Máquina síncrona
La versión actual de la página aún no ha sido revisada por colaboradores experimentados y puede diferir significativamente de la versión revisada el 4 de noviembre de 2021; las comprobaciones requieren 7 ediciones .Una máquina síncrona es una máquina de CA de dos devanados , uno de los cuales está conectado a una red eléctrica con una frecuencia constante, y el segundo está excitado por corriente continua. La frecuencia de rotación del rotor es igual a la frecuencia de rotación del campo magnético en el entrehierro [1] . Es un motor eléctrico.
Dispositivo
Las partes principales de una máquina síncrona son la armadura y el inductor (devanado de campo). Como regla general, la armadura está ubicada en el estator, y hay un inductor en el rotor separado de él por un espacio; por lo tanto, de acuerdo con el principio de funcionamiento, una máquina síncrona es, por así decirlo, "al revés". ” Máquina de corriente continua, cuya corriente alterna para el devanado del inducido no se obtiene mediante un colector , sino que se suministra desde el exterior.
Una armadura es uno o más devanados de CA. En los motores, las corrientes suministradas a la armadura crean un campo magnético giratorio que se acopla con el campo del inductor y, por lo tanto, se convierte la energía. El campo del inducido afecta al campo del inductor y, por lo tanto, también se denomina campo de reacción del inducido . En los generadores, el campo de reacción del inducido se crea mediante corrientes alternas inducidas en el devanado del inducido desde el inductor.
El inductor consta de polos: electroimanes de CC [2] o imanes permanentes (en micromáquinas ). Los inductores de máquinas síncronas vienen en dos diseños diferentes: polo saliente o polo no saliente. Una máquina de polos salientes se distingue por el hecho de que los polos son pronunciados y tienen un diseño similar a los polos de una máquina de CC . Con un diseño de polos no salientes, el devanado de excitación encaja en las ranuras del núcleo del inductor, muy similar al devanado de los rotores de las máquinas asíncronas con rotor de fase , con la única diferencia de que se deja un lugar entre los polos. que no está lleno de conductores (el llamado diente grande ). Los diseños de polos no salientes se utilizan en máquinas de alta velocidad para reducir la carga mecánica en los polos.
Para reducir la resistencia magnética, es decir, para mejorar el paso del flujo magnético, se utilizan núcleos ferromagnéticos del rotor y del estator. Básicamente, son una construcción laminada (reunida a partir de láminas individuales) de acero eléctrico .
Cómo funciona
Como cualquier máquina eléctrica, una máquina síncrona puede operar en modo motor y generador.
Modo generador
Por lo general, los generadores síncronos se fabrican con una armadura ubicada en el estator, para la conveniencia de descargar energía eléctrica. Dado que la potencia de excitación es pequeña en comparación con la potencia extraída del inducido (0,3 ... 2 %), el suministro de corriente continua al devanado de excitación mediante dos anillos rozantes no presenta ninguna dificultad especial. El principio de funcionamiento de un generador síncrono se basa en el fenómeno de la inducción electromagnética; cuando el rotor gira, el flujo magnético creado por el devanado de campo se entrelaza a su vez con cada una de las fases del devanado del estator, induciendo una FEM en ellas. En el caso más común de utilizar un devanado de armadura distribuido trifásico en cada una de las fases, desplazadas entre sí 120 grados, se induce una FEM sinusoidal. Al conectar las fases de acuerdo con los esquemas estándar de "triángulo" o "estrella", se obtiene un voltaje trifásico en la salida del generador, que es un estándar generalmente aceptado para las redes eléctricas principales.
La frecuencia de la FEM inducida [Hz] está relacionada con la velocidad del rotor [rpm] por la relación:
,
donde es el número de pares de polos.
