Generatorji in transformatorji

Transcript

1 Laboratorijska vaja 1 Ime in priimek: Datum in ura: Ocena poročila: Besedilo naloge Trifazni sinhronski generator avtomatsko sinhronizirajte na omrežje. generatorskem in motorskem režimu delovanja sinhronskega stroja izvedite meritve električnih količin pri obratovalnih stanjih z različnimi vrednostmi in značaji faktorjev delavnosti. Izdelajte švedski diagram in vanj vrišite obratovalna stanja generatorja, za motorska obratovanja pa narišite kazalčni diagram. Grafično dobljene rezultate primerjajte z izmerjenimi. 1 ezalni načrt L1 L2 L3 f SINHRONIZCIJSKO STIKLO SINHRONOSKOP f W W DIGITLNI MERILNIK ELEKTRIČNIH KOLIČIN W W 1 1 F1 F2 EM = SG 3 F1 F2 F1 F2 EG = M RPM RPM L1 L2 L3 L1 L2 L3 L1 L2 L3 Slika 1: ezalni načrt za meritve obratovalnih stanj sinhronskega stroja. GIT_1_17.DOC 1-1

2 2 Opis merilnih metod 2.1 vtomatska sinhronizacija Pred priklopom sinhronskega stroja na omrežje, je potrebno izvesti postopek sinhronizacije, ki zagotovi izpolnitev pogojev za uspešno sinhronizacijo: 1. efektivni napetosti sinhronskega stroja in omrežja morata biti enaki, 2. frekvenci obeh sistemov morata biti enaki, 3. zaporedji faz obeh sistemov morata biti enaki, 4. napetosti istih faz obeh sistemov morajo biti v fazi. Postopek sinhronizacije se lahko izvede ročno ali avtomatsko. Ključni sestavni del sistema za avtomatsko sinhronizacijo je sinhronizator. To je naprava, ki na podlagi merjenja časovnega poteka napetosti obeh električnih sistemov (omrežje/generator), izdaja ukaze za spreminjanje hitrosti in napetosti generatorja ter izda ukaz za vklop sinhronizacijskega stikala. vtomatski sinhronizatorji so komercialno dobavljivi. To so naprave z ustreznimi merilnimi ter vhodnimi in izhodnimi kanali, same periferne enote (merilni pretvorniki, napetostni in hitrostni regulator, vhodna in izhodna stikala idr.) pa je potrebno ustrezno izbrati oz. izdelati glede na lastnosti in nazivne vrednosti sistema, ki se ga želi sinhronizirati. našem primeru je kot sinhronizator uporabljena naprava BB Synchrotact 5 SYN 5202 (donacija BB Slovenija). Na sliki 2 je shema celotnega Ward Leonardovega (WL) pogona in sistema za avtomatsko sinhronizacijo. Trifazna napetostna merilna transformatorja sta izvedena z dvema enofaznima transformatorjema v vezavi. Sinhronizator ima za avtomatsko vodenje sinhronizacije pet relejskih izhodov: + in - (višanje in nižanje napetosti), f+ in f- (večanje in manjšanje frekvence) ter izhod ORDER, preko katerega se vključi sinhronizacijko stikalo (kontaktor). L1 L2 L3 N NPETOSTNI MERILNI TRNSFORMTOR SINHRONIZCIJSKI KONTKTOR GEN OMR ORDER BB SYN 5202 L1 + - f+ f- I+ I- TOMTSKI SINHRONIZTOR 3-FZNI KRMILJENI SMERNIK SG EG EM MIKROKRMILNIŠKI PRETORNIK SIGNLO L1 L2 L3 L1 L2 L3 L1 L2 L3 Slika 2: Ward Leonardov pogon s sistemom za avtomatsko sinhronizacijo sinhronskega stroja na omrežje. Izhodi sinhronizatorja so v praksi načeloma vezani na regulatorja hitrosti (turbinski regulator) in napetosti (regulator vzbujanja), ki sta običajno sestavna dela postroja v elektrarni. Zaradi 1-2

