Màquines síncrones: motors, generadors i compensadors

Les màquines síncrones són màquines elèctriques de corrent altern en què el rotor i el camp magnètic dels corrents de l'estator giren de manera sincrònica.
Els generadors síncrons trifàsics són les màquines elèctriques més potents. La potència unitària dels generadors síncrons a les centrals hidroelèctriques és de 640 MW, i a les centrals tèrmiques de 8 a 1200 MW. En una màquina síncrona, un dels bobinats està connectat a una xarxa de CA i l'altre és excitat per CC. El bobinat de corrent altern s'anomena bobinatge de l'induït.
El bobinatge de l'induït converteix tota la potència electromagnètica de la màquina síncrona en energia elèctrica i viceversa. Per tant, se sol col·locar sobre un estator, que s'anomena induït. La bobina d'excitació consumeix entre el 0,3 i el 2% de la potència convertida, per tant, normalment es troba en un rotor giratori, que s'anomena inductor, i la baixa potència d'excitació és subministrada per anells lliscants o dispositius d'excitació sense contacte.

El camp magnètic de l'induït gira a una velocitat síncrona n1 = 60f1 / p, rpm, on p = 1,2,3 ... 64, etc. és el nombre de parells de pols.
Amb freqüència de xarxa industrial f1 = 50 Hz, una sèrie de velocitats síncrones a diferents nombres de pols: 3000, 1500, 1000, etc.). Com que el camp magnètic de l'inductor és estacionari respecte al rotor, per a la interacció contínua dels camps de l'inductor i l'induït, el rotor ha de girar a la mateixa velocitat síncrona.

Construcció de màquines síncrones
L'estator d'una màquina síncrona amb un bobinatge trifàsic no difereix en la seva construcció estator de màquina asíncrona, i el rotor amb una bobina excitant és de dos tipus: pol prominent i pol implícit. A altes velocitats i un nombre reduït de pols, s'utilitzen rotors de pols implícits perquè tenen una estructura més duradora, i a baixes velocitats i un gran nombre de pols s'utilitzen rotors de pols sortints de construcció modular. La força d'aquests rotors és menor, però són més fàcils de fabricar i reparar. Rotor de pol aparent:

S'utilitzen en màquines síncrones amb un gran nombre de pols i una n corresponentment baixa. Centrals hidroelèctriques (hidrogeneradors). freqüència n de 60 a diversos centenars de revolucions per minut. Els hidrogeneradors més potents tenen un diàmetre del rotor de 12 m amb una longitud de 2,5 m, p — 42 i n = 143 rpm.
Rotor indirecte:

Bobinatge - diàmetre d = 1,2 - 1,3 m als canals del rotor, la longitud activa del rotor no és superior a 6,5 ​​m. TPP, NPP (generadors de turbina). S = 500.000 kVA en una màquina n = 3000 o 1500 rpm (1 o 2 parells de pols).
A més de la bobina de camp, al rotor es troba un amortidor o bobina d'amortiment, que s'utilitza per arrencar motors síncrons. Aquesta bobina es fa semblant a una bobina de curtcircuit de gàbia d'esquirol, només d'una secció molt més petita, ja que el volum principal del rotor és agafat per la bobina de camp.En els rotors de pols no uniformes, el paper de l'enrotllament amortidor el juguen les superfícies de les dents sòlides del rotor i les falques conductores dels canals.
El corrent continu al bobinatge d'excitació d'una màquina síncrona es pot subministrar des d'un generador de corrent continu especial instal·lat a l'eix de la màquina i anomenat excitador, o des de la xarxa elèctrica a través d'un rectificador de semiconductors.
Veure també sobre aquest tema:
Finalitat i disposició de les màquines síncrones

Com funcionen els turbos i hidrogeneradors síncrons

Una màquina síncrona pot funcionar com a generador o com a motor. Una màquina síncrona pot funcionar com a motor si es subministra corrent de xarxa trifàsica al bobinatge de l'estator. En aquest cas, com a resultat de la interacció dels camps magnètics de l'estator i el rotor, el camp de l'estator porta el rotor amb ell. En aquest cas, el rotor gira en la mateixa direcció i a la mateixa velocitat que el camp de l'estator.

El mode de funcionament del generador de les màquines síncrones és el més comú, i gairebé tota l'energia elèctrica és generada per generadors síncrons.S'utilitzen motors síncrons amb potències superiors a 600 kW i fins a 1 kW com a micromotors. Els generadors síncrons per a tensions de fins a 1000 V s'utilitzen en unitats per a sistemes d'alimentació autònom.

Les unitats amb aquests generadors poden ser estacionàries i mòbils. La majoria de les unitats s'utilitzen amb motors dièsel, però poden funcionar amb turbines de gas, motors elèctrics i motors de gasolina.

Un motor síncron es diferencia d'un generador síncron només per una bobina d'amortiment d'arrencada, que hauria de garantir bones propietats d'arrencada del motor.

