SYNCHRONNÍ STROJE B1M15PPE

SYNCHRONNÍ STROJE B1M15PPE

OBSAH 1) Trojfázový synchronní generátor 1) Samostatný generátor 2) Fázování a generátor na síti

2) Chod jako motor 3) Fázorové diagramy 4) Momentová charakteristika 1) Stroj s hladkým rotorem 2) Stroj s vyniklými póly

5) 6) 7) 8) 9)

Buzení Rozběh, reverzace, brzdění, řízení rychlosti Reluktanční motor Krokový motor Druhy zatížení, krytí

© Doc. Ing. Pavel Pivoňka, CSc.

2

POUŽITÍ A VLASTNOSTI

 3FÁZOVÉ GENERÁTORY PRO VELKOVÝROBU ELEKTŘINY  MOTORY VELKÉHO VÝKONU S KONSTANTNÍ RYCHLOSTÍ  SYNCHRONNÍ KOMPENZÁTORY (řízení účiníku)  DC BUZENÍ NA ROTORU  AC VINUTÍ NA STATORU


3

GENEROVÁNÍ TROJFÁZOVÉHO NAPĚTÍ a

b

a

c

b´

c

stator 3 fázové vinutí

a

a´ If + r

rotor (budicí vinutí)

c

u

c´

b ua

ub

b

uc

t Indukované napětí v jedné fázi


4

VLIV POČTU PÓLŮ a

b

c b

stator

a

If + -

rotor (budicí vinutí)

b´

c´

3 fázové vinutí

r

a´ c

b´

u

a

r

c´

c a´ b

ua

t Kmitočet indukovaného napětí

ω e pω m πpn np fe = = = = 2π 2π 30 ⋅ 2π 60 © Doc. Ing. Pavel Pivoňka, CSc.

n=

60 f e p 5

STATOROVÉ A ROTOROVÉ VINUTÍ •

•

•

Stator: – Trojfázové vinutí po 120° – Sinusové rozložení v drážkách – Připojení na trojfázovou síť Rotor: – Budicí vinutí napájené DC (různé budicí systémy) – Amortizér / tlumicí vinutí (tyče nakrátko)

3fázové statorové vinutí Tyče vinutí amortizéru Budicí vinutí

Rotorové vinutí na pólech: – vyniklé (a) – pomaluběžné stroje (hydro …) – hladké (b) – vysokorychlostní stroje (turbo …) © Doc. Ing. Pavel Pivoňka, CSc.

6

ZÁKLADNÍ ČÁSTI SYNCHRONNÍHO STROJE

válcový stator a 3fázové statorové vinutí

rotorové cívky nasazené na vyniklých pólech

amortizační vinutí

hřídel

budič

Rotorové cívky uložené v drážkách (hladký rotor) ventilátor Obrázky z: http://ecatalog.weg.net/files/wegnet/WEG-synchronous-motors-technical-article-english.PDF, (20.2.2013)


7

NÁHRADNÍ SCHÉMA Xσ

Xad

-I

R

U = E − j ⋅ X ad ⋅ I − j ⋅ X σ ⋅ I − R ⋅ I E

Ui

U ad σ

i

Xad  kotva Xσ  rozptyl


8

ZJEDNODUŠENÉ NÁHRADNÍ SCHÉMA U = E − j⋅ Xs ⋅I

Xs  synchronní X R  0 (zanedbatelný)

E = 4,44 ⋅ N p ⋅ K w ⋅ Φ m ⋅ f e s

-I

Xs

E

U

Pout = 3 ⋅ U ⋅ I ⋅ cos ϕ = 3 ⋅


U ⋅ E ⋅ sin δ Xs 9

FÁZOROVÉ DIAGRAMY GENERÁTOR S HLADKÝM ROTOREM NA SÍTI NEKONEČNÉHO VÝKONU PU PU

PU s

s

s

PI

RC zátěž © Doc. Ing. Pavel Pivoňka, CSc.

