Universitatea Tehnic a Moldovei

Facultatea de Energetic

Catedra de Electromecanic i metrologie

Lucrare individual

Generatoare sincrone A efectuat: st. gr. IE-10M

Vrlan Petru Cazac Vadim

Rachier Vasile

A verificat: prof. univ. dr.hab.

Tudor AmbrosChiinu 2011IntroducereGeneraliti i definiii.

Maina sincron este o main de curent alternativ a crei turaie este constant, indiferent de regimul de funcionare (stabilizat) i independent de valoarea sarcinii (n limite norma-le). Turaia este cea de sincronism i este legat riguros de frecvena f a reelei de curent alternativ la care este cuplat maina.

Mainile sincrone pot funciona n dou regimuri de baz, ca generatoare i ca motoare.

n regimul de generator, maina transform puterea meca-nic, primit pe la arbore de la un motor auxiliar, n putere electric, debitat ntr-o reea de curent alternativ. n regimul de motor, maina transform puterea electric, primit de la o reea de curent alternativ, n putere mecanic, cedat pe la ar-bore unei instalaii mecanice.

Un alt regim posibil de funcionare a mainii sincrone este acela de compensator al factorului de putere. Regimul de com-pensator nu este ns un regim de baz distinct, ci un regim de motor funcionnd n gol.

Cea mai larg rspndire o are maina sincron n regim de generator sincron trifazat, folosit n prezent, n exclusivitate, n toate centralele electrice de mare putere.

Motoarele sincrone se utilizeaz n instalaiile la care este necesar meninerea turaiei riguros constant i un factor de putere bun la turaii mici.

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

Regimul de funcionare a unei maini sincrone se caracte-rizeaz prin mrimile nominale nscrise pe plcua ei indica-toare:

regimul de funcionare (generator, motor, compensator);

puterea: la generatoare puterea aparent la borne, n kVA sau MVA, sau puterea activ la borne, n kW sau MW; la motoare puterea mecanic la arbore, n kW; la compensatoa-re puterea reactiv la borne, n kVar sau MVar, n regim supraexcitat;

curentul de linie n A sau kA;

tensiunea de linie n V sau kV;

factorul de putere;

numrul de faze;

conexiunea nfurrilor indusului;

frecvena n Hz;

tensiunea de excitaie la funcionarea n gol i n regimul nominal;

curentul de excitaie nominal i curentul de excitaie maxim admisibil, n A sau kA.

De remarcat c, spre deosebire de transformator, la maina sincron sarcina admisibil nu este caracterizat numai prin puterea aparent ci i prin factorul de putere, deoarece acesta determin valoarea puterii de excitaie.

Particulariti constructive i sisteme de excitaie.

La maina sincron, armtura inductoare, n general roto-rul, posed o nfurare (de excitaie) alimentat n curent continuu, iar armtura indusului, n general statorul, este echipat cu nfurarea de curent alternativ. Construcia se face astfel, deoarece:

curentul continuu, de alimentare a nfurrii inducto-rului este mult mai mic dect curentul care circul prin nf-urarea indusului;

mainile sincrone de puteri mari, n special generatoa-rele sincrone, se construiesc de obicei pentru tensiuni mari (pn la 30 kV), la care izolaia unui bobinaj static prezint mai mult siguran de funcionare dect izolaia unui bobinaj situat pe o armtur care se rotete.

La mainile de puteri mici (sub 50 kVA), sau la maini cu destinaie special, se utilizeaz i construcia invers (indu-sul - rotor i inductorul - stator).

Dup forma inductorului, se deosebesc: maini cu poli ne-cai, utilizate n special la turaii mari (3000 10.000 rot/min) i maini cu poli apareni, folosite la turaii mici (de obicei sub 1500 rot/min).

Generatorul sincron se mai denumete, dup felul motoru-lui de antrenare: turbogenerator, cnd motorul este o turbin cu aburi sau cu gaze, de turaie mare i hidrogenerator, cnd motorul primar este o turbin hidraulic.

Hidrogenerator cu ax vertical tip umbrel

Hidrogenerator tip bulb

Turbogeneratoarele se realizeaz de obicei ca maini bipolare, cu poli necai, cu axul orizontal; hidrogeneratoarele se construiesc numai cu poli apareni i de obicei cu axul vertical.