3 posebnosti našega pogona (WL sistem), pa izhodi sinhronizatorja krmilijo usmernika za napajanje vzbujalnih navitij enosmernega generatorja (nastavljanje hitrosti) in sinhronskega stroja (nastavljanje napetosti). 2.2 Obratovalna stanja sinhronskega generatorja Po sinhronizaciji na omrežje, na generatorju nastavimo pet obratovalnih stanj. Pri vseh bomo generator nazivno obremenili (I = I n), različen bo le faktor delavnosti (cosϕ) in sicer: cosϕ 1 cosϕ 2 cosϕ 3 cosϕ 4 cosϕ 5 0,65 (L) 0,9 (L) 1,0 0,9 (C) 0,65 (C) Napetost bo pri vseh obratovalnih stanjih približno enaka, saj jo določa omrežje na katero je generator priključen. elikost delovne moči sinhronskega generatorja nastavljamo z velikostjo mehanske moči na gredi (v našem primeru gre za spreminjanje napetosti na pogonskem enosmernem motorju), na velikost jalove moči pa vplivamo z velikostjo vzbujalnega toka sinhronskega generatorja. Kot pomoč za lažje nastavljanje si za vsako merilno točko izračunamo predvideno električno delovno moč, saj le-to lahko spremljamo na merilnem instrumentu: P = S cosϕ (1) n Kazalčni diagram na sliki 3 prikazuje, kako se pri obratovanju generatorja z nazivno (navidezno) močjo, manjša vzbujalni tok (E 0 ), ko se značaj bremena spreminja od induktivnega preko ohmskega do kapacitivnega značaja. Pri vsakem obratovalnem stanju izmerimo vse električne količine na statorskem navitju (, I, P) ter rotorski vzbujalni tok (). E 01 I X 1 S I X 5 S I 5 C ϕ 5 L ϕ 1 I 1 E Slika 3: Poenostavljen kazalčni diagram sinhronskega generatorja pri nazivnem obratovanju z različnimi značaji bremen. Na osnovi karakteristik in delovnih točk, ki so podani v prilogi, narišemo švedski diagram in s pomočjo diagrama še grafično določimo vzbujalne toke za ista obratovalna stanja generatorja kot pri meritvah (slika 4). Postopek risanja diagrama in določanja vzbujalnega toka je opisan v literaturi [1], katere poglavje je dostopno na spletni strani predmeta. 1-3

4 E, I k KPT obrem. karak. za I=I n,cosϕ L =0 n B 2 7 E I n (1-1.1) k 5 KKS ϕ k (pri cosϕ) 3 C L (I = I n, cosϕ L = 0) Slika 4: Primer določanja vzbujalnega toka sinhronskega generatorja s švedskim diagramom. Številke označujejo zaporedje pri risanju diagrama. Grafično dobljene vrednosti vzbujalnih tokov v tabeli primerjamo z izmerjenimi. Ker je v vseh obratovalnih stanjih bremenski tok enak nazivnemu, narišemo vsa obratovalna stanja v en švedski diagram. Ko sinhronski stroj deluje kot generator, je pretok moči v uporabljenem postroju tak, kot je prikazan na sliki 5. OMREŽJE P el3 P el1 P meh2 P el2 P meh1 SG EM EG M Slika 5: Pretok moči v postroju, ko sinhronski stroj obratuje kot generator Opazovanje kolesnega kota Kot med napetostjo E 0 in imenujemo kolesni kot (δ - slika 3). Kolesni kot predstavlja kot med fizičnim položajem rotorja in rezultirajočim magnetnim poljem v stroju. Pomemben je zato, ker nam podaja informacijo o stabilnosti obratovanja. Pri sinhronskih strojih s cilindričnim rotorjem je navor in s tem mehanska oz. delovna moč največja takrat, ko je kolesni kot 90, saj velja, da je navor: M = M sin max δ. (1) Moč pri kolesnem kotu 90 imenujemo omahna delovna moč (P om), saj sinhronski stroj s cilindričnim rotorjem obratuje stabilno, ko je kolesni kot manjši od 90. Če le-ta preseže 90, rotor pade iz sinhronizma, saj je takrat pogonski navor večji od navora generatorja (slika 6). Zaradi zagotavljanja varnega in stabilnega obratovanja, generatorji nazivno obratujejo pri kolesnem kotu, ki je manjši od maksimalnega. 1-4

