Maszyna synchroniczna 3-fazowa Uzwojenie wzbudzenia == wzbudzenie. Wzbudzenie wytwarza pole magnetyczne wirnika, analogiczne do pola magnesu trwałego. Wirnik maszyny synchronicznej == magneśnica. Często liczba par biegunów p jest większa niż 1.

Równania maszyny synchronicznej 3-fazowej 3 równania stojana, w notacji macierzowej: równanie wirnika: równanie mechaniczne: Ponieważ: oraz: więc:

Macierze indukcyjności stojan-wirnik: stojan-stojan: | | macierz symetryczna

Transformacja Parka Z ortogonalności T wynika własność: Premultiplikacja równań stojana przez T:

Równania Parka Oznaczenia: - indukcyjność oddziaływania twornika w osi d - indukcyjność oddziaływania twornika w osi q - indukcyjność synchroniczna podłużna - indukcyjność synchroniczna poprzeczna - zwykle składowa i0 = 0 - dla osi podłużnej - dla osi poprzecznej - równanie wzbudzenia

Strumienie sprzężone - dla osi d - dla osi q - dla wzbudzenia równania Parka maszyny synchronicznej - moment elektromagnetyczny

Schemat Parka maszyny synchronicznej. V.1 Oryginalne uzwojenia 1, 2, 3 są odwzorowywane uzwojeniami Ld i Lq, wirującymi z wirnikiem, oraz dwoma sem.

Schemat Parka maszyny synchronicznej. V.2 Prądy zastępcze iD oraz iQ odwzorowują prądy klatki rozruchowej / tłumiącej.

Stan ustalony maszyny synchronicznej 3-fazowej Zasilanie symetryczne: Prędkość wirnika pozostaje równa pulsacji napięć zasilania: W konsekwencji kąt obrotu wirnika wynosi: Po transformacji Parka: Wektor napięć Parka jest stały, tzn. niezależny od czasu. Rozwiązania równań Parka, czyli prądy i w konsekwencji strumienie sprzężone, są funkcjami stałymi. W równaniach Parka znikają więc pochodne strumieni sprzężonych. Równania stają się równaniami algebraicznymi, liniowymi.

Reaktancje synchroniczne Xd i Xq Oznaczamy: - reaktancja synchroniczna podłużna - reaktancja synchroniczna poprzeczna Równania Parka przyjmują postać: Pomijając Rs oraz oznaczając: otrzymujemy:

Moment elektromagnetyczny w stanie ustalonym Z równań stanu ustalonego wyliczmy prądy id,ust i iq,ust. Podstawiamy je do wzoru na moment: Stabilna praca jest możliwa w okolicy . Podstawiamy:

Moc i moment w stanie ustalonym Oznaczamy: oraz: Otrzymujemy: Te równania zilustrujemy wykresem fazorowym.

Wykres fazorowy maszyny synchronicznej 3-fazowej Silnik jawnobiegunowy przewzbudzony

Wykres fazorowy maszyny synchronicznej 3-fazowej Generator jawnobiegunowy, przewzbudzony

Wykres fazorowy maszyny synchronicznej 3-fazowej Linia stałej mocy. Silnik cylindryczny przewzbudzony.

Wykres fazorowy maszyny synchronicznej 3-fazowej Generator cylindryczny przewzbudzony

Prąd wzbudzenia biegu jałowego Iw0 Sem wewnętrzną wyrażamy poprzez Iw0. Iw0 podawane jest na tabliczce znamionowej. Tzw. impedancja znamionowa: Prąd zwarcia ustalonego: W czasie zwarcia Z równań stanu ustalonego wynika Więc Zwykle Erel = 2 oraz Xd,rel = 1.6. Zatem prąd zwarcia ustalonego pozostaje w granicach znamionowego.

Generator synchroniczny: charakterystyki Przy obciążeniu indukcyjnym, wzrostowi prądu towarzyszy spadek napięcia na zaciskach generatora. pojemnościowym, wzrostowi prądu towarzyszy wzrost napięcia generatora. Ch-ki zewnętrzne Rodzina ch-tyk przy wspólnym Iw0. Rodzina ch-tyk przy wspólnym IwN. Krzywe V Prąd zwarcia udarowego

Rozruch asynchroniczny maszyny synchronicznej 3-fazowej Wirnik maszyny synchronicznej ma klatkę: rozruchową, jeśli jest to silnik, lub tłumiącą, jeśli jest to generator. Na czas rozruchu zwieramy uzwojenie wzbudzenia ! Załączamy stojan na pełne napięcie sieci. Maszyna startuje podobnie do silnika indukcyjnego. Ch-ka mechaniczna ma siodło od tzw. efektu Goergesa. Pole generowane przez wzbudzenie jest pulsujące, równoważne dwóm wirującym przeciwnie. Głębokość siodła zależy od ”siły klatki rozruchowej” oraz rezystancji dodanej do wzbudzenia, tłumiącej pole pulsujące.

