Finalitat i disposició de les màquines síncrones
Màquina síncrona: una màquina de corrent altern en què la velocitat del rotor a una freqüència constant de corrent als bobinatges de l'estator es manté constant i no depèn de la magnitud de la càrrega a l'eix de la màquina.
Màquines síncrones S'utilitzen principalment per convertir l'energia mecànica dels motors primers en energia elèctrica, és a dir, com a generadors d'energia elèctrica de corrent altern. Tanmateix, les màquines síncrones també s'utilitzen en els modes de motors, compensadors de potència reactiva i altres dispositius.
A les instal·lacions industrials, les màquines síncrones trifàsiques són les més utilitzades. Els motors síncrons monofàsics s'utilitzen en accionaments elèctrics de compressors, ventiladors potents, motors de baixa potència en diversos dispositius automàtics, etc.
Dispositiu de màquina síncrona
Una màquina síncrona trifàsica està formada per un estator estacionari i un rotor de pol implícit o convex que gira al seu interior, entre ells hi ha un entrefer, la mida radial del qual ve determinada per la potència nominal de la màquina, la seva velocitat i varia de fraccions a diverses desenes de mil·límetres.
L'estator d'aquesta màquina pràcticament no difereix en disseny de l'estator d'una màquina d'inducció, té un bobinatge trifàsic, l'inici de les fases del qual es designen C1, C2, C3 i els extrems - C4, C5, C6 i es porten a terminals amb designacions similars, cosa que permet connectar les fases del bobinatge de l'estator amb un delta o estrella.
Les fases del bobinatge de l'estator d'un generador síncron trifàsic es connecten principalment en una estrella, ja que això permet que una xarxa trifàsica de quatre fils tingui tensions de línia i fase que difereixen entre si √3 vegades (Fig. 1). ).
Arròs. 1. Esquema de connexió d'una xarxa trifàsica quadrifàsica als terminals del bobinat de l'estator d'un generador síncron trifàsic quan les fases estan connectades en estrella.
El rotor d'una màquina síncrona és un sistema electromagnètic de corrent continu amb un bobinatge que té el mateix nombre de pols que un bobinat d'estator trifàsic. Les línies magnètiques de força es tanquen entre els pols nord i sud respectius del rotor a través de l'entrefer i la línia d'alimentació de l'estator (Fig. 2, a, b).
El bobinat del rotor o el bobinat de camp s'alimenta per un rectificador o un petit generador de corrent continu, un excitador la sortida del qual és del 0,5 al 10% de la sortida nominal d'una màquina síncrona. L'excitador es pot situar al mateix eix amb una màquina síncrona, accionat des del seu eix per una transmissió flexible, o accionat per un motor independent.
El rotor de pols implícit d'una màquina síncrona és un cilindre sòlid o compost fet d'acer al carboni o aliatge amb ranures fresades a la seva superfície en direcció axial. Aquestes ranures contenen una bobina feta de filferro aïllat de coure o alumini.L'inici de I1 i el final de l'I2 d'aquest bobinatge estan connectats a dos anells lliscants muntats sobre una funda aïllant situada a l'eix de la màquina i girant amb el rotor.
Els raspalls fixos es pressionen contra els anells, des dels quals es condueixen els cables fins a les pinces marcades I1 i I2 per a la connexió a una font d'energia elèctrica constant. Les grans dents del cilindre del rotor sense ranura formen els pols del rotor.
Un rotor de pol implícit acostuma a tenir dos o quatre pols de polaritat alterna, s'utilitza en màquines síncrones d'alta velocitat, en particular en generadors de turbina: generadors síncrons trifàsics connectats directament a turbines de vapor dissenyades per a una velocitat de 3000 o 1500 revolucions per minut a Freqüència CA 50 Hz...
Arròs. 2. El dispositiu d'una màquina síncrona trifàsica amb un rotor: a — pol ocult, b — pol prominent, 1 — bastidor, 2 — circuit magnètic de l'estator, 3 — cables de l'estator, 4 — espai d'aire, 5 — pol del rotor, 6 — punta del pol, 7 — recte al rotor, 8 — bobinat de la bobina d'excitació, 9 — curtcircuit, 10 — anells lliscants, 11 — raspalls, 12 — eix.
El rotor de pol obert d'una màquina síncrona amb quatre o més pols té un jou sòlid o folrat de xapes d'acer, sobre els quals s'adjunten pals d'acer de construcció similar, de secció transversal rectangular, acabats en punxes (Fig. 2, b). ). Les bobines connectades entre si es troben als pols, formant una bobina excitant.
Aquest rotor s'utilitza en màquines síncrones de baixa velocitat, que poden ser hidrogeneradors i generadors dièsel, respectivament, generadors síncrons trifàsics connectats directament a turbines hidràuliques o motors de combustió interna, dissenyats per a velocitats de rotació de 1500, 1000, 750 i menor rpm a una freqüència de corrent altern de 50 Hz.
Moltes màquines síncrones tenen al rotor, a més del bobinatge d'excitació, un bobinatge amortidor de coure o llautó curtcircuit, que en un rotor de pols no llisos difereix poc d'un bobinat similar al rotor d'una màquina d'inducció, i en un rotor de pols sortints es realitza en forma d'una bobina en curtcircuit incompleta, les barres de la qual només estan incrustades a les ranures i estan absents a l'espai interpolar. Aquest bobinatge contribueix a l'amortiment de les oscil·lacions del rotor en modes no estacionaris d'una màquina síncrona i també proporciona l'arrencada asíncrona de motors síncrons.
De vegades es produeixen màquines síncrones de fins a 5 kW en disseny invers amb bobinatge de camp de l'estator i bobinat de rotor trifàsic.
Eficiència d'un generador síncron trifàsic
El funcionament de les màquines síncrones trifàsiques en mode generador va acompanyat de pèrdues d'energia, que, però per la seva naturalesa, són similars a les pèrdues en màquines asíncrones. En aquest sentit, l'eficiència d'un generador síncron trifàsic es caracteritza pel valor del coeficient d'eficiència (eficiència), que en condicions de càrrega simètrica es determina per la fórmula:
η = (√3UIcosφ) / (√3UIcosφ + ΔP),
on U i I — funcionament, tensió i corrent de xarxa, cosφ — el factor de potència dels receptors, ΔP — pèrdues totals corresponents a la càrrega donada de la màquina síncrona.
El valor de l'eficiència (eficiència) dels generadors síncrons depèn de la mida de la càrrega i del factor de potència dels receptors (Fig. 3).
Arròs. 3. Gràfics de la dependència de l'eficiència d'un generador síncron trifàsic de la càrrega i del factor de potència dels receptors.
El valor màxim d'eficiència correspon a una càrrega propera a la nominal i és de 0,88-0,92 per a màquines de mitjana potència, i per als generadors d'alta potència arriba a un valor de 0,96-0,99. Malgrat l'alta eficiència de les grans màquines síncrones, a causa de la gran quantitat de calor generada, és necessari refredar els bobinatges amb hidrogen, aigua destil·lada o oli de transformador, que contribueix a una millor dissipació de la calor, i també permet crear més compactes i màquines síncrones trifàsiques eficients.