ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΑ ΣΗΕ I ΣΥΓΧΡΟΝΗ ΓΕΝΝΗΤΡΙΑ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ 2010

2 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΤΑ ΣΗΕ I ΣΥΓΧΡΟΝΗ ΓΕΝΝΗΤΡΙΑ 1. ΓΕΝΙΚΑ Η ηλεκτρική ισχύς παράγεται σε σταθμούς παραγωγής που περιλαμβάνουν μία ή περισσότερες γεννήτριες εναλλασσόμενου ρεύματος. Οι γεννήτριες αυτές είναι σχεδόν αποκλειστικά σύγχρονες. Η μηχανική κίνηση παρέχεται σε αυτές με την μορφή ατμού σε θερμοηλεκτρικούς σταθμούς παραγωγής ή υδατοπτώσεων σε υδροηλεκτρικούς. Η ΗΕΔ Ε 0 που παράγεται εσωτερικά στη γεννήτρια εξαρτάται από την πεπλεγμένη ροή ανά πόλο, η οποία με τη σειρά της εξαρτάται από την τιμή του dc ρεύματος το οποίο διαρρέει το τύλιγμα του δρομέα, γνωστό σαν ρεύμα διέγερσης. Η ΗΕΔ Ε 0 λοιπόν μπορεί να ρυθμιστεί με κατάλληλη μεταβολή της τιμής του ρεύματος διέγερσης I F. Στη λειτουργία κενού, όπου το κύκλωμα της γεννήτριας είναι ανοιχτό, η τάση V των ακροδεκτών ισούται με την τάση Ε 0 (Σχήμα 1β). Αν η γεννήτρια φορτισθεί, η τάση V των ακροδεκτών μεταβάλλεται με σταθερή διέγερση. Αυτό οφείλεται στο ότι η γεννήτρια έχει μια εσωτερική σύνθετη επαγωγική αντίσταση όπως φαίνεται στο ισοδύναμο κύκλωμά της (Σχήμα 1α). Η ωμική αντίσταση R είναι πολύ μικρή και αποτελεί συνηθισμένη πρακτική να αγνοείται και να χρησιμοποιείται το απλοποιημένο ισοδύναμο των 1β, 1γ όπου η Χ λέγεται σύγχρονη αντίδραση και συνήθως συμβολίζεται ως Χ S. Η τιμή της Χ S μπορεί να υπολογισθεί με μέτρηση της τάσης V σε λειτουργία κενού (Σχήμα 1β) και του ρεύματος I SC σε λειτουργία βραχυκύκλωσης. Το πηλίκο V/ I SC δίνει την τιμή της Χ S. Το ισοδύναμο κύκλωμα μιας σύγχρονης γεννήτριας είναι λοιπόν πολύ απλό και με βάση αυτό θα δοθούν εξηγήσεις για ορισμένα βασικά φαινόμενα που θα παρατηρηθούν στις μετρήσεις. Πρέπει να σημειωθεί ότι η σύγχρονη αντίδραση είναι συνήθως μεγάλη έτσι ώστε και σε συνθήκες βραχυκυκλώματος το ρεύμα σφάλματος σπάνια ξεπερνά το 1,5 I R (I R : ονομαστικό ρεύμα) μετά τους πρώτους κύκλους. Στις μετρήσεις που ακολουθούν ένας κινητήρας συνεχούς ρεύματος θα χρησιμοποιηθεί για τη μηχανική κίνηση της σύγχρονης γεννήτριας, αντικαθιστώντας το στρόβιλο ή την υδατόπτωση που υπάρχουν σε έναν πραγματικό σταθμό παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Σχήμα 1α 2