Synchronizacja generatora synchronicznego z siecią 3-fazową Załączenie generatora na sieć poprzedzamy synchronizacją: Jednakowe: f, Usk, fazy. Załączamy gdy napięcie różnicowe wynosi zero. Przy prędkości wirnika bliskiej synchronicznej, fazory U,V,W wirują wolno względem R,S,T. Żarówki wolno rozświetlają się i gasną. Gasną gdy napięcie różnicowe wynosi zero. Wtedy załączamy stojan na sieć. Generator zos- tał zsynchronizowany. Można go napędzać aby rozpoczął konwersję energii pary na prąd el.

Zezwój i szczelina powietrzna maszyny synchronicznej Cewka przygotowana do włożenia do żłobków to zezwój. Zezwoje do maszyn wysokiego napięcia (6.3 kV) są zaimpregnowane przed włożeniem do żłóbków. W maszynach jawnobiegunowych, sinusoidalność rozkładu pola zapewnia nierównomierna szczelina powietrzna. Dwie pary biegunów skutkują dwukrotnie niższą prędkością kątową wirnika, w porównaniu do pulsacji napięć sieci. Dwukrotnie wzrasta wtedy moment. Moc, wynikająca z iloczynu momentu i prędkości nie zależy od liczby par biegunów.

Wirniki cylindryczne i jawnobiegunowe Wirniki z biegunami utajonymi są długie. Rolę klatki mogą pełnić: lite żelazo wirnika plus mosiężne kliny mocujące uzwojenie w żłobkach. Wirniki z biegunami jawnymi mają duże średnice. Klatkę tworzą pręty miedziane lub mosiężne wbite do wyfrezowanych żłobków w nabiegunnikach: tu po 8. Pręty połączone są pierścieniami.

Wirniki jawnobiegunowe Cewka wzbudzenia jednego bieguna. Jawne bieguny łączymy z piastą poprzez jaskółczy ogon. Odkuwka wirnika z wyfrezowanymi rowkami na jaskółcze ogony biegunów.

Turbogenerator 360MW. ABB-DOLMEL. Elektrownia Opole. Turbina parowa: ABB-ZAMECH Elbląg. Liczba par biegunów p= 1. Napięcie 22 kV. Prąd 11.2 kA. Wzbudzenie: transformator + prostownik + pierścienie ślizgowe. Uzwojenia stojana chłodzone bezpośrednio wodą: przez kanał w środku przewodów tłoczona jest chemicznie czysta woda chłodząca.

Elektorwnia ”Opole” w Brzeziu. 4*360 MW + stacja prób i diagnostyki. Opalana węglem kamiennym. Kocioł parowy z Rafako-Racibórz. Chłodnie kominowe, h= 132m, d= 100m, służą do skraplania pary po wyjściu z turbin parowych. Ubytki wody chłodzącej uzupełniane są z rzeki Mała Panew.

Komin z czterema kanałami + cztery kotły Elektrowni Opole

Turbogenerator + turbina 360 MW wysoko- prężna Turbina 18 K 360 średnio- prężna niskoprężna Generator GTHW 360 Urządzenie szczotkowe Para po wyjściu z turbiny niskoprężnej musi zostać skroplona, aby zmalała jej objętość. Wodę, o małej objętości, pompa wody zasilającej, feed pump, wtłacza do kotła. Tam energia spalin zamienia ją z powrotem na parę o dużej objętości.

Schemat technologiczny elektrowni Produkcja pary i energii elektr. Odpopielanie Powietrze Feed pump Przygotowanie wody Nawęglanie Olej opałowy

Schemat funkcjonalny elektrowni parowej 35% 100% Objętość wtłaczanej do kotła wody jest wielokrotnie mniejsza niż objętość przegrzanej pary wodnej, o ciśnieniu rzędu 12 MPa == 120 atmosfer. Moc z jaką pracuje turbina zależy od różnicy ciśnień pary na wlocie i wylocie. Niskie ciśnienie na wylocie zapewnia niska temperatura w kondensatorze, dzięki chłodni -- produkującej straty. Napięcie np. 400 kV ogranicza straty Joula i zapewnia stabilność systemu.

Obieg termodynamiczny w elektrowni parowej

Silnik synchroniczny: Wzbudnica + prostownik (niewidoczny) twornik Po lewej: 4 bieguny czyli dwie pary, p= 2, wzbudzenia. Po prawej: zamiast 2 pierścieni ślizgowych jest wzbudnica w postaci generatora np. trójfazowego + mostek np. diodowy. Sterowanie poprzez prąd wzbudzenia wzbudnicy. wzbudnicy wzbudzenie Generator lub silnik, o mocy P= 5 MW. Liczba par biegunów p= 2, Przy f= 50 Hz, prędkość= 1500 r.p.m. Przy f= 60 Hz, 1800 r.p.m. wzbudnica Nieruchome wzbudzenie wzbudnicy zasilane jest prądem stałym. Przemienny prąd z twornika wzbudnicy jest prostowany na stały prąd wzbudzenia maszyny synchronicznej.

