MAINA SINCRON
GENERATOARE SINCRONE NAVALE1. Introducere
Maina sincron este o main electric de curent alternativ n
general trifazat, la care viteza de rotaie a rotorului n regim
permanent stabilizat de funcionare, este identic cu viteza de
rotaie a cmpului magnetic nvrtitor din ntrefier. Prin urmare viteza
a rotorului este constant, fiind chiar viteza de sincronism a
cmpului magnetic nvrtitor , adic:
(4.1)
depinznd numai de frecvena f a reelei i de numrul de perechi de
poli p ai cmpului, deci de nfurare.
Pentru frecvena de 50 Hz rezult acelai ir de viteze de
sincronism ca n cazul mainii asincrone . Folosind noiunea de
alunecare din teoria mainii asincrone, putem spune c n cazul mainii
sincrone alunecarea s este egal mereu cu 0 (zero), rotorul i cmpul
rotindu-se n ntrefier cu aceeai vitez.
O deosebire important ntre cele dou tipuri de maini de curent
alternativ, const n aceea c la maina sincron cmpul magnetic
nvrtitor inductor, este produs pe cale mecanic , astfel c nfurarea
inductoare, numit i nfurare de excitaie, este parcurs de curent
continuu. Maina sincron este deci o main mai complex, avnd nfurri
parcurse de curent continuu (excitaia) i nfurri parcurse de cureni
alternativi sinusoidali (nfurarea polifazat a indusului).
Mainile sincrone se mpart n dou clase mari:
maini cu poli apareni (ieii) pe rotor - construcie adoptat la
viteze mici i mijlocii (pn la 1000 rot/min)
maini cu poli necai pe rptor - construcie specific vitezelor
ridicate (1500 rot/min i 3000 rot/min)
O alt clasificare important este dup tipul de motor primar
folosit la antrenarea de turbine hidraulice la viteze specifice
acestora (cel mult cteva sute de rot/min) se numesc
hidrogeneratoare i sunt de tipul celor cu poli apareni. Mainile
antrenatede turbine cu abur la viteze specifice acestora (mii de
rot/min) se numesc turbogeneratoare i sunt de tipul cu poli necai.
Exist de asemenea aa numitele Diesel-generatoare antrenate de ctre
motoare cu ardere intern de tip Diesel, la viteze comparabile cu
hidrogeneratoarele.
Hidrogeneratoarele sunt maini cu axul vertical, excepie fcnd
cele cuplate cu turbine Pelton sau construciile speciale cum ar fi
generatoarele bulb. Turbogeneratoarele sunt totdeauna maini cu axul
orizontal, la fel ca i dieselgeneratoarele. Unele tipuri de motoare
sincrone se execut de asemenea cu axul vertical , majoritatea avnd
ns axul orizontal.
La fel ca alte maini electrice, mainile sincrone pot s
funcioneze n diverse regimuri, generator, motor, frn, fr deosebiri
constructive eseniale.Regimul de generator sincron (alternator)
este regimul de baz n funcionarea mainii sincrone,la fel cum
regimul motor este cel de baz pentru maina asincron.Maina sincrona
n regim generator reprezint baza economic a producerii energiei
electromagnetice n toate centralele electrice actuale.mpreuna cu
motorul primar cuplat pe acela ax, formeaz agregatul de baz (blocul
energetic) al oricfrei centrale electrice, fiind cea mai important
component a centralei.Dei snt n studiu i alte procedee de conversie
electromecanic (ex.generatoarele MHO), se apreciaz c n urmtoarele
dou decenii baza economic a producerii energiei electrice va rmne
cea clasic, adic folosirea mainilor sincrone mari n regim
generator.n acest regim de funcionare mainile sincrone ating cele
mai mari puteri nominale (500....1500 MW) i cele mai mari
dimensiuni (diametre da 15m i lungimi de acelai ordin, dar nu la
una i aceeai main), fiind cele mai mari maini construite de
om.Consideraii economice pledeaz pentru creterea nencetat a puterii
nominale a mainilor sincrone generatoare (scad investiiile
specifice n lei/kw, crete randamentul).Cele mai mari maini sincrone
actuale au atins puteri de 1200 MW ca turbogene-ratoare i 700 MW ca
hidrogeneratoare.Regimul de motor sincron se folosete deasemenea,
mai cu seam n ultimii zeci de ani, n special datorit avantajelor fa
de motoarele asincrone (randament mai ridicat, factor de putere
mergnd pn la unitate, cuplu variind mai puin cu tensiunea, ntrefier
mai mare, posibilitatea de reglare mai comod). Lucrul aceasta a
fost cu putina numai dup ce tehnica a putut rezolva cu succes doua
deficiene grave ale motorului sincron: absena cuplului de pornire i
posibilitatea de pendulare cu pericolul desprinderii din sincronism
(pierderea stabilitii).n acest regim de funcionare maina sincron se
folosete n toate acionrile ce necesita o vitez constant ), nlocuind
din ce n ce mai mult motoarele asincrone.Un regim particular de
