POLITECHNIKA GDAŃSKA Wydział Elektrotechniki i Automatyki Katedra Energoelektroniki i Maszyn Elektrycznych LABORATORIUM

Transkrypt

1 POLITECHNIKA GDAŃSKA Wydział Elktrotchniki i Automatyki Katdra Enrgolktroniki i Maszyn Elktrycznych LABORATORIUM SYSTEMY ELEKTROMECHANICZNE TEMATYKA ĆWICZENIA MASZYNA SYNCHRONICZNA BADANIE PRACY W SYSTEMIE ELEKTROENERGETYCZNYM Synchronizacja i strowani rozpływm mocy birnj Matriały pomocnicz Kirunk Elktrotchnika Studia nistacjonarn 2-gigo stopnia smstr 1 Opracował Miczysław Ronkowski Grzgorz Kostro Michał Michna Andrzj Wilk Mark Kamiński Gdańsk

2 Miczysław Ronkowski Grzgorz Kostro Michał Michna Andrzj Wilk Mark Kamiński MASZYNA SYNCHRONICZNA BADANIE PRACY W SYSTEMIE ELEKTROENERGETYCZNYM 1 Wprowadzni 1.1 Modl maszyny synchronicznj Maszyna synchroniczna jst prztwornikim lktromchanicznym (rys. 1.1) o trzch wrotach przpływu mocy, któr izyczni rprzntują: zaciski uzwojnia twornika a, zaciski uzwojnia wzbudznia i konic wału (sprzęgło) m. Moc mchaniczna (dostarczana/obirana) P m i moc lktryczna (odbirana/dostarczana) P a ulgają przmiani lktromchanicznj za pośrdnictwm pola magntyczngo pola wytwarzango uzwojnim wzbudznia. Enrgia pola magntyczngo jst nrgią wwnętrzną maszyny, gdyż prztwornik ni ma możliwości wymiany tj nrgii z otocznim. P a a Q a P m Pm P a Q a P U a I a U I a m T m rm P m Rys. 1.1 Maszyna synchroniczna (praca prądnicowa) trójwrotowy prztwornik lktromchaniczny: przpływ nrgii/mocy wg konwncji graów wiązań; wrota układu mchaniczngo m dopływ nrgii mchanicznj prztwarzanj ma nrgię lktryczną, wrota (zaciski) obwodu twornika a odpływ nrgii lktrycznj, wrota obwodu magnśnicy (wzbudznia) dopływ nrgii wzbudznia Układ lktromchaniczny na rys. 1.2 przdstawia schmatyczni uproszczoną strukturę lktromchaniczną 3 azowj MS o wydatnobigunowym wirniku wraz z ilustracją zasady jj działania. Uzwojnia twornika MS jst 3 azow i równomirni rozmiszczon w żłobkach stojana. Osi magntyczn poszczgólnych az są względm sibi odpowidnio przsunięt w przstrzni o kąt 2

