Maszyny elektryczne. Maszyny synchroniczne 1 Prof. dr hab. inż. Tadeusz Skoczkowski

Transkrypt

1 Maszyny elektryczne Maszyny synchroniczne 1 Prof. dr hab. inż. Tadeusz Skoczkowski

2 Prądnica synchroniczna Bieguny magnetyczne Obracają się z wałem Uzwojenie, umieszczone w statorze. Droga dla strumienia magnetycznego umieszczona w stojanie Biegun N V T Napęd wału + Biegun S Wał

3 Prądnica synchroniczna Uzwojenie, umieszczone w statorze. V T + Uzwojenie twornika Prąd twornika Uzwojenie wzbudzenia Prąd wzbudzenia + I a North pole South pole Droga dla strumienia magnetycznego umieszczona w stojanie Obwód magnetyczny dla strumienia wzbudzenia wiruje z rotorem Napęd wału I f V f

4 Maszyna synchroniczna

5 Silnik synchroniczny Uzwojenie twornika Prąd twornika I a Droga dla strumienia magnetycznego umieszczona w stojanie Obwód magnetyczny dla strumienia wzbudzenia wiruje z rotorem V T Uzwojenie wzbudzenia V T Napęd wału + Prąd wzbudzenia + I f V f

6 Maszyna synchroniczna Uzwojenie twornika Prąd twornika Droga dla strumienia magnetycznego umieszczona w stojanie V T Uzwojenie wzbudzenia I a Obwód magnetyczny dla strumienia wzbudzenia wiruje z rotorem I f Prąd wzbudzenia V Voltomierz Zerowy prąd wzbudzenia, tak że wirnik nie obraca się

7 Maszyna synchroniczna cylindryczna. Budowa A Stator with laminated iron core C - Slots with phase winding B A B + + Rotor with dc winding B - N S - A - C C +

8 Maszyna synchroniczna jawnobiegunowa. Budowa

9 Maszyna synchroniczna jawnobiegunowa. Budowa Rotor with dc winding A + C - B N S B C + A - Stator with laminated iron core Slots with phase winding A + B - C - S C + B A N A - N B + C + S C - B - A + Dwubiegunowa Czterobiegunowa

10 Generator synchroniczny. Widok Generator Exciter

11 Steam turbine open Shaft with moving blades Low-pressure turbine High-pressure turbine Middle bearing Stationary part Topic 1, Components.ppt 11

12 Steam Turbine Blades Topic 1, Components.ppt 12

13 Turbine, generator and main transformer of Kyrene Generation Station. (Courtesy Salt River Project) Topic 1, Components.ppt 13

14 Generator synchroniczny. Przekrój

15 Generator synchroniczny. Stator Metal frame Laminated iron core with slots Insulated copper bars are placed in the slots to form the three-phase winding

16 Generator synchroniczny. Rotor

17 Generator synchroniczny. Rotor

18 Generator synchroniczny. Rotor Shaft Steel retaining ring Wedges DC current terminals terminals

19 Fig 1.15 Salient Pole Rotor North Poles South North Slip ring Pole winding Topic 1, Components.ppt 19

20 Synchronous Machines Figure 6.9Stator of a large salient pole hydro generator; inset shows the insulated conductors and spacers.

21 Synchronous Machines Figure 6.10 Large hydro generator rotor with view of the vertical poles.

22 Maszyna synchroniczna. Schemat 1. Twornik (stojan) 2. Obwód wzbudzenia (wirnik) 3. Pierścienie ślizgowe 4. szczotki 5. Wzbudnica 6. Regulator napięcia wzbudnicy Maszyna synchroniczna odwrócona

23 Maszyna synchroniczna. Przekrój i układ połączeń Theodore Wildi Electrical Machines, Drives, and Power Systems, 6e Copyright 2006 by Sperika Enterprises and published by Pearson Education, Inc. Upper Saddle River, New Jersey All rights reserved.