funcionare ca motor sincron este aa numitul regim de compensator
sincron, regim n care axul mainii se nvrte n gol,maina aprnd fa de
reea fie ca o inductan reglabil, fie ca o capacitate reglabil, n
funcie de valorile curentului de excitaie. n acest regim special de
funcionare, maina sincron servete la nbuntirea factorului de putere
a consumatorilor de puteri mai mari, fiind n concuren cu bateriile
de condensatoare reglabile.Regimul de frn este mai rar folosit la
maini sincrone.Ca urmare a celor spuse, vom studia de preferin
regimul generator al mainii sincrone atunci cnd va fi vorba de
chestiuni de teorie general a funcionrii acestui tip de maini
electric.Datele nominale ale unui generator sincron nscrise pe
placa indicatoare fixat pe carcasa acestuia,sunt: puterea nominal
aparent n kVA,sau MVA,care este putereaaparent maxim debitat pe la
borne timp nedefinit, fr ca nclzirile diferitelor pri ale mainii s
depeasc valorile maxime periculoase pentru izolaia mainii: se
presupune c tensiunile sunt cele nominale, iar serviciul este cel
continuu puterea nominal activ n kw,sau MW,definit asemntor
factorul de putere nominal cos
numrul de faze i modul lor de conexiune tensiunea nominal n V
sau kv, care este tensiunea de linie(deci ntre faze) la care
funcionarea mainii te face n condiii normale de saturaie i pierderi
n fier i n conformitate cu gradul de izolaie stabilit-frecvena n
Hz; - viteza de rotaie nominal n rot/min;
- randamentul nominal n %; curentul nominal al indusulul in A
sau kA, care este curentul de linie maxim debitat n regim de lung
durat i la puterea nominal; curentul de excitaie n A, sau kA, care
este cel necesar pentru asipurarea regimului nominal de sarcin pe
partea bornelor indusului (frecven, tensiune, curent statoric i
factor de putere); tensiunea de excitaie n V, corespunztoare
curentului de excitaie precedent, la temperatura de lucru a
mainii.Alte date tehnice ale mainii sunt date n paaportul sau
cartea tehnic a acesteia.
4.2. PRINCIPIUL DE FUNCIONARE SI ELEMENTE DE CONSTRUCIE.Pentru a
nelege modul concret n care se produce cuplul sincron i pentru a
marca mai bine diferena de principiu dintre maina sincron i cea
asincron, vom considera un caz simplu , reprezentat pe fig.l. La
fel ca acolo vom presupune cmpul magnetic nvrtitor produs prin
rotaia continu i constant a unui magnet permanent, care produce
ntre poli un cmp socotit uniform, n care se poate roti o spir
dreptunghiular deschis (deci nu n scurtcircuit ca n cazul de la
maina asincron) cu capetele legate la dou inele de contact care se
rotesc odat cu spira i pe care calc dou perii fixe p1 i p2 pentru
asigurarea
Fig.4.1.
alimentrii cu curent electric din exterior .Sistemul din fig.l
poate funciona ca motor sincron numai dac spira este alimentat n
curent continuu cu polaritatea din figur i numai dac viteza ei este
identic cu cea a cmpului, fiind de acelai sens:
n fig. 4.2 este artat o seciune transversal prin dispozitivul
din fig.4.l,vzut din spre dreapta.Curentul continuu i care senchide
prih spir n sensul indicat pe desen interacioneaz cu cmpul magnetic
n lungul laturilor paralele cu axul de rotaie, rezultatul
interaciunii fiind forele egale l opuse, de mrime:
f =Boil (4.2)Asupra spirei n micare cu viteza n acelai sens cu
cea a cmpului nvrtitorse va exercita cuplul instantaneu :
(4.3)
Fig.4.2.
(1 este lungimea axial a spirei, D este limea ei; se mai
presupune c la t=0 normala n la planul spirei cu sensul corelat cu
cel al curentului dup regula burghiului drept este orientat n
lungul liniilor de cmp).Dac unghiul crete (sau scade) nedefinit n
timp l cuplul m va fi o funcie sinusoidal periodic de timp cu
valoarea medie nul, aa cum se arat n fig.4.3 alturat.
Dac avem ns sincronism unghiul va fi constant i motorul va
dezvolta un cuplu continuu, uniform egal cu cel rezistent al
mecanismului acionat. La mers n gol (ax liber) cuplul rezistent
este foarte mic (frecri) i rezult .Cuplul maxim pe care poate s-1
dezvolte n sarcin motorul corespunde situaiei cnd
. Dependena cuplului funcie de unghiul Fig.4.3.
(vom vedea c acest unghi denumit "intern" joac n teoria mainii
sincrone un rol asemntor alunecrii n teoria mainii asincrone) este
reprezentat pe fig.4.4.Se observ c pe msura creterii sarcinii
motorului (adic creterea cuplului la ax) crete i unghiul "intern"
motiv pentru care el mai este denumit i unghi de sarcin. Se va
vedea mai trziu, c din cele dou ramuri ale curbei numai cea din
stnga (ntre 0 i 90) permite o funcionare stabil. Fig. 4.4.
