Sinkroni Generator

SINKRONI STROJEVI

Sinkroni strojevi Električni rotacijski strojevi kod kojih se rotor vrti jednakom brzinom kao i okretno magnetsko polje statora zove se sinkroni stroj.

Sinkroni generator

60 f ns  p

•od 100 kW do 2 MW za napone 440 V, 60 Hz ili 380 V, 50 Hz •HV 6.6 kV, 3.3 kV i 11 kV pri frekvenciji 60 Hz. •Emergency generator 20 kW do 200 kW za 440 V ili 220 V

Sinkroni motor •se koristi u onim pogonima gdje nije potrebno regulirati brzinu vrtnje a također se ne zahtjeva ni veliki broj pokretanja i zaustavljanja. •Sinkroni motor - električna propulzija -kao motori većih snaga (efikasniji od asinkronih) • motori manjih snaga - selsini i tahogeneratori. •.Posebnu vrstu sinkronih strojeva predstavljaju kompenzatori - elektroenergetskom sustavu daju jalovu komponentu snage

Princip rada sinkronog generatora

Presjek sinkronog stroja, a) turbogenerator (p=1), b) hidrogenerator (p=3) Magnetska indukcija u zračnom rasporu mijenja po zakonu sinusa, a to se postiže oblikom polnih nastavaka i izvedbom armaturnog namota.

Shema armature turbogeneratora p=1

ns 

60 f p

E  4,44    f  N  k n

p 1 2 3 4 5 6

ns(rmin-1) 3000 1500 1000 750 600 500

p 8 10 12 16 20 24

ns(rmin-1) 375 300 250 187,5 150 125

Sinkrone brzine vrtnje rotora sinkronog generatora kod frekvencije 50 Hz

Sinkroni generatori

Primarni pokretač

ns (r min-1)

p

BRZOHODNI

750 - 3000

cilindrični, 2,4,6,8

SREDNJEHODNI

300 - 600

10 – 20 i rotor s istaknutim polovima

dizel motor, osovinski gen., hidrogenerator

manje od 300

više od 20 i rotor s istaknutim polovima

osovinski gen., hidrogen.

SPOROHODNI

turbina, dizel motor

Sinkroni generatori Osnovni dijelovi sinkronog generatora su:

-rotor s namotom - uzbudnim , potreban za stvaranje magnetskog toka; -stator s namotom - armaturnim (jednofazni ili višefazni), u kojem se inducira izmjenična elektromotorna sila (EMS-a).

1 - air flow; 2 – stator endshield; 3 - heat exchanger; 4 – emergency air outlet doors; 5 – stator core (with air ducts); 6 –emergency air inlet panel; 7 – pilot exciter 8 – min exciter; 9 – diode plate; 10 - fanshield

Sinkroni generatori Stator je izveden u obliku cilindra koji je sastavljen iz prstenastih dinamo limova koji su međusobno izolirani tankim slojem papira, laka ili oksida. Na unutrašnjem obodu nalaze se u uzdužnom smjeru u jednakom razmaku utori (otvoreni ili poluzatvoreni) u koje se postavlja statorski/armaturni namot.

Priključna kutija statora

Sinkroni generatori Rotor je uzbudni dio stroja i može biti

-s istaknutim polovima – za male brzine ; -cilindrične izvedbe

Rotor generatora u a) izvedbi s istaknutim polovima 1- uzbudni namot; 2 – tijelo rotora; 3 – međupolni konektor; 4 – polna papučica b) cilindričnoj izvedbi 1-tijelo rotora; 2 – uzbudni namot u utoru ; 3 – osovina pola ; 4 – kraj namota

Uzbuda generatora Prema vrsti uzbude izvršena je podijela na sustave s rotacijskim uzbudnikom i statičke sustave:

-rotacijski uzbudnik : - istosmjerni - izmjenični (klasični sinkroni generator i inverzni) -statički uzbudnik :

- s naponskim izvorom - s naponskim i strujnim izvorom.

