Ηλεκτρικές Μηχανές ΙI Ενότητα 2: Αρχή λειτουργίας σύγχρονων Γεννητριών Τσιαμήτρος Δημήτριος Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών Τ.Ε
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
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
Σκοποί ενότητας Κατανόηση αρχής λειτουργίας και πεδίων σύγχρονης γεννήτριας. 4
Περιεχόμενα ενότητας Πεδίο στάτη. Πεδίο δρομέα. Διαγράμματα. 5
ΓΕΝΙΚΑ ΠΕΡΙ ΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ ΙΣΧΥΟΣ (1) Στις μεγάλες στροβιλογεννήτριες με ένα ζεύγος πόλων, λόγω της μεγάλης γωνιακής ταχύτητας περιστροφής, εφαρμόζονται τεράστιες φυγόκεντρες δυνάμεις. Αν θεωρήσουμε μια διάμετρο δρομέα 1,273 m, η ταχύτητα στην περιφέρεια είναι υ=ωr=3000*(2π/60)*(1,273/2)=200 m/s = 720 km/h. Έτσι χρειάζεται ιδιαίτερη προσοχή στα τυλίγματα της διέγερσης του δρομέα, που πρέπει να στερεωθούν καλά. 6
ΓΕΝΙΚΑ ΠΕΡΙ ΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ ΙΣΧΥΟΣ (2) Λόγω των θερμικών απωλειών που δημιουργούνται στο χαλκό (3Ι 2 R) και στο σίδηρο (δινορεύματα), απαιτείται ψύξη φυσική ή βεβιασμένη με αέρα ή άλλα ψυκτικά μέσα. Η ισχύς εξόδου μιας γεννήτριας προσδιορίζει τον τρόπο ψύξης της. Σε γεννήτριες εκτύπων πόλων το πρόβλημα της ψύξης λύνεται εύκολα με βεβιασμένη κυκλοφορία αέρα, γιατί η πυκνότητα παραγωγής θερμότητας είναι μικρή. 7
ΓΕΝΙΚΑ ΠΕΡΙ ΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ ΙΣΧΥΟΣ (3) Αντίθετα στις στροβιλογεννήτριες, η πυκνότητα παραγωγής θερμότητας είναι μεγάλη και η προσφερόμενη επιφάνεια προς ψύξη είναι μικρή. Σε στροβιλογεννήτριες με ισχύ ως 40 MVA αρκεί η ψύξη με αέρα. Σε ισχύ πάνω από 40 MVA και ως 200 MVA χρησιμοποιείται το υδρογόνο με αυξημένη πίεση ως ψυκτικό μέσο. 8
ΓΕΝΙΚΑ ΠΕΡΙ ΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ ΙΣΧΥΟΣ (4) Για πιο μεγάλες ισχύεις γίνεται επιπλέον ψύξη του στάτη με νερό. Το νερό οδηγείται μέσα στους αγωγούς των τυλιγμάτων. Αυτή η ψύξη ονομάζεται άμεση. Φυσικά αυτοί οι αγωγοί διαθέτουν κανάλια μέσα στα οποία ρέει το ψυκτικό μέσο. Στο δρομέα δεν συμβαίνει κάτι τέτοιο, λόγω τεχνικών προβλημάτων (κίνηση του δρομέα). Σε γεννήτριες πολύ μεγάλης ισχύος (1000MVA) ψύχεται και το μαγνητικό κύκλωμα του στάτη με λάδι. 9
ΓΕΝΙΚΑ ΠΕΡΙ ΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ ΙΣΧΥΟΣ (5) Ένας άλλος τρόπος μείωσης των απωλειών Joule (3RI 2 ) είναι η ελάττωση της αντίστασης στο εναλλασσόμενο ρεύμα. Οι αγωγοί των τυλιγμάτων του στάτη δεν είναι συμπαγείς, αλλά αποτελούνται από πολλούς ελικοειδώς περιεστραμμένους αγωγούς (αγωγοί Roebel). Η ονομαστική τάση των σύγχρονων γεννητριών κυμαίνεται από 6,3-27 kv, ανάλογα με την ονομαστική τους ισχύ S N. Τα αντίστοιχα ρεύματα κυμαίνονται από μερικά ως 30 ka. 10
