CUPRINS

1. Construcia mainilor Construcii de baz. Datele nominale. 2. Funcionarea mainii sincrone n gol i n sarcin 2.1. Funcionarea n gol a mainii sincrone 2.2. Funcionarea n sarcin a mainii sincrone 2.3. Reactanele mainii sincrone 3. Generatorul sincron 3.1. Generatorul sincron cu poli necai 3.2. Generatorul sincron cu poli apareni

1

GENERATORUL SINCRON

Mainile sincrone (MS) sunt maini de c.a. al cror rotor se rotete cu frecven constant, respectiv cu vitez unghiular ( ) constant. La mainile sincrone aceast turaie n ( ) este egal cu turaia de sincronism n1 ( 1 ); adic: n = n1 = 1 (1) Cele mai multe maini sincrone, funcioneaz ca generatoare sincrone n sistemul de producere a energiei electrice. n funcie de locul lor de utilizare (n marile centrale cnd sunt racordate la sistemul electric naional de transport sau ca mici surse autonome) ele sunt de puteri cuprinse ntre civa kilowai pn la sute i mii de megawai. Spre exemplu generatorul sincron pentru alimentarea de rezer-v poate s fie cu puterea de la 1 pn la 10 kW, n timp ce generatorul sincron din centralele nucleare atinge puteri de 1000 MW i chiar mai mari. Utilizate sunt i compensatoarele sincrone (CS) pentru producerea de energie reactiv, n scopul creterii factorului de putere cos al reelelor electrice. Motoarele sincrone (MS) sunt maini electrice (ME) cu comand complex. Obinuit se utilizeaz la puteri mari peste 50 100 kW. Ele au turaia constant cuprins ntre 100 i 3000 rot/min, au pornirea grea, dar au parametrii energetici mult mai ridicai ( cos i ). n prezent se utilizeaz metode de reglare a turaiei MS prin intermediul procedeului cu comand vectorial pe baza teroriei generale ale mainilor electrice. Avantajul mainilor sincrone (MS) este posibilitatea lor de a genera energie reactiv. Obinuit mainile sincrone se realizeaz pentru funcii stabilite: genera-toare, motoare, compensatoare, dar n hidrocentralele cu pompare-acumulare sunt reversibile putnd funciona n regim de generator i n regim de motor. Grupa cea mare a mainilor sincrone o constituie cele de putere mic (de la puteri mai mici de 1W pn la civa zeci de wai). Acestea sunt: generatoare speciale, exemplu pen-tru creterea frecvenei tensiunii, sau motoare de execuie cu construcie simpl i diferite funcii n sistemele de comand automat. 1. Construcia mainilor sincrone. Construcii de baz. Datele nominale. Construcia MS se vede din fig.1 a unde se indic elementele de baz: 1 carcas; 2 miezul magnetic statoric; 3 nfurarea statorului; 4 polii inductorului; 5 ventilator; 6 inele de contact; 7 lagre;2

8 suporii lagrelor; 9 arbore.

Fig.1 Seciune i vedere longitudinal prin maina sincron ce pune n eviden prile ei componente (a); simbolizarea grafic a mainii sincrone n diferite scheme electrice (b).

Inelele de contact 6 i periile imobile ntocmai ca la motorul asincron cu rotorul bobinat servesc pentru alimentarea nfurrii de excitaie a inductorului 4 n rotaie. n fig.1 b este dat reprezentarea grafic a mainii sincrone n schemele electrice cnd este necesar a se prezenta i nfurarea ei de excitaie. O mare parte a mainilor sincrone moderne sunt cu excitaie, care folosete contactul alunector (prin sistemul inele perii colectoare) al nfurrii de excitaie din rotor, cu sursa de alimentare a ei. Aceast construcie este examinat n fig 8 (fig.28 a). Sunt posibile dou variante constructive ale mainilor sincrone n funcie de plasarea n stator i n rotor a celor dou nfurri: nfurarea indusului de curent alternativ i nfurarea de excitaie n curent continuu. Pentru GS i MS mai des ntlnit este construcia prezentat n fig.2 a. nfurarea indusului, obinuit polifazat este plasat n stator iar cea de excitaie n rotor. nfurarea statorului este plasat n crestturile miezului magnetic realizat din tole de oel electrotehnic potrivit execuiei descrise n cap.5. n rotorul numit inductor se plaseaz nfurarea de c.c., alimentat de la o surs de tensiune continu prin sistemul compus din dou inele de contact i dou perii.

