SINKRONI STROJEVI. SG.3 Moment, snaga, pogonska karta, udarni kratki spoj, nadomjesne sheme i parametri, uzbudni sustavi i sinkroni motori

Transcript

1 FAKULTET ELEKTROTEHNIKE I RAČUNARSTVA ELEKTROMEHANIČKE I ELEKTRIČNE PRETVORBE ENERGIJE SINKRONI STROJEVI SG.3 Moment, snaga, pogonska karta, uarni kratki spoj, naomjesne sheme i parametri, uzbuni sustavi i sinkroni motori Doc. r. sc. Mario Vražić ZAVOD ZA ELEKTROSTROJARSTVO I AUTOMATIZACIJU Ak. go. 2010/2011 Zagreb,

2 Elektromagnetski moment (1) Na element strujnog obloga statora jeluje sila: F S = A Sx x l B x Jenako velika sila suprotnog smjera jeluje na rotor: Zakretni moment (razvijeni, elektromagnetski) na rotor: Inukcija u rasporu: Protjecanje armature (zaostaje za kut γ = β + φ+ π/2): Strujni oblog (zaostaje za protjecanjem prostorno za π/2 ): Elektromagnetski moment: B x π = B sin( x) τ p M = 2p D 2 L A B Sx M F = 2pM Θ Sx Θ = x A S τ Sx R pol = = Θ = A p π sin [ τ p 0 A = 2p S S Sx D 2 x l L τ 0 p π sin( τ p π sin[ τ p x - ( β + ϕ )] B B x x A Sx x - γ ) x x -( β + ϕ )] π sin( τ p x) x 2

3 Elektromagnetski moment (2) Moment je proporcionalan volumenu provrta ( V =LD 2 π/4 ), magnetskom (B) i električnom (A ili Θ) specifičnom opterećenju stroja: M = V B A S cos( β + ϕ ) π M = V B Θ S sin ( π / 2 + β+ ϕ) τ p Uz magnetski tok Φ = τ p LB Sr =τ p LB2/π moment iznosi: π M = p D A S Φ cos( β + ϕ ) Θ f 4 elm p 30 M = P = P elm = P elm = 9, 55 P ω n n m ω π Moment: E 0 Θ rez Θ f0 jix E elm U β φ I Θ a = Θ S 3

4 Elektromagnetska snaga Snaga trofaznog sinkronog stroja: P = 3 I U cosϕ = 3 I U faz cosϕ Djelatna komponenta struje: ji(x -X q ) E 0 φ jix I X cosφ jix q (E 0 + V q cosδ ) sin I cosϕ = X Pomoćna veličina: X - Xq V q= U faz X q Snaga: δ V -q U φ I V -q 2 E0 U faz U faz X Xq P = 3 sinδ + 3 sin(2 δ ) X 2 X X q V -q cosδ δ 4

5 Elektromagnetski moment (3) E U U X X sin sin (Nm) n π n X 2 X Xq , 65 0 faz faz q M = P = δ + (2 δ ) 2 M e0 u u x x q m = M = = sinδ + sin (2 δ ) (p.u.) M b x 2 x xq s konstantnim rasporom Sn M b = ω s istaknutim polovima ms 5

6 Karakteristika snage HG P ukupna razvijena snaga P e snaga razvijena protjecanjem rotorskih i statorskih struja P r snaga razvijena reluktantnim momentom (protjecanjem statora uz istaknute polove rotora) 2 e 0 u u x xq p = P = P e + Pr = sinδ + sin(2 δ ) x 2 x x q 6

7 Statički stabilno poručje raa i sinkronizacijski koeficijent Sinkronizacijski e 0 u k s = cosδ + u cos(2 δ ) koeficijent u p.u.: x xq x M S P n u Nm/ra: k sm = = ks k sp = = k s S n δ ω δ mn 7

8 POGONSKA KARTA (Pogonski ijagram) Pogonska karta prestavlja ijagram snage s ucrtanim ograničenjima opuštenog trajnog raa generatora, onosno agregata (generator + turbina). Zasniva se na vektorsko fazorskom ijagramu stroja. Često se crta u relativnim (jeiničnim) vrijenostima i to za nazivni napon, a poneka i za povišeni i sniženi napon generatora. Razlikuju se pogonske karte za turbogenerator (TG) i hirogenerator (HG). 8

