Transcript Asinhrona (indukciona) mašina

Sinhrona mašina
(Synchronous machine)
EES Crne Gore
Dalekovodi 380kV
Dalekovodi 380kV
Osnovni elementi konstrukcije
Rotaciona električna mašina naizmjenične struje
 Reverzibilna rotaciona električna mašina – kao i ostale
rotacione električne mašine može raditi i u motornom i u
generatorskom režimu rada
 Tipični predstavnik električnih mašina velikih snaga
 UGLAVNOM RADI KAO GENERATOR
 Uvijek cilindričan stator na kom je postavljen trofazni
namotaj uglavnom spregnut u ZVIJEZDU
 Dvije različite konstrukcije rotora
 Jedna izvedba jeste sa cilindričnim rotorom –
TURBOGENERATOR
 Druga mogućnost je rotor sa istaknutim polovima –
HIDROGENERATOR

Osnovni elementi konstrukcije
U oba slučaja, na rotoru je postavljen pobudni
namotaj kroz koji se propušta jednosmjerna
struja
 Izvor jednosmjerne struje pobudnog namotaja je
generator jednosmjerne struje postavljen na istu
osovinu – tzv. pobudnica
 Pobudni namotaj ima za zadatak stvaranje
magnetskog polja u mašini
 Indukovana ems u namotajima statora e=Blv

Konstrukcija turbogeneratora
Cilindričan rotor, obično dvopolna mašina, p=1
U žljebove rotora postavljen pobudni namotaj
Rotor djelimično ožljebljen, neožljebljeni djelovi su rotorski
polovi
 Zbog velike ugaone brzine rotora (p=1 znači sinhronu brzinu
od 3000 obrtaja u minuti) ovi rotori su malog prečnika ali
velikih dužina
 Kod ovih mašina, iz navedenog razloga, između statora i
rotora se ostavlja prilično velik vazdušni procjep
 Širok vazdušni procjep znači i potrebu za velikim pobudnim
strujama



Konstrukcija turbogeneratora
Konstrukcija turbogeneratora
Rotor turbogeneratora, četvoropolni, 204 tone, dužina vazdušnog procjepa 120mm
Pobudna struja 11.2kA dobijena iz 600V DC brushless pobudnog generatora koji
se nalazi na istoj osovini
Konstrukcija turbogeneratora
Konstrukcija turbogeneratora
Konstrukcija turbogeneratora
Konstrukcija hidrogeneratora





Rotor sa istaknutim polovima, obično veliki broj
polova
Na istaknutim polovima namotan koncentrični
pobudni namotaj
Zbog malih ugaonih brzina rotora (npr za p=20
sinhrona brzina za 50Hz iznosi 150 obrtaja u
minuti) ovi rotori su velikog prečnika ali zato
relativno male aksijalne dužine
Kod ovih mašina je moguće ostaviti između
statora i rotora relativno mali vazdušni procjep
Manji vazdušni procjep znači i manju potrebnu
pobudnu struju
Konstrukcija hidrogeneratora
Stator hidrogeneratora, trofazni, 500MVA, cos=0.95, 15kV, 60Hz, 200 obr/min
Unutrašnji prečnik 9.25m, efektivna aksijalna dužina statora 2.35m, 378 žljebova
Konstrukcija hidrogeneratora
36 polova, 2400A pobudna struja napajana iz naponskog izvora od 330V, 600 tona
Dužina vazdušnog procjepa 33mm
Princip rada turbogeneratora 1
Posmatraćemo elementarni sinhroni dvopolni turbogenerator generator (p=1,
cilindrični rotor) u praznom hodu – namotaji statora otvoreni
 Kada kroz pobudni namotaj teče jednosmjerna struja, mms pobudnog namotaja
(Ff=NfIf) stvara magnetski fluks u mašini tj magnetsku indukciju Bf
 Rotiranjem rotora od strane pogonske mašine (parne turbine) u mašini se stvara
obrtno magnetsko polje, nastalo mehaničkom rotacijom magnetskih polova rotora
 U nepokretnim namotajima statora se tada indukuje ems na osnovu poznate
zakonitosti
de=dl(v x B) tj e=Blv
 Indukovana ems faznog (!!) namotaja statora je naizmjenična, istog oblika u vremenu
kao što je oblik talasa magnetskog polja u prostoru
 Učestanost indukovane ems zavisi od brzine presijecanja magnetskog polja sa
provodnicima statora i dobija se iz odranije poznatog izraza za sinhronu brzinu
 ns=60f/p
 f=pns/60
 Dakle, da bi dvopolni generator u namotajima statora indukovao ems učestanosti
50Hz njegov rotor treba stranom silom rotirati brzinom od 3000 obr/min
 Konstantna učestanost indukovane ems je jedan od najtvrđih zahtjeva u pogledu
kvaliteta električne energije tako da je održavanje konstantne brzine rotora sinhronog
generatora primarni cilj
 Mehanički regulatori