Generatoarele sincrone antrenate de motoare termice (mo-toare Diesel sau turbine cu gaze de turaie joas) se realizeaz cu poli apareni i cu axul orizontal.

Motoarele sincrone, la puteri medii i mari, se construiesc de obicei cu poli apareni.

Compensatoarele sincrone se realizeaz de obicei ca maini cu poli necai sau apareni, la turaii de 1000 rot/min sau 1500 rot/min.

Statorul mainii este alctuit din:

partea activ - miezul feromagnetic i nfurarea statoric plasat n crestturi;

partea inactiv - carcasa, scuturile cu lagre, sistemul de ventilaie, etc.

Miezul statoric al mainii sincrone este construit din tole de oel electrotehnic, izolate ntre ele i prezint, la periferia dinspre rotor, crestturi (de diferite forme), n care sunt plasate bobinele nfurrilor trifazate de curent alternativ.

Carcasa se face uneori din font turnat, eventual cu nervuri pentru mrirea suprafeei de rcire, iar la mainile de puteri mari ea se execut din oel - turnat sau din tabl roluit, sudat i ntrit cu profiluri de oel.

Rotorul mainii sincrone poate fi cu poli apareni sau cu poli necai. Rotorul cu poli necai este construit dintr-o roat polar (compus din butuc, brae, prag) pe care se fixeaz polii mainii (compui din miezul polar i piesa polar). La mainile de puteri mici, braele roii polare pot lipsi.

Forma piesei polare este astfel realizat nct s se obin o distribuie a cmpului magnetic n ntrefier ct mai apropiat de o sinusoid. n piesele polare se prevd crestturi (figura 1) pentru plasarea barelor coliviei de amortizare. Barele sunt scurtcircuitate la ambele capete prin segmente inelare care se aeaz numai n lungul arcului polar sau de jur mprejur.

Bobinele polare de excitaie se efectueaz din band de cupru sau conductor rotund.

1 talpa polului

2 bara

3 inel de scurtcircuitare

4 polul Infurare in colivie deobicei nesimetric

Figura 1. Pol aparent prevzut cu crestturi pentru

barele coliviei de amortizare.

Tipuri de rotoare de generator sincronCu poli apareni

1- inele

3- butuc

6- ax

7- infurare de excitaie

8- bare

9- segmente de inel

1- pol ;

2 infurareCu poli inecai

1- inele

2- bandaj

3- dinte mare

4- crestturi

5- capete de bobin" excitaie

6- ax 1 dinte mare ; 2 - infurare

La periferia rotorului mainilor cu poli necai, pe un nu-mr par de poriuni ale circumferinei acestuia, sunt prevzute crestturile n care se aeaz nfurarea de excitaie (figura 2). Fixarea nfurrilor n crestturi se face cu ajutorul penelor, iar fixarea prilor frontale cu ajutorul unor bandaje puternice.

Figura 2. Variant de rotor cu poli necai.

Pe axul rotorului sunt dispuse, n general, dou inele la care se conecteaz capetele nfurrii de excitaie; periile, care calc pe inele, asigur legtura dintre sursa de curent continuu i nfurarea de excitaie.

Sursa de curent continuu este fie o main excitatoare fie o instalaie de excitaie. Excitatoarea sau instalaia de excitaiefac parte dintr-un sistem de excitaie care asigur funciuni multiple de reglaj i de protecie. Sistemul de excitaie are un rol semnificativ n comportarea ansamblului generator - motor de antrenare n exploatare, avnd totodat i o pondere nsem-nat n costul total al agregatului (5-12%).

Principalele surse de excitaie ale generatoarelor sincrone sunt urmtoarele:

excitatoare de curent continuu;

excitatoare de curent alternativ i redresoare;

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

alimentare de la o reea de tensiune constant, prin intermediul redresoarelor comandate.

Sistemul de excitaie trebuie s ndeplineasc dou condi-ii importante:

vitez de rspuns mare - asigurarea creterii rapide a tensiunii la bornele nfurrii de excitaie a generatorului;

plafon ridicat al tensiunii de excitaie - 22,5 ori ten-siunea de excitaie nominal, n vederea forrii excitaiei n regimuri tranzitorii de curent.

Principiul de funcionare a mainii sincrone n regim de generator electric.

