Regimul de motor al masinilor sincrone

Regimul de motor al masinilor sincrone

Motorul sincron, ca toate motoarele electrice transforma energia electrica in energie mecanica. In acest sens, infasurarea lui statorica se alimenteaza din reteaua trifazata, iar cea rotorica - de la excitatoarea de c.c.

Dupa cum s-a aratat, la trecerea prin infasurarea statorica a curentilor, ce constituie un sistem trifazat, se creaza ca si la motorul asincron campul magnetic invartitor. Rotorul insa datorita inertiei mari nu poate a se roti simultan cu campul magnetic invartitor, a carui viteza se stabilizeaza instantaneu.

Ca efect al acesteia nu apare cuplajul magnetic intre polii fictivi ai campului magnetic invartitor si polii rotorici. Iata de ce se aplica procedee speciale de por-nire a motorului sincron. Esenta lor consta in aceea ca rotorul motorului se roteste cu putere exterioara pana la o viteza apropiata de viteza de sincronism, la care polii sai odata cu ai campului sau magnetic se cupleaza cu campul magnetic invartitor. La viteze relativ mici intre campul magnetic invartitor si rotor este posibila intrarea in sincronism (atragerea polilor rotorici de polii campului magnetic invartitor) si rotorul incepe a se roti sincron cu campul magnetic cu turatia n₁=f₁/p.

Practic, exista trei procedee de pornire a motoarelor sincrone:

Ø    pornirea cu ajutorul unui motor auxiliar;

Ø    pornirea asincrona;

Ø    pornire cu frecventa redusa.

Potrivit primului procedeu de pornire, motorul sincron se antreneaza pana la viteza de sincronsim cu ajutorul unui motor auxiliar (cel mai adesea asincron) si dupa aceasta se cupleaza la retea, iar motorul auxiliar se decupleaza. Obisnuit motorul de pornire (de antrenare) are puterea de la 5 pana la 15% din puterea motorului sincron. Acest procedeu aproape nu mai are aplicare. Se utilizeaza nu-mai pentru pornirea compensatoarelor sincrone de putere. In acest caz, motorul de antrenare este asincron (cu inele de contact) a carui turatie se regleaza prin rezistente active introduse in circuitul lui rotoric.

In prezent, aplicatie larga are procedeul de pornire in asincron. Potrivit aces-tuia, motorul sincron se porneste mai intai ca motor asincron, iar dupa ce atinge viteza apropiata de cea de sincronism, prin infasurarea lui de excitatie se trece cu-rentul continuu. Motorul intra in sincronism si continua sa functioneze ca sincron.

Pentru a se putea porni in asincron, motorul sincron se prevede cu infasu-rare de pornire speciala. Ea se realizeaza din conductoare neizolate, plasate in cres-taturile pieselor polare. Aceste conductoare sunt din alama, bronz, sau cupru. Ca-petele lor se scurtcircuiteaza cu inele si se obtine o infasurare analoga celei in scurtcircuit de la motoarele asincrone (fig.5.6).

In fig.5.7 se prezinta schema de principiu a pornirii in asincron a motorului sincron. Inaintea conectarii infasurarii statorice la retea, infasurarea de excitatie se conecteaza pe un rezistor R prin intermediul intrerupatorului k₂ pus pe pozitia 1. Dupa aceasta se cupleaza intrerupatorul k₁ si in statorul motorului de pornire sincron neexcitat, se creaza campul magnetic invartitor ce induce in infasurarea scurtcircuitata (colivia) t.e.m. Prin aceasta va trece curent care interactioneaza cu campul magnetic invartitor si apar fortele electromagnetice F_em (fig.5.6) si rotorul se roteste in sensul campului magnetic invartitor. Cu alte cuvinte motorul sincron, porneste ca asincron.

Fig.5.6 Infasurarea de amortizare plasata in piesele polare

ale motorului sincron in vederea pornirii in asincron a acestuia

Fig.5.7 Schema de principiu a pornirii in asincron a motorului sincron.

In timpul pornirii in asincron, campul magnetic invartitor intersecteaza si infasurarea de excitatie a motorului sincron si induce in ea t.e.m. alternativa, ce poate atinge valori inalte, inadmisibile, periculoase atat pentru personalul de ex-ploatare dar si pentru izolatia infasurarii. Iata de ce, iesirile infasurarii de excitatie se conecteaza pe rezistorul R a carui rezistenta este in jur de 10 ori mai mare decat rezistenta infasurarii de excitatie.