Princip rada turbogeneratora 2
Šta se dešava kada se generator optereti?
 Opterećivanjem generatora indukovane ems u faznim namotajima statora
(identične po magnitudi ali fazno pomjerene za 2/3) kroz trofazni namotaj
statora protjeraju naizmjenične struje
 Ako je opterećenje simetrično i struje su simetrične i kao i ems fazno
pomjerene za 2/3
 Fazno pomjerene struje u prostorno pomjerenim namotajima statora dovode
do pojave OBRTNOG MAGNETSKOG POLJA
 Ovo polje je uzrokovano ne mehaničkom rotacijom, kao što je to kod rotora
slučaj već naizmjeničnim strujama, fazno pomjerenim u prostorno
pomjerenim namotajima
 Brzina ovog obrtnog magnetskog polja je sinhrona brzina, definisana
učestanošću statorskih struja tj. brzinom rotacije rotora
 Dakle, obrtno magnetsko polje sa strane statora i ono sa strane rotora su
jedno u odnosu na drugo nepokretna – rotiraju istom, sinhronom brzinom
 Otud ime SINHRONA MAŠINA
 Princip “KAČENJA POLJA”

MMS rotora turbogeneratora 1
Slika prikazuje oblik mms cilindričnog rotora (indeks f od field, polje,
pobuda)
  je odnos ožljebljenog dijela rotora pod jednim polom i polnog
koraka
 Stepeničastu raspodjelu aproksimiramo linearnom raspodjelom Fs
 Ovu raspodjelu (trapez) razlažemo u Furijeov red
 Amplituda osnovnog harmonika je Ff1

Ff 
Nf If
2p


Fs  2
Ff


2
 
F f 1  2 sin  

 2
8F f
MMS rotora turbogeneratora 2


Uniforman vazdušni procjep, dakle, oblik raspodjele magnetske indukcije je
istog oblika kao raspodjela mms
 kf je koeficijent oblika pobudnog polja
Najčešća vrijednost za =3/4=0.75 kod sinhronih turbogeneratora jer je tada
najmanji sadržaj viših prostornih harmonika mms
 Tada je kf=1
 Magnetsko polje rotora je obrtno, nastalo mehaničkim obrtanjem rotora
0
B f  Ff

0
8
 
B f 1  Ff 1  2 sin   B f  k f B f


 2
kf 
Ff 1
Ff

8
 
sin
 
2
 2


b f  B f 1 cos x  t 


MMS rotora hidrogeneratora 1

Mms namotaja rotora se, zanemarujući magnetske padove napona
u gvožđu, troši na dva vazdušna procjepa (p=1)
 Po jednom polu, mms je upola manja
  je odnos širine pola pod jednim polom i polnog koraka, =bp/
 Ispod polova, tamo gdje je vazdušni procjep konstantan, oblik
magnetske indukcije je isti kao i oblik mms

Ff  Hdl  H  2  2 N f I f
C
Ff  H    N f I f
0
Bf 
Ff
0
MMS rotora hidrogeneratora 2


Prikazani oblik raspodjele magnetske indukcije je identičan obluku
mms
 Razvijamo ga u Furijeov red
 Data je amplituda osnovnog harmonika Bf1 i koeficijent oblika
pobudnog polja kf kao odnos amplitude osnovnog harmonika i visine
pravougaonika
Izborom širine pola može se postići raspodjela magnetske indukcije
sa niskim sadržajem viših prostornih harmonika (za =2/3 eliminiše
se treći harmonik i svi viši djeljivi sa tri)
 Dodatna mjera jeste oblikovanje polnog završetka
Bf 1 
4  
sin   B f
  2
4  
kf 
 sin  
Bf
  2
Bf1
0
 
 
cos  
 
Indukovana ems u namotaju
armature 1
Opisani talasi magnetske indukcije sa strane rotora tj pobudnog
namotaja, rotiraju zajedno sa rotorom i u namotajima armature na
statoru indukuju ems
 Izraz za indukovanu ems u distribuiranim namotajima na statoru
izveden je u prethodnom kursu i ovdje će biti samo ponovljen
 E je efektivna vrijednost osnovnog harmonika ems indukovane u
faznom namotaju statora
 f je učestanost u Hz a zavisi od brzine obrtanja rotora i broja pari
polova na rotoru
 Na je ukupan broj navojaka faznog namotaja statora (armatura)
 ka je navojni sačinilac statorskog namotaja koji u sebe uključuje
pojasni i tetivni navojni sačinilac
  je fluks po polu