Prema načinu uzbude ubudni sustavi se dijele na: -neovisne – napajaju se iz posebnog izvora ili izravno s pogonskog stroja. Najčešće je to istosmjerni generator («budilica») koji je na istoj osovini kao i sinkroni generator , pa pogonski stoj pokreće sinkroni generator i uzbudnik (dovod energije neovisan od drugih izvora), a posebni izvor podrazumijeva uzbudnik pogonjen posebnim dizelskim ili električnim motorom; -samouzbudni.

Uzbuda generatora istosmjernim uzbudnikom

Shema spoja trofaznog sinkronog generatora s istosmjernim uzbudnikom (danas se sve manje koristi - komplicirano)

Uzbuda generatora stacionarnim ispravljačima

Uzbuda se dovodi preko kliznih kolutova i četkica

Uzbuda generatora rotirajući ispravljačima

Nema kliznih kolutova i četkica !!!

Samouzbudni sinkroni generator Generatori se sami uzbuđuju koristeći pojavu remanentnog magnetizma – problem kod servisiranja !!

Automatska regulacija napona

Pogonska stanja sinkronog generatora

1. Prazni hod – stoj je uzbuđen i bez opterećenja

2. Normalno opterećenje – stroj je uzbuđen i opterećen nominalnom armaturnom strujom 3. Kratki spoj – stro je uzbuđen, a namoti armature kratko spojeni

Prazni hod Glavni magnetski tok ovisan je o iznosu uzbudne struje, broju zavoja uzbudnog namota, dimenzijama magnetskog kruga te o karakteristikama magnetskog materijala.

E  4,44    f  N  k n

Karakteristika praznog hoda a) i fazorski dijagram b) sinkranog generatora u praznom hodu

Opterećenje generatora - reakcija armature

Struja opterećenja stvara s armaturnim namotom protjecanje, odnosno armaturni magnetski tok koji djeluje na glavni magnetski tok stvoren uzbudom, zbog čega se mjenja iznos induciranog napona E. Ta pojava naziva se reakcija armature.

Djelovanje reakcije armature pri opterećenju ovisi o vrsti opterećenja tako da : 1. Pri omskom opterećenju napon stezaljki U se neznatno mijenja s promjenom opterećenja; 2. Pri induktivnom opterećenju taj se napon smanjuje; 3. Pri kapacitivnom opterećenju napon raste.

Opterećenje generatora

reakcija armature

U  E  I a Ra  I a X a Fazorski dijagram opterećenog sinkronog generatora

Opterećenje generatora - vanjska karakteristika generatora

U  f (I a )

Vanjska karakteristika sinkronog generatora

Opterećenje generatora - regulacijska karakteristika generatora

I a  f ( Iu )

Kratki spoj

tropolni a), dvopolni b) i jednopolni c) kratki spoj trofaznog sinkronog generatora Kratki spojevi -

simetrični tj. tropolni (trofazni) kratki spoj trofaznog sinkronog generatora u kojem su stezaljke armature kratko spojene međusobno pa je napon između njih jednak nuli;

-

nesimetrični kratki spojevi mogu biti: jednopolni; dvopolni i dvopolni sa zvjezdištem.

Rad sinkronog generatora na vlastitoj mreži

Porastom opterećenja sinkronog generatora dolazi do pada napona U i pojačane reakcije armature, zbog čega je potreban regulator napona. Većim opterećenjem sinkronog generatora javlja se i veći kočni moment zbog čega je potrebno pogonskim strojem dovoditi više mehaničke energije kako bi brzina vrtnje rotora ostala konstantna Za rad sinkronog generatora na vlastitoj mreži potrebno je: 1. neprekidno regulirati napon stezaljki sinkronog generatora promjenom uzbudne struje i 2. regulirati brzinu vrtnje tako da ona bude sinkrona, kako bi frekvencija induciranog napona bila konstantna.

Paralelni rad sinkronih generatora Za paralelni priključak generatora potrebno je provesti postupak sinkronizacije odnosno potrebno je postići: 1.jednake iznose napona generatora i napona mreže; 2.jednake frekvencije generatora i mreže; 3.jednake fazne kutove napona generatora i mreže; 4.isti redoslijed faza generatora i mreže.