5 I X s I δ ϕ E 0 Slika 6: Kazalčni diagram obratovanja sinhronskega generatorja pri mejnem kolesnem kotu (δ = 90 ). Kolesni kot lahko opazujemo in merimo s stroboskopom, ki je sinhroniziran na frekvenco statorsko napetosti in osvetljuje vrtečo gred sinhronskega stroja. Zaradi sinhronizma med frekvenco napetosti in vrtenjem rotorja slika značke na gredi miruje, pri obremenitvah stroja pa se premakne sorazmerno z vrednostjo kolesnega kota. Pri tem je potrebno poudariti, da s to metodo opazujemo mehanski kolesni kot (δ meh), ta pa se lahko razlikuje od električnega (δ), ki ga omenjamo pri obravnavi sinhronskega stroja. Mehanski kolesni kot je za število polovih parov stroja (p) manjši od električnega, tako da sta v primeru dvopolnega stroja (p = 1) oba kota enaka: δ δ meh =. (2) p 2.3 Obratovalna stanja sinhronskega motorja Sinhronski stroj bomo uporabili kot motor. Da dosežemo to obratovalno stanje, je potrebno spremeniti smer pretoka mehanske energije, ki jo v primeru generatorskega obratovanja sinhronskemu stroju dovajamo z enosmernim motorjem. Ta enosmerni stroj postane generator, ki ga žene mehanska moč sinhronskega stroja. Smer pretoka električne energije v enosmernem tokokrogu (EM-EG) določata višini induciranih napetosti obeh strojev. Ko sinhronski stroj obratuje kot generator, je inducirana napetost EG višja od tiste v EM, zato moramo doseči obratno stanje, če želimo, da sinhronski stroj pravzame motorsko funkcijo. To dosežemo z znižanjem vzbujanja EG ali povečanjem vzbujanja EM. Ko SS obratuje kot motor mora asinhronski stroj, ki je prej deloval kot motor, obratovati kot generator in vračati energijo v omrežje. To se nazorno vidi tudi na tahometru, ki meri hitrost asinhronskega stroja, saj je vrtilna hitrost rotorja v tem primeru višja od sinhronske. Primarne funkcije strojev, za katere veljajo tudi nazivni podatki, podani na napisnih tablicah, so v tem primeru ravno nasprotne in pretok moči je v postroju usmerjen v drugo smer (slika 7). OMREŽJE P el1 P el3 P meh1 P el2 P meh2 SG (SM) EM (EG) EG (EM) M (G) Slika 7: Pretok moči v postroju, ko sinhronski stroj obratuje kot motor. 1-5

