Masina sincrona

1. Generalitati si definitii.

Masina sincrona este o masina de curent alternativ a carei turatie este constanta, indiferent de regimul de functionare (stabilizat) si independent de valoarea sarcinii (in limite norma-le). Turatia este cea de sincronism si este legata riguros de frecventa f a retelei de curent alternativ la care este cuplata masina.

Masinile sincrone pot functiona in doua regimuri de baza, ca generatoare si ca motoare.

In regimul de generator, masina transforma puterea meca-nica, primita pe la arbore de la un motor auxiliar, in putere electrica, debitata intr-o retea de curent alternativ. In regimul de motor, masina transforma puterea electrica, primita de la o retea de curent alternativ, in putere mecanica, cedata pe la ar-bore unei instalatii mecanice.

Un alt regim posibil de functionare a masinii sincrone este acela de compensator al factorului de putere. Regimul de com-pensator nu este insa un regim de baza distinct, ci un regim de motor functionand in gol.

Cea mai larga raspandire o are masina sincrona in regim de generator sincron trifazat, folosit in prezent, in exclusivitate, in toate centralele electrice de mare putere.

Motoarele sincrone se utilizeaza in instalatiile la care este necesara mentinerea turatiei riguros constanta si un factor de putere bun la turatii mici.

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

Regimul de functionare a unei masini sincrone se caracte-rizeaza prin marimile nominale inscrise pe placuta ei indica-toare:

regimul de functionare (generator, motor, compensa-tor);

puterea: la generatoare - puterea aparenta la borne, in kVA sau MVA, sau puterea activa la borne, in kW sau MW; la motoare - puterea mecanica la arbore, in kW; la compensatoa-re - puterea reactiva la borne, in kVar sau MVar, in regim supraexcitat;

curentul de linie in A sau kA;

tensiunea de linie in V sau kV;

factorul de putere;

numarul de faze;

conexiunea infasurarilor indusului;

frecventa in Hz;

tensiunea de excitatie la functionarea in gol si in regi-mul nominal;

curentul de excitatie nominal si curentul de excitatie maxim admisibil, in A sau kA.

De remarcat ca, spre deosebire de transformator, la masina sincrona sarcina admisibila nu este caracterizata numai prin puterea aparenta ci si prin factorul de putere, deoarece acesta determina valoarea puterii de excitatie.

2. Particularitati constructive si sisteme de excitatie.

La masina sincrona, armatura inductoare, in general roto-rul, poseda o infasurare (de excitatie) alimentata in curent continuu, iar armatura indusului, in general statorul, este echi-pata cu infasurarea de curent alternativ. Constructia se face astfel, deoarece:

curentul continuu, de alimentare a infasurarii inducto-rului este mult mai mic decat curentul care circula prin infa-surarea indusului;

masinile sincrone de puteri mari, in special generatoa-rele sincrone, se construiesc de obicei pentru tensiuni mari (pana la 30 kV), la care izolatia unui bobinaj static prezinta mai multa siguranta de functionare decat izolatia unui bobinaj situat pe o armatura care se roteste.

La masinile de puteri mici (sub 50 kVA), sau la masini cu destinatie speciala, se utilizeaza si constructia "inversa" (indu-sul - rotor si inductorul - stator).

Dupa forma inductorului, se deosebesc: masini cu poli ine-cati, utilizate in special la turatii mari (3000 - 10.000 rot/min) si masini cu poli aparenti, folosite la turatii mici (de obicei sub 1500 rot/min).

Generatorul sincron se mai denumeste, dupa felul motoru-lui de antrenare: turbogenerator, cand motorul este o turbina cu aburi sau cu gaze, de turatie mare si hidrogenerator, cand motorul primar este o turbina hidraulica.

Turbogeneratoarele se realizeaza de obicei ca masini bipo-lare, cu poli inecati, cu axul orizontal; hidrogeneratoarele se construiesc numai cu poli aparenti si de obicei cu axul vertical.

Generatoarele sincrone antrenate de motoare termice (mo-toare Diesel sau turbine cu gaze de turatie joasa) se realizeaza cu poli aparenti si cu axul orizontal.

Motoarele sincrone, la puteri medii si mari, se construiesc de obicei cu poli aparenti.

