Motorul sincron

Cap.I. Motorul sincron

I.1. Definitie si elemente constructive de baza

Masina de curent alternativ la care turatia motorului este egala cu cea a campului invartitor, indiferent de sarcina, se numeste masina sincrona.

Armatura inductorului masinii este formata dintr-o succesiune de poli "N" si "S", realizati din electromagneti excitati in c.c. sau prin magneti permanenti. In general, inductorul este rotor si numai la masini mici, din motive de spatiu, poate fi stator, masina fiind considerata in acest caz de conductie inversa.

Inductorul poate fi cu poli aparenti si bobine concentrate asezate pe acestia sau cu poli plini, cand infasurarea de excitatie este repartizata in crestaturi. Infasurarea de excitatii are capetele legate la doua inele de pe arbore pe care calca periile care fac legatura cu sursa exterioara de c.c. Motoarele sincrone mai au armatura inductoare o infasurare de tip colivie, numita "infasurare de amortizare" , utilizata la pornirea motoarelor. Circuitul magnetic al inductorului se poate realiza si din piese masive de otel, deoarece fluxul fiind produs de c.c. nu variaza in timp si nu produc pierderi.

Armatura indusului este formata din pachete de tole si in crestaturile ei se gaseste o infasurare trifazica conectata in stea. Gama larga de puteri, ca si locul de utilizare, a condus la numeroase forme constructive al caror elemente, in afara celor precizate mai sus, pot diferi de la un tip la altul.

Astfel elementele specifice ale motorului sincron sunt:

circuitul magnetic statoric;

carcasa;

infasurarea indusa;

scuturile;

placile de strangerea pachetelor de tole stator;

butucul armaturii rotorice;

poli inductori;

infasurarea excitatiei;

excitatoarele;

ventilatorul.

I.2. Semne conventionale

Pentru motoarele sincrone exista o serie de semne conventionale dupa cum urmeaza:

a) infasurarile indusului sunt notate cu "U", "V", "W"

b) infasurarea de excitatie se noteaza cu "F"

I.3. Domenii de utilizare a motoarelor sincrone

Masinile (motoarele) sincrone pot functiona in regim de generator, de motor si intr-un regim de compensator de putere reactiva (compensator sincron).

Generatoarele sincrone (alternatoarele), constituie surse de curent alternativ de frecventa industriala din centralele electrice. Tendinta este ca ele sa se realizeze cu puteri cat mai mari pe unitate, pentru abtinerea de randamente mari si consumuri specifice mici de materiale.

Generatoarele sincrone mari cu poli inecati, antrenate de turbine cu abur sau gaze la turatii de 3000 rot/min. sau mai rar de 1500rot/min. se numesc "turbogeneratoare", iar cele cu turatii mici, cu poli aparenti, antrenate de turbine hidraulice se numesc "hidrogeneratoare".

Motoarele sincrone se folosesc la puteri de 100KW, in locul motoarelor asincrone, pentru functionarea la un factor de putere dorit sau chiar pentru compensarea factorului de putere al retelelor. Ca motoare mai mici se utilizeaza acolo unde se impune o turatie sincrona.

Compensatoarele sincrone sunt motoare sincrone care functioneaza in gol si debiteaza putere reactiva in retelele la care sunt conectate pentru a le imbunatati factorul de putere.

Cap.II. Principiul de functionare a motorului sincron

II.1. Principiul de functionare al generatorului

Daca rotorul motorului sincron are infasurarea de excitatie alimentata de o sursa de c.c. si este antrenat de un motor cu viteza unghiulara W se formeaza un camp invartitor de forma care produce printr-o infasurare de faza fluxul y. Infasurarile de faza fiind declarate in spatii cu un unghi de 120 , t.e.m. induse in cele trei infasurari statorice de faza sunt:

e₀₁=E₀ 2cos(wt-p

e₀₂=E₀ 2cos(wt-p p

e₀₃=E₀ 2cos(wt-p p

unde:

w=pW

E₀=expresia pentru fluxul y de la functionarea in gol.

Daca infasurarea statorica se conecteaza la o sarcina trifazata de impedante corespunzatoare, aceasta, ca si infasurarile, vor fi parcurse de un sistem trifazat de curenti, curentul din faza de referinta avand forma:

i₁=I 2cos wt-(p b

Unghiul de decalaj "b" dintre t.e.m. e₀₁ si curentul i₁ depinde de natura sarcinii si de parametrii infasurarii. In acest caz masina cedeaza o putere electrica sarcinii, putere preluata prin intermediul campului electromagnetic de la motorul primar, functionand deci, in regim de generator.

