Mașina sincronă trifazată: cum funcționeazăAnimații interactive pentru laborator – Mașini electrice

← Student Portal

Cele patru circuite ale mașinii sincrone

Stânga: secțiune longitudinală (întrefierul este exagerat). Dreapta: secțiune transversală a unui generator cu rotor cu poli aparenți (4 poli). Statorul este identic cu cel al mașinii de inducție; diferența este rotorul, care are înfășurare de excitație alimentată în curent continuu prin inele și perii, și o colivie de amortizare în piesele polare. Rotorul se rotește, iar punctele albastre arată fluxul.

Pierderile și bilanțul puterilor (generator)

Statorul dă pierderi Joule (pCu1) și în fier (pFe). Rotorul nu are pierderi Joule în colivie în regim sincron permanent, dar are pierderi de excitație pexc = Re·Ie², cerute de la excitatoare. Ele cresc cu sarcina inductivă, fiindcă tensiunea indusă E0 trebuie să fie mai mare. Valorile sunt orientative.

Cele două tipuri de rotor

Poli aparenți (hidrogeneratoare, mașini lente): mulți poli, diametru mare și lungime mică, întrefier neuniform. Turația mică (n = 60f/p) impune p mare: de ex. p = 12 dă 250 rot/min la 50 Hz.

Poli netezi (turbogeneratoare): 2 sau 4 poli, rotor cilindric lung și subțire, cu înfășurarea de excitație în crestături. Rezistă la forțe centrifuge la 3000 sau 1500 rot/min.

Cum se generează tensiunea

linii de flux (al rotorului)faza Afaza Bfaza C⊙ ⊗ sensul t.e.m. induse (în gol nu circulă curent)
Rotorul se rotește cu n, deci câmpul lui continuu se rotește față de stator. Fiecare fază este tăiată de liniile de câmp ale polilor care trec prin dreptul ei și în ea se induce o t.e.m. alternativă. Frecvența ei este egală cu numărul de perechi de poli care trec pe secundă: f = p·n/60. Animația urmărește frecvența (la 25 Hz se rotește de două ori mai încet decât la 50 Hz).
Stânga: t.e.m. induse în cele trei faze (defazate cu 120°). Inversând sensul de rotație se inversează și succesiunea fazelor. Dreapta: caracteristica de mers în gol E0 = f(Ie): proporțională la început, apoi se curbează din cauza saturației miezului. Linia punctată este caracteristica fără saturație.

Frecvența, poli și turație

f = p·n/60  ;  n = 60·f/p

Frecvența tensiunii generate depinde numai de turație și de numărul de perechi de poli. Ca să obții 50 Hz, turația trebuie să fie exactă: de aceea mașina se numește sincronă: rotorul se rotește sincron cu câmpul statorului, iar turația nu depinde de sarcină.

E0 = 4,44·f·N·kw·Φe

Tensiunea indusă este proporțională cu frecvența (deci cu turația) și cu fluxul de excitație Φe. Dintre cele două, doar fluxul se poate regla fin din exterior: de aceea tensiunea generatorului se reglează cu excitația și frecvența cu turația (puterea turbinei).

Turația necesară pentru 50 Hz

Hidrogeneratoarele au multe perechi de poli și turații mici (100–600 rot/min), turbogeneratoarele din centralele termice au p = 1 sau 2 (3000 sau 1500 rot/min).

Mașina în sarcină: diagrama fazorială

Se neglijează rezistența statorului. Tensiunea la borne U este fixă (1 în unități relative, rețea puternică). Din ea se obține t.e.m. de mers în gol E0, cea impusă de excitație: E0 = U + j·Xs·I la generator, E0 = U − j·Xs·I la motor. Unghiul δ dintre U și E0 este unghiul de sarcină.
Tensiunea la borne u, curentul i și t.e.m. e0 pe o fază, în timp. La generator e0 se află înaintea tensiunii u cu unghiul δ; la motor în urma ei.

Reacția indusului

Curentul din stator creează un câmp învârtitor propriu, care se rotește cu aceeași viteză ca rotorul (n₁). Acest câmp se adună cu al excitației. Efectul depinde de natura curentului:

  • curent inductiv (generator): câmpul indusului demagnetizează, deci tensiunea scade; trebuie mai multă excitație;
  • curent capacitiv: câmpul magnetizează, tensiunea crește (autoexcitație);
  • curent rezistiv: efect de încrucișare, înclinând câmpul, fără să-l mărească sau să-l scadă mult.

Efectul se modelează cu reactanța sincronă Xs = Xm + Xσ (reactanța de magnetizare, plus cea de scăpări).

Supra- și sub-excitație

  • Supra-excitat (E0 > U): generatorul debitează putere reactivă în rețea (curent inductiv); motorul absoarbe curent capacitiv și produce reactiv.
  • Sub-excitat (E0 < U): generatorul absoarbe reactiv din rețea; motorul absoarbe curent inductiv.
  • Puterea activă se reglează din cuplul mașinii de antrenare, nu din excitație. Excitația reglează reactivul și tensiunea.
P = 3·U·I·cos φ  ;  Q = 3·U·I·sin φ

Cuplarea la rețea (sincronizarea)

Generatorul se poate conecta la o rețea în funcțiune numai dacă are aceeași tensiune, aceeași frecvență, aceeași succesiune a fazelor și este în fază cu rețeaua. Reglează turația și excitația și închide întreruptorul când sincronoscopul arată 12 și lămpile sunt stinse.

