CAP 4. Masina sincrona

1. Maşina sincronă este o maşină electrică rotativă, reversibilă a cărei viteză de rotaţie se menţine într-un raport constant cu frecvenţa reţelei din care este alimentată şi nu variază odată cu sarcina. 2. Maşina sincronă este alcătuită din două subansamble principale : o parte fixă, statorul şi o parte

mobilă rotorul aşezat concentric în interiorul armăturii fixe. La maşinile de construcţie normală rotorul are rolul de inductor,iar statorul realizează funcţia de indus. Rotorul maşinii sincrone diferă substanţial însă de cel al maşinii asincrone şi se construieşte în două variante :-cu poli aparenţi (proeminenţi); -cu poli înecaţi (plini).

Pe axul rotorului sunt dispuse două inele de contact la care se conectează capetele înfăşurării de excitaţie şi pe care calcă cele două perii colectoare ce aparţin armăturii statorice.

3. Utilizarea maşinii sincrone în regim de motor se recomandă în acţionările în care sunt necesare puteri mari şi viteze de rotaţii constante (pompe,compresoare, ventilatoare,laminoare) precum şi în instalaţiile unde este necesară îmbunătăţirea factorului de putere (compensator).

4. Prin antrenarea rotorului cu viteza 1n , câmpul magnetic inductor devine un câmp magnetic învârtitor faţă de indus. Valoarea inducţiei magnetice într-un punct de coordonată geometrică ,la momentul t este dată de o relaţie de forma: )cos(),( 00 ptBtb m

mB0 - valoarea maximă a inducţiei magnetice; p - pulsaţia; p - numărul perechilor de poli; - viteza

unghiulară [rad/s].

5. Pentru a funcţiona în regim de generator, înfăşurarea de excitaţie (rotorică) a maşinii sincrone trifazate se va alimenta de la o sursă de tensiune continuă eU , iar rotorul acesteia va fi antrenat de către o maşină primară cu viteza de rotaţie 1n [rot/min]. Solenaţia determinată de curentul de excitaţie Ie va determina un câmp magnetic (inductor) constant în timp, dar cu o repartiţie aproximativ sinusoidală de-a lungul circumferinţei interioare statorice.

6. IXXIRUE r )(j0 . Notând: Sr XXX (reactanţa sincronă),relaţia (1) devine: IXIRUE Sj0 . Modelului (1) care reprezintă modelul matematic staţionar al unei faze statorice,i

se poate asocia schema echivalentă şi diagrama fazorială.

E 0- tensiunea electromotoare la mersul in gol;

U - tensiunea la bornele indusului;

R şi X -rezistenţa,respectiv reactanţa de dispersie a unei faze a înfăşurării induse; I - curentul prin indus;

rX reprezintă reactanţa de reacţie.

7.

8. Deoarece rezistenţa unei faze statorice R este mult mai mică decât reactanţa sincronă SX ( SXR ) şi RX în numeroase aplicaţii se consideră: 0RI şi

rS XX ,

astfel încât relaţia IXIRUE Sj0 devine: IXUE Sj0

Modelului IXUE Sj0 îi corespunde diagrama fazorială simplificată.

9. Caracteristica de funcţionare în gol exprimă dependenţa dintre tensiunea electromotoare indusă E şi curentul de excitaţie eI în condiţiile menţinerii la o valoare constantă a vitezei de rotaţie (deci a frecvenţei f ) şi a curentului nul prin indus )( SZ : )(f eIE ; la ct1 nn ; 0I .

Datorită magnetismului remanent,la curent de excitaţie zero,tensiunea electromotoare indusă este diferită de zero ( )remEE . Cu creşterea curentului de excitaţie,tensiunea indusă creşte până la o valoare SE (de saturaţie) corespunzătoare unui curent de excitaţie

SeI .La reducerea curentului de excitaţie, se reduce şi

valoarea tensiunii electromotoare induse, dar reducerea se face după o curbă situată deasupra ramurii ascendente. Graficul calitativ al caracteristicii de mers în gol este prezentat în fig. de mai sus şi evidenţiază cele trei fenomene specifice caracteristicii de magnetizare: saturaţia, histerezisul şi remanenţa. Deseori se defineşte drept caracteristică de funcţionare în gol curba obţinută prin medierea celor două ramuri ale caracteristicii (curba trasată punctat) fără a se mai evidenţia fenomenul de histerezis. Tensiunea electromotoare remanentă reprezintă procentual (510)% din cea nominală:

nEErem

)%105( .

