ΗΛΕΚΤΡΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ ΤΡΟΠΟΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΕΙΑΣ ΜΙΑΣ ΣΥΓΧΡΟΝΗΣ ΓΕΝΝΗΤΡΙΑΣ

Transcript

1 ΗΛΕΚΤΡΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ ΤΡΟΠΟΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΕΙΑΣ ΜΙΑΣ ΣΥΓΧΡΟΝΗΣ ΓΕΝΝΗΤΡΙΑΣ Σκοπός της εργασίας Σκοπός της εργασίας αυτής είναι να μάθουμε τι είναι μια γεννήτρια και να μάθουμε, κυρίως, τον τρόπο με τον οποίο λειτουργεί διότι είναι κάτι το οποίο είναι άμεσα είτε έμμεσα κοντά μας και διευκολύνει την καθημερινότητα μας. Περίληψη Οι σύγχρονες γεννήτριες (Synchronous generators) ή αλλιώς εναλλάκτήρες είναι σύγχρονες ηλεκτρικές μηχανές που μετατρέπουν την κινητική ενέργεια σε ηλεκτρική ενέργεια. Είναι ίσως και η πιο χρήσιμη σύγχρονη ηλεκτρική μηχανή και ο τρόπος λειτουργίας της είναι αρκετά απλός Αγαπίου Ειρήνη Α.Μ Σελίδα 1

2 Οι Σύγχρονες μηχανές χρησιμοποιούνται κυρίως ως γεννήτριες εναλλασσόμενου ρεύματος ή αλλιώς εναλλακτήρες (AC). Είναι η βασική πηγή ηλεκτρικής ενέργειας. Οι σύγχρονες γεννήτριες λειτουργούν συνήθως από κοινού (ή παράλληλα), σχηματίζοντας ένα μεγάλο σύστημα παροχής ισχύος ηλεκτρικής ενέργειας στα φορτία ή τους καταναλωτές. Oι σύγχρονες γεννήτριες φτιάχνονται σε μεγάλες μονάδες και η ισχύς τους κυμαίνεται από δεκάδες έως εκατοντάδες μεγαβάτ, μετατρέπει τη μηχανική ενέργεια σε ηλεκτρική εναλλασσόμενου ρεύματος. Η πηγή της μηχανικής ενέργειας, η κινητήρια δύναμη, μπορεί να είναι μια μηχανή diesel, ένας ατμοστρόβιλος, ένας υδροστρόβιλος, ή οποιαδήποτε παρόμοια συσκευή μαζί ονομάζονται ηλεκτροπαραγωγό ζεύγος (ΗΖ). Ένας εναλλακτήρας ακολουθεί την ίδια θεμελιώδη αρχή της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής όπως και η γεννήτρια συνεχούς ρεύματος, δηλ. η μεταβολή της μαγνητικής ροής επάγει τάση (Η.Ε.Δ.) σε αγωγό. Όπως και μια γεννήτρια συνεχούς ρεύματος, ο εναλλακτήρας έχει επίσης έναν τύλιγμα (πηνίο) οπλισμού και ένα τύλιγμα μαγνητικού πεδίου (διέγερσης). Αλλά υπάρχει μια σημαντική διαφορά μεταξύ των δύο. Σε μια γεννήτρια συνεχούς ρεύματος, το τύλιγμα οπλισμού τοποθετείται στον ρότορα ώστε να παρέχεται η μετατροπή της εναλλασσόμενης τάσης που παράγεται στην περιέλιξη άμεσα, σε συνεχή τάση στους ακροδέκτες προς χρήση, μέσω του συλλέκτη. Αγαπίου Ειρήνη Α.Μ Σελίδα 2

