Ηλεκτρικές Μηχανές ΙI. Ενότητα 5: Γεννήτριες εκτύπων πόλων και διεγέρσεις Τσιαμήτρος Δημήτριος Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών Τ.Ε

Transcript

1 Ηλεκτρικές Μηχανές ΙI Ενότητα 5: Γεννήτριες εκτύπων πόλων και διεγέρσεις Τσιαμήτρος Δημήτριος Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών Τ.Ε

2 Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς. 2

3 Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο TEI Δυτικής Μακεδονίας και στην Ανώτατη Εκκλησιαστική Ακαδημία Θεσσαλονίκης» έχει χρηματοδοτήσει μόνο τη αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους. 3

4 Σκοποί ενότητας Εισαγωγή στις σύγχρονες γεννήτριες εκτύπων πόλων και παραλληλισμός σύγχρονων γεννητριών. 4

5 Περιεχόμενα ενότητας Γεννήτριες εκτύπων πόλων. Διεγέρσεις. Παραλληλισμός σύγχρονων γεννητριών. 5

6 ΓΕΝΝΗΤΡΙΕΣ ΕΚΤΥΠΩΝ ΠΟΛΩΝ (1) Ο στάτης είναι ίδιος με εκείνον της σύγχρονης γεννήτριας. Εξαιτίας όμως των εκτύπων πόλων, που βρίσκονται στην περιφέρεια του δρομέα, έχουμε μια ανομοιομορφία στο διάκενο της μηχανής, που αντικατοπτρίζεται και στο μαγνητικό πεδίο του διακένου. Έτσι το μαγνητικό πεδίο είναι και πάλι στρεφόμενο, αλλά παρουσιάζει μια μικρή διακύμανση. Αυτή εξαρτάται από τη θέση του δρομέα ως προς το στάτη. 6

7 ΓΕΝΝΗΤΡΙΕΣ ΕΚΤΥΠΩΝ ΠΟΛΩΝ (2) Έτσι, αν μια μαγνητική γραμμή του πεδίου του στάτη συμπίπτει με τον μαγνητικό άξονα ενός ζεύγους εκτύπων πόλων του δρομέα (δηλαδή με το μέσο του εκτύπου πόλου), βρισκόμαστε στη θέση του ορθού άξονα. Αν η μαγνητική γραμμή διέρχεται από το κενό μεταξύ δύο πόλων, βρισκόμαστε στη θέση του εγκαρσίου άξονα. Όλες οι άλλες θέσεις είναι συνδυασμοί των δύο. 7

8 ΓΕΝΝΗΤΡΙΕΣ ΕΚΤΥΠΩΝ ΠΟΛΩΝ (3) Σχήμα 1. Πεδίο Δρομέα, Πηγή : «Συστήματα Ηλεκτρικής Ενέργειας», Ντοκόπουλος Π. Εκδόσεις Ζήτη. 8

9 ΓΕΝΝΗΤΡΙΕΣ ΕΚΤΥΠΩΝ ΠΟΛΩΝ (4) Σχήμα 2. Πεδίο ως προς την γωνία α, Πηγή : «Συστήματα Ηλεκτρικής Ενέργειας», Ντοκόπουλος Π. Εκδόσεις Ζήτη. 9

10 ΓΕΝΝΗΤΡΙΕΣ ΕΚΤΥΠΩΝ ΠΟΛΩΝ (5) Σχήμα 3. Διάγραμμα τάσης ρεύματος, Πηγή : «Συστήματα Ηλεκτρικής Ενέργειας», Ντοκόπουλος Π. Εκδόσεις Ζήτη. Τα μαγνητικά πεδία ακολουθούν τα ηλεκτρικά μεγέθη της γεννήτριας. Έτσι, ισχύει το ακόλουθο διάγραμμα λειτουργίας για τις γεννήτριες εκτύπων πόλων (για παρατηρητή στο στάτη και αν λάβουμε υπόψη ότι Ε=-dΦ/dt):. 10