10. Caracteristica externă arată cum se modifică tensiunea U la bornele indusului la modificarea curentului de sarcină I, )(f IU la parametrii n, Ie şi cos constanţi.

La curent de sarcină nul,tensiunea la borne este egală cu tensiunea electromotoare indusă )( 0EU

,iar la funcţionare în sarcină (cu n, Ie şi cos constante) se modifică astfel:

- pentru sarcini rezistive sau inductive,tensiunea la borne scade la creşterea curentului de sarcină datorită creşterii căderilor de tensiune pe impedanţele înfăşurării indusului; - la sarcini capacitive,tensiunea la borne creşte cu creşterea curentului de sarcină datorită efectului magnetizant al fluxului de reacţie.

La funcţionare în sarcină nominală )( nII , tensiunea la borne este cea nominală ( nUU ), iar la sarcini mai reduse )( nII tensiunea va creşte sau va scădea faţă de nU , în funcţie de caracterul sarcinii.

11. Caracteristica de reglare evidenţiază modul în care trebuie modificat curentul de excitaţie eI la modificarea curentului de sarcină I (la ctcos ) astfel încât tensiunea la bornele generatorului să rămână constantă (U = ct), adică: )(f IIe ; ctcos ; ctU .

Caracteristicile de reglare pot fi determinate experimental sau analitic şi sunt dependente de caracterul sarcinii. Graficele calitative ale acestor caracteristici sunt prezentate în fig. Pentru sarcini rezistive sau inductive (când U scade la creşterea curentului I ),menţinerea la o valoare constantă a tensiunii la borne ct)( nUU se poate realiza prin creşterea curentului de excitaţie EI , compensând astfel efectul demagnetizant al fluxului de reacţie. La sarcini capacitive,menţinerea constantă a tensiunii la borne se realizează prin reducerea curentului Ie.

12. Pentru eliminarea fenomenelor tranzitorii care ar perturba în mare măsură funcţionarea maşinii,punerea în paralel cu reţeaua a unui generator sincron se realizează cu respectarea strictă a următoarelor condiţii:

- valoarea efectivă a tensiunii la bornele generatorului trebuie să fie egală cu valoarea efectivă a tensiunii reţelei de alimentare;

- frecvenţa tensiunii generatorului să fie egală cu frecvenţa tensiunii reţelei; - succesiunea fazelor generatorului să fie aceeaşi cu succesiunea fazelor reţelei; - în momentul conectării la reţea, tensiunile generatorului şi reţelei trebuie să fie în fază.

13. Modificarea tensiunii generatorului se realizează prin modificarea curentului de excitaţie, iar egalitatea valorilor efective ale tensiunilor se verifică cu ajutorul unui voltmetru care se conectează succesiv la bornele generatorului sincron, respectiv la bornele reţelei.

Verificarea succesiunii fazelor şi a sinfazicităţii tensiunilor se realizează cu ajutorul unor aparate speciale denumite sincronoscoape,care se construiesc în mai multe variante.

Dacă succesiunea fazelor este aceeaşi, lămpile sincronoscopului se aprind şi se sting simultan. La o succesiune diferită a fazelor generatorului şi reţelei, lămpile se aprind şi se sting succesiv. Pentru realizarea succesiunii corecte se inversează între ele două faze ale generatorului.

Conectarea generatorului în paralel cu reţeaua se realizează când lămpile sunt stinse, adică atunci când tensiunile generatorului sunt în fază cu tensiunile omoloage ale reţelei.

În centralele electrice moderne sincronizarea se realizează cu ajutorul unor aparate automate, care realizează cuplarea la reţea numai dacă sunt îndeplinite condiţiile de punere în paralel.

15. La funcţionarea în regim de motor,maşina sincronă primeşte energie electromagnetică atât pe la bornele înfăşurării trifazate statorice cât şi pe la bornele înfăşurării de excitaţie pe care o transformă în energie mecanică transmisă maşinii de lucru acţionate.

Considerăm o maşină sincronă a cărui înfăşurare statorică se alimentează cu un sistem trifazat simetric de tensiuni de pulsaţie 1 .