1. generator se pokreće pogonskim strojem do približno sinkrone brzine vrtnje (određena frekvencija uz određeni broj pari polova sinkronog generatora); 2. uključuje se i regulira uzbuda generatora dok se ne postigne vrijednost napona koja odgovara naponu mreže; 3. provjerava se redoslijed faza mreže i sinkronog generatora (može pomoću indikatora redoslijeda faza ili pomoću smjera vrtnje malog indukcijskog motora koji je spojen na stezaljke generatora odnosno brodske mreže); 4. priključak se izvodi kada je fazni pomak između istoimenih napona generatora i brodske mreže doveden na najmanju moguću mjeru.

Sinkronizacijske žarulje – svijetli, tamni i mješoviti spoj

Sinkronizacija pomoću a) tamnog i b) mješovitog spoja sinkronizacijskih žarulja

Za tamni spoj vrijedi: -

-

žarulje trajno svijetle – nema približne jednakosti napona generatora i mreže; reguliranjem uzbude postiže se jednakost napona mreže i generatora – provjerava se voltmetrima; kod jednakih iznosa napona, a različitih frekvencija – žarulje čas svijetle a čas potamne u ritmu frekvencije napona generatora i mreže; podešava se brzina vrtnje pogonskog stroja – frekvencije se izjednačavaju – paljenje i gašenje žarulja je sporije; duži interval tame – frekvencije se izjednačile – potrebno je uključiti generator; ako je paljenje i gašenje žarulja istovremeno – redoslijed faza je ispravan, a ako nije potrebno je dva dovoda na sinkronom generatoru zamjeniti.

Sinkronizacija pomoću instrumenata – poluautomatska sinkronizacija

1. za kontrolu napona sinkronog generatora i mreže koristi se dvostruki voltmetar; 2. za kontrolu frekvencije sinkronog generatora i mreže koristi se dvostruki frekvenciometar; 3. nul-voltmetar ili sinkronoskop – mali sinkroni motor – služi za utvrđivanje istofaznosti napona sinkronog generatora i brodske mreže. Kada se sinkronoskop umiri i nulvoltmetar pokaže nulu tada je postignuta istofaznost napona.

Gruba sinkronizacija U pogonskim prilikama često se radi i gruba sinkronizacija. Pri tome generator koji se uključuje na mrežu zavrti se pogonskim strojem na brzinu vrtnje koja je jednaka približno sinkronoj brzini (do 2%), uključi se bez uzbude na brodsku mrežu i tek se tada uzbudi. Elektromagnetski moment koji se tada stvori nakon priključka uzbude povuče generator u sinkronizam.

karakteristika frekvencija –snaga generatora

Sinkroni generatori u paralelnom radu

Povećanjem uzbudne struje povećava se jalova komponenta struje sinkronog generatora i tada se on naduzbudi. Ako generator treba dati i struju opterećenja (djelatnu komponentu) u brodsku mrežu, dolazi do povećanja el. snage, a to znači da se pogonskom stroju (disel motor ili turbina) mora povećati mehanička snaga, a sinkroni generator istodobno se jače uzbudi. Ako se ne mjenja mehanička snaga pogonskom stroju ne mjenja se ni električna snaga sinkronom generatoru

Povećanjem uzbude generator daje induktivnu, a smanjenjem uzbude kapacitivnu struju u mrežu.

Opterećeni sinkroni generator se isključuju s brodske el. mreže na način da se smanji uzbuda, a na taj način i inducirani napon tako da je cosφ=1; istovremeno se smanjuje mehanička energija pogonskom stroju.

Gubici i korisnost sinkronog generatora

Gubici u statoru (Pgs)se sastoje: -gubici u bakru statorskog namota – PCus; -gubici u željezu – PFe; -dodatni gubici – Pd:

Gubici u rotoru (Pgr) se sastoje: -gubici uzbude – Pgu; -mehanički gubici – Pgm;

Elektromotorna propulzija na brodovima

30