Compensatoarele sincrone se realizeaza de obicei ca ma-sini cu poli inecati sau aparenti, la turatii de 1000 rot/min sau 1500 rot/min.

Statorul masinii este alcatuit din:

partea activa - miezul feromagnetic si infasurarea sta-torica plasata in crestaturi;

partea inactiva - carcasa, scuturile cu lagare, sistemul de ventilatie, etc.

Miezul statoric al masinii sincrone este construit din tole de otel electrotehnic, izolate intre ele si prezinta, la periferia dinspre rotor, crestaturi (de diferite forme), in care sunt plasate bobinele infasurarilor trifazate de curent alternativ.

Carcasa se face uneori din fonta turnata, eventual cu nervuri pentru marirea suprafetei de racire, iar la masinile de puteri mari ea se executa din otel - turnata sau din tabla roluita, sudata si intarita cu profiluri de otel.

Rotorul masinii sincrone poate fi cu poli aparenti sau cu poli inecati. Rotorul cu poli inecati este construit dintr-o roata polara (compusa din butuc, brate, prag) pe care se fixeaza polii masinii (compusi din miezul polar si piesa polara). La masinile de puteri mici, bratele rotii polare pot lipsi.

Forma piesei polare este astfel realizata incat sa se obtina o distributie a campului magnetic in intrefier cat mai apropiata de o sinusoida. In piesele polare se prevad crestaturi (figura 22) pentru plasarea barelor coliviei de amortizare. Barele sunt scurtcircuitate la ambele capete prin segmente inelare care se aseaza numai in lungul arcului polar sau de jur imprejur.

Bobinele polare de excitatie se efectueaza din banda de cupru sau conductor rotund.

Figura 22. Pol aparent prevazut cu crestaturi pentru

barele coliviei de amortizare.

La periferia rotorului masinilor cu poli inecati, pe un nu-mar par de portiuni ale circumferintei acestuia, sunt prevazute crestaturile in care se aseaza infasurarea de excitatie (figura 23). Fixarea infasurarilor in crestaturi se face cu ajutorul penelor, iar fixarea partilor frontale cu ajutorul unor bandaje puternice.

Figura 23. Varianta de rotor cu poli inecati.

Pe axul rotorului sunt dispuse, in general, doua inele la care se conecteaza capetele infasurarii de excitatie; periile, care calca pe inele, asigura legatura dintre sursa de curent continuu si infasurarea de excitatie.

Sursa de curent continuu este fie o masina excitatoare fie o instalatie de excitatie. Excitatoarea sau instalatia de excitatie fac parte dintr-un sistem de excitatie care asigura functiuni multiple de reglaj si de protectie. Sistemul de excitatie are un rol semnificativ in comportarea ansamblului generator - motor de antrenare in exploatare, avand totodata si o pondere insem-nata in costul total al agregatului (5-12%).

Principalele surse de excitatie ale generatoarelor sincrone sunt urmatoarele:

excitatoare de curent continuu;

excitatoare de curent alternativ si redresoare;

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

alimentare de la o retea de tensiune constanta, prin intermediul redresoarelor comandate.

Sistemul de excitatie trebuie sa indeplineasca doua condi-tii importante:

viteza de raspuns mare - asigurarea cresterii rapide a tensiunii la bornele infasurarii de excitatie a generatorului;

plafon ridicat al tensiunii de excitatie - 22,5 ori ten-siunea de excitatie nominala, in vederea fortarii excitatiei in regimuri tranzitorii de curent.

3 Principiul de functionare a masinii sincrone in regim de generator electric.

Se considera ca rotorul masinii (inductorul) este antrenat cu viteza unghiulara W de catre motorul sau primar, care dez-volta un cuplu activ M_a. Infasurarea de excitatie a celor 2p poli, alimentata in curent continuu, produce un camp magnetic in-vartitor inductor, care se roteste cu viteza unghiulara W in acelasi sens cu rotorul. Corespunzator acestui camp, spirele infasurarilor de faza ale statorului (indus) sunt intretaiate de un flux j, variabil in timp.

Daca campul invartitor inductor are o repartitie sinusoida-la in spatiu, fluxul va avea o variatie sinusoidala in timp, de pulsatie,

w = p W (72)

Intr-o infasurare de faza se va induce o t.e.m. sinusoidala in timp, de aceeasi pulsatie w, iar in cele trei infasurari de faza se va induce un sistem de trei t.e.m. simetrice, echilibrate. Suc-cesiunea in timp a celor trei t.e.m. este impusa de sensul de rotatie a campului invartitor inductor.