Principle of brushless excitation Stosowane w maszynach o mocach do +- 20 MW Zasilanie wzbudzenia wzbudnicy zapewnia napięcie przemienne pobierane z dodatkowego uzwojenia w stojanie generatora. Napięcia generatora są od 15 do 25 kV. Napięcie z dodatkowego uzwojenia jest mniejsze od 1 kV. Forsowanie wzbudzenia: w czasie awarii, zwiększanie prądu wzbudzenia w celu utrzymania maszyny w synchronizmie.

Silnik synchroniczny do bezprzekładniowego napędu pieca obrotowego do wypalania klinkieru w cementowni silnik silnik piec obrotowy Przy zasilaniu bezpośrednim z sieci, prędkość obrotowa maszyny z np. 25-ma parami biegunów wynosi 50/25 = 2 obr./sek. Przy zasilaniu np. z cyklokonwertera generującego napięcia o częstotliwości np. 5 Hz, prędkość obrotowa wynosi 5/25 = 1/5 obr./sek == 1 obrót na 5 sekundę.

Hydrogeneratory mają wały pionowe, podwieszone na górnym łożysku nośnym, przenoszącym ciężar generatora i turbiny oraz ciśnienia wody. Hydroturbina pracuje sprawnie tylko przy niskiej prędkości obrotowej. Dlatego hydrogeneratory buduje się z dużą liczbą biegunów, co umożliwia bezpośredni transfer energii do sieci 50 Hz.

Elektrownia wodna szczytowo- pompowa Żarnowiec koło Gdańska: 4 bloki, w sumie 750 MW. W nocy, po zmianie kierunku obrotów, maszyny pompują wodę 100 m do góry. W szczycie rannym i wieczornym maszyny generują energię. W nocy, niedowzbudzone, pobierają moc bierną W dzień, przewzbudzone, dostarczają moc bierną. Sterowanie z centralnej dyspozycji mocy w Warszawie, za pośrednictwem łączy w.cz. czyli wysokiej częstotliwości nałożonej na 50 Hz. 3= Turbina. 2= Silnik / generator. 13= Rozruchowy silnik asynchroniczny. Rozruch po wydmu- chaniu wody z turbiny sprężonym powietrzem i zamknięciu zaworów. Po synchronizacji otwiera się zawory i rozpoczyna się obciążenie. Przy pracy kompensato- rowej zawory pozostają zamknięte a turbina wiruje w powietrzu.

Typy elektrowni z uwagi na źródło energii Zwiększa się udział atomu jako pierwotnego źródła taniej energii elektrycznej. W Polsce udział ten wynosi ZERO, unfortunately.

Alternator samochodowy Moce alternatorów dochodzą do 1 kW. Mostek diodowy podpięty jest do akumulatora także w czasie postoju. Alternator na biegu jałowym daje do 150 V  nie zostawiać do pracy bez podpiętego akumulatora. Dodatkowe diody do zasilania wzbudzenia zapewniają napięcie rzędu 14.5 V już przy obrotach +- 1500 rpm. Prądnice samochodowe, czyli alternatory, charakteryzują się dużą reaktancją synchroniczną, co ogranicza zależność prądu ładowania od obrotów. Duże napięcie biegu jałowego i małe napięcie pracy oznacza pracę prawie na zwarcie: Zatem: Więc: niezależne od w.

Rola klatki na wirniku maszyny synchronicznej W silniku zapewnia możliwość rozruchu asynchronicznego. W silniku i generatorze zapewnia stabilną pracę poprzez tłumienie kołysań prędkości. Tłumi pojawienie się wysokiego napięcia, czyli przepięcia, po awaryjnym odłączeniu stojana od sieci, przy jeszcze pełnym prądzie wzbudzenia. Awaryjne odłączenie generatora ma miejsce np. w czasie wyłączania zwarcia. Należy wówczas natychmiast: Wyłączyć wyłącznik główny łączący generator (często poprzez transformator blokowy) z siecią. 2. Włączyć układ do gaszenia pola, który zwiera wzbudzenie dużą rezystancją. 3. Skierować parę z turbiny w powietrze, gdyż generator nie produkuje momentu zwrotnego, równoważącego moment turbiny. Utrzymuje symetryczne napięcia fazowe generatora mimo niesymetrycznych prądów obciążenia. Niesymetryczne prądy można rozłożyć na składową zgodną i przeciwną. Zgodna wiruje razem z klatką. Przeciwna indukuje w klatce prądy o częstotliwości 100 Hz. Prądy te tłumią składową przeciwną pola, co skutkuje symetrią napięć. Indukowane prądy nagrzewają klatkę z intensywnością zależną od R klatki.