03 02 MaqElec Sincrona A

Màquines Elèctriques QT 2014-2015

MÀQUINA SÍNCRONA

168

Màquines Elèctriques

INTRODUCCIÓ (recordatori)

169


Màquines de Continua

Màquines d’Alterna



170


171

Excitació a l’estator: Camp creat per imants permanents obé un debanat (alimentat a tensió constant).

Rotor: Induït. Corrent per les bobines altern. Commutadorde delgues actua com a rectificador.

Màquina de continua exc. ind.

Estator

Rotor



172

Similar a la màquina de continua, però amb l’excitació alrotor i l’induït a l’estator.Si l’excitació és amb un debanat, són necessaris dosanells lliscants i escombretes per alimentar el rotor ambtensió continua; però no hi ha commutacions!La màquina síncrona majoritàriament s’usava com agenerador.S’anomena màquina síncrona per la relació directa entrela velocitat de gir i la freqüència de les tensionsgenerades (o, en el cas de funcionar com a motor, lafreqüència dels corrents a l’induït).

Màquina síncrona


173

Màquina Síncrona


174

Màquina Síncrona

175

Les màquines síncrones que en el rotor tenen imantspermanents enlloc d’un debanat de continua tambés’anomenen Brushless DC o Brushless AC segons sigui elcamp magnètic a l’entreferro.

Les màquines de continua sense escombretes (BrushlessDC) no s’acostumen a anomenar mai màquines síncrones.

Brushless DC: Camp a l’entreferro trapezoïdal. Entreferroconstant i magnetització de l’imant uniforme.

Brushless AC: Camp a l’entreferro sinusoïdal. Entreferrovariable i/o magnetització de l’imant ‘sinusoïdal’.

Brushless DC i Brushless AC


176

Debanats concentrats a l’estator

Estator interior i rotor exterior

Estator exterior i rotor interior

Distribució de camp ideal a l’entreferro:

Dues o més fases a l’estator (habitual-ment 3).Es requereix commutació electrònica peralimentar l’estator.

Brushless DC

177

Debanats distribuïts a l’estator i habitualment trifàsica

Estator exterior

Rotor interior de dos parells de pols

Màquina Síncrona


178

Rotor llis

N

S

NS

Pols sortints

Imants permanents

Rotor bobinat

Màquina Síncrona

179

Distribució de camp ideal a l’entreferro:Debanats concentrats a l’estator (induït).

S

N

Brushless DC


180

Distribució de camp sinusoïdal a l’entreferro.Debanats escurçats, distribuïts i inclinats al’estator (induït).

Màquina Síncrona

181

Màquina síncrona de rotor llis amb debanat de continua en elrotor.

= 0 0 00 0 00 0 00 0 0 +

Màquina Síncrona

= 12


182

= sin − + sin − + 2π3 + sin − − 2π3

=cos−2π3 cos 2π3 cos −cos 2π3 cos−2π3 cos − + 2π3 cos−2π3 cos 2π3 cos − − 2π3 cos cos − 2π3 cos + 2π3

= cos + π2 + cos + π2 − 2π3 + cos + π2 + 2π3 sin = cos π2 −

Màquina Síncrona

183

Sistema trifàsic simètric i equilibrat de tensions a l’estator itensió continua constant al rotor.

= = 2 cos + 2 cos + − 2π3 2 cos + + 2π3

Sistema trifàsic simètric i equilibrat de corrents a l’estator icorrent continua constant al rotor.

