INGINERIE ELECTRICA - Masina sincrona in regim dinamic de mari oscilatii

 

INGINERIE ELECTRICA

 

Masina sincrona in regim dinamic de mari oscilatii

Consideratii generale

Masina sincrona este tipul de masina electrica de curent alternativ care, pentru o tensiune la borne de frecventa data, indiferent ce valoare are sarcina intre limitele admise, functioneaza cu o turatie riguros constanta.

Este utilizata in principal ca generator fiind principala modalitate de obtinere a energiei electrice, echipand toate centralele electrice de mare putere a lumii. Generatorul sincron in functie de tipul masinii de antrenare este numit: turbogenerator (antrenat de o turbina cu aburi sau cu gaze) sau hidrogenerator (antrenat de o turbina hidraulica).

Masina sincrona se utilizeaza si ca motor sincron in care este necesara pastrarea unei turatii riguros constante, iar cuplul rezistent nu prezinta variatii prea mari sau socuri.

Masina sincrona se mai utilizeaza si pentru compensarea factorului de putere al marilor consumatori de putere reactiva numit compensator sincron. Acesta nu transmite putere mecanica prin arbore avand dimensiuni mai reduse in schimb, infasurarea sa de excitatie este mai larg dimensionata si intrefierul este mai mare.

In studiul masinii sincrone se presupune ca lucreaza in regim sinusoidal si incarcata simetric. Conditiile de simetrie sunt respectate cand masina lucreaza ca motor, iar aspectele teoretice sunt exprimate pe aceasta ipoteza. Insa in regim de generator in cele mai multe cazuri incarcarea nu este simetrica.

Daca regimul este nesimetric, dar sinusoidal, studiul masinii sincrone se poate efectua cu ajutorul componentelor simetrice, pentru care sunt valabile ecuatiile stabilite pentru regimul simetric. Parametrii masinii trebuie insa considerati fata de componentele respective, de succesiune directa, inversa si homopolara.

Necesitatea temei este impusa de situatia in care masina sincrona prezinta o particularitate cu implicatii deosebite pentru functionarea sa si a sistemului electroenergetic la care este legata, si anume corespondenta riguroasa dintre viteza unghiulara de rotatie si frecventa retelei de curent alternativ. Orice masina sincrona este practic in permanenta supusa unor perturbatii de natura electrica (scurtcircuite, conectari si deconectari de sarcina.) si de natura mecanica (cuplul activ neuniform, treceri de la un cuplu activ la altul.). Aceste perturbatii fac ca masina sa fie intrun regim dinamic permanent. Regimul dinamic al masinii sincrone care urmeaza unei perturbatii oarecare poate fi descris prin ecuatii diferentiale neliniare, iar pentru a studia stabilitatea dinamica a masinii inseamna a rezolva direct sau indirect aceste ecuatii.

Studiul stabilitatii dinamice este dificil de efectuat depinzand nu numai de conditiile initiale cat si de marimea si caracterul perturbatiei. Cea mai simpla perturbatie ce poate fi luata in considerare este un salt brusc al cuplului activ ce nu se intalneste in exploatarea generatoarelor sincrone, in schimb se poate intalni in cazul motoarelor sincrone.

Cu ajutorul unor ipoteze simplificatoare putem liniariza ecuatiile in teoria celor doua axe, dar la o perturbare a regimului stationar al unei masini sincrone, presupusa conectata la o retea puternica, insotita de oscilatii mecanice de amplitudini mari ale rotorului, aceste ecuatii nu mai pot fi utilizate.

Pentru analiza proceselor dinamice la oscilatii de amplitudini mari trebuie sa apelam la integrarea numerica a acestor ecuatii. In cazuri particulare sau in ipoteze larg simplificatoare obtinem si solutii analitice, importante prin faptul ca ne precizeaza factorii ce conditioneaza procesul tranzitoriu considerat si ponderea lor. Daca luam in considerare generatorul sincron conectat la sistemul electroenergetic trebuie sa avem in vedere ca aceste perturbatii pot aparea datorita instabilitatii acestor sisteme.

Aceste perturbatii finite de valoare mare si aplicate brusc determina o instabilitate in functionarea sincrona a generatoarelor electrice datorita modificarii puterii transmise sistemului in timp ce puterea mecanica data de turbina ramane constanta.

