scund (reduce l nlimea salii mainilor) i un consum mai redus de metal. In schimb funcionarea mecanic este mai puin stabil, fapt pentru care adesea se mai adaug un lagar de conducere superior, cu funcie doar de ghidare.La ambele tipuri gaura practicat n fundaie trebuie s permit introducerea i scoaterea ambelor rotoare (generator i turbin).Revenind la problema lagrelor, mai cu seam a crapotinei ce preia axial o greutate considerabil,trebuie spus c sistemul cel mal folosit este cel cu patine pe pelicul de ulei.Acestea funcioneaz cu frecare lichid (umed) pe baza principiului panel de ulei cu grosimi de cea.0,05 mm,care sa formeaz la viteze peste cea de flotere i la presiuni ntre 6..15 atm.In ultimul timp se folosesc lagre cu descrcare magnetic,precum l lagre hidrostatice cu ulei la presiuni mari.n fig. 4.21 este artat o seciune printr-un generator n umbrel" cu rotor n form de tambur.Pe figur se poate vedea sistemul 1 de contacte: alunectoare i deasemenea sistemul de frnare 8 a rotorului, la oprirea generatorului, sau n cazuri periculoase de ambalare a acestuia la pierderea brusc a sarcinii.Mainile cu axul orizontal se folosesc la viteze mari de rotaie (antrenare cu motoare Diesel sau cu turbine Pelton, motoare

Fig.4.21.

sincrone,compensatoare sincrone) i la puteri mici i mijlocii, uneori ntr-o execuie inversat ca cea, din fig.4.22 (se remarc cele patru inele de contact pe rotor pentru cele trei faze i nul).

Fig. 4.22.

n cazul Dieselgeneratoarelor, din cauza pulsaiilor cuplului de antrenare se cere un efect de volant ridicat, astfel c maina sincron se execut cu un diametru exagerat de mare,care impune excavarea unei pri nsemnate din fundaie (fig.4.23). In acest mod se elimin necesitatea montrii speciale a unui volant pe axul comun al mainilor. Pe fig.4.23 s-au notat : GS-gonerator sincron ,MD-motor Diesel,L1,L,2 si L3 -lagre exterioare, f-fundaie. Tot n categoria mainilor cu ex orizontal se incadreaz igeneratoarele capsulate tip bulb destinate funcionrii directe n curentul de ap i care formeaz rentul de ap i care formeaz mpreun cu turbina un bloc avnd carcas comun. Puterile nominale a acestor grupuri nu depesc 50 MW ,iar tensiunile nominale cele mai folosite din motive economice snt de 3,15 kV sau 6,3kV.Aspectul general al lor este redat n fig.4.24,pe care s-au notat urmtoarele poziii:

l-nveliul capsulat (carcasa) 2- lagr 3 arborele agregatului 4-rotor generator 5-atator generator 6-aparatul director al turbinei 7-rotorul turbinei 8-turn de acces

Astfel de grupuri bulb sunt indicate la cderi mici cu debite relativ importante, putnd fi folosite i la centrale maremotrice (folosesc energia marealor). Exist multe variante constructive bazate pe acest principiu :

-cu generator n imersiune.cuplat direct -cu turbina

-numai cu turbina n imersiune i cu generator exterior cuplat cu reductor cilindric sau planetar.

Avantajul principal este faptul c nu necesit sala mainilor investiii mai mici economie de spaiu ,central mai compact putnd fi montate chiar n interiorul sau imediata apropiere barajului in schimb prezint dificulti de rcire datorit construciei capsulate.

Toate tipurile de generatoare i motoare sincrone necesit curentul continuu pentru alimentarea nfurrii de excitaie si marea majoritate a cazurilor acest curent este obinut de la o main electric rotativ de curent continuu numit excitatoare,care se dispune pe acelasi ax cu generatorul de partea cealalt,n raport cu turbina.Excitaia exctatoarei se asigur fie printr-un proces de autoexcitaie , fie de la alt main de curent coninu (subecxcitatoare ) pe acela ax,sau pe ax separat (acionat de un motor asincron).S-au rspndit i sisteme de excitaie statice folosind n locul mainilor rotative de curent continuu, redresoare cu elemente semiconductoare necomandate (diode), sau comandate (tiristoare), reuindu-se s se elimine i problema contactelor alunectoare. Problemele legate de excitaie va fi tratate mai departe, ntr-un capitol special.Construciile actuale de maini sincrone, n special la puteri mijlocii i mari, reprezint sisteme complexe care n afara maini lor propriu zise conin multe instalaii anexe de deservire (sisteme de rcire-ventilaie , sisteme de ungere sisteme de comand, control protecie i reglaj automat sisteme de semnalizare etc...) cror tratare depete cadrul prezentului curs.Semnele convenionale cu care se reprezint n schemele ele trice mainile sincrone