= = 2 cos + 2 cos + − 2π3 2 cos + + 2π3

Màquina Síncrona


184

= + = + = + + = =

==

0 0 0 − 0 0 0 − − 2π3 0 0 0 − + 2π3 − − − 2π3 − + 2π3 0

Màquina Síncrona

185

= 0 0 0 + π20 0 0 − 2π3 + π20 0 0 + 2π3 + π2+ π2 − 2π3 + π2 + 2π3 + π2 0

= = = 0 Règim estacionari (I trifàsic simètric en estator)== =

Màquina Síncrona


186

= + + Les equacions elèctriques de la màquina queden, doncs:

= + cos + π2cos − 2π3 + π2cos + 2π3 + π20

+ 0

Màquina Síncrona

187

En estator, amb notació fasorial, resta un sistema simètric detensions, atès que, com es veurà seguidament, per a que elparell mitjà sigui no nul cal que la velocitat mecànica i la dela xarxa siguin iguals == +

= + 2 ∠ + + 32 = =

Màquina Síncrona


188

Esquema equivalent per fase

= + 2 ∠ + + 32 = + 32 = 2=

= + · 1∠ +

Va

ϕ I

θ0

ϕ Vπ2

δ − −

jXsIaRsIa

IaE

Màquina Síncrona

189

En règim sinusoïdal estacionari a l’estator i DC en rotor:

= cos + π2 + cos + π2 − 2π3 + cos + π2 + 2π3 == 2 cos + cos + π2+ cos + − 2π3 cos + π2 − 2π3 + cos + + 2π3 cos + π2 + 2π3

= 2 32 cos + − − − π2

Màquina Síncrona


190

La única forma de que el parell mitjà sigui no nul ésque = i, per tant, el parell queda:

= 32 cos − − π2= 32cos − − π2 = 3 sin −

Màquina Síncrona

= 2 32 cos + − − − π2

191

Com en règim estacionari la posició inicial i l’angle de fase dels fasors estanlligats, podem fixar una referència tal que = 0 expressant la resta defasors en aquesta mateixa referència.

= + + ϕ I

ϕ V

δ

jXsIa

RsIaVa

Ia

E

La referència d’angles fasorial (temporal) és talque la tensió induïda està sobre l’eix imaginari= , mentre que la posició inicial del rotors’alinea amb l’eix del primer debanat (fase a).

= 3 cos − π2 = 3 sin

Màquina Síncrona


192

Esquema equivalent per fase:

La caiguda de tensió resistiva és força petita,en el gràfic s’ha exagerat la seva dimensió pera fer-lo més clar.

sin = sin − cos

Màquina Síncrona

ϕ I

ϕ V

δ

jXsIa

RsIaVa

Ia

E

Rs XsIa

Va E = jE

193

Expressió del parell aproximada:

Si normalment és negligible, ambmés motiu ho serà cos i, pertant, sin ≅ sin= 3 sinL’angle δ rep el nom d’angle de càrrega, a mésde ser l’angle recorregut per anar de la tensióinduïda a la tensió en borns, coincideix ambl’angle entre el flux d’estator i el de rotor, atèsque aquests estan retardats respecte de les

respectives tensions.

Màquina Síncrona

ϕ I

ϕ V

δ

jXsIa

RsIaVa

Ia

E


194

Va

ϕ Iϕ V

δ

jXsIa

Ia

E

ϕ I

ϕ V

δ

jXsIa

Va

Ia

E

Motor: > 0 > 0Subexcitat: > 0 Motor: > 0 > 0

Sobreexcitat: < 0

−ϕ

ϕ

Control d’excitació (Reactiva):

Màquina Síncrona

195

−δ

ϕ I ϕ V

jXsIa

Va

Ia

E

ϕ I

ϕ V

−δ

jXsIa Va

Ia

E

Generador: < 0 < 0Sobreexcitat: < 0 Generador: < 0 < 0

Subexcitat: > 0

ϕ

ϕ

Màquina Síncrona


196

Punts de treball estables

E

−−−

− +2

− 2−I

= 3 sin → = sin 3 = = π −−π2 ≤ ≤ π2

Màquina Síncrona

197

Característiques nominals

Límits de funcionament (a freqüència fixa de funcionament o

nominal )

Corrent Nominal ↔ Capacitat d’evacuació tèrmica = +Tensió nominal ↔ Aïllament elèctric i límit magnètic

Potència aparent nominal

Corrent d’excitació nominal ↔Excitació màxima → Sobreexcitat (c)

Factor de potència nominal

Límit pràctic d’estabilitat

Màquina Síncrona


198

Per tal d’establir l’àrea dins dels límits de funcionament espoden reescriure les equacions de la màquina, amb convenigenerador de potències:= = − = 3 sin −