ΓΕΝΙΚΑ ΠΕΡΙ ΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ ΙΣΧΥΟΣ (6) Σχήμα 1. Στρώσεις τυλιγμάτων με ψύξη, Πηγή : «Συστήματα Ηλεκτρικής Ενέργειας», Ντοκόπουλος Π. Εκδόσεις Ζήτη. 11
ΓΕΝΙΚΑ ΠΕΡΙ ΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ ΙΣΧΥΟΣ (7) Σχήμα 2. Διαστάσεις σύγχρονης γεννήτριας, Πηγή : «Συστήματα Ηλεκτρικής Ενέργειας», Ντοκόπουλος Π. Εκδόσεις Ζήτη. 12
ΤΟ ΠΕΔΙΟ ΤΩΝ ΡΕΥΜΑΤΩΝ ΤΟΥ ΣΤΑΤΗ (1) Concept (two poles) A Stator with laminated iron-core C Rotor with dc winding B C - A - + C N S B + B A - + Slots with winding Σχήμα 3. Πεδίο Στάτη, Πηγή : «Εργαστηριακές Ασκήσεις Ηλεκτρικών Μηχανών Συνεχούς και Εναλλασσομένου Ρεύματος», Ν. Σκραπαρλής, Β. Μολασιώτης, Δ. Τσιαμήτρος. 13
ΤΟ ΠΕΔΙΟ ΤΩΝ ΡΕΥΜΑΤΩΝ ΤΟΥ ΣΤΑΤΗ (2) Όπως είπαμε, το μαγνητικό πεδίο του δρομέα είναι σταθερό, ως προς έναν παρατηρητή που βρίσκεται πάνω στο δρομέα. Ως προς μία σπείρα όμως στο στάτη, το πεδίο αυτό περιστρέφεται με γωνιακή ταχύτητα ω. Ή διαφορετικά, για να προχωρήσουμε στη θεωρητική ανάλυση, είναι σαν να περιστρέφεται η σπείρα με γωνιακή ταχύτητα ω, δηλαδή αντίστροφα και να μένει σταθερό το πεδίο του δρομέα. 14
ΤΟ ΠΕΔΙΟ ΤΩΝ ΡΕΥΜΑΤΩΝ ΤΟΥ ΣΤΑΤΗ (3) Σχήμα 4. Απλό Πεδίο Στάτη με ένα τύλιγμα δρομέα, Πηγή: «Εργαστηριακές Ασκήσεις Ηλεκτρικών Μηχανών Συνεχούς και Εναλλασσομένου Ρεύματος», Ν. Σκραπαρλής, Β. Μολασιώτης, Δ. Τσιαμήτρος. - L είναι το μήκος του ενεργού αγωγού. - D είναι το πλάτος του πλαισίου. - Β η μαγνητική επαγωγή. - Ν είναι ο αριθμός των σπειρών της κάθε φάσης. - n είναι η ταχύτητα περιστροφής σε rpm. - ω=2πn. 15
ΤΟ ΠΕΔΙΟ ΤΩΝ ΡΕΥΜΑΤΩΝ ΤΟΥ ΣΤΑΤΗ (4) Σχήμα 5. Απλό Πεδίο Στάτη με ένα τύλιγμα δρομέα, Πηγή : «Εργαστηριακές Ασκήσεις Ηλεκτρικών Μηχανών Συνεχούς και Εναλλασσομένου Ρεύματος», Ν. Σκραπαρλής, Β. Μολασιώτης, Δ. Τσιαμήτρος. Όταν το πεδίο είναι κάθετο στο πλαίσιο, η μαγνητική ροή διαμέσου της σπείρας είναι Φ=ΒDL. Μετά από χρόνο t το πλαίσιο στράφηκε κατά γωνία ωt, άρα η μαγνητική ροή τώρα είναι Φ=ΒDLcos(ωt). 16
ΤΟ ΠΕΔΙΟ ΤΩΝ ΡΕΥΜΑΤΩΝ ΤΟΥ ΣΤΑΤΗ (5) Σχήμα 6. Απλό Πεδίο Στάτη με ένα τύλιγμα δρομέα, πεδίο ως προς το χρόνο, Πηγή: «Εργαστηριακές Ασκήσεις Ηλεκτρικών Μηχανών Συνεχούς και Εναλλασσομένου Ρεύματος», Ν. Σκραπαρλής, Β. Μολασιώτης, Δ. Τσιαμήτρος. Η επαγόμενη τάση είναι: V t = dφ(t) dt = BD L d cos ωt dt = BDLω sin ωt 17