11 ΓΕΝΝΗΤΡΙΕΣ ΕΚΤΥΠΩΝ ΠΟΛΩΝ (6) Προκύπτει η ακόλουθη εξίσωση των τάσεων: 11

12 ΓΕΝΝΗΤΡΙΕΣ ΕΚΤΥΠΩΝ ΠΟΛΩΝ (7) - Η ισχύς για κάθε φάση είναι (αν αμελήσουμε την ωμική αντίσταση των τυλιγμάτων): - P = U d I d + U q I q. - Q = U d I q + U q I d. 12

13 ΓΕΝΝΗΤΡΙΕΣ ΕΚΤΥΠΩΝ ΠΟΛΩΝ (8) Σχήμα 4. Σχέσεις εκτύπων πόλων, Πηγή : «Συστήματα Ηλεκτρικής Ενέργειας», Ντοκόπουλος Π. Εκδόσεις Ζήτη. Η ενεργή ισχύς περιέχει έναν όρο που είναι ανεξάρτητος από τη διέγερση Άρα μπορεί να δώσει ισχύ χωρίς διέγερση, γεγονός αδύνατο για στροβιλογεννήτρια Η ισχύς συγχρονισμού μεγαλύτερη από της στροβ. Θετικό ή όχι;. 13

14 ΔΙΕΓΕΡΣΗ ΣΥΓΧΡΟΝΩΝ ΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ (1) Το ρεύμα διέγερσης (του δρομέα) των σύγχρονων γεννητριών προέρχεται από μια ρυθμιζόμενη γεννήτρια συνεχούς ρεύματος, που λέγεται διεγέρτρια. Η διεγέρτρια ήταν παλαιότερα γεννήτρια συνεχούς ρεύματος με συλλέκτη, με παράλληλη ή σύνθετη διέγερση. Για τη ρύθμιση του ρεύματος υπήρχε ροοστάτης σε σειρά με το κύκλωμα. 14

15 ΔΙΕΓΕΡΣΗ ΣΥΓΧΡΟΝΩΝ ΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ (2) Η μέθοδος αυτή ήταν δυνατόν να εφαρμοστεί σε γεννήτριες μικρής ονομαστικής ισχύος, δηλαδή όταν το ρεύμα διέγερσης ήταν μικρό (300 Α). Σε μεγάλες γεννήτριες η ρύθμιση του ρεύματος διέγερσης της διεγέρτριας επιτυγχανόταν με τη βοήθεια μιας πρόσθετης μηχανής συνεχούς ρεύματος με παράλληλη σύνδεση (βοηθητική διέγερση). Η σύγχρονη γεννήτρια, η διεγέρτρια και η βοηθητική διέγερση βρίσκονται στον κοινό άξονα του στροβίλου. 15

16 ΔΙΕΓΕΡΣΗ ΣΥΓΧΡΟΝΩΝ ΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ (3) Σχήμα 5. Απλή διέγερση σύγχρονης γεννήτριας, Πηγή : «Συστήματα Ηλεκτρικής Ενέργειας», Ντοκόπουλος Π. Εκδόσεις Ζήτη. 16

17 ΔΙΕΓΕΡΣΗ ΣΥΓΧΡΟΝΩΝ ΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ (4) Σχήμα 6. Βοηθητική διέγερση σύγχρονης γεννήτριας, Πηγή : «Συστήματα Ηλεκτρικής Ενέργειας», Ντοκόπουλος Π. Εκδόσεις Ζήτη. 17

18 ΔΙΕΓΕΡΣΗ ΣΥΓΧΡΟΝΩΝ ΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ (5) Ο τελευταίος τύπος διέγερσης υπάρχει ακόμα σε παλιές εγκαταστάσεις (Αγ. Δημήτριος, Μονάδα 1). Πλέον οι διεγέρτριες είναι γεννήτριες εναλλασσομένου ρεύματος, το ρεύμα των οποίων ανορθώνεται με δύο μεθόδους, διόδους και θυρίστορ. Στην πρώτη περίπτωση, η γεννήτρια εναλλασσομένου ρεύματος (διεγέρτρια Δ) τροφοδοτεί μέσω διόδων τους δακτυλίους της διέγερσης της σύγχρονης γεννήτριας. 18