Daca infasurarea statorului este conectata pe o impedanta trifazata simetrica, aceasta va fi parcursa de curentii de faza care formeaza un sistem simetric echilibrat.

Masina furnizeaza impedantei de sarcina o putere activa P₂, functionand deci, in regim de generator.

4 Bilantul puterilor si randamentul masinii sincrone.

Motorul primar, care dezvolta un cuplu activ M_a (al carui sens de rotatie coincide cu cel al rotorului si deci al campului invartitor) cedeaza masinii sincrone puterea mecanica,

P₁ = M_a W (73)

Asupra indusului masinii se exercita cuplul electromagne-tic

, (74)

deoarece viteza unghiulara relativa a indusului (stator) fata de campul magnetic invartitor este W

Acest cuplu este pozitiv fiindca, oricare ar fi natura impe-dantei de sarcina, cos(E₀, I)>0. Cuplul electromagnetic tinde sa roteasca indusul in sensul campului invartitor dar, statorul fiind fix, nu se poate roti. Conform principiului actiunii si reactiunii, asupra rotorului se exercita in acest caz un cuplu electromag-netic M, in sens opus sensului de miscare, deci reprezinta un cuplu rezistent.

Pe de alta parte, asupra rotorului se mai exercita si alte cupluri rezistente: cuplul datorat frecarilor mecanice si de ven-tilatie, M_fv si cuplul datorat excitatoarei de curent continuu, M_ex (daca aceasta este cuplata la axul generatorului sincron).

Daca se considera ca sens pozitiv al cuplului electromag-netic sensul campului invartitor, se obtine:

M_a - M_fv - M_ex = -M

sau,

M_a = -M + M_fv + M_ex (75)

si inmultind cu viteza unghiulara,

M_aW = P₁ = -P + P_fv + P_ex. (76)

Deci, din puterea absorbita pe la ax, P₁= M_aW, o parte, P_fv = M_fvW, reprezinta pierderile mecanice de frecare si ventilatie ale masinii, alta parte, P_ex = M_exW, reprezinta puterea mecanica preluata de excitatoare (daca aceasta este cuplata la axul gene-ratorului) si alta parte, P = - MW, reprezinta puterea electro-magnetica ce se transmite de la rotor la stator, la nivelul intrefierului, prin intermediul campului electromagnetic. Pute-rea electromagnetica este componenta cea mai importanta a puterii absorbite.

Din aceasta putere P, o parte acopera pierderile in infasu-rarile statorului, P_Cu2 (pierderi prin efect Joule), o alta parte compenseaza pierderile in miezul feromagnetic al statorului, P_Fe2 (pierderi de histerezis si prin curenti turbionari), iar cea mai mare parte devine putere utila, P₂ si este transmisa impe-dantei de sarcina.

Se poate considera ca in miezul feromagnetic al rotorului nu se produc pierderi deoarece acesta este strabatut de un camp magnetic constant in timp.

Bilantul puterilor masinii sincrone este prezentat schema-tic in figura 2

Figura 2 Bilantul puterilor masinii sincrone.

Randamentul generatorului sincron se exprima prin relatia:

, (77)

unde U si I sunt marimile de faza.

Valoarea randamentului creste cu puterea unitara a genera-torului, ajungand la valori maxime de 98-98,5 % pentru puteri de ordinul sutelor de MVA.

5. Cuplarea si functionarea in paralel a generatoarelor sincrone.

In centralele electrice sunt instalate de obicei mai multe generatoare sincrone, destinate a functiona in paralel, pentru a debita energie electrica intr-un sistem electroenergetic de pute-re mare, in comparatie cu puterea nominala a fiecarui genera-tor. Functionarea in paralel a generatoarelor sincrone generea-za doua categorii de probleme: una legata de efectuarea opera-tiei de cuplare in paralel si alta referitoare la functionarea efectiva a generatoarelor cuplate in paralel.

5.1. Conectarea in paralel a generatoarelor sincrone.

Conectarea unui generator la barele unei retele, fara a per-turba functionarea sistemului si a pune in pericol generatorul, se poate face numai daca sunt indeplinite conditiile de sincroni-zare.

