Elektrárny B1M15ENY
přednáška č. 5 Generátory: Konstrukce, typy Základní vztahy Regulace, buzení
Ing. Jan Špetlík, Ph.D.
ČVUT FEL Katedra elektroenergetiky E-mail:
[email protected]
Nárazový proud bude:
ip3
κ= . 2.I k′′3 1, 7. = 2.25 59,9 kA
Vrcholová síla mezi hlavními vodiči v obou případech bude:
Fm 3
µ0 3 2 l 4.π .10−7 3 2 6 1 . .i p 3 . . = .59,9 .10 . 1, 242 kN = dm 2.π 2 2.π 2 0,5
Koeficienty:
β = 0, 73
Vσ .Vr = 1
= q.σ 0,2 1,5.120 = 180 MPa
Účinky na vodiče: 1) Pasy naležato
a.b 2 0, 010.0, 0632 = Z = = 6, 615.10−6 m3 6 6
σm
Fm 3 .l 1, 242.103.1 V= 1.0, 73. = 17,1 MPa σ .Vr .β . −6 8.Z 8.6, 615.10
Vodiče vyhovují protože
σ tot < q.σ 0,2
17,1 < 180
2) Pasy nastojato
Z
σm
0, 063.0, 0102 = 1, 05.10−6 m3 6 Fm 3 .l 1, 242.103.1 V= 1.0, 73.= 107,9 MPa σ .Vr .β . −6 8.Z 8.1, 05.10
Vodiče opět vyhovují protože
σ tot < q.σ 0,2
107.9 < 180
Účinky na podpěrky: 1) Pasy naležato
0,8.σ 0,2 0,8.120 = > 2, 7 ⇒ VF = .Vr 2, 7 σ tot 17,1 FD
2, 7.1,1.1, 242 3, 69 kN V= = F .Vr .α .Fm 3
T = 0, 035 m
α krit = 1,1
3, 69 0,13 + 0, 035 = 5,85 kN < P . 0,8 0,13 Vyhovuje pro podpěrku 10 kN 2) Pasy nastojato
0,8.σ 0,2 0,8.120 = = 0,889 < 1 ⇒ VF= .Vr 1 σ tot 107,9 FD
1.1,1.1, 242 1,37 kN V= = F .Vr .α .Fm 3
T = 0, 062 m
1,37 0,13 + 0, 062 . = 2,53 kN < P 0,8 0,13 Vyhovuje pro podpěrku 5 kN
α krit = 1,1
Alternátory Pro elektrárenské aplikace se využívají: -
Synchronní stroje s hladkým rotorem (dvou nebo čtyřpólové) pro parní turbíny s výkony až 1000 MW Synchronní stroje s vyniklými póly (mnohapólové) pro vodní elny s výkony až stovky MW Asynchronní stroje s kotvou nakrátko Asynchronní stroje s dvojitě napájeným vinutím (DFIG) s výkony až 10 MW pro VTE
Turbostroje
Hydrostroje
DFIG
Alternátory Konstrukce: Ventilační kanály
Rotor
Vzduchová mezera Vinutí statoru
Magnetické póly Stator Směr otáčení rotoru
Alternátory – vyvedení výkonu Pro vyvedení větších výkonů z generátoru se užívá několik pasů na fázi jako na tomto příkladě pas 3 x Al 63x10
Užívají se lanové přetahy
Alternátory – vyvedení výkonu Vysokoproudý systém pryskyřicí izolovaných vodičů DURESCA
Pro ještě náročnější aplikace je třeba volit systém zapouzdřených vodičů
Alternátory IM kód: Montáž a pracovní poloha dle ČSN 60034-7 (platí i pro motory)
Alternátory IC kód: Provedení chlazení V zásadě mohou být generátory/motory s ohledem na způsob chlazení provedeny: - S přirozeným chlazením (chlazení pouze konvekcí) - S vlastním chlazením (na hřídeli je ventilátor závislý na otáčkách) - S přirozeným vlastním chlazením (dva okruhy konvekce + ventilátor) - S cizím chlazením (ventilace nezávislá na otáčkách motoru)
Alternátory IC kód: Provedení chlazení
Alternátory IC kód:
Alternátory Třídy izolace: Izolace je dle ČSN 33 0050 klasifikována do tříd A, E, B, F, H podle dovoleného oteplení
Volba parametrů alternátoru Jmenovitý výkon: Odvíjí se od výkonu turbosoustrojí tj. 63 MVA / 125 MVA / 235 MVA / 588 MVA / 1176 MVA Jmenovité napětí: Volí se s ohledem na In, parametry izolace a chránitelnost bloku+části soustavy, do které je zapojen Orientační tabulka s typickými hladinami Un: Pn