9 Rano poručje hiroagregata s ograničenjima Teorijska granica statičke stabilnosti Praktična granica statičke stabilnosti P agregat = turbina + generator Granica maksimalne snage turbine. S n Rano poručje agregata I f =0 Granica minimalne snage turbine Q kap Generator pouzbuđen 0 Generator nauzbuđen Q in 9

10 Fazorski ijagram TG Tumačenje pogonske karte kreće o naponskog fazorskog ijagrama turbogeneratora, preko strujnog na ijagram snage. NAPONSKI FAZORSKI DIJAGRAM STRUJNI FAZORSKI DIJAGRAM 10

11 Dijagram snage TG s ucrtanim ograničenjem zbog zagrijavanja statora 0 11

12 Ograničenje zbog minimalne i maksimalne uzbune struje TG 12

13 Ograničenja u kapacitivnom kvarantu TG Teoretska i praktična granica statičke stabilnosti TG Ograničenje raa zbog zagrijavanja željeznih ijelova u čeonom prostoru 13

14 Pogonska karta turbogeneratora 14

15 Pogonska karta TG u ovisnosti o natlaku voika p a < p b < p c 15

16 Fazorski ijagram HG NAPONSKI FAZORSKI DIJAGRAM STRUJNI FAZORSKI DIJAGRAM 16

17 Dijagram snage HG 17

18 Ograničenje zbog minimalne i maksimalne uzbune struje HG 18

19 Teoretska i praktična granica statičke stabilnosti HG 19

20 Pogonska karta hirogeneratora 1 maksimalna snaga P max ograničena pogonskim strojem. 2 minimalna snaga P min ograničena ko nekim vrsta vonih turbina (Kaplan, Francis, cijevni agregati it). 3 granica maksimalnih inuktivnih opterećenja zbog pregrijavanja uzbunog namota. 4 praktična granica statičke stabilnosti u kapacitivnom, pouzbuđenom poručju (ili zagrijavanje krajnjih limova i ijelova u čeonom prostoru). 5 granica po maksimalnoj armaturnoj struji I max zbog pregrijavanja armature. 6 granica po minimalnoj uzbunoj struji I f min. 20

21 UZBUDNI SUSTAVI pojela 21

22 Klasični uzbuni sustav s istosmjernim uzbunikom Zbog problema s istosmjernim uzbunikom (skupo oržavanje, ugljena prašina o četkica koje kližu po kolektoru,...) anas se ne koristi u novim agregatima UZBUDNIK SG TURBINA 22

23 Uzbuni sustav sa sinkronim uzbunikom Uzbunik je sinkroni generator najčešće pogonjen turbinom na zajeničkoj osovini. Uzbua se regulira statičkim upravljivim ispravljačem (tiristori, tranzistori,...) Postoje klizni koluti i četkice na va mjesta 23

24 Beskontaktni sustav uzbue s rotirajućim ioama Uzbunik je sinkroni stroj inverzne izvebe (uzbua na statoru). Rotirajući ioni most smješten na rotoru. Nema kliznih kontakata ni četkica. Rotor SG Rotirajući ioni most Rotor inverznog sinkronog uzbunika 24

25 Statički samouzbuni kompaunni sustav uzbue (zbrajanje struje na izmjeničnoj strani) Nema rotacijskog uzbunika nego uzbuni kompaunni transformator i upravljivi ispravljač. SAMOUZBUDNI KOMPAUNDNI SAMOUZBUDNI 25

26 SINKRONI MOTORI U klasičnoj primjeni pogoni u kojima nije potrebno regulirati brzinu vrtnje niti se zahtijeva veći broj upuštanja i zaustavljanja. motor generatorske grupe, elektromotorni pogoni sa: snažnim pumpama, ventilatorima, kompresorima, mlinovima i robilicama. Mali sinkroni motori raznih izvebi: inukcijski, s permanentnim magnetima, histerezni. 26

27 Regulirani pogoni sa sinkronim motorima Napajanje preko energetskih elektroničkih pretvarača regulira se frekvencija napajanja motora. Osnovne vrste pretvarača: pretvarači s istosmjernim međukrugom, ciklopretvarači. Regulirani pogoni: sinkroni motori srenjih i velikih snaga širokog raspona brzina vrtnje. mlinovi u cementarama poručje raa s velikim momentima i malim brzinama vrtnje. 27