Atunci cand rotorul atinge turatia apropiata de aceea de sincronism , intrerupatorul k₂ se trece in pozitia 2 si infasurarea de excitatie se conecteaza la excitatoare (sursa).

Datorita obtinerii la cuplarea excitatiei a momentului sincron, masina intra in sincronism. Dupa acestea, infasurarea de pornire a motorului joaca rolul infasurarii de amortizare, adica limiteaza oscilatiile rotorului.

Infasurarea in scurtcircuit a motoarelor asincrone participa continuu in pro-cesul lor de functionare. Din acest motiv, pentru reducerea pierderilor in rotor, ea se realizeaza cu rezistenta mica.

La motoarele sincrone, infasurarea in colivie (scurtcircuitata) participa nu-mai in perioada de pornire. Iata de ce, pentru cresterea momentului de pornire si reducerea curentului de pornire, ea se realizeaza cu rezistenta activa mare. Daca contrar acesteia, curentul de pornire este inadmisibil de mare, motorul sincron se poate porni dupa unele procedee de pornire a motoarelor asincrone cu rotorul in scurtcircuit la tensiune redusa. Obisnuit, curentul de pornire al motorului sincron este de 5-7 ori mai mare decat curentul lui nominal.

Motoarele sincrone moderne au moment de pornire suficient de mare si pot porni sub sarcina. Sensul lor de rotatie se schimba, daca inaintea pornirii se modi-fica succesiunea a doua faze ale infasurarii statorice. Motoarele sincrone se franeaza daca mai intai se decupleaza infasurarea lor statorica, iar apoi cea de excitatie.

In majoritatea cazurilor pornirea motoarelor sincrone este automatizata si in practica nu se deosebeste de aceea a motoarelor asincrone. Atunci cand masinile sincrone functioneaza in regim de motor, curentul I din infasurarea lor statorica este determinat de tensiunea retelei electrice, datorita careia sensurile pozitive conventionale ale tensiunii retelei si curentului coincid. T.e.m. E₀ ce se induce de fluxul inductorului , are caracter de contra t.e.m., datorita caruia sensul ei se opune sensului curentului.

Daca se au in vedere toate acestea, se poate stabili schema echivalenta pentru fiecare faza a motorului asincron fig.5.8.

Fig.5.8 Schema echivalenta pentru o faza a motorului asincron

Fig.5.9 Diagrama fazoriala simplificata pentru motorul sincron

Si aici ca si la generatorul sincron, se neglijeaza rezistenta activa R a infasu-rarii statorului,care este mult mai mica decat reactanta inductiva sincrona X_s. In acest caz, potrivit legii a II-a a lui Kirchhoff pentru schema echivalenta se stabi-leste urmatoarea ecuatie:

(5.5)

In baza ecuatiei (5.4) se poate construi digrama fazoriala simplificata, pre-zentata in fig.5.9 (fazorul caderii de tensiune X_sI este defazat cu 90 inaintea fazo-rului curentului I). Din diagrama fazoriala se observa ca spre deosebire de genera-torul sincron, aici tensiunea U este defazata inaintea t.e.m. E₀ cu unghiul . Pute-rea electrica obtinuta de motor din retea este:

P=3UIcos    (5.6)

In conditiile idealizate de examinare, cand se neglijeaza pierderile mecanice de frecare, pierderile din miezul magnetic si pierderile electrice din rotor (R=0), puterea mecanica utila devine egala cu puterea electrica de intrare, adica:

(5.7)

Din diagrama fazoriala simplificata (fig.5.9) se obtine:

, de unde:

(5.8)

Din ecuatiile (5.6) si (5.7) se obtine expresia momentului motor al motoru-lui sincron:

(5.9)

Din expresia (5.8) se observa ca momentul de rotatie al motorului sincron depinde de tensiunea de alimentare la puterea intai, adica el este sensibil mai mic decat momentul motorului asincron la variatia tensiunii din retea.

La reducerea tensiunii sau la aparitia suprasarcinii, exista pericolul ca mo-mentul de rotatie al motorului sa nu se echilibreze cu momentul rezistent al meca-nismului de lucru si motorul sincron iese din sincronism. In acest caz, se aplica cresterea curentului de excitatie (fortarea excitatiei) la care creste E₀. Fortarea excitatiei, obisnuit se realizeaza automat.