ΤΟ ΠΕΔΙΟ ΤΩΝ ΡΕΥΜΑΤΩΝ ΤΟΥ ΣΤΑΤΗ (6) Άρα στη μία σπείρα μιας φάσης επάγεται ημιτονοειδής τάση με ενεργό τιμή: V rms = BDLω 2 Εφόσον οι αντίστοιχες σπείρες των άλλων δύο φάσεων είναι τοποθετημένες σε γωνία 120 και 240 μοίρες σε σχέση με αυτή της πρώτης φάσης είναι εύλογο ότι η τάσεις που επάγονται στις φάσεις αυτές είναι ίδιες σε μορφή, εμφανίζουν όμως μια διαφορά φάσης 120 και 240 μοίρες αντίστοιχα. V 2 t = BDLω sin ωt 120 V 3 t = BDLω sin ωt 240 18
ΤΟ ΠΕΔΙΟ ΤΩΝ ΡΕΥΜΑΤΩΝ ΤΟΥ ΣΤΑΤΗ Concept (two poles)(7) A Stator with laminated iron-core C Rotor with dc winding B C - A - + C N S B + B A - + Slots with winding Σχήμα 7. Πεδίο Σύγχρονης Γεννήτριας, Πηγή : «Εργαστηριακές Ασκήσεις Ηλεκτρικών Μηχανών Συνεχούς και Εναλλασσομένου Ρεύματος», Ν. Σκραπαρλής, Β. Μολασιώτης, Δ. Τσιαμήτρος. Όμως η κάθε φάση αποτελείται από περισσότερες από μία σπείρες, οι οποίες είναι χωρικά μετατοπισμένες, κατά μία γωνία α, όπως φαίνεται στο σχήμα. 19
ΤΟ ΠΕΔΙΟ ΤΩΝ ΡΕΥΜΑΤΩΝ ΤΟΥ ΣΤΑΤΗ (8) Αυτό σημαίνει ότι αν κάνουμε την ίδια διαδικασία για την επόμενη σπείρα κάθε φάσης, αυτό που αλλάζει στους προηγούμενους τύπους είναι ότι η μαγνητική επαγωγή B γίνεται Βsinα. V t = B sin a D L ω sin ωt 20
ΤΟ ΠΕΔΙΟ ΤΩΝ ΡΕΥΜΑΤΩΝ ΤΟΥ ΣΤΑΤΗ (9) Άρα, η τάση στα άκρα της μίας φάσης προκύπτει από την άθροιση- ολοκλήρωση των τάσεων της κάθε σπείρας της κατά ένα τμήμα της περιφέρειας του κύκλου. Στη στάσιμη κατάσταση λειτουργίας και όχι εν κενώ, κυκλοφορεί ένα ημιτονοειδές ρεύμα στα τυλίγματα της φάσης και έτσι παράγεται το μαγνητικό πεδίο της φάσης, που έχει μορφή όμοια με την επαγόμενη τάση της (μετά την ολοκλήρωση όπου το ολοκλήρωμα του sinα είναι το cosα): Β L1 =Β o cosα cosωt 21
ΤΟ ΠΕΔΙΟ ΤΩΝ ΡΕΥΜΑΤΩΝ ΤΟΥ ΣΤΑΤΗ (10) Άρα το μαγνητικό πεδίο της κάθε φάσης είναι στάσιμο κύμα. Δηλαδή για γωνία α=90 και 270 μοίρες, το πεδίο Β είναι πάντα μηδέν ανεξαρτήτως του χρόνου. Για άλλες γωνίες α αλλάζει η τιμή του Β. 22
ΤΟ ΠΕΔΙΟ ΤΩΝ ΡΕΥΜΑΤΩΝ ΤΟΥ ΣΤΑΤΗ (11) Σχήμα 8. Μεταβολή πεδίου ως προς γωνία α, Πηγή : «Συστήματα Ηλεκτρικής Ενέργειας», Ντοκόπουλος Π. Εκδόσεις Ζήτη. Άρα, δεν περιστρέφεται ο μαγνητικός άξονας του πεδίου. 23
ΤΟ ΠΕΔΙΟ ΤΩΝ ΡΕΥΜΑΤΩΝ ΤΟΥ ΣΤΑΤΗ (12) Σχήμα 9. Μεταβολή πεδίου ως προς χρόνο, Πηγή : «Συστήματα Ηλεκτρικής Ενέργειας», Ντοκόπουλος Π. Εκδόσεις Ζήτη. Αν όμως αθροιστούν διανυσματικά τα μαγνητικά πεδία και των τριών φάσεων, η συνισταμένη τους μεταβάλλεται με το χρόνο χωρίς να είναι στάσιμο κύμα. Άρα ο μαγνητικός άξονας του πεδίου και των τριών φάσεων περιστρέφεται και μάλιστα με γωνιακή ταχύτητα ίση με αυτή του δρομέα. Υπάρχει ένα ζεύγος μαγνητικών πόλων από μία τριάδα τυλιγμάτων. 24
