Temat: ŹRÓDŁA ENERGII ELEKTRYCZNEJ PRĄDU PRZEMIENNEGO 1
Źródła energii elektrycznej prądu przemiennego: 1. prądnice synchroniczne 2. prądnice asynchroniczne Surowce energetyczne: węgiel kamienny i brunatny torf, drewno ropa naftowa i gaz ziemny biomasy i odpady uran Źródło energii mech. Siły przyrody: wiatr słońce spadek wody pływy, prądy i falowanie mórz ciepło geotermiczne Prądnica Schemat procesu wytwarzania energii elektrycznej 2
PARAMETRY SIECI PRADU PRZEMIENNEGO Sieć zasilająca przemysłowa oznaczona 3N ~ 50Hz 230/400V jest: trójfazowa symetryczna z przewodem neutralnym o napięciu fazowym U f = 230V, napięciu przewodowym U p = 400V, oraz częstotliwości f=50 Hz. w U w -U v 120 o U w U u Uv u U u -U w 120 o u 0 u w u v u u t 120 o U v -U u v T 12 T 7T T 4 T 12 5T T 8T 5T 6 3 12 2 12 3T 6 4 11T 12 Przebiegi napięć chwilowych w sieci trójfazowej T U f =U w =U v =U u = 230V U p =U u -U w = U v -U u = U w -U v =400V 3
MASZYNY SYNCHRONICZNE Co to jest maszyna synchroniczna? Maszyna synchroniczna - maszyna prądu przemiennego, w której między częstotliwością prądu w tworniku i prędkością wirowania wirnika zachodzi związek n p f = 60 n prędkość wirowania wirnika [obr/min], f częstotliwość prądu w tworniku [Hz], p liczba par biegunów. Maszyna synchroniczna jest maszyną odwracalną. Może pracować jako silnik lub jako prądnica. Prądnice synchroniczne pracują jako generatory trójfazowego prądu przemiennego o częstotliwości 50 Hz w elektrowniach i agregatach prądotwórczych. Silniki synchroniczne stosowane są do napędu maszyn wymagających stałej prędkości obrotowej. 4
MODEL PRĄDNICY SYNCHRONICZNEJ i i e e e (i) 0 T 5
MODEL PRĄDNICY SYNCHRONICZNEJ i i e Częstotliwość indukowanego napięcia e [Hz] [Hz] f f = n [1/s] n p 60 = [1/min] e (i) n prędkość obrotowa (ω=2πn) p liczba par biegunów 0 T 6
BUDOWA PRĄDNICY SYNCHRONICZNEJ Typy budowy maszyny synchronicznej 1. Magneśnica (wzbudzenie) na wirniku w postaci biegunów jawnych (dla małych prędkości obrotowych np: hydrogeneratory). 2. Magneśnica (wzbudzenie) na wirniku w postaci biegunów utajonych (dla dużych prędkości obrotowych np: (turbogeneratory). 3. Magneśnica (wzbudzenie) na stojanie w postaci biegunów jawnych (tylko dla małych mocy do kilku kw). W każdym przypadku twornik jest taki sam tzn. uzwojenie trójfazowe o biegunach utajonych. 7
uzwojenie stojana (twornika) szczotki BUDOWA PRĄDNICY SYNCHRONICZNEJ S W2 N U1 S uzwojenie wirnika (wzbudzenia) 1. Maszyna synchroniczna z biegunami utajonymi na stojanie i wydatnymi na wirniku V1 U2 N V2 W1 wyprowadzenia uzwojeń stojana obwód magnetyczny stojana obwód magnetyczny wirnika pierścienie ślizgowe 8
uzwojenie stojana (twornika) szczotki BUDOWA PRĄDNICY SYNCHRONICZNEJ W2 N U1 + _ uzwojenie wirnika (wzbudzenia) 2. V1 U2 obwód magnetyczny stojana S V2 W1 pierścienie ślizgowe obwód magnetyczny wirnika wyprowadzenia uzwojeń stojana Maszyna synchroniczna z biegunami utajonymi na stojanie i wirniku 9
szczotki N uzwojenie stojana (wzbudzenia) BUDOWA PRĄDNICY SYNCHRONICZNEJ obwód magnetyczny wirnika wyprowadzenia uzwojeń wirnika S 3~ N + _ wyprowadzenia uzwojenia wzbudzenia Maszyna synchroniczna z biegunami wydatnymi na stojanie i utajonymi na wirniku uzwojenie wirnika (twornika) 3. obwód magnetyczny stojana S pierścienie ślizgowe 10
