Transcript Stáhnout

Synchronní stroje
Točivé stroje mezních výkonů, především jako generátory ( Temelín : 1000 MW)
Z hlediska funkce je dělíme :
Alternátory - synchronní generátory - přeměna mechanické energie na elektrickou.
Synchronní motory - přeměna elektrické energie na mechanickou.
Synchronní kompenzátory - slouží ke kompenzaci účiníku v elektrických sítích.
Obvykle se v názvosloví rozlišují dvoupólové stroje s hladkým rotorem - turbo –
a vícepólové stroje s rotorem s vyniklými póly – hydro.
Turboalternátory – hydroalternátory, méně často turbomotor ap.
Princip činnosti
Generátor :
Ve statoru, na němž je umístěno
vinutí, se otáčí zdroj mag.pole
(perm.magnet, cívka buzená ss
proudem).
Pole indukuje ve vinutí statoru
napětí, jehož frekvence odpovídá
otáčkám rotoru.
Motor :
3f vinutí statoru je připojeno na
symetrickou síť a vytvoří točivé pole.
Rotor - perm.magnet nebo cívka buzená
ss proudem - se otáčí synchronně se
statorovým polem.
Konstrukce synchronních strojů
Stator
Magnetický obvod je složen z dynamových plechů v jehož drážkách je uloženo,
nejčastěji, třífázové vinutí.
Konstrukce synchronních strojů
Rotor
Magnetický obvod je tvořen soustavou pólů buď buzených stejnosměrným proudem
a nebo u malých strojů jsou použity permanentní magnety.
Rotor může být vyhotoven jako:
hladký rotor
rotor s vyniklými póly
Chod naprázdno
Generátor : není odebírán žádný výkon, proud dodávaný do sítě je roven nule
Motor : na hřídeli není zátěž (ze sítě je odebírán výkon na krytí ztrát)
Charakteristika je zpočátku lineární a
pak se zakřivuje vlivem sycení. Část
mag.obvodu je magnetována
stejnosměrně, na charakteristice se tedy
projeví
hystereze (liší se vzestupná a sestupná
větev)
a remanence (i při Ib = 0 se remanentní
indukcí indukuje do statoru malé
remanetní napětí).
Fázorový diagram : Uib předbíhá „svůj“ tok Φb o 90o
Reakce kotvy
Kotva : část stroje, do které je indukováno napětí, u synchronních strojů stator
Reakcí kotvy rozumíme vliv statorového pole na celkové pole stroje.
Zatížíme-li stroj, protékající proud statoru vytvoří točivé pole – pole reakce kotvy Φa
Výsledné pole stroje je dáno fázorovým součtem pole rotoru Φb a pole reakce kotvy Φa.
  b  a
Skutečné indukované napětí stroje odpovídá výslednému toku Φ.
Reakce stroje významně ovlivňuje stav stroje při různé zátěži.
Reakce kotvy
Induktivní zátěž G
V případě induktivní zátěže reakce kotvy odbuzuje stroj. Napětí s proudem lineárně
klesá.
Reakce kotvy
Kapacitní zátěž G
V případě kapacitní zátěže reakce kotvy přibuzuje stroj. Napětí s proudem roste !
Reakce kotvy
Čistě činná zátěž G
Reakce kotvy zde ovlivňuje
celkové pole „příčně“.
Celkový tok se mírně snižuje.
Náhradní schéma stroje
Synchronní stroj se chová tak, jakoby byl zdroj s napětím Uib, které lze ovlivnit jen
napětím a otáčkami, připojen k vnějšímu obvodu přes reaktanci reakci kotvy, rozptylovou
reaktanci a činný odpor statorového vinutí.
Orientační velikosti prvků :
R
Xσ
Xad
Velikosti jednotlivých prvků obvykle vyjadřujeme
v procentech jmenovité impedance stroje, která je
dána poměrem jmenovitých fázových hodnot napětí
a proudu .
Xn 
U nf
I nf
1-5 %
15-30%
100-200%
Náhradní schéma stroje
Při
kreslení
fázorového
diagramu
předpokládáme znalost velikosti fázorů
svorkového napětí a proudu a jejich fázového
posunu φ.
Zde se jedná o generátor, který napájí zátěž
induktivního charakteru.
Úhel β se nazývá zátěžný úhel. Jeho význam
bude vysvětlen později.