3 Σχήμα 1β Σχήμα 1γ 2. ΟΡΓΑΝΑ ΠΟΥ ΘΑ ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΗΘΟΥΝ 2.1: ΤΡΟΦΟΔΟΤΙΚΟ EMS : ΚΙΝΗΤΗΡΑΣ DC EMS : ΣΥΓΧΡΟΝΗ ΓΕΝΝΗΤΡΙΑ EMS : ΩΜΙΚΕΣ ΑΝΤΙΣΤΑΣΕΙΣ EMS : ΕΠΑΓΩΓΙΚΕΣ ΑΝΤΙΔΡΑΣΕΙΣ EMS : ΧΩΡΗΤΙΚΕΣ ΑΝΤΙΔΡΑΣΕΙΣ EMS : ΟΡΓΑΝΑ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ DC EMS : ΑΜΠΕΡΟΜΕΤΡΑ AC EMS : ΒΟΛΤΟΜΕΤΡΑ AC EMS : ΒΑΤΤΟΜΕΤΡΟ-ΟΡΓΑΝΟ ΜΕΤΡΗΣΗΣ Var EMS : ΣΤΡΟΒΟΣΚΟΠΙΟ EMS : ΙΜΑΝΤΑΣ ΧΡΟΝΙΣΜΟΥ EMS : ΚΑΛΩΔΙΑ ΣΥΝΔΕΣΕΩΝ 3. ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΠΡΟΣΟΧΗ: ΣΕ ΟΛΑ ΤΑ ΠΕΙΡΑΜΑΤΑ ΠΟΥ ΑΚΟΛΟΥΘΟΥΝ ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΟΥΝΤΑΙ ΤΑΣΕΙΣ ΔΙΚΤΥΟΥ. ΜΗΝ ΚΑΝΕΤΕ ΣΥΝΔΕΣΕΙΣ ΥΠΟ ΤΑΣΗ. ΚΑΤΑ ΤΗ ΔΙΑΡΚΕΙΑ ΤΩΝ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ ΝΑ ΕΙΣΤΕ ΙΔΙΑΙΤΕΡΑ ΠΡΟΣΕΚΤΙΚΟΙ. Πριν ξεκινήσετε τις μετρήσεις να αντιγράψετε από τη σύγχρονη γεννήτρια τα ονομαστικά της στοιχεία. Μία καλή πρακτική και για το μέλλον είναι να συνηθίσετε πριν ασχοληθείτε με μια συσκευή να εξετάζετε τα ονομαστικά της στοιχεία. 3

4 3.1 ΜΕΤΡΗΣΗ ΚΑΜΠΥΛΗΣ ΚΕΝΟΥ ΣΕ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΚΕΝΟΥ. Στη μέτρηση αυτή θα υπολογιστεί η μεταβολή της τάσης εξόδου της σύγχρονης γεννήτριας σε λειτουργία κενού (χωρίς φορτίο) σαν συνάρτηση του συνεχούς ρεύματος διέγερσης. Να συνδέσετε τον κινητήρα DC όπως στο Σχήμα 2 (σύνδεση παράλληλης διέγερσης). Συνδέστε και το πηνίο διέγερσης της σύγχρονης γεννήτριας όπως στο ίδιο σχήμα και δημιουργήστε το κοινό σημείο του αστέρα στους ακροδέκτες εξόδου της γεννήτριας. Η γεννήτρια θα κινείται από τον κινητήρα με την βοήθεια του ιμάντα χρονισμού με σχέση ταχυτήτων 1:1. Συνδέστε ένα βολτόμετρο για τη μέτρηση της φασικής τάσης εξόδου V=Ε 0 της γεννήτριας και ένα αμπερόμετρο για την μέτρηση του ρεύματος διέγερσης I F. Σχήμα 2 Τροφοδοτείστε το κύκλωμα με τάση και χρησιμοποιώντας το στροβοσκόπιο συγχρονίστε τη γεννήτρια στις 1500 rpm. Ο συγχρονισμός πετυχαίνεται με κατάλληλη ρύθμιση του ποτενσιόμετρου της μηχανής (του dc κινητήρα) που μεταβάλλει την ωμική αντίσταση του τυλίγματος διέγερσης της μηχανής αυτής. ΠΡΟΣΟΧΗ! Αυτή η ταχύτητα πρέπει να παραμένει σταθερή. Να ελέγχετε πάντα το συγχρονισμό της γεννήτριας πριν από κάθε μέτρηση. Μεταβάλλετε το ρεύμα I F με τη βοήθεια του τροφοδοτικού και καταγράψτε τις τάσεις Ε 0 στον Πίνακα 1. ΠΙΝΑΚΑΣ 1: Μεταβολή της Ε 0 σαν συνάρτηση της I F. 4

