MASZYNA SYNCHRONICZNA

Transkrypt

1 MASZYNA SYNCHRONICZNA

2 Wytwarzanie prądów przemiennych d l w a Prądnica prądu przemiennego jej najprostszym modelem jest zwój wirujący w równomiernym polu magnetycznym ze stałą prędkością kątową w.

3 Wytwarzanie prądów przemiennych a d a w a B Zwój o średnicy d i długości l z wyjściowego położenia poziomego (a=0) zaczyna wirować w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara. W położeniu wyjściowym zwój przenika strumień o największej wartości: F m = Bld

4 Wytwarzanie prądów przemiennych a d a w a B Przy wirowaniu powierzchnia przenikania strumienia maleje i można ją określić jako rzut powierzchni objętej ramką na powierzchnię prostopadłą do kierunku pola (a-a). Zatem w dowolnym położeniu: F = Bld cos a = F m cos a = F m cos wt

5 Wytwarzanie prądów przemiennych Indukowane napięcie można określić z ogólnego prawa indukcji elektromagnetycznej dla określonej zmiany strumienia. Przy wzroście napięcia zgodnym z regułą śruby prawoskrętnej: df d F m cos wt e = - z = - z dt dt = zwf sin wt = E sin wt m ( ) m =

6 Wytwarzanie prądów przemiennych Wartość maksymalna napięcia indukowanego dla danej maszyny jest stała przy stałej prędkości obrotowej i równa: E m = z w ldb Obojętne jest czy wiruje uzwojenie, w którym wytwarza się napięcie (twornik) a uzwojenie wytwarzające strumień jest nieruchome, czy odwrotnie

7 WYTWARZANIE NAPIĘCIA TRÓJFAZOWEGO. S S e W S e V w e U w N w N N e U e V E W e W E U t t t E V

8 S WYTWARZANIE NAPIĘCIA TRÓJFAZOWEGO. W1 U2 V2 U1 w V1 W2 N E W w e e U e V e W 120 o E U E V -120 o T/3 T/3 T/3 t T

9 GENERATOR PRĄDU TRÓJFAZOWEGO. n U1 V2 N W2 W1 S V1 U2

10 Turbogenerator TWW 200

11 PODSTAWOWE PARAMETRY ZNAMIONOWE TURBOGENERATORÓW KRAJOWYCH. TYP TURBOGENERATORA S MVA U kv I A cosj --- U W V I W A η g % TG 6 TG 25 TGH 30 TGH 55 TGHW 63 TGH 120 TWW GTHW TWW GTHW GTHW ,5 31,25 37,5 68,75 78, ,3 6,3 6,3 10,5 10,5 13,8 15, ,8 0,8 0,8 0,8 0,8 0,85 0,85 0,85 0,85 0,85 0, ,4 97,4 98,3 98,5 98,3 98,4 98,57 98,57 98,7 98,5 98,54 Do podstawowych wielkości charakteryzujących prądnice synchroniczne (generatory) należą: znamionowa moc pozorna S rg ; znamionowe napięcie stojana U rg ; znamionowe natężenie prądu stojana I rg ; znamionowy współczynnik mocy cosφ N ; znamionowa prędkość obrotowa n G ; znamionowe napięcie wzbudzenia U rf ; znamionowe natężenie prądu wzbudzenia I rf.

12 Turbogenerator GTHW 360 H wirnik chłodzony bezpośrednio wodorem, W uzwojenia stojana bezpośrednio chłodzone destylatem wodnym, 360 moc znamionowa generatora w MW.

13 Przekrój turbogeneratora

14 Stojan turbogeneratora

15 Wirnik turbogeneratora

16 Wirnik hydrogeneratora Elektrownia Solina

17 Maszyna MASZYNA CYLINDRYCZNA (turbogeneratory) MASZYNA JAWNOBIEGUNOWA (hydrogeneratory) UZWOJENIE STOJANA synchroniczna. U U V V V W W W V U W U u w v U U V V V W W W V U W U u w v U U V V V W W W V U W U u w v