Zjednodušené schéma
Činný odpor stroje je z hlediska napěťových poměrů zanedbatelný a lze jej
v náhr.schématu vynechat. Reaktance stroje lze sloučit do jediné
synchronní reaktance Xd.
Stavy stroje
Příklady možných stavů stroje
G do RL
G do RC
Přebuzený M
Podbuzený M
Samostatně pracující generátor
Uvažujeme osamocený synchronní generátor, který má na svorkách proměnnou zátěž
s konstantním účiníkem.
Budicí proud se nemění, napětí Uib je konstantní, nemění se otáčky a tím ani frekvence.
V případě čisté indukčnosti reakce kotvy odbuzuje
stroj, svorkové napětí lineárně klesá se zatížením.
V případě čisté kapacity reakce kotvy stroj
přibuzuje, svorkové napětí lineárně roste se
zatížením.
V ostatních případech lze průběh charakteristik
odhadnout z fázorových diagramů (pro cos φ = 1 se
jedná v osách U – I o elipsu).
Chod nakrátko
Stav nakrátko je stav generátoru při zkratovaných výstupních svorkách, sledujeme stav
stroje při pomalých změnách (změny probíhají ve značně delších časech než jsou časové
konstanty přechodových dějů)
Pro analýzu stavu nakrátko je třeba použít náhr.schéma s oddělenými reaktancemi Xad a Xσ.
Reakce kotvy ve stavu nakrátko
značně odbuzuje stroj, výsledný tok
stroje je velmi malý, indukované
napětí je dáno pouze rozptylovým
tokem. Charakteristika nakrátko
Ik=f(Ib) je lineární, stroj se nedostane
do oblasti sycení.
Zkrat
Zkratem rozumíme náhlé galvanické spojení výstupních svorek.
Ve stroji dojde k přechodným jevům, po odeznění těchto jevů přejde stroj do stavu nakrátko.
Proud je omezen pouze reaktancemi stroje, vliv odporu je bezvýznamný. Fázový posun
indukovaného napětí a proudu je (téměř) 90o.
Při zkratu se značně zvýší proud kotvy a tím i reakční tok. Změna naindukuje do budicího vinutí
napětí, které vyvolá průchod proudu, který se snaží dle Lencova zákona působit proti této změně.
Výsledkem je vytlačení toku do vzduchových cest a
značné snížení synchronní reaktance na hodnotu
'
přechodné reaktance X ad
.
K podobnému jevu pak dojde i
v oblasti tlumiče. Synchronní
reaktance se tak dále zmenší na
''
hodnotu rázové reaktance X ad
.
Tlumič je konstrukčně kotva nakrátko umístěná v pólových nástavcích a
slouží k tlumení kývání stroje (bude popsáno v dalším textu).
Zkrat
Magnetický tok se postupně vrací do magnetického obvodu, reaktance stroje stoupá a proud se
postupně exponenciálně snižuje, až se ustálí na hodnotě proudu nakrátko.
Zkratový proud lze rozložit na 4 složky :
• Rázová složka – periodická složka, která závisí na přechodných jevech v oblasti tlumiče,
zaniká exponenciálně s krátkou časovou konstantou řádově setiny vteřiny.
• Přechodná složka - periodická složka, která závisí na přechodných jevech v oblasti
budicího vinutí, zaniká exponenciálně s časovou konstantou řádově desetiny vteřiny.
• Ustálená složka – periodická složka s konstantní amplitudou, tento proud protéká vinutím
po odeznění proměnných složek (proud nakrátko).
• Stejnosměrná složka – vývin závisí na okamžiku zkratu, upravuje celkový průběh proudu tak,
aby vycházel z hodnoty proudu v okamžiku zkratu. Souvisí s energií mag.pole v mag.obvodu
v okamžiku zkratu. Zaniká exponenciálně s časovou konstantou řádově setiny vteřiny.
Zkrat
Fázování na tvrdou síť
Absolutně tvrdou sítí rozumíme trojfázový systém
s konstantním napětím
s konstantní frekvencí
Fázování je připojení synchronního stroje na tvrdou síť bez proudového rázu.
Podmínky :
(systémy mají stejný smysl otáčení)
1. Stejný sled fází
2. Stejná frekvence
3. Stejné napětí
(oba systémy se točí stejně rychle)
(U synchronního stroje lze měnit budicím proudem)
4. Stejný fázový posun
(obě napětí jsou ve fázi)
Fázování
U
V
Hz
V
síť
V
Hz
V
V
SG
Synchronní stroj na tvrdé síti
U = Uib , I =0
Po ideálním přifázování stroje na síť neprotéká
mezi sítí a strojem žádný vyrovnávací proud.