ΤΟ ΠΕΔΙΟ ΤΩΝ ΡΕΥΜΑΤΩΝ ΤΟΥ ΣΤΑΤΗ (13) Σχήμα 10. Ολικό πεδίο σύγχρονης γεννήτριας, Πηγή: «Συστήματα Ηλεκτρικής Ενέργειας», Ντοκόπουλος Π. Εκδόσεις Ζήτη. 25
ΤΟ ΠΕΔΙΟ ΤΩΝ ΡΕΥΜΑΤΩΝ ΤΟΥ ΣΤΑΤΗ (14) Αν αντί για μία τριάδα τυλιγμάτων υπήρχαν p τριάδες τυλιγμάτων: Τότε η κάθε τριάδα καταλαμβάνει μικρότερο τμήμα της περιφέρειας του στάτη (2π/p). Αν λοιπόν ο δρομέας περιστραφεί με την ίδια ταχύτητα ω, θα ολοκληρωθεί ένα πέρασμα από τη μία τριάδα σε λιγότερο χρόνο. 26
ΤΟ ΠΕΔΙΟ ΤΟΥ ΔΡΟΜΕΑ ΚΑΙ ΤΟΥ ΔΙΑΚΕΝΟΥ (1) Σχήμα 11. Ολικό πεδίο σε απλή σύγχρονη γεννήτρια, Πηγή: «Συστήματα Ηλεκτρικής Ενέργειας», Ντοκόπουλος Π. Εκδόσεις Ζήτη. Εκτός από τη διαφορετική περιστροφική ταχύτητα του δρομέα από αυτή της επαγόμενης τάσης στο στάτη, είναι προφανές ότι ο δρομέας έχει τόσα ζεύγη πόλων όσες και οι τριάδες των τυλιγμάτων. 27
ΤΟ ΠΕΔΙΟ ΤΟΥ ΔΡΟΜΕΑ ΚΑΙ ΤΟΥ ΔΙΑΚΕΝΟΥ (2) Όταν η γεννήτρια δεν έχει φορτίο, δεν κυκλοφορεί ρεύμα στο στάτη και το μοναδικό πεδίο στη μηχανή είναι το πεδίο του δρομεά. Τότε επάγεται τάση στα τρία άκρα των τυλιγμάτων της γεννήτριας Ε α. Όταν συνδεθεί τριφασικό φορτίο στα τυλίγματα, το μαγνητικό πεδίο του στάτη αθροίζεται διανυσματικά με το πεδίο του δρομέα και παράγεται το πεδίο του διακένου. 28
ΤΟ ΠΕΔΙΟ ΤΟΥ ΔΡΟΜΕΑ ΚΑΙ ΤΟΥ ΔΙΑΚΕΝΟΥ (3) Όπως βλέπουμε, το πεδίο του στάτη ουσιαστικά μειώνει το πεδίο του δρομέα. Άρα και η τάση στην έξοδο της γεννήτριας υπό φορτίο είναι μικρότερη από την τάση εν κενώ. Η διαφορά τους είναι ανάλογη του ρεύματος των τυλιγμάτων του στάτη και εκφράζεται ως πτώση τάσης σε μία αντίδραση. 29
ΤΟ ΠΕΔΙΟ ΤΟΥ ΔΡΟΜΕΑ ΚΑΙ ΤΟΥ ΔΙΑΚΕΝΟΥ (4) Σχήμα 12. Ολικό πεδίο σε απλή σύγχρονη γεννήτρια, Πηγή : «Συστήματα Ηλεκτρικής Ενέργειας», Ντοκόπουλος Π. Εκδόσεις Ζήτη. 30
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. 31
Τέλος Ενότητας.
Σημείωμα Αναφοράς Copyright ΤΕΙ Δυτικής Μακεδονίας, Πουλάκης. «Ηλεκτρομαγητισμός». Έκδοση: 1.0. Κοζάνη 2015. Διαθέσιμο από τη δικτυακή διεύθυνση: URL. 33
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] http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/ 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. 34
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. 35
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. 36