MASINA SINCRONA - Producerea sistemului trifazat simetric

MASINA SINCRONA

Producerea sistemului trifazat simetric de tensiuni electromotoare in generatoarele sincrone.

Consideram un sistem de trei spire 1-1', 2-2', 3-3' fixate rigid pe un arbore (ax) si decalate in spatiu la 2 /3 una fata de cealalta, si care se rotesc impreuna cu viteza unghiulara constanta ω intr-un camp magnetic uniform de inductie B. Daca notam cu α + α₀ unghiul pe care il formeaza la un moment dat normala la spira 1-1' cu inductia magnetica , atunci fluxul magnetic prin aceasta spira este:

unde S este aria suprafetei spirei. Tensiunea electromotoare indusa in spira va fi (α = ωt ):

Tensiunile electromotoare induse in spirele 2-2' si 3-3' decalate in urma cu 2 /3, respectiv inaine cu 2 /3 fata de spira 1-1' vor fi:

Cele trei tensiuni electromotoare e₁, e₂, e₃ formeaza un sistem trifazat de tensiuni simetric electromotoare sinusoidale. Valoarea efectiva a acestor tensiuni electromotoare este:

E = BSω/= 2 f B S / = 4.44 f B S

Daca in locul celor trei spire se afla trei bobine avand fiecare N spire valorile efective ale tensiunilor electromotoare vor fi: E = 4.44 B N S

In practica producerea sistemului trifazat de tensiuni electromotoare in generatoarele electrice sincrone se face dupa principiul prezentat, dar cu unele particularitati tehnologice. Cele trei bobine 1-1', 2-2', si 3-3' sunt fixe si se afla asezate in niste crestaturi sau pe niste poli la periferia interioara a statorului generatorului sincron, ele sunt fazele generatorului. Campul magnetic constant este produs de catre o infasurare de curent continuu ce se afla dispusa pe rotorul generatorului; alimentarea cu curent continuu a infasurarii rotorice se face de la o sursa de curent continuu prin intermediul unor perii colectoare fixe ce aluneca pe niste inele colectoare fixate pe rotor. Rotorul generatorului este rotit mecanic de catre o masina exterioara: turbina cu aburi in centralele termoelectrice sau turbina hidraulica in centralele hidroeletrice (hidrocentrale).

In figura alaturata este prezentat rotorul generatorului in cateva pozitii succesive si tensiunile electromotoare induse in fazele statorice prin rotirea rotorului ( figurile explicative sunt preluate din

Department of Energy, Fundamentals Handbook, ELECTRICAL SCIENCE

Module 12 AC Motors

Campul magnetic rotitor. Producerea campului magnetic rotitor in msinile de curent alternativ trifazate.

Un camp magnetic este rotitor daca vectorul inductiei magnetice se roteste in spatiu in jurul unei axe perpendiculare pe directia lui . In figura alaturata am considerat un camp magnetic uniform, caracterizat prin inductia magnetica ce se roteste in jurul unei axe perpendiculare pe figura ce trece prin originea axelor de coordonate O. Proiectiile vectorului pe axele Ox si Oy sunt (α = ω t):

B_x = B cos ω t

B_y = B sin ω t

Acest camp magnetic se roteste in sens triginometric. Este valabila si afirmatia reciproca: un camp magnetic ale carui proiectii pe axele Ox si Oy ale unui sistem de axe rectangular sunt date de expresiile de mai sus este un camp magnetic rotitor in sens trigonometric in jurul unei axe perpendiculare in punctul O pe planul xOy.

Vom arata ca un camp magnetic rotitor poate fi produs cu ajutorul a trei spire (bobine) coaxiale, asezate decalat in spatiu la 120⁰ una fata de cealalta si alimentate cu un sistem trifazat simetric de curenti sinusoidali (defazati la 120⁰ unul fata de altul).

