Modeliranje električnih strojev

Transcript

1 Modeliranje električnih strojev J 11 Potierova reaktanca sinhronskega generatorja Ime in priimek: Datum in ura: Ocena poročila: 1 Besedilo naloge a) Trifaznemu sinhronskemu generatorju določite Potierovo reaktanco. b) Sinhroniziran generator nazivno obremenite in izmerite vzbujalni tok. Izdelajte švedski diagram in z njim določite vzbujalni tok za nazivno obratovalno stanje. Rezultat primerjajte z meritvijo. 2 ezalni načrt L1 L2 f SINHRONIZCIJSKO STIKLO SINHRONOSKOP f DIGITLNI MERILNIK ELEKTRIČNIH KOLIČIN 1 1 F1 F2 EM = SG 3 F1 F2 F1 F2 EG = M RPM RPM L1 L2 L1 L2 L1 L2 Slika 1: ezalni načrt za meritve prostega teka, kratkega stika in sinhronizacijo sinhronskega generatorja. 11-1

2 J 11 Potierova reaktanca sinhronskega generatorja 3 Opis merilnih metod Potierova reaktanca je pravzaprav stresana reaktanca sinhronskega stroja, a je za razliko od tiste pri transformatorju ali asinhronskem motorju ne moremo izmeriti le s preizkusom kratkega stika. Pri preizkusu kratkega stika sinhronskega stroja (I k = I n), napetosti na sponkah statorskega navitja seveda ni, inducirana napetost pa krije padca napetosti na upornosti navitja in stresani reaktanci. Padec na upornosti navitja je ponavadi dosti manjši, zato ga največkrat zanemarimo. Napetosti, ki krije oba padca, žal ne moremo izmeriti, saj je to inducirana napetost zaradi vrtenja vzbujanega rotorja in ne zunanja napajalna napetost, kot je to pri kratkem stiku transformatorja ali asinhronskega motorja. Za določitev Potierove reaktance potrebujemo: karakteristiko prostega teka (KPT), karakteristiko kratkega stika (KKS) oz. vrednost vzbujalnega toka k, pri katerem je kratkostični tok enak nazivnemu, vzbujalni tok L pri obremenitvi generatorja z nazivnim tokom I n pri cosϕ L = in = n. 3.1 Karakteristika prostega teka (KPT) Karakteristika prostega teka predstavlja odvisnost inducirane napetosti na odprtih sponkah generatorja ( ) od vzbujalnega toka () pri konstantnih nazivnih vrtljajih (n n). Pri tem preizkusu poženemo sinhronski stroj s pogonskim strojem in ga vrtimo s konstantnimi sinhronskimi vrtljaji. zbujanje zvišujemo in na statorskih sponkah merimo inducirano napetost. Zaradi magnetilne histereze železnega jedra, enosmernega vzbujalnega toka ne smemo zmanjševati, sicer dobimo deformirano karakteristiko prostega teka. Karakteristiko prostega teka uporabimo za konstrukcijo Potierovega diagrama. 3.2 Karakteristika kratkega stika (KKS) Ta karakteristika predstavlja odvisnost toka skozi kratko vezana statorska navitja (I k) od vzbujalnega toka () pri konstantnih nazivnih vrtljajih (n n). Sponke sinhronskega generatorja kratko sklenemo in generator vrtimo z nazivno hitrostjo. zbujalni tok povečujemo do vrednosti, ko doseže kratkostični tok velikost nazivnega I k = I n. Na podlagi KKS določimo potrebni vzbujalni tok, ki povzroči, da v statorskem navitju steče tok kratkega stika v velikosti nazivnega (k). n rem I k I k = I n n = n n = konst. Slika 2: Karakteristika prostega teka. k n = n n = konst. Slika 3: Karakteristika kratkega stika. 3.3 Obremenilna karakteristika pri cosϕ L = Obremenilna karakteristika sinhronskega generatorja podaja odvisnost napetosti na sponkah () od vzbujalnega toka () pri konstantnem bremenskem toku (I), konstantnem faktorju delavnosti toka (cosϕ) in nespremenljivih (sinhronskih) vrtljajih. Za konstrukcijo Potierovega diagrama je zanimiva obremenilna karakteristika pri čistem induktivnem toku v velikosti nazivnega (I = I n, cosϕ L = ). Iz te karakteristike dobimo potrebni vzbujalni tok L= za nazivno napetost na sponkah pri nazivnem toku. našem primeru bomo 11-2

3 J 11 Potierova reaktanca sinhronskega generatorja izmerili le to obratovalno točko, saj bomo lahko kasneje s Potierovim trikotnikom dobili celotno karakteristiko. Za meritev vzbujalnega toka L pri I = I n in cosϕ L =, je potrebno generator sinhronizirati na omrežje ter iz obratovanja v prostem teku (slika 4a) povečevati vzbujanje (nadvzbujen sinhronski generator), dokler ne dosežemo nazivne vrednosti induktivnega toka, ki teče v mrežo (slika 4b). Ko teče nazivni tok, delovna moč izmerjena z -metrom pa je enaka nič, smo dosegli želeno delovno točko. Izmerimo vrednost vzbujalnega toka L in jo uporabimo za konstrukcijo Potierovega trikotnika. E I X 2 s E 2 2 I v = I v (a) I = I v vl (b) ϕ 2 I = I 2 2n Slika 4: Poenostavljen kazalčni diagram sinhronskega generatorja (a) v prostem teku in (b) pri obremenitvi s čistim induktivnim bremenom(cosϕ 2 = ) Sinhroniziranje generatorja Sinhroniziranje generatorja na omrežje izvedemo, ko so predhodno izpolnjeni naslednji pogoji pri obeh sistemih: 1. efektivni vrednosti napetosti generatorja in omrežja morata biti enaki, 2. frekvenci obeh sistemov morata biti enaki, 3. med napetostmi istih faz ne sme biti faznega zamika, 4. smisla vrtenja vrtilnih polj obeh sistemov morata biti enaka. Točko 1 izpolnimo z ustreznim vzbujanjem sinhronskega generatorja, točki 2 in 3 pa s spreminjanjem hitrosti vrtenja. Če točka 4 ni izpolnjena, zamenjamo med seboj dve fazi. 3.4 Določanje Potierove reaktance Potierov padec napetosti predstavlja padec napetosti na stresani reaktanci sinhronskega stroja in je prisoten vedno, ko po statorskem navitju teče tok. Za izračun Potierove reaktance je potrebno določiti Potierov padec napetost, le-tega pa dobimo s konstrukcijo Potierovega trikotnika (BCD, slika 4) med karakteristiko prostega teka in obremenilno karakteristiko pri nazivni napetosti ( p = BD). 11-3

