Macchine sincrone: motori, generatori e compensatori

Le macchine sincrone sono macchine elettriche a corrente alternata in cui il rotore e il campo magnetico delle correnti dello statore ruotano in modo sincrono.
I generatori sincroni trifase sono le macchine elettriche più potenti. La potenza unitaria dei generatori sincroni nelle centrali idroelettriche è di 640 MW e nelle centrali termiche - 8 - 1200 MW. In una macchina sincrona, uno degli avvolgimenti è collegato a una rete CA e l'altro è eccitato da CC. L'avvolgimento di corrente alternata è chiamato avvolgimento dell'indotto.
L'avvolgimento dell'indotto converte tutta la potenza elettromagnetica della macchina sincrona in energia elettrica e viceversa. Pertanto, di solito è posizionato su uno statore, che è chiamato armatura. La bobina di eccitazione consuma lo 0,3 - 2% della potenza convertita, quindi di solito si trova su un rotore rotante, chiamato induttore, e la bassa potenza di eccitazione è fornita da collettori rotanti o dispositivi di eccitazione senza contatto.

Il campo magnetico dell'armatura ruota a una velocità sincrona n1 = 60f1 / p, rpm, dove p = 1,2,3 … 64, ecc. è il numero di coppie polari.
Con frequenza di rete industriale f1 = 50 Hz, un numero di velocità sincrone a diverso numero di poli: 3000, 1500, 1000, ecc.). Poiché il campo magnetico dell'induttore è stazionario rispetto al rotore, per l'interazione continua dei campi dell'induttore e dell'armatura, il rotore deve ruotare alla stessa velocità sincrona.

Costruzione di macchine sincrone
Lo statore di una macchina sincrona con avvolgimento trifase non differisce nella costruzione statore macchina asincrona, e il rotore con una bobina eccitante è di due tipi: polo prominente e polo implicito. Ad alte velocità e un numero ridotto di poli, vengono utilizzati rotori a poli impliciti perché hanno una struttura più durevole, mentre a basse velocità e un numero elevato di poli vengono utilizzati rotori a poli salienti di costruzione modulare. La forza di tali rotori è inferiore, ma sono più facili da fabbricare e riparare. Polo apparente Rotore:

Sono utilizzati in macchine sincrone con un numero elevato di poli e un n. Impianti idroelettrici (idrogeneratori). frequenza n da 60 a diverse centinaia di giri al minuto. Gli idrogeneratori più potenti hanno un diametro del rotore di 12 m con una lunghezza di 2,5 m, p - 42 e n = 143 rpm.
Rotore indiretto:

Avvolgimento - diametro d = 1,2 - 1,3 m nei canali del rotore, la lunghezza attiva del rotore non è superiore a 6,5 ​​m TPP, NPP (generatori a turbina). S = 500.000 kVA in una macchina n = 3000 o 1500 rpm (1 o 2 coppie di poli).
Oltre alla bobina di campo, sul rotore si trova uno smorzatore o una bobina di smorzamento, che viene utilizzato per l'avviamento nei motori sincroni. Questa bobina è realizzata in modo simile a una bobina di cortocircuito a gabbia di scoiattolo, solo di sezione molto più piccola, poiché il volume principale del rotore è occupato dalla bobina di campo.Nei rotori a poli non uniformi, il ruolo dell'avvolgimento dell'ammortizzatore è svolto dalle superfici dei denti pieni del rotore e dai cunei conduttivi nei canali.
La corrente continua nell'avvolgimento di eccitazione di una macchina sincrona può essere fornita da uno speciale generatore CC installato sull'albero della macchina e chiamato eccitatore, oppure dalla rete tramite un raddrizzatore a semiconduttore.
Vedi anche su questo argomento:
Scopo e disposizione delle macchine sincrone

Come funzionano i turbo e gli idrogeneratori sincroni

Una macchina sincrona può funzionare come un generatore o un motore. Una macchina sincrona può funzionare come un motore se la corrente di rete trifase viene fornita all'avvolgimento dello statore. In questo caso, come risultato dell'interazione dei campi magnetici dello statore e del rotore, il campo dello statore porta con sé il rotore. In questo caso, il rotore ruota nella stessa direzione e alla stessa velocità del campo statorico.

La modalità di funzionamento del generatore delle macchine sincrone è la più comune e quasi tutta l'energia elettrica è generata da generatori sincroni.I motori sincroni sono utilizzati con potenza superiore a 600 kW e fino a 1 kW come micromotori. I generatori sincroni per tensioni fino a 1000 V sono utilizzati in unità per sistemi di alimentazione autonomi.

Le unità con questi generatori possono essere fisse e mobili. La maggior parte delle unità sono utilizzate con motori diesel, ma possono essere alimentate da turbine a gas, motori elettrici e motori a benzina.

Un motore sincrono differisce da un generatore sincrono solo per una bobina di smorzamento di avviamento, che dovrebbe garantire buone proprietà di avviamento del motore.