3

a b Fig.2 Modaliti de plasare a nfurrilor indusului i inductorului n sistemul magnetic al mainii sincrone: a) nfurarea indusului n stator, nfurarea inductorului n rotor; b) situaia invers.

A doua variant constructiv prezentat n fig.2 b se ntlnete mult mai rar la mainile sincrone, exemplu la cteva motoare sincrone cu puteri pn la 10 kW. Aceasta nu este preferat datorit faptului c nfurarea indusului de c.a. care cedeaz la GS i primete la MS aproximativ ntreaga putere, se plaseaz n rotorul mainii sincrone. Aceasta ngreuneaz legtura ei prin contactele alunectoare cu consumatorii electrici externi sau cu sursa de alimentare. Pe lng aceasta nfurarea indusului cel mai adesea este trifazat i necesit a se lucra cu trei ansamble de inele de contact i perii. La construcia preferat pentru maini sincrone cu destinaie uzual (fig.2 a) exist dou variante diferite de baz privind execuia inductorului (fig.3 a, b).

a

b c Fig.3 Variante constructive ale inductorului mainii sincrone: a) cu poli apareni, b) cu poli necai, c) cu poli apareni i nfurare de pornire.

n fig.3 a este prezentat rotorul 1 cu poli apareni, mpreun cu miezul magnetic pe care se plaseaz nfurrile concentrate 2. Suprafeele de ieire a liniilor fluxului magnetic din polii inductori se mresc prin plasarea pieselor polare pe miezurile magnetice ale acestora.4

Al doilea tip de rotor cu poli necai este cu crestturi practicate pe cea mai mare parte a circumferinei lui. n crestturi se plaseaz nfurarea de c.c. distribuit n secii conectate n serie (fig.3 b). Miezul magnetic rotoric al mainilor sincrone se poate executa din material feromagnetic compact datorit faptului c fluxul lor de excitaie este constant. Pen-tru nlturarea pierderilor prin pulsaiile cmpului statoric i pentru accelerarea proceselor electromagnetice tranzitorii din inductor, polii se realizeaz din tole de oel electrotehnic. Foarte important este funcionarea nfurrii de amortizare scurtcircuitat la variaia sarcinii, la scurtcircuit a GS, precum i la realizarea pornirii n asincron a motoarelor sincrone. Pentru motoare ea este de pornire cu aciune analog nf-urrii scurtcircuitate a motoarelor asincrone. Se plaseaz n crestturile longitudi-nale ale pieselor polare (fig.3 c). Conductoarele din crestturi se scurtcircuiteaz ntre ele prin inele frontale, care cel mai adesea scurtcircuiteaz barele unei piese polare. Funcia de scurtcircuitare a nfurrii de amortizare la rotoarele cu poli necai se realizeaz de materialul feromagnetic compact (oel cu Cr-Ni sau oel cu Cr-Ni-Mb) din care este executat rotorul. Inductoare de execuie real sunt prezentate n fig.4: a cu poli apareni cu nfurare de amortizare; b cu poli necai.

a

b Fig.4 Inductoare de execuie real: a) cu poli apareni cu nfurare de amortizare; b) cu poli necai.

Datele nominale ale mainilor sincrone n afar de datele referitoare la tip, productor, grad de protecie, clas de stabilitate termic, regim de funcionare .a. prevzute n standarde pentru toate mainile electrice, sunt trecute pe tblia mainii sincrone i n documentele ei i urmtoarele date nominale: puterea Pn [W,kW]; tensiunea U n [V, kV];5

-

curentul In [A]; viteza (frecvena de rotaie) nn [rot/min]; tensiunea i curentul de excitaie U e , Ie ; factorul de putere, cos ; randamentul n . Pentru GS, puterea nominal Pn este puterea electric activ de ieire la bornele nfurrii indusului, pentru MS, puterea nominal Pn este puterea meca-nic la arbore. n unele cazuri, pentru GS se consider nominal puterea aparent exprimat n V.A. 2. Funcionarea mainii sincrone n gol i n sarcin 2.1. Funcionarea n gol a mainii sincrone n regimul de funcionare n gol, rotorul mainii sincrone se rotete cu turaia de sincronism, prin nfurarea de excitaie trece curentul continuu Ie , dar curentul din nfurarea indusului I este nul. Aceasta nseamn c fluxul magnetic constant din inductor, prin rotaie devine cmp magnetic nvrtitor cu turaia de sincronism n 1 . Acest cmp magnetic este reprezentat n fig.5. Se admite c pe lungimea pasului polar (parte din circumferina ntrefie-rului corespunztoare unui pol), acioneaz t.m.m. Fe = w e Ie . Permeabilitatea magnetic a traseului de nchidere a liniilor fluxului e din spaiul interpolar este mult mai mic. De aceea inducia magnetic din ntrefier are form de distribuie trapezoidal-curbilinie. Aceast dependen se descompune n armonici superioare de ordin impar, cum se arat n fig.5. i n