Aceste conditii decurg din necesitatea ca, in momentul cuplarii, sa existe egalitate intre valorile instantanee ale tensi-unii electromotoare de mers in gol a generatorului ce urmeaza a fi cuplat si tensiunii barelor la care se face conectarea si impun satisfacerea simultana a urmatoarelor deziderate:

a.      aceeasi valoare efectiva a tensiunilor ambelor sisteme;

b.      aceeasi frecventa;

c.      aceeasi succesiune a fazelor (inexistenta unui defazaj intre cele doua marimi).

Operatia de identificare a succesiunii fazelor la generatoa-rele fixe se face o singura data, la montarea generatorului. Daca aceasta identificare nu a fost facuta ea se va face odata cu stabilirea si a celorlalte doua conditii.

A) Metode de sincronizare fina.

Aceste metode urmaresc ca, la conectarea in paralel a unui generator sincron, conditiile de sincronizare sa fie indeplinite riguros.

Conditiile de tensiune si de frecventa se pot verifica cu ajutorul voltmetrelor si al frecventmetrelor. Coincidenta fazelor tensiu-nilor omoloage ale generatorului si retelei, in momentul cupla-rii, se poate verifica prin mai multe metode.

Metoda voltmetrului zero. La aceasta metoda se masoara diferenta dintre tensiunile fazelor omoloage ale generatorului si retelei, cu ajutorul unui voltmetru conectat pe bornele intrerup-torului cu ajutorul caruia se face cuplarea in paralel. In acelasi timp se mai sunteaza, prin elemente de rezistenta egala cu cea a voltmetrului si celelalte doua contacte ale intreruptorului. La trecerea prin zero, sau printr-un minim, a tensiunii indicate de voltmetru, tensiunile fazelor omoloage ale generatorului si retelei coincid (desigur, daca este satisfacuta si conditia succe-siunii fazelor).

Metoda sincronoscopului cu lampi. La aceasta metoda se foloseste un sincronoscop cu lampi, care consta dintr-un sistem de trei becuri cu incandescenta montate intr-o cutie, in varfurile unui triunghi echilateral si conectate electric intre cele doua sisteme. Conectarea se poate face in montajul cu "foc invar-titor" sau cu "foc stins - aprins".

In schema cu "foc invartitor" una din lampi, L₁, este co-nectata intre fazele omoloage, iar celelalte doua incrucisat.

Coincidenta tensiunilor fazelor omoloage este marcata, in aceasta schema, prin stingerea lampii L₁ si o luminozitate egala a lampilor L₂ si L₃.

La inegalitatea frecventelor generatorului si retelei, lampi-le se aprind si se sting succesiv creand iluzia unui foc invartitor a carui viteza indica gradul de abatere a celor doua frecvente. Schema verifica si sensul de succesiune a fazelor generatorului cu cel al retelei: la coincidenta succesiunii focul este invartitor, altfel se sting si se aprind, succesiv, toate lampile odata.

In schema cu "foc stins - aprins", toate becurile sunt mon-tate intre bornele omologe. Identitatea succesiunii fazelor este indicata de faptul ca becurile se sting sau se aprind toate odata, iar diferenta dintre frecvente este data de frecventa stingerii si aprinderii lampilor.

Metoda sincronoscopului cu camp invartitor. La aceasta metoda se foloseste un dispozitiv electromecanic analog cu motorul asincron bipolar, cu rotorul bobinat. Infasurarea statorica este alimentata de la retea (prin intermediul unor transformatoare reductoare), iar infasurarea rotorica de la bor-nele generatorului sincron. In aceasta situatie, rotorul sincro-noscopului se va roti cu o viteza determinata de diferenta dintre pulsatiile celor doua sisteme.

In general, metodele de sincronizare fina, daca sunt bine aplicate, asigura cuplarea la retea in cele mai bune conditii. Ele prezinta neajunsul ca nu se pot face suficient de rapid si uneori de loc, in cazul in care in sistemul energetic exista variatii de tensiune si frecventa (in urma unor avarii).

B) Metoda autosincronizarii.

Aceasta metoda nu necesita un aparataj special, dar poate fi folosita numai daca reteaua este suficient de puternica si da-ca, in prealabil s-a identificat succesiunea fazelor generatorului

ce urmeaza a fi cuplat.