3 120 0 (dla MS o liczbi par bigunów p>1 kąt przsunięcia osi magntycznych wynosi 120 o /p). Uzwojni wzbudznia umiszczon jst na wirniku a jgo osi magntyczn d i q przsunięt są względm sibi o kąt 90 0 (dla MS o liczbi par bigunów p>1 kąt przsunięcia osi wynosi 90 o /p). Aby zachować czytlność rysunku, układ uzwojń azowych (pasm) maszyny zaznaczono szkicowo na rys. 1.2 obwodami a a', b b' oraz c c'. Przy czym, litry a, b oraz c oznaczają umown początki uzwojń (pasm), a litry a', b' oraz c umown końc tych uzwojń 1. Analogiczny sposób wyróżniania umownych początków i końców uzwojń przyjęto dla wirnika (wzbudnika), odpowidnio oraz. a) b) MS: MS: PRACA PRĄDNICOWA STAN JAŁOWY MS: MS: PRACA PRĄDNICOWA STAN OBCIĄŻENIA CZYNNO-BIERNEGO Wirujący strumiń Φ wzbudnika indukuj SEM rotacji E 0a, E 0b, E 0c w 3-azowym uzwojniu twornika E 0 ~ Ω rm E0 ~ Φ E ~ 0 Φ = Φ z a ( I ) + Pola twornika Θ a i wzbudznia Θ wirują synchroniczni! Warunk gnracji użytcznj mocy lktrycznj! Pol wzbudznia Θ wyprzdza ( ciągni ) pol twornika Θ a ktm jst gnracja momntu lktromagntyczngo T - momntu obciążającgo silnik/turbinę napędową! Miczysław RONKOWSKI 10 Kąt γ -kąt momntu lktromagntyczngo. Miczysław RONKOWSKI Rys. 1.2 Elmntarna maszyna synchroniczna budowa i ilustracja zasady działania: ruch synchroniczny wirującgo pola magntyczngo magnśnicy Θ. i twornika Θ a. Uzwojni wzbudznia, zasilan prądm stałym, wzbudza pol magntyczn rprzntowan przz przpływ Θ 2. Pol wzbudnika jst niruchom względm układu lktromagntyczngo wirnika, al z względu na ruch obrotowy wirnika (wymuszony maszyną napędową) jst polm wirującym względm uzwojnia twornika (stojana). Wyznaczni modlu MS ograniczymy do przypadku maszyny w wirnikim cylindrycznym wirnikim symtrycznym magntyczni: rluktancja magntyczna dla struminia pola twornika jst praktyczn taka sama w osi q oraz osi d magnśnicy. Oznacza to, ż dalsz rozważania będę dotyczyły turbognratora. Wirujący strumiń wzbudnika Φ indukuj SEM rotacji E 0 w poszczgólnych azach uzwojnia twornika. Załączni obciążnia na zaciski twornika wymusza przpływ prądów 3 azowych (I aa, I ab, 1 Przyjmujmy następującą konwncję: jżli wartość prądu twornika danj azy uzwojnia jst dodatnia, to wtdy prąd dopływa do umowngo początku tj azy (widzimy ogon strzałki znak + ) a wypływa z umowngo końca tj az (widzimy grot strzałki znak. ) 2 Przpływ i strumiń jst wilkością skalarną, gdyż jst wilkością pola magntyczngo. W naszych rozważaniach przyjmujmy rprzntację wktorową dla tych wilkości izykalnych pola magntyczngo, al w aspkci czysto matmatycznym ni izykalnym. Zastosowani aparatu wktorowgo ułatwi nam wyznaczani wilkości wypadkowych pola maszyny synchronicznj, szczgólni w jj szczlini roboczj. 3

4 I ac ) w uzwojniach, któr wzbudzają pol magntyczn rprzntowan przz przpływ Θ a. Pol twornika (skutk) oddziaływuj na pol magnśnicy (przyczynę) zjawisko to nazywamy oddziaływanim/rakcją twornika. Zjawisko to jst charaktrystyczn dla MS i ma istotny wpływ na charaktrystyki ruchow maszyny. Stąd ważn jst zrozumini aspktów izycznych rlacji przstrznno czasowych tgo zjawiska dla różnych stanów obciążnia/pracy MS. Dla stanu obciążnia maszyny wktory obu przpływów zminiają położni względm sibi położni zalży od charaktru obciążnia (przykładow położni ilustruj rys. 1.2b). Powstaj pwin przpływ wypadkowy w maszyni, który jst warunkim wytwarzania użytczngo momntu obrotowgo lktromchaniczngo prztwarzania nrgii. Miarą wzajmngo położnia wktorów Θ i Θ a jst kąt γ nazywanym kątm momntu, gdyż momnt lktromagntyczny jst unkcją tgo kąta. Dla pwnych wartości charaktrystycznych tgo kąta γ = 0 lub γ = π : momnt lktromagntyczny jst równy zro: płyną prądy w uzwojniach maszyny a maszyna ni gnruj momntu obrotowgo. Ccha ta jst szczgólna dla maszyny synchronicznj 3. Wzbudzani wirującgo przpływu pola twornika w MS związan jst z mtodą lktromagntyczną wzbudzania pola wirującgo przz niruchom uzwojni wiloazow. Warunki wytwarzania pola wirującgo, w szczgólności pola kołowgo, i związan z tym zalżności analityczn podajmy w załączniku do skryptu. Uwaga: Zasadą pracy ustalonj maszyny synchronicznj jst ruch synchroniczny pola twornika Θ a i pola wzbudnika/magnśnicy Θ ruch synchroniczny obu pól oznacza, ż oba pola są niruchom względm sibi. Wzajmn położni pól (wktorów pól) zalży od charaktru pracy MS (prądnica lub silnik) oraz od charaktru obciążnia (czynn, czynno indukcyjn, czynno pojmnościow). Ruch synchroniczny oba pól jst warunkim gnracji użytcznj mocy lktrycznj użytczngo momntu lktromagntyczngo. Prędkość obrotowa wirnika okrśla częstotliwość napięcia na zaciskach twornika: Ω r Ω rm = = p (1.1) 2π 2π ns = p (1.2) 60 gdzi: Ω rm prędkość kątowa mchaniczna wirnika (nazywana takż prędkością synchroniczną oznaczoną zwykl symbolm Ω s ) [rad mchaniczn/s]; 3 Do wyjaśninia tgo ktu można się posłużyć następującym analogim: układm dwóch magnsów trwałych umiszczonych koncntryczni względm sibi. Naturalnym stanm układu jst stan, kidy osi magntyczn obu magnsów się pokryją: nastąpi sparowani bigunów S (stojan) N (wirnik) oraz N (stojan) S (wirnik). Ektm przsunięcia osi magntycznych jst gnracja momntu momnt jst przciwni skirowany do wzrostu kąta T ~ γ. Analogim mchanicznym jst wirnik połączony z sprężyną spiralną. 4