Schema di un generatore sincrono a sei poli.Sono mostrate le sezioni trasversali degli avvolgimenti di una fase (tre avvolgimenti collegati in serie). Gli avvolgimenti delle altre due fasi si inseriscono nelle cave libere mostrate in figura. Le fasi sono collegate a stella oa triangolo.

Modalità generatore: il motore (turbina) fa ruotare il rotore, la cui bobina è alimentata con tensione costante? c'è una corrente che crea un campo magnetico permanente. Il campo magnetico ruota con il rotore, attraversa gli avvolgimenti dello statore e induce un EMF della stessa grandezza e frequenza ma spostato di 1200 (sistema trifase simmetrico).

Modalità motore: l'avvolgimento dello statore è collegato a una rete trifase e l'avvolgimento del rotore a una sorgente di corrente continua. Come risultato dell'interazione del campo magnetico rotante della macchina con la corrente continua della bobina di eccitazione, si verifica una coppia Mvr, che fa ruotare il rotore alla velocità del campo magnetico.

La caratteristica meccanica di un motore sincrono - dipendenza n (M) - è una sezione orizzontale.

Educational Filmstrip - "Motori sincroni" prodotti dalla Educational Materials Factory nel 1966.
Puoi guardarlo qui: Filmina «Motore sincrono»

Applicazione di motori sincroni L'uso massiccio di motori asincroni con un significativo sottocarico complica il funzionamento di sistemi e stazioni di alimentazione: il fattore di potenza nel sistema diminuisce, il che porta a perdite aggiuntive in tutti i dispositivi e linee, nonché al loro uso insufficiente in termini di potenza attiva. Pertanto, si è reso necessario l'uso di motori sincroni, soprattutto per meccanismi con azionamenti potenti.

I motori sincroni hanno un grande vantaggio rispetto ai motori asincroni, ovvero che, grazie all'eccitazione in corrente continua, possono lavorare con cosphi = 1 e non consumano potenza reattiva dalla rete, e durante il funzionamento, quando sono sovraeccitati, cedono potenza reattiva anche al rete. Di conseguenza, il fattore di potenza della rete viene migliorato e la caduta di tensione e le perdite in essa contenute vengono ridotte, nonché il fattore di potenza dei generatori che operano nelle centrali elettriche.

La coppia massima di un motore sincrono è proporzionale a U, e per un motore asincrono U2.

Pertanto, quando la tensione scende, il motore sincrono mantiene una maggiore capacità di carico. Inoltre, l'utilizzo della possibilità di aumentare la corrente di eccitazione dei motori sincroni consente di aumentarne l'affidabilità in caso di cadute di tensione di emergenza nella rete e di migliorare in questi casi le condizioni operative del sistema di alimentazione nel suo complesso. A causa delle maggiori dimensioni del traferro, le perdite addizionali nell'acciaio e nella gabbia del rotore dei motori sincroni sono inferiori a quelle dei motori asincroni, quindi l'efficienza dei motori sincroni è solitamente superiore.

D'altra parte, la costruzione dei motori sincroni è più complicata rispetto ai motori a induzione a gabbia di scoiattolo e inoltre i motori sincroni devono avere un eccitatore o altro dispositivo per alimentare una bobina CC. Di conseguenza, i motori sincroni sono nella maggior parte dei casi più costosi dei motori asincroni a gabbia di scoiattolo.

Durante il funzionamento dei motori sincroni, sono sorte notevoli difficoltà nell'avviarli.Queste difficoltà sono già state superate.

Anche l'avviamento e il controllo della velocità dei motori sincroni sono più difficili. Tuttavia, il vantaggio dei motori sincroni è così grande che alle alte potenze è consigliabile utilizzarli ovunque non siano richiesti frequenti avviamenti e arresti e controllo della velocità (motogeneratori, pompe potenti, ventilatori, compressori, mulini, frantoi, ecc.). ).

Guarda anche:

Schemi tipici per l'avviamento di motori sincroni

Proprietà elettromeccaniche dei motori sincroni

Compensatori sincroni

I compensatori sincroni sono progettati per compensare il fattore di potenza della rete e mantenere il normale livello di tensione della rete nelle aree in cui sono concentrati i carichi dei consumatori. La modalità di funzionamento in sovraeccitazione del compensatore sincrono è normale quando fornisce potenza reattiva alla rete.

A questo proposito, i compensatori, così come i banchi di condensatori che servono agli stessi scopi, installati nelle sottostazioni dei consumatori, sono anche chiamati generatori di potenza reattiva. Tuttavia, nei periodi di ridotti carichi di utenza (ad esempio, di notte), è spesso necessario utilizzare compensatori sincroni e in modalità di sottoeccitazione, quando consumano corrente induttiva e potenza reattiva dalla rete, poiché in questi casi la tensione di rete tende a aumentare e per mantenerlo a un livello normale è necessario caricare la rete con correnti induttive, che provocano ulteriori cadute di tensione in essa.

A tale scopo, ogni compensatore sincrono è dotato di un regolatore automatico di eccitazione o tensione, che regola l'entità della corrente di eccitazione in modo che la tensione ai terminali del compensatore rimanga costante.