Generatorul sincron neexcitat si avand infasurarea de exci-tatie conectata pe o rezistenta corespunzatoare, este adus (cu ajutorul motorului sau de antrenare) la o turatie apropiata de turatia de sincronism.

La masinile mari, turatia poate diferi de cea de sincronism cu cel mult 3%, iar la cele mici cu maximum 5%. Cand se ating aceste turatii generatorul se cupleaza la retea. Imediat dupa cuplare se alimenteaza infasurarea de excitatie cu un curent corespunzator functionarii in gol, dupa care, intr-un interval de timp foarte scurt, generatorul intra in sincronism.

Explicatia acestei metode este urmatoarea:

Masina nefiind excitata in momentul cuplarii, deci t.e.m. E₀ fiind nula, generatorul absoarbe din retea un curent mare, care produce un camp invartitor.

Din interactiunea acestui camp invartitor statoric si curen-tii indusi in infasurarea de amortizare a rotorului apare un cuplu asincron care, adaugandu-se cuplului motor furnizat de motorul de antrenare, accelereaza rotorul tinzand sa-l aduca la viteza de sincronism. La generatorul sincron cu poli aparenti actioneaza in acelasi sens si cuplul reactiv.

In momentul alimentarii infasurarii de excitatie se produce si un cuplu sincron important si generatorul intra in sincronism.

Metoda autosincronizarii prezinta neajunsul de a provoca, in momentul cuplarii la retea a generatorului neexcitat, un soc de curent in infasurarea indusului si o cadere de tensiune cores-punzatoare, in retea.

Procesul tranzitoriu este insa de scurta durata, astfel incat nu este periclitat nici generatorul si nu este perturbata nici reteaua. La generatoarele conectate la retea prin intermediul unui transformator, socul de curent si caderea de tensiune res-pectiva se reduc simtitor.

Uneori, metoda autosincronizarii se aplica intr-o varianta care prevede aplicarea tensiunii de excitatie simultan cu cuplarea la retea a generatoarelor. In acest caz socul de curent este mai mare, insa durata fenomenului scade, fapt cu o impor-tanta majora in situatia in care, interventia rapida a unui nou generator este strict necesara.

In centralele mari exista dispozitive care efectueaza auto-mat toate operatiile de sincronizare si controleaza indeplinirea conditiilor de cuplare la retea a generatorului sincron.

5.2. Functionarea generatoarelor sincrone in paralel.

Masina sincrona, odata cuplata in paralel cu un generator sau cu o retea, nu se incarca de la sine ci functioneaza in gol, atata timp cat nu se actioneaza asupra ei.

Se presupune pentru simplificare un generator sincron cu poli inecati si se neglijeaza caderea de tensiune in rezistenta indusului.

Rezulta ecuatia:

, (78)

sau,

.

Deci, pentru a incarca generatorul cu un curent I, este necesar in general, ca fazorul E₀ sa fie diferit ca faza sau ca amplitudine fata de fazorul U, pentru a se obtine E₀ - U > 0.

A) Incarcarea masinii sincrone cu putere activa.

Se poate realiza prin defazarea tensiunii electromotoare E₀ a masinii respective in raport cu tensiunea U a retelei, sau a generatorului cu care este cuplata. Aceasta se obtine prin decalarea inductorului masinii in raport cu campul magnetic invartitor rezultant.

Daca se mareste viteza motorului de antrenare a generato-rului, axa inductorului acestuia se va decala inaintea axei cam-pului magnetic rezultant (J > 0), iar masina sincrona debiteaza o putere activa (P>0), deci functioneaza in regim de generator.

Prin aplicarea unui cuplu rezistent la arborele rotorului, axa magnetica a inductorului se va decala in urma axei campu-lui magnetic rezultant (J < 0), masina primeste de la retea putere activa (P <0), deci functioneaza in regim de motor.

B) Incarcarea masinii sincrone cu sarcina reactiva.

Se poate realiza prin mentinerea in faza a celor doua ten-siuni si modificarea amplitudinii fazorului tensiunii electromo-toare E₀. Aceasta se obtine prin variatia curentului de excitatie al masinii sincrone respective, indiferent de regimul de functio-nare, generator sau motor electric.