S mai observm , c dispozitivul prezentat nu este propriu zis un
convertor electromecanic, ci mai degrab un fel de cupl mecanic prin
intermediul cmpului magnetic (micarea de la axul magnetului se
transmite cu aceeai vitez la axul spirei).Pentru a obine conversie
electromecanic este suficient s producem de exemplu cmpul nvrtitor
pe cale electric, cu trei nfurri imobile la cte 120 parcurse de
trei cureni sinusoidali trifazai , obinnd astfel un model
simplificat de motor sincron trifazat.Comparnd cazul studiat aici
cu cel de la maina asincron, observm urmtoarele:1- motorul sincron
funcioneaz la o vitez legat rigid de frecvena reelei , vitez
identic cu cea a cmpului magnetic nvrtitor (viteza de sincronism) i
independent de sarcin (deci alunecare nul) ; motorul asincron
funcioneaz la o vitez diferit de cea a cmpului (excepie mersul
ideal n gol) i care scade (relativ puin) pe msura creterii sarcinii
(deci cu alunecare nenul care crete cu creterea sarcinii.. 2-
cuplul dezvoltat de motorul sincron depinde de unghiul intern (de
sarcin) i variaz proporional cu cmpul inductor Bo la curent i
sarcin date: cuplul dezvoltat de motorul asincron depinde de
alunecare i variaz proporional cu ptratul cmpului inductor .Pe baza
aceluiai exemplu putem explica i regimul generator al mainii
sincrone, dac presupunem magnetul fix i spira rotit din axterior
(de ctre alt motor numit de obicei motorul primar) cu vitez
constant . n acest caz fluxul magnetic prin planul spirei va avea o
variaie sinusoidal n timp:
(4.4)
undo este unghiul dintre normala la planul spirei i inducia
magnetic a cmpulul fix al magnetului Bo la t=0 acest unghi fiind
nul.
Rezult tensiunea electromotoare:
(4.5)defazat la 90 n urma fluxului, deci avem pe aceast cale
explicaia funcionrii generatorului sincron monofazat.la mers n
gol.
Aceleai rezultate se obin dac meninem spira fix i rotim magnetul
cu aceeai vitez n sens invers (principiul relativitii fenomenelor
de inducie electromagnetic).
n cele ce urmeaz prezentm aspectele constructive eseniale ale
principalelor tipuri de maini sincrone, fr a intra prea mult n
detaliile ce reprezint obiectul de studiu al lucrrilor de
specialitate.
Mainile sincrone de puteri nominale mari se execut totdeauna cu
rotorul n calitate de inductor i cu statorul n calitate de indus.In
acest mod nfurarea de excitaie parcurs de curentul continuu se
rotete odat cu rotorul, fiind alimentat din exterior prin sistemul
de contacte alunectoare perii-inele,iar cele trei faze ale
indusului (la maini trifazate) se dispun pe stator, fiind deci n
repaus.Motivele snt urmtoarele:
a. dac s-ar dispune pe rotor cele trei faze ale indusului ar fi
nevoie de cel puin trei contacte alunectoare ; din cauza
tensiunilor ridicate.problemele de izolaie a inelelor devin
delicate iar dimensiunile acestora ct i cele ale periilor fiind
mari din cauza curenilor inteni, vor produce o uzura considerabil
cu o siguran mic n funcionare;
b. izolaia unei nfurri n micare rapid i la tensiune ridicat este
mult mai greu de realizat, cci forele centrifuge i vibraiile din
cauza micrii solicit permanent izolaia, uznd-o premature;
c. armtura inductoare fiind parcurs de fluxuri magnetice
constante, poate fi fcut masiv (nu trrebuie realizat din tole
subiri) i deci cu o rezisten mecanic mai mare dect a indusului;
d. rcirea unei nfurri fixe se realizeaz mai uor
e. la maini mari aezarea celor trei faze pe stator permite
realizarea tehnologic a acestuia din mai multe segmente
independente gata bobinate ; statorul fiind la exterior (adic
mprejurul rotorului) spaiul disponibil pentru cele trei faze este
mai mare ; dac s-ar dispune pe rotor ar rezulta diametre mai mari i
deci un gabarit mai mare al mainii la aceeai putere
La puteri mici se ntlnesc ns i execuii inversate, cu rotorul
indus i statorul inductor.
Tipurile constructive principale de maini sincrone n execuie
normal se deosebesc n principal prin forma de construcie a
rotorului inductor, statorul indus nedeosebindu-ss principial de
cel studiat la maina asincron.Construcia rotorului este impus de
viteza sa de rotaie, la rndul ei dependent de tipul motorului
primar folosit, sau de tipul mecanismului acionat.
Construcia turbogeneratoarelorTurbogeneratoarele sunt
generatoare sincrone antrenate n micare de turbine cu abur la
viteze ridicate impuse de specificul acestora din urm, fiind maini
cu axul orizontal i avnd rotorul cu poli necai. Necesitatea de a
funciona la viteze ct mai ridicate, dar totodat de a asigura o
frecven de 50 Hz, a condus la micorarea numrului de poli ai mainii,
conform formulei bine cunoscute dat de (1) . Se ntlnesc astfel
maini bipolare (2p=2) foarte rspndite pn acum 10....15 ani n toate
centralele termoelectrice i maini tetrapolare (2p=4) aprute n
ultimul timp n legtur cu centralele atomoelectrice (impuse de
parametrii mai slabi ai aburului n aceste centrale) .Vitezele
corespunztoare la 50 Hz sunt deci 3000 rot/min , respective 1500
rot/min.
