Masina Sincrona

16
Maşina sincronă Se numeşte maşina sincronă o maşina de curent alternativ construită pentru a funcţiona cu o viteză constantă, legata de frecventa f a reţelei şi de numărul p de perechi de poli ai maşinii, prin relaţia: Aceasta viteza se numeşte viteza de sincronism, iar maşina respectiva, după destinaţia sa, generator sincron sau alternator, motor sincron si compensator sincron. Maşina sincronă este una dintre cele mai răspândite maşini electrice. Ca generator sincron de c.a. trifazat de frecventa industriala, ea deţine un foarte larg domeniu de utilizare, deoarece in prezent energia electrica se produce aproape exclusiv numai sub forma trifazata. Ca motor, este utilizata destul de des atunci când se cere o viteza de rotaţie constanta şi puteri depăşind 50 kW, motorul prezentând in exploatare o serie de avantaje: cos φ ridicat, siguranţă de funcţionare, economie. De asemenea, funcţionând in regim de motor sincron supraexcitat, maşina sincronă poate fi utilizata ca generator de putere reactiva sau compensator sincron, pentru a ameliora factorul de putere al reţelei la care este cuplata. Construcţie: După forma rotorului: cu poli aparenţi şi cu poli înecaţi.

description

Curs masini electrice

Transcript of Masina Sincrona

Page 1: Masina Sincrona

Maşina sincronă

Se numeşte maşina sincronă o maşina de curent alternativ construită pentru a funcţiona cu o viteză constantă, legata de frecventa f a reţelei şi de numărul p de perechi de poli ai maşinii, prin

relaţia:

Aceasta viteza se numeşte viteza de sincronism, iar maşina respectiva, după destinaţia sa, generator sincron sau alternator, motor sincron si compensator sincron.

Maşina sincronă este una dintre cele mai răspândite maşini electrice. Ca generator sincron de c.a. trifazat de frecventa industriala, ea deţine un foarte larg domeniu de utilizare, deoarece in prezent energia electrica se produce aproape exclusiv numai sub forma trifazata. Ca motor, este utilizata destul de des atunci când se cere o viteza de rotaţie constanta şi puteri depăşind 50 kW, motorul prezentând in exploatare o serie de avantaje: cos φ ridicat, siguranţă de funcţionare, economie. De asemenea, funcţionând in regim de motor sincron supraexcitat, maşina sincronă poate fi utilizata ca generator de putere reactiva sau compensator sincron, pentru a ameliora factorul de putere al reţelei la care este cuplata.

Construcţie:După forma rotorului: cu poli aparenţi şi cu poli înecaţi.

- miezul feromagnetic statoric este realizat din tole cu crestături, miezul feromagnetic rotoric este masiv cu poli aparenţi sau înecaţi. Pe miezul rotoric exista crestături pentru colivie (pornire asincron), prezente in ambele situaţii şi dispuse in talpa polilor. In cazul polilor înecaţi înfăşurarea de excitaţie este plasata in crestături dispuse neuniform pe periferia rotorului. (la dimensiuni mari miezul rotoric se construieşte din tole stanţate din tabla de otel mult mai groasa; tolele nu sunt izolate intre ele).- înfăşurarea statorică este polifazată repartizată, deschisă, similară cu înfăşurarea statorică a maşinii de inducţie.- înfăşurarea rotorica de excitaţie este concentrată şi dispusă in jurul polilor aparenţi sau in crestături, capetele ei fiind conectate la doua inele colectoare. Înfăşurarea rotorică in colivie este dispusa nesimetric in crestăturile din talpa polilor.

Page 2: Masina Sincrona

LUCRAREA 1DETERMINAREA REACTANŢELOR MAŞINII SINCRONE

CORESPUNZĂTOARE REGIMULUI STAŢIONAR SIMETRIC

Câmpul învârtitor obţinut pe cale mecanică produs de înfăşurarea inductoare rotorică şi câmpul învârtitor obţinut pe cale electrica, produs de înfăşurarea indusului, numit câmp de reacţie al indusului, au pentru o încărcare a maşinii, o poziţie relativ fixa. Turaţia comuna n1 cu care se rotesc se numeşte turaţia de sincronism.