3 Οι μαγνητικοί πόλοι τοποθετούνται στο σταθερό μέρος της μηχανής ( στάτης). Δεδομένου ότι δεν απαιτείται συλλέκτης σε έναν εναλλακτήρα, είναι συνήθως πιο βολικό και πλεονεκτικό να τοποθετείται το τύλιγμα μαγνητικού πεδίου στο περιστρεφόμενο τμήμα και το τύλιγμα οπλισμού στο σταθερό τμήμα, όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα: Απαραίτητη προϋπόθεση για να λειτουργήσει μια σύγχρονη γεννήτρια είναι η τροφοδοσία του τυλίγματος του δρομέα της με συνεχές ρεύμα. Αυτό το ρεύμα δημιουργεί μαγνητικό πεδίο στο εσωτερικό της γεννήτριας και καθώς ο δρομέας περιστρέφεται παίρνοντας κίνηση από κάποια εξωτερική κινητήρια μηχανή, το πεδίο περιστρέφεται μαζί του. Τελικά, το στρεφόμενο μαγνητικό πεδίο παράγει τριφασική τάση στα τυλίγματα του στάτη, η οποία εμφανίζεται στην έξοδο της μηχανής. Αγαπίου Ειρήνη Α.Μ Σελίδα 3

4 Ο δρομέας μιας σύγχρονης γεννήτριας μπορεί να θεωρηθεί σαν ένας μεγάλος ηλεκτρομαγνήτης τόσο στην περίπτωση που η γεννήτρια είναι εκτύπων πόλων, όσο και όταν αυτή διαθέτει κυλινδρικό δρομέα. Οι πόλοι μιας γεννήτριας εκτύπων πόλων διακρίνονται στην επιφάνεια του δρομέα ενώ όταν ο δρομέας είναι κυλινδρικός, οι πόλοι της βρίσκονται στο ίδιο επίπεδο με την υπόλοιπη επιφάνεια του. Στο Σχ. 5-1, φαίνεται ένας δρομέας με κυλινδρική επιφάνεια και στο Σχ Ο δρομέας μιας γεννήτριας εκτύπων πόλων. Δρομείς με κυλινδρική επιφάνεια έχουν συνήθως οι γεννήτριες δυο ή τεσσάρων πόλων, ενώ οι γεννήτριες εκτύπων πόλων συνήθως διαθέτουν πάνω από τέσσερις πόλους. Ο δρομέας των σύγχρονων γεννητριών κατασκευάζεται από δυναμοελάσματα με σκοπό τη μείωση των απωλειών εξαιτίας των δινορρευμάτων. Πράγματι, επειδή ο δρομέας εκτίθεται σε συχνές μεταβολές του μαγνητικού του πεδίου, η ανάπτυξη δινορευμάτων στο εσωτερικό του είναι αναπόφευκτη. Ακόμη, το τύλιγμα του δρομέα στις σύγχρονες γεννήτριες θα πρέπει να τροφοδοτείται με συνεχές ρεύμα. Επειδή όμως, ο δρομέας περιστρέφεται, είναι ανάγκη να αναπτυχθεί κάποιος ειδικός τρόπος τροφοδοσίας του τυλίγματος του. Οι πιο συνηθισμένες τεχνικές τροφοδοσίας του δρομέα είναι 1. Με τροφοδοσία από εξωτερική πηγή συνεχούς ρεύματος, οπότε ο δρομέας θα πρέπει Να είναι εφοδιασμένος με ψήκτες (brushes) και δαχτυλίδια (slip rings). 2. Με τροφοδοσία από ειδική πηγή συνεχούς ρεύματος τοποθετημένη πάνω στον άξονα της γεννήτριας. Τα μεταλλικά δαχτυλίδια της γεννήτριας καλύπτουν όλη την περίμετρο του άξονά της και μονώνονται ηλεκτρικά απ αυτόν. Συνήθως το ένα άκρο του τυλίγματος του δρομέα συνδέεται στο πρώτο από τα δυο δαχτυλίδια και το άλλο άκρο στο δεύτερο. Οι ψήκτρες τοποθετούνται, ώστε να εφάπτονται μια στο κάθε δαχτυλίδι. Έτσι με τη σύνδεση του θετικού άκρου της πηγής στη μια ψήκτρα και του αρνητικού στην άλλη επιτυγχάνεται η συνεχής τροφοδοσία του δρομέα. Αγαπίου Ειρήνη Α.Μ Σελίδα 4