19 ΔΙΕΓΕΡΣΗ ΣΥΓΧΡΟΝΩΝ ΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ (6) Η διεγέρτρια Δ διεγείρεται από το ρυθμιζόμενο ρεύμα μιας βοηθητικής γεννήτριας (ΒΔ) μονίμων πόλων. Η γέφυρα των διόδων (έξι παλμών-β6) μπορεί να είναι στατή (επί του εδάφους) ή περιστρεφόμενη, δηλαδή στερεωμένη επί του δρομέα. Αν είναι στατή, η τριφασική γεννήτρια έχει ως συνήθως τη διέγερσή της στο δρομέα. 19

20 ΔΙΕΓΕΡΣΗ ΣΥΓΧΡΟΝΩΝ ΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ (7) Αν είναι περιστρεφόμενη, τότε η τριφασική γεννήτρια έχει τη διέγερση στο στάτη και το κύκλωμα εναλλασσομένου ρεύματος στο δρομέα. Η τελευταία κατασκευή οδηγεί σε αποφυγή στρεφόμενων επαφών (δακτυλίων ψηκτρών) για τη διέλευση του συνεχούς ρεύματος στο δρομέα της στροβιλογεννήτριας. Στην επόμενη εικόνα υπάρχει μία στατή και στη μεθεπόμενη μία στρεφόμενη διάταξη. 20

21 ΔΙΕΓΕΡΣΗ ΣΥΓΧΡΟΝΩΝ ΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ - ΣΤΑΤΗ Σχήμα 7. Διέγερση με ΗΙ, Πηγή : «Συστήματα Ηλεκτρικής Ενέργειας», Ντοκόπουλος Π. Εκδόσεις Ζήτη. 21

22 ΔΙΕΓΕΡΣΗ ΣΥΓΧΡΟΝΩΝ ΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ ΠΕΡΙΣΤΡΕΦΟΜΕΝΗ Σχήμα 8. Περιστρεφόμενη Διέγερση, Πηγή : «Συστήματα Ηλεκτρικής Ενέργειας», Ντοκόπουλος Π. Εκδόσεις Ζήτη. 22

23 ΔΙΕΓΕΡΣΗ ΣΥΓΧΡΟΝΩΝ ΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ (8) Στη διέγερση με θυρίστορ, η ισχύς λαμβάνεται από μετασχηματιστή συνδεδεμένο στους ακροδέκτες της γεννήτριας ή απευθείας από το δίκτυο. (Αγ. Δημήτριος μονάδες 3, 4). - Σε αυτή τη διέγερση έχουμε άμεση ρύθμιση της συνεχούς τάσης του τυλίγματος της διέγερσης της σύγχρονης γεννήτριας (από την έναυση των θυρίστορ). Αυτό αποτελεί σημαντικό πλεονέκτημα ειδικά σε μεταβατικές καταστάσεις (βραχυκυκλώματα και μεγάλες και απότομες αυξομειώσεις του φορτίου), γιατί επιτρέπει πολύ γρήγορη ρύθμιση. Αντίθετα σε όλες τις προηγούμενες διατάξεις, το κύκλωμα ρύθμισης της τάσης που μεσολαβεί προκαλεί μια σημαντική καθυστέρηση. 23

24 ΔΙΕΓΕΡΣΗ ΣΥΓΧΡΟΝΩΝ ΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ (9) Σχήμα 9. Διέγερση με ρυθμιστή, Πηγή : «Συστήματα Ηλεκτρικής Ενέργειας», Ντοκόπουλος Π. Εκδόσεις Ζήτη. 24

25 ΠΑΡΑΛΛΗΛΙΣΜΟΣ ΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ ΣΤΟ ΔΙΚΤΥΟ (1) Για να συνδεθεί η γεννήτρια στο δίκτυο πρέπει η διαφορά τάσης μεταξύ των αντίστοιχων φάσεων γεννήτριας και δικτύου να είναι μηδέν. Και αυτό για να αποφευχθούν κρουστικά ρεύματα τη στιγμή της σύνδεσης. Η διαδικασία της σύνδεσης λέγεται παραλληλισμός ή συγχρονισμός της γεννήτριας. 25

