Máquinas síncronas — motores, geradores e compensadores

Máquinas síncronas são máquinas elétricas de corrente alternada nas quais o rotor e o campo magnético das correntes do estator giram de forma síncrona.
Os geradores síncronos trifásicos são as máquinas elétricas mais potentes. A potência unitária dos geradores síncronos em usinas hidrelétricas é de 640 MW e em usinas termelétricas — 8 — 1200 MW. Em uma máquina síncrona, um dos enrolamentos é conectado a uma rede CA e o outro é excitado por CC. O enrolamento de corrente alternada é chamado de enrolamento de armadura.
O enrolamento da armadura converte toda a energia eletromagnética da máquina síncrona em energia elétrica e vice-versa. Portanto, geralmente é colocado em um estator, chamado de armadura. A bobina de excitação consome 0,3 - 2% da potência convertida, portanto, geralmente está localizada em um rotor rotativo, chamado indutor, e a baixa potência de excitação é fornecida por anéis deslizantes ou dispositivos de excitação sem contato.

O campo magnético da armadura gira a uma velocidade síncrona n1 = 60f1 / p, rpm, onde p = 1,2,3 … 64, etc. é o número de pares de pólos.
Com frequência de rede industrial f1 = 50 Hz, várias velocidades síncronas em diferentes números de pólos: 3000, 1500, 1000, etc.). Como o campo magnético do indutor é estacionário em relação ao rotor, para a interação contínua dos campos do indutor e da armadura, o rotor deve girar na mesma velocidade síncrona.

Construção de máquinas síncronas
O estator de uma máquina síncrona com enrolamento trifásico não difere na construção estator de máquina assíncrona, e o rotor com uma bobina de excitação é de dois tipos - pólo proeminente e pólo implícito. Em altas velocidades e um pequeno número de pólos, são usados ​​rotores de pólos implícitos por terem uma estrutura mais durável, e em baixas velocidades e um grande número de pólos, são usados ​​rotores de pólos salientes de construção modular. A resistência desses rotores é menor, mas são mais fáceis de fabricar e reparar. Rotor de Pólo Aparente:

Eles são usados ​​em máquinas síncronas com um grande número de polos e um n correspondentemente baixo. Usinas hidrelétricas (hidrogeradores). frequência n de 60 a várias centenas de rotações por minuto. Os hidrogeradores mais potentes têm um diâmetro de rotor de 12 m com um comprimento de 2,5 m, p — 42 e n = 143 rpm.
Rotor indireto:

Enrolamento - diâmetro d = 1,2 - 1,3 m nos canais do rotor, o comprimento ativo do rotor não é superior a 6,5 ​​m. TPP, NPP (geradores de turbina). S = 500.000 kVA em uma máquina n = 3.000 ou 1.500 rpm (1 ou 2 pares de pólos).
Além da bobina de campo, um amortecedor ou bobina de amortecimento está localizado no rotor, que é usado para dar partida em motores síncronos. Esta bobina é feita semelhante a uma bobina de curto-circuito em gaiola de esquilo, apenas com uma seção muito menor, uma vez que o volume principal do rotor é ocupado pela bobina de campo.Em rotores de pólos não uniformes, o papel do enrolamento amortecedor é desempenhado pelas superfícies dos dentes sólidos do rotor e pelas cunhas condutoras nos canais.
A corrente contínua no enrolamento de excitação de uma máquina síncrona pode ser fornecida a partir de um gerador CC especial instalado no eixo da máquina e chamado de excitador, ou da rede elétrica através de um retificador semicondutor.
Veja também neste tópico:
Finalidade e arranjo de máquinas síncronas

Como funcionam os turbos e hidrogeradores síncronos

Uma máquina síncrona pode funcionar como gerador ou motor. Uma máquina síncrona pode operar como um motor se a corrente trifásica for fornecida ao enrolamento do estator. Neste caso, como resultado da interação dos campos magnéticos do estator e do rotor, o campo do estator carrega consigo o rotor. Nesse caso, o rotor gira na mesma direção e na mesma velocidade que o campo do estator.

O modo gerador de operação das máquinas síncronas é o mais comum, e quase toda a energia elétrica é gerada por geradores síncronos.Os motores síncronos são usados ​​com potência acima de 600 kW e até 1 kW como micromotores. Geradores síncronos para tensões de até 1000 V são usados ​​em unidades para sistemas autônomos de alimentação.

As unidades com esses geradores podem ser estacionárias e móveis. A maioria das unidades é usada com motores a diesel, mas podem ser acionadas por turbinas a gás, motores elétricos e motores a gasolina.

Um motor síncrono difere de um gerador síncrono apenas por uma bobina de amortecimento de partida, que deve garantir boas propriedades de partida do motor.