5 Ω r prędkość kątowa lktryczna wirnika [rad lktryczn/s] 4 ; Ω r = pω rm n s prędkość obrotowa mchaniczna wirnika (nazywana jst takż prędkością synchroniczną) [obr/min]; p liczba par bigunów. Na podstawi prawa Faraday a wyznaczamy zalżności na SEM E 0 indukowaną struminim wirujący magnśnicy. Zalżność na SEM E 0 indukowaną (wartość skutczna) jst następująca: E 0 = 4,44 Φ za kua (1.3) gdzi: z a liczba zwojów na azę uzwojnia twornika; k ua współczynnik uzwojnia twornika (uwzględnia równomirn rozłożni uzwojnia w żłobkach stojana śrdnia wartość k ua = 0,96). Zalżność (1.3) jst analogiczna do zalżności na SEM dla transormatora (z pominięcim współczynnika k ua ) podobiństwo jst czysto ormaln. Zauważmy, ż w zalżności dla transormatora wilkość to częstotliwość ruchu lktryczngo, natomiast w przypadku MS to częstotliwość zalżna od ruchu mchaniczngo (wzór (1.1)). 1.2 Praca gnratorowa w systmi lktronrgtycznym Schmat blokowy na rys. 1.3 ilustruj MS pracującą w systmi lktronrgtycznym (SE). Włączni MS do SE wymaga przprowadznia synchronizacji maszyny z sicią systmu. Intrsują nas następując charaktrystyki ruchow MS pracującj w SE: rozpływu mocy czynnj i birnj, kątowa przy = s oraz Ω rm = Ω s. Do wyznacznia powyższych charaktrystyk posłużymy się odpowidnimi wykrsami wktorowymi sporządzonym w oparciu o modl obwodowy MS Synchronizacja z sicią systmu Warunki synchronizacji: 1. koljność az napięć prądnicy i sici musi być taka sama, 2. wartości skutczn napięć sici i prądnicy powinny być jdnakow, 3. częstotliwość napięć prądnicy i sici musi być jdnakowa, 4. odpowiadając sobi napięcia prądnicy i sici (napięcia na tych samych bigunach wyłącznika) powinny być z sobą w azi. 4 Szybkość zmiany kąta w radianach lktrycznych jst p razy większa niż zmiany kąta w radianach mchanicznych ( θ = pθ w przypadku maszyny z liczbą par bigunów p = 1 oba kąty są równ). r rm 5

6 a) MS: PRACA PRĄDNICOWA W SE Moc znamionowa prądnicy << moc znamionowa prądnicy zastępczj (systmu nrgtyczngo) S an << S zn Ω s = 2π s /p = s Ω rm = Ω s Miczysław RONKOWSKI 1 b) TWORNIK X s I a a Źródło EM P m WIRNIK E 0 U a P a Q a U s SE P m = T m rm E 0 = 4,44 = (I ) z a k ua a Rys. 1.3 Praca gnratorowa w systmi nrgtycznym: a) schmat blokowy, b) modl obwodowy MS: PRACA PRĄDNICOWA NA SIEĆ SZTYWNĄ WYSTĘPUJĄ DWA ŹRÓDŁA NAPIĘCIA: SIEĆ U s MS E o WYKRES WSKAZOWY CZASOWY PRACA MS PO IDEALNEJ SYNCHRONIZACJI E 0 U = 0 s I a =0 Miczysław RONKOWSKI 3 Rys. 1.4 MS po przprowadzniu idalnj synchronizacji wykrs wskazowy (czasowy) 6