6 Sinhronskemu motorju bomo izmerili tri obratovalna stanja pri katerih bo vrednost statorskega toka znašala dve tretjini nazivnega (I = 2/3 I n), faktor delavnosti pa bo: cosϕ 1 cosϕ 2 cosϕ 3 0,8 (L) 1,0 0,8 (C) porabimo enake oznake kot pri generatorju in izmerimo električne količine na statorskem navitju sinhronskega motorja (, I, P) ter vzbujalni tok (). Na osnovi izmerjenih električnih količin in karakteristike prostega teka narišemo poenostavljen kazalčni diagram za vsa tri obratovalna stanja sinhronskega motorja (slika 8). Izračunamo fazni kot ϕ in narišemo kazalca in I, pri čemer uporabimo ustrezno merilo, tako da bodo dolžine kazalcev sorazmerne relativnim vrednostim količin (normirane na nazivne vrednosti). Sedaj poznamo tudi smer kazalca padca napetosti na sinhronski reaktanci, ker pa vrednosti sinhronske reaktance ne poznamo, bomo vrh dobili tako, da s šestilom narišemo krožnico z dolžino inducirane napetosti E 0. I X s E 0 δ ϕ I C L Slika 8: Kazalčni diagram sinhronskega motorja. Karakteristika prostega teka (KPT) sicer podaja odvisnost inducirane napetosti sinhronskega stroja od vzbujalnega toka, vendar njeno področje ponavadi ne pokrije vrednosti vzbujalnih tokov, ki nastopajo, ko je sinhronski stroj obremenjen. Če bi karakteristiko prostega teka merili do nazivnega vzbujalnega toka, bi prišli globoko v področje magnetnega nasičenja, takšne pa niso dejanske magnetne razmere pri obremenjenem stroju, saj je zaradi reakcije indukta, magnetenje v stroju dosti manjše. kolikor je statorska napetost konstantna, kar je zagotovljeno pri obratovanju sinhronskega stroja na togem omrežju, je tudi rezultirajoči magnetni pretok v stroju konstanten. To pomeni, da lahko magnetno nelinearnost karakteristike zanemarimo in za za določanje velikosti fiktivne inducirane napetosti E 0 tako uporabimo linearno karakteristiko prostega teka, ki jo na KPT določa nazivna napetost (slika 9): = ki. (3) n v0 Z izmerjenim vzbujalnim tokom in linearno KPT določimo velikost kazalca E 0: E0 = kiv, (4) s pomočjo katerega narišemo kazalčni diagram sinhronskega stroja. 1-6

7 E KPT n Linearna KPT 0 0 Slika 9: Izmerjena in linearna karakteristika prostega teka. 3 prašanja za razmislek a) Zakaj imajo sinhronski generatorji podan nazivni cosϕ? li generator lahko obratuje z drugačnim faktorjem moči? b) li lahko sinhronski stroj deluje istočasno kot motor in kompenzator jalove energije? c) Kako v uporabljenem postroju ugotovimo, da sinhronski stroj deluje kot motor? 4 Literatura [1] F. včin, P. Jereb, Preizkušanje električnih strojev, Tehniška založba Slovenije, [2] Damijan Miljavec, Peter Jereb, Električni stroji - temeljna znanja, FE, Ljubljana, [3] I. Zagradišnik, B. Slemnik, Električni rotacijski stroji, FERI, Maribor, Nevarnosti pri delu POZOR, NERNOST ELEKTRIČNEG DR! NPJLN IZMENIČN IN ENOSMERN NPETOST DO 400. MERILNO EZJE, INSTRMENTE IN NPRE EDNO EŽITE, PRIKLPLJJTE LI ODKLPLJJTE BREZNPETOSTNEM STNJ! MED MERITIJO SE NE DOTIKJTE MERILNIH EZI, PRIKLJČNIH SPONK IN MERJENC! POZOR, NERNOST OBLOK IN ISOKE INDCIRNE NPETOSTI! OB PREKINITI ENOSMERNIH TOKOKROGO OBSTJ MOŽNOST NSTNK ELEKTRIČNEG OBLOK IN INDCIRNJ ISOKIH NPETOSTI. 1-7

8 PRILOG - Merilni rezultati preizkusov sinhronskega stroja 1. Karakteristika prostega teka / 0 / 0 6,1 0,14 17,3 0,36 35,9 0,63 61,3 0,91 88,7 1,33 130,5 1,63 160,0 1,97 192,1 2,33 226,0 2,75 268,5 3,20 298,3 3,67 329,1 4,27 367,2 4,61 381,1 5,06 399,6 5,62 417,1 6,22 435,6 6,88 450,3 7,87 468,9 8,27 478,7 0 / / 2. Karakteristika kratkega stika / I k / 0 0,6 0,92 10,0 1,92 20,1 2,93 30,5 3,85 39,9 4,85 50,2 5,80 60,0 I k / / 3. Nazivna obremenitev s čistim induktivnim bremenom / I / cosϕ / ,3 1-8