Esquema de um gerador síncrono de seis pólos.As seções transversais dos enrolamentos de uma fase (três enrolamentos conectados em série) são mostradas. Os enrolamentos das outras duas fases se encaixam nos slots livres mostrados na figura. As fases são conectadas em estrela ou triângulo.

Modo gerador: o motor (turbina) gira o rotor, cuja bobina é fornecida com tensão constante? há uma corrente que cria um campo magnético permanente. O campo magnético gira com o rotor, atravessa os enrolamentos do estator e induz um EMF da mesma magnitude e frequência, mas deslocado em 1200 (sistema trifásico simétrico).

Modo motor: o enrolamento do estator é conectado a uma rede trifásica e o enrolamento do rotor a uma fonte de corrente contínua. Como resultado da interação do campo magnético rotativo da máquina com a corrente contínua da bobina de excitação, ocorre um torque Mvr, que faz o rotor girar na velocidade do campo magnético.

A característica mecânica de um motor síncrono — dependência n (M) — é uma seção horizontal.

Tira de Filme Educativo - "Motores Síncronos" produzida pela Fábrica de Materiais Educacionais em 1966.
Você pode assistir aqui: Filmstrip «Motor síncrono»

Aplicação de motores síncronos O uso em massa de motores assíncronos com subcarga significativa complica a operação de sistemas de energia e estações: o fator de potência no sistema diminui, o que leva a perdas adicionais em todos os dispositivos e linhas, bem como ao seu uso insuficiente em termos de potência ativa. Portanto, tornou-se necessário o uso de motores síncronos, principalmente para mecanismos com acionamentos potentes.

Os motores síncronos têm uma grande vantagem sobre os motores assíncronos, que é que, graças à excitação CC, podem trabalhar com cosphi = 1 e não consomem energia reativa da rede e, durante a operação, quando superexcitados, até fornecem energia reativa ao rede. Como resultado, o fator de potência da rede é melhorado e as quedas e perdas de tensão na mesma são reduzidas, bem como o fator de potência dos geradores que operam nas usinas.

O torque máximo de um motor síncrono é proporcional a U, e para um motor assíncrono U2.

Portanto, quando a tensão cai, o motor síncrono retém uma capacidade de carga maior. Além disso, o uso da possibilidade de aumentar a corrente de excitação dos motores síncronos permite aumentar sua confiabilidade em caso de quedas de tensão de emergência na rede e melhorar, nesses casos, as condições de operação do sistema de energia como um todo. Devido ao tamanho maior do entreferro, as perdas adicionais no aço e na gaiola do rotor dos motores síncronos são menores do que nos motores assíncronos, portanto, a eficiência dos motores síncronos é geralmente maior.

Por outro lado, a construção de motores síncronos é mais complicada do que os motores de indução de gaiola de esquilo e, além disso, os motores síncronos devem ter um excitador ou outro dispositivo para alimentar uma bobina CC. Como resultado, os motores síncronos são, na maioria dos casos, mais caros do que os motores assíncronos de gaiola.

Durante a operação de motores síncronos, surgiram dificuldades consideráveis ​​para iniciá-los.Essas dificuldades já foram superadas.

A partida e o controle de velocidade de motores síncronos também são mais difíceis. No entanto, a vantagem dos motores síncronos é tão grande que em altas potências é aconselhável utilizá-los sempre que não são necessárias partidas e paradas frequentes e controle de velocidade (motorgeradores, bombas potentes, ventiladores, compressores, moinhos, trituradores e etc.). ).

Veja também:

Esquemas típicos para partida de motores síncronos

Propriedades eletromecânicas de motores síncronos

Compensadores síncronos

Os compensadores síncronos são projetados para compensar o fator de potência da rede e manter o nível de tensão normal da rede em áreas onde as cargas de consumo estão concentradas. O modo de operação superexcitado do compensador síncrono é normal quando ele fornece potência reativa à rede.

Nesse sentido, os compensadores, bem como os bancos de capacitores que atendem às mesmas finalidades, instalados nas subestações consumidoras, também são chamados de geradores de energia reativa. No entanto, em períodos de cargas de usuários reduzidas (por exemplo, à noite), muitas vezes é necessário o uso de compensadores síncronos e em modo de subexcitação, quando consomem corrente indutiva e potência reativa da rede, pois nesses casos a tensão da rede tende a aumentar, e para mantê-lo em um nível normal, é necessário carregar a rede com correntes indutivas, que causam quedas adicionais de tensão nela.

Para isso, cada compensador síncrono é equipado com uma excitação automática ou regulador de tensão, que regula a magnitude da corrente de excitação para que a tensão nos terminais do compensador permaneça constante.