18 Maszyna synchroniczna. Maszyny synchroniczne (prądnice, silniki lub kompensatory) charakteryzują się stałą niezależną od obciążenia i równą prędkości synchronicznej, prędkością obrotową wirników. n = n S = const. Wirnik maszyny synchronicznej stanowi elektromagnes zasilany prądem stałym. W zależności od budowy rozróżnia się maszyny synchroniczne z biegunami jawnymi lub z biegunami utajonymi. W czasie rozruch doprowadza się prędkość obrotową wirnika do prędkości synchronicznej i synchronizuje maszynę z siecią. W prądnicach (generatorach) wał maszyny napędzany jest przez turbinę a pole magnetyczne wirnika (stałe w czasie i wirujące w przestrzeni) indukuje w nieruchomych uzwojeniach stojana siły elektromotoryczne umożliwiając oddawanie mocy elektrycznej do odbiorników sieci. W silnikach stałe pole magnetyczne wirnika podąża za wirującym polem magnetycznym wytwarzanym przez uzwojenia stojana umożliwiając oddawanie mocy mechanicznej na wale maszyny. Zwiększając prąd wzbudzenia silnika synchronicznego (przy stałym lub zerowym) obciążeniu można doprowadzić do stanu w którym silnik zacznie pobierać z sieci moc bierną pojemnościową (czyli oddawać moc bierną indukcyjną) kompensator synchroniczny.

19 Strumienie magnetyczne w generatorze.

20 Żłobki wirników turbogeneratorów z uzwojeniami chłodzonymi bezpośrednio

21 Żłobek wirnika turbogeneratora. 1 klin z brązu lub stali niemagnetycznej, 2 podkładka pod klin, 3 druty profilowe, 4 przekładki mikowe, 5 blacha stalowa, 6 mikanit (izolacja), 7 kanał wentylacyjny, 8 8 wirnik turbogeneratora (odkuwka ze stali magnetycznej).

22 Żłobki stojana turbogeneratora z uzwojeniami chłodzonymi bezpośrednio wodą klin, kanały z wodą chłodzącą, 3 druty profilowe z przeplotem, 4 przekładki, 5 mikanit (izolacja). 1

23 Strumienie magnetyczne w żłobku stojana.

24 UKŁAD ZASTĘPCZY GENERATORA SYNCHRONICZNEGO. V2 W1 f W U2 N S U1 W2 f OS V1 Prąd wzbudzenia - I W wytwarza strumień - F W, który indukuje w uzwojeniu twornika (stojan) siłę elektromotoryczną (napięcie) - E W, pod wpływem której w uzwojeniu twornika płynie prąd I (o wartości zależnej od impedancji Z odbiorników). Prąd I stojana wytwarza strumień magnetyczny oddziaływania twornika - F O (zamykający się przez żelazo wirnika, sprzęgający oba uzwojenia i indukujący napięcie - E O ) oraz strumień rozproszenia F S (indukujący napięcie E S ). E O X O f O X S f S R T I E W E S ~ E W E O E S U R U Z U j U R f O I f S f W

25 UPROSZCZONY UKŁAD ZASTĘPCZY GENERATORA. Ponieważ: R T << X W + X S = X d E O = jx d I E W ~ E W X d E d U I Z U j I X d - reaktancja zastępcza generatora.

26 NIEUSTALONE STANY PRACY GENERATORA. OBRAZ STRUMIENI I REAKTANCJE ZASTĘPCZE GENERATORA ZWARTEGO. W pierwszej chwili zwarcia prąd uzwojeń wirnika zwiększa się tak, że wytwarza strumień kompensujący w wirniku strumień uzwojeń stojana stan podprzejściowy któremu odpowiada mała reaktancja poprzejściowa X d. Po krótkim czasie od wystąpienia zwarcia strumień stojana zaczyna obejmować nabiegunniki wirnika (z uzwojeniami tłumiącymi) stan przejściowy charakteryzowany większą od poprzedniej reaktancją przejściową X d. Po zaniku prądu nieustalonego strumień stojana obejmuje cały wirnik stan ustalony o stosunkowo dużej reaktancji X d. F O F O F O F W F W F W Stan podprzejściowy < < X d X d X d Stan przejściowy Stan ustalony