R zátěž

RL zátěž 10

MOMENTOVÁ CHARAKTERISTIKA 

=3



=



=



=

=3

=

δ = zátěžný úhel


11

FÁZOVÁNÍ PROCES, JAKÝM SE PŘIPOJUJE NOVÝ GENERÁTOR K EXISTUJÍCÍ SÍTI. PODMÍNKY  Stejná velikost napětí (RMS) Usítě = Ugenerátoru  Stejný sled fází (a,b,c)sítě = (a,b,c)generátoru  Stejný fázový úhel shodných fázových napětí Uasítě - Uagenerátoru  0  Stejné kmitočty fsítě = fgenerátoru (kmitočet generátoru může být mírně vyšší)


12

TOČIVÉ MAGNETICKÉ POLE  ZÁKLADNÍ VLASTNOST TROJFÁZOVÝCH TOČIVÝCH STROJŮ  U synchronních stejně jako u asynchronních:  VYTVOŘENÉ  3FÁZOVÝM PROUDEM PŘIVEDENÝM NA 3FÁZOVÉ VINUTÍ  CÍVKY TROJFÁZOVÉHO VINUTÍ ROZLOŽENY PO 120° PO OBVODU STATORU


13

SYNCHRONNÍ A ASYNCHRONNÍ RYCHLOST

ωm =

ωe p

=

2 ⋅ π ⋅ f1 = ωS p

ωS =

2π ⋅ nS 60

nS =

60 ⋅ f1 p

s=

nS − n nS

= SKLUZ

n = ns - synchronní stroje  s = 0 n # ns - asynchronní stroje  s # 0 © Doc. Ing. Pavel Pivoňka, CSc.

14

SYNCHRONNÍ MOTOR  Při napájení 3fázového statorového vinutí 3fázovým střídavým proudem:  úhlová rychlost fázoru napětí statoru =2  úhlová rychlost točivého magnetického pole 

=

=

SYNCHRONNÍ RYCHLOST

 ROTOR vložený do točivého pole má svůj magnet  začne kopírovat rychlost točivého pole:

ωs =

2πf1 2πns = p 60

ns =

60 f1 p

 Při f1 = 50 Hz nS = 3000, 1500, 1000 … 1/min  Úhel δ se mění se zatížením (zátěžný úhel) © Doc. Ing. Pavel Pivoňka, CSc.

15

TRANSFORMACE SOUŘADNIC Pro simulace a výpočty se rovnice stroje transformují do pravoúhlého systému souřadnic svázaného se:  statorem (α, β, ωsouřadnic = 0)  rotorem (k, l, ωsouřadnic = ω)  točivým magnetickým polem (d, q, ωsouřadnic = ωS) – vhodné pro studium řídicích procesů Používané indexy: a, b, c – fáze statoru d, q – transformované a, b, c f – budicí vinutí A – amortizační vinutí D, Q – transformované A


16

MATEMATICKÝ MODEL PO TRANSFORMACI Pro symetrické harmonické napájení, sinusově rozložené vinutí, identické R i L ve všech fázích, lineární magnetizační křivku, a zanedbatelné hodnotě ΔPFe platí: =

=

=

pro

ustálený stav a

≠

pro přechodné stavy

Statorové vinutí ud = R1id + dΨd / dt − ωe Ψq

Ψd = Ld id + LdD iD + Ldf i f

uq = R1iq + dΨq / dt + ωe Ψd

Ψq = Lq iq + LqQ iQ

Amortizační vinutí 0 = RD iD + dΨD / dt

ΨD = LDd id + LDd iD + LDf i f

0 = RQ iQ + dΨQ / dt

ΨQ = LQq iq + LQ iQ

Budicí vinutí u f = R f i f + dΨ f / dt

Rovnováha momentů © Doc. Ing. Pavel Pivoňka, CSc.