5 Όμως, η χρήση δαχτυλιδιών και ψηκτρών για την τροφοδοσία του δρομέα της γεννήτριας με συνεχές ρεύμα παρουσιάζει δυο μειονεκτήματα. Το πρώτο είναι ότι απαιτείται συχνή αντικατάσταση των ψηκτρών, που φθείρονται λόγιο τριβής και το δεύτερο ότι η πτώση τάσης στις ψήκτρες μπορεί να προκαλέσει αρκετά σημαντικές απώλειες ισχύος, ιδίως όταν τα ρεύματα που τις διαρρέουν έχουν μεγάλη Σχήμα 5-2 ένταση. Παρόλα αυτά ο συνδυασμός δαχτυλιδιών και ψηκτρών χρησιμοποιείται σε σύγχρονες γεννήτριες μικρής ισχύος, όπου η χρήση άλλων μεθόδων είναι εξαιρετικά δαπανηρή. Σε μεγαλύτερες γεννήτριες χρησιμοποιούνται διεγέρτριες μηχανές χωρίς ψήκτρες (brushless exciters) για να τροφοδοτήσουν με συνεχές ρεύμα το δρομέα της γεννήτριας. Λυτές οι διεγέρτριες μηχανές είναι μικρές γεννήτριες εναλλασσόμενου ρεύματος των οποίων το κύκλωμα διέγερσης τροφοδοτείται από το στάτη της κύριας γεννήτριας, ενώ το κύκλωμα οπλισμού τους τοποθετείται στον άξονα του δρομέα. Η τριφασική έξοδος της διεγέρτριας ανορθώνεται από έναν τριφασικό ανορθωτή, που βρίσκεται πάνω στον άξονα της μηχανής και το συνεχές ρεύμα εξόδου του ανορθωτή οδηγείται στο τύλιγμα διέγερσης της κύριας γεννήτριας. Μ αυτή τη μέθοδο μπορεί να ρυθμιστεί το ρεύμα διέγερσης της σύγχρονης γεννήτριας μεταβάλλοντας απλά το συνεχές ρεύμα διέγερσης της διεγέρτριας, που βρίσκεται πάνω στο στάτη, και έχει πολύ μικρότερη τιμή. Στο Σχ. 5-3, φαίνεται το συμβολικό διάγραμμα μιας σύγχρονης γεννήτριας που χρησιμοποιεί αυτή τη μέθοδο, ενω στο Σχ. 5-4 φαίνεται ο δρομέας μιας σύγχρονης μηχανής με τη διεγέρτρια στον άξονά της. Είναι προφανές ότι εδώ. αφού δεν εμπλέκονται μηχανικά τμήματα στη διαδικασία τροφοδοσίας της διέγερσης της γεννήτριας, τα μειονεκτήματα της προηγούμενης μεθόδου έχουν ξεπεραστεί. Αγαπίου Ειρήνη Α.Μ Σελίδα 5

6 Για να γίνει, όμως, η διαδικασία τροφοδοσίας του δρομέα εντελώς ανεξάρτητη από εξωτερικές πηγές, μπορεί να εισαχθεί στο σύστημα μια προδιεγέρτρια μηχανή ( pilot exciter). Αυτή είναι μια μικρή γεννήτρια εναλλασσόμενου ρεύματος με δρομέα που διαθέτει μόνιμους μαγνήτες και τοποθετείται στον άξονα της σύγχρονης γεννήτριας. Η προ-διεγέρτρια παράγει τριφασική τάση που Σχήμα 5-3 ανορθώνεται και τροφοδοτεί τη διέγερση της διεγέρτριας, η οποία με τη σειρά της τροφοδοτεί το δρομέα της σύγχρονης γεννήτριας (Σχ. 5-5). Έτσι η γεννήτρια δεν έχει πια ανάγκη από καμία εξωτερική πηγή τροφοδοσίας. Επίσης, συχνά οι γεννήτριες με διεγέρτριες διαθέτουν δαχτυλίδια και ψήκτρες, ώστε να έχουν εναλλακτικούς τρόπους τροφοδοσίας της διέγερσής τους σε έκτακτες περιπτώσεις. Όπως αναφέρθηκε, το τύλιγμα του δημιουργείται από προκατασκευασμένες συστάδες αγωγών και είναι δύο στρώσεων. Τέλος, το τύλιγμα του στάτη είναι συνήθως διανεμημένο τύλιγμα χορδής, για να καταστέλλει τις αρμονικές στην έξοδο της γεννήτριας. Το Σχ. 5-6, δείχνει την τομή μιας σύγχρονης μηχανής ισχύος. Ο δρομέας της μηχανής διαθέτει οκτώ έκτυπους πόλους και το τύλιγμα του στάτη είναι διανεμημένο τύλιγμα δύο στρώσεων. Επίσης, όπως φαίνεται, η μηχανή διαθέτει διεγέρτρια χωρίς ψήκτρες. Σχήμα 5-4 Αγαπίου Ειρήνη Α.Μ Σελίδα 6