1 2 3 4 BUDOWA PRĄDNICY SYNCHRONICZNEJ Jarzmo stojana Rdzeń stojana (blachowany) Uzwojenie stojana Wirnik 1 2 3 4 5 5 6 7 8 Wentylator Zaciski 9 Pierścienia ślizgowe Szczotki 8 7 6 9 Wzbudnica 11
BUDOWA PRĄDNICY SYNCHRONICZNEJ Wirnik z biegunami wydatnymi Wirnik z biegunami utajonymi 12
ROZKŁAD INDUKCJI MAGNETYCZNEJ W SZCZELINIE POWIETRZNEJ Rozkład pola magnetycznego w szczelinie powietrznej między wirnikiem i stojanem decyduje o kształcie napięcia indukowanego w uzwojeniach prądnicy B, e +B δ δ x α 1 2 -B 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 α rozkład indukcji w maszynie o biegunach wydatnych rozkład indukcji w maszynie o biegunach utajonych 13
SPOSOBY WZBUDZANIA PRĄDNICY SYNCHRONICZNEJ zasilanie z bocznikowej prądnicy prądu stałego umieszczonej na wspólnym wale przez pierścienie ślizgowe, zasilanie z prądnicy prądu przemiennego z prostownikiem, samowzbudne- uzwojenie wirnika jest zasilane przez transformator, prostownik z uzwojenia stojana (maszyna musi być wstępnie namagnesowana). I ww + _ R w U Iw N b R ww S d Wzbudnica 14
ZASADA DZIAŁANIA ANIA PRĄDNICY SYNCHRONICZNEJ Model prądnicy synchronicznej ze wzbudzeniem na wirniku Wirnik z uzwojeniem wzbudzenia zasilanym napięciem stałym napędzany jest przez silnik z prędkością n. W szczelinie powietrznej uzyskuje się wirujące pole magnetyczne o sinusoidalnym rozkładzie. Na stojanie znajduje się uzwojenie trójfazowe. W poszczególnych fazach uzwojenia indukują się napięcia o sinusoidalnym kształcie przesunięte w fazie o 120. Częstotliwość i wartość skuteczna napięć w poszczególnych fazach zależą od: n p f = E = 4,44 Φm zt kt f 60 gdzie : k t - współczynnik zależny od typu uzwojenia twornika z t - liczba zwojów uzwojenia twornika (stojana) Po włączeniu obciążenia do uzwojenia twornika pojawi się w nim prąd. Zmienny prąd wytworzy pulsujący strumień magnetyczny. Geometryczna suma strumieni z trzech faz tworzy pole wirujące synchronicznie (współbieżnie) z wirnikiem. Pole twornika (stojana) wiruje synchronicznie z wirnikiem ale jest przesunięte w stosunku do pola wzbudzenia o kąt (90 +Ψ). 15
ODDZIAŁYWANIE TWORNIKA NA POLE WZBUDZENIA Obciążenie rezystancyjne Obciążenie indukcyjne 16
ODDZIAŁYWANIE TWORNIKA NA POLE WZBUDZENIA Obciążenie rezystancyjne Obciążenie pojemnościowe 17
U CHARAKTERYSTYKA ZEWNĘTRZNA U=f(I) U=E-I Z cosϕ< 1 poj. cos ϕ=1 n=n N=const I w =const cosϕ< 1 induk. I E m E m E m Φ m I Φ m IcosΨ I Ψ IsinΨ Φ m I IsinΨ IcosΨ Ψ 18
WARUNKI SYNCHRONIZACJI PRĄDNICY Z SIECIĄ SZTYWNĄ 1. Równość częstotliwości napięć prądnicy i sieci. 2. Równość wartości skutecznych napięć prądnicy i sieci. 3. Jednakowe następstwo faz (zgodne kierunki wirowania napięć prądnicy i sieci). 4. Zgodność faz napięć prądnicy i sieci 5. Jednakowy kształt krzywej napięcia. 19
SPOSOBY SYNCHRONIZACJI PRĄDNICY Z SIECIĄ Sieć 3 400V L1(R) L2(S) L3(T) + L1(R) L2(S) L3(T) Sieć 3 400V + V1 Hz 1 ż 1 V1 Hz 1 ż 1 ż 2 ż 3 V V2 Hz 2 ż 3 ż 2 V V2 Hz 2 Prądnica B C G A Prądnica B C G A Układ do synchronizacji na ciemno Układ do synchronizacji na światło wirujące 20