m=

Ψ f = L fd id + L fD iD + L f i f

dωm 3 dJ + ωm p (Ψd iq − Ψq id ) = mLOAD + J 2 dt dt 17

USTÁLENÝ STAV Předpoklady a zjednodušení: ωm= ωS, ΔPFe= 0, R1= 0 U d = −ωe Ψq U q = ωe Ψd

Ψd = Ld I d + Ldf I f

kde

Ψq = Lq I q + LqQ I Q

U f = Rf I f

Id = Iq =

Ψd − Ldf i f Ld Ψq Lq

=−

=

U q − ωe Ldf I f

ωe Ld

=

Ψd =

Uq

ωe

Ψq = −

Ud

ωe

Uq − E Xd

Ud U =− d ωe Lq Xq

U d = − 2U1 sin δ U q = 2U1 cos δ © Doc. Ing. Pavel Pivoňka, CSc.

 3 p  U 1 E 1 U 12 1 sin δ + ( ) sin 2δ  − M =  ω e  X d 2 Xq Xd  18

MOMENTOVÁ CHARAKTERISTIKA 3U1 E 3U 12 X d − X q M= ⋅ sin δ + ⋅ ⋅ sin( 2δ ) = M syn + M reluct X d ωm 2ω m X d X q

ωm = ωs

 Stroj s vyniklými póly může vytvářet moment i bez buzení = reluktanční motor  U strojů s hladkým rotorem Xd = Xq  Mreluct = 0 vyniklé póly


hladký rotor

19

ZATĚŽOVACÍ CHARAKTERISTIKA n = f(M) 3U1 E 3U12 X d − X q M= ⋅ sin δ + ⋅ ⋅ sin( 2δ ) X d ωm 2ωm X d X q


ωm =

πn 30

= ωs

20

FÁZOROVÉ DIAGRAMY MOTOR NA „NEKONEČNÉ“ SÍTI  U1 = konst., f1 = konst. vyniklé póly

hladký rotor (se zjednodušením): U1 = E + jX s I

Xs = Xd = Xq U1=Ugrid=const.

pracovní oblasti:

přebuzený (leading cosφ) © Doc. Ing. Pavel Pivoňka, CSc.

podbuzený (lagging cosφ) 21

FÁZOROVÉ DIAGRAMY MOTOR S HLADKÝM ROTOREM NA NEKONEČNÉ SÍTI

s © Doc. Ing. Pavel Pivoňka, CSc.

22

„V“ KŘIVKY I = f(If)

přebuzený (leading cosφ) podbuzený (lagging cosφ)

Poznámka: SYNCHRONÍ KOMPENZÁTOR = nezatížení přebuzení motor © Doc. Ing. Pavel Pivoňka, CSc.

23

BUDICÍ SYSTÉMY  Funkce:  Zdroj regulovaného budicího proudu  Pomocné funkce při rozběhu, případně při brzdění

 Rozdíly v budicích systémech:  Typ zdroje proudu (DC rotační generátor – budič; řízený nebo neřízený usměrňovač)  Přenos budicí energie ze zdroje do budicího vinutí (kroužky, rotační transformátor, střídavý budič)  Řízení velikosti budicího proudu (proměnný odpor, elektronické spínací prvky tyristory, tranzistory atd.)  Schopnost dodávat budicí proud také při stojícím stroji

 Dimenzování: musí být schopen dodávat Ifmax ≥ 1,4 Ifn po dobu 60s


24

PŘÍKLAD BUDICÍHO SYSTÉMU STEJNOSMĚRNÝ BUDIČ

buzení SM RS

buzení budiče

Rd

 V budicím obvodu ještě Rp pro potlačení nabuzení při rozběhu  Rs a Rp se po rozběhu přemostí (zkratují)


25

ROZBĚH SYNCHRONNÍHO MOTORU 

ASYNCHRONNÍ ROZBĚH používá AMORTIZAČNÍ VINUTÍ / TLUMIČ. Chová se jako speciální klecové vinutí. BUDICÍ VINUTÍ musí být buď zkratováno (M3) nebo připojeno přes externí odpor Rp (M1,M2).  Přímé připojení na síť  Připojení na síť přes tlumivku Tlumivka může být připojena i mezi fází a neutrálním bodem (při statorovém vinutí do hvězdy)

 Připojení přes autotransformátor

R amort M1 > R amort M2



EXTERNÍM POHONEM (např. indukčním motorem s počtem pólpárů o jeden menším, než synchronní motor  to zajišťuje dosažení ωs)



PROMĚNNÝM KMITOČTEM viz řízení rychlosti © Doc. Ing. Pavel Pivoňka, CSc.