Esquema d'un generador síncron de sis pols.Es mostren seccions transversals dels bobinatges d'una fase (tres bobinatges connectats en sèrie). Els bobinatges de les altres dues fases encaixen a les ranures lliures que es mostren a la figura. Les fases estan connectades en estrella o en delta.

Mode generador: el motor (turbina) fa girar el rotor, la bobina del qual es subministra amb tensió constant? hi ha un corrent que crea un camp magnètic permanent. El camp magnètic gira amb el rotor, travessa els bobinatges de l'estator i indueix un EMF de la mateixa magnitud i freqüència però desplaçat 1200 (sistema trifàsic simètric).

Mode de motor: el bobinat de l'estator està connectat a una xarxa trifàsica i el bobinat del rotor a una font de corrent continu. Com a resultat de la interacció del camp magnètic giratori de la màquina amb el corrent continu de la bobina d'excitació, es produeix un parell Mvr, que fa que el rotor giri a la velocitat del camp magnètic.

La característica mecànica d'un motor síncron —dependència n (M)— és una secció horitzontal.

Cinta de pel·lícula educativa - "Motors síncrons" produïda per la Fàbrica de Materials Educatius l'any 1966.
Podeu veure-ho aquí: cinta de pel·lícula «Motor síncron»

Aplicació de motors síncrons L'ús massiu de motors asíncrons amb una subcàrrega important complica el funcionament dels sistemes i estacions de potència: el factor de potència del sistema disminueix, la qual cosa comporta pèrdues addicionals en tots els dispositius i línies, així com el seu ús insuficient en termes de potència activa. Per tant, es va fer necessari l'ús de motors síncrons, especialment per a mecanismes amb accionaments potents.

Els motors síncrons tenen un gran avantatge respecte als motors asíncrons, que és que, gràcies a l'excitació de CC, poden funcionar amb cosphi = 1 i no consumeixen potència reactiva de la xarxa, i durant el funcionament, quan estan sobreexcitats, fins i tot donen potència reactiva a la xarxa. xarxa. Com a resultat, es millora el factor de potència de la xarxa i es redueixen la caiguda de tensió i les pèrdues en aquesta, així com el factor de potència dels generadors que operen a les centrals elèctriques.

El parell màxim d'un motor síncron és proporcional a U, i per a un motor asíncron U2.

Per tant, quan la tensió baixa, el motor síncron conserva una capacitat de càrrega més gran. A més, l'ús de la possibilitat d'augmentar el corrent d'excitació dels motors síncrons permet augmentar la seva fiabilitat en cas de caigudes de tensió d'emergència a la xarxa i millorar en aquests casos les condicions de funcionament del conjunt del sistema elèctric. A causa de la mida més gran de l'entrefer, les pèrdues addicionals a l'acer i a la gàbia del rotor dels motors síncrons són més petites que les dels motors asíncrons, per tant, l'eficiència dels motors síncrons sol ser més alta.

D'altra banda, la construcció de motors síncrons és més complicada que els motors d'inducció de gàbia d'esquirol i, a més, els motors síncrons han de tenir un excitador o un altre dispositiu per subministrar una bobina de corrent continu. Com a resultat, els motors síncrons són en la majoria dels casos més cars que els motors asíncrons de gàbia d'esquirol.

Durant el funcionament dels motors síncrons, van sorgir dificultats considerables per posar-los en marxa.Aquestes dificultats ja s'han superat.

L'arrencada i el control de velocitat dels motors síncrons també són més difícils. Tanmateix, l'avantatge dels motors síncrons és tan gran que a grans potències s'aconsella utilitzar-los allà on no es requereixin arrencades i parades freqüents i control de velocitat (motorgeneradors, bombes potents, ventiladors, compressors, molins, trituradores, etc.). ).

Vegeu també:

Esquemes típics d'arrencada de motors síncrons

Propietats electromecàniques dels motors síncrons

Compensadors síncrons

Els compensadors síncrons estan dissenyats per compensar el factor de potència de la xarxa i mantenir el nivell de tensió normal de la xarxa a les zones on es concentren les càrregues dels consumidors. El mode de funcionament sobreexcitat del compensador síncron és normal quan subministra potència reactiva a la xarxa.

En aquest sentit, els compensadors, així com els bancs de condensadors que serveixen per a les mateixes finalitats, instal·lats a les subestacions de consum, també s'anomenen generadors d'energia reactiva. No obstant això, en períodes de càrrega reduïda de l'usuari (per exemple, a la nit), sovint és necessari utilitzar compensadors síncrons i en mode de subexcitació, quan consumeixen corrent inductiu i potència reactiva de la xarxa, ja que en aquests casos la tensió de la xarxa tendeix a augmentar, i per mantenir-lo a un nivell normal, cal carregar la xarxa amb corrents inductius, que provoquen caigudes de tensió addicionals.

Amb aquesta finalitat, cada compensador síncron està equipat amb un regulador automàtic d'excitació o tensió, que regula la magnitud del corrent d'excitació de manera que la tensió als terminals del compensador es mantingui constant.