Va lua naştere un sistem trifazat simetric de curenţi de aceeaşi pulsaţie şi un câmp magnetic

învârtitor de inducţie 1B ,care se va roti cu viteza unghiulară de sincronism p1

1

, într-un sens

determinat de succesiunea fazelor. )cos( 1max11 tIi , valoarea instantanee a curentului stabilit printr-o fază a înfăşurării statorice.

Se alimentează înfăşurarea de excitaţie de la o sursă de tensiune continuă şi presupunem că rotorul se

roteşte cu viteza unghiulară p2

2

,în acelaşi sens cu câmpul magnetic învârtitor statoric.

Apare astfel,un al doilea câmp magnetic învârtitor de inducţie B0,căruia îi corespunde un flux magnetic

fascicular: t2max00 cos şi un cuplu electromagnetic a cărui valoare instantanee este:

ttkIkim 21max0max101 cos)cos( .

16. Astfel,dacă U este imaginea complexă a tensiunii de fază,I – imaginea complexă a curentului de fază, R, X - rezistenţa,respectiv reactanţa de dispersie a unei faze statorice şi E – imaginea complexă a tensiunii electromotoare induse, modelul matematic al respectivei faze statorice se poate scrie:

EIXIRU j .

Tensiunea electromotoare indusă E are două componente: E0 – tensiunea indusă de câmpul magnetic inductor (de inducţie B0) şi E1 – tensiunea electromotoare indusă de câmpul magnetic învârtitor statoric (de inducţie B1). 10 EEE .

Unghiul format de tensiunile electromotoare E şi E0 este unghiul intern al maşinii.

Considerând că tensiunii electromotoare E1 îi corespunde o reactanţă X1, se poate scrie: IXE 11 j

Înlocuind (2) şi (3) în (1) se obţine: 01j EIXXIRU

sau: 0Sj EIXIRU

în care: 1XXX S este reactanţa sincronă a maşinii.

17.

18. În multe situaţii se lucrează însă cu diagrama fazorială simplificată, în care se neglijează căderea de tensiune RI 0RI şi se consideră 1XX S 0X .

19. Expresia momentul cuplului dezvoltat de motorul sincron se stabileşte pornind de la

relaţia cunoscută: 1

PM

în care:

IEEIP ,cos3 este puterea electromagnetică a motorului

sincron; pf

p11

1π2

- este viteza unghiulară de sincronism [rad/s].

Deci, 111 π2

cos3π2cos3

,cos3

fpUI

pf

UIIEEI

M

.

20. Caracteristica fM ridicată în condiţiile U = ct, Ie = ct şi f1 = ct se numeşte caracteristica internă a motorului sincron. Graficul calitativ al acesteia este prezentat în fig. 5.15.

Zona OA a caracteristicii fM este o zonă de funcţionare stabilă, deoarece la creşterea cuplului rezistent, unghiul creşte, crescând astfel şi momentul cuplului electromagnetic dezvoltat de motor.

La depăşirea unui cuplu rezistent maxMM r (corespunzător unghiului 2/π ) se trece pe porţiunea instabilă AB a caracteristicii, motorul iese din sincronism şi se opreşte deoarece cuplul electromagnetic devine nul.

Cuplul maxM se numeşte cuplu de răsturnare (sau de ieşire din sincronism).

21. Motorul sincron are deci proprietatea că la o frecvenţă 1f dată, în limitele max0 MM se

roteşte cu o viteză de rotaţie constantă, egală cu viteza de sincronism: pfnn 11 , caracteristica mecanică a acestuia, prezentată în fig. 5.16 fiind o caracteristică perfect rigidă. La depăşirea cuplului de răsturnare Mmax motorul se “desprinde” (iese din sincronism) şi se opreşte instantaneu.

subexcitarsupraexcitar

cos,I

cos1

minI

eneoptim II eIO

)(fcos eI

34 MM 23 MM

12 MM

ct1 M

Fig. 5.18. Caracteristicile în „V” ale motorului sincron.

23. Denumite astfel după forma pe care o au, caracteristicile în „V” descriu comportarea motorului

sincron la cuplu constant şi modificări ale curentului de excitaţie. Ele evidenţiază deci, modul în care se modifică curentul I absorbit de motor din reţea, la modificarea curentului de excitaţie Ie, eII f la M = ct, U = ct şi f 1= ct.

