Mașini sincrone - motoare, generatoare și compensatoare

Mașinile sincrone sunt mașini electrice cu curent alternativ în care rotorul și câmpul magnetic al curenților statorului se rotesc sincron.
Generatoarele sincrone trifazate sunt cele mai puternice mașini electrice. Puterea unitară a generatoarelor sincrone la hidrocentrale este de 640 MW, iar la termocentrale — 8 — 1200 MW. Într-o mașină sincronă, una dintre înfășurări este conectată la o rețea de curent alternativ, iar cealaltă este excitată de curent continuu. Înfășurarea de curent alternativ se numește înfășurare de armătură.
Înfășurarea armăturii convertește toată puterea electromagnetică a mașinii sincrone în energie electrică și invers. Prin urmare, este de obicei plasat pe un stator, care se numește armătură. Bobina de excitație consumă 0,3 - 2% din puterea convertită, prin urmare este de obicei amplasată pe un rotor rotativ, care se numește inductor, iar puterea de excitație scăzută este furnizată de inele colectoare sau dispozitive de excitație fără contact.

Câmpul magnetic al armăturii se rotește cu o viteză sincronă n1 = 60f1 / p, rpm, unde p = 1,2,3 … 64 etc. este numărul de perechi de poli.
Cu frecvența rețelei industriale f1 = 50 Hz, un număr de viteze sincrone la un număr diferit de poli: 3000, 1500, 1000 etc.). Deoarece câmpul magnetic al inductorului este staționar față de rotor, pentru interacțiunea continuă a câmpurilor inductorului și armăturii, rotorul trebuie să se rotească cu aceeași viteză sincronă.

Construcția de mașini sincrone
Statorul unei mașini sincrone cu o înfășurare trifazată nu diferă în construcție stator de mașină asincronă, iar rotorul cu o bobină excitantă este de două tipuri — pol proeminent și pol implicit. La viteze mari și un număr mic de poli, se folosesc rotoare cu poli implicit, deoarece au o structură mai durabilă, iar la viteze mici și un număr mare de poli se folosesc rotoare cu poli saliente de construcție modulară. Rezistența unor astfel de rotoare este mai mică, dar sunt mai ușor de fabricat și reparat. Rotorul aparent de pol:

Sunt utilizate la mașinile sincrone cu un număr mare de poli și un n corespunzător scăzut. Centrale hidroelectrice (hidrogeneratoare). frecvența n de la 60 la câteva sute de rotații pe minut. Cele mai puternice hidrogeneratoare au un diametru al rotorului de 12 m cu o lungime de 2,5 m, p — 42 și n = 143 rpm.
rotor indirect:

Înfășurarea — diametrul d = 1,2 — 1,3 m în canalele rotorului, lungimea activă a rotorului nu este mai mare de 6,5 m. TPP, NPP (generatoare cu turbină). S = 500.000 kVA într-o singură mașină n = 3000 sau 1500 rpm (1 sau 2 perechi de poli).
Pe lângă bobina de câmp, pe rotor este amplasată un amortizor sau o bobină de amortizare, care este utilizată pentru pornirea motoarelor sincrone. Această bobină este realizată similar unei bobine de scurtcircuit cu cușcă de veveriță, doar cu o secțiune mult mai mică, deoarece volumul principal al rotorului este preluat de bobina de câmp.La rotoarele cu poli neuniform, rolul înfășurării amortizorului este jucat de suprafețele dinților solidi ai rotorului și de pene conductoare din canale.
Curentul continuu în înfășurarea de excitație a unei mașini sincrone poate fi furnizat de la un generator de curent continuu special instalat pe arborele mașinii și numit excitator sau de la rețea printr-un redresor cu semiconductor.
Vezi și pe acest subiect:
Scopul și dispunerea mașinilor sincrone

Cum funcționează turbogeneratoarele și hidrogeneratoarele sincrone

O mașină sincronă poate funcționa ca generator sau motor. O mașină sincronă poate funcționa ca motor dacă înfășurarea statorului este alimentată de curent trifazat. În acest caz, ca urmare a interacțiunii câmpurilor magnetice ale statorului și rotorului, câmpul statorului poartă rotorul cu el. În acest caz, rotorul se rotește în aceeași direcție și cu aceeași viteză ca câmpul statorului.

Modul de funcționare generator al mașinilor sincrone este cel mai comun, iar aproape toată energia electrică este generată de generatoare sincrone.Motoarele sincrone sunt utilizate cu putere de peste 600 kW și până la 1 kW ca micromotoare. Generatoarele sincrone pentru tensiuni de până la 1000 V sunt utilizate în unitățile pentru sisteme de alimentare autonome.

Unitățile cu aceste generatoare pot fi staționare și mobile. Majoritatea unităților sunt utilizate cu motoare diesel, dar pot fi alimentate de turbine cu gaz, motoare electrice și motoare pe benzină.

Un motor sincron diferă de un generator sincron doar printr-o bobină de amortizare a pornirii, care ar trebui să asigure proprietăți bune de pornire ale motorului.