Stânga: sincronoscopul. Acul arată defazajul dintre tensiunea generatorului și cea a rețelei; el se rotește cu frecvența de bătăi f − 50 Hz: spre dreapta dacă generatorul este prea rapid, spre stânga dacă este prea lent. Dreapta: fazorii rețelei (gri) și ai generatorului (colorați), în sistemul de referință al rețelei. Jos: lămpile din metoda lămpilor stinse, cu câte una pe fază, în paralel cu contactele întreruptorului.
Strălucirea celor trei lămpi în ultimele 8 secunde. La succesiune corectă lămpile se aprind și se sting împreună; la succesiune greșită se aprind pe rând (lumină rotitoare).

Cele patru condiții

  1. Aceeași succesiune a fazelor (A–B–C). Se verifică o singură dată, la montaj; altfel generatorul ar încerca să se rotească în sens contrar.
  2. Aceeași frecvență: se reglează din turația turbinei, până când bătăile sincronoscopului sunt foarte lente.
  3. Aceeași tensiune (valoare efectivă): se reglează din excitație.
  4. Același unghi de fază: se închide întreruptorul exact când acul trece prin „12”.

Ce se întâmplă dacă nu

La închidere, între generator și rețea apare diferența de tensiune |E − U|, care este limitată doar de reactanța subtranzitorie X″ (≈ 0,15–0,25). Curentul de șoc poate trece de 10 ori curentul nominal, iar cuplul de șoc poate rupe cuplajul sau scoate din funcțiune înfășurarea.

Odată cuplat, generatorul „se agață” de rețea: turația este blocată la n₁, indiferent de sarcină. Din acest moment puterea activă se reglează din turbină, iar reactivul din excitație (tabul 5).

Unghiul de sarcină, puterea și curba V

axa polilor rotoruluiaxa câmpului statorului (rotitor)linii de flux
Rotorul și câmpul statorului se rotesc cu aceeași viteză, dar axa rotorului nu coincide cu axa câmpului: între ele este unghiul de sarcină δ (în grade mecanice: δ/p). Ca la un arc: cu cât este mai mare cuplul, cu atât unghiul este mai mare. La generator rotorul se află înaintea câmpului, la motor în urma lui. La δ = 90° cuplul este maxim; peste această valoare mașina iese din sincronism.
Stânga: caracteristica putere–unghi P = (U·E0/Xs)·sin δ, cu zona stabilă (|δ| < 90°). Dreapta: curbele în V: curentul statoric în funcție de excitație, la putere activă constantă. Minimul curentului este la cos φ = 1; la stânga mașina este sub-excitată (absoarbe reactiv), la dreapta supra-excitată (debitează reactiv).

Ce reglează fiecare comandă

P = (U·E0/Xs)·sin δ  ;  Q = (U/Xs)·(E0·cos δ − U)
  • Puterea activă P se schimbă din cuplul mașinii de antrenare: crește cuplul, rotorul avansează, δ crește.
  • Puterea reactivă Q se schimbă din excitație: crește E0, crește Q debitat.
  • Puterea maximă Pmax = U·E0/Xs crește cu excitația. O excitație prea mică reduce rezerva de stabilitate.

Generator, motor, compensator

  • Generator (δ > 0): rotorul, tras înainte de turbină, ține câmpul statorului „în frâu”.
  • Motor (δ < 0): câmpul statorului trage rotorul după el; la turația n₁ exact, indiferent de sarcină.
  • Compensator sincron (P ≈ 0): motor sincron în gol, folosit numai pentru reactiv. Supra-excitat se comportă ca un condensator, sub-excitat ca o bobină. Ajută la reglarea tensiunii în rețea.

Pornirea motorului sincron

Un motor sincron nu pornește singur: la turația zero, câmpul învârtitor trece prea repede pe lângă rotor, iar forța asupra lui își schimbă sensul de 100 de ori pe secundă (cuplu mediu nul). Se pornește ca motor asincron, cu colivia de amortizare, apoi se aplică excitația.

Vedere în sistemul de referință al câmpului statorului (acul negru este fix, în sus). Rotorul rămâne în urmă: cât timp are alunecare, axa lui se rotește față de câmp cu viteza s·n₁. Când se aplică excitația și alunecarea este mică, polii rotorului se agață de câmp, iar unghiul se stabilizează la valoarea cerută de sarcină.
Model simplificat: faza asincronă cu cuplul colivii de amortizare, apoi cuplul sincron Ts = Tp·sin θ, unde θ este unghiul cu care rotorul rămâne în urma câmpului. Colivia amortizează oscilațiile după agățare.

Etapele pornirii

  1. Rotorul fără excitație, înfășurarea de excitație scurtcircuitată pe o rezistență (altfel s-ar induce în ea tensiuni periculoase), statorul conectat la rețea (de multe ori la tensiune redusă).
  2. Motorul accelerează ca un motor asincron, cu colivia, până la ≈ 95 % din n₁.
  3. Se aplică excitația c.c. Polii se magnetizează și, dacă alunecarea este mică, se agață de câmp (sincronizare „în gol”).
  4. Se oprește rezistența de descărcare și motorul rămâne la n₁ exact, cu unghi de sarcină δ determinat de sarcină.

Observații

  • Dacă se aplică excitația la o alunecare prea mare, rotorul „alunecă un pol” (iese și reintră din sincronism) sau nu se agață deloc.
  • Colivia de amortizare ajută și la stabilitate: amortizează oscilațiile unghiului δ (pendulări) la variațiile bruște de sarcină.
  • Avantajele motorului sincron: turație constantă, randament mare și factor de putere reglabil (poate fi capacitiv).