Finalidade e arranjo de máquinas síncronas

Máquina síncrona - uma máquina de corrente alternada na qual a velocidade do rotor a uma frequência constante de corrente nos enrolamentos do estator permanece constante e não depende da magnitude da carga no eixo da máquina.

máquinas síncronas Eles são usados ​​principalmente para converter a energia mecânica dos motores principais em energia elétrica, ou seja, como geradores de energia elétrica de corrente alternada. No entanto, as máquinas síncronas também são usadas nos modos de motores, compensadores de potência reativa e outros dispositivos.

Em instalações industriais, as máquinas síncronas trifásicas são as mais utilizadas. Os motores síncronos monofásicos são usados ​​em acionamentos elétricos de compressores, ventiladores potentes, motores de baixa potência em vários dispositivos automáticos, etc.

Dispositivo de máquina síncrona

Uma máquina síncrona trifásica consiste em um estator estacionário e um rotor de pólo implícito ou convexo girando dentro dele, entre eles existe um entreferro, cujo tamanho radial é determinado pela potência nominal da máquina, sua velocidade e varia de frações a várias dezenas de milímetros.

O estator de tal máquina praticamente não difere em design do estator de uma máquina de indução, possui um enrolamento trifásico, cujo início das fases é designado C1, C2, C3 e as extremidades - C4, C5, C6 e são levados a terminais com designações semelhantes, o que permite conectar as fases do enrolamento do estator com um delta ou estrela.

As fases do enrolamento do estator de um gerador síncrono trifásico são conectadas principalmente em estrela, pois isso permite que uma rede trifásica a quatro fios tenha tensões de linha e fase que diferem entre si em √3 vezes (Fig. 1 ).

Arroz. 1. Esquema para conectar uma rede trifásica quadrifásica aos terminais do enrolamento do estator de um gerador síncrono trifásico quando as fases são conectadas em estrela.

O rotor de uma máquina síncrona é um sistema eletromagnético de corrente contínua com um enrolamento com o mesmo número de pólos que um enrolamento trifásico do estator. As linhas magnéticas de força são fechadas entre os respectivos pólos norte e sul do rotor através do entreferro e da linha de alimentação do estator (Fig. 2, a, b).

O enrolamento do rotor ou enrolamento de campo é alimentado por um retificador ou um pequeno gerador DC - um excitador cuja saída é de 0,5 a 10% da saída nominal de uma máquina síncrona. A excitatriz pode estar localizada no mesmo eixo com uma máquina síncrona, acionada a partir de seu eixo por uma transmissão flexível ou acionada por um motor separado.

O rotor de pólo implícito de uma máquina síncrona é um cilindro sólido ou composto feito de carbono ou liga de aço com sulcos fresados ​​em sua superfície na direção axial. Esses slots contêm uma bobina feita de cobre isolado ou fio de alumínio.O início de I1 e o fim de I2 deste enrolamento são conectados a dois anéis coletores montados em uma luva isolante localizada no eixo da máquina e girando com o rotor.

As escovas fixas são pressionadas contra os anéis, de onde os fios são conduzidos às pinças marcadas I1 e I2 para conexão a uma fonte de energia elétrica constante. Os grandes dentes do cilindro do rotor sem ranhuras formam os pólos do rotor.

Um rotor de pólo implícito geralmente tem dois ou quatro pólos de polaridade alternada, é usado em máquinas síncronas de alta velocidade, em particular em geradores de turbina - geradores síncronos trifásicos conectados diretamente a turbinas a vapor projetadas para uma velocidade de 3000 ou 1500 rotações por minuto a Frequência CA 50 Hz...

Arroz. 2. O dispositivo de uma máquina síncrona trifásica com um rotor: a — polo oculto, b — polo proeminente, 1 — estrutura, 2 — circuito magnético do estator, 3 — fios do estator, 4 — entreferro, 5 — polo do rotor, 6 — ponta do polo, 7 — reto no rotor, 8 — enrolamento da bobina de excitação, 9 — curto-circuito, 10 — anéis coletores, 11 — escovas, 12 — eixo.

O rotor de pólo aberto de uma máquina síncrona de quatro ou mais pólos possui um garfo maciço ou revestido de chapas de aço, sobre o qual são fixados postes de aço de construção semelhante, de seção retangular, terminando em espigões (Fig. 2, b ). As bobinas conectadas entre si estão localizadas nos pólos, formando uma bobina excitadora.

Tal rotor é utilizado em máquinas síncronas de baixa rotação, que podem ser hidrogeradores e geradores a diesel - respectivamente, geradores síncronos trifásicos conectados diretamente a turbinas hidráulicas ou motores de combustão interna, projetados para velocidades rotacionais de 1500, 1000, 750 e rotações mais baixas a uma frequência de corrente alternada de 50 Hz.

Muitas máquinas síncronas têm no rotor, além do enrolamento de excitação, um enrolamento de amortecimento de cobre ou latão em curto-circuito, que em um rotor de polo não liso difere pouco de um enrolamento semelhante no rotor de uma máquina de indução e em um rotor de pólo saliente é executado na forma de uma bobina incompleta em curto-circuito, cujas barras estão embutidas apenas nas ranhuras e estão ausentes no espaço interpolar. Esse enrolamento contribui para o amortecimento das oscilações do rotor em modos não estacionários de uma máquina síncrona e também fornece partida assíncrona de motores síncronos.

Às vezes, máquinas síncronas com potência nominal de até 5 kW são produzidas em projeto reverso com enrolamento de campo do estator e enrolamento do rotor trifásico.

Eficiência de um gerador síncrono trifásico

A operação de máquinas síncronas trifásicas no modo gerador é acompanhada por perdas de energia, que, por sua natureza, são semelhantes às perdas em máquinas assíncronas. Nesse sentido, a eficiência de um gerador síncrono trifásico é caracterizada pelo valor do coeficiente de eficiência (eficiência), que em condições de carga simétrica é determinado pela fórmula:

η = (√3UIcosφ) / (√3UIcosφ + ΔP),

onde U e I — operação, tensão e corrente da rede, cosφ — o fator de potência dos receptores, ΔP — perdas totais correspondentes à carga dada da máquina síncrona.

O valor da eficiência (eficiência) dos geradores síncronos depende do tamanho da carga e do fator de potência dos receptores (Fig. 3).

Arroz. 3. Gráficos da dependência do rendimento de um gerador síncrono trifásico da carga e do fator de potência dos receptores.

O valor máximo de eficiência corresponde a uma carga próxima à nominal e é de 0,88-0,92 para máquinas de média potência, e para geradores de alta potência atinge um valor de 0,96-0,99. Apesar da alta eficiência das grandes máquinas síncronas, devido à grande quantidade de calor gerada, é necessário resfriar os enrolamentos com hidrogênio, água destilada ou óleo de transformador, o que contribui para uma melhor dissipação de calor, além de permitir criar peças mais compactas e máquinas síncronas trifásicas eficientes.