24 Typowy układ wzbudzenia maszyny synchronicznej Theodore Wildi Electrical Machines, Drives, and Power Systems, 6e Copyright 2006 by Sperika Enterprises and published by Pearson Education, Inc. Upper Saddle River, New Jersey All rights reserved.

25 Układ bezszczotkowego wzbudzenia silnika synchronicznego Theodore Wildi Electrical Machines, Drives, and Power Systems, 6e Copyright 2006 by Sperika Enterprises and published by Pearson Education, Inc. Upper Saddle River, New Jersey All rights reserved.

26 Generator synchroniczny. Schematy zastępcze

27 Maszyna synchroniczna. Powstawanie momentu

28 Zagadnienia przestrzenno-czasowe

29 Maszyna synchroniczna. α = e pα m Sumowanie przepływów stojana i wirnika w MS 3f Związki przestrzenno-czasowe

30 Maszyna synchroniczna z wirnikiem cylindrycznym. Nienasycona µ=const Strumień wzbudzenia Strumień oddziaływania twornika Zasada superpozycji Strumień rozproszenia twornika

31 Maszyna synchroniczna z wirnikiem cylindrycznym. Nasycona µ const

32 MS. Prądnica z wirnikiem cylindrycznym. Nienasycona i nasycona - porównanie

33 MS. Prądnica z wirnikiem cylindrycznym U=const P=const I w =var

34 Uproszczony wykres wskazowy, dla maszyny synchronicznej nienasyconej z wirnikiem cylindrycznym c P U = const, f = const, E = const, P = W var A E W ϕ ϕ U XI B C Praca generatorowa Stan stabilny Praca generatorowa Stan niestabilny I ϑ 0 U I ϕ Praca silnikowa Stan stabilny Praca silnikowa Stan niestabilny P = U m E X W sinϑ θ- kąt przesunięcia fazowego, pomiędzy napięciem fazowym i prądem fazowym maszyny synchronicznej ;

35 Stany pracy maszyny synchronicznej

36 MS. Wykres kołowy maszyny cylindrycznej U=const I w =const P=var R=0

37 MS. Wykres kołowy maszyny cylindrycznej U=const I w =const P=var R 0

38 MS. Stan zwarcia Stosunek zwarcia k z =0.5 k z =1.0

39 MS. Charakterystyki zewnętrzne

40 MS. Charakterystyki zewnętrzne

41 MS. Oddziaływanie twornika Obciążenie pojemnościowe (oddziaływanie domagnesowujące) Obciążenie indukcyjne (oddziaływanie rozmagnesowujące)

42 Prądnica synchroniczna. Charakterystyki regulacji

43 Prądnica synchroniczna. Charakterystyki regulacji

44 Charakterystyka momentu elektromagnetycznego (mocy elektromagnetycznej) maszyny synchronicznej M, P [ Nm, W ] ( ) M, P = f ϑ przy U = const E W, I W = const f = const Praca niestabilna M max1 M max 2 E W 1 E < E W 2 W1 M n M max 3 E < E W 3 W 2 Praca generatorowa ϑ

45 Silnik synchroniczny Indukcyjne obciążenie sieci Pojemnościowe obciążenie sieci

46 Prądnica z wirnikiem cylindrycznym. Charakterystyki regulacji

47 MS. Moment elektromagnetyczny. Przeciążalność M P P e = = P = n mui cos m UE X d w e ϕ sin ϕ Przeciążalność maszyny synchronicznej M p= M max = P max n P n

48 MS. Prądnica z wirnikiem cylindrycznym

49 Maszyna synchroniczna. Stabilność pracy Zmiana P

50 Charakterystyka regulacyjna maszyny synchronicznej cylindrycznej nienasyconej pracującej na sieć sztywną I, [ A, V ] W E W I W, E W = ( P) przy U = const f, n = const cosϕ, Q = const f Praca silnikowa Praca generatorowa cosϕ i = const, Q1 = const cosϕ = 1, Q2 = 0 cosϕ p = const, Q3 = const 0 P kw