Se consider c rotorul mainii (inductorul) este antrenat cu viteza unghiular ( de ctre motorul su primar, care dezvolt un cuplu activ Ma. nfurarea de excitaie a celor 2p poli, alimentat n curent continuu, produce un cmp magnetic nvrtitor inductor, care se rotete cu viteza unghiular ( n acelai sens cu rotorul. Corespunztor acestui cmp, spirele nfurrilor de faz ale statorului (indus) sunt ntretiate de un flux (, variabil n timp.

Dac cmpul nvrtitor inductor are o repartiie sinusoidal n spaiu, fluxul va avea o variaie sinusoidal n timp, de pulsaie,

( = p(((1)

ntr-o nfurare de faz se va induce o t.e.m. sinusoidal n timp, de aceeai pulsaie (, iar n cele trei nfurri de faz se va induce un sistem de trei t.e.m. simetrice, echilibrate. Suc-cesiunea n timp a celor trei t.e.m. este impus de sensul de rotaie a cmpului nvrtitor inductor.

Dac nfurarea statorului este conectat pe o impedan trifazat simetric, aceasta va fi parcurs de curenii de faz care formeaz un sistem simetric echilibrat.

Maina furnizeaz impedanei de sarcin o putere activ P2, funcionnd deci, n regim de generator.

Bilanul puterilor i randamentul mainii sincrone.

Motorul primar, care dezvolt un cuplu activ Ma (al crui sens de rotaie coincide cu cel al rotorului i deci al cmpului nvrtitor) cedeaz mainii sincrone puterea mecanic,

P1 = Ma (.(2)

Asupra indusului mainii se exercit cuplul electromagne-tic

, (3)

deoarece viteza unghiular relativ a indusului (stator) fa de cmpul magnetic nvrtitor este (.

Acest cuplu este pozitiv fiindc, oricare ar fi natura impe-danei de sarcin, cos(E0, I)>0. Cuplul electromagnetic tinde s roteasc indusul n sensul cmpului nvrtitor dar, statorul fiind fix, nu se poate roti. Conform principiului aciunii i reaciunii, asupra rotorului se exercit n acest caz un cuplu electromag-netic M, n sens opus sensului de micare, deci reprezint un cuplu rezistent.

Pe de alt parte, asupra rotorului se mai exercit i alte cupluri rezistente: cuplul datorat frecrilor mecanice i de ven-tilaie, Mfv i cuplul datorat excitatoarei de curent continuu, Mex (dac aceasta este cuplat la axul generatorului sincron).

Dac se consider ca sens pozitiv al cuplului electromag-netic sensul cmpului nvrtitor, se obine:

Ma Mfv Mex = -M

sau,

Ma = -M + Mfv + Mex(4)

i nmulind cu viteza unghiular,

Ma( = P1 = -P + Pfv + Pex.(5)

Deci, din puterea absorbit pe la ax, P1= Ma(, o parte, Pfv = Mfv(, reprezint pierderile mecanice de frecare i ventilaie ale mainii, alt parte, Pex = Mex(, reprezint puterea mecanic preluat de excitatoare (dac aceasta este cuplat la axul gene-ratorului) i alt parte, P = - M(, reprezint puterea electro-magnetic ce se transmite de la rotor la stator, la nivelul ntrefierului, prin intermediul cmpului electromagnetic. Pute-rea electromagnetic este componenta cea mai important a puterii absorbite.

Din aceast putere P, o parte acoper pierderile n nfu-rrile statorului, PCu2 (pierderi prin efect Joule), o alt parte compenseaz pierderile n miezul feromagnetic al statorului, PFe2 (pierderi de histerezis i prin cureni turbionari), iar cea mai mare parte devine putere util, P2 i este transmis impe-danei de sarcin.

Se poate considera c n miezul feromagnetic al rotorului nu se produc pierderi deoarece acesta este strbtut de un cmp magnetic constant n timp.

Bilanul puterilor mainii sincrone este prezentat schematic n figura 3.

Figura 3. Bilanul puterilor mainii sincrone.

Randamentul generatorului sincron se exprim prin relaia:

,(6)

unde U i I sunt mrimile de faz.

Valoarea randamentului crete cu puterea unitar a genera-torului, ajungnd la valori maxime de 98-98,5 % pentru puteri de ordinul sutelor de MVA.