A menudo, los generadores síncronos se utilizan en lugar de máquinas colectoras para generar corriente continua, conectando sus devanados de armadura a rectificadores trifásicos , en locomotoras diésel (por ejemplo, TEP70 , 2TE116 ), automóviles , aviones . Esto se hace debido a la mayor confiabilidad y TBO de las máquinas síncronas. [3] [4]
Modo motor
El principio de funcionamiento de un motor síncrono se basa en la interacción del campo magnético giratorio de la armadura y el campo magnético de los polos del inductor. Por lo general, la armadura está ubicada en el estator y el inductor está ubicado en el rotor. En motores potentes, se utilizan electroimanes como polos (la corriente se suministra al rotor a través de un contacto deslizante de anillo de cepillo), en motores de baja potencia, por ejemplo, en motores de disco duro , se utilizan imanes permanentes. Existe un diseño de motor invertido , en el que la armadura está ubicada en el rotor y el inductor está en el estator (en motores obsoletos, así como en máquinas síncronas criogénicas modernas, en las que se utilizan superconductores en los devanados de excitación ).
Arranque del motor. El motor debe acelerarse a una frecuencia cercana a la frecuencia de rotación del campo magnético en el espacio antes de que pueda operar en modo síncrono. A esta velocidad, el campo magnético giratorio de la armadura se entrelaza con los campos magnéticos de los polos del inductor: si el inductor está ubicado en el estator, resulta que el campo magnético giratorio de la armadura giratoria (rotor) está estacionario en relación con el campo constante del inductor (estator), si el inductor está en el rotor, entonces el campo magnético de los polos giratorios del inductor (rotor) está estacionario en relación con el campo magnético giratorio de la armadura (estator) - este fenómeno se denomina "entrada de sincronismo".
Para el overclocking, generalmente se usa un modo asíncrono [5] , en el que los devanados del inductor se cierran a través de un reóstato o se cortocircuitan, como en una máquina asíncrona , para tal modo de arranque en máquinas, se hace un devanado cortocircuitado en el rotor, que también desempeña el papel de un devanado calmante que elimina el "oscilación" del rotor durante la sincronización. Después de alcanzar una velocidad cercana a la nominal (> 95%, la llamada velocidad subsíncrona), el inductor se alimenta con corriente continua.
En los motores con imanes permanentes, se usa un motor de aceleración externo o un arranque controlado por frecuencia , y la regulación de frecuencia también se usa en todos los tipos de SD en el modo operativo, por ejemplo, en motores de tracción de un tren eléctrico de alta velocidad TGV . Los motores de los antiguos tocadiscos eléctricos requerían un arranque manual: desplazando el registro a mano, más tarde comenzaron a usarse motores asíncronos en los tocadiscos.
A veces, se coloca un pequeño generador (corriente continua o corriente alterna con rectificación) en el eje de máquinas grandes, las llamadas. excitador que alimenta el devanado de excitación. En algunos casos (por ejemplo, en locomotoras diésel), el excitador se instala por separado y se acciona a través de una caja de cambios elevadora. [6]
La velocidad del rotor [rpm] se mantiene sin cambios, rígidamente relacionada con la frecuencia de la red [Hz] por la relación:
,
donde - el número de pares de polos del estator, dependiendo de la carga de la máquina, solo cambia el ángulo de carga (ángulo theta ) - el ángulo eléctrico de retraso o avance del campo de excitación con respecto al campo de armadura. Con un ángulo de carga de más de 90 grados eléctricos, la máquina pierde el sincronismo: se detiene si el eje está sobrecargado con par de frenado, o aumenta la velocidad si la máquina está funcionando en modo generador y tiene poca carga eléctrica.
Los motores síncronos, cuando cambia la excitación, cambian el coseno phi de capacitivo a inductivo. Los motores inactivos sobreexcitados se utilizan como compensadores de potencia reactiva. Los motores síncronos en la industria se suelen utilizar para potencias unitarias superiores a 300 kW (sopladores, bombas de trasvase de agua y de aceite), por ejemplo, del tipo STD, a potencias inferiores, un motor asíncrono más sencillo (y más fiable) de ardilla -se suele utilizar rotor de jaula.
Variedades de máquinas síncronas
Un generador hidroeléctrico es un generador síncrono de polos salientes diseñado para generar energía eléctrica en funcionamiento a partir de una turbina hidráulica (a bajas velocidades de rotación, 50–600 min – 1 ).
El turbogenerador es un generador síncrono de polos implícitos diseñado para generar energía eléctrica en funcionamiento a partir de una turbina de vapor o de gas a altas velocidades del rotor: 6000 (raramente), 3000, 1500 rpm.