5 I F (A) 0 0,02 0,04 0,05 0,07 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 E 0 (V) Μετρήστε το απαιτούμενο ρεύμα διέγερσης για ονομαστική τάση εξόδου, δηλαδή: Για E 0 =220 V I F = A. ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΗ: Χρησιμοποιείστε κατά περίπτωση την κατάλληλη κλίμακα των οργάνων μέτρησης για μεγαλύτερη ακρίβεια. 3.2 ΜΕΤΡΗΣΗ ΤΗΣ ΣΥΓΧΡΟΝΗΣ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗΣ Χ S Χρησιμοποιώντας την συνδεσμολογία του σχήματος 2, ρυθμίστε το ρεύμα I F ώστε Ε 0 =220 V. Στη συνέχεια, βραχυκυκλώστε μέσω 3 αμπερομέτρων τους ακροδέκτες της γεννήτριας, όπως φαίνεται στο σχήμα 3, και μετρήστε το ρεύμα Ι (μέσος όρος των ενδείξεων των 3 οργάνων). 4 A 5 A 6 A Σχήμα 3 Το πηλίκο Ε 0 /Ι (για το ίδιο ρεύμα διέγερσης I F ) δίνει την Χ S. Επαναλάβετε το πείραμα για διαφορετικές τις τιμές του ρεύματος διέγερσης I F που δίνονται παρακάτω, συμπληρώνοντας τον Πίνακα 2. ΠΙΝΑΚΑΣ 2: Μέτρηση X S. I F (A) I (A) X S (Ω) 0,05 0,1 0,2 Ρυθμίστε τη διέγερση I F έτσι ώστε το ρεύμα βραχυκύκλωσης Ι να γίνει ίσο με το ονομαστικό ρεύμα της γεννήτριας. Μετρήστε την αντίστοιχη τιμή του ρεύματος I F. 5

6 I=I R =0,17 (A) I F = (A) 3.3. ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΤΗΣ ΣΥΓΧΡΟΝΗΣ ΓΕΝΝΗΤΡΙΑΣ ΜΕ ΦΟΡΤΙΟ ΡΥΘΜΙΣΗ ΤΗΣ ΤΑΣΗΣ - ΩΜΙΚΟ ΦΟΡΤΙΟ Στο πείραμα αυτό θα μετρηθεί η επίδραση διαφόρων φορτίων στην τάση εξόδου της γεννήτριας. Χρησιμοποιώντας τη συνδεσμολογία του σχήματος 2 για τη γεννήτρια και τον κινητήρα συνδέστε στην έξοδο της γεννήτριας το ωμικό φορτίο μέσω του βαττομέτρου- Varμέτρου όπως στο Σχήμα 4. Σχήμα 4 Το βολτόμετρο E L δίνει την πολική τάση μεταξύ 2 ακροδεκτών της γεννήτριας. Ρυθμίστε το ρεύμα διέγερσης στην τιμή I F = A. Κατόπιν διατηρώντας το ρεύμα διέγερσης I F και την ταχύτητα περιστροφής σταθερά, να μεταβάλετε το φορτίο και να καταγράψετε τα αποτελέσματα των μετρήσεών σας για την τάση E L και τις ισχείς P και Q στον Πίνακα 3. Έχετε πάντοτε το ίδιο φορτίο και στις 3 φάσεις, που θα συνδέεται πάντοτε σε αστέρα. 6

7 ΠΙΝΑΚΑΣ 3: Μεταβολή τάσης (ωμικό φορτίο). R(Ω) I F (A) E L (V) P (W) Q (Var) S (VA) ,67 (4400//2200) 880 (4400//1100) 733,33 (2200//1100) 628,57 (όλα // ) 7

8 3.3.2 ΡΥΘΜΙΣΗ ΤΗΣ ΤΑΣΗΣ (ΕΠΑΓΩΓΙΚΟ ΦΟΡΤΙΟ) Επαναλάβετε το προηγούμενο πείραμα συνδέοντας επαγωγικές αντιδράσεις στη θέση των ωμικών αντιστάσεων και καταχωρώντας τα αποτελέσματα των μετρήσεων στον Πίνακα 4. ΠΙΝΑΚΑΣ 4: Μεταβολή τάσης (επαγωγικό φορτίο). Χ L (Ω) I F (A) E L (V) P (W) Q (Var) S (VA) ,67 (4400//2200) 880 (4400//1100) 733,33 (2200//1100) 628,57 (όλα // ) 8

9 3.3.3 ΡΥΘΜΙΣΗ ΤΗΣ ΤΑΣΗΣ (ΧΩΡΗΤΙΚΟ ΦΟΡΤΙΟ) Όμοια για χωρητικό φορτίο και με χρήση του Πίνακα 5. ΠΙΝΑΚΑΣ 5: Μεταβολή τάσης (χωρητικό φορτίο). Χ c (Ω) I F (A) E L (V) P (W) Q (Var) S (VA) ,67 (4400//2200) 880 (4400//1100) 9