26 ΠΑΡΑΛΛΗΛΙΣΜΟΣ ΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ ΣΤΟ ΔΙΚΤΥΟ (2) Οι προϋποθέσεις για να συμβεί κάτι τέτοιο είναι:. Οι συχνότητες πρέπει να ταυτίζονται εκατέρωθεν. Οι τάσεις και από τις δύο πλευρές να είναι ίσες. Οι τρεις φάσεις πρέπει να έχουν την ίδια φορά περιστροφής. Να μην υπάρχει διαφορά φάσης μεταξύ των αντίστοιχων φάσεων. (Η μέγιστη ανεκτή διαφορά είναι 12 Μοίρες). 26

27 ΠΑΡΑΛΛΗΛΙΣΜΟΣ ΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ ΣΤΟ ΔΙΚΤΥΟ (3) Σχήμα 10. Παραλληλισμός σύγχρονων γεννητριών, Πηγή : «Συστήματα Ηλεκτρικής Ενέργειας», Ντοκόπουλος Π. Εκδόσεις Ζήτη. 27

28 ΠΑΡΑΛΛΗΛΙΣΜΟΣ ΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ ΣΤΟ ΔΙΚΤΥΟ (4) Σχήμα 11. Φάσεις κατά τον παραλληλισμό, Πηγή : «Συστήματα Ηλεκτρικής Ενέργειας», Ντοκόπουλος Π. Εκδόσεις Ζήτη. 28

29 ΙΣΟΖΥΓΙΟ ΙΣΧΥΟΣ ΣΤΙΣ ΓΕΝΝΗΤΡΙΕΣ ΑΠΩΛΕΙΕΣ (1) Ο ατμοστρόβιλος ή υδροστρόβιλος ασκεί μια ροπή στον άξονα της γεννήτριας και προσδίδει σε αυτή μια μηχανική ισχύ. Εξαιτίας απωλειών και ιδιοκατανάλωσης στο σταθμό, ένα μέρος της προσφερόμενης μηχανικής ισχύος, της τάξης του 92 %, αποδίδεται στο ηλεκτρικό δίκτυο. Η μηχανική ισχύς του στροβίλου προσφέρεται εκτός από τη γεννήτρια και στη διεγέρτρια, που βρίσκεται στον ίδιο άξονα. 29

30 ΙΣΟΖΥΓΙΟ ΙΣΧΥΟΣ ΣΤΙΣ ΓΕΝΝΗΤΡΙΕΣ ΑΠΩΛΕΙΕΣ (2) Η γεννήτρια μετατρέπει με αρκετά σημαντικό βαθμό απόδοσης (97 %) τη μηχανική σε ηλεκτρική ισχύ. Ένα σημαντικό μέρος όμως της παραγόμενης ηλεκτρικής γεννήτριας (5-7 %) χρησιμοποιείται για τις ίδιες τις ανάγκες του σταθμού. Οι απώλειες στη γεννήτρια διακρίνονται σε αυτές που είναι ανεξάρτητες της φόρτισης (δηλαδή το ρεύμα) και στις εξαρτώμενες. 30

31 ΙΣΟΖΥΓΙΟ ΙΣΧΥΟΣ ΣΤΙΣ ΓΕΝΝΗΤΡΙΕΣ ΑΠΩΛΕΙΕΣ (3) Απώλειες σχεδόν ανεξάρτητες από τη φόρτιση: Απώλειες σιδήρου στάτη (δινορρευμάτων και υστέρησης) - εξαρτώνται κυρίως από την τάση. Μηχανικές απώλειες τριβών. Απώλειες δινορρευμάτων του δρομέα. Απώλειες εξαρτώμενες από τη φόρτιση. Απώλειες χαλκού στάτη (ανάλογες του Ι 2 ). Απώλειες δινορρευμάτων στο δρομέα σε ασύμμετρη φόρτιση. 31