27 NIEUSTALONE STANY PRACY GENERATORA. PODSTAWOWE PARAMETRY TURBOGENERATORÓW. X [W] = X U n 2 S n Wielkość Symbol Jednostka TGH-120 TWW GTHW-360 TWW Znamionowa moc pozorna S N MVA , Znamionowa moc czynna P N MW Znamionowy współczynnik mocy cosj N --- 0,80 0,85 0,85 0,85 Znamionowe napięcie generatora U GN kv 13,80 + 5% 15,75 + 5% % % Znamionowy prąd generatora I GN ka 6,30 8,62 11,18 17,00 Znamionowe napięcie wzbudzenia U WN V Znamionowy prąd wzbudzenia I WN ka 1,86 2,02 2,80 2,94 Reaktancja ustalona (składowa zgodna) X d = X ,84 1,88 2,6 2,49 Reaktancja przejściowa X d --- 0,210 0,275 0,330 0,320 Reaktancja podprzejściowa X d --- 0,150 0,191 0,235 0,240 Reaktancja składowej przeciwnej X ,290 0,232 0,240 0,300 Reaktancja składowej zerowej X ,095 0,086 0, Stała czasowa przy biegu jałowym t d0 s 5,0 6,4 9,2 9,2 Stała czasowa składowej przejściowej t d s 0,80 0,93 1, Stała czasowa składowej podprzejściowej t d s 0,02 0,12 0, Stała czasowa składowej bezokresowej t a s 0,20 0,31 0, Mechaniczna stała czasowa turbozespołu t mst s ok. 10 ok. 9 ok. 7 ok. 8

28 Maszyna synchroniczna. Charakterystyka mechaniczna. M M MAX 1 2 M N Maszyna synchroniczna. 1. stojan. 2. wirnik zasilany prądem 1. stojan. stałym. 2. wirnik zasilany prądem stałym. n n N = n S

29 Maszyna synchroniczna. Maszyna synchroniczne przyłączona do sieci może pracować jako prądnica lub silnik. W obu przypadkach przez uzwojenie stojana płynie prąd (z lub do maszyny) wytwarzając pole magnetyczne oddziaływania twornika. W rezultacie pomiędzy wektorem wirującego pola magnetycznego stojana i wektorem pola magnetycznego wytwarzanego przez prąd wzbudzenia wirnika (oba pola wirują z tą samą prędkością synchroniczną) powstanie przesunięcie o kąt J. Kąt J nazywa się kątem mocy. Wartość kąta mocy - J zależy: dla prądnic od mocy elektrycznej oddawanej przez maszynę do sieci (kąt dodatni); dla silników od mocy mechanicznej (momentu) na wale maszyny (kąt ujemny). M MAX M,(P) Charakterystyka kątowa momentu lub mocy maszyny z wirnikiem cylindrycznym. silnik M N -180 o -90 o 90 o 180 o 0 o J N zakres pracy stabilnej prądnica J

30 Maszyna synchroniczna. Charakterystyka kątowa momentu lub mocy maszyny jawnobiegunowej. Moment reluktancyjny silnik M MAX M N M,(P) Moment wypadkowy Moment synchroniczny -180 o -90 o 90 o 180 o 0 o J N J prądnica zakres pracy stabilnej M é 2 m UE U (X - X ) ù w d q = 9,55 ê sinj + sin2j ú n ê X 2X X ë d d q ú û

31 Rozruch (synchronizacja) maszyn synchronicznych. Średni moment rozruchowy maszyny synchronicznej jest równy zeru. Silnik podłączony do sieci i wzbudzony z obcego źródła nie może ruszyć ze względu na dużą bezwładność wirnika. W celu uruchomienia silnika synchronicznego należy wirnik doprowadzić do prędkości bliskiej prędkości synchronicznej. Dokonuję się tego jedną z trzech metod: rozruch za pomocą maszyny obcej (silnika prądu stałego lub asynchronicznego), rozruch asynchroniczny (wirnik z klatką rozruchową, wzbudzenie zwarte oporem), rozruch częstotliwościowy (ze źródła o regulowanym napięciu i częstotliwości).

32 Rozruch (synchronizacja) maszyn synchronicznych. Przyłączenie prądnicy synchronicznej do sieci odbywa się przeważnie poprzez jej synchronizację. Aby osiągnąć stan synchronizmu należy regulować prędkość obrotową (n) maszyny napędzającej (co umożliwia zrównanie częstotliwości) oraz prąd wzbudzenia (I f ) prądnicy (co umożliwia zrównanie wartości skutecznych napięć). Warunki synchronizacji można ująć następująco: jednakowa kolejność faz prądnicy i sieci, jednakowe wartości skuteczne napięć prądnicy i sieci, jednakowe częstotliwości napięć prądnicy i sieci, zgodność kątów fazowych napięć prądnicy i sieci. Po przeprowadzeniu synchronizacji i przyłączeniu prądnicy do sieci, zmiana mocy maszyny napędzającej powoduje zmianę mocy czynnej (P) oddawanej do sieci (n = const), a zmiana prądu wzbudzenia - zmianę mocy biernej (Q).

