Mașina sincronă

Masinile electrice sunt utilizate in toate sferele de activitate ale omului. Ele formeaza, practic, toate sursele de energie electrica si elementele de actionare in vederea efectuarii unui lucru mecanic de catre mecanisme si instalatii.

In vastul proces de conversie (transformare) a energiei, un loc insemnat il ocupa conversia electromecanica care se realizeaza cu ajutorul masinilor electrice. Astfel, masina care face conversia energiei mecanice in energie electrica se numeste generator electric, iar cea care face conversia energiei electrice in energie mecanica, motor electric. Masina electrica care, cu interventia energiei mecanice, modifica parametrii unei transmisiuni de energie electrica (tensiune, curent, frecventa etc) se numeste convertizor electric rotativ. Cand masina electrica primeste atat energie electrica, cat si energie mecanica si Ie transforma in caldura, prin efectul Joule, ea are rol de frana (fig. 1).

Fig. 1 Simbolizarea modurilor de conversie electromecanica:

a-generator(G); b-motor(M); c-convertizor(C); d-frana(F). P-putere mecanica; PM, PE-putere mecanica; PjM-pierderi ireversibile de energie prin efectul Joule, prin frecari si prin fier.

3. MASINI SINCRONE

Masina de curent alternativ la care turatia rotorului este egala cu cea a cimpului invirtitor, indiferent de sarcina, se numeste masina sincrona. Armatura inductorului masinii este formata dintr-o succesiune de poli N si S, realizati din electromagneti excitati c.c. sau din magneti permanenti (fig. 2 ). In general, inductorul este rotor si numai la masinile mici, din motive de spatiu, poate fi stator, masina fiind considerata in acest caz de constructie inversa. Inductorul poate fi cu poli aparenti si bobine concentrate asezate pe acestia (fig. 2) sau cu poli plini (poli inecati), cand infasurarea de excitatie este repartizata in crestaturi (fig. 3). Infasurarea de excitatie are capetele legate la doua inele de pe arbore, pe care calca periile care fac legatura cu sursa exterioara de c.c. Masinile sincrone mai au pe armatura inductoare o infasurare de tip colivie (Ca la masinile asincrone) numita infasurare de amortizare, utilizata si la pornirea motoarelor (fig. 4). 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 se produc pierderi.

Fig. 2 Schita unei sectiuni printr-o masina electrica cu poli aparenti si forma de variatie a inductiei in intrefier

Fig. 3 Schita de principiu a unei Fig. 4 Infasurarea de amortizare

masini sincrone cu poliu inecati la o masina cu poli aparenti

Armatura indusului este formata din pachete de tole si in crestaturile ei se gaseste o infasurare trifazata conectata in stea. Gama larga de puteri, ca si locul de utilizare, a condus la numeroase forme constructive ale caror elemente in afara celor indicate mai inainte , pot diferi de la un tip la altul. Astfel in fig. 5 se dau unele elemente specifice masinii sincrone

Fig. 5.Msina sincrona cu poli aparenti (2p=6)

1-circuit magnetic statoric; 2-carcasa; 3-infasurare indusa; 4-scuturile; 5-placi de strangerea pachetelor de tole stator;6-butucul armaturii rotorice; 7-poli inductori; 8-infasurare excitatie 9-excitatoare(masina de c.c cuplata pe acelesi ax care alimenteaza infasurarea de excitatie); 10-ventilatorul

2. Semne conventionale

In figura 6 se dau o parte din semnele conventionale pentru masinile sincrone. Infasurarile indusului sunt notate cu U, V si W ca la masina asincrona, infasurarea de excitatie cu F

Fig 6 Semne conventionale pentru masinile sincrone:

a-generator cu poli formatii de magneti permanenti; b-generator trifazat,in stea; c-generator trifazat in stea cu nulul scos; d-motor sincron

3. Domenii de utilizare

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

- Generatoarele sincrone, numite si alternatoare, constituie sursele de curent alternativ de frecventa industriala din centralele electrice. Tendinta este ca ele sa se realizeze cu puteri cat mai mari pe unitate, pentru obtinerea de randamente mari si consumuri specifice mici de materiale.

Generatoarele sincrone mari cu poli inecati (fig. 3), antrenate de turbine cu abur sau gaze la turatii de 3000 rot/min si mai rar, de 1500 rot/min, se numesc turbogeneratoate, iar cele cu turatii mici, cu poli aparenti, antrenate de turbine hidraulice, hidrogeneratoare. Terminologia, clasificare si simbolizarea hidrogeneratoarelor sunt date in STAS 8817-71, iar ale masinilor rotative in general, in STAS 4861-71.

- Motoarele sincrone se folosesc la puteri peste 100 kW, in locul motoarelor asincrone, pentru functionare la un factor de putere dorit sau chiar pentru compensarea factorului de putere al retelelor (fig. 7). 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.

La noi in tara se construiesc aproape toate masinile sincrone de care avem nevoie, avand si disponibilitati de export.

Fig. 7 Compensarea locala a factorului de al retelei cu o baterie de condensatori

B. PRINCIPIUL SI ECUATIILE DE FUNCTIONARE

1. Principiul de functionare a generatorului

Daca rotorul masinii sincrone (fig. 2) are infasurarea de excitatie alimentata de la o sursa de c.c. si este antrenat de un motor cu viteza unghiulara Q, se formeaza un camp invartitor de forma (fig. 8) care produce printr-o infasurare de faza fluxul , dat de relatia

- =wkw- cos- 2t=- cos- 2t. Infasurarile de faza fiind decalate in spatiu cu un unghi electric de ( radiani),in baza relatiei

e=- 2wkw- sin- 2t=- 2wkw- cos ,t.e.m. induse in cele trei infasurari statorice