7 Występują dwa źródła napięcia: sić U s i MS E o przy E U 0 oznacza, ż I a = 0 Ilustruj to wykrs wskazowy na rys s = Rys. 1.5 Mtoda synchronizacji: 1) i 2) układ żarówk z światłm pulsującym, 3) i 4) układ żarówk z światłm wirującym [9] Na rys. 1.5 przdstawiono mtodę synchronizacji z układm żarówk z światłm wirującym i pulsującym Stan obciążnia charaktrystyki ruchow (rgulacja mocy czynnj i birnj) W zalżności od charaktru momntu zwnętrzngo T m (napędzający albo hamujący) oraz od wartości prądu wzbudznia I MS moż pracować jako prądnica/silnik przwzbudzony lub nidowzbudzony (rys. 1.6). 7

8 MS: PRACA NA SIEĆ SZTYWNĄ Praca silnikowa (ćwiartka I i II); praca prądnicowa (ćwiartka III i IV). W zalżności od charaktru momntu zwnętrzngo T m (napędzający albo hamujący) oraz od wartości prądu wzbudznia I MS moż pracować jako prądnica/silnik przwzbudzony lub nidowzbudzony. Miczysław RONKOWSKI 8 Rys. 1.6 Praca silnikowa (ćwiartka I i II); praca prądnicowa (ćwiartka III i IV). Na rys. 1.7 przdstawiono wykrsy azorow pracy MS przy P = const. T = const. a) MS: PRACA PRĄDNICOWA NA SIEĆ SZTYWNĄ WYKRES WSKAZOWY CZASOWO-PRZESTRZENNY PRACA PRZY P = const. T = const. P a P = const.! P P m = const.! T T m = const.! Miczysław RONKOWSKI 9 8

9 b) MS: PRACA PRĄDNICOWA NA SIEĆ SZTYWNĄ WYKRES WSKAZOWY CZASOWO-PRZESTRZENNY PRACA PRZY P = const. T = const. P a P = const.! P P m = const.! T T m = const.! Miczysław RONKOWSKI 10 Rys. 1.7 Wykrsy azorow czasowo przstrznn. Praca przy P = const. T = const. a) wykrślni położnia linii stałj mocy czynnj, b) kompltny wykrs azorowy czasowo przstrznny Intrsującymi charaktrystykami ruchowymi MS są: charaktrystyka kątowa zalżność P = P (δ ) lub T = T (δ ), charaktrystyka V (krzyw Mordy a) zalżność I a = I a (I ) przy P = const. gdzi, δ kąt mocy MS. Równani momntu lktromagntyczngo charaktrystyki kątowj opisuj następująca zalżność: U se0 T = m sin δ Ω s X s (1.4) Dla małych kątów δ [rad] zachodzi sin δ δ, zatm T ~ δ. O takim momnci mówimy, ż jst typu synchroniczngo 5. Pomijając straty mchaniczn moc czynna moc na wal mamy P a P P m (1.5) U se0 Pm = m sin δ (1.6) X s Charaktrystykę kontową maszyny w zakrsi 180 o < δ max < 180 o przdstawiono na rys W przypadku silnika prądu stałgo, z względu na zalżność T = kt Φ I a, zatm T ~ I a mówimy, ż jst to momntm typu magntolktryczngo. 9

10 MS: CHARAKTERYSTYKA KĄTOWA -90 o < δ max < 90 o Miczysław RONKOWSKI 11 Rys. 1.8 Charaktrystyka kątowa maszyny synchronicznj: wyznaczona przy różnych wartościach prądu wzbudznia Charaktrystyki V I a = I a (I ) przy P a = const. przdstawiamy na rys.1.9. MS: PRACA PRĄDNICOWA NA SIEĆ SZTYWNĄ Charaktrystyki V I a = I a (I ) przy P a = const. Miczysław RONKOWSKI 12 Rys.1.9 Charaktrystyki V wyznaczon przy różnych wartościach mocy P a 10