Din motive de solicitare mecanic centrifugal, la viteze aa de
mari nu trebuie s se depeasc o vitez periferic de ordinul a
200...300 m/s, de aceea diametrul rotorului este limitat la valori
de 1,4...1,6 m volumul de fier necesar fiind asigurat prin lungimi
deosebit de meri ale rotorului (de ordinul 10..15m). Prin urmare
turbogeneratoarele sunt maini lungi i de grosime relativ redus
(maini suple).
Rotorul turbogeneratorulul sete cea mal solicitat parte a sa i
totodat cea mai pretenioas.Se obine prin turnare din oeluri
puternic aliate (cu crom,nichel,molibden ),urmat de forjar
deoarece masa rotorului atinge valori n iur de 100 tone, la
procesul de turnare se folosesc arje din mai multe cuptoare ce
particip simultan la proces. O importan deosebit o au tratamentele
termice ulterioare care urmresc detensionarea materialului si
obinerea unor proprieti mecanice deosebite. Rotorul se controleaz
prin defectoscopie cu ultrasunete si prin control optic la exterior
i prin canalul central interior practicat pe lungimea sa.In
continuare rotorul este supus prelucrrilor prin aehiere a
suprafeelor exterioare .Una din cele mai importante operaii este
frezarea crestturilor radiale (fig.4.5 a), sau paralele (fig.4.5b)
n lungul rotorului,prima variant fiind cea mai
Fig.4.5.
des ntlnit. Se folosesc crestturi deschise cu perei paraleli i
mai rar crestturi tra-pezoidale (care asigur dini cu perei
paraleli). Deoarece crestturile rotorice snt relativ adnci, de
multe ori se practic n zona aa numiilor poli, crestturi
suplimentare nebobinate pentru o mai bun echilibrare mecanic.
n crestturile rotorului se dispune nfurarea de excitaie.care
este o nfurare n simplu strat cu bobine concentrice, avnd
conductoare de cupru dreptunghiulare ndoite pe lat, de tipul celei
din fig .4.6.
Fig.4.6
Din motive de nbuntire a formei cmpului n ntrefier ultimele
crestturi (notate cu pe fig.4.5 a) se fac mai mici i au un numr
mai. mic de conductoare.Conductoarele de bobinaj snt de cele mai
multe ori tubulare pentru a permite trecerea prin interior a
agenilor de rcire. Dei tensiunile nominale de excitaie snt de
110...540 V, nfurarea este foarte bine izolat fa de corpul
rotorului. Pentru aceasta se folosesc teci izolatoare n form de L
din band sticlat cu lacuri epoxifenolice, hrtia cu sticlomicanit
precum i folii de sticlotextolit.
Pentru preluarea forelor centrifugale se folosete nchiderea
crestturilor cu pene de bronz, dural sau aliaje pe baz de titan,
precum i bandaje peste capetele frontale de bobine de tip inelar.
Acestea din urm fac parte dintre cele mai solicitate din punct de
vedere mecanic pori ale rotorului i prin urmare se fac din aliaje
de oel cu crom,nichel i mangan .nemagnetice i tratate termic
special.
Pe rotor se mai dispun inelele colectoare din aliaje de oel
izolate cu micanit i sticl, precum i ventilatoarele axiale de la
capete. Se dispune de asemenea la unul din capete semicupla de
legtur cu turbina.
n fig.7 se arat aspectul general al unui rotor n stare finit (
1-semicupl, 2- bandaje ale bobinelor n partea frontal, 3- zona
polilor, 4- crestturi cu pene de nchidere, 5- ventilatoare, 6- zona
inelelor de contact i a lagrului exterior)
Fig.4.7
naintea montrii rotorul se supune operaiilor de echilibrare
static i mai ales dinamic,menite s asigure o funcionare linitit fr
vibraii i fr ncrcri variabile ala lagrelor. Rotorul se verific
deasemenea la vitezele critice la care pot efi apar oscilaii
transversale periculoase ala arborelui.
La maini mari lagrele snt totdeauna pri separate ale construciei
fiind dispuse n exteriorul mainii de ambele pri ale acesteia. Se
folosesc lagre de alunecare cu ungere forat cu ui ulei sub
presiune.La maini de putere mai redus se pot folosi i lagre
interioare plasate n scuturile mainii.Statorul turbogeneratorului
comport carcasa cu cele dou scuturi i miezul magnetic al statorului
prevzut cu cele trei nfurri ale celor trei faze. n cazul mainilor
de mare putere se folosesc n prezent carcase din trei pri distincte
(una central i dou de capt), realizate prin sudare etan (datorit
rcirii cu hidrogen) i prevzute cu un numr de rame transversale cu
nervuri longitudinale n care se prind pachetele de tole ale
miezului magnetic. Carcasa trebuie s prezinte rigiditatea necesar i
s asigure o prindere de fundaie prin sisteme speciale
antivibratorii. Pentru prindere se folosesc tlpi laterale legate de
carcas cu arcuri plane duble. Carcasa este prevzut i cu sisteme de
rotaie a ei n jurul axului ei de simetrie .pentru a putea repara cu
uurin eventualele defecte din partea de sus a bobinajului. Deobicei
prinderea tlpilor se face pe o platform la nlime, prevzut cu o
decupare corespunztoare (fig.4.8).
Fig.4.8.