În scopul realizării graficului calitativ al caracteristicii eII f , se au în vedere relaţiile:

0Sj EIXU ; sinπ2

3

1

0 SXf

pUEM şi diagrama fazorială simplificată a motorului sincron din fig.

5.14. Din condiţiile M = ct, U = ct şi f1 = ct, rezultă sin0E = ct, astfel că la modificarea curentului de

excitaţie Ie se modifică şi tensiunea electromotoare E0, dar păstrând produsul sin0E = AB = constant. Cu creşterea curentului de excitaţie Ie, tensiunea electromotoare E0 creşte, locul geometric al

vârfurilor fazorilor E0 fiind o dreaptă (d1) paralelă cu OC, situată la distanţa AB faţă de aceasta, aşa cum rezultă din fig. 5.17.

Cum însă cossin0 IXE S , rezultă că şi produsul cosI este constant, locul geometric al vârfurilor fazorilor I deplasându-se pe o dreaptă (d2) perpendiculară pe OC şi situată la distanţa OD de punctul O.

Când curentul de excitaţie creşte de la valoarea Ie1 la valoarea Ie2, tensiunea electromotoare creşte de la 01E la 02E , curentul I scade de la I1 la I2, scade şi cos creşte. Există o valoare limită a curentului de excitaţie, căruia îi spunem curent de excitaţie optim (Ieoptim) pentru care curentul I absorbit de stator din reţea are valoarea minimă Imin şi pentru care ,0 1cos .

24. Datorită capacităţii sale ca în domeniul de supraexcitare să genereze putere reactivă, motorul sincron este folosit uneori pentru îmbunătăţirea factorului de putere în instalaţiile electroenergetice (regimul de compensator sincron). Trebuie remarcat faptul că odată cu creşterea încărcării domeniul de supraexcitare se reduce considerabil, putând dispărea complet la funcţionarea în sarcină nominală, motiv pentru care regimul de compensator sincron este considerat a fi regimul de funcţionare în gol al motorului sincron.

25. Pornirea cu ajutorul unui motor auxiliar Este o metodă care se utilizează doar în cazul pornirilor în gol şi presupune utilizarea unui motor

auxiliar care antrenează rotorul maşinii sincrone până la viteza de sincronism, înfăşurarea de excitaţie fiind alimentată de la o sursă de tensiune continuă. Maşina va funcţiona deci, în regim de generator autonom şi atunci când sunt realizate condiţiile de sincronizare cu reţeaua se realizează punerea în paralel şi ulterior deconectarea motorului de antrenare. Din acest moment maşina sincronă va trece să funcţioneze în regim de motor, transformând energia electrică absorbită pe la bornele celor două înfăşurări (statorică şi rotorică) în energie mecanică transmisă maşinii de lucru acţionate.

Ca motor auxiliar se poate utiliza fie un motor de curent continuu, fie un motor asincron cu rotorul bobinat (motoare care oferă posibilitatea modificării vitezei de rotaţie).

26. Pornirea în asincron Această metodă este cea mai utilizată metodă de pornire a motoarelor sincrone şi constă în pornirea

motorului sincron ca un motor asincron cu rotorul în scurtcircuit. Acest lucru este posibil datorită prezenţei în rotorul motorului sincron a unei colivii de pornire (similară motoarelor asincrone cu rotorul în scurtcircuit) aşezată în tălpile polare ale polilor inductori.

Pornirea se realizează fie prin conectare directă la reţea a înfăşurării trifazate statorice, fie prin metodele de pornire indirectă studiate la motorul asincron cu rotorul în scurtcircuit (cu comutator stea-triunghi, cu autotransformator sau cu bobine de reactanţă). Pe perioada pornirii în asincron înfăşurarea de excitaţie este deconectată de la sursa de alimentare de curent continuu şi conectată pe un reostat a cărui rezistenţă este de 510 ori mai mare decât rezistenţa înfăşurării de excitaţie. Înfăşurarea de excitaţie nu se lasă în nici un caz deschisă, deoarece la pornire, în aceasta s-ar induce tensiuni mari care ar putea străpunge izolaţia.

După pornirea în asincron, rotorul atinge o viteză de regim cu 2 4% mai mică decât viteza de sincronism. Pentru sincronizarea motorului, înfăşurarea de excitaţie se deconectează de la bornele rezistorului şi se conectează la sursa de tensiune continuă, stabilindu-se curentul de excitaţie.