SYNCHRONIZACJA PRĄDNICY Z SIECIĄ U R U A U S Nierówne częstotliwości prądnicy i sieci 1. Sieć 3 400V L1(R) L2(S) L3(T) + V1 Hz 1 U C U B ż 1 ż 2 ż 3 V A B C R S T U T Prądnica B C G A V2 Hz 2 ż1 ż2 ż3 21
SYNCHRONIZACJA PRĄDNICY Z SIECIĄ U U A S Nierówne częstotliwości prądnicy i sieci 1. Sieć 3 400V L1(R) L2(S) L3(T) + U B V1 Hz 1 U R U T ż 1 ż 2 ż 3 V V2 Hz 2 U C A B C R S T Prądnica Regulacja przez zmianę prędkości obrotowej na wale prądnicy B C G A ż1 ż2 ż3 22
SYNCHRONIZACJA PRĄDNICY Z SIECIĄ U T U R A B C R S T U A U C U B U S Niejednakowe wartości skuteczne napięć prądnicy i sieci 2. Sieć 3 400V ż 1 ż 2 ż 3 L1(R) L2(S) L3(T) Prądnica + B C G A V1 Hz 1 V V2 Hz 2 ż1 ż2 ż3 23
SYNCHRONIZACJA PRĄDNICY Z SIECIĄ U R U A U B Niejednakowe wartości skuteczne napięć prądnicy i sieci 2. Sieć 3 400V L1(R) L2(S) L3(T) + V1 Hz 1 U C U S ż 1 ż 2 ż 3 V U T A B C R S T Prądnica B C G A V2 Hz 2 ż1 ż2 ż3 24
SYNCHRONIZACJA PRĄDNICY Z SIECIĄ U R U A U B U C U S Niejednakowe wartości skuteczne napięć prądnicy i sieci 2. Sieć 3 400V ż 1 ż 2 ż 3 L1(R) L2(S) L3(T) + V1 Hz 1 V A B C R S T ż1 ż2 ż3 U T Prądnica Regulacja przez zmianę prądu wzbudzenia prądnicy B C G A V2 Hz 2 25
SYNCHRONIZACJA PRĄDNICY Z SIECIĄ U A U R Niejednakowe następstwo faz prądnicy i sieci 3. Sieć 3 400V L1(R) L2(S) L3(T) + V1 Hz 1 U B UC U S V U T ż 1 ż 2 ż 3 V2 Hz 2 A B C R S T Prądnica B C G A 26
U R SYNCHRONIZACJA PRĄDNICY Z SIECIĄ U C Niejednakowe następstwo faz prądnicy i sieci 3. Sieć 3 400V L1(R) L2(S) L3(T) + U A U T U S U B ż 1 ż 2 ż 3 V1 Hz 1 V V2 Hz 2 A B C R S T ż1 ż2 ż3 Prądnica Regulacja przez zamianę dwóch dowolnych przewodów fazowych prądnicy lub sieci B C G A 27
U C SYNCHRONIZACJA PRĄDNICY Z SIECIĄ U R U A Niejednakowe fazy napięć prądnicy i sieci 4. Sieć 3 400V L1(R) L2(S) L3(T) + V1 Hz 1 U T A B C R S T U B U S ż 1 ż 2 ż 3 Prądnica B C G A V V2 Hz 2 ż1 ż2 ż3 28
U R SYNCHRONIZACJA PRĄDNICY Z SIECIĄ U A Niejednakowe fazy napięć prądnicy i sieci 4. Sieć 3 400V L1(R) L2(S) L3(T) + U C U S ż 1 ż 2 ż 3 V1 Hz 1 V U T A B C R S T U B Prądnica B C G A V2 Hz 2 ż1 ż2 ż3 29
U R SYNCHRONIZACJA PRĄDNICY Z SIECIĄ U A U S Niejednakowe fazy napięć prądnicy i sieci 4. Sieć 3 400V L1(R) L2(S) L3(T) + V1 Hz 1 U C U T A B C R S T U B ż 1 ż 2 ż 3 Prądnica B C G A V V2 Hz 2 ż1 ż2 ż3 Regulacja przez zamianę prędkości obrotowej prądnicy 30
WYMIANA MOCY PRĄDNICY SYNCHRONICZNEJ Z SIECIĄ pradnica silnik napędowy prądu stałego 0 SZTYWNĄ + =220V _ R w1 E 2 E 1 A 1 M A 2 I G K Zmieniając prąd wzbudzenia I w (wirnika) prądnicy synchronicznej można regulować moc bierną pobieraną z sieci zasilającej. Jeżeli: I w duże (maszyna przewzbudzona) - maszyna oddaje moc bierną indukcyjną a pobiera z sieci moc bierną pojemnościową I w małe (maszyna niedowzbudzona) - maszyna oddaje moc bierną pojemnościową a pobiera z sieci moc bierną indukcyjną. Maszyna pobierająca wyłącznie moc bierną indukcyjną nazywamy kompensatorem. I w R w U V W 3~50Hz 230/400V =36 V Zwiększenie momentu doprowadzonego do wału powoduje że gwiazda napięć prądnicy wyprzedza gwiazdę napięć sieci i prądnica oddaje do sieci moc czynną. 31
32