Fie trei spire coaxiale (axa comuna este perpendiculara in O pe planul xOy) asezate decalat in spatiu la 120⁰ una fata de cealalta parcurse de un sistem trifazat simetric de curenti sinusoidali:

i₁ = I sin ω t

i₂ = I sin ( ω t - 2

i₃ = I sin ( ω t + 2

Inductiile magnetice ale campurilor magnetice produse de curentii din cele trei spire sunt B₁, B₂, B₃:

B₁ = B_max sin ω t

B₂ = B_max sin ( ω t - 2

B₃ = B_max sin ( ω t + 2

Campul magnetic rezultant in punctul O va avea componentele pe axe:

B_x = B₁ cos 90⁰ - B₂ cos 30⁰ + B₃ cos 30⁰

B_y = B₁ cos 0⁰ - B₂ cos 60⁰ - B₃ cos 60⁰

Inlocuind valorile inductiilor magnetice in expresiile anterioare se obtine:

B_x = ( - B_max sin ( ω t - 2 /3 ) + B_max sin ( ω t + 2 /3 )) =

= B_max (sin ω t + cos ω t - sin ω t + cos ω t ) = B_max cos ω t

B_y = B_max sin ω t - ( B_max sin ( ω t - 2 /3 ) + B_max sin ( ω t + 2 /3 ) ) =

= B_max ( sin ω t - (sin ω t - cos ω t - sin ω t + cos ω t ) = B_max sin ω t, adica:

B_x = B_max cos ω t, B_y = B_max sin ω t

Expresiile obtinute sunt identice cu acelea ale unui camp magnetic rotitor ce se roteste in sens trigonometric, in concluzie cele trei spire 1-1' , 2-2', 3-3' din figura produc un camp magnetic rotitor ce se roteste in sensul de la spira 1 spre spira 2 cand sunt parcurse de un sistem trifazat simetric de curenti de succesiune directa.

Constructia si marimile nominale ale masinii sincrone

Masina sincrona functioneaza in regim de generator sau motor.

Generatoarele sincrone sunt realizate ca generatoare sincrone trifazate si servesc pentru producerea energiei electrice. Motoarele sincrone se folosesc la actionarea unor utilaje de mare putere la care nu este necesara reglarea turatiei si care nu necesita porniri prea dese.

Masina sincrona are doua parti constructive de baza: statorul si rotorul.

Statorul masinii sincrone este partea fixa (imobila) a masinii, care cuprinde: carcasa, miezul magnetic statoric, infasurarile statorice , scuturile portlagar, periile colectoare si cutia de borne. Miezul statoric 1 este realizat din tole de otel electrotehnic de 0.5 mm grosime izolate prin lacuire sau oxidare. Miezul statoric are forma de coroana cilindrica si este prevazut la periferia interioara cu crestaturi (santuri) longitudinale in care se aseaza infasurarea statorica 2 (trifazata). Infasurarile statorice sunt de obicei trifazate, realizate din conductoare de cupru. In aceste infasurari se induce tensiunea electromotoare la generatoare si de aceea poarta denumirea de indusul masinii sincrone. Capetele infasurarilor sunt scoase la o cutie de borne pentru a putea conecta masina in circuitul electric al retelei trifazate industriale. Periile colectoare servesc pentru alimentarea infasurarilor rotorice.

Rotorul masinii sincrone este partea mobila a masinii, care cuprinde arborele, miezul de fier rotoric, infasurarile rotorice (de curent continuu), inelele colectoare. Miezul feromagnetic rotoric este fixat pe arborele masinii si serveste pentru inchiderea campului magnetic. Exista doua forme constructive principale ale rotorului:

• rotor cu poli aparenti format dintr-o serie de poli cu piese polare 5 fixati de jugul 7 al rotorului cu buloane sau pene. Pe poli sunt asezate bobinele rotorice, numite bobine de excitatie, alimentate in curent continuu astfel incat sa formeze poli care sa alterneze succesiv: N, S, N,.etc. Rotorul cu poli aparenti se foloseste numai la masini sincrone cu turatie de cel mult 1000 rot/min (3 perechi de poli N-S) deoarece este dificil sa se asigure o rezistenta mecanica corespunzatoare la turatii mai ridicate pentru aceasta varianta constructiva.
• rotor cu poli inecati format dintr-un bloc masiv cilindric de otel prevazut la periferie cu crestaturi longitudinale in care se aseaza infasurarea rotorica de excitatie. Din acelasi bloc de otel este realizat si arborele rotorului. Capetele infasurarii rotorice (de curent continuu) sunt conectate la doua inele colectoare pe care aluneca niste perii ce realizeaza legatura electrica dintre partea rotorica (in miscare de rotatie) si partea fixa a masinii. Aceasta varianta constructiva este preferata la viteze mari de rotatie de 1500 sau 3000 rot/min datorita rezistentei mecanice mai ridicate si sigurantei mai mari in functionare.

Alimentarea in curent continuu a infasurarii de excitatie a masinii sincrone se poate realiza de la un generator de curent continuu ce se afla pe acelasi arbore (ax) cu masina sincrona, denumit excitatoare sau excitatrice. Infasurarea rotorica a generatorului, cea care prin miscare de rotatie induce tensiune electromotoare in infasurarile statorice se numeste infasurare de excitatie sau inductor. Generatoarele sincrone de turatie mare (1500 sau 3000 rot/min) si de putere nominala mare se construiesc cu poli inecati si sunt antrenate de turbine cu abur, turbogeneratoare. Generatoarele sincrone cu poli aparenti, de turatie redusa si putere nominala mare sunt antrnate , de regula, de turbine hidraulice si se numesc hidrogeneratoare.

Marimile nominale ale masinii sincrone sunt:

puterea nominala, este puterea electrica la borne in regim nominal pentru generatoare, respectiv puterea mecanica utila la arbore pentru motoare, in kW,

tensiunea nominala, este tensiunea de linie a infasurarii trifazate, in V,

curentul nominal de linie, in A,

conexiunea infasurarilor indusului, ( stea Y, sau triunghi D)

factorul de putere nominal, cos

randamentul nominal

frecventa nominala, f de obicei 50 Hz,

turatia nominala, daca masina are p perechi de poli turatia nominala este f/p rotatii pe secunda, respectiv 60f/p rot/min,

tensiunea si curentul de excitatie la sarcina nominala.

Pe placuta indicatoare a masinii se mai inscrie regimul de functionare (generator, motor, compensator sincron) serviciul nominal si gradul de protectie.

Functionarea ca generator a masinii sincrone

Principiul de functionare ca generator pentru producerea sistemului trifazat de tensiuni electromotoare a fost expus, ca o aplicatie a legii inductiei electromagnetice. Regimul de generator este principalul regim de functionare al masinii sincrone. Inductorul masinii sincrone este constituit din infasurarea de excitatie rotorica, alimentata in curent continuu de la excitatoare (generator de curent continuu) sau de la o sursa de curent continuu separata. Inductorul are un numar p de perechi de poli N-S si este rotit cu o viteza de rotatie fixa de 60f/p rot/min unde f este frecventa tensiunii alternative produsa de generator (50 Hz). In infasurarea trifazata a indusului (situata pe statorul generatorului) se induce un sistem trifazat de tensiuni electromotoare simetric care este disponibil la bornele generatorului si poate alimenta receptoare trifazate din sistem. Astfel prin infasurarile statorice vor lua nastere curenti trifazati ce vor alimenta receptoarele din sistem. Datorita interactiunii dintre campul magnetic produs de rotor (inductor) si curentii din infasurarile statorice ( ale indusului) apare un cuplu electromagnetic M ce se exercita atat asupra indusului in sensul de rotire al rotorului, cat si asupra inductorului in sens invers sensului de rotire al rotorului. Astfel pentru a produce si mentine curentii din infasurarile statorice generatorul sincron trebuie sa primeasca o putere mecanica MΩ, unde Ω este viteza unghiulara a rotorului, pe care sa o transforme in putere electrica numita putere electromagnetica P_em.