4 J 11 Potierova reaktanca sinhronskega generatorja i I k n karak. zračne reže D B p k KPT obrem. karak. za I n, cosϕ= C KKS I n D' ' B' C' k L (cosϕ=) Slika 5: Konstrukcija Potierovega trikotnika. Potierov trikotnik skonstruiramo v diagramu s KPT generatorja: 1. Na črti, ki določa nazivno napetost oz. napetost pri kateri stroj obratuje, narišemo točko C. Ta je določena z vrednostjo vzbujalnega toka, ko je generator obremenjen z nazivnim tokom pri čistem induktivnem karakterju bremena (cosϕ = ). 2. Od točke C odmerimo v levo vrednost kratkostičnega vzbujalnega toka (k) in dobimo točko. rednost k dobimo s preizkusom kratkega stika oz. odčitamo iz karakteristike kratkega stika generatorja. 3. Skozi točko potegnemo vzporednico k linearnemu delu KPT in na presečišču s KPT dobimo točko D. 4. Iz oglišča D narišemo še navpičnico, ki določa točko B. Razdalja med točkama B in D je Potierov padec napetosti ( p), ki ga uporabimo za izračun Potierove reaktance. Potierov padec napetosti največkrat podajamo kot relativno vrednost glede na nazivno napetost: p up =. (1) n bsolutna vrednost Potierove oz. stresane reaktance je: X p p =, (2) 3I n relativna vrednost x p pa je seveda enaka u p, saj velja: x p = Xp p 3I n p up Z = 3I = =. (3) osn n n n S pomočjo Potierovega trikotnika lahko enostavno določimo celotno obremenilno karakteristiko generatorja () pri nazivnem toku in čistem induktivnem značaju bremena, tako da trikotnik BCD, pripet na KPT v točki D, premikamo po KPT. Oglišče C pri tem opiše obremenilno karakteristiko. 11-4

5 3.5 Nazivno obratovalno stanje sinhronskega generatorja J 11 Potierova reaktanca sinhronskega generatorja Po sinhronizaciji na omrežje bomo na generatorju nastavili tudi nazivno obratovalno stanje. Ko sinhronski stroj deluje kot generator, je pretok moči v uporabljenem postroju tak, kot je prikazano na sliki 6. OMREŽJE P el3 P el1 P meh2 P el2 P meh1 SG EM EG M Slika 6: Pretok moči v postroju, ko sinhronski stroj obratuje kot generator. Pri nazivnem obratovalnem stanju izmerimo vse električne količine na statorskem navitju ( 2, I 2, P 2) ter vzbujalni tok (I 1). elikost delovne moči 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 vzbujalnim tokom sinhronskega generatorja (slika 7). E I X 2 s 2 I 2 δ ϕ 2 Slika 7: Poenostavljen kazalčni diagram sinhronskega generatorja s cilindričnim rotorjem pri nazivni obremenitvi (I2 = I2n, cosϕ2 = cosϕ2n). 3.6 Švedski diagram sinhronskega stroja Na osnovi izmerjenih karakteristik in delovnih točk pridobljenih za določanje Potierove reaktance ter z izmerjenimi podatki za nazivno obratovalno stanje, narišemo švedski diagram (glej literaturo in gradivo na spletni strani) in grafično določimo potrebni vzbujalni tok (slika 8). Dobljeno vrednost primerjamo z izmerjeno. 11-5

6 J 11 Potierova reaktanca sinhronskega generatorja E 2, I k KPT obrem. karak. za I=I n,cosϕ L = n B E I n (1-1.1) k KKS ϕ 2 k D (pri cosϕ 2 ) C L (I=I n, cosϕ L =) Slika 8: Primer določanja vzbujalnega toka sinhronskega generatorja s švedskim diagramom. 4 prašanja za razmislek a) Kaj je reakcija indukta pri sinhronskem stroju? b) Zakaj stresane (Potierove) reaktance sinhronskega stroja ne določimo s preizkusom kratkega stika kot pri transformatorju ali asinhronskem motorju? c) Kakšen bo vrstni red vklapljanja in nastavljanja električnih strojev v uporabljenem postroju za sinhronizacijo generatorja na omrežje. d) Zakaj je med nazivnimi podatki sinhronskega stroja podan tudi nazivni faktor moči (cosϕ)? 5 Literatura [1] F. včin, P. Jereb, Preizkušanje električnih strojev, Tehniška založba Slovenije, [2] Damijan Miljavec, Peter Jereb, Električni stroji - temeljna znanja, FE, Ljubljana, 28. [3] I. Zagradišnik, B. Slemnik, Električni rotacijski stroji, FERI, Maribor, Nevarnosti pri delu POZOR, NERNOST ELEKTRIČNEG DR! NPJLN IZMENIČN IN ENOSMERN NPETOST DO 4. 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. 11-6