7 Κατασκευή εναλλακτήρων Ένας εναλλακτήρας έχει τριφασικό τύλιγμα επάνω στο στάτη και ένα DC (συνεχούς ρεύματος) τύλιγμα, μαγνητικού πεδίου στον ρότορα. Στάτης Είναι το σταθερό τμήμα της μηχανής και είναι κατασκευασμένο από φύλλα ελασμάτων χάλυβα έχοντας εγκοπές στην εσωτερική του περιφέρεια. Ένα 3 φάσεων τύλιγμα τοποθετείται σε αυτές τις υποδοχές και χρησιμεύει ως το τύλιγμα οπλισμού της γεννήτριας. Το τύλιγμα οπλισμού είναι πάντα συνδεδεμένο σε αστέρα και ο ουδέτερος συνδέεται με τη γείωση. Ρότορας Ο ρότορας φέρει το τύλιγμα του μαγνητικού πεδίου το οποίο τροφοδοτείται με συνεχές ρεύμα μέσω δύο δακτυλίων ολίσθησης ( δακτυλίδια) από ξεχωριστή πηγή συνεχούς ρεύματος. Αυτή η D.C. πηγή (που ονομάζεται διεγέρτρια) είναι συνήθως μια μικρή D.C. γεννήτρια που τοποθετείται επί του άξονα του εναλλακτήρα. Η κατασκευή του ρότορα είναι δύο τύπων: Σχήμα 5-5 με έκτυπους ( εμφανείς ) πόλους κυλινδρικού τύπου ( μη εμφανείς πόλοι) Σχήμα 5-6 Αγαπίου Ειρήνη Α.Μ Σελίδα 7

8 Σύγχρονη γεννήτρια έκτυπων πόλων Σε αυτόν τον τύπο, οι προεξέχοντες πόλοι τοποθετούνται σε ένα μεγάλο κυκλικό χαλύβδινο πλαίσιο το οποίο είναι στερεωμένο στην άτρακτο του εναλλακτήρα, όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα (5-7). Τα επιμέρους τυλίγματα των πόλων συνδέονται σε σειρά κατά τέτοιο τρόπο ώστε όταν το ολικό τύλιγμα του μαγνητικού πεδίου ενεργοποιείται από την D.C. διεγέρτρια, οι διπλανοί πόλοι να έχουν αντίθετη πολικότητα. Εναλλακτήρες χαμηλής και μέσης ταχύτητας ( rpm), όπως αυτοί που οδηγούνται από κινητήρες ντήζελ ή υδροστροβίλους, έχουν κυρίως δρομείς έκτυπων πόλων, λόγω των παρακάτω λόγων: Οι ρότορες με προεξέχοντες πόλους θα προκαλούσαν, αν οδηγούνται σε υψηλή ταχύτητα, υπερβολική απώλεια μηχανικής ισχύος λόγω αντίστασης του αέρα και θα είχαν την τάση να παράγουν θόρυβο. Οι ρότορες έκτυπων πόλων δεν μπορούν να καταστούν αρκετά ισχυροί για να αντέξουν τις μηχανικές καταπονήσεις στις οποίες ενδέχεται να υποβληθούν σε υψηλότερες ταχύτητες. Σχήμα 5-7 Αγαπίου Ειρήνη Α.Μ Σελίδα 8