Câmpul magnetic învârtitor rezultant din întrefierul maşinii la funcţionarea in sarcina, este dat de suprapunerea câmpului inductor şi al indusului. Aceasta interacţiune constituie reacţia de indus şi este dependenta de caracterul sarcinii şi tipul constructiv al maşinii.

Maşina sincronă cu poli plini este simetric magnetic după cele doua axe d, q (δ = ct.). Maşina cu poli aparenţi prezintă asimetrie magnetica şi se înlocuieşte rotorul real cu un rotor cu întrefier constant. Pentru stabilirea ecuaţiilor ce definesc comportarea maşinii se utilizează sistemul de axe d, q solidar cu rotorul.

Aplicând legea inducţiei electromagnetice pentru o curba ce se închide prin conductoarele fazei statorice şi pe o linie a tensiunii la bornele înfăşurării considerate avem:

, XS – reactanţa sincronă a maşinii.X = ωL, L – inductivitatea unei înfăşurări a unei maşini rotative corespunde câmpului

magnetic principal al înfăşurării, repartizat oricum pe pasul polar, care traversează întrefierul şi

înlănţuie înfăşurări din ambele părţi. (in general >0).

Reactanţa Xd reprezintă reactanţa totala a unei faze statorice atunci când axa câmpului învârtitor rezultant al maşinii, coincide cu axa d. T.e.m. este indusa de câmpul total al curenţilor statorici in axa d (suma a câmpului de dispersie din axa d şi a câmpului longitudinal de reacţie) şi pe această bază reactanţa Xd se numeşte reactanţa longitudinala sincronă a maşinii. Analog Xq este reactanţa transversală sincronă a maşinii.

a). b).

Page 3: Masina Sincrona

a). Axa polilor rotorici coincide cu axa câmpului învârtitor. Liniile de câmp ale fluxului de reacţie statoric se închid după axa magnetica longitudinala a maşinii. Reluctanţa este minima. Curentul de alimentare atinge valoarea sa minima şi reactanţa înfăşurării induse este maxima. (x d = xS + xad)

b). Liniile de câmp ale fluxului de reacţie statoric se închid după axa magnetica transversala . reluctanţa circuitului magnetic al statorului fiind maxima, reactanţa reacţiei indusului atinge valoarea sa minima, iar curentul din stator valoarea maxima. (xq = xS + xaq).

Caracteristica de mers in gol reprezintă relaţia U0 = f(IE) pentru n=ct. (f=ct.), I = 0, unde U0 este tensiunea la borne. Întrucât I = 0 , se obţine U0 = UCE. Dar t.e.m. este proporţionala cu fluxul polar şi prin urmare caracteristica reprezintă la alta scala caracteristica magnetica a maşinii.

Crescând monoton curentul de excitaţie prin intermediul reostatului de excitaţie RE, se obţine ramura crescătoare 1 a caracteristicii de mers in gol. La scăderea monotona a curentului de excitaţie, ca urmarea histerezei magnetice, ramura de întors se plasează deasupra celei de sus. In practica pentru a evita aceasta legătura dintre curentul de excitaţie şi tensiunea indusa se utilizează caracteristica medie, reprezentata punctat. Prin măsurarea experimentala a tensiunii induse remanente Urem se poate determina fluxul remanent Φrem al maşinii. De obicei se trasează caracteristica de mers in gol pana la (1,15..1,2)UN. Poziţia punctului de funcţionare p corespunzător tensiunii nominale, indica gradul de solicitare magnetica a maşinii.

Caracteristica de scurtcircuit reprezintă curba Isc = f(IE) pentru U = 0, f = ct. Reacţia de indus are un caracter complet demagnetizant. Scurtcircuitul staţionar la maşina sincronă nu este periculos. Câmpul magnetic din întrefier se reduce simţitor fata de situaţia de mers in gol. Deci, la scurtcircuit maşina apare nesaturata pe calea câmpului magnetic principal. Daca pentru un curent de excitaţie IE

dat se cunoaşte t.e.m. UeE şi curentul de scurtcircuit Isc corespunzător, se poate determina experimental reactanţa longitudinala Xd.

Caracteristica in sarcina reprezintă relaţia U = f(IE) pentru f = ct., I = ct., cosφ = ct. Pentru o sarcina inductiva cosφ = 0

Page 4: Masina Sincrona

Schema de montaj

Datele nominale ale maşinii sincrone:SN= kVA; UN= V; IN= A; n= rot/min

Rezultate experimentale:

Pentru subpunctele a), b), c) maşina sincronă funcţionează in regim de generator. Pt funcţionarea in regim de generator se antrenează rotorul maşinii sincrone cu ajutorul unui motor de curent continuu cu excitaţie derivaţie figurat in partea stângă a montajului. Motorul de curent continuu se porneşte cu rezistenta de pornire Rp la valoarea maxima şi rezistenta de câmp la o valoare pozitiva. Pentru punctul d), ambele maşini funcţionează in regim de motor, având acelaşi sens de rotaţie.

a). Pentru ridicarea caracteristicii de funcţionare in gol, rotorul se aduce la turaţia nominală a maşinii sincrone, prin antrenarea sa cu ajutorul motorului de c.c. cu excitaţie derivaţie. Cu întrerupătorul manual Q1, cuplat in circuitul de excitaţie al maşinii sincrone, conectat in poziţia 2 (excitaţie cuplata) şi Q2 deschis (nu exista sarcina in circuitul indusului), se creste progresiv curentul de excitaţie de la valoarea 0 pana la valoarea pentru care la bornele generatorului sincron se măsoară o tensiune de cca. 1.3*UN (aproximativ 500 V) scăzând treptat valoarea rezistentei de excitaţie RE. Crescând apoi progresiv valoarea rezistentei de excitaţie RE curentul de excitaţie se aduce la valoarea minim posibila. În consecinţă, caracteristica de funcţionare in gol, ridicata experimentala, prezintă o ramura pentru curentul de excitaţie continuu crescător şi o ramura pentru curent de excitaţie continuu descrescător. Se adopta curba medie a caracteristicii de funcţionare in gol ca medie a ordonatelor celor doua ramuri, ea deplasându-se in originea axelor de coordonate.

Caracteristica in gol - la creşterea curentului IE

IE [A]U0 [V]

Caracteristica in gol - la descreşterea curentului IE

IE [A]U0 [V]

Page 5: Masina Sincrona

b). Pentru ridicarea caracteristicii in sarcina, la factor de putere inductiv, se conectează, prin întrerupătorul manual Q2, o sarcina inductiva constând dintr-o maşina de inducţie trifazata cu rotorul bobinat funcţionând in regim de bobina variabila. Menţinând I = const. (I reprezintă curentul prin statorul MS) în condiţiile unei sarcini (ideal inductive) variabile pentru care cosφ ≈ 0 şi n = const. la motorul de c.c., se ridica caracteristica in sarcina U = f(IE).

Caracteristica în sarcina inductivă I = A = const.IE [A]U0 [V]

c). Pentru ridicarea caracteristicii de scurtcircuit simetric permanent, înfăşurarea indusului (stator) maşinii sincrone se scurtcircuitează prin realizarea unei legături comune ale bornelor de ieşire ale întrerupătorului K2, menţinând deschis întrerupătorul Q2. Cu maşina antrenata la turaţia nominala a câmpului învârtitor al MS se măsoară curentul de scurtcircuit corespunzător tensiunii electromotoare remanente, după care se închide contactorul K2 şi se măreşte, progresiv, curentul de excitaţie. Se obţine caracteristica Isc = f(IE).

Caracteristica în scurtcircuit U = 0IE [A]U0 [V]

d). Se realizează montajul pentru funcţionarea in regim de motor a maşinii sincrone. Se determina sensul de mişcare al câmpului statoric. In acest sens se porneşte motorul sincron in asincron, cu întrerupătorul Q1 închis in poziţia 1 şi alimentând indusul maşinii sincrone cu tensiune redusa (0,3*UN, aproximativ 175 V ) prin acţionarea contactorului electromagnetic K2 . După realizarea pornirii în asincron, se deschide Q1. Apoi se porneşte motorul de c.c. în condiţiile menţionate anterior, variind rezistenta de câmp Rc a acestuia pana se ajunge la o turaţie apropiata de cea a câmpului maşinii sincrone şi in acelaşi sens cu aceasta. În aceasta situaţie, rotorul are o anumita alunecare fata de câmpul statoric iar polii inductorului trec prin cele doua poziţii limita, corespunzătoare reactanţei sincrone longitudinale, respectiv, transversale. Se notează valorile maxime şi minime ale tensiunii şi curentului măsurate la trusa de măsura. Se calculează reactanţele sincrone.

Determinarea reactanţelor sincrone prin metoda alunecăriiMărimi măsurate Mărimi calculate

Umax [V] Imin [A] Umin [V] Imax [A] Xd [Ω] Xq [Ω] xd xq

Page 6: Masina Sincrona

Exemplu de calcul:

- reactanţa sincronă longitudinală: = Ω

- reactanţa sincronă transversală: = Ω

- impedanţa nominală a maşinii sincrone: = Ω

- valorile reactanţelor în unităţi relative: = u.r.; = u.r.

- reactanţa longitudinală nesaturată se determină (se ridică o verticală la caracteristicile în gol şi scurtcircuit) cunoscând la iE dat t.e.m. la maşina nesaturată (se prelungeşte porţiunea liniară a

caracteristicii de mers în gol) şi curentul de scurtcircuit. = Ω

- reactanţa saturata se determina din caracteristica in gol in sarcina inductiva la ig dat ( se ridica o

verticala) ca raportul: = Ω, unde I este curentul constant la ridicarea caracteristicii de

mers in sarcina.

Page 7: Masina Sincrona

LUCRAREA 2CARACTERISTICILE GENERATORULUI SINCRON AUTONOM

Maşina sincronă este foarte des întâlnită în practică, în special în instalaţiile folosite la producerea energiei electrice trifazate unde este folosită în regim de generator. De asemenea, în acelaşi regim de funcţionarea ceastă maşină se foloseşte ca generator de putere reactivă sau pentru ameliorarea factorului de putere al reţelei la care este cuplat ca şi compensator sincron.

Comportarea generatorului sincron este descrisă de următoarele caracteristici:1.Caracteristica de mers în gol2.caracteristica de scurtcircuit3.Caracteristica externă4.Caracteristica în sarcină5.Caracteristica de reglaj

1. Caracteristica de mers în gol: exprimată de relaţia E0 = f(IE), pentru n = const. şi I = 0, face legătura dintre t.m.m (tensiune magnetomotoare) şi t.e.m. (tensiune electromotoare). Datorită fenomenului de histerezis caracteristic materialelor feromagnetice din care e realizat miezul magnetic al maşinii, această caracteristică ridicată experimental prezintă două ramuri: una pentru c.c. de excitaţie crescător, cealaltă pentru c.c. de excitaţie descrescător (după cum s-a prezentat anterior). Caracteristica de mers în gol este definită prin media pe ordonată a celor două ramuri. În figura 1 se prezintă caracteristicile de mers în gol ale maşinilor sincrone cu poli înecaţi (curba 1), respectiv cea a maşinilor cu poli aparenţi (curba 2).

Figura : 2.1. - Caracteristica generala de mers în gol a generatorului sincron

2. Caracteristica de scurtcircuit: este definită de relaţia I = f(IE), pentru U = 0 şi n = const. = nN

Datorită existenţei posibilităţii de a determina reactanţele maşinii din caracteristicile de mers în gol şi scurtcircuit trifazat, ridicarea acestor caracteristici este necesară. Se are în vedere că, datorită valorii mici a rezistenţei statorului faţă de reactanţă, Isc e defazat cu /2 în urma t.e.m. E. Aceasta e echilibrată de reacţia longitudinală a indusului (statorul) şi de t.e.m. de scăpări. Curentul de scurtcircuit rezultă ca raportul dintre E şi reactanţa sincronă longitudinală Xd. Atât E cât şi Xd depind direct de turaţia maşinii, deci curentul de scurtcircuit este independent în limite largi de turaţie.

Page 8: Masina Sincrona

Figura : 2.2. – Caracteristicile de mers în gol şi de scurtcircuit ale generatorului sincron

3. Caracteristica în sarcină: arată modul de variaţie al tensiunii la borne în funcţie de curentul de excitaţie U = f(IE), la sarcină constantă (I = const.), factor de putere şi frecvenţă constante (cos φ, f = const.). Se evidenţiază influenţa valorii şi caracterului sarcinii (ohmică, inductivă şi capacitivă). Asupra tensiunii la bornele generatorului.

Fig. 2.3. – Caracteristicile în gol şi în sarcină ale unui generator sincron

4. Caracteristica externă: defineşte dependenţa tensiunii de borne de curentul de sarcină U = f(I), în condiţiile în care curentul de excitaţie IE, factorul de putere cos φ, şi frecvenţa rămân constante. O sarcină căzătoare provoacă o scădere a tensiunii la bornele generatorului, caracteristica externă fiind căzătoare; scăderea lui cos φ determină scăderea tensiunii. O sarcină capacitivă are efect opus asupra tensiunii, aceasta crescând.

E0 =f (IE)

U=f (IE)

U=f (IE)

cos φ = 1

cos φ = 0

UE0

IE

Page 9: Masina Sincrona

Figura : 2.4. – Caracteristicile externe ale generatorului sincron

5. Caracteristica de reglaj: reprezintă variaţia curentului de excitaţie la modificarea curentului de sarcină IE = f(I), considerând că tensiunea la borne, factorul de putere şi frecvenţa rămân constante.

Figura : 2.5. – Caracteristicile de reglaj ale generatorului sincron

Page 10: Masina Sincrona

Conţinutul lucrării

Determinarea experimentală a caracteristicilor generatorului sincron autonom:a) Caracteristica de funcţionare în gol: U0 = f(IE) pentru I = 0 (lucrarea 1)b) Caracteristica în sarcină inductivă: U = f(IE) pentru I = const. şi cos = const. (lucrarea 1)c) Caracteristica în scurtcircuit: Isc = f(IE) pentru U = 0 (lucrarea 1)d) Caracteristica externă: U = f(I) pentru IE = const. şi cos = const.e) Caracteristica de reglaj: IE = f(I) pentru U = const. şi cos = const.Toate caracteristicile se determină la frecvenţa nominală (constantă).

Schema de montaj

Datele nominale ale maşinii sincrone:SN= kVA; UN= V; IN= A; n= rot/min

Rezultate experimentale

În cazul încercărilor ce se vor efectua în cadrul acestei lucrări maşina sincronă va funcţiona în regim de generator. Pentru realizarea acestui lucru se fac aceleaşi operaţii ca la primele trei subpuncte ale lucrării anterioare.

+

+

Rp

RcV1

A1A2A2

A3 REK1

K2

TRUSADE

MĂSURĂ

B1 B2A1

A2

Q2

Hzn = const.

GS3

MSarcinăohmică

variabilă

Sarcinăinductivăvariabilă

Sarcinăcapacitivăvariabilă

Page 11: Masina Sincrona

a) Pentru ridicarea caracteristicii externe U = f(I) se aduce generatorul sincron la mersul în gol la parametrii nominali: U = UN; f = fN. Menţinând constantă valoarea nominală a curentului de excitaţie IE astfel determinat, precum şi pe cea a factorului de putere (întrerupătorul manual Q2 este închis pe o sarcină pur ohmică), se măreşte progresiv curentul de sarcină şi se înregistrează valoarea tensiunii la borne. Curentul de excitaţie care asigură parametrii nominali reprezintă valoarea sa nominală.

Se repetă încercarea la alte valori ale factorului de putere, respectiv la valorile sale limită (sarcină inductivă, respectiv capacitivă), punând astfel în evidenţă influenţa naturii sarcinii asupra comportării maşinii.

b) Caracteristica de reglaj, reprezentând dependenţa IE = f(I), se ridică aducând generatorul sincron la mersul în gol la parametrii nominali: U = UN; f = fN. Se măreşte progresiv sarcina menţinând constantă valoarea nominală a tensiunii la borne U.

Se repetă încercarea, ca în cazul precedent, pentru sarcină inductivă, respectiv capacitivă.