Cuplarea i funcionarea n paralel a generatoarelor sincrone.

n centralele electrice sunt instalate de obicei mai multe generatoare sincrone, destinate a funciona n paralel, pentru a debita energie electric ntr-un sistem electroenergetic de pute-re mare, n comparaie cu puterea nominal a fiecrui genera-tor. Funcionarea n paralel a generatoarelor sincrone generea-z dou categorii de probleme: una legat de efectuarea opera-iei de cuplare n paralel i alta referitoare la funcionarea efectiv a generatoarelor cuplate n paralel.

Conectarea n paralel a generatoarelor sincrone.

Conectarea unui generator la barele unei reele, fr a per-turba funcionarea sistemului i a pune n pericol generatorul, se poate face numai dac sunt ndeplinite condiiile de sincroni-zare.

Aceste condiii decurg din necesitatea ca, n momentul cuplrii, s existe egalitate ntre valorile instantanee ale tensi-unii electromotoare de mers n gol a generatorului ce urmeaz a fi cuplat i tensiunii barelor la care se face conectarea i impun satisfacerea simultan a urmtoarelor deziderate:

a. aceeai valoare efectiv a tensiunilor ambelor sisteme;

b. aceeai frecven;

c. aceeai succesiune a fazelor (inexistena unui defazaj ntre cele doua mrimi).

Operaia de identificare a succesiunii fazelor la generatoa-rele fixe se face o singur dat, la montarea generatorului. Dac aceast identificare nu a fost fcut ea se va face odat cu stabilirea i a celorlalte dou condiii.

A) Metode de sincronizare fin.

Aceste metode urmresc ca, la conectarea n paralel a unui generator sincron, condiiile de sincronizare s fie ndeplinite riguros.

Condiiile de tensiune i de frecven se pot verifica cu ajutorul voltmetrelor i al frecvenmetrelor. Coincidena fazelor tensiu-nilor omoloage ale generatorului i reelei, n momentul cupl-rii, se poate verifica prin mai multe metode.

1. Metoda voltmetrului zero. La aceast metod se msoar diferena dintre tensiunile fazelor omoloage ale generatorului i reelei, cu ajutorul unui voltmetru conectat pe bornele ntrerup-torului cu ajutorul cruia se face cuplarea n paralel. n acelai timp se mai unteaz, prin elemente de rezisten egal cu cea a voltmetrului i celelalte dou contacte ale ntreruptorului. La trecerea prin zero, sau printr-un minim, a tensiunii indicate de voltmetru, tensiunile fazelor omoloage ale generatorului i reelei coincid (desigur, dac este satisfcut i condiia succe-siunii fazelor).

2. Metoda sincronoscopului cu lmpi. La aceast metod se folosete un sincronoscop cu lmpi, care const dintr-un sistem de trei becuri cu incandescen montate ntr-o cutie, n vrfurile unui triunghi echilateral i conectate electric ntre cele dou sisteme. Conectarea se poate face n montajul cu foc nvr-titor sau cu foc stins aprins.

n schema cu foc nvrtitor una din lmpi, L1, este co-nectat ntre fazele omoloage, iar celelalte dou ncruciat.

Coincidena tensiunilor fazelor omoloage este marcat, n aceast schem, prin stingerea lmpii L1 i o luminozitate egal a lmpilor L2 i L3.

La inegalitatea frecvenelor generatorului i reelei, lmpi-le se aprind i se sting succesiv crend iluzia unui foc nvrtitor a crui vitez indic gradul de abatere a celor dou frecvene. Schema verific i sensul de succesiune a fazelor generatorului cu cel al reelei: la coincidena succesiunii focul este nvrtitor, altfel se sting i se aprind, succesiv, toate lmpile odat.

n schema cu foc stins aprins, toate becurile sunt mon-tate ntre bornele omologe. Identitatea succesiunii fazelor este indicat de faptul c becurile se sting sau se aprind toate odat, iar diferena dintre frecvene este dat de frecvena stingerii i aprinderii lmpilor.

3. Metoda sincronoscopului cu cmp nvrtitor. La aceast metod se folosete un dispozitiv electromecanic analog cu motorul asincron bipolar, cu rotorul bobinat. nfurarea statoric este alimentat de la reea (prin intermediul unor transformatoare reductoare), iar nfurarea rotoric de la bor-nele generatorului sincron. n aceast situaie, rotorul sincro-noscopului se va roti cu o vitez determinat de diferena dintre pulsaiile celor dou sisteme.

n general, metodele de sincronizare fin, dac sunt bine aplicate, asigur cuplarea la reea n cele mai bune condiii. Ele prezint neajunsul c nu se pot face suficient de rapid i uneori de loc, n cazul n care n sistemul energetic exist variaii de tensiune i frecven (n urma unor avarii).

