Maszyny elektryczne Maszyny synchroniczne 1 Prof. dr hab. inż. Tadeusz Skoczkowski
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
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
Maszyna synchroniczna
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
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
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 +
Maszyna synchroniczna jawnobiegunowa. Budowa
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
Generator synchroniczny. Widok Generator Exciter
Steam turbine open Shaft with moving blades Low-pressure turbine High-pressure turbine Middle bearing Stationary part 2007-06-05 360 Topic 1, Components.ppt 11
Steam Turbine Blades 2007-06-05 360 Topic 1, Components.ppt 12
Turbine, generator and main transformer of Kyrene Generation Station. (Courtesy Salt River Project). 2007-06-05 360 Topic 1, Components.ppt 13
Generator synchroniczny. Przekrój
Generator synchroniczny. Stator Metal frame Laminated iron core with slots Insulated copper bars are placed in the slots to form the three-phase winding
Generator synchroniczny. Rotor
Generator synchroniczny. Rotor
Generator synchroniczny. Rotor Shaft Steel retaining ring Wedges DC current terminals terminals
Fig 1.15 Salient Pole Rotor North Poles South North Slip ring Pole winding 2007-06-05 360 Topic 1, Components.ppt 19
Synchronous Machines Figure 6.9Stator of a large salient pole hydro generator; inset shows the insulated conductors and spacers.
Synchronous Machines Figure 6.10 Large hydro generator rotor with view of the vertical poles.
Maszyna synchroniczna. Schemat 1. Twornik (stojan) 2. Obwód wzbudzenia (wirnik) 3. Pierścienie ślizgowe 4. szczotki 5. Wzbudnica 6. Regulator napięcia wzbudnicy Maszyna synchroniczna odwrócona
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 07458 All rights reserved.
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 07458 All rights reserved.
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 07458 All rights reserved.
Generator synchroniczny. Schematy zastępcze
Maszyna synchroniczna. Powstawanie momentu
Zagadnienia przestrzenno-czasowe
Maszyna synchroniczna. α = e pα m Sumowanie przepływów stojana i wirnika w MS 3f Związki przestrzenno-czasowe
Maszyna synchroniczna z wirnikiem cylindrycznym. Nienasycona µ=const Strumień wzbudzenia Strumień oddziaływania twornika Zasada superpozycji Strumień rozproszenia twornika
Maszyna synchroniczna z wirnikiem cylindrycznym. Nasycona µ const
MS. Prądnica z wirnikiem cylindrycznym. Nienasycona i nasycona - porównanie
MS. Prądnica z wirnikiem cylindrycznym U=const P=const I w =var
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 ;
Stany pracy maszyny synchronicznej
MS. Wykres kołowy maszyny cylindrycznej U=const I w =const P=var R=0
MS. Wykres kołowy maszyny cylindrycznej U=const I w =const P=var R 0
MS. Stan zwarcia Stosunek zwarcia k z =0.5 k z =1.0
MS. Charakterystyki zewnętrzne
MS. Charakterystyki zewnętrzne
MS. Oddziaływanie twornika Obciążenie pojemnościowe (oddziaływanie domagnesowujące) Obciążenie indukcyjne (oddziaływanie rozmagnesowujące)
Prądnica synchroniczna. Charakterystyki regulacji
Prądnica synchroniczna. Charakterystyki regulacji
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 0 0 90 0 180
Silnik synchroniczny Indukcyjne obciążenie sieci Pojemnościowe obciążenie sieci
Prądnica z wirnikiem cylindrycznym. Charakterystyki regulacji
MS. Moment elektromagnetyczny. Przeciążalność M P P e = = P = 9. 55 n mui cos m UE X d w e ϕ sin ϕ Przeciążalność maszyny synchronicznej M p= M max = P max n P n
MS. Prądnica z wirnikiem cylindrycznym
Maszyna synchroniczna. Stabilność pracy Zmiana P
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
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 ]
Maszyna synchroniczna. Krzywe V
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
Prądnica synchroniczna. Sieć sztywna cos φ=const
Prądnica synchroniczna. Sieć elastyczna
MS. Kołysanie mocy. Współczynnik samosynchronizujący
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 07458 All rights reserved.
MS. Wirnik jawnobiegunowy. Nienasycona Zależność reaktancji oddziaływania twornika od kąta między osią przepływu twornika i osią jawnego bieguna Rozkład przepływu twornika; podłużny i poprzeczny
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 07458 All rights reserved.
Maszyna synchroniczna. Jawnobiegunowa Ψ = 2
Maszyna synchroniczna. Jawnobiegunowa Ψ = 0
MS. Jawnobiegunowa. Stany pracy Praca prądnicowa Praca silnikowa
Krzywe V silnika synchronicznego
Wpływ zmian napięcia zasilania na pracę silnika synchronicznego M=const, I w =const
Rozruch silnika synchronicznego
Rozruch asynchroniczny maszyny synchronicznej
Moment maszyny synchronicznej jawnobiegunowej
MS. Jawnobiegunowa. Charakterystyki kątowe momentu
Silnik reluktancyjny
Silnik reluktancyjny
Powstawanie momentu reluktancyjnego w maszynie synchronicznej jawnobiegunowej
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 07458 All rights reserved.
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 07458 All rights reserved.
Kompensator synchroniczny
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 07458 All rights reserved.
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 07458 All rights reserved.
Maszyna synchroniczna. Zwarcie w stanie nieustalonym Prąd w fazie stojana w stanie zwarcia nieustalonego (prąd ze składową aperiodyczną)
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 07458 All rights reserved.
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 07458 All rights reserved.
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 07458 All rights reserved.
Silnik synchroniczny przekształtnikowy
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 07458 All rights reserved.
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 07458 All rights reserved.
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 07458 All rights reserved.
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 07458 All rights reserved.
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).
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 +
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
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
Układ synchronizacyjny na ciemno V 0 3 2 1 M.S.- maszyna synchroniczna pracująca jako generator na sieć sztywną; V-woltomierz; 1,2,3-oznaczenia żarówek. M.S.
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