Schema unui generator sincron cu șase poli.Sunt prezentate secțiuni transversale ale înfășurărilor unei faze (trei înfășurări conectate în serie). Înfășurările celorlalte două faze se potrivesc în fantele libere prezentate în figură. Fazele sunt conectate în stea sau triunghi.

Modul generator: motorul (turbina) rotește rotorul, a cărui bobină este alimentată cu tensiune constantă? există un curent care creează un câmp magnetic permanent. Câmpul magnetic se rotește cu rotorul, traversează înfășurările statorului și induce un EMF de aceeași mărime și frecvență, dar deplasat cu 1200 (sistem trifazat simetric).

Modul motor: înfășurarea statorului este conectată la o rețea trifazată, iar înfășurarea rotorului la o sursă de curent continuu. Ca urmare a interacțiunii câmpului magnetic rotativ al mașinii cu curentul continuu al bobinei de excitare, apare un cuplu Mvr, care determină rotorul să se rotească cu viteza câmpului magnetic.

Caracteristica mecanică a unui motor sincron — dependența n (M) — este o secțiune orizontală.

Bandă de film educațională - „Motoare sincrone” produsă de Fabrica de Materiale Educaționale în 1966.
Îl puteți viziona aici: Filmstrip «Synchronous Motor»

Aplicarea motoarelor sincrone Utilizarea în masă a motoarelor asincrone cu o subsarcină semnificativă complică funcționarea sistemelor și stațiilor de alimentare: factorul de putere din sistem scade, ceea ce duce la pierderi suplimentare în toate dispozitivele și liniile, precum și la utilizarea insuficientă a acestora în termenii puterii active. Prin urmare, utilizarea motoarelor sincrone a devenit necesară, în special pentru mecanismele cu acționări puternice.

Motoarele sincrone au un mare avantaj față de motoarele asincrone, și anume că, datorită excitației DC, pot funcționa cu cosphi = 1 și nu consumă putere reactivă din rețea, iar în timpul funcționării, atunci când sunt supraexcitate, chiar dau putere reactivă reţea. Ca urmare, factorul de putere al rețelei este îmbunătățit și căderea de tensiune și pierderile din aceasta sunt reduse, precum și factorul de putere al generatoarelor care funcționează în centralele electrice.

Cuplul maxim al unui motor sincron este proporțional cu U, iar pentru un motor asincron U2.

Prin urmare, atunci când tensiunea scade, motorul sincron păstrează o capacitate de sarcină mai mare. În plus, utilizarea posibilității de creștere a curentului de excitație al motoarelor sincrone face posibilă creșterea fiabilității acestora în cazul căderilor de tensiune de urgență în rețea și îmbunătățirea în aceste cazuri a condițiilor de funcționare a sistemului de alimentare în ansamblu. Datorită dimensiunii mai mari a spațiului de aer, pierderile suplimentare în oțel și în cușca rotorului motoarelor sincrone sunt mai mici decât cele ale motoarelor asincrone, prin urmare eficiența motoarelor sincrone este de obicei mai mare.

Pe de altă parte, construcția motoarelor sincrone este mai complicată decât motoarele cu inducție în cușcă veveriță și, în plus, motoarele sincrone trebuie să aibă un excitator sau alt dispozitiv pentru a alimenta o bobină de curent continuu. Ca urmare, motoarele sincrone sunt în cele mai multe cazuri mai scumpe decât motoarele asincrone cu colivie.

În timpul funcționării motoarelor sincrone, au apărut dificultăți considerabile în pornirea lor.Aceste dificultăți au fost deja depășite.

Pornirea și controlul vitezei motoarelor sincrone sunt, de asemenea, mai dificile. Cu toate acestea, avantajul motoarelor sincrone este atât de mare încât la puteri mari este indicat să le folosiți oriunde nu sunt necesare porniri și opriri frecvente și controlul vitezei (motoare generatoare, pompe puternice, ventilatoare, compresoare, mori, concasoare etc.). ).

Vezi si:

Scheme tipice pentru pornirea motoarelor sincrone

Proprietăți electromecanice ale motoarelor sincrone

Compensatoare sincrone

Compensatoarele sincrone sunt proiectate pentru a compensa factorul de putere al rețelei și a menține nivelul normal de tensiune al rețelei în zonele în care sunt concentrate sarcinile consumatorilor. Modul de funcționare supraexcitat al compensatorului sincron este normal atunci când furnizează putere reactivă rețelei.

În acest sens, compensatoarele, precum și băncile de condensatoare care servesc aceleași scopuri, instalate la substațiile de consum, sunt denumite și generatoare de putere reactivă. Cu toate acestea, în perioadele de sarcini reduse ale utilizatorilor (de exemplu, noaptea), este adesea necesară utilizarea compensatoarelor sincrone și în modul de subexcitare, atunci când consumă curent inductiv și putere reactivă din rețea, deoarece în aceste cazuri tensiunea rețelei tinde să crește și pentru a o menține la un nivel normal, este necesară încărcarea rețelei cu curenți inductivi, care provoacă căderi suplimentare de tensiune în ea.

În acest scop, fiecare compensator sincron este echipat cu un regulator automat de excitare sau de tensiune, care reglează mărimea curentului de excitație, astfel încât tensiunea la bornele compensatorului să rămână constantă.