51 Krzywe V (Mordey a) maszyny synchronicznej cylindrycznej nienasyconej, pracującej na sieć sztywną I [A] ( I E ) I = f, przy W W Praca niestabilna U = const f = const P = const char. poj. cos ϕ = 1 char. ind. P 2 > P 1 A 2 P 1 U I = X P = 0 A 1 P = 0 ( kompensator) Praca generatorowa I W, E W 0 E W = U A 0 [ A, V ]

52 Maszyna synchroniczna. Krzywe V

53 Zmiana mocy czynnej prądnicy synchronicznej, przyłączonej do sieci sztywnej c P 2 c P 1 2 XI 2 1 ' 2 XI 1 E W 2 E w1 U I 2 ϑ 1 ϕ I 1 0

54 Prądnica synchroniczna. Sieć sztywna cos φ=const

55 Prądnica synchroniczna. Sieć elastyczna

56 MS. Kołysanie mocy. Współczynnik samosynchronizujący

57 Zależność mocy czynnej generatora synchronicznego od kąta mocy Theodore Wildi Electrical Machines, Drives, and Power Systems, 6e Copyright 2006 by Sperika Enterprises and published by Pearson Education, Inc. Upper Saddle River, New Jersey All rights reserved.

58 MS. Wirnik jawnobiegunowy. Nienasycona Zależność reaktancji oddziaływania twornika od kąta między osią przepływu twornika i osią jawnego bieguna Rozkład przepływu twornika; podłużny i poprzeczny

59 Charakterystyka biegu jałowego maszyny synchronicznej nienasyconej Generator trójfazowy 36 MVA, 21 kv Theodore Wildi Electrical Machines, Drives, and Power Systems, 6e Copyright 2006 by Sperika Enterprises and published by Pearson Education, Inc. Upper Saddle River, New Jersey All rights reserved.

60 Maszyna synchroniczna. Jawnobiegunowa Ψ = 2

61 Maszyna synchroniczna. Jawnobiegunowa Ψ = 0

62 MS. Jawnobiegunowa. Stany pracy Praca prądnicowa Praca silnikowa

63 Krzywe V silnika synchronicznego

64 Wpływ zmian napięcia zasilania na pracę silnika synchronicznego M=const, I w =const

65 Rozruch silnika synchronicznego

66 Rozruch asynchroniczny maszyny synchronicznej

67 Moment maszyny synchronicznej jawnobiegunowej

68 MS. Jawnobiegunowa. Charakterystyki kątowe momentu

69 Silnik reluktancyjny

70 Silnik reluktancyjny

71 Powstawanie momentu reluktancyjnego w maszynie synchronicznej jawnobiegunowej

72 Moment wypadkowy w silniku synchronicznym przy uwzględnieniu momentu reluktancyjnego Theodore Wildi Electrical Machines, Drives, and Power Systems, 6e Copyright 2006 by Sperika Enterprises and published by Pearson Education, Inc. Upper Saddle River, New Jersey All rights reserved.

73 Porównanie charakterystyki silnika indukcyjnego klatkowego i silnika synchronicznego Dane znamionowe obu silników: 4000 hp, 1800 r/min, 6.9 kv, 60 Hz. Theodore Wildi Electrical Machines, Drives, and Power Systems, 6e Copyright 2006 by Sperika Enterprises and published by Pearson Education, Inc. Upper Saddle River, New Jersey All rights reserved.

74 Kompensator synchroniczny

75 Zmiana reaktancji generatora synchronicznego przy zwarciu Theodore Wildi Electrical Machines, Drives, and Power Systems, 6e Copyright 2006 by Sperika Enterprises and published by Pearson Education, Inc. Upper Saddle River, New Jersey All rights reserved.

76 Prąd na zaciskach generatora synchronicznego w stanie zwarcia na zaciskach wyjściowych Theodore Wildi Electrical Machines, Drives, and Power Systems, 6e Copyright 2006 by Sperika Enterprises and published by Pearson Education, Inc. Upper Saddle River, New Jersey All rights reserved.