B) Metoda autosincronizrii.

Aceast metod nu necesit un aparataj special, dar poate fi folosit numai dac reeaua este suficient de puternic i da-c, n prealabil s-a identificat succesiunea fazelor generatorului ce urmeaz a fi cuplat.

Generatorul sincron neexcitat i avnd nfurarea de excitaie conectat pe o rezisten corespunztoare, este adus (cu ajutorul motorului su de antrenare) la o turaie apropiat de turaia de sincronism.

La mainile mari, turaia poate diferi de cea de sincronism cu cel mult 3%, iar la cele mici cu maximum 5%. Cnd se ating aceste turaii generatorul se cupleaz la reea. Imediat dup cuplare se alimenteaz nfurarea de excitaie cu un curent corespunztor funcionrii n gol, dup care, ntr-un interval de timp foarte scurt, generatorul intr n sincronism.

Explicaia acestei metode este urmtoarea:

Maina nefiind excitat n momentul cuplrii, deci t.e.m. E0 fiind nul, generatorul absoarbe din reea un curent mare, care produce un cmp nvrtitor.

Din interaciunea acestui cmp nvrtitor statoric i curen-ii indui n nfurarea de amortizare a rotorului apare un cuplu asincron care, adugndu-se cuplului motor furnizat de motorul de antrenare, accelereaz rotorul tinznd s-l aduc la viteza de sincronism. La generatorul sincron cu poli apareni acioneaz n acelai sens i cuplul reactiv.

n momentul alimentrii nfurrii de excitaie se produce i un cuplu sincron important i generatorul intr n sincronism.

Metoda autosincronizrii prezint neajunsul de a provoca, n momentul cuplrii la reea a generatorului neexcitat, un oc de curent n nfurarea indusului i o cdere de tensiune cores-punztoare, n reea.

Procesul tranzitoriu este ns de scurt durat, astfel nct nu este periclitat nici generatorul i nu este perturbat nici reeaua. La generatoarele conectate la reea prin intermediul unui transformator, ocul de curent i cderea de tensiune res-pectiv se reduc simitor.

Uneori, metoda autosincronizrii se aplic ntr-o variant care prevede aplicarea tensiunii de excitaie simultan cu cuplarea la reea a generatoarelor. n acest caz ocul de curent este mai mare, ns durata fenomenului scade, fapt cu o impor-tan major n situaia n care, intervenia rapid a unui nou generator este strict necesar.

n centralele mari exist dispozitive care efectueaz auto-mat toate operaiile de sincronizare i controleaz ndeplinirea condiiilor de cuplare la reea a generatorului sincron.

Funcionarea generatoarelor sincrone n paralel.

Maina sincron, odat cuplat n paralel cu un generator sau cu o reea, nu se ncarc de la sine ci funcioneaz n gol, atta timp ct nu se acioneaz asupra ei.

Se presupune pentru simplificare un generator sincron cu poli necai i se neglijeaz cderea de tensiune n rezistena indusului.

Rezult ecuaia:

,(7)

sau,

.

Deci, pentru a ncrca generatorul cu un curent I, este necesar n general, ca fazorul E0 s fie diferit ca faz sau ca amplitudine fa de fazorul U, pentru a se obine E0 U > 0.

A) ncrcarea mainii sincrone cu putere activ.

Se poate realiza prin defazarea tensiunii electromotoare E0 a mainii respective n raport cu tensiunea U a reelei, sau a generatorului cu care este cuplat. Aceasta se obine prin decalarea inductorului mainii n raport cu cmpul magnetic nvrtitor rezultant.

Dac se mrete viteza motorului de antrenare a generato-rului, axa inductorului acestuia se va decala naintea axei cm-pului magnetic rezultant (( > 0), iar maina sincron debiteaz o putere activ (P>0), deci funcioneaz n regim de generator.

Prin aplicarea unui cuplu rezistent la arborele rotorului, axa magnetic a inductorului se va decala n urma axei cmpu-lui magnetic rezultant (( < 0), maina primete de la reea putere activ (P