11 2.1. Oględziny zwnętrzn 2. BADANIA Nalży dokonać oględzin badanj maszyny synchronicznj oraz urządzń wchodzących w skład układu napędowgo. Przd wszystkim nalży dokładni przczytać i wynotować dan zawart na tabliczc znamionowj maszyn. Tablica 1 Dan znamionow maszyny synchronicznj Lp. Dan znamionow maszyny synchronicznj Jdnostka Wartość 1 nazwę lub znak producnta 2 nazwę i typ 3 numr abryczny 4 rok wykonania 5 moc znamionową kva 6 znamionow napięcia V 7 znamionowy prąd stojana A 8 znamionowy współczynnik mocy 1) 9 układ połączń uzwojń stojana 2) 10 znamionow napięci wzbudznia V 11 znamionowy prąd wzbudznia A 12 prędkość (lub częstotliwość) obr/min 13 klasa izolacji 14 warunki pracy nisymtrycznj (I 2 /I N ) 15 stopiń ochrony 11

12 2.2. Synchronizacja Układ do synchronizacji przdstawiono na rys SIEĆ 3x380V ~ Q1 V 1 2 V V Hz K4 3 4 Hz FS 2 Kolumna synchronizacyjna V PW A P U1 V1 W1 U2 V2 W2 P m SPS G 3~ F1 F2 A 220V~ Q2 Synchronizacja-schmat_Kaminski_MR.vsd Rys.2.1 Układ do synchronizacji maszyny synchronicznj z sicią sztywną Przykładow wyniki pomiarów stanu przjściowgo procsu synchronizacji maszyny synchronicznj z sicią sztywną przdstawia rys

13 Rys.2.2 Wyniki pomiarów stanu przjściowgo procsu synchronizacji maszyny synchronicznj z sicią sztywną 13

14 2.3. Wyznaczni krzywych Mordy a Po dokonaniu synchronizacji gnratora z sicią pomirzyć charaktrystyki : I a = I a (I ) przy P = const. U s = const. Ω s =const Wykonać kilka pomiarów zapisując wyniki w tablicy 2.1. Nalży zmnijszyć do zra prąd wzbudznia gnratora będącgo w stani jałowym, a następni wykonać pomiary przy zwiększanym prądzi wzbudznia do wartości I = I N. Po wykonaniu pomiarów zwiększyć oddawaną przz gnrator moc czynną do wartości P = 0,5 P N. Pomiary powtórzyć przy mocy czynnj P = P N. Tablica 2.1 Lp. Pomiary Oblicznia I a [A] I [A] P α [W] P β [W] P [A] cos ϕ 2.4. Zadania Opracować wyniki pomiarów i przprowadzić ich dyskusję Litratura 1. Latk W.: Zarys maszyn lktrycznych. WNT, W wa Latk W.: Badania maszyn lktrycznych w przmyśl. WNT, W wa Manitius Z.: Maszyny synchroniczn. Skrypt. Wyd. Pol. Gdańskij, Gdańsk Manitius Z.: Maszyny Elktryczn. Cz.I. Skrypt. Wyd. Pol. Gdańskij, Gdańsk Plamitzr A.: Maszyny lktryczn. Wyd. 7. WNT, W wa Praca zbiorowa (rd. Manitius Z.): Laboratorium maszyn lktrycznych. Skrypt. Wyd.2. Wyd. Pol. Gdańskij, Gdańsk Roszczyk S.: Toria maszyn lktrycznych. WNT, W wa Staszwski P., Urbański W.: Zagadninia obliczniow w ksploatacji maszyn lktrycznych, Warszawa, Oicyna Wydawnicza Politchniki Warszawskij Intractiv and Uniid E Basd Education and Training or Elctrical Enginring. INETELE. Projct Lonardo da Vinci No: CZ/02/B/F/PP/134009, Boboń A., Kudła J., Miksiwicz R.: Maszyny lktryczn prądu przminngo (asynchroniczn i synchroniczn). Multimdialny podręcznik lktroniczny wchodzący w skład projktu INETELE ( 10. PN IEC 34 1:1997 Maszyny lktryczn wirując. Ogóln wymagania i badania: 14

15 15