28 Ra sinkronog motora Sinkroni motor iz mreže uzima jelatnu snagu upravo toliku a pokrije svoje gubitke i prea na osovini snagu koju zahtijeva rani mehanizam. Zahtijeva li rani mehanizam veću snagu, automatski će sinkroni motor iz mreže povući veću jelatnu snagu povećanjem kuta opterećenja. Jalovu snagu motora moguće je mijenjati neovisno o jelatnoj snazi; to se postiže promjenom uzbune struje. 28

29 Rane karakteristike sinkronog motora I f = konst. U = konst. f = konst. P izlazna snaga snaga na osovini motora P el - ulazna električna snaga P g ukupni gubici 1 0,5 η cosφ I P el (p.u.) η cosφ I Korisnost: P η = = P P P+ el P g P el P (p.u.) 0 0,5 1 29

30 Doatna pojašnjenja 30

31 UDARNI KRATKI SPOJ Kratkim spajanjem armaturnih stezaljki generatora glavni je tok obuhvaćen tim kratkospojenim namotom i uzbunim namotom (koji možemo također smatrati kratkospojenim preko malog otpora armature uzbunika, ili u slučaju statičkih sustava uzbue ogovarajućom zaštitom). U zatvorenom strujnom krugu: w φ +ir = 0 t Ako se pretpostavi a je otpor namota jenak nuli slijei Φ=konst. Tokovi statora Φ s = Φ gl + Φ sσ i rotora Φ r = Φ gl + Φ rσ moraju ostati konstantni. Da bi tok mogao ostati konstantan, moraju u kratkospojenim namotima poteći struje iznosa potrebnog a orže tok na oređenoj vrijenosti. Te struje nazivamo slobonim ili tranzijentnim strujama. Iznosi slobonih struja ovise o magnetskom otporu magnetskog kruga, koji se mijenja s obzirom na međusobni položaj rotora i statora, onosno položaj uzbunog namota u onosu na kratkospojeni armaturni namot. 31

32 Iealni jenopolni uarni kratki spoj (1) Osi kratkospojene faze i uzbunog namota u trenutku kratkog spoja su okomite. i a Valni oblik struje kroz kratkospojenu fazu t (ms) Položaj rotora prema kratkospojenoj fazi S N S N N S N S S N t = ms 32

33 Iealni jenopolni uarni kratki spoj (2) Osi kratkospojene faze i uzbunog namota u trenutku kratkog spoja se poklapaju. i a Valni oblik struje kroz kratkospojenu fazu t (ms) Položaj rotora prema kratkospojenoj fazi S N N S S N N S N S t = ms 33

34 Iealni jenopolni uarni kratki spoj (3) Osi kratkospojene faze i uzbunog namota u trenutku kratkog spoja: a) poklapaju se b) okomite su NAPON ARMATURE u a t u a t STRUJA ARMATURE i a t i a t STRUJA UZBUDE i f i f t t 34

35 Struja kratkog spoja ako je u početnom trenutku napon faze: a) maksimalan b) nula Sinkroni generator bez prigušnog kaveza I uk trenutna maksimalna struja kratkog spoja I = istosmjerna komponenta uarne struje kratkog spoja i T a aperioska vremenska konstanta i I uk I= T a I = 1,8 2 uk U X X + X q 1 = 2 ω R T t t T a 35

36 Anvelopa armaturne struje uarnog kratkog spoja Sinkroni generator sprigušnim kavezom I uk trenutna maksimalna struja k. s. I uk = 2 2 X i T 0 vremenska konstanta ' L f X f uzbunog namota T 0 = = R f ω R f T početna vremenska konstanta ' ' T prijelazna vremenska konstanta T =T T a aperioska vremenska konstanta I uk I uk '' T ' T T a = X E '' 0 X X ' + X 2 '' q 1 ωr t 36

37 Komponente armaturne struje uarnog tropolnog kratkog spoja: a) trajna, b) prijelazna, c) početna, ) istosmjerna, e) ukupna struja I k 8 e a c b t 0,1 s 37

38 Komponente uzbune struje uarnog tropolnog kratkog spoja: a) trajna, b) prijelazna, c) početna, ) izmjenična, e) ukupna struja 38