Dedesubtul platformei se afl instalaiile de deservire ale mainii
(rcire,ungere). Miezul magnetic este realizat segmentat din tole de
oel electrotehnic laminat la rece cu grosime de 0.5 mm acoperite cu
lac izolant i formnd pachete de tole distanate ntre ele pentru a
forma canale de ventilaie radiale. Segmentele statorice (fig.4.9) n
numr destul de mare ( ex.12 buci) se asambleaz circular cap la cap
fiind presate cu ramele transversale i fixate n carcas prin cozi de
rndu-nic.n crestturile statorului ce dispune nfurarea trifazat n
dublu strat, cu pas scurtat, realizat deobicei cu mai multe ci de
curent n paralel din bare izolate dreptunghiulare de cupru.Capetele
frontale se dispun nevolvent pentru micorarea consumului de
cupru.
Fig.4.9.
Conductoarele din crestturi sunt grupate (de ex.trei pline al
patrulea tubular.cu rcire cu ap distilat) i efectueaz pe lungimea
axial a crestturii transpoziii pentru reducerea pierderilor
(fig.4.10).Deoarece tensiunea n indus este mai mare ca n rotor , o
atenie deosebit este acordat^ izolaiei nfurrii statorice . Capetele
frontale ale bobinelor sunt deasemenea fixate i consolidate contra
vibraiilor,cu efecte de obosire mecanic a izolaiei.Fig.4.10.De
obicei toate cele ase (sau 12) capete ale nfurrilor snt scoase prin
izolatoare de trecere tip condensa tor,la borne, n prile laterale
ale carcasei,n partea de jos a acesteia.n fig.4.ll este redat o
seciune longitudinal printr-un turbogenrator de 100 MW,pe care s-au
notat poziiile :l-miez stator,2-arbo-. rele rotoric,3-siste-mul de
rcire,4-pie-s de strngere a miezului stat orie,5-bo-binaj
statoric,5-bo-binaj rotoric,7-venti-lator,8-lagr de aluneca
re,9-inele de con tact,10-scut,11-izolatoare , 12-fundaie
.Consideraii analoge rmn valabile i pentru motoarele sincrone la
viteze mari.cum sunt
cele folosite la acionarea turbo-compresoarclor
centrifugale.Fig.4.11.Construcia
hidrogeneratoarelor:Hidrogeneratoarele sunt generatoare sincrone
antrenate n micare de ctre turbine hidraulice, la viteze reduse,
fapt ce permite realizarea rotorului n varianta mai simpl
tehnologic, a construciei cu poli apareni (ieii). Ele sunt att
maini cu ax vertical , ct i maini cu ax orizontal , fiind n general
de o varietate de tipuri mai mare ca turbogeneratoarele.Dac
turbogeneratoarele pot fi tipizate n corelaie cu turbinele cu abur
i cazanele de producere a aburului, hidrogeneratoarele dimpotriv
constituie unicate sau serii foarte mici, impuse de condiiile
hidraulice specifice fiecrui curs de ap i fiecrei amenajri
hidrotehnice.
Necesitatea de a asigura frecvena de 50 Hz la viteze mici pune
folosirea unui mare numr de poli ai cmpului nductor, ceea ce
conduce la adoptarea de diametre mari ale rotorului i implicit ale
ntregii construcii, astfel c spre deosebire de turbogeneratoare
hidrogeneratoarele sunt maini cu diametru mare i lungime (nlime
mic) .Rezult c puterile mari sunt realizate mai cu seam de cupluri
foarte mari, deci de solicitri mecanice considerabile. Din aceste
motive mainile de puteri foarte ridicat se realizeaz totdeauna cu
axul vertical, soluie n deplin acord cu cerinele turbinelor
hidraulice de mare putere.
Rotorul hidrogeneratoarelor, dat fiind viteza sczut.se realizeaz
dup o soluie mai simpl tehnologic, cea cu poli apareni, avnd
aspectul unei "roi polare asa ca n fig . 4.12 . El ndeplinetetrei
funcii, de inductor, de ventilator i de
volant, putnd fi realizat masiv, n construcie sudat (tambur) sau
n forma aa numit a rotorului disc. Prile principale ale rotorului
sunt: butucul central 1 (fig.4.12) spiele 2, obada 3 i polii 4,
realizai dintr-o bucat sau cu tlpi 5 aplicate. Fiind la distan mai
mare da ax , obada i polii, sunt cele mai solicitate din punct de
vedere (mecanic pri ale
Fig.4.12.
rotorului. Materiale folosite sunt: oel turnat i forjat aliat cu
crom, nichel, sau tabla de oel de grosime 24...60mm sudat cu maini
automate. Polii sunt masivi sau alctuii din tole.n uneia cazuri
foloslndu-se i o execuie combinat. Ei se fixeaz de obad fis cu
buloane, fie prin sisteme cu coad de rndunic sau n form de T cum
este de exemplu cel notat cu 5 pe fig.4.13, care reprezint una din
variantele posibile de pol combinat (miezul masiv din el metriat 1,
prevzut cu talpa 2 din tole suprapuse cu grosimea 1...2 mm, tanate
din tabl de oel electotehnic cu adaus slab de siliciu).