Fig. 4.25.

sunt date n fig. 4.25 ( a- generator sau motor (MS) sincron legat stea cu neutrul nescos b- idem, cu neutrul scos -c- idem, cu toate cele 6 capete ale fazelor scoase la borne).Functionarea generatorului sincron pe retea proprie

Sistemele electromagnetice in care functioneaza generatoarele sincrone pot avea structuri destul de complicate dar in multe cazuri ele pot fi reduse cu ajutorul teoremelor din teoria retelelor electrice la schema din fig.4.63 pe o faza ( se presupuie functionarea in regim trifazat simetric in care masinile sincrone sunt reprezentate prin tensiunile electromotoare de mers in gol si prin impedanta sincrona la care se adauga impedantele liniilor de legatura inclusiv cele ale transformatoarelor, autotransformatoarelor si bobinelor de reactanta raportate corespunzator).

Sarcinile din sistem se echivaleaza (inclusiv motoarele sincrone si asincrone ) prin impedanta echivalenta Z. Pentru masini saturate se pot considera tensiuni echivalente E0* si impedantele saturate Xe* ( sau Xd*) fie tensiunea electromotoare Er si impedantele R + jX(.

Pentru a studia conditiile de functionare ale unui generator anumit ( de ex. GS din fig. 4.63) celelalte generatoare pot fi inlocuite cu un generator echivalent (GSe) .

Se poate arata ca tensiunea electromotoare echivalenta si impedanta echivalenta au expresiile

Fig.4.63

(4.99.)

Care duce la schema echivalenta din fig.4.64.

Tensiunea electromotoare echivalenta este o medie ponderata a tensiunii electromotoare cu admitantele masinilor in paralel iar impedanta echivalenta este egala cu impedanta echivalenta a tuturor masinilor pasivizate in paralel

Fig.4.64

Functionarea generatorului sincron in conditiile schemei echivalente din fig4.64 are loc atunci cand se studiaza mersul in paralel a lui alaturi de alte generatoare de puteri comparabile.

Exista situatii limita mai simple si care prezinta interes teoretic din cauza simplitatii de studiat si care reprezinta cazuri intalnite in aplicatii frecvente. Aceste situatii limita sunt urmatoarele :

a) cazul in care Z ech este infinita, generatorul considerat fiind conectat pe o impedanta pasiva fara t.e.m. Z si care corespunde functionarii pe retea separata (generatorul este singur in sistem, toate celelalte elemente componenete fiind consumatoare de puteri active si reactive sau pe retea proprie)

b) cazul in care Z ech este 0 care corespunde conectarii generatorului considerat la doua puncte (A si B fig 4.64.) la care tensiunea U este impusa ca valoare efectiva frecventa si faza ( evident de catre E ech) si care corespunde asa numitei functionari in paralel cu o retea de putere infinita

daca prima situatie reprezinta un caz real posibil cea de a doua este evident o situatie idealizata catre care se tinde atunci cand numarul generatoarelor celelalte din sistem de puteri finite tinde spre infinit (adica n (( , Z ech din care a doua expresie tinde la 0. In acest caz si puterea totala a celorlalte generatoare tinde la ( care explica denumirea regimului de functionare.

Deosebirile dintre situatiile limita si cazul general sunt din anumite puncte de vedere esentiale fiecare din cele trei moduri de functionare avand particularitati specifice. Studiul numai al cazului general cu deducerea celorlalte prin particularizare nefiind posibil si nici indicat vom trece la studierea separata mai intai a cazurilor mai simple in primul rand a functionarii pe retea proprie.

Schema generala ce corespunde acestui caz este de tiplul celei din figura 4.65. in care genaratorul studiat este antrenat de un motor oarecare electric sau neelectric (motor primar MD) .

EMBED Equation.3

EMBED PBrush

EMBED PBrush

PAGE 194

_1167227888.unknown

_1167228048.unknown

_1167228230.unknown

_1167229202.unknown

_1167229295.unknown

_1167229350.unknown

_1167229073.unknown

_1167228183.unknown

_1167227919.unknown

_1167226361.unknown

_1167227613.unknown

_1167227702.unknown

_1167227538.unknown

_1167227196.unknown

_1167227485.unknown

_1165483376.unknown

_1167225961.unknown

_1165483422.unknown

_1125983901.unknown

_1165483321.unknown

_1125983670.unknown