10 3.4 ΑΚΟΛΟΥΘΙΑ ΦΑΣΕΩΝ ΚΑΙ ΣΥΓΧΡΟΝΙΣΜΟΣ Συγχρονισμός ή παραλληλισμός λέγεται η διαδικασία σύνδεσης μιας γεννήτριας με το δίκτυο. Οι προϋποθέσεις συγχρονισμού είναι οι εξής: 1. Η συχνότητα της γεννήτριας και του δικτύου πρέπει να ταυτίζονται. 2. Τα μέτρα των τάσεων και από τις δύο πλευρές πρέπει να είναι ίσα. 3. Οι τρεις φάσεις πρέπει να έχουν την ίδια φορά περιστροφής, δηλαδή να υπάρχει αντιστοιχία φάσεων. 4. Δεν πρέπει να υπάρχει διαφορά φάσης μεταξύ των αντίστοιχων φάσεων. Για την άσκηση του συγχρονισμού της γεννήτριας με το δίκτυο θα χρησιμοποιηθεί το μοντέλο της τριφασικής γραμμής μεταφοράς (ΓΜ). Μηδενίζοντας την αντίδραση της ΓΜ, το μοντέλο αυτό λειτουργεί πλέον ως τριπολικός διακόπτης. Συνδέστε 3 βολτόμετρα όπως στο Σχήμα 5. Με τη βοήθεια της κινητήριας μηχανής ρυθμίστε τη συχνότητα της γεννήτριας έτσι ώστε να είναι ίση με τη συχνότητα του δικτύου. Αν η ταχύτητα περιστροφής της σύγχρονης γεννήτριας δεν είναι 1500 rpm τότε οι ενδείξεις των βολτομέτρων θα ταλαντώνονται. Ρυθμίζοντας το ρεύμα διέγερσης εξασφαλίστε την ισότητα των τάσεων δικτύου και γεννήτριας. Ελέγξετε την αντιστοιχία των φάσεων παρατηρώντας ότι οι δείκτες των τριών βολτομέτρων ταλαντώνονται με τον ίδιο τρόπο. Επειδή γενικά δεν υπάρχει μια απόλυτη ισότητα των δύο συχνοτήτων η τάση μεταξύ των ομώνυμων πόλων έχει μια περιοδικότητα με συχνότητα ίση με τη διαφορά των δύο συχνοτήτων. Έτσι, οι δείκτες των βολτομέτρων ταλαντώνονται τυπικά με περιόδους των 1-10 sec. Η σύνδεση μπορεί να γίνει τη χρονική στιγμή που οι ενδείξεις των οργάνων τείνουν στο μηδέν. Από εκεί και πέρα η γεννήτρια διατηρείται σε συγχρονισμό με το δίκτυο. Να χρησιμοποιηθεί I F =0.31 A. Σχήμα 5 10