6

Fig.5 Cmpul magnetic inductor nvrtitor cu turaia de sincronism n1 din rotorul mainii sincrone, descompunerea acestuia n armonicile de ordinul 1, 3, 5.

Anterior au fost prezentate relaiile de calcul pentru t.e.m. induse n nfu-rarea polifazat datorit aciunii armonicilor fluxurilor magnetice i procedeele de reducere a influenei armonicilor superioare. n mare parte a literaturii referitoare la mainile electrice, fluxul magnetic inductor e se scrie cu notaia 0 analog fluxurilor la funcionarea n gol a tran-sformatoarelor i mainilor asincrone. T.e.m. induse de acesta n nfurarea sta-toric polifazat au pn [rot/sec] cu n = n1 [rot/min]. T.e.m. E 0 se exprim prin (2) frecvena f = 60 E0 = w k w 0 = 4,44 f w k w 0 (2) 2 unde: w - numrul de spire al nfurrii statorice de curent alternativ; k w - coeficientul de nfurare al nfurrii statorice; 0 - fluxul magnetic inductor, care induce t.e.m. E 0 n nfurarea statorului la funcionarea n gol. La funcionarea n gol, fluxul de dispersie al inductorului este foarte mic i la nevoie se poate aprecia ca procent din fluxul de excitaie. 2.2. Funcionarea n sarcin a mainii sincrone Aceasta este starea de funcionare normal a mainii sincrone n regim de generator dar i n regim de motor. Sarcina se schimb de la limita funcionrii n gol pn la regimul de funcionare cu parametrii nominali. Prin nfurarea sta-toric trece curentul I, care variaz de la zero la generator sau I0 pentru motor pn la curentul maxim de lucru In . Curentul statoric I creaz t.m.m. w I , legat de funcionarea acestei nfurri. T.m.m. Fa = w I determin fluxul magnetic a , care cuprinde polii nfurrii polifazate statorice, se nchide prin circuitele magnetice ale statorului i rotorului i influeneaz asupra cmpului magnetic 0 din inductor. n cap.5 este prezentat variaia t.m.m. Fa i a induciei magnetice Ba n ntrefier pentru o nfurare statoric mono i trifazat. La mainile sincrone, influ-ena , armonicelor superioare impare reprezentat prin suma lor Bax se consider flux de dispersie, numit diferenial d . Fluxul a se examineaz numai sub aspectul aciunii primei componente armonice unda de baz (fundamental). Cmpul magnetic a ce se obine la trecerea curentului I prin nfurarea statoric, se numete de reacie a curentului indusului. Fluxul de reacie al indusului a , respectiv inducia Ba din ntrefier, dato-rit aciunii lui, sunt proporionale cu t.m.m. Fa potrivit legii circuitului magnetic:7

0 Ba = Fa (3) Toate concluziile pentru maina sincron, sunt direcionate pe cazurile n care permeabilitatea magnetic a circuitului magnetic al mainii este constant, Fe = const . n fig. 8 este admis Fe = . Considerarea fenomenelor fizice cu permeabilitate magnetic variabil = var , inclusiv saturaia circuitului magnetic, se studiaz n literatura de specialitate pentru maini electrice. n teoria mainilor sincrone mai de demult este introdus descompunerea parametrilor realizat dup dou axe ortogonale d i q prin metoda celor dou reacii . Aceasta are o importan deosebit n special la mainile sincrone cu poli apareni, la care ntrefierul dintre stator i inductor are mrime variabil. n fig.6 sunt prezentate dou cazuri de dispunere reciproc a fazorului Fa fa de fazorul Fe al inductorului dup axa d i dup axa q. Polii inductorului determin poziia axei d iar t.e.m. E 0 indus de ei este orientat dup axa q.