77 Maszyna synchroniczna. Zwarcie w stanie nieustalonym Prąd w fazie stojana w stanie zwarcia nieustalonego (prąd ze składową aperiodyczną)

78 Przepływ mocy pomiędzy dwoma źródłami napięcia Theodore Wildi Electrical Machines, Drives, and Power Systems, 6e Copyright 2006 by Sperika Enterprises and published by Pearson Education, Inc. Upper Saddle River, New Jersey All rights reserved.

79 Figure 16.26a Generator floating on an infinite bus. Theodore Wildi Electrical Machines, Drives, and Power Systems, 6e Copyright 2006 by Sperika Enterprises and published by Pearson Education, Inc. Upper Saddle River, New Jersey All rights reserved.

80 Turbina napędzająca generator synchroniczny Theodore Wildi Electrical Machines, Drives, and Power Systems, 6e Copyright 2006 by Sperika Enterprises and published by Pearson Education, Inc. Upper Saddle River, New Jersey All rights reserved.

81 Silnik synchroniczny przekształtnikowy

82 Duży silnik synchroniczny zasilany z cyklokonwertora Theodore Wildi Electrical Machines, Drives, and Power Systems, 6e Copyright 2006 by Sperika Enterprises and published by Pearson Education, Inc. Upper Saddle River, New Jersey All rights reserved.

83 Przebiegi napięć w układzie zasilania silnika synchronicznego z cyklokonwertora Theodore Wildi Electrical Machines, Drives, and Power Systems, 6e Copyright 2006 by Sperika Enterprises and published by Pearson Education, Inc. Upper Saddle River, New Jersey All rights reserved.

84 Przebiegi napięć w układzie zasilania silnika synchronicznego z cyklokonwertora 20 Hz Theodore Wildi Electrical Machines, Drives, and Power Systems, 6e Copyright 2006 by Sperika Enterprises and published by Pearson Education, Inc. Upper Saddle River, New Jersey All rights reserved.

85 Przebiegi napięć w układzie zasilania silnika synchronicznego z cyklokonwertora 10 Hz Theodore Wildi Electrical Machines, Drives, and Power Systems, 6e Copyright 2006 by Sperika Enterprises and published by Pearson Education, Inc. Upper Saddle River, New Jersey All rights reserved.

86 Układ małej elektrowni wodnej z maszyną synchroniczną PT Turbina wodna typu Banki-Michella M.S. ~ P = C = F ~ Układ sterowania prądem wzbudzenia SE MS- maszyna synchroniczna; PT- przekształtnik energoelektroniczny (przemiennik); P- prostownik diodowy (trójfazowy mostek prostowniczy); C- kondensator elektrolityczny w obwodzie pośredniczącym przemiennika; F- falownik napięciowy; SE- sieć sztywna (energetyczna).

87 Układ małej elektrowni wodnej z maszyną indukcyjną pierścieniową, dwustronnie zasilaną Turbina wodna typu Banki-Michella PK M. A. P. SE PT E F = + PS1 = C = PS2 +

88 M [Nm] M II = f ( n) M I = f ( n) Przebieg pracy maszyny indukcyjnej klatkowej-dwubiegowej, napędzanej turbiną wodną typu Banki-Michella, w fazie rozruchu oraz w reżimie pracy generatorowej M r t 0 0 a x1 a x2 a x3 a x4 n 0II t 2 t 1 M TW = 0 a < a < a < a x1 x2 x3 x4 f Praca silnikowa ( n) t 3 M f ( n ) TW = n 0I Praca generatorowa n [1/ min] M - moment; n - prędkość obrotowa; M r - wartość momentu rozruchowego, przy zastosowaniu układu miękkiego rozruchu (soft-startu); M I - przebieg charakterystyki momentu elektromagnetycznego maszyny indukcyjnej, dla I-go biegu; M II - przebieg charakterystyki momentu elektromagnetycznego maszyny indukcyjnej, dla II-go biegu; M - przebieg charakterystyki mechanicznej biegu jałowego, turbiny wodnej TW0 TW o przepływie poprzecznym typu Banki-Michella, dla a = 0; M - przebieg charakterystyki mechanicznej, turbiny wodnej o przepływie a x t 0 t 1 t 2 t 3 n 0 I poprzecznym typu Banki-Michella, dla a 0; - stopień otwarcia przysłony regulacyjnej w układzie rozpatrywanej turbiny wodnej; - moment rozpoczęcia fazy rozruchu maszyny indukcyjnej klatkowej (stan pracy silnikowej); - moment czasowy, w którym punkt pracy maszyny indukcyjnej w fazie rozruchu, osiąga charakterystykę naturalną (stan pracy silnikowej); - moment czasowy, który kończy fazę rozruchu maszyny indukcyjnej. Maszyna indukcyjna klatkowa znajduje się w stanie statycznie ustalonym (stan pracy silnikowej); - moment czasowy osiągnięcia stanu statycznie ustalonego, w reżimie pracy generatorowej; - prędkość synchroniczna maszyny indukcyjnej, dla I-go biegu; n 0 - prędkość synchroniczna maszyny indukcyjnej, dla II-go biegu. II x x