26

REVERZACE, BRZDĚNÍ Synchronní motory jsou přednostně používány jako jednosměrné stroje, dlouhodobě běžící konstantní rychlostí, resp. tam, kde tyto změny nejsou časté  REVERZACE změnou směru točivého magnetického pole  změnou sledu fází (např. a,b,c  b,a,c)  BRZDĚNÍ  Mohou být použity některé metody používané pro asynchronní stroje, například:  generátorický chod (odpojení od sítě a připojení na odporovou zátěž – budicím proudem se reguluje brzdný moment)  řízení rychlosti změnou statorového kmitočtu


27

ŘÍZENÍ RYCHLOSTI •

Řízení rychlosti slouží hlavně pro udržování konstantní rychlosti a pro rozběh a brzdění / zastavení) motoru.

•

Efektivní řízení rychlosti lze změnou statorového kmitočtu: (přepínání počtu pólů se nepoužívá) 2πf1 2πns ωm = ωs = = 60 p

•

Zdroje proměnného kmitočtu pro řízení rychlosti: • Synchronní generátor poháněný turbínou s proměnnou rychlostí (v elektrárnách) • Polovodičový měnič kmitočtu s napěťovým DC meziobvodem • Polovodičový měnič kmitočtu s proudovým DC meziobvodem (tzv. ventilový pohon, nejčastější použití) • Cyklokonvertor (polovodičový měnič kmitočtu bez DC meziobvodu) © Doc. Ing. Pavel Pivoňka, CSc.

28

RELUKTANČNÍ MOTOR PRO MALÉ SYNCHRONNÍ POHONY – příklad HODINY Magnetická nesymetrie v osách d a q = tvar momentové charakteristiky je podobný momentové charakteristice stroje s vyniklými póly (poměr Xd/Xq = 5 až 10) 3U12 X d − X q ⋅ ⋅ sin(2δ ) M= 2ωm X d X q

ROTOR: rozběhové tyče – klecová kotva

Spínaný reluktanční motor (switched reluctance motor) – speciální elektronika, rozdílný počet pólů statoru a rotoru © Doc. Ing. Pavel Pivoňka, CSc.

29

KROKOVÝ MOTOR     

PŘEVÁDÍ NAPÉJECÍ IMPULSY NA POSTUPNÉ OTÁČENÍ HŘÍDELE PRO PŘESNÉ NASTAVENÍ POLOHY BEZ ZPĚTNÉ VAZBY VĚTŠINOU POHONY MALÝCH VÝKONŮ POHYB NENÍ PLYNULÝ  KROKY POČET KROKŮ / OTÁČKU: počet pólů, způsob řízení

 STATOR: Póly buzené stejnosměrnými pulsy  ROTOR – stejný počet pólů jako stator: Pasivní (VRM = Variable Reluctance Motor) – nerovnoměrná vzduchová mezera Aktivní (PM = Permanent Magnet motor) – permanentní magnet (vinutí napájené DC je nevýhodné) © Doc. Ing. Pavel Pivoňka, CSc.

30

ŘÍZENÍ KROKOVÉHO MOTORU Různé napájení vinutí (cívek)

UNIPOLÁRNÍ : v každém okamžiku napájena jen jedna ŘÍZENÍ : napájené dvě protilehlé cívky současně JEDNOFÁZOVÉ (jedna cívka unipolární nebo bipolární) DVOUFÁZOVÉ (dvě sousední cívky) S PLNÝM KROKEM – tolik kroků, kolik pólů S POLOVIČNÍM KROKEM – dvojnásobná přesnost = střídání jedno- a dvoufázového řízení © Doc. Ing. Pavel Pivoňka, CSc.