Trebuie avut in vedere ca momentul de pornire al motoarelor sincrone depin-de de patratul tensiunii de alimentare, deoarece ele se pornesc ca asincrone. Ecuatia (5.8) stabileste caracteristica unghiulara M=f() a motorului sincron. Alu-ra ei se prezinta in fig.5.10. Raportul     stabileste capacitatea motorului de a suporta suprasarcina.

Fig.5.10 Caracteristica unghiulara M=f() a motorului sincron cu poli inecati.

Pentru motoarele obisnuite , iar pentru unele masini speciale . Din expresia (5.8) rezulta ca la cresterea E₀ (fortarea excitatiei) creste si M_max, adica creste .

Din caracteristica unghiulara, se observa ca la variatia sarcinii se schimba unghiul     dintre axele polilor fictivi ai campului magnetic rezultant si axele polilor rotorici. Pentru:

Ø  0<<90    la cresterea sarcinii, creste si momentul motor care se echili-breaza cu cresterea momentului rezistent;

Ø  90<<180    la cresterea sarcinii, momentul se reduce si motorul iese din sincronism.

Caracteristic pentru motoarele sincrone este faptul ca fiecare variatie a curentului de sarcina sau a curentului de excitatie, conduce la variatia curentului I si a diferentei de faza dintre I si tensiunea U de la retea. Se considera ca excitatia este constanta. In regim stabil, momentul motor se echilibreaza cu cel rezistent. In plus, axa campului magnetic rezultant si axa polilor rotorici sunt deplasate cu unghiul stabilit . Unghiul     depinde de marimea sarcinii la arborele motorului, cand la cresterea ei, el creste.

Deoarece excitatia este constanta, fiecare variatie a sarcinii distruge echili-brul dintre momentele de rotatie si rezistent, care conduce la alunecarea rotorului.

Iata de ce, unghiul     creste si variaza faza lui E₀, dar marimea ei (E₀) ramane aceeasi, deoarece excitatia este constanta.

Ca efect al acesteia se distruge echilibrul dintre t.e.m. si tensiunea aplicata, la care variaza I, si de aici si puterea activa consumata de motor.

Prin acest procedeu, egalitatea dintre momentele motor si rezistent se resta-bileste dar la o alta valoare a unghiului . Este necesar a se mentiona ca turatia rotorului nu se schimba. El continua a se roti cu viteza sincrona.

Caracteristica mecanica a motorului sincron este o linie dreapta, paralela cu axa absciselor (fig.5.11).

Fig.5.11 Caracteristica n=f(M) a motorului

Din digrama fazoriala simplificata din fig.5.12 se observa ca la excitatie constanta (E₀=const.) la cresterea sarcinii la arborele motorului si legat de aceasta cresterea unghiului     (<), pentru mentinerea egalitatii , curentul din infasurarea statorica trebuie sa creasca (>I) si prin aceasta si . Curentul ramane defazat in urma tensiunii.

Fig.5.12 Diagrama fazoriala simplificata

Se considera acum ca sarcina la aborele masinii este constanta, adica =const. Deoarece sarcina nu se schimba, componenta activa a curentului este marime constanta .

In fig.5.13 a se prezinta diagrama fazoriala a motorului sincron subexcitat (E₀<U). Curentul I este defazat in urma tensiunii U. Cu cat este mai mica excitatia, cu atat este mai mare unghiul .

La cresterea excitatiei motorului, t.e.m. E₀ indusa in infasurarea statorului creste, iar curentul I si defazajul     se reduc. La excitatie stabilita curentul I este in faza cu tensiunea U (fig.5.13 b).

In acest caz, motorul functioneaza cu cos=1. La excitatie inca mai mare, cand E₀>U, motorul este supraexcitat. Fazorii caderii de tensiune X_sI ia acea pozitie (fig.5.13 c) ce corespunde curentului I, defazat inaintea tensiunii U. In raport cu reteaua de alimentare in acest regim, motorul sincron poate fi examinat ca un condensator. Aceasta este calitatea de baza a motorului sincron, deoarece el actioneaza mecanisme de lucru si simultan cu aceasta debiteaza energie reactiva in retea, cand imbunatateste factorul de putere, adica indeplineste functiile unei bate-rii de condensatoare.

Fig.5.13 Diagrama fazoriala pentru motorul sincron:

a) susexcitat; b) cos=1; c) supraexcitat.