Pe figur mai sunt reprezentate obada 6, bobina concentrat ce
aparin sistemului de excitaie 3,carcasa izolsnt 4 i crestturile 7
practicate n talpa polului pentru nfurarea de amortizare (se va
vedea mai departe rolul acestei nfurri).Aspectul general al unui
rotor n stare finit este redat n figura 4.14./ W
Fig.4.13.
Pe rotor,n afara nfurrii de excitaie care produce cmpul magnetic
inductor exist ncf' o nfurare numit, de amortizare,care seamn ca
aspect cu nfurarea n colivie simpl de la maina asincron barele
fiind plasate n crestturile din tlpile polilor rotorului.
Fig.4.14
Scurtcircuitarea (parelor se face fie cu inele complete (fig.
4.15 a),fie cu segmeni circulari (fig.4.15 b).
Fig. 4.15.
In primul caz se spune c nfurarea acioneaz dup ambele axe de
simetrie ale rotorului (d) i (q) n timp ce n al doilea caz ea
acioneaz numai pe axa (d).n fig.414 avem acest al doilea caz.
fig. 4.16Pe fig.4.16 se reprezint o vedere n perspectiv a
rotorului cu nfurare de amortizare de primul tip (fig.4.15 a). S-au
notat; l-miezul polului, 2-inelul de scurtcircuitare, 3-bare,
4-talpa
polului.
nfurarea de amortizare nu are nici-un efect la funcionarea
mainii n regimul staionar nu se deplaseaz fa de cmp iar acesta este
continuu,invariabil n timp.Ea intervine numai n regimuri
tranzitorii servind la amortizarea oscilaiilor mecanice ale
rotorului n raport cu cmpul sau ca mijloc de asigurare a cuplului
de pornire al motoarelor sincrone. n cazul turbogeneratoarelor
rolul de amortizare este ndeplinit de curenii turbionari din tlpile
masive ale zonelor nebobinate de penele conductoare ale
crestturilor sau de nfurri speciale de amortizare plasate n aceleai
crestturi cu nfurarea de excitaie .Statorul hidrogeneratoarelor
comport carcasa realizat prin sudare din tabl groas de oel i
alctuit din 4..6 elemente pentru o mai uoar transportare la locul
de montaj,n hidrocentral,prevzut cu flane paralele (fig.4.17) de
care se prind prin sudare cozile de rndunic 1 (fig.4.18)
careservesc la prinderea segmenilor miezului magnetic ntre ei i fa
de carcas. La realizarea mpachetrii segmentele.asemntoare celor de
la turbogeneratoare celor de la turbogeneratoare se suprapun
decalate cu cte 1/2 Fig. 4.17.
.
Fig.4.18.
de la un strat la altul (2 i 3 pe fig.4.18). Asamblarea se face
n pachete de tole distanate pentru crearea de canale de rcire
radiale. Se folosete tabla de oel cu siliciu laminat la rece de
0,5mm sau 0,35 mm cu direcia de laminare n lungul dinilor, deci la
90 fa de cea de la turbogeneratoare. n crestturile segmenilor
statorici se dispun laturile de bobine ale celor trei faze ale
nfurrii inclusului.realizat de cele mai multe ori ca infurare dublu
strat,cu pasul scurtat,de tip bobina (cu mai multe spire in
serie),sau de tip bar (fiecare bara alctuind o jumtate de spira).La
hidrogeneratoarele de mare putere se prefera actual infurarea din
bare de tip ondulat.care permite o izolaie mai bun precum i lucrri
de reparaie mai comode. Ea permite deasemenea o mai bun consolidare
a prilor frontale impotriva vibraiilor mecanice. Numrul q de
crestturi pe pol i faz este mic (2..4.).puind fi i fractionar.
Deoarece de calitatea nfurrii indusului depinde sigurana funcionrii
i durata de via a mainii,o atenie cu totul deosebit se acord
izolaiei infurrii. Dealtminteri costul izolaiei mainii alctuiete un
procent nsemnat din ntregul cost (pn la 30..40%). Izolaia de baz
este de tip continuu, din materiale izolante termoreactive (se
folosesc benzi de sticlomicanit alctuite din micafoliu cu fibre de
sticl i liant bituminos sau compund termoreactiv plolimerlzat cele
mai folosite snt ins compundurile epoxidice). Clasa de izolaie cea
mai folosit este F (eventual H pentru centrale atomoelectrice,la
turbogeneratoare).Schema de conexiune folosit in exclusivitate este
stea, sau dubl stea (YY).Capetele celor trei faze. sunt scoase prin
ase izolatoare de trecere prinse in partea superioar lateral a
carcasei mainii.
0 mare importan o au la hidrogeneratoare lagrele mainii care
sunt mai solicitate dect la turbogeneratoare (ndeplinesc pe lng
funcia de ghidare i funcia de susinere a ntregului agregat,
inclusiv turbina). Construcia i numrul lagrelor depinde de modul de
execuie i concepie a ntregului agregat. Se ntlnesc la mainile cu ax
vertical in principal dou variante:
generatorul de tip suspendat (fig.4.19)
generatorul de tip n umbrel (fig.4.20)
Primul tip are un lagr axial 1 n partea superioar (crapo-tin) i
dou lagre de ghidare 2 i 3,unul superior, altul inferior. Pe desen
mai sunt trecute: 4-cupla de legtur cu turbina,S-turbina,6-rotorul
mainii,7-scutul superior,8-ffilezul statoric,9-fundaia de beton
armat.Aceast execuie se folosete la viteze mari ( peste 150
rot/min) avnd o stabilitate mai bun mecanic.In schimb susinerea
greutii agregatului cade n sarcina carcasei mainii.care rezult mai
voluminoas (consum ridicat de metal).