II.2. Reactia indusului la masina sincrona

Reactia indusului are o mare influenta asupra comportarii motorului sincron, nu ca la masina de c.c. unde influenta ei este, practic, neglijabila.

Infasurarea trifazata a statorului, parcursa de sistemul trifazat de curenti de forma celor dati de relatia i₁=I 2cos wt-(p b , produce la randul ei un camp invartitor de reactie care are aceeasi viteza unghiulara W si acelasi sens de rotatie ca si campul invartitor inductor, dar decalat in urma, ca si curentul "i₁", fata de fluxul care a indus t.e.m.:

b_a=B_acos wt-a p b

Deci, fluxul de reactie prin infasurarea de faza a indusului va fi defazat fata de fluxul inductor cu acelasi unghi, avand expresia:

Y_a Y_acos wt-(p b

iar t.e.m. indusa a acestui flux va fi:

e_a=wYcos wt-(p b =E_a 2cos(wt-p b

Cele doua fluxuri inductor Y si de reactie Y_a se compun si dau un flux rezultat:

Y Y Y_a

care induce a t.e.m. -E=E₀+E_a

II.3. Ecuatia tensiunilor

Pentru o urmarire mai simpla a fenomenelor de baza, ecuatiile se vor deduce pentru masina sincrona ci intrefier constant (cu polii plini), chiar daca nu vor fi prinse unele particularitati functionale specifice motorului sincron cu intrefier variabil (cu poli aparenti).

Ecuatia tensiunilor pentru o faza a indusului se determina aplicand regula dipolului generator:

U+RI+jx₀I=E=E₀+E_a

Unde :

"R" este rezistenta infasurarii de faza

"x₀" este reactanta corespunzatoare fluxului de scapari a infasurarii respective

E este data de relatia E₀+E_a=E

Daca avem in vedere ca Y_a este in faza si proportional cu curentul i₁, cum reiese din relatiile: i₁=I 2cos wt-(p b si Y_a Y_acos wt-(p b , in baza relatiei e_a=wYcos wt-(p b =E_a 2cos(wt-p b) se poate scrie:

E_a=-jx_aI

Unde x_a este reactanta corespunzatoare fluxului de reactie.

Cu relatiile E_a=-jx_aI si U+RI+jx₀I=E=E₀+E_a se mai poate scrie:

E₀=U+RI+jx₀I+jx_aI=U+RI+jx_sI

Unde x_s=x₀+x_a este reactanta sincrona a motorului.

Cap.III. Regimurile de functionare, bilantul de puteri si randamentul

III.1. Cuplul electromagnetic dezvoltat cand masina este cuplata la retea

Daca tensiunea retelei U si t.e.m. E₀ a generatorului au aceeasi pulsatie w₁, se pastreaza relatia:

E₀=U+RI+jx₀I+jx_aI=U+RI+jx_sI

Avand in vedere ca la masina sincrona rezistenta R si reactanta x₀ sunt mici fata de reactanta x_s, iar in relatia U+RI+jx₀I=E=E₀+E_a se poate considera U E si ecuatia E₀=U+RI+jx₀I+jx_aI=U+RI+jx_sI devine E₀ U+jx_sI.

Cu aceste simplificari diafragma de fazori si puterea electromagnetica a motorului sincron trifazat se aproximeaza cu:

P_e 3EIcosj 3UIcosj

III.2. Definitia regimurilor de generator si motor

Considerand ca rotorul masinii W W , E₀ are pulsatia w=pW W , unghiul intre q, definit de reactia indusului variaza continuu iar cuplul electromagnetic dat de relatia:

P_e (3UE₀/x_s)sinq

M_e=P_e/W (3E₀/W x_s)sinq

Este un cuplu alternativ, deci cu valoare medie nula. Astfel ne dam seama ca motorul sincron nu dezvolta un cuplu electromagnetic decat atunci cand W W , adica rotorul are turatia de sincronism impusa de pulsatia w₁ a retelei la care este cuplata masina. Daca motorul sincron functioneaza pe retea proprie ca generator, acesta impune si frecventa retelei alimentate. Din aceasta cauza, cuplul electromagnetic al motorului sincron se mai numeste "cuplu sincron".

Daca masina cuplata la retea functioneaza in regim de generator, adica da energie activa in retea, trebuie sa fie antrenata de un motor primar care sa conduca la cresterea unghiului intre q, definit la relatia indusului si P_e 0, din relatia:

P_e (3UE₀/x_s)sinq

M_e=P_e/W (3UE₀/W x_s)sinq

In regim de generator, campul rezultat este declarat in urma campului inductor. Daca q=0, motorul nu da si nu primeste energie activa. Daca la arborele masinii apare un cuplu rezistent, care tinde sa scada turatia rotorului, axa polului rotoric ramane in urma fata de axa polului campului rezultant, deci q=0, apare un cuplu sincron, motorul primeste energie activa de la retea si dezvolta un cuplu mecanic la arbori. In acest caz, acesta functioneaza in regim de motor. Cand masina este cuplata la retea, dar nu se schimba putere activa cu ea, deci q=0, dar poate da sau primi energie reactiva, se spune ca functioneaza in regim de compensator.

