4. Mérés Szinkron Generátor Elsődleges üzemállapot szerint beszélhetünk szinkron generátorról és szinkron motorról, attól függően, hogy a szinkron gép elsődlegesen generátoros vagy motoros üzemállapotban működik. Generátoros üzemállapotban a villamos forgógépek a mechanikai energiát villamos energiává alakítják. A szinkron generátor a mechanikai energiát a tengelyén veszi fel, a hozzá csatlakozó turbinától. A villamos energiát a generátor kapcsain keresztül a hálózatba adja le. Az erőművek túlnyomó többségében a villamos energia előállítására szinkron generátorokat alkalmaznak. Motoros üzemállapotban az energiaáramlás iránya fordított. A szinkron motor a hálózatból felvett villamos energiát alakítja mechanikai energiává és a tengelyén adja le a hozzá csatlakozó hajtott gépnek. Szinkron motorokat elsősorban szervohajtásokban és villamos járművekben alkalmaznak. A szinkron motorok is működhetnek generátoros üzemmódban, villamos fékezéskor.
a) Hengeres forgórészű és b) kiálló pólusú szinkron gép vázlata A forgórész gerjesztésének módja szerint Szinkron gépek forgórészének mágneses mezőjét elektromágnesekkel vagy állandó mágnesekkel hozhatjuk létre. Előbbi esetben egyenárammal gerjesztett, utóbbi esetben állandó mágneses (permanens mágnesű) szinkron gépről beszélünk. Egyenárammal gerjesztett szinkron gépek forgórészén tekercsek találhatók, amelyekben egyenáram folyik. A gerjesztő áramot a gép forgórészébe csúszógyűrűs-kefés szerkezettel vezetik. A kefék kopó alkatrészek, emiatt ez a kialakítás rövidebb időközönkénti karbantartást igényel. Gyakori megoldás, hogy a gerjesztő áramot a szinkron géppel tengelykapcsolatban lévő egyenáramú gerjesztőgép szolgáltatja. A szinkron generátorokat jellemzően egyenárammal gerjesztik. Az állandó mágneses gépek forgórészébe a leggyakrabban AlNiCo, illetve NdFeB mágneseket építenek be. A permanens mágnesű gerjesztésnél nem kell a forgórészbe áramot vezetni, nincs szükség gerjesztőgépre sem, azonban a forgórész gerjesztése nem változtatható, nem szabályozható. Állandó mágneses szinkron generátorokat jellemzően olyan helyeken alkalmaznak, ahol nehézen megoldható a karbantartás (például víz alatti búvárgenerátorok), vagy kicsi a rendelkezésre álló hely (például szélgenerátorok). A szinkron szervomotorok és járműmotorok többsége viszont állandó mágnessel gerjesztett.
Szinkron generátor működési elve. 1. A forgórészen egyenárammal mágneses teret létesítünk, melynek erővonalai az állórészen keresztül záródnak. 2. A mágneses teret (forgórészt) kívülről állandó fordulatszámmal (no) forgatjuk (valamilyen típusú turbinával), ennek erővonalai metszik az állórész hornyaiban elhelyezett vezetőket, bennük feszültség indukálódik. Amennyiben a fluxus térben szinuszos és a tekercselés háromfázisú, úgy szinuszos háromfázisú feszültségrendszert kapunk. 3. Ha terheljük az állórészt, létrejön az állórész forgómezeje és kialakul a generátor - fékező nyomatéka és így lesz állandó fordulatszám (Mhajtó=Mterhelő). Az állórész és forgórész mezeje együttforog a forgórész forgómezejével adott (állandó) terhelési szöget bezárva egymással. A frekvencia kiszámítása:
ahol a p: póluspárok száma, n: percenkénti szinkron fordulatszám. Példa: n=3000 1/min, 2p=2(kétpólusú generátor), f=?
Szinkron generátor szerkezeti felépítése: -
-
-
Állórész: lemezelt, sok horonnyal és szimmetrikus háromfázisú tekercseléssel. Forgórész: o Hengeres forgórész (turbógenerátor) alapvetően 2p=2 (kétpólusú kivitel) o Kiálló pólusú forgórész (hidrogéngenerátor) vízi erőművekben, sokpólusú kivitel. A forgórészen egyenáramú gerjesztő tekercselés, 2 db csúszógyűrűn szénkefék segítségével vezetjük a gerjesztő áramot. Pajzsok: Nagy villamos gépeknél csak burkolat szerepe van és a csapágyazást 2 oldalt külön bakokon helyezik el. A kisebb teljesítményű villamos gépek pajzs csapágyasak. Hűtési rendszer: a nagy veszteségek generátorból történő elvezetésére számos különböző megoldás létezik.