Fig.6 Dispunerea fazorului Fa fa de fazorul Fe al inductorului dup axele d, q; a) reacia longitudinal; b) reacia transversal;

Fazorii curentului I i t.m.m. Fa coincid. Unghiul dintre axa q i fazorul spaial Fa al nfurrii indusului se noteaz cu . El determin i diferena de faz n timp dintre t.e.m. E 0 i curentul indus I n funcie de felul impedanei de sarcin Zs . n fig.6 se reprezint variantele limit ale unghiului = 90 i = 0. n cazul a reacia indusului este dup axa d i este longitudinal, iar n cazul b ea este dup axa q i este transversal fa de cmpul magnetic al inductorului orientat dup axa d. Unghiul este egal cu unghiul dintre fazorii compleci E 0 i I. Acesta ofer posibilitatea ca mrimile I, .Fa , . a , t.e.m. E a indus de a n spirele nfurrii statorice s se descompun n componente fa de axele de coordonate d i q (fig.7).

8

Fig.7 Descompunerea mrimilor I1, Fa, a, Ea dup axele d i q.

Din fig.7, pe baza proporionalitii dintre I,Fa , a rezult c componentele lor dup axele d i q se pot scrie astfel: Id = I sin Fad = Fa sin ad = a sin Iq = I cos Faq = Fa cos aq = a cos (4) de unde rezult c: I = Id + Iq ; Fa = Fad + Faq ; a = ad + aq Unghiul depinde de caracterul curentului I: activ, inductiv, capacitiv, mixt. 2.3. Reactanele mainii sincrone Mrimea amplitudinii t.e.m. E a induse n nfurarea polifazat datorit fluxului de reacie al indusului a , se determin din expresia: E am = w am = am (5) unde: = 1 - viteza unghiular a fluxului a la n = n1 ; am = La Im . Inductivitatea La este constant, deoarece rotorul i fluxul a se rotesc cu aceeai turaie. Dac se nlocuiete am n expresia de mai sus, pentru E am se obine: E am = x a Im (6) unde: x a = La se reprezint reactana de reacie a indusului. Forma complex a expresiei este: Ea = j x a I (7) Expresia (7) se utilizeaz la mainile cu poli necai unde ntrefierul este constant pe circumferina interioar a statorului. La mainile cu poli apareni se definesc reactanele longitudinal xad i transversal x aq ale reaciei indusului pentru valoarea arbitrar a unghiului : E ad = x ad Id (8 a) E aq = x aq Iq9

unde Id i Iq se determin din (4). Forma complex a acestor expresii este: E ad = j x ad Id E aq = j x aq Iq

(8 b)

La mainile sincrone cu poli apareni, reactanele x ad i x aq depind de poziia reciproc a fluxurilor magnetice inductor e i de reacie a . n sistemul de coordonate d i q acestea se determin prin unghiul din E 0 i I . Diferena ntre reactanele inductive rezult din valorile diferite ale ntrefierului i corespunztor reactanelor magnetice pe drumurile fluxurilor ad i aq dup axele d i q. Valoarea mai mare a lui dup axa q n raport cu aceea dup axa d se reflect n inegalitatea lui x ad i x aq . Din expresiile (7.5) i (7.6) rezult c x ad > x aq i ad >> aq . Fluxul de dispersie determin reactana de dispersie x a mainii sincrone. Aceast reactan se obine din suma fluxurilor cr ale crestturilor nfurrilor statorice, fluxurilor fr din jurul conexiunilor frontale i fluxurilor s care consider aciunea armonicilor superioare (2.2). Expresia lui x s este: E = j x I = j (Id + Iq ) x (9) unde: E - t.e.m. indus n spirele nfurrii statorice de fluxul ; E = x I . Pentru maina cu poli necai se definete reactana sincron x s i impe-dana total a nfurrii statorului Zs . x s = x a+ x ;s Z = r + s j x .... (10) unde: r rezistena nfurrii statorice. Pentru maina cu poli apareni aceste expresii sunt: x q = x aq+ x x d = x ad x + Zq =r + j x q Zd =r + j x d (11) unde x d , Zd , i x q , Zq sunt impedanele totale i reactanele sincrone dup axele longitudinal i transversal ale mainii sincrone. 3. Generatorul sincron Maina sincron funcioneaz ca generator n dou scheme de baz: GS, cuplat pe o reea electric independent cu consumatori (fig.8 a); GS, cuplat n paralel cu reea electric de putere infinit (fig.8 b). La acest punct se prezint caracteristicile de baz ale GS pentru primul caz de utilizare al su, iar pentru al doilea caz . Aici nu se examineaz particularitile i10

funcionarea n paralel a dou GS cu puteri comensurabile, ele fiind prezentate n literatura de specialitate pentru mainile electrice.