89 M r ( t 2 ) M r ( t 0 ) Przebieg pracy maszyny indukcyjnej pierścieniowej-dwubiegowej, napędzanej turbiną wodną typu Banki-Michella, w fazie rozruchu oraz w reżimie pracy generatorowej M [Nm] t 0 0 a x1 a x2 a x3 M II = f n 0II ( n) n 0I t 1 t 2 t 3 M I = t 4 f ( n) M TW = 0 Praca silnikowa f ( n) M TW = Praca generatorowa f ( n) M r ( t 0 )- wartość momentu rozruchowego, w chwili rozpoczęcia rozruchu maszyny M r ( t 2 ) t 0 t 1 t 2 t n 3 [1/ min] t 4 indukcyjnej pierścieniowej; - wartość momentu rozruchowego, w którym punkt pracy maszyny indukcyjnej w fazie rozruchu, osiąga charakterystykę naturalną; - moment rozpoczęcia fazy rozruchu maszyny indukcyjnej pierścieniowej (stan pracy silnikowej); - moment czasowy osiągnięcia stanu statycznie ustalonego, z rezystancją ograniczającą prąd rozruchowy, w obwodzie wirnika maszyny indukcyjnej pierścieniowej (stan pracy silnikowej); - moment czasowy, w którym zwiera się rezystancję rozruchową, w obwodzie wirnika maszyny indukcyjnej pierścieniowej (stan pracy silnikowej); - moment czasowy, który kończy fazę rozruchu maszyny indukcyjnej. Maszyna indukcyjna pierścieniowa znajduje się w stanie statycznie ustalonym (stan pracy silnikowej); - moment czasowy osiągnięcia stanu statycznie ustalonego, w reżimie pracy generatorowej; a x4 a < a < a < a x1 x2 x3 x4

90 Układ synchronizacyjny na ciemno V M.S.- maszyna synchroniczna pracująca jako generator na sieć sztywną; V-woltomierz; 1,2,3-oznaczenia żarówek. M.S.

91 Układ sterowania i zabezpieczeń MEW, napędzanej turbiną o przepływie poprzecznym Banki- Michella, z niskoobrotową maszyną synchroniczną, pracującą na sieć sztywną, przy zachowaniu zmiennej prędkości obrotowej (kątowej) napędzania POI SM TW Q HE PM CU M.S. M CI M X1 X 2 CUUV CUVW CUUW CIU CIV SE CI W ω opt ω PS V + PS ω ω ω V ~ PA R ω SH SH ' CI W ~ X10 U ZN V + USS i start A ' SI W R U ω ' I W ω UD CP M Cϑ V + PA ϑ US P M M ϑ max FA K ϑm X 9 X 3 SG R P I max K IU K IV X 4 X 5 CPS i P S P SZ cosϕ R cos ϕ X12 F GI F GI S X 6 X 7 X 8 U IU U IV I U I V cosϕ S cosϕ SZ ω max K ωm X11 K IW F GI U IW I W