9 Δεδομένου ότι μία συχνότητα Hz απαιτείται, θα πρέπει να χρησιμοποιούν ένα μεγάλο αριθμό πόλων και να έχουν αργή ταχύτητα. Ρότορες χαμηλής ταχύτητας πάντα διαθέτει μια μεγάλη διάμετρο ώστε να παρέχουν τον αναγκαίο χώρο για την τοποθέτηση των πόλων. Κατά συνέπεια, οι δρομείς με κατανεμημένους πόλους έχουν μεγάλη διάμετρο και μικρά μήκη άξονα. Σύγχρονες γεννήτριες κυλινδρικού ρότορα (μη εμφανείς πόλοι) Σύγχρονη μηχανή κυλινδρικού ρότορα Σε αυτόν τον τύπο, ο ρότορας είναι κατασκευασμένος από λείο στερεό σφυρήλατο κυλινδρικό χάλυβα, που έχει μια σειρά από εγκοπές κατά μήκος της εξωτερικής περιφέρειας. Το τύλιγμα του μαγνητικού πεδίου ενσωματώνεται σε αυτές τις αυλακώσεις και συνδέεται σε σειρά με τους δακτυλίους ολίσθησης μέσω των οποίων ενεργοποιείται από την D.C. διεγέρτρια. Οι περιοχές που αποτελούν τους πόλους αφήνονται συνήθως χωρίς αυλακώσεις, όπως φαίνεται στο σχήμα παρακάτω (5-8). Είναι σαφές ότι οι πόλοι που σχηματίζονται είναι μη-εμφανείς δηλαδή, δεν προεξέχουν έξω από την επιφάνεια του ρότορα. Οι Εναλλακτήρες υψηλής ταχύτητας ( rpm) οδηγούνται από τουρμπίνες ατμού και χρησιμοποιούν ρότορες κυλινδρικούς (μη εμφανών πόλων) και αυτό οφείλεται στους εξής λόγους: 1. Αυτός ο τύπος κατασκευής έχει μηχανική αντοχή και δίνει αθόρυβη λειτουργία σε υψηλές ταχύτητες. 2. Η κατανομή μαγνητικής ροής γύρω από την περιφέρεια είναι σχεδόν ένα ημιτονοειδές κύμα και συνεπώς λαμβάνεται μια Η.Ε.Δ. καλύτερης κυματομορφής, απ ότι στην περίπτωση του ρότορα με εμφανείς πόλους. Δεδομένου ότι οι τουρμπίνες ατμού λειτουργούν σε υψηλή ταχύτητα και απαιτείται συχνότητα Hz, θα χρειάζονται ένα μικρό αριθμό πόλων στον ρότορα των εναλλακτήρων υψηλής ταχύτητας (ονομάζονται στροβιλοεναλλακτήρες). Κατά συνέπεια, οι στροβιλοεναλλακτήρες διαθέτουν 2 ή 4 πόλους και έχουν μικρή διάμετρο και πολύ μεγάλα μήκη άξονα. Τύλιγμα οπλισμού των εναλλακτήρων Σχήμα 5-8 Αγαπίου Ειρήνη Α.Μ Σελίδα 9

10 Με πολύ λίγες εξαιρέσεις, οι εναλλακτήρες είναι μηχανές 3-φάσεων λόγω των πλεονεκτημάτων του δικτύου 3-φάσεων για την παραγωγή, μεταφορά και διανομή. Οι περιελίξεις για ένα εναλλακτήρα είναι πολύ απλούστερες από αυτή των μηχανών συνεχούς ρεύματος, λόγω του ότι δεν χρησιμοποιείται συλλέκτης. Αγαπίου Ειρήνη Α.Μ Σελίδα 10

11 ΕΠΙΛΟΓΟΣ Βγαζοντας ένα τελικό συμπέρασμα, οι γεννήτριες είναι μέρος της ζωής μας και μια πλεόν αρκετά απλή αλλά και ταυτόχρονα περίπλοκη ηλεκτρική μηχανή που αποτελείται από απλά εξαρτήματα και με την βοήθεια της φυσικής και της κινητικής ενέργειας έχουμε αυτό το εκπληκτικό αποτέλεσμα. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Σύγχρονες γεννήτριες (Synchronous Generators) Stephen J. Chapman Ηλεκτρικές μηχανές 4 η έκδοση Εκδόσεις ΤΖΙΟΛΑ Αγαπίου Ειρήνη Α.Μ Σελίδα 11