Scopo e disposizione delle macchine sincrone

Macchina sincrona - una macchina a corrente alternata in cui la velocità del rotore a una frequenza costante di corrente negli avvolgimenti dello statore rimane costante e non dipende dall'entità del carico sull'albero della macchina.

Macchine sincrone Sono utilizzati principalmente per convertire l'energia meccanica dei motori primi in energia elettrica, cioè come generatori di energia elettrica in corrente alternata. Tuttavia, le macchine sincrone vengono utilizzate anche nelle modalità di motori, compensatori di potenza reattiva e altri dispositivi.

Negli impianti industriali, le macchine sincrone trifase sono le più utilizzate. I motori sincroni monofase sono utilizzati negli azionamenti elettrici di compressori, potenti ventilatori, motori a bassa potenza in vari dispositivi automatici, ecc.

Dispositivo macchina sincrona

Una macchina sincrona trifase è costituita da uno statore stazionario e da un rotore polare implicito o convesso che ruota al suo interno, tra di essi vi è un traferro, la cui dimensione radiale è determinata dalla potenza nominale della macchina, dalla sua velocità e varia da frazioni a diverse decine di millimetri.

Lo statore di una macchina del genere praticamente non differisce nel design dallo statore di una macchina a induzione, ha un avvolgimento trifase, l'inizio delle cui fasi sono designate C1, C2, C3 e le estremità - C4, C5, C6 e sono portati a terminali con designazioni simili, che consente di collegare le fasi dell'avvolgimento dello statore con un triangolo o una stella.

Le fasi dell'avvolgimento dello statore di un generatore sincrono trifase sono principalmente collegate a stella, poiché ciò consente a una rete trifase a quattro fili di avere tensioni di linea e di fase che differiscono l'una dall'altra di √3 volte (Fig. 1 ).

Riso. 1. Schema per il collegamento di una rete trifase quadrifase ai terminali dell'avvolgimento statorico di un generatore sincrono trifase quando le fasi sono collegate a stella.

Il rotore di una macchina sincrona è un sistema elettromagnetico in corrente continua con un avvolgimento avente lo stesso numero di poli di un avvolgimento statorico trifase. Le linee di forza magnetiche sono chiuse tra i rispettivi poli nord e sud del rotore attraverso il traferro e la linea di alimentazione dello statore (Fig. 2, a, b).

L'avvolgimento del rotore o dell'avvolgimento di campo è alimentato da un raddrizzatore o da un piccolo generatore CC, un eccitatore la cui uscita è compresa tra lo 0,5 e il 10% dell'uscita nominale di una macchina sincrona. L'eccitatore può essere posizionato sullo stesso albero con una macchina sincrona, azionato dal suo albero da una trasmissione flessibile o azionato da un motore separato.

Il rotore polare implicito di una macchina sincrona è un cilindro solido o composito in acciaio al carbonio o legato con scanalature fresate sulla sua superficie in direzione assiale. Queste fessure contengono una bobina in filo di rame o alluminio isolato.L'inizio di I1 e la fine di I2 di questo avvolgimento sono collegati a due collettori rotanti montati su un manicotto isolante situato sull'albero della macchina e ruotanti con il rotore.

Le spazzole fisse vengono premute contro gli anelli, dai quali i fili vengono condotti ai morsetti contrassegnati I1 e I2 per il collegamento ad una sorgente di energia elettrica costante. I grandi denti del cilindro del rotore non scanalati formano i poli del rotore.

Un rotore polare implicito ha solitamente due o quattro poli di polarità alternata, è utilizzato nelle macchine sincrone ad alta velocità, in particolare nei generatori a turbina - generatori sincroni trifase direttamente collegati a turbine a vapore progettate per una velocità di 3000 o 1500 giri al minuto a Frequenza CA 50 Hz...

Riso. 2. Il dispositivo di una macchina sincrona trifase con un rotore: a - polo nascosto, b - polo prominente, 1 - telaio, 2 - circuito magnetico dello statore, 3 - fili dello statore, 4 - traferro, 5 - polo del rotore, 6 - punta del palo, 7 - dritto sul rotore, 8 - avvolgimento della bobina di eccitazione, 9 - cortocircuito, 10 - collettori rotanti, 11 - spazzole, 12 - albero.

Il rotore a poli aperti di una macchina sincrona a quattro o più poli ha un giogo pieno o rivestito di lamiere di acciaio, su cui sono fissati montanti in acciaio di costruzione simile, a sezione rettangolare, terminanti con punte (Fig. 2, b ). Le bobine collegate tra loro si trovano nei poli, formando una bobina eccitante.

Tale rotore viene utilizzato nelle macchine sincrone a bassa velocità, che possono essere idrogeneratori e generatori diesel - rispettivamente, generatori sincroni trifase direttamente collegati a turbine idrauliche o motori a combustione interna, progettati per velocità di rotazione di 1500, 1000, 750 e numero di giri inferiore a una frequenza di corrente alternata di 50 Hz.

Molte macchine sincrone hanno sul rotore, oltre all'avvolgimento di eccitazione, un avvolgimento di smorzamento in rame o ottone cortocircuitato, che in un rotore a poli non lisci differisce poco da un avvolgimento simile sul rotore di una macchina a induzione, e in un rotore a poli salienti viene eseguito sotto forma di una bobina incompleta in cortocircuito, le cui barre sono annegate solo nelle scanalature e sono assenti nello spazio interpolare. Questo avvolgimento contribuisce allo smorzamento delle oscillazioni del rotore nelle modalità non stazionarie di una macchina sincrona e fornisce anche l'avviamento asincrono dei motori sincroni.

Le macchine sincrone fino a 5 kW sono talvolta prodotte in versione inversa con avvolgimento di campo dello statore e avvolgimento del rotore trifase.

Rendimento di un generatore sincrono trifase

Il funzionamento delle macchine sincrone trifase in modalità generatore è accompagnato da perdite di energia, che, ma nella loro natura, sono simili alle perdite nelle macchine asincrone. A questo proposito, l'efficienza di un generatore sincrono trifase è caratterizzata dal valore del coefficiente di efficienza (efficienza), che in condizioni di carico simmetrico è determinato dalla formula:

η = (√3UIcosφ) / (√3UIcosφ + ΔP),

dove U e I — funzionamento, tensione e corrente di rete, cosφ — il fattore di potenza dei ricevitori, ΔP — perdite totali corrispondenti al carico dato della macchina sincrona.

Il valore dell'efficienza (efficienza) dei generatori sincroni dipende dalla dimensione del carico e dal fattore di potenza dei ricevitori (Fig. 3).

Riso. 3. Grafici della dipendenza dell'efficienza di un generatore sincrono trifase dal carico e dal fattore di potenza dei ricevitori.

Il valore massimo di efficienza corrisponde a un carico vicino a quello nominale ed è 0,88-0,92 per macchine di media potenza, mentre per generatori di alta potenza raggiunge un valore di 0,96-0,99. Nonostante l'elevata efficienza delle grandi macchine sincrone, a causa della grande quantità di calore generato, è necessario raffreddare gli avvolgimenti con idrogeno, acqua distillata o olio per trasformatori, che contribuisce a una migliore dissipazione del calore e consente inoltre di creare più compatti e efficienti macchine sincrone trifase.