Generatorul sincron primeste pe la arbore o putere mecanica P₁ = M_ext Ω . O parte P_mv din aceasta putere se pierde prin frecari in lagare, frecari cu aerul si pentru antrenarea ventilatorului. Daca pe arborele masinii se afla o excitatoare atunci aceasta preia si ea o parte P_ex' din puterea de la arbore. Puterea ramasa este transferata statorului ca putere electromagnetica P_em. O mare parte din puterea electromagnetica P₂ = 3 U I cosφ este furnizata de generator in sistem consumatorilor trfazati. In miezul magnetic al statorului (indusului) apar pierderi in fier P_Fe iar in infasurarile statorului apar pierderi prin efect Joule-Lenz P_J. Diagrama energetica a generatorului sincron arata ca in figura de mai jos. Randamentul generatorului sincron este :

Randamentul generatorului sincron este intre 0.9-0.95 pentru puteri ale generatoarelor intre 10 si 1000 kW, iar pentru puteri de 250 MW randamentul atinge 0.985.

Functionarea ca motor a masinii sincrone

La functionarea ca motor a masinii sincrone infasurarea statorica trifazata a masinii este alimentata de la reteaua trifazata cu un sistem trifazat simetric de tensiuni electromotoare. Prin infasurare vor lua nastere trei curenti simetrici, care vor produce un camp magnetic rotitor, asa cum s-a aratat anterior. Rotorul motorului sincron este, la randul sau, alimentat in curent continuu, sau la motoare electrice de mica putere este un magnet permanent. Campul magnetic rotitor produs de stator se roteste cu o viteza constanta de 60f/p rot/min, adica de 3000/p rotatii pe minut in cazul cand f=50 Hz. Numarul de perechi de poli ai infasurarii statorice este intreg: 1, 2, 3,. , astfel ca turatiile campului magnetic rotitor sunt, corespunzator 3000, 1500, 1000 , ., rot/min.

Ne putem imagina ca, spre exemplu, campul magnetic rotitor ar fi produs de magnetul permanent 1 prin rotirea potcoavei magnetice din figura in jurul unei axe perpendiculare pe figura ce trece prin mijlocul magnetului permanent 2. Daca magnetul permanent 2 este, la randul sau, rotit din exterior pana ce viteza de rotatie a lui se apropie de a magnetului 1, atunci magnetul 2 poate fi "prins" de magnetul 1 si antrenat (tras) in miscare de rotatie cu aceasi viteza de rotatie ca si 1. In aceasta situatie magnetul permanent 2 (rotorul) se va roti "sincron" cu magnetul permanent 1 (campul magnetic rotitor produs de infasurarea statorica). De mentionat faptul ca pentru punerea in miscare a rotorului este necesara rotirea rotorului cu o viteza de rotatie apropiata de a campului magnetic rotitor, deci este necesara o instalatie speciala de pornire a motorului sincron. Altfel, motorul sincron nu porneste , rotorul nu poate fi "prins" de campul magnetic rotitor care se roteste cu o viteza foarte mare, 3000/p rot/min.

In timpul functionarii motorului sincron puterea electromagnetica este transformata in putere mecanica si cedata prin intermediul arborelui utilajului antrenat de motor. Pe masura ce cuplul rezistent mecanic cerut de utilaj este mai mare unghiul dintre axa magnetica a campului magnetic rotitor si axa magnetica a rotorului creste iar daca este depasita puterea nominala mecanica unghiul poate atinge 90⁰ iar rotorul "scapa", nu mai este antrenat in miscare de rotatie, este "pierdut din sincronism" si motorul se opreste. Situatia aceasta poarta denumirea de iesire din sincronism a motorului sincron sau pierdere a sincronismului. Este necesara repornirea motorului sincron.