Snížení Ib
Zvýšení Ib
Stroj začne odebírat ze sítě
induktivní jalový proud,
kterým se dobudí.
Proud roste lineárně
s Ib
Stroj začne odebírat ze sítě
kapacitní jalový proud,
kterým se odbudí.
Proud opět roste
lineárně s Ib
V - křivky
Jestliže zvýšíme moment na hřídeli, začneme stroji
dodávat mechanický výkon, proud statoru začne
vykazovat i činnou složku.
Při změně Ib se opět bude měnit jalová složka proudu
statoru (křivky P1, P2)
V levé části grafu jsou křivky omezeny
stabilitou stroje na síti.
Spojením bodů se stejným účiníkem získáme tzv.
regulační charakteristiky.
Spojnice dolů křivek spojuje místa s cosφ=1 a je dělicí
křivkou pro podbuzený a přebuzený stroj.
Křivky pro P=0 v přebuzeném stavu jsou
charakteristikami kompenzátoru.
Moment synchronního stroje
Synchronní stroj nemění otáčky se zatížením, v tomto smyslu má absolutně tvrdou
charakteristiku.
V dalším rozboru nás bude zajímat závislost momentu na tzv. zátěžném úhlu β
Zátěžný úhel
je úhel mezi tokem Φb a výsledným tokem stroje.
Tedy : zátěžný úhel je úhel, o který rotor u generátoru předbíhá výsledný tok, resp.
o který se u motoru zpožďuje za výsledným tokem.
Mechanická představa :
rotor táhne na pružině silových vazeb stator (generátor)
Zátěžný úhel závisí na velikosti momentu na
hřídeli a tedy i na předávaném výkonu.
Závislost M = f(β)
Úsečku ab lze vyjádřit 2 způsoby :
Uib . sin β = Xd . cos φ
Po dosazení a úpravách lze získat jednoduchý tvar
M = Mmax . sin β
kde
M max 
3 U Uib
s  X d
Maximální moment je ovlivňován buzením a
reaktancí ve jmenovateli výrazu.
Závislost M = f(β)
Vztah je opět nutné chápat v souvislosti
s momentem stroje na hřídeli.
Stroj se ustálí na zátěžném úhlu β1, při kterém
platí rovnováha momentů.
Budeme-li zvyšovat moment turbíny, bude
se zátěžný úhel zvyšovat.
Při M = Mmax dosáhne zát.úhel hodnotu
β = 90o
Další zvýšení momentu způsobí výpadek ze
synchronismu.
Jedná o těžkou poruchu a je nutné stroj ihned odstavit.
Maximální úhel, se kterým je stroj schopný stabilně pracovat, je 90o.
Tento úhel nazýváme mez statické stability.
Dynamická stabilita, kývání
Náhlá změna momentu M1 → M2, stroj změní
úhel β1 na β2.
Stroj se ustálí na novém zátěžném úhlu až po
určité době, po odeznění elektromechanických
přechodných dějů
V okamžiku změny (β1) platí M2 > Mgen
Rotor se začne urychlovat.
Při β2 sice platí rovnáváha momentů, ale rotor
má přebytek kinetické energie a zrychlování
pokračuje. Při β > β2 platí M2 < Mgen a rozdíl
momentů rotor zpomaluje.
Stroj „překývne“ o úhel Δβ a začne se zpomalovat, teoreticky až na úhel β1. Velikost
překývnutí je dána rovností šrafovaných plošek v grafu.
Kývání
Při změně poměrů v síti (změna momentu, změna poměrů v síti – změna X v případě
většího celku) dojde k zakývání stroje kolem nové ustálené hodnoty zátěžného
úhlu.
Kývání je spojeno s kolísáním proudu, proud může dosahovat téměř zkratových hodnot !
Utlumení kývání lze urychlit instalací tlumiče na rotoru stroje. Tlumič je kotva
nakrátko s tyčemi umístěnými v pólových nástavcích.
Předchozí principy lze uplatnit i na větší celky (elektrárna s více generátory, územní
celek), které lze nahradit jedním ekvivalentním strojem s výslednou impedancí danou
všemi prvky soustavy. Ke změně podmínek pak může dojít změnou konfigurace sítě,
např. vypnutím linky. Výpadkem takového celku ze synchronizmu může pak dojít i k
rozpadu soustavy.