= − = −ℑ 3 ∗ = 3 cos − 3= 3 = 3

+ + = − + − =Cercle 1

Màquina Síncrona

199

La potència aparent val:= 3 = + = + → = + − + − =Valors base a l’estator:

Valors base al rotor:

= = = = 3 = 3 == = = = = =

Cercle 2

Màquina Síncrona


200

Els dos cercles, expressats en tant per ú queden

+ + = = +Treballant a potència aparent nominal, a tensió nominal iamb excitació nominal:+ + 1 = → = = 0 = − 1

1 = + → = 1 = 0 = 0

Màquina Síncrona

201

Actuant com a generador amb conveni de potències generador (pu)

(pu)−π −

1

1

−1 (pu)10

0−− 1 (pu)0

Màquina Síncrona


202

Actuant com a motor amb conveni de potències motor (pu)

(pu)

1

1

−1 (pu)10

0− 1 (pu)0

Màquina Síncrona

203

Màxima potència transferible. Xarxa ideal. δ = ±90º

a

E Va

Xs

n

Ia Scc = ∞

= 3 = = 3 =

Màquina Síncrona


204

Màxima potència transferible. Xarxa real. U0, SCC

a

E Va

Xs

n

Ia Xcc

V0 = ≅= 3 + = +

= 3 + = +

Màquina Síncrona

205

La màquina síncrona amb rotor debanat té l’aplicaciómajoritària com a generador o compensador síncron(generador de reactiva) atès que com a motor presenta unparell d’arrancada nul.

L’aparició de l’electrònica de potència ha permès la utilitzacióde la màquina síncrona com a motor en aplicacions d’altesprestacions dinàmiques. La versió que s’empra és la màquinabrushless sinusoïdal o Brushless AC, en la que l’excitació esrealitza a través d’imants permanents i, per tant, a fluxconstant.

Les equacions de la màquina són les mateixes, simplementcal imaginar un corrent d’excitació equivalent de valor fix.

Brushless AC


206

El control, en règim estacionari, mitjançant la mesura de laposició θ és capaç d’orientar els corrents d’estator de forma quel’angle sigui constant de valor 90º (fent de motor) o de valor-90º (fent de generador = fre).

Rectificador Ondulador

MS θ

Control

V

I

IXarxa

= 3 sin = ±π2 = ±3

Brushless AC

207

Com a motor = mentre que com a fre = − π.

El parell depèn exclusivament del corrent de l’estator, mentreque la tensió depèn exclusivament de la velocitat, compassava en la màquina de corrent continu.

= 3 sin = ±π2 = ±3 Brushless AC


208

Quan actua com a fre retorna l’energia a la xarxa, si aquesta és receptivai el rectificador ho permet. En cas que alguna d’aquestes dues condicionsno es complexi, es crema l’energia en una resistència de frenada, deforma controlada.

Va−δE

ϕ Iϕ V

δ

jXsIa

Ia

E

Motor: > 0 > 0Subexcitat: > 0

ϕϕ I

ϕ V

jXsIa

Va

Ia

Fre: < 0 < 0Subexcitat: > 0

ϕ

Brushless AC

209

Característiques nominals / Límits de funcionament

• Velocitat màxima ↔ Límit mecànic (Força Centrífuga)

• Velocitat màxima ↔ Límit de tensió (Tensió del Convertidor)

• Velocitat màxima ↔ Límit tèrmic ( = ; = )

• Parell màxim ↔ Límit electrodinàmic (Força Conductors/Imants)

• Parell màxim ↔ Límit de corrent del convertidor

• Stall Torque ↔ Límit Tèrmic ( = 0; = )

De vegades es defineixen uns valors nominals (Arbitraris)

Brushless AC


210

Característiques nominals / Límits de funcionament

Servei continu

Servei

Intermitent

Brushless AC

03 02 MaqElec Sincrona A

Documents

Transcript of 03 02 MaqElec Sincrona A