11 4. ΕΡΩΤΗΣΕΙΣ ΚΑΙ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ Το τμήμα αυτό της άσκησης θα γίνει από εσάς εκτός εργαστηρίου και προϋποθέτει τα αποτελέσματα των μετρήσεων που έγιναν νωρίτερα. Θα σας βοηθήσει να κατανοήσετε καλύτερα τα διάφορα πειράματα που κάνατε στο εργαστήριο. 4.1: Θυμηθείτε ξανά τα ονομαστικά στοιχεία της γεννήτριας. Βρείτε τον αριθμό των πόλων της καθώς και τις βάσεις ισχύος, τάσης, ρεύματος και αντίστασης. 4.2: Πως εξηγείτε τις διαφορετικές τιμές της X S που προέκυψαν στο πείραμα 3.2; Υπολογίστε τις αντίστοιχες pu τιμές. 4.2: Σχετικά με το πείραμα 3.4 (ακολουθία φάσεων και συγχρονισμός). Δώστε μια φυσική εξήγηση του φαινομένου. 4.4: Στο Σχήμα 5 φαίνονται 3 χαρακτηριστικές καμπύλες της σύγχρονης γεννήτριας. Η καμπύλη 2 είναι η καμπύλη κενού και προκύπτει από τις μετρήσεις που κάνατε στο πείραμα 3.1 (Πίνακας 1). Σχεδιάστε την σε ένα νέο σχέδιο (είτε σε χαρτί είτε ηλεκτρονικά, αλλά να φαίνονται οι κλίμακες, σαν σε μιλιμετρέ χαρτί). Η καμπύλη 1, που είναι η ευθεία διακένου, αποτελεί την προέκταση του γραμμικού τμήματός της και είναι η αντίστοιχη καμπύλη με τη 2 για γραμμική συμπεριφορά της γεννήτριας. Χαράξτε την οριζόντια ευθεία που αντιστοιχεί σε ονομαστική (1 pu) τάση εξόδου. Βρείτε τις τιμές I foδ και Ι fo. Η καμπύλη 3 τέλος, δίνει τη λειτουργία της βραχυκυκλωμένης γεννήτριας. Ορίζεται από την αρχή των αξόνων και το σημείο τομής I=I R =1 pu και I fk την τιμή που μετρήσατε στο πείραμα 3.2. Οι λόγοι: I fk /I fo =1/k C και I fk /I foδ όπου k C =I ko /I R, δίνουν τις τιμές των X S (κορεσμένη) και X S (ακόρεστη) αντίστοιχα σε pu. Ο συντελεστής k C είναι γνωστός σαν λόγος βραχυκύκλωσης και ισούται με το αντίστροφο της X S (κορεσμένης). Υπολογίστε τις τιμές αυτές και συγκρίνετε με τις αντίστοιχες τιμές του πειράματος 3.2. Τι παρατηρείτε; Σχήμα 6 11

12 4.5: Σχολιάστε τα αποτελέσματα των μετρήσεων του πειράματος 3.3 σχετικά με τις ισχείς που μετρήσατε, τον τρόπο μεταβολής της τάσης ακροδεκτών της γεννήτριας και τις μεταβολές της ταχύτητας περιστροφής της σύγχρονης γεννήτριας που παρατηρήσατε κατά τη διάρκεια των μετρήσεων. 4.6: Δίνεται μια σύγχρονη γεννήτρια με τα παρακάτω ονομαστικά στοιχεία: 1 MVA, 6 kv Από την χαρακτηριστική κενού της γεννήτριας έχουμε: Ρεύμα διέγερσης 30 Α, τάση ακροδεκτών 2,14 kv (φασική). Από την χαρακτηριστική βραχυκύκλωσης της γεννήτριας έχουμε: Ρεύμα διέγερσης 30 Α, ρεύμα στάτη 50 Α. Να υπολογιστούν τα παρακάτω: α) Η τιμή της σύγχρονης αντίδρασης σε Ω και σε per unit καθώς και ο λόγος βραχυκύκλωσης. β) Σχεδιάστε το ισοδύναμο κύκλωμα μιας φάσης της γεννήτριας, για λειτουργία σε κενό και σε βραχυκύκλωμα. γ) Το ονομαστικό ρεύμα ανά φάση σε Α καθώς και το ρεύμα διέγερσης σε βραχυκύκλωμα ώστε να έχουμε ονομαστικό ρεύμα στον στάτη. δ) Το ρεύμα διέγερσης που απαιτείται για να δίνει η γεννήτρια ονομαστική τάση στους ακροδέκτες της, λειτουργώντας με ονομαστική ισχύ και συντελεστή ισχύος 0.8 σε υπερδιέγερση. Δηλαδή η γεννήτρια διατηρεί συνεχώς την τάση ακροδεκτών σταθερή στην ονομαστική της τιμή V N και το συντελεστή ισχύος επίσης σταθερό 0,8 παρέχοντας Ef VN άεργο ισχύ. (Να θεωρηθεί ότι όπου V N είναι η φασική τιμή της τάσης If If0 ακροδεκτών και Ι f0 το αντίστοιχο ρεύμα διέγερσης). ε) Η μέγιστη άεργη ισχύς που μπορεί να δώσει η μηχανή λειτουργώντας σαν στρεφόμενος πυκνωτής σε ονομαστική τάση, εάν το όριο θέρμανσης του δρομέα Efmax VN περιορίζει το ρεύμα διέγερσης στα 145 Α. (Να θεωρηθεί ότι όπου V N είναι η If If0 φασική τιμή της τάσης ακροδεκτών και Ι f0 το αντίστοιχο ρεύμα διέγερσης). 12