Functionarea masinii sincrone in regim de generator in gol si in sarcina

Functionarea masinii sincrone in regim de generator in gol si in sarcina

Se considera masina sincrona trifazata cu 2p poli al carui rotor este antrenat de un motor primar (turbina cu abur, cu apa, etc) cu turatia n₁ constanta, respectiv cu viteza unghiulara [rad/sec], intr-un sens dat, motor care dezvolta la arbore cuplul activ M_a

Se admite ca masina functioneaza in gol, adica infasurarea de excitatie plasata pe rotor este alimentata in c.c., iar infasurarea indusului nu este conectata la consumatori, adica curentul I_a ce trece prin aceasta este nul (I_a

Curentul continuu de excitatie I_e produce in infasurarea inductorului (indiferent de forma sa constructiva), t.m.m F_e = w_e I_e ce excita fluxul magnetic inductor Φ care produce pe cale mecanica campul magnetic inductor fix fata de rotor si invartitor cu turatia de sincronism n₁ fata de stator, a carui expresie in reperul fix fata de stator (FS-fig. 5.6) este:

(5.1)

in care:

ω₁=pΩ₁ - pulsatia fluxului magnetic inductor;

p = numarul de perechi de poli ai infasurarii

Fig.5.6 Stabilirea sistemelor de referinta FS si FR la masina sincrona

In fig. 5.7 se prezinta repartitia spatiala alternativ simetrica ( trapezoidal-curbilinie) a cimpului magnetic inductor in functie de coordonata spatiala α=pΩt, repartitie ce se descompune in armonica fundamentala (1) si armonici superioare de ordin impar 3, 5, (fig. 5.7).

Fig.5.7 Campul magnetic inductor invartitor cu turatia de sincronism n₁ din rotorul masinii sincrone, descompunerea acestuia in armonicile de ordinul 1, 3, 5.

Campul magnetic inductor (rotoric) invartitor fata de stator produce in infasurarile statorice fixe fluxuri magnetice variabile in timp (datorita modificarii pozitiei in timp a rotorului) potrivit relatiilor:

(5.2)

unde:

- fluxul magnetic inductor maxim

Aceste fluxuri induc in infasurarile statorului t.e.m de aceeasi pulsatie ω₁, dar defazate cu π/2 in urma fluxurilor, avand expresiile:

(5.3)

unde:

(5.4)

unde:

w₁ - numarul de spire al infasurarii statorice de curent alternativ;

- coeficientul de infasurare al infasurarii statorice;

- fluxul magnetic fascicular inductor dintr-o spira a infasurarii de faza a statorului

- fluxul magnetic inductor maxim ce induce t.e.m E₀ intr-o infasurare de

faza a statorului.

La functionarea in sarcina a masinii (fig 5.8), fazele statorului AX, BY, CZ conectate in stea sunt cuplate pe o impedanta de sarcina sau la o retea de putere iar prin aceasta va circula sistemul trifazat de curenti.

(5.5)

care creaza pe cale electrica un camp magnetic invartitor, numit camp magnetic de reactie a indusului de expresie:

(5.6)

sincron cu campul magnetic invartitor inductor.

Fig.5.8 Schema de principiu a generatorului sincron,

ce alimenteaza consumatorul trifazat

Cele doua campuri magnetice invartitoare (inductor si de reactie) fiind sincrone se compun si dau campul magnetic invartitor rezultant de expresie:

(5.7)

In teoria masinilor sincrone este introdusa descompunerea parametrilor realizata dupa doua axe ortogonale d si q prin metoda celor doua reactii. Aceasta are o importanta deosebita in special la masinile sincrone cu poli aparenti, la care intrefierul dintre stator si inductor are marime variabila dar indeplineste conditia δ(θ)=δ(θ+) unde θ este unghiul geometric masurat intr-un sistem de referinta FS, fix fata de stator (fig.5.6).

Avand in vedere proportionalitatea intre I_e, F_e, B₀, E₀ pe de o parte si intre I_a, F_a, Φ_a, B_a, E₀ pe de alta parte (in ipoteza neglijarii pierderilor in miezul feromagnetic statoric) in fig.5.9, intr-o diagrama combinata (vectorial-fazoriala) se reprezinta:

Ø     vectorii si fazorii I_e, Φ₀, Φ_ad, I_ad orientati dupa axa longitudinala d ce coincid cu axa polului inductor;

Ø     vectorii si fazorii Φ_a, I_d ce fac unghiul Ψ cu axa transversala (interpolara) q aflata in cuadratura electrica cu axa d;

Ø     vectorii si fazorii Φ_aq, I_aq, E₀ orientati dupa axa q.

Din fig.5.9 se constata urmatoarele:

Ø     unghiul Ψ dintre fazorii E₀ si I_a depinde de natura consumatorului (rezistiv, inductiv, capacitiv) si are valori cuprinse in intervalul ;

Ø     in regim de generator, vectorul campului magnetic inductor aflat in axa d (axa polului rotoric) se afla inaintea vectorului camp magnetic rezultant cu unghiul θ numit unghiul intern al masinii, adica: unghiul intern al masinii sincrone reprezinta unghiul dintre axa polului rotoric si directia campului magnetic rezultant din masina.

Fig.5.9 Diagrama combinata a marimilor vectoriale (barate superior) si fazoriale (barate inferior) la generatorul sincron cu poli aparenti

Din fig.5.9 pe baza proportionalitatii dintre rezulta ca componentele lor dupa axele d si q ce se pot scrie astfel:

(5.3)

de unde rezulta ca:

Unghiul depinde de caracterul curentului I_a: activ, inductiv, capacitiv, mixt.

In fig.5.10 a, b se reprezinta cazurile limita ale unghiului si si se constata urmatoarele:

Ø     daca , adica sarcina masinii este rezistiva, atunci si reactia indusului este transversala (campul de reactie se inchide de-a lungul axei transversale a masinii);

Ø     daca , adica sarcina masinii este pur inductiva atunci B_aq=0 si B_ad se opune lui B₀, reactia indusului fiind longitudinala demagne-tizanta, avand ca efect reducerea campului magnetic inductor B₀ .

Ø     daca , adica sarcina este pur capacitiva, B_aq=0, iar B_ad este de acelasi sens cu B₀, reactia indusului fiind logitudinala magnetizanta, avand ca efect intarirea campului magnetic inductor.

In practica, reactia indusului la masina sincrona are un caracter demagnetizant.

a b

Fig.5.10 Descompunerea marimilor I₁, F_a, Φ_a, E_a dupa axele d si q.