a b Fig.8 Generator sincron cuplat: a) pe o reea independent cu consumator; b) pe o reea de putere infinit;

3.1. Generatorul sincron cu poli necai Schema echivalent a acestui GS se poate prezenta prin reactanele inductive i impedanele totale (fig.9), examinate n 2.3. Schema este simplificat, ea considernd numai t.e.m. iniial E 0 i tensiunea U la bornele GS, la trecerea curentului I prin impedana de sarcin Zs . Ea este valabil i pentru varianta a doua din fig.8.

Fig.9 Schema echivalent a generatorului sinron cu poli necai

Mai complet, procesele se reprezint pe baza ecuaiei (12), potrivit legii a doua a lui Kirchoff: E 0 + E a+ E = U + r I (12) unde: E0 - t.e.m indus n nfurarea statorului datorit fluxului in-ductor 0 ; Ea - t.e.m indus n nfurarea statorului de ctre fluxul de reacie a ; E - t.e.m indus n nfurarea statorului urmare aciunii fluxu-lui de dispersie ;11

U = Zsarcin I - tensiunea la bornele de ieire ale nfurrii statorice ctre consumatorul electric; I i r curentul i rezistena nfurrii statorice. Aceste mrimi se obin ca efect al aciunii t.m.m. i fluxurilor: din inductor Fe , e i din nfurarea (statorului) indusului Fa , a . Din expresiile pentru aciunea lor nsumat rezult i cele pentru valorile rezultante referitoare la F, i E : F = Fe + Fa = e + a (13) E = E0 + Ea Pe baza relaiilor (12) i (13) se construiete diagrama fazorial pentru GS cu poli necai (fig.10). n relaia (12) se substituie cderile corespunztoare de tensiune pentru E a i E : U = E 0 j x a I j x I - r I = s 0 - j x I r I E (14 a) sau dac se cunoate U i I, atunci ea se transform sub forma urmtoare: E 0 = U + r I + j x a I + j x I = U + r s I + j x I (14 b) Construcia diagramelor fazoriale se poate realiza i pentru a doua variant pe baza relaiei (14 a, b) deoarece aceasta se reflect n succesiunea fazorilor cderilor de tensiune. La diagramele din fig.10 a, b se utilizeaz relaia (14 b). n fig.10 a este trasat diagrama fazorial pentru GS cu poli necai pentru 0 < < 90 deoarece se admite x s = x a+ x . Diagrama fazorial din fig.10 c este construit pentru 0 < < 90 . n figur sunt notate unghiurile: ntre I i tensiunea U; ntre I i t.e.m E 0 ; = ntre U i E 0 . Caracteristic pentru unghiul este dependena sa de mrimea curentului de sarcin i de puterea activ de ieire Pieire. Se numete - unghi de sarcin. Limitele de stabilitate a regimului de funcionare sunt stabilite de mrimea lui (6). i n al doilea caz, n fig.10 (a, c), unghiul are valoare arbitrar n comparaie cu fig.6, unde unghiul este 0 sau 90 i se manifest numai reacia transversal sau longitudinal a indusului. Aceasta nseamn c I, Fa i a se descompun n componente dup axele longitudinal i transversal expresiile (4). Funcionarea este cu reactan inductiv total x s = x a+ x , deoarece dup acest procedeu nu se traseaz t.e.m rezultant E . Valorile unghiurilor i indic faptul c pentru diagramele (a) i (b) impedanele de sarcin sunt: Zs(a) =rs + j x L ; Zs(b) =rs + j x C (sarcina activ-inductiv i activ -capacitiv). n fig.10 b, d este prezentat dispunerea n spaiu a fazorilor Fe , Fa , Faq , Fad i fluxurilor corespunztoare 0 , a , aq , ad n sistemul de coordonate d, q.12

a

b

c

d

Fig.10 Diagramele fazoriale pentru generatorul sincron cu polii necai: a) 0