33 Zalety i wady maszyn synchronicznych. ZALETY: stała niezależna od obciążenia prędkość obrotowa, duży współczynnik mocy, możliwość kompensacji mocy biernej, mniejsza niż w maszynach indukcyjnych zależność momentu obrotowego od zmian napięcia zasilającego (M = c U). WADY: bardziej skomplikowana budowa niż maszyn indukcyjnych klatkowych, brak momentu rozruchowego, wypadanie z synchronizmu przy przeciążeniach prowadzące do zatrzymania maszyny (możliwość uszkodzenia), brak możliwości regulacji obrotów.

34 UKŁADY WZBUDZENIA GENERATORÓW SYNCHRONICZNYCH

35 Układy wzbudzenia generatorów Powinny charakteryzować się: możliwością doprowadzenie odpowiedniej mocy możliwością szybkiej regulacji wzbudzenia możliwością forsowania wzbudzenia możliwością szybkiego odwzbudzenia pewnością działania

36 Klasyfikacja wzbudnic generatorów synchronicznych. wzbudnice wirujące: wzbudnice prądu stałego samowzbudne i obcowzbudne. wzbudnice synchroniczne prądu przemiennego: wzbudnice stacjonarne (z prostownikiem statycznym), wzbudnice bezszczotkowe (z twornikiem w wirniku i prostownikami wirującymi), wzbudnice niezależne (ze stacjonarnymi prostownikami tyrystorowymi). wzbudnice statyczne: wzbudnice tyrystorowe zasilane ze źródła napięciowego. wzbudnice tyrystorowe zasilane ze źródła kompensowanego.

37 Układy wzbudzenia generatorów L1 L2 L3 G Konwencjonalny układ wzbudzenia z prądnicą prądu stałego na wspólnym wale. Moc maksymalna kw (dla generatorów do 120MW).

38 Układy wzbudzenia generatorów L1 L2 L3 U < Przekaźnik podnapięciowy Układ forsowania wzbudzenia Układ gaszenia pola G Regulator wzbudzenia Schemat układu wzbudzenia turbogeneratora z samowzbudną prądnicą bocznikową.

39 Układy wzbudzenia generatorów L1 L2 L3 Prądnica synchroniczna Hz PS Układ wzbudzenia z prądnicą synchroniczną i statycznym prostownikiem tyrystorowym (lub diodowym). Stosowany dla generatorów 63MW i 200MW).

40 Układy wzbudzenia generatorów L1 L2 L3 Elementy wirujące Prądnica synchroniczna Hz PS Bezszczotkowy układ wzbudzenia z prądnicą synchroniczną i statycznym prostownikiem tyrystorowym. Stosowany dla generatorów do mocy ok. 30MW.

41 Układy wzbudzenia generatorów L1 L2 L3 PSI Prądnica synchroniczna induktorowa Hz Uzwojenie szeregowe Nieuzwojony wirnik Układ wzbudzenia z prądnicą synchroniczną induktorową i statycznym prostownikiem tyrystorowym. Stosowany dla generatorów o mocy 200 i 500MW.

42 Układy wzbudzenia generatorów L1 L2 L3 TW Transformator wzbudzenia Bezmaszynowy układ wzbudzenia ze wzbudnicą statyczną, zasilaną ze źródła napięciowego. Stosowany dla generatorów o mocy 360MW.

43 Układy wzbudzenia generatorów L1 L2 L3 TW Transformator wzbudzenia TP Transformator prądowy Bezmaszynowy układ wzbudzenia ze wzbudnicą statyczną zasilaną ze źródła kompensowanego.

44 Układy wzbudzenia generatorów L1 L2 L3 TW Transformator wzbudzenia TP Transformator prądowy Bezmaszynowy układ wzbudzenia ze wzbudnicą statyczną zasilaną ze źródła kompensowanego fazowo.