Sinhrona ma šina ( Synchronous machine )

1. Sinhrona mašina(Synchronous machine)

2. EES Crne Gore Dalekovodi 380kV Dalekovodi 380kV

3. 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

4. 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

5. 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

6. Konstrukcija turbogeneratora

7. Konstrukcija turbogeneratora Rotorturbogeneratora, četvoropolni, 204 tone, dužina vazdušnog procjepa 120mmPobudna struja 11.2kA dobijena iz 600V DC brushless pobudnog generatora koji se nalazi na istoj osovini

8. Konstrukcija turbogeneratora

9. Konstrukcija turbogeneratora

10. Konstrukcija turbogeneratora

11. Konstrukcijahidrogeneratora • 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

12. 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

13. Konstrukcija hidrogeneratora 36 polova, 2400A pobudna struja napajana iz naponskog izvora od 330V, 600 tona Dužina vazdušnog procjepa 33mm

14. 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

15. 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”

16. MMSrotora 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

17. MMSrotora 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

18. MMSrotora 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

19. MMSrotora 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

20. 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

21. Indukovana ems u namotaju armature 2

22. 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!

23. 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

24. Reakcija armature 3 • Aktivno opterećenje – poprečna reakcija armature • =0

25. Reakcija armature 4 • Induktivno opterećenje – direktna demagnetišuća reakcija armature • =/2

26. Reakcija armature 5 • Kapacitivno opterećenje – direktna magnetišuća reakcija armature • =/2

27. 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

28. 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 sačiniocakc • 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

29. 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 d-osu) • Blondel-ova teorija dvaju reakcija

30. 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!

31. 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!

32. Magnetsko polje reakcije armature • ROTOR SA ISTURENIM POLOVIMA – POLJE PO d-osi

33. Magnetsko polje reakcije armature • ROTOR SA ISTURENIM POLOVIMA – POLJE PO q-osi