E  4.44 fNa k a 
Indukovana ems u namotaju
armature 2
E  4.44 fNa k a 
pmNž
Na 
a
m 
sin

 z 2   sin y  
k a  k p  kt 


1 
  2
m sin

z 2
2
  Bm1l  Bsr l

Z
z
2p
z
Z
m 
q 2 pq
Reakcija armature 1
U režimu praznog hoda, dakle kada na izvode generatora nije priključen
potrošač, indukovana ems je poznata kao indukovana ems u PH i označava
se sa E0
 Ova ems je naizmjenična i prikazuje se fazorom u fazorskom dijagramu
 Ona kasni za /2 za fluksom koji ju je izazvao, fluksom pobudnog namotaja
f
 Ovaj fluks je, sa svoje strane, izazvan mms pobudnog namotaja Ff
 Mms pobudnog namotaja i fluks pobudnog namotaja djeluju po direktnoj osi
i tako se i crtaju u fazorskom dijagramu iako nijesu naizmjenične ali rotiraju
sinhronom brzinom!

Reakcija armature 2
Kada se na izvode generatora priključi potrošač tj kada
se generator optereti, kroz namotaj armature protekne
struja
 Ove trofazne struje stvore obrtnu mms sa strane statora
 Obrtna mms sa strane statora stvori svoj magnetski fluks
koji se sa fluksom pobude superponira, dajući rezultantni
magnetski fluks u mašini
 Ova pojava je poznata kao reakcija armature
 Reakcija armature zavisi od karaktera opterećenja kog
generator napaja
 To opterećenje može biti aktivno, potpuno induktivno ili
potpuno kapacitivno a najčešće “miješano” – pretežno
induktivno ili pretežno kapacitivno

Reakcija armature 3

Aktivno opterećenje – poprečna reakcija armature
 =0
Reakcija armature 4

Induktivno opterećenje – direktna demagnetišuća
reakcija armature
 =/2
Reakcija armature 5

Kapacitivno opterećenje – direktna magnetišuća reakcija
armature
 =/2
Reakcija armature 6


Mješovito opterećenje - pretežno induktivno opterećenje
Mms reakcije armature se razlaže na dvije komponente,
jednu po direktnoj, d-osi a jednu po porečnoj, q-osi
Fad  Fa sin
Faq  Fa cos 
Magnetsko polje reakcije armature
CILINDRIČNI ROTOR
 Magnetsko polje reakcije armature kod mašine sa
cilindričnim rotorom je identičnog oblika kao i mms
reakcije armature jer je vazdušni procjep stalan
 Efektivna širina vazdušnog procjepa u obzir uzima efekat
ožljebljenja statora i/ili rotora putem Carterovog
sačinioca kc
 Zasićenje zuba statora i/ili rotora se takođe može uzeti u
obzir preko odgovarajućeg faktora zasićenja kz
 Magnetsko polje reakcije armature je obrtno magnetsko
polje, tačnije Teslino obrtno magnetsko polje

0
0
Ba 
Fa 
Fa

kc k z 0
Magnetsko polje reakcije armature

ROTOR SA ISTURENIM POLOVIMA
 Magnetsko polje reakcije armature kod mašine sa
isturenim polovima na rotoru je mnogo složenije odrediti
u odnosu na prethodni slučaj
 Razlog je neravnomjerna širina vazdušnog procjepa
 To znači da talas magnetske indukcije neće pratiti oblik
talasa mms sem tamo gdje je vazdušni procjep
konstantne dužine – ispod polova
 Rešenje je u razlaganju talasa mms reakcije armature na
dvije komponente – jednu koja djeluje po direktnoj d-osi
(osi polova) i drugu koja djeluje po porečnoj q-osi
(pomjerenoj za /2 električnih stepeni u odnosu na dosu)
 Blondel-ova teorija dvaju reakcija
Magnetsko polje reakcije armature

ROTOR SA ISTURENIM POLOVIMA
 Opisani pristup je moguć zahvaljujući činjenici da se
rotor (talas mms pobude) i talas mms reakcije armature
kreću istim brzinama odnosno nepokretni su jedan u
odnosu na drugog!
Magnetsko polje reakcije armature


ROTOR SA ISTURENIM POLOVIMA
Pri promijenjenom karakteru opterećenja i dalje važi
opisano razlaganje, samo što se amplitude mms po
pojedinim osama mijenjaju ali i dalje djeluju po istim
osama!
Fad  Fa sin
Faq  Fa cos 
Magnetsko polje reakcije armature

ROTOR SA ISTURENIM POLOVIMA – POLJE PO d-osi
f ad  Fad cos  Fa sin cos
bad  Bad cos 
0
Fad cos,





2
2
Bad 1
  sin

Bad

Bad 1   sin 
k ad 

Bad

Magnetsko polje reakcije armature

ROTOR SA ISTURENIM POLOVIMA – POLJE PO q-osi
f aq  Faq sin  Fa cos  sin
0
baq  Baq sin 
Faq sin,



 
2
2
Baq1
k aq 
  sin

Baq

Baq1
Baq
  sin 