32 ΙΣΟΖΥΓΙΟ ΙΣΧΥΟΣ ΣΤΙΣ ΓΕΝΝΗΤΡΙΕΣ - ΑΠΩΛΕΙΕΣ Σχήμα 12. Διάγραμμα απωλειών Ατμοηλεκτρικών σταθμών (ΑΗΣ), Πηγή: «Συστήματα Ηλεκτρικής Ενέργειας», Ντοκόπουλος Π. Εκδόσεις Ζήτη. 32

33 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Ν. Σκραπαρλής, Β. Μολασιώτης, Δ. Τσιαμήτρος, «Εργαστηριακές Ασκήσεις Ηλεκτρικών Μηχανών Συνεχούς και Εναλλασσομένου Ρεύματος», Σύγχρονη Παιδεία. Chapman S., Electrical Machinery Fundamentals, Fourth Edition, McGraw-Hill Inc.. «Συστήματα Ηλεκτρικής Ενέργειας», Ντοκόπουλος Π. Εκδόσεις Ζήτη. 33

34 Τέλος Ενότητας.

35 Σημείωμα Αναφοράς Copyright ΤΕΙ Δυτικής Μακεδονίας, Πουλάκης. «Ηλεκτρομαγητισμός». Έκδοση: 1.0. Κοζάνη Διαθέσιμο από τη δικτυακή διεύθυνση: URL. 35

36 Σημείωμα Αδειοδότησης Το παρόν υλικό διατίθεται με τους όρους της άδειας χρήσης Creative Commons Αναφορά, Μη Εμπορική Χρήση Παρόμοια Διανομή 4.0 [1] ή μεταγενέστερη, Διεθνής Έκδοση. Εξαιρούνται τα αυτοτελή έργα τρίτων π.χ. φωτογραφίες, διαγράμματα κ.λ.π., τα οποία εμπεριέχονται σε αυτό και τα οποία αναφέρονται μαζί με τους όρους χρήσης τους στο «Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων». [1] Ως Μη Εμπορική ορίζεται η χρήση: που δεν περιλαμβάνει άμεσο ή έμμεσο οικονομικό όφελος από την χρήση του έργου, για το διανομέα του έργου και αδειοδόχο. που δεν περιλαμβάνει οικονομική συναλλαγή ως προϋπόθεση για τη χρήση ή πρόσβαση στο έργο. που δεν προσπορίζει στο διανομέα του έργου και αδειοδόχο έμμεσο οικονομικό όφελος (π.χ. διαφημίσεις) από την προβολή του έργου σε διαδικτυακό τόπο. Ο δικαιούχος μπορεί να παρέχει στον αδειοδόχο ξεχωριστή άδεια να χρησιμοποιεί το έργο για εμπορική χρήση, εφόσον αυτό του ζητηθεί. 36

37 Διατήρηση Σημειωμάτων Οποιαδήποτε αναπαραγωγή ή διασκευή του υλικού θα πρέπει να συμπεριλαμβάνει: το Σημείωμα Αναφοράς. το Σημείωμα Αδειοδότησης. τη δήλωση Διατήρησης Σημειωμάτων. το Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων (εφόσον υπάρχει). μαζί με τους συνοδευόμενους υπερσυνδέσμους. 37

38 Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων Το Έργο αυτό κάνει χρήση των ακόλουθων έργων: Εικόνες/Σχήματα/Διαγράμματα/Φωτογραφίες: 1. Ντοκόπουλος Π. (2006). «Συστήματα Ηλεκτρικής Ενέργειας». Εκδόσεις Ζήτη, Θεσσαλονίκη. 2. Σκραπαρλής Ν., Μολασιώτης Β., Τσιαμήτρος Δ. (2013). «Εργαστηριακές Ασκήσεις Ηλεκτρικών Μηχανών Συνεχούς και Εναλλασσομένου Ρεύματος», Σύγχρονη Παιδεία. 3. Chapman S. (2009). Electrical Machinery Fundamentals, Fourth Edition, McGraw-Hill Inc. 38