Compensador síncrono : un motor síncrono diseñado para generar potencia reactiva, que funciona sin carga en el eje (ralentí); en este caso, prácticamente solo pasa corriente reactiva a través del devanado del inducido. El compensador síncrono puede operar en modo de mejora del factor de potencia o en modo de estabilización de voltaje. Da una carga inductiva.
Máquina de doble potencia (en particular AFM ) - una máquina síncrona con suministro de energía al rotor y devanados del estator con corrientes de diferentes frecuencias, por lo que se crean modos de operación no síncronos.
Generador de impacto : un generador síncrono (generalmente corriente trifásica), diseñado para operación a corto plazo en modo de cortocircuito (cortocircuito).
El selsyn es una máquina síncrona de baja potencia que se utiliza como sensor de ángulo de rotación o en tándem con otro selsyn para transmitir el ángulo de rotación sin una conexión mecánica directa.
También hay motores sincrónicos sin engranajes, paso a paso, inductores, de histéresis y sin contacto.
Máquina síncrona sin contacto
En una máquina síncrona clásica, hay un punto débil: los anillos deslizantes con cepillos, que se desgastan más rápido que otras partes de la máquina debido a la erosión eléctrica y al simple desgaste mecánico. Además, las chispas de las escobillas pueden provocar una explosión. Por lo tanto, primero en la aviación , y luego en otras áreas (en particular, en generadores diesel autónomos ), los generadores síncronos de tres máquinas sin contacto se generalizaron. Se colocan tres máquinas en el cuerpo de dicha unidad: un subexcitador, un excitador y un generador, sus rotores giran sobre un eje común. El subexcitador es un generador síncrono con excitación de imanes permanentes que giran sobre el rotor, su voltaje se suministra a la unidad de control del generador, donde se rectifica, regula y alimenta al devanado del estator del excitador. El campo del estator induce una corriente en el devanado del excitador, que es rectificada por un bloque de rectificadores giratorios (BVR) ubicados en el eje y que van al devanado de excitación del generador. El generador ya está generando corriente que va a los consumidores.
Tal esquema asegura tanto la ausencia de otras partes mecánicas en el motor, excepto los cojinetes, como la autonomía del generador: todo el tiempo mientras el generador está girando, el excitador proporciona voltaje que puede usarse para alimentar los circuitos de control del generador.
Notas
- ↑ Aplicaciones de las máquinas síncronas . infopedia.su . Consultado el 21 de noviembre de 2021. Archivado desde el original el 21 de noviembre de 2021.
- ↑ Por lo general, la corriente de excitación es constante, pero en ocasiones puede tener una dependencia temporal más compleja (cuando, por ejemplo, se quiere asegurar artificialmente la estabilidad de la máquina o crear algún tipo de modo complejo de funcionamiento).
- ↑ Equipos de aviación / ed. Yu. P. Dobrolensky . - M. : Editorial Militar, 1989. - 248 p. — ISBN 5-203-00138-3 . Archivado el 3 de diciembre de 2021 en Wayback Machine .
- ↑ Dispositivo y operación de automóviles MAZ-500A y GAZ-66: Libro de texto - M., DOSAAF, 1981, Kalishev G.V., Komarov Yu.N., Romanov V.M., BBC 39.335.4
- ↑ Karelin V. Ya., Minaev A. V. Bombas y estaciones de bombeo . - 2do. - M .: Stroyizdat, 1986. Copia archivada del 27 de diciembre de 2018 en la Wayback Machine
- ↑ Locomotora Filonov SP 2TE116 . - 2do. - M .: Transporte , 1985. - ISBN 5-277-02012-8 . Archivado el 12 de diciembre de 2018 en Wayback Machine .
Véase también
- máquina asíncrona
- Motor CC CC
- Motor de reluctancia de válvula
- máquina de corriente continua
- Sistemas de excitación digitales
Enlaces
- Motores síncronos: esquemas de arranque típicos
- Hidrogeneradores
- Motores síncronos de la serie STD con una potencia de 630-12 500 kW