La al doilea tip,avem un lagr unic combinat situate sub rotor
care ndeplinete ambele funcii de susinere i preluare a
eforturilor
Fig.4.19.
Fig.4.20.rilor axiale (notat 1 pe fig.4.20).precum i de ghidare
(2). Pe desen mal apar: 3-turbin,4-cupl,5-rotor,6-miez
statoric,7-place de rezistena aezat pe fundaie,8-fundaie de beton
armat. La acest tip de execuie specific vitezelor mici (zeci de
rot/min) susinerea nu mai cade in sarcina carcasei ci este preluat
de fundaie. Carcasa nu mai trebuie supradimensionat rezultnd mai
scund (reduce l nlimea salii mainilor) i un consum mai redus de
metal. In schimb funcionarea mecanic este mai puin stabil, fapt
pentru care adesea se mai adaug un lagar de conducere superior, cu
funcie doar de ghidare.La ambele tipuri gaura practicat n fundaie
trebuie s permit introducerea i scoaterea ambelor rotoare
(generator i turbin).Revenind la problema lagrelor, mai cu seam a
crapotinei ce preia axial o greutate considerabil,trebuie spus c
sistemul cel mal folosit este cel cu patine pe pelicul de
ulei.Acestea funcioneaz cu frecare lichid (umed) pe baza
principiului panel de ulei cu grosimi de cea.0,05 mm,care sa
formeaz la viteze peste cea de flotere i la presiuni ntre 6..15
atm.In ultimul timp se folosesc lagre cu descrcare magnetic,precum
l lagre hidrostatice cu ulei la presiuni mari.n fig. 4.21 este
artat o seciune printr-un generator n umbrel" cu rotor n form de
tambur.Pe figur se poate vedea sistemul 1 de contacte: alunectoare
i deasemenea sistemul de frnare 8 a rotorului, la oprirea
generatorului, sau n cazuri periculoase de ambalare a acestuia la
pierderea brusc a sarcinii.Mainile cu axul orizontal se folosesc la
viteze mari de rotaie (antrenare cu motoare Diesel sau cu turbine
Pelton, motoare
Fig.4.21.
sincrone,compensatoare sincrone) i la puteri mici i mijlocii,
uneori ntr-o execuie inversat ca cea, din fig.4.22 (se remarc cele
patru inele de contact pe rotor pentru cele trei faze i nul).
Fig. 4.22.
n cazul Dieselgeneratoarelor, din cauza pulsaiilor cuplului de
antrenare se cere un efect de volant ridicat, astfel c maina
sincron se execut cu un diametru exagerat de mare,care impune
excavarea unei pri nsemnate din fundaie (fig.4.23). In acest mod se
elimin necesitatea montrii speciale a unui volant pe axul comun al
mainilor. Pe fig.4.23 s-au notat : GS-gonerator sincron ,MD-motor
Diesel,L1,L,2 si L3 -lagre exterioare, f-fundaie. Tot n categoria
mainilor cu ex orizontal se incadreaz igeneratoarele capsulate tip
bulb destinate funcionrii directe n curentul de ap i care formeaz
rentul de ap i care formeaz mpreun cu turbina un bloc avnd carcas
comun. Puterile nominale a acestor grupuri nu depesc 50 MW ,iar
tensiunile nominale cele mai folosite din motive economice snt de
3,15 kV sau 6,3kV.Aspectul general al lor este redat n fig.4.24,pe
care s-au notat urmtoarele poziii:
l-nveliul capsulat (carcasa) 2- lagr 3 arborele agregatului
4-rotor generator 5-atator generator 6-aparatul director al
turbinei 7-rotorul turbinei 8-turn de acces
Astfel de grupuri bulb sunt indicate la cderi mici cu debite
relativ importante, putnd fi folosite i la centrale maremotrice
(folosesc energia marealor). Exist multe variante constructive
bazate pe acest principiu :
-cu generator n imersiune.cuplat direct -cu turbina
-numai cu turbina n imersiune i cu generator exterior cuplat cu
reductor cilindric sau planetar.
Avantajul principal este faptul c nu necesit sala mainilor
investiii mai mici economie de spaiu ,central mai compact putnd fi
montate chiar n interiorul sau imediata apropiere barajului in
schimb prezint dificulti de rcire datorit construciei
capsulate.
