Propósito y disposición de las máquinas síncronas.

Máquina síncrona - una máquina de corriente alterna en la que la velocidad del rotor a una frecuencia constante de corriente en los devanados del estator permanece constante y no depende de la magnitud de la carga en el eje de la máquina.

Máquinas síncronas Se utilizan principalmente para convertir la energía mecánica de los motores primarios en energía eléctrica, es decir, como generadores de energía eléctrica de corriente alterna. Sin embargo, las máquinas síncronas también se utilizan en los modos de motores, compensadores de potencia reactiva y otros dispositivos.

En las instalaciones industriales, las máquinas síncronas trifásicas son las más utilizadas. Los motores síncronos monofásicos se utilizan en accionamientos eléctricos de compresores, ventiladores potentes, motores de baja potencia en varios dispositivos automáticos, etc.

Dispositivo de máquina síncrona

Una máquina síncrona trifásica consta de un estator estacionario y un rotor de polos implícitos o convexos que giran en su interior, entre ellos existe un entrehierro, cuyo tamaño radial está determinado por la potencia nominal de la máquina, su velocidad y varía de fracciones hasta varias decenas de milímetros.

El estator de una máquina de este tipo prácticamente no difiere en diseño del estator de una máquina de inducción, tiene un devanado trifásico, cuyo comienzo se designa como C1, C2, C3 y los extremos - C4, C5, C6 y se llevan a terminales con designaciones similares, lo que le permite conectar las fases del devanado del estator con un triángulo o estrella.

Las fases del devanado del estator de un generador síncrono trifásico están conectadas principalmente en estrella, ya que esto permite que una red trifásica de cuatro hilos tenga voltajes de línea y fase que difieren entre sí en √3 veces (Fig. 1 ).

Arroz. 1. Esquema para conectar una red trifásica de cuatro fases a los terminales del devanado del estator de un generador síncrono trifásico cuando las fases están conectadas en estrella.

El rotor de una máquina síncrona es un sistema electromagnético de corriente continua con un devanado que tiene el mismo número de polos que un devanado de estator trifásico. Las líneas de fuerza magnéticas se cierran entre los respectivos polos norte y sur del rotor a través del entrehierro y la línea de alimentación del estator (Fig. 2, a, b).

El devanado del rotor o el devanado de campo es alimentado por un rectificador o un pequeño generador de CC, un excitador cuya salida es del 0,5 al 10 % de la salida nominal de una máquina síncrona. El excitador se puede ubicar en el mismo eje con una máquina síncrona, accionado desde su eje por una transmisión flexible o accionado por un motor separado.

El rotor de polo implícito de una máquina síncrona es un cilindro sólido o compuesto hecho de acero al carbono o aleado con ranuras fresadas en su superficie en dirección axial. Estas ranuras contienen una bobina hecha de alambre aislado de cobre o aluminio.El inicio de I1 y el final de I2 de este devanado están conectados a dos anillos deslizantes montados en un manguito aislante ubicado en el eje de la máquina y que gira con el rotor.

Los cepillos fijos se presionan contra los anillos, desde los cuales se conducen los cables a las abrazaderas marcadas I1 e I2 para la conexión a una fuente de energía eléctrica constante. Los grandes dientes del cilindro del rotor sin ranuras forman los polos del rotor.

Un rotor de polos implícitos suele tener dos o cuatro polos de polaridad alterna, se utiliza en máquinas síncronas de alta velocidad, en particular en generadores de turbina - generadores síncronos trifásicos conectados directamente a turbinas de vapor diseñadas para una velocidad de 3000 o 1500 revoluciones por minuto en Frecuencia CA 50 Hz...

Arroz. 2. El dispositivo de una máquina síncrona trifásica con un rotor: a — polo oculto, b — polo prominente, 1 — marco, 2 — circuito magnético del estator, 3 — cables del estator, 4 — entrehierro, 5 — polo del rotor, 6 — punta del polo, 7 — recto en el rotor, 8 — devanado de la bobina de excitación, 9 — cortocircuito, 10 — anillos colectores, 11 — escobillas, 12 — eje.

El rotor de polos abiertos de una máquina síncrona con cuatro o más polos tiene un yugo sólido o revestido de láminas de acero, en el que se adjuntan postes de acero de construcción similar, con una sección transversal rectangular, que termina en picos (Fig. 2, b ). Las bobinas conectadas entre sí están ubicadas en los polos, formando una bobina excitante.

Dicho rotor se utiliza en máquinas síncronas de baja velocidad, que pueden ser hidrogeneradores y generadores diesel, respectivamente, generadores síncronos trifásicos conectados directamente a turbinas hidráulicas o motores de combustión interna, diseñados para velocidades de rotación de 1500, 1000, 750 y rpm más bajas a una frecuencia de corriente alterna de 50 Hz.

Muchas máquinas síncronas tienen en el rotor, además del devanado de excitación, un devanado de amortiguación de cobre o latón en cortocircuito, que en un rotor de polo no liso difiere poco de un devanado similar en el rotor de una máquina de inducción, y en un rotor de polo saliente se realiza en forma de una bobina incompleta en cortocircuito, cuyas barras están incrustadas solo en las ranuras y están ausentes en el espacio entre polos. Este devanado contribuye a la amortiguación de las oscilaciones del rotor en modos no estacionarios de una máquina síncrona y también proporciona arranque asíncrono de motores síncronos.

Las máquinas síncronas de hasta 5 kW se fabrican a veces en diseño inverso con devanado de campo de estator y devanado de rotor trifásico.

Eficiencia de un generador síncrono trifásico

El funcionamiento de las máquinas síncronas trifásicas en modo generador va acompañado de pérdidas de energía, que, pero en su naturaleza, son similares a las pérdidas en las máquinas asíncronas. En este sentido, la eficiencia de un generador síncrono trifásico se caracteriza por el valor del coeficiente de eficiencia (eficiencia), que en condiciones de carga simétrica se determina mediante la fórmula:

η = (√3UIcosφ) / (√3UIcosφ + ΔP),

donde U e I — operación, voltaje y corriente de la red, cosφ — el factor de potencia de los receptores, ΔP — pérdidas totales correspondientes a la carga dada de la máquina síncrona.

El valor de la eficiencia (eficiencia) de los generadores síncronos depende del tamaño de la carga y el factor de potencia de los receptores (Fig. 3).

Arroz. 3. Gráficos de la dependencia de la eficiencia de un generador síncrono trifásico de la carga y el factor de potencia de los receptores.

El valor máximo de eficiencia corresponde a una carga próxima a la nominal y es de 0,88-0,92 para máquinas de media potencia, y para generadores de alta potencia alcanza un valor de 0,96-0,99. A pesar de la alta eficiencia de las grandes máquinas síncronas, debido a la gran cantidad de calor generado, es necesario enfriar los devanados con hidrógeno, agua destilada o aceite de transformador, lo que contribuye a una mejor disipación del calor, y también permite crear más compacto y Máquinas síncronas trifásicas eficientes.