31

MOMENT KROKOVÉHO MOTORU

úhel kroku: =

°

, kde N = počet zubů, m = počet fází statoru, p=počet pólů


32

VÝHODY A NEVÝHODY KROKOVÉHO MOTORU  HLAVNÍ VÝHODY  Jednoduché řízení, bezkartáčový, bezúdržbový  Moment i při nulových otáčkách  Otáčí se oběma směry  Nepotřebuje zpětnou vazbu (žádná úhlová chyba, která by se kumulovala)  HLAVNÍ NEVÝHODY  Není informace o skutečné poloze  Při přetížení ztratí pozici (krok) bez varování  Limitovaná dynamika  Měkká momentová charakteristika (ztrácí M, při vyšších n)  Poměrně hlučný © Doc. Ing. Pavel Pivoňka, CSc.

33

DRUHY PROVOZU znak

význam

S1

Trvalé (nepřerušované) zatížení (při výkonu, pro který je stroj určen)

S2

Krátkodobý chod s dosažením tepelné hranice, pak musí být přestávka na vychlazení na teplotu okolí

S3

Přerušovaný chod (Posloupnost stejných period chodu: P=konst a pauza)

S4

Přerušovaný chod s rozběhem (Posloupnost: start, P=konst a pauza)

S5

Přerušovaný chod s rovnoměrně rozloženými starty, zátěžemi, reverzním chodem nebo brzděním a přestávkami

S6

Přerušované zatížení (Nepřerušovaný provoz s periodickým zatěžováním a chodem naprázdno)

S7

Jako S5, ale bez přestávek

S8

Nepřerušovaný provoz s občasným zatěžováním změnou otáček

S9

Nepřerušovaný provoz s neperiodickým zatěžováním a změnami otáček Za znak se uvádí upřesňující údaj, např.: za S2 doba trvání zatížení, za S3 aS6 doba přerušení (i v % doby chodu), za S4, S5, S7, S8, S9 moment setrvačnosti © Doc. Ing. Pavel Pivoňka, CSc.

34

FORMY OCHRANY (krytí) 1/2 IEC 34-5 Označení IP následované dvěma číslicemi = IP dotyk a vniknutí, voda první Význam - ochrana proti dotyku a vniknutí 0

nechráněno

1

předmětů > 50 mm

2

malých pevných předmětů o průměru > 12mm, prstů

3

pevných předmětů o průměru > 2,5 mm

4

nářadí, drátů apod. malých pevných předmětů, silnějších než 1 mm

5

škodlivého prachu a jeho usazování

6

proti prachu plně (prachotěsné)


35

FORMY OCHRANY (krytí) 2/2 IP dotyk a vniknutí , voda druhá Význam – ochrana proti 0

bez ochrany

1

proti kapající vodě (3-5 mm deště během 10 min), stroj v normální poloze

2

jako 1, zařízeno umístěno se sklonem 15° oproti normální poloze

3

stříkající vodě (10 l/min, tlak 80-100 kN/m2, během 3 min ze vzdálenosti 3 m)

4

jako 3, stříkání ze všech směrů

5

vodnímu paprsku (12,5 l/min, tlak 30 kN/m2, z trysky průměru 6,3 mm, během 3 min ze vzdálenosti 3 m)

6

vodnímu paprsku (100 l/min, tlak 100 kN/m2, z trysky průměru 12,5 mm, během 3 min ze vzdálenosti 3 m)

7

Ponoření do hloubky 1 m na dobu 30 min

8

ponoření do vody © Doc. Ing. Pavel Pivoňka, CSc.

36

SYNCHRONNÍ STROJE B1M15PPE

Recommend Documents