Un
do 50 MW
6,3 kV
50-100 MW
10,5 kV
100-200MW
13,8 kV
200-500 MW
15,75 kV
1000 MW Temelín
24 kV
Pozn. V současné době již napěťové hladiny nejsou v ČR pevně dány, ale závisí i na std. a značné přizpůsobivosti výrobců
Rovnice synchronního stroje – ustálený stav V ustáleném stavu platí:
0 = − R0 .I 0 − R.I d − X q .I q Ud =
ψd
− R.I q + X d .I d + X ad .I f Uq = = U f R f .I f + X ad .I f 0 = RD .I D 0 = RQ .I Q Fázové napětí a proudy:
ˆ U + j.U U = q d = Iˆ I q + j.I d
ψq
Vztahy pro výkony Elektrický moment:
p M= . (ψ d .I q −ψ q .I d = ) e 2 p = . − X q .I d .I q + X d .I d .I q + X ad .I f .I q 2.Ω U2 U 1 = . ( X d − X q ) . .sin β .cos β + E. .sin β X d .X q Xd ω
Trojfázový výkon v ustáleném stavu:
Sˆ =P + j.Q = 3.Uˆ f .Iˆ* = 3.U f .I .cos ϕ + j.3.U f .I .sin ϕ
P
U .E U 2 Xd − Xq 3.U= .sin β + . .sin 2 β f .I .cos ϕ Xd 2 X d .X q
U .E U 2 Xd − Xq U 2 Xd + Xq 3.U f .I .sin ϕ = .cos β + . .cos 2 β − . Q= 2 X d .X q 2 X d .X q Xd
Regulace stroje
Činný výkon: regulace P-f
f =f sys + sP . ( P − PW )
AVR: regulace Q-U
U= U ref + sQ . ( Q − QW )
Budící systémy Skládají se z: -
Systém zdroje budícího proudu Systém regulace buzení Systém odbuzování
Požadavky: - Vysoká provozní spolehlivost - Plynulá a rozsáhlá regulace budících proudů a napětí (až 2.Ufn) - Dostatečná rychlost změny budícího napětí - Dostatečná rychlost odbuzení
Detail ss napájení přes kroužky
Zdroje budícího proudu Dle provedení: - S rotačním budičem (dynamo) - Statický systém vyvedený na kroužky - Statický systém v rotoru - Systém s permanentními magnety (pouze malé aplikace) Dle napájení: - Odbočkou ze svorek generátoru přes trf. buzení - Nezávislý zdroj (např. pomocný budič ss dynama)
Rotační budič (s pom. budičem)
Bezkartáčový tyristorový systém integrovaný v rotoru
Zdroje budícího proudu Budič s derivačním vinutím:
Model respektující sycení:
Lb dub dψ ub = Rb .ib − = Rb .ib − dt Rb dt Lb Rb Ub = .I b Tb = 1 + s.Tb Rb s.TE .U b =R B − k E .U b Přenos. fce ve tvaru:
UB = Budič s přídavným pomocným vinutím:
1
k E + sE + s.TE
.RB
Zdroje budícího proudu Statický budič s řízeným usměrňovačem napájený z odbočky: Zdroj závislý na svorkovém napětí u generátoru. To může činit potíže při době regulace při změnách us (např. při vzdáleném zkratu)
Statický budič s řízeným usměrňovačem napájený z 3f gen: „Nezávislý“ tyristorový budič
Regulace buzení Obecné schéma regulace buzení:
Zdroj: www.ceps.cz
Žádané napětí (Uz) tvoří požadavky: SR a statiky regulátoru Regulační odchylka dále prochází přes moduly necitlivost (Unec), omezení (Umax,Umin), omezovače Ig a If, hlídač meze podbuzení (HMP), systémový stabilizátor (STAB) Takto omezená regulační odchylka nakonec prochází regulátorem typu PI a tvoří vstup do budiče
Odbuzovače Provedení: - s paralelním (zhášecím) odporem - se zhášecí komorou - invertorovým chodem budícího systému
Odbuzení zhášecím odporem Schéma:
Dojde k sepnutí odporu R a zároveň rozpojení kontaktů k a připojení odporu Rh do budícího obvodu derivačního dynama Volbou odporu R musí dojít k rychlému odbuzení, ale zároveň zamezení přepětí na kroužcích bud. vinutí
Zjednodušeně jde o (neuvažujeme-li tlum. vin.):
Platí:
divf uf = Lf . + R f .ivf = − Rx .ivf dt
Odbuzení zhášecím odporem Řešení:
ivf = i f 0 .e
−
t Tx
u f = − Rx .i f 0 .e
−
t Tx
Je-li proud na počátku maximálně i fn a požadujeme u f < 7.u fn
7.u fn= 7.R f .i fn= Rx .i fn ⇒ Rx= 7.R f
Odbuzení zhášecí komorou Schéma:
Užívá se pro alternátory vyšších výkonů. Po rozpojení hlavních kontaktů č. 1 je proud přemostěn přes hl. kontakty 2 s indukčnostmi, které po jejich rozpojení nasměrují proud do zhášecí komory Kombinací odporů r1-r7 a celkové koncepce ZK je napětí uk během zhášení oblouku prakticky konstantní
Zjednodušeně jde o (neuvažujeme-li tlum. vin.): Platí:
t − 1 T ub − uk + uk .e f 0 = if Rf Lf Tf 0 = Rf
Odbuzení zhášecí komorou Časové průběhy:
Odbuzení invertorovým chodem Časové průběhy:
Lze použít u budících systémů s řízenými tyristory. Zajišťuje se při plánovaném odbuzování. Za havarijních podmínek se používají klasické systémy kvůli možnému značnému napěťovému namáhání tyristorů
Fázování alternátoru Průběh připojení generátoru k síti: Soustrojí turbína-generátor se uvede na jmenovité otáčky, nabudí na jmenovité napětí, přifázuje a poté se uvede na požadované hodnoty P a Q. Přifázování musí být provedeno s minimálními proudovými a momentovými rázy, které jsou dány zejména: -
různým sledem fází generátoru/sítě různou velikostí napětí generátoru/sítě různým fázovým rozdílem napětí generátoru/sítě různou frekvencí generátoru/sítě
Tyto podmínky nelze splnit naprosto přesně, tolerované odchylky jsou následující: Sled fází: Nutno dodržet, kontrola sledu fází je dnes součástí každé multiunkční digitální ochrany bloku
Fázování alternátoru Velikost napětí: Před fázováním je na alternátoru rozdílové napětí ∆u Všechna napětí jsou ve fázi Dojde k proudovému rázu:
e′′ − us ∆u = ik′′ = xt + xd′′ xt + xd′′
Dovolená odchylka při které ik′′ = in :
∆umax = ik′′.xd′′ = in .xd′′ 1.0,15 = 15 % Je-li us < e′′ dodává během přechodného děje alternátor jalový výkon do sítě a pracuje v přebuzeném (induktivním) režimu, je-li us > e′′ pracuje naopak v podbuzeném (kapacitním) režimu Aby nedošlo k druhému případu, alternátor se mírně přebudí
Fázování alternátoru Fázový rozdíl napětí:
e′′ − us = ik′′ = xt + xd′′
ψ 2 xt + xd′′
2u.sin
Analogicky:
ψ max 2u.sin 2 ik′′= in= xd′′
in .xd′′ 1.0,15 ψ max = 2.arcsin = 2.arcsin = 8, 6° 2u 2.1
=> Na odchylku fáze je alternátor mnohem citlivější, v protifázi překračuje hodnoty 3f zkratu cca 2x
Fázování alternátoru Frekvence:
Rovnost brzdné a urychlující energie:
1 = J ∆Ω 2 2
tmax
P ( t ).dt ∫= e
t0
π
dt ≅ ∫ Pe (ϑ ). dϑ ≅ dϑ ϑ0 π
≅
∫ϑ
0
1 J .Ω 2n 1 ∆ω 2 = Tm ∆ω 2 = 2 Mn 2 a tedy
∆= ωmax
π
π
∫ϑ p
max
M n .Ω n pmax .sin ϑ. dϑ Ωn
.sin ϑ.dϑ
0
2 pmax .sin= ϑ.dϑ ∫ Tm ϑ0
2 pmax . (1 + cos ϑ0 ) Tm
Pracovní oblast alternátoru PQ diagram:
