Masina Sincrona

CAPITOLUL I

PREZENTAREA MAȘINII SINCRONE

1.1. Generalități

Mașina sincronă este o mașină de curent alternativ a cărei turație este constantă, indiferent de regimul de funcționare și independent de valoarea sarcinii (în limite normale).

Turația este cea de sincronism și este legată riguros de frecvența f a rețelei de curent alternativ la care este cuplată mașina.

Mașinile sincrone pot funcționa în două regimuri de bază, ca generatoare și ca motoare. În regimul de generator, mașina transformă puterea mecanică, primită prin intermediul arborelui de la un motor auxiliar, în putere electrică, debitată într-o rețea de curent alternativ. În regimul de motor, mașina transformă puterea electrică, primită de la o rețea de curent alternativ, în putere mecanică, cedată tot prin intermediul arborelui instalației mecanice.

Un alt regim posibil de funcționare a mașinii sincrone este acela de compensator al factorului de putere. Regimul de compensator nu este însă un regim de bază distinct, ci un regim de motor funcționând în gol.

Cea mai largă răspândire o are mașina sincronă în regim de generator sincron trifazat, folosit în prezent, în exclusivitate, în toate centralele electrice de mare putere.

Motoarele sincrone se utilizează în instalațiile la care este necesară menținerea turației riguros constantă și un factor de putere bun la turații mici.

Compensatoarele sincrone se folosesc pentru compensarea puterii reactive în sistemele electromagnetice.

Regimul de funcționare a unei mașini sincrone se caracterizează prin mărimile nominale înscrise pe plăcuța ei indicatoare după cum urmează:

regimul de funcționare (generator, motor, compensator);

puterea

la generatoare – puterea aparentă la borne, în kVA sau MVA, sau puterea activă la borne, în kW sau MW;

la motoare – puterea mecanică la arbore, în kW;

la compensatoare – puterea reactivă la borne, în kVAR sau MVAR, în regim supraexcitat;

curentul de linie în A sau kA;

tensiunea de linie în V sau kV;

factorul de putere;

numărul de faze;

conexiunea înfășurărilor indusului;

frecvența în Hz;

tensiunea de excitație la funcționarea în gol și în regimul nominal;

curentul de excitație nominal și curentul de excitație maxim admisibil,

în A sau kA.

De remarcat este faptul că, spre deosebire de transformator, la mașina sincronă, sarcina admisibilă nu este caracterizată numai prin puterea aparentă ci și prin factorul de putere, deoarece acesta determină valoarea puterii de excitație.

1.2. Particularități constructive și sisteme de excitație

La mașina sincronă, armătura inductoare, în general rotorul, posedă o înfășurare (de excitație) alimentată în curent continuu, iar armătura indusului, în general statorul, este echipată cu înfășurarea de curent alternativ. Construcția se face astfel, deoarece:

curentul continuu, de alimentare a înfășurării inductorului este mult mai mic decât curentul care circulă prin înfășurarea indusului;

mașinile sincrone de puteri mari, în special generatoarele sincrone, se construiesc de obicei pentru tensiuni mari (până la 30 kV), la care izolația unui bobinaj static prezintă mai multă siguranță de funcționare decât izolația unui bobinaj situat pe o armătură care se rotește. La mașinile de puteri mici (sub 50 kVA), sau la mașini cu destinație specială, se utilizează și construcția „inversă” (indusul – rotorul și inductorul – statorul). După forma inductorului, se deosebesc:

mașini cu poli înecați, utilizate în special la turații mari (3000 – 10.000 rot/min);

mașini cu poli aparenți, folosite la turații mici (de obicei sub 1500 rot/min).

Generatorul sincron se mai numește, după felul motorului de antrenare turbogenerator, când motorul este o turbină cu aburi sau cu gaze, de turație mare și hidrogenerator, când motorul primar este o turbină hidraulică.

Turbogeneratoarele se realizează de obicei ca mașini bipolare, cu poli înecați, cu axul orizontal, iar hidrogeneratoarele se construiesc numai cu poli aparenți și de obicei cu axul vertical.

Generatoarele sincrone antrenate de motoare termice (motoare diesel sau turbine cu gaze de turație joasă) se realizează cu poli aparenți și cu axul orizontal. Motoarele sincrone, la puteri medii și mari, se construiesc de obicei cu poli aparenți. Compensatoarele sincrone se realizează de obicei ca mașini cu poli înecați sau aparenți, la turații de 1000 rot/min sau 1500 rot/min.

Statorul mașinii este alcătuit din:

partea activă – miezul feromagnetic și înfășurarea statorică plasată în crestături;

partea inactivă – carcasa, scuturile cu lagăre, sistemul de ventilație.

Miezul statoric al mașinii sincrone este construit din tole de oțel electrotehnic izolate între ele și prezintă la periferia dinspre rotor, crestături (de diferite forme), în care sunt plasate bobinele înfășurărilor trifazate de curent alternativ. Carcasa se face uneori din fontă turnată, eventual cu nervuri pentru mărirea suprafeței de răcire, iar la mașinile de puteri mari ea se execută din oțel – turnată sau din tablă roluită, sudată și întărită cu profiluri de oțel.

Rotorul mașinii sincrone poate fi cu poli aparenți sau cu poli înecați. Rotorul cu poli înecați este construit dintr-o roată polară (compusă din butuc, brațe și prag) pe care se fixează polii mașinii (compuși din miezul polar și piesa polară). La mașinile de puteri mici, brațele roții polare pot lipsi. Forma piesei polare este astfel realizată încât să se obțină o distribuție a câmpului magnetic în întrefier cât mai apropiată de o sinusoidă. În piesele polare se prevăd crestături (figura 1.1) pentru plasarea barelor coliviei de amortizare. Barele sunt scurtcircuitate la ambele capete prin segmente inelare care se așează numai în lungul arcului polar sau de jur împrejur. Bobinele polare de excitație se efectuează din bandă de cupru sau conductor rotund.

Figura 1.1. Pol aparent prevăzut cu crestături pentru

barele coliviei de amortizare

La periferia rotorului mașinilor cu poli înecați, pe un număr par de porțiuni ale circumferinței acestuia, sunt prevăzute crestăturile în care se așează înfășurarea de excitație (figura 1.2). Fixarea înfășurărilor în crestături se face cu ajutorul penelor, iar fixarea părților frontale cu ajutorul unor bandaje puternice.

Figura 1.2. Variantă de rotor cu poli înecați

Pe axul rotorului sunt dispuse, în general, două inele la care se conectează capetele înfășurării de excitație, iar periile, care calcă pe inele, asigură legătura dintre sursa de curent continuu și înfășurarea de excitație.

Sursa de curent continuu este fie o mașină excitatoare fie o instalație de excitație. Excitatoarea sau instalația de excitație fac parte dintr-un sistem de excitație care asigură funcții multiple de reglaj și de protecție. Sistemul de excitație are un rol semnificativ în comportarea ansamblului generator – motor de antrenare în exploatare, având totodată și o pondere însemnată în costul total al agregatului (5-12%). Principalele surse de excitație ale generatoarelor sincrone sunt următoarele:

excitatoare de curent continuu;

excitatoare de curent alternativ și redresoare;

autoalimentare de la bornele generatorului sincron prin intermediul redresoarelor și transformatoarelor comandate și necomandate;

alimentare de la o rețea de tensiune constantă, prin intermediul redresoarelor comandate.

Sistemul de excitație trebuie să îndeplinească două condiții importante:

viteză de răspuns mare – asigurarea creșterii rapide a tensiunii la bornele înfășurării de excitație a generatorului;

plafon ridicat al tensiunii de excitație – 2÷2,5 ori tensiunea de excitație nominală, în vederea forțării excitației în regimuri tranzitorii de curent.

1.3. Principiul de funcționare al generatorului sincron cu poli înecati

In regim de generator mașina sincrona transforma energia mecanica primită pe la ax de la un motor primar in energie electrică debitată prin stator intr-o rețea de curent alternativ.

Să presupunem o mașină sincronă cu poli inecați (figura 1.3) al cărui rotor este excitat cu un curent continuu , si este rotit in exterior cu viteza unghiulară .

Figura 1.3

Se obține astfel un câmp magnetic învartitor inductor pe cale mecanică, al carei armonică fundamentală are expresia:

(1.1)

unde pulsația câmpului învartitor .

Față de înfașurarea statorică acest câmp învartitor va produce sistemul trifazat simetric de fluxuri:

(1.2)

Sistemul trifazat simetric de fluxuri (1.2) va induce în înfașurarea statorică un sistem trifazat simetric de t.e.m. :

(1.3)

Dacă înfușararea statorica este conectată pe o rețea trifazată echilibrată sau pe un consumator trifazat echilibrat, atunci sitemul de t.e.m. (1.3) va produce un sistem simetric de curenți:

(1.4)

Sistemul de curenți trifazați simetrici (1.4) va produce la rândul sau un câmp magnetic învartitor de reacție al carei fundamentală (armonica de gradul I) va avea expresia:

(1.5)

Câmpul învartitor de reacția exprimat prin relația (1.5) va produce la rândul sau fată de infașurarea statorică un sistem trifazat simetric de fluxuri:

(1.6)

care va induce in stator sistemul trifazat de t.e.m. :

(1.7)

In realitate, in mașina sincronă nu există doua câmpuri învartitoare două fluxuri sau două t.e.m. ci aceste mașini se compun intr-o singură marime.

Astfel, in figura 1.4 se reprezintă compunerea fazarială a acestor marimi considerând rețeaua pe care debitează generatorul inductivă:

Figura 1.4

1.4. Ecuațiile de funcționare ale generatorului sincron cu poli înecați

Vom considera următoarele ipoteze simplificatoare: circuitul magnetic al mașinii este liniar (nu se saturează si nu prezintă fenomenul de histerezis); pierderile in fier sunt neglijate (ulterior vom face corecția necesară); mașina are o simetrie perfectă constructivă, magnetică si electrică, ceea ce include ipoteza unui intrefier constant la periferia rotorului, adică se consideră o mașina cu poli înecați; nu vom lua in considerație decât armonicele fundamentale ale câmpurilor de excitație și de reacție; înfașurarea statorică este conecată la o rețea trifazată echilibrată cu caracter inductiv; rotorul mașinii este rotit din exterior cu turația constantă ; înfașurarea de excitație este alimentată la tensiunea constantă nominală .

De asemenea, in cele ce urmează , vom considera doar regimul staționar de funcționare, regim in care viteza unghiulară a rotorului si tensiunea de excitație ramân constante.

Procedând in mod analog ca la mașina asincronă (sau ca la transformator), vom introduce așa-numitul curent de magnetizare, care are toate atributele câmpului rezultant .

În ceea ce privește câmpul de excitație, vom inlocui rotorul real cu un rotor fictiv imobil, posedând o înfașurare trifazată simetrică, cu același numar de spire pe fază si același coeficient de înfașurare ca și statorul mașinii.

Valoarea efectivă a curentului ce va strabate această infașurare rotorică trifazată fictivă rezultă din egalitatea amplitudinii câmpului magnetic de excițatie real, produs pe cale mecanică de infașurarea monofazată, si a amplitudinii câmpului magnetic învartitor obținut pe cale electrică de infașurare fictivă:

de unde rezultă:

Curentul se numește curent de excitație raportat la stator.

Prin acest artificiu de calcul compunerea fazorială a celor două câmpuri învartitoare (de excitație și de reacție) din figura 1.4. se poate inlocui prin compunerea curenților din figura 1.6., curenții având aceeași pulsație si defazaje reciproce cu câmpurile.

Se obține astfel prima ecuație funcțională in regim staționar a generatorului sincron:

,

ecuație pusă în evidență în diagrama de fazori din figura 1.7.

Dacă se iau in considerație și pierderile in fierul statoric, atunci ecuația suferă o corecție uzuală folosită si la transformator si la motorul asincron:

fiind componenta de magnetizare, iar componenta corespunzătoare pierderilor în fier ale curentului rezultant numit si curent de mers in gol.

Pentru găsirea celei de-a doua ecuatii (de tensiuni) a generatorului sincron vom aplica cea de-a doua teoremă a lui Kirchhoff pe un ochi de circuit ce cuprinde o faza statorica ce se inchide prin nul (figura 1.5.)

Figura 1.5 Figura 1.6

in care:

– t.e.m. rezultantă indusă in stator;

– t.e.m. indusă de fluxul statoric de dispersie, fiind inductivitatea statorică de dispersie;

– este rezistența de fază a infașurarii statorice;

– este curentul de fază statoric;

– este tensiunea de fază la bornele înfașurării statorice.

Ecuația scrisă in complex devine:

unde este reatanța de dispersie statorica.

Figura 1.7 Figura 1.8

In figurile 1.7, 1.8 s-au prezentat diagrama de fazori, respectiv, schema echivalenta a generatorului sincron in regim permanent.

T.e.m. rezultantă indusă in stator de câmpul util rezultant va avea expresia:

Introducând expresia curentului din relația in relația obținem:

in care marimea reprezintă chiar t.e.m. indusă in stator de câmpul invartitor de excitație, iar marimea este t.e.m. indusă in stator de câmpul invartitor de reacție.

Inlocuind pe in relația obținem o nouă formă a ecuației de tensiuni a generatorului sincron:

sau dacă se notează numită reactanță sincrona:

ecuație pusă in evidență de diagrama de fazori din figura 1.9.a, unde se poate observa ca unghiul dintre t.e.m. si este chiar unghiul intern al masinii.

Figura 1.9.a Figura 1.9.b Figura 1.10

De multe ori datorită valorii foarte mici a rezistenței se poate neglija termenul in raport cu diagrama de fazori capatând forma simplificată din figura 1.9.b cu schema echivalentă 1.10.

Ecuația curenților si împreună cu ecuația tensiunilor si cu ecuația formează sistemul ecuațiilor de funcționare a generatorului sincron trifazat cu poli înecati in regim staționar.

1.5. Teoria generatorului sincron cu poli aparenți

La această masină intrefierul variază de-a lungul periferiei rotorului si statorului. Astfel, sub piesa polară este mult mai mic decat restul polului (figura 1.11).

Figura 1.11

Putem afirma ca de-a lungul axei longitudinale a polului avem o reluctantă mică, iar de-a lungul axei transversale aceasta este foarte mare.

Altfel spus, reactanta fluxului de reacție după axa longitudinală este mult mai mare decat dupa axa transversală .

Fluxul inducției magnetice de reacție poate fi descompus după cele doua axe:

(figura 1.12)

Figura 1.12

Cele două componente ale fluxului de reacție induc tensiunile electromotoare:

;

si sunt componentele curentului din indus;

Cu aceste precizări putem scrie:

Iar ecuația de tensiuni devine:

unde s-a notat:

;

care se pot numi reactanta longitudinală respectiv reactanta transversală.

Diagrama de fazori a ecuației de tensiuni este prezentată in figura 1.13.

Figura 1.13

1.6. Caracteristicile generatorului sincron pe rețea proprie

Caracteristicile se definesc la turație constanta a rotorului, condiție asigurată de motorul de antrenare și sunt ridicate experimental pe un circuit cu schema prezentata in figura 1.14.

In scopul aprecierii performanțelor generatoarelor electrice se trasează grafic pe baza încercarilor experimentale la bancul de probă numite caracteristicile generatorului. Ele reprezintă dependența a două marimi considerându-le pe celelalte constante.

De obicei la generatoarele sincrone se trasează caracteristicile urmatoare:

Caracteristica de mers in gol: ;

Caracteristica externa: ;

Caracteristica de reglaj: .

Caracteristica de mers in gol, reprezintă dependența dintre tensiunea la bornele statorului si curentul de excitație, cand curentul debitat de stator este nul (mers in gol), viteza rotorului menținandu-se, de asemenea, constantă.

Această caracteristică are forma unei curbe de saturație care nu porneste din origine (figura 1.15). Valoarea este tensiunea la bornele statorului atunci cand curentul de excitație este nul și se datorează campului inductor remanent din rotor (care ramâne de la o stare anterioară). Se observă ca pe porțiunea AB (masina nesaturată magnetic) practic există o relație liniară între tensiunea și curentul continuu de excitație . Pe această porțiune este posibil sa se regleze tensiunea actionând asupra curentului rotoric. Evident, la creșterea curentului de excitație , curba nu va coincide cu cea de la micșorarea acestuia datorită fenomenului de histerezis magnetic.

Figura 1.15 Figura 1.16

Caracteristica externă, reprezintă dependența dintre tensiunea de la bornele statorului și curentul debitat pe rețea (consumatori) de către masină cand curentul de excitație se menține constant ca si turația rotorului. În figura 1.16 s-au trasat trei caracteristici externe pentru sarcină rezistivă (1), sarcină inductivă (2) si sarcină capacitivă (3).

După cum rezultă din figura 1.16 in cazul sarcinii rezistive si inductive caracteristicile sunt usor descrescatoare, iar in cazul sarcinii capacitive caracteristica este crescatoare.

Explicația formelor (2) si (3) din figura 1.16 se poate da cu ajutorul diagramei de fazori.

Astfel, in figura 1.17.a este trasată caracteristica externă pentru sarcina inductivă , iar in figura 1.17.b la sarcina capacitivă .

b)

Figura 1.17

In aceste diagrame fazorul t.e.m. induse de fluxul de excitație depinzand de curentul de excitație , ramâne constant. Odată cu variația curentului de sarcină variază fazorul .

Menținandu-se (nu se modifică caracterul sarcinii), atunci și . Ca urmare, locul geometric al punctului de funcționare B va fi un arc de cerc capabil de unghiul . Punctul A va corespunde mersului in gol , iar punctul C va corespunde funcționarii în scurtcircuit .

La sarcina inductivă se observă că la creșterea curentului tensiunea la borne scade (curba (2) din figura 1.16), iar la sarcina capacitivă odata cu creșterea curentului crește si (curba (3) din figura 1.16).

Variația tensiunii la borne de la mersul in gol () la mersul in sarcină nominală se definește ca:

și pentru a considera tensiunea de la bornele generatorului constantă această variație de tensiune nu trebuie sa depășească 10% .

Caracteristica de reglaj, reprezintă dependența dintre curentul de excitație si curentul debitat de rețea de catre stator , atunci cand tensiunea la borne si turația rotorului se mențin constante , caracterul sarcinii menținandu-se de asemenea constant .

Caracteristica ne arată cum sa reglam curentul de excitație în așa fel încat la orice curent debitat tensiunea la bornele generatorului sa nu se modifice.

Alura acestor caracteristici pentru trei tipuri de sarcină: (1) – rezistivă; (2) – inductivă; (3) – capacitivă, s-a reprezentat in figura 1.18.

Figura 1.18

1.7. Funcționarea în paralel a generatoarelor sincrone

În centralele electrice sunt instalate de obicei mai multe generatoare sincrone, destinate a funcționa în paralel, pentru a debita energie electrică într-un sistem electroenergetic de putere mare, în comparație cu puterea nominală a fiecărui generator.

Funcționarea a două sau mai multe generatoare sincrone în paralel pe aceleași bare de distribuție a energiei electrice impune o circulație a curenților de la generatoare spre rețea sau invers dar niciodată intre generatoare (curent de circulatie). Existenta unui curent de circulatie de la un generator la altul conduce la o incarcare suprimentară a infașurarilor uneia dintre ele cu efecte termice neplacute ducând la perturbarea funcționarii acestuia.

Pentru a nu exista acest curent de circulație se impune indeplinirea unor conditii numite „conditii de funcționare in paralel”:

aceeași valoare efectivă a tensiunilor ambelor sisteme;

aceeași frecvență;

aceeași succesiune a fazelor (inexistența unui defazaj între cele doua mărimi).

Pentru a arata apariția curenților de circulație în cazul neîndeplinirii uneia dintre aceste condiții să consideram circuitul din figura 1.19 și scriem ecuația tensiunilor pe conturul ce include două faze omoloage statorice si se inchide prin nul. Această ecuație pentru faza R va avea forma:

Presupunând că cele două tensiuni nu sunt egale ca modul sau ca fază (figura 1.20 a, b) din diferența lor va rezulta o tensiune care va genera un curent de circulație prin acest circuit. Tensiunea va fi nula numai atunci cand toate cele trei conditii de funcționare în paralel vor fi indeplinite.

Figura. 1.19 Figura 1.20 a Figura 1.20 b

Inainte de a închide întrerupătorul trebuie sa ne asigurăm ca sunt îndeplinite toate condițiile de funcționare in paralel.

Acest lucru se poate realiza cu ajutorul aparatelor de masură corespunzătoare care, de regulă, se integrează intr-un singur aparat numit sincronoscop.

Sincronoscoapele moderne pot realiza o conectare automată în paralel, în sensul ca pot lua decizii de îndeplinirea condițiilor de funcționare in parelel, decizii cum ar fi cuplarea si reglarea curentului de excitație, cuplarea întrerupatorului de punere in paralel, reglarea turației motorului primar de antrenare, etc.

1.8. Bilanțul puterilor și randamentul mașinii sincrone

Motorul primar, care dezvoltă un cuplu activ Ma (al cărui sens de rotație coincide cu cel al rotorului și deci al câmpului învârtitor) cedează mașinii sincrone puterea mecanică

P1 = Ma .

Asupra indusului mașinii se exercită cuplul electromagnetic

,

deoarece viteza unghiulară relativă a indusului (stator) față de câmpul magnetic învârtitor este . Acest cuplu este pozitiv fiindcă, oricare ar fi natura impedanței de sarcină,

cos (E0, I)>0.

Cuplul electromagnetic tinde să rotească indusul în sensul câmpului învârtitor dar, statorul fiind fix, nu se poate roti. Conform principiului acțiunii și reacțiunii, asupra rotorului se exercită în acest caz un cuplu electromagnetic M, în sens opus sensului de mișcare, deci reprezintă un cuplu rezistent. Pe de altă parte, asupra rotorului se mai exercită și alte cupluri rezistente, cuplul datorat frecărilor mecanice și de ventilație, Mfv, și cuplul datorat excitatoarei de curent continuu, Mex, (dacă aceasta este cuplată la axul generatorului sincron). Dacă se consideră ca sens pozitiv al cuplului electromagnetic sensul câmpului învârtitor, se obține:

Ma – Mfv – Mex = -M

sau,

Ma = -M + Mfv + Mex

și înmulțind cu viteza unghiulară,

Ma = P1 = -P + Pfv + Pex.

Deci, din puterea absorbită pe la ax, P1= Ma, o parte, Pfv = Mfv, reprezintă pierderile mecanice de frecare și ventilație ale mașinii, altă parte, Pex = Mex, reprezintă puterea mecanică preluată de excitatoare (dacă aceasta este cuplată la axul generatorului) și altă parte, P = – M, reprezintă puterea electromagnetică ce se transmite de la rotor la stator, la nivelul întrefierului, prin intermediul câmpului electromagnetic. Puterea electromagnetică este componenta cea mai importantă a puterii absorbite. Din această putere P, o parte acoperă pierderile în înfășurările statorului, PCu2 (pierderi prin efect Joule), o altă parte compensează pierderile în miezul feromagnetic al statorului, PFe2 (pierderi de histerezis și prin curenți turbionari), iar cea mai mare parte devine putere utilă, P2 și este transmisă impedanței de sarcină. Se poate considera că în miezul feromagnetic al rotorului nu se produc pierderi deoarece acesta este străbătut de un câmp magnetic constant în timp.

Bilanțul puterilor mașinii sincrone este prezentat schematic în figura 1.21.

Figura 1.21. Bilanțul puterilor mașinii sincrone

Randamentul generatorului sincron se exprimă prin relația:

,

unde U și I sunt mărimile de fază. Valoarea randamentului crește cu puterea unitară a generatorului, ajungând la valori maxime de 98-98,5 % pentru puteri de ordinul sutelor de MVA.