Toate tipurile de generatoare i motoare sincrone necesit
curentul continuu pentru alimentarea nfurrii de excitaie si marea
majoritate a cazurilor acest curent este obinut de la o main
electric rotativ de curent continuu numit excitatoare,care se
dispune pe acelasi ax cu generatorul de partea cealalt,n raport cu
turbina.Excitaia exctatoarei se asigur fie printr-un proces de
autoexcitaie , fie de la alt main de curent coninu (subecxcitatoare
) pe acela ax,sau pe ax separat (acionat de un motor asincron).S-au
rspndit i sisteme de excitaie statice folosind n locul mainilor
rotative de curent continuu, redresoare cu elemente semiconductoare
necomandate (diode), sau comandate (tiristoare), reuindu-se s se
elimine i problema contactelor alunectoare. Problemele legate de
excitaie va fi tratate mai departe, ntr-un capitol
special.Construciile actuale de maini sincrone, n special la puteri
mijlocii i mari, reprezint sisteme complexe care n afara maini lor
propriu zise conin multe instalaii anexe de deservire (sisteme de
rcire-ventilaie , sisteme de ungere sisteme de comand, control
protecie i reglaj automat sisteme de semnalizare etc...) cror
tratare depete cadrul prezentului curs.Semnele convenionale cu care
se reprezint n schemele ele trice mainile sincrone
Fig. 4.25.
sunt date n fig. 4.25 ( a- generator sau motor (MS) sincron
legat stea cu neutrul nescos b- idem, cu neutrul scos -c- idem, cu
toate cele 6 capete ale fazelor scoase la borne).Functionarea
generatorului sincron pe retea proprie
Sistemele electromagnetice in care functioneaza generatoarele
sincrone pot avea structuri destul de complicate dar in multe
cazuri ele pot fi reduse cu ajutorul teoremelor din teoria
retelelor electrice la schema din fig.4.63 pe o faza ( se presupuie
functionarea in regim trifazat simetric in care masinile sincrone
sunt reprezentate prin tensiunile electromotoare de mers in gol si
prin impedanta sincrona la care se adauga impedantele liniilor de
legatura inclusiv cele ale transformatoarelor,
autotransformatoarelor si bobinelor de reactanta raportate
corespunzator).
Sarcinile din sistem se echivaleaza (inclusiv motoarele sincrone
si asincrone ) prin impedanta echivalenta Z. Pentru masini saturate
se pot considera tensiuni echivalente E0* si impedantele saturate
Xe* ( sau Xd*) fie tensiunea electromotoare Er si impedantele R +
jX(.
Pentru a studia conditiile de functionare ale unui generator
anumit ( de ex. GS din fig. 4.63) celelalte generatoare pot fi
inlocuite cu un generator echivalent (GSe) .
Se poate arata ca tensiunea electromotoare echivalenta si
impedanta echivalenta au expresiile
Fig.4.63
(4.99.)
Care duce la schema echivalenta din fig.4.64.
Tensiunea electromotoare echivalenta este o medie ponderata a
tensiunii electromotoare cu admitantele masinilor in paralel iar
impedanta echivalenta este egala cu impedanta echivalenta a tuturor
masinilor pasivizate in paralel
Fig.4.64
Functionarea generatorului sincron in conditiile schemei
echivalente din fig4.64 are loc atunci cand se studiaza mersul in
paralel a lui alaturi de alte generatoare de puteri
comparabile.
Exista situatii limita mai simple si care prezinta interes
teoretic din cauza simplitatii de studiat si care reprezinta cazuri
intalnite in aplicatii frecvente. Aceste situatii limita sunt
urmatoarele :
a) cazul in care Z ech este infinita, generatorul considerat
fiind conectat pe o impedanta pasiva fara t.e.m. Z si care
corespunde functionarii pe retea separata (generatorul este singur
in sistem, toate celelalte elemente componenete fiind consumatoare
de puteri active si reactive sau pe retea proprie)
b) cazul in care Z ech este 0 care corespunde conectarii
generatorului considerat la doua puncte (A si B fig 4.64.) la care
tensiunea U este impusa ca valoare efectiva frecventa si faza (
evident de catre E ech) si care corespunde asa numitei functionari
in paralel cu o retea de putere infinita
daca prima situatie reprezinta un caz real posibil cea de a doua
este evident o situatie idealizata catre care se tinde atunci cand
numarul generatoarelor celelalte din sistem de puteri finite tinde
spre infinit (adica n (( , Z ech din care a doua expresie tinde la
0. In acest caz si puterea totala a celorlalte generatoare tinde la
( care explica denumirea regimului de functionare.
Deosebirile dintre situatiile limita si cazul general sunt din
anumite puncte de vedere esentiale fiecare din cele trei moduri de
functionare avand particularitati specifice. Studiul numai al
cazului general cu deducerea celorlalte prin particularizare
nefiind posibil si nici indicat vom trece la studierea separata mai
intai a cazurilor mai simple in primul rand a functionarii pe retea
proprie.
Schema generala ce corespunde acestui caz este de tiplul celei
din figura 4.65. in care genaratorul studiat este antrenat de un
motor oarecare electric sau neelectric (motor primar MD) .
EMBED Equation.3
EMBED PBrush
EMBED PBrush
PAGE 194
_1167227888.unknown
_1167228048.unknown
_1167228230.unknown
_1167229202.unknown
_1167229295.unknown
_1167229350.unknown
_1167229073.unknown
_1167228183.unknown
_1167227919.unknown
_1167226361.unknown
_1167227613.unknown
_1167227702.unknown
_1167227538.unknown
_1167227196.unknown
_1167227485.unknown
_1165483376.unknown
_1167225961.unknown
_1165483422.unknown
_1125983901.unknown
_1165483321.unknown
_1125983670.unknown