Daca apare un scurtcircuit exterior acesta conduce la diminuarea puterii debitate rezultand o accelerare a rotorului iar dupa deconectarea elementului de scurtcircuit trebuie sa existe conditii pentru franarea rotorului accelerat in perioada anterioara, altfel cresterea nelimitata determina iesirea din sincronism.

Procesul dinamic este de tip electromecanic deoarece rezulta in urma unui dezacord al puterii electromagnetice cu a celei mecanice, variind rapid puterea transmisa, respectiv curentul debitat.

Dupa analiza amanuntita a functionarii unei masini sincrone in regim dinamic de mari oscilatii putem extrage concluzii ce ne pot indrepta spre o posibila optimizare a parametrilor masinii.

In urma consideratiilor mentionate mai sus am extras scopul urmarit si principalele obiective ce mi le-am propus.

Scopul urmarit

Scopul urmarit este de obtinere a unor rezultate experimentale astfel incat sa se poata stabili valorile necesare ale parametrilor corectati a masinii sincrone fata de cele stabilite prin metode clasice astfel incat masina sincrona sa raspunda cerintelor specifice de functionare in regim dinamic.

Structura proiectului

Consideratii teoretice ale masinii sincrone. Prezentarea masinii sincrone. Ecuatii generale. Masina sincrona in regim stationar si in regim dinamic.

In acest capitol succint voi prezenta consideratiile teoretice ale masinii sincrone, ecuatiile generale, masina sincrona la functionare in regim stationar si regim dinamic.

Modelarea matematica a masinii sincrone. Influenta saturatiei magnetice.

In cadrul acestui capitol pornind de la Ecuatiile lui Park:

;

unde:

.

adaugand ecuatia miscarii:

;

Avand sistemul:

=+ (3)

unde:    (4)

si - viteza unghiulara electrica instantanee a rotorului.

Imi propun sa analizez modele matematice existente pentru masina sincrona urmand a propune o varianta imbunatatita.

Influenta saturatiei magnetice.

In dezvoltarea ecuatiilor de baza ale generatorului sincron si analiza caracteristicilor sale se neglijeaza efectele saturatiei magnetice a fierului statoric si rotoric. Totusi, dupa cum este cunoscut, in cazul unui circuit feromagnetic apare fenomenul de saturare a fierului care conduce la neliniaritati puternice. Astfel, in cazul general al circuitelor magnetice cu intrefier, de tipul celor prezente in masinile sincrone, pentru care calea de inchidere a fluxului magnetic cuprinde fierul magnetic si aerul intrefierului, intre fluxul magnetic si tensiunea magnetomotoare (t.m.m.) U_m exista o relatie de dependenta reprezentata de caracteristicile din figura

In absenta saturatiei fierului magnetic, aceasta dependenta este reprezentata de dreapta OA numita linia sau caracteristica intrefierului Pe masura ce tensiunea magnetomotoare creste, fierul se satureaza, iar caracteristica se abate de la linia intrefierului urmand curba de saturatie OB a acestuia. Tensiunea magnetomotoare U _mt necesara obtinerii unei valori date a fluxului total se compune din tensiunea magnetomotoare corespunzatoare liniei intrefierului fierului magnetic U _mf , adica: .

Fig. 1 - Caracteristicile flux - tensiune magnetomotoare ale unui circuit feromagnetic

Prin neglijarea saturatiei se obtin relatii de dependenta liniara intre fluxurile magnetice, respectiv tensiunile electromotoare si curentii corespunzatori care, in cazul generatorului sincron, simplifica foarte mult efortul de calcul. In schimb considerarea fenomenului de saturare a fierului magnetic, prin neliniaritatile puternice pe care le introduce, face mult mai complicata analiza regimurilor de functionare. Avand in vedere cele de mai sus la influenta saturatiei exista mai multe puncte de vedere pe care le voi prezenta si analiza critic.

Stabilitatea functionala a masinii sincrone. Stabilitatea dinamica a masinii sincrone.

La acest capitol am in vedere capacitatea masinii sincrone de a prelua socul de sarcina, astfel ca in final sa nu se produca pierderea sincronismului.

Conform caracteristicii unghiulare daca ordonata punctului 3 este mai mare decat ordonata lui 2 functionarea este stabila, altfel iese din sincronism.

P

P

P2