Urmează un proces tranzitoriu amortizat în care se produce sincronizarea motorului cu reţeaua (intrarea în sincronism).

La funcţionarea în asincron, în regim permanent, cuplul rezistent este echilibrat de cuplul electromagnetic asincron (cuplul sincron fiind nul), iar după intrarea în sincronism cuplul rezistent este echilibrat de cuplul sincron (cuplul asincron fiind nul).Intrarea în sincronism se face cu atât mai uşor cu cât valoarea alunecării is în momentul stabilirii curentului prin înfăşurarea de excitaţie este mai mică ( is- alunecarea de intrare). Condiţiile cele mai favorabile intrării în sincronism au loc la pornirea în gol, motiv pentru care se urmăreşte ca pornirea în asincron a motorului sincron să se realizeze la un cuplu rezistent cât mai mic. Dacă motorul nu intră în sincronism la prima încercare, operaţia se repetă.

27 Pornirea prin intermediul frecvenţei este utilizabilă numai în cazurile în care, între maşina sincronă şi reţeaua de alimentare se interpune un convertizor static de frecvenţă, a cărui frecvenţă de ieşire se poate modifica de la valoarea zero la frecvenţa nominală (50 Hz). Motorul este conectat la ieşirea convertizorului de frecvenţă, care la pornire furnizează o tensiune de frecvenţă nulă, pornind deci ca un motor de curent continuu. Concomitent cu creşterea vitezei de rotaţie se măreşte atât frecvenţa cât şi tensiunea până la atingerea valorii nominale.

Prezenţa convertizorului static prezintă avantajul că permite şi modificarea vitezei de rotaţie a motorului sincron.

Inversarea sensului de rotaţie la motorul sincron se realizează ca şi la motorul asincron prin inversarea alimentării a două faze statorice.

28. Motorul sincron are deci proprietatea că la o frecvenţă 1f dată, în limitele max0 MM se

roteşte cu o viteză de rotaţie constantă, egală cu viteza de sincronism: pfnn 11 , caracteristica mecanică a acestuia, prezentată în fig. 5.16 fiind o caracteristică perfect rigidă. La depăşirea cuplului de răsturnare Mmax motorul se “desprinde” (iese din sincronism) şi se opreşte instantaneu.

Modificarea vitezei de rotaţie a motorului sincron se poate realiza numai prin schimbarea numărului de poli p (metodă foarte complicată) sau prin alimentarea motorului sincron cu tensiune de frecvenţă f1 variabilă (metodă costisitoare, având în vedere preţul ridicat al convertizoarelor statice de frecvenţă).

Utilizarea maşinilor sincrone în regim de motor este de altfel limitată de absenţa momentului cuplului la pornire şi de posibilităţile reduse şi complicate de modificare a vitezei de rotaţie.

29. Pe lângă dezavantajele prezentate în paragraful 5.9 (absenţa cuplului de pornire şi dificultatea modificării vitezei de rotaţie) motoarele sincrone prezintă şi unele avantaje faţă de motoarele asincrone. Avantajele utilizării motoarelor sincrone în acţionările electrice industriale sunt:

- îmbunătăţirea factorului de putere la funcţionarea lor în domeniul de supraexcitare; - fiabilitate crescută în funcţionare (în special la puteri mari şi viteze de rotaţii reduse, datorită

întrefierului mare); - variaţia liniară a momentului cuplului cu tensiunea; - randamentul mărit (peste 90%); - posibilitatea funcţionării cu factor de putere unitar 1cos pentru orice valoare a încărcării. Avantajele prezentate mai sus, corelate cu reducerea preţului elementelor semiconductoare

comandate de putere (tiristoare) conduc la ideea necesităţii extinderii utilizării motoarelor sincrone în acţionările electrice.

30. Alimentarea cu tensiune continuă a înfăşurării de excitaţie se poate realiza în următoarele moduri :

- de la un generator de curent continuu cu excitaţie derivaţie având axul comun cu al maşinii sincrone, numit excitatoare sau excitatrice proprie;

- de la un convertor static (instalaţie de redresare); - de la însăşi bornele generatorului sincron, prin intermediul unor transformatoare de adaptare şi

instalaţii de redresare cu diode sau cu tiristoare (autoalimentare).