A hálózatra kapcsolás feltételei A hajtó gép a generátort szinkron fordulatra hozza, majd a hálózat feszültségének és a gép kapocsfeszültségének illesztése után lehet a gépet a hálózatra kapcsolni, amikor a szinkron gép és a hálózat fázisfeszültségeinek szinuszgörbéi egybe esnek, vagyis a hálózati- és a gépoldalon megegyezik a feszültség: - a fázissorrendje, - a frekvenciája, - a nagysága, - a fázishelyzete.
A szinkron generátor indukált feszültsége. Legyen szinuszos a fluxus. (
()
)
(
)
Az effektív érték az érdekes: √ √ Amennyiben az állórész tekercselést hornyokban osztjuk el és lépésrövidítést is alkalmazunk az indukált feszültség nagysága a tekercselési tényező miatt (ξ) csökken. ξ=ξe*ξh<1, ξe: elosztási tényező, ξh: húrtényező Szinkron gép Üzemállapotai: a/ Generátornál Üresjárat: -
az egyenárammal gerjesztett forgórész forgatásával forgó mágneses tér keletkezik,
-
ha az állórész tekercsek kapcsai nyitottak, akkor Ia=0 és =p, ahol p a forgórész (póluskerék) fluxusa, a pólus fluxus,
-
az állórész fázistekercseiben indukált feszültség:
u p 4,44 N1 f p , ahol up a pólusfeszültség, amely 90-kal siet a pólus fluxushoz képest. Terhelés: egyedi (sziget) ellátás, hálózatra kapcsolt. b/ Motornál: -
ha a gerjesztőáram csökken, a gép induktív meddő áramot vesz fel a hálózatból (tiszta induktív fogyasztó),
-
ha a gerjesztőáram nő, a gép kapacitív meddő áramot vesz fel,
-
ha a gerjesztőáram tovább nő (túlgerjesztés), a gép induktív meddő áramot ad le a hálózatba.
Szinkron gép egyfázisú helyettesítő képe és vektor ábrája
Üresjárási üzem Ilyenkor a gép kapcsai terheletlenek és a gép feszültsége arányos a pólus fluxussal. A gép üresjárásban felvett teljesítménye a vasveszteséget, kefesúrlódást, levegősúrlódást, ventillációs teljesítményt és a gerjesztő teljesítményt foglalja magába. Rövidzárási üzem Ha a felgerjesztett szinkron generátor állórészének tekercseit rövidre zárjuk, akkor a gépen átfolyó áram erősségét a pólusfeszültség (U ) és a szinkron reaktancia (X ) hányadosa határozza meg. sz
p
I =U /X ; z
p
sz
Rövidrezárási mérésnél a gép felveszi az összes súrlódási és ventillációs veszteségeket, a gerjesztő teljesítményt, a rászerelt gerjesztőgép veszteségeit, valamint az állórész tekercsveszteségeket és a nem számottevő vasveszteséget. Terhelési szög
A terhelőáram mágneses terének visszahúzó, fékező hatása jelentkezik a forgórész tengelyén. Ha továbbra is azonos fordulatszámmal kívánjuk forgatni a póluskereket (állandó frekvencia miatt szükséges), nagyobb nyomatékot kell kifejteni a tengelyre. P=M*v az armatúraáram mágneses terének fékező hatása mérhető alakban jelentkezik a gép belsejében. Ha a forgórész által létrehozott mágneses teret képzeletben szétválasztjuk az armatúra mágneses terétől, akkor a két teret két mágnesként ábrázolhatjuk.
Üresjárási állapotban a két mágneses tér igen kis szögeltéréssel együtt forog Terhelésnél a terhelés mértékétől nő a fékező hatás, nő a két mágneses tér képzeletbeli középvonala közti különbség, a ∂ terhelési szög. Stabilitási határnak nevezzük azt az állapotot amikor maximális a nyomaték, itt ∂ =90o A stabilitási határt átlépve a mágneseket együttforgató erő csökken!