39 Magnetsko polje izmjeničnih struja armature u uzužnoj osi sinkronog stroja: a) u početnim trenucima (početna subtranzijentna reaktancija x ) b) nakon prigušenja struja u prigušnom namotu (prijelazna tranzijentna reaktancije x ) c) u stacionarnom stanju kratkog spoja (sinkrona reaktancija ) x a) b) c) I k I k I k 39

40 NADOMJESNE SHEME I PARAMETRI Tipične naomjesne sheme sinkronih strojeva crtaju se za stacionarno, prijelazno i početno stanje uarnog kratkog spoja, posebno za uzužnu os i poprečnu q os Vrijee za irektne komponente u metoi simetričnih komponenata tj. samo za simetrični tropolni kratki spoj Po fazama nesimetrična stanja sinkronog stroja opisuju se oatno naomjesnim shemama za inverznu i nultu komponentu u sklopu metoe simetričnih komponenata Treba razlikovati parametre koji prikazujemo u uzužnoj i poprečnoj osi sinkronog stroja o parametara u simetričnim komponentama 40

41 Naomjesna shema u uzužnoj () osi Sinkrona reaktancija u uzužnoj osi x sastoji se o rasipnog ijela x aσ i ijela koji prestavlja tok koji prolazi kroz zračni raspor x a : x = x aσ + x a X X a X a Prijelazna (tranzijentna) reaktancija u uzužnoj osi: x, = x aσ + x x a a x f + x σ fσ Početna (subtranzijentna) reaktancija u uzužnoj osi: x,, = x aσ + x a x Dσ xa x + xa Dσ x x fσ + x fσ Dσ x fσ 41

42 Naomjesna shema u poprečnoj (q) osi Sinkrona reaktancija u poprečnoj osi x q sastoji se o rasipnog ijela x aσ, koji je jenak onome u uzužnoj osi, i ijela koji ogovara toku u glavnom krugu u q osi x aq : x q = x aσ + x aq X q X a X aq Početna reaktancija u poprečnoj osi: X a x,, q = x aσ + x x aq xq + x aq σ Qσ X q X aq X Q 42

43 Stanarna naomjesna shema sinkronog stroja u uzužnoj i poprečnoj osi za početno stanje r a X a GLAVNE REAKTANCIJE Z'' q X aq r Q RASIPNE REAKTANCIJE X Q 43

44 Vremenske konstante Uzbunog namota Uzbunog namota uz kratkospojeni armaturni namot Uzbunog namota uz kratkospojeni prigušni namot u osi Uzbunog namota uz kratkospojeni prigušni namot u q osi ' x f T 0 = ω r T ' =T T = '' T = '' q ' 0 x '' D ω r x,, Q ω r f x x D Q, 44

45 Nesimetrična opterećenja generatora Nesimetrično opterećenje generatora računa se pomoću tzv. metoe simetričnih komponenata u kojima se veličine i parametri rastavljaju na irektne, inverzne i nulte. Parametri sinkronog stroja za komponentu: irektnu: r, x i x q inverznu: r 2 i x 2 I c0 I c I a I a2 I a1 I c1 I c2 0 I a0 I b I b1 I b0 I b2 I c1 I a1 0 I b2 0 I c2 I a2 I b1 nultu: r 0 i x 0 I a0 = I b0 = I c0 45

46 Parametri inverzne i nulte komponente Inverzna reaktancija x 2 Ka se na statorski trofazni namot priključi napon inverznog sustava (U a kasni za U b, U b kasni za U c ) teku struje inverznog sustava koje u sinkronom stroju stvaraju polje koje se vrti u suprotnu stranu o smjera vrtnje rotora. Za takvo stanje n polja = -n, pa se stroj ponaša kao a vlaa stalno subtranijentno stanje, pa vrijei: Nulta reaktancija x 0 Ka kroz sva tri fazna namota teče istofazna struja u rasporu se stvara polje samo viših harmonika (3., 9., ) koje inucira u uzbunom i prigušnom namotu relativno male struje. Zato se za osnovni harmonik nulte komponente obiva mala vrijenost nulte impeancije s malom reaktancijom x 0, a rana komponenta se neznatno razlikuje o otpora statorskog namota r 0 r. x 2 2x x q = x + x q 46

47 Tipični parametri sinkronih strojeva 47