III.3. Bilantul de puteri active si randamentul

Schimbul de energie a masinii sincrone cu reteaua la care este conectata depinde, cum s-a aratat, de regimul sau de functionare.

Puterea utila poate fi activa la motor, activ-reactiva la generator si complet reactiva la compensator.

Randamentul unui motor fiind definit de puterile active- primita P₁ si cedata P₂- se va urmari relatia dintre aceste puteri si pierderile de putere activa din motor. Ca orice motor rotativ, cel sincron are pierderi mecanice P _v - de frecare si de mutilatii, pierderi in circuitul magnetic al indusului P_Fe1 - datorita variatiei in timp a fluxului magnetic, pierderile in infasurarea trifazata a indusului P_w=3RI² si pierderi in infasurarea de excitatie P_ex=R_eF_e².

Randamentul, trebuie precizat pentru un anumit factor de putere.

Reprezentarea schematica a bilantului de puteri active, conduce si la relatiile randamentului h_G - pentru generator si h_M - pentru motor:

h_G=P₂/P₁=P₂/(P₂+a_p

3UIcosj 3UIcosj+P_w+P_Fe+P _v(+P_ex)

h_M=P₂/P₁=(P₁-a_p)/P₁=

3UIcosj-P_w-P_Fe-P _v(-P_ex)/ 3UIcosj

Cap.IV. Posibilitati de functionare a motoarelor sincrone

IV.1. Generatorul sincron debiteaza pe retea proprie. Caracteristici de functionare

Sunt numeroase cazuri cand motoarele sincrone functioneaza ca generatoare pe retea proprie. In acest caz pulsatia si variatia tensiunii retelei sunt impuse de generator.

Caracteristici de functionare

a) Caracteristica de functionare in gol, E₀=U₀= (I_C) la n=n₁ si I=0 datorita fenomenului de "histerezis", are doua ramuri, t.e.m. datorita fluxului remanent de la magnetizarile anterioare, reprezinta 5-10 din tensiunea nominala.

b) Caracteristicile ecterne sunt U(I) la n=n₁, I_e=ct. si cosj=ct. Forma lor de variatie este explicata prin ecuatia: E₀=U+RI+jx₀I+jx_aI=U+RI+jx_sI, in care E₀=ct., deoarece I_e=ct., se de caracterul sarcinii. Variatia tensiunii la brone, de la gol la sarcina DU=U₀-U este la generatorul sincron cu sarcina de ordinul 30-50 din tensiunea nominala, mult mai mare decat la motorul de c.c. sau la transformator.

c) Caracteristicile reglajului sunt I_e(I) la U=U_n, n=n₁ si cosj=ct. Explicatia formelor de variatie este aceeasi ca la caracteristicile externe, cu precizarea ca aici U=ct., si, functiei de sarcina (I) si de caracterul ei, variaza E₀, deci I_e.

VI.2. Pornirea motoarelor sincrone

Pentru a dezvolta un cuplu activ, motorul sincron trebuie adus la turatia de sincronism prin antrenarea cu un motor auxiliar sau prin pornirea in asincron.

La antrenarea cu un motor auxiliar, motorul sincron devine generator si pornirea echivaleaza cu conectarea generatorului sincron la retea. Acest mod de pornire formeaza "metoda sincronizarii fine" si se aplica numai la pornirea in gol a motoarelor.

La pornirea in asincron utilizata in mod curent, infasurarea de excitatie este deconectata de la sursa si este inchisa pe o rezistenta R_s, pentru limitarea supracurentilor si supratensiunilor, iar infasurarea de amortizare formeaza colivia intalinta la motorul asincron.

Cand s-a ajuns la turatia de gol asincron, apropiata de cea sincrona se conecteaza infasurarea de excitatie la sursa de c.c.  Functie de pozitia relativa a polilor inductori fata de cei ai indusului, in momentul conectarii, poate aparea in sensul cuplului asincron si cuplul sincron care aduce rotorul la sincronism daca q<p

Daca in momentul conectarii q>p/2, cele doua cupluri sunt opuse si masina nu intra in sincronism. In acest caz se face o noua incercare, deconectand si conectand infasurarea de excitatie. Cand motorul nu a intrat in sincronism, se constata ca absoarbe un curent mare a carui valoare variaza cu frecventa data de alunecare ( =s