12.
Alternátory
Alternátory velkých výkonů jsou synchronní stroje (asynchronní pouze pro malé výkony). Dle použité turbíny dělíme stroje na: • Turboalternátory pracující s parními turbínami – alternátory s hladkým rotorem obvykle dvojpólové pro velké výkony (přes 1000 MVA) výjimečně čtyřpólové (otáčky 3000, resp. 1500 ot./min) (na obrázku 400 MVA)
•
V drážkách uloženo budící vinutí zajištěné kovovými klíny (tvoří tlumící vinutí). Hydroalternátory pracující s vodními turbínami – alternátory a vyniklými póly obvykle vícepólové (na obrázku 61 MVA, 100 ot./min)
Tlumící vinutí (tlumič) se umísťuje v drážkách pólových nástavců a spojuje čelními spojkami do krátka Počet pólpárů je dán vztahem: PP =
60 ⋅ f . n
Výkon alternátoru je omezen vzhledem k vývinu tepelných ztrát velikostí jeho objemu, který je dán vnějšími rozměry dle dopravních a manipulačních možností. Průměr rotoru je navíc omezen odstředivými silami. Stroje s hladkým rotorem velkých výkonů jsou tedy spíše protáhlého válcového tvaru. Kromě toto je ještě nutno brát v úvahu celkovou délku hřídele a vlastní kmity soustrojí. Pro vyšší výkony s rostoucím napětím a navyšující se nutnou izolací se možnost přirozeného chlazení ještě komplikuje. U vyšších výkonů nelze tedy rozměry dostatečně navyšovat a rostou tepelné ztráty v jednotce objemu a je tedy nutné aktivní chlazení: • Vzduchové chlazení podporované axiálními ventilátory na ose, vzduch cirkuluje přes vodní chlazení (pro výkony do 50 MW, ve světě až 200 MW pro svou jednoduchost a levnost přes nižší účinnost) • Přímé chlazení magnetického obvodu rotoru vodíkem a nepřímé chlazení statoru vodíkem • Přímé chlazení statorového vinutí vodou Izolace vinutí je provedena termosetickou nebo pryskyřičnou umělou hmotou RELANEX. Přímé chlazení rotoru a nepřímé statoru vodíkem Vodík umožňuje zvýšení chlazení při nižších ventilačních ztrátách. Konstrukce vede na vyšší využití objemu a účinnost stroje. Pro výkony 60 až 165 MW. Tlak vodíku je 0.2 až 0.4 MPa. Rotor má duté vodiče a jimi se tlakově prohání vodík, stator je chlazen axiálními kanály v magnetickém obvodu. Cirkulace je opět podpořena axiálními ventilátory a chlazení vodou.
Vodík je třaskavý v koncentraci 4 až 75 % se vzduchem. Pro plnění a vyprazdňování je proto nutno použít inertní CO2. Při provozu se udržuje čistota H2 98% kriticky nízká hodnota je 92%. Plnění je elektrolytickým vodíkem o čistotě 99.5%, tlak z lahví je redukován na 0.5 MPa. Často je projektováno více bloků se společným vodíkovým hospodářstvím a případným plynojemem mezi lahvemi a alternátory. Těsnění vnitřního prostoru alternátoru je provedeno ucpávkami: Válcová radiální ucpávka Čelní axiální ucpávka
Využíván je systém dvou těsnících olejů aby se rozpuštěný vodík nemísil s případným rozpuštěným vzduchem. Plynové hospodářství zabezpečuje čistotu a tlak vodíku a umožňuje plnění stroje:
1, 2 – přepouštěcí ventily 3 – pojistný ventil 4 – vysoušeč vodíku se silikagelem 5 – analyzátor vodíku dle tep. vodivosti 6 – měření tlaku
7 – regulátor konstantního průtoku 8 – měřící ventilátor 9 – měření čistoty plynů při plnění 10 – signalizace tlaku 11 – automatické připouštění vodíku
Přímé chlazení vinutí statoru vodou Pro alternátory nad 200 MW včetně. Nese s sebou problém zvyšování ztrát, které se omezují střídáním plných a dutých vodičů, použitím nemagnetických materiálů pro čela stroje. Tlak vodíku musí být vyšší než vody, aby jeho případný vnik byl snadno detekován a odstraněna netěsnost vodního systému. Používá se voda o vodivosti 2 až 5 S/cm. Systém je uzavřený, voda se regeneruje přes chemické filtry nebo připouštěním čistější vody: Parametry alternátorů vzhledem k použitému systému chlazení: Jmenovitý výkon činný 165 235 PN [MW] Jmenovitý výkon zdánlivý 194 277 PN [MW] Chladící systém H2 300 kPa H2 400 kPa H2O Proudové využití [A/cm] 1522 1518 Jmenovité napětí 15.00 15.75 UN [kV] Účinnost [%] 98.63 98.61 Měrná hmotnost [kg/kVA] 0.857 0.860
500 588 H2 500 kPa H2O 1965 20.00 98.75 0.630
1 – pracovní a záložní čerpadlo 2 – podávací čerpadlo 3 – chladič 4 – mechanický filtr 5 – vyjímatelní vložky při měření izolačního stavu statoru
6 – vyrovnávací nádoba 7 – sifon (přepad) 8 – automatické uzavírání 9 – čistá voda z filtrovací stanice 10 – vývod k vývěvě pro odplynění
Hlavní parametry a charakteristiky alternátorů Jmenovitý výkon – odvíjí se od výkonu turbosoustrojí a ten od tepelného výkonu zdroje termodynamické energie. Pro klasické tepelné elektrárny dle jmenovité řady u nás výkony 110, 200 a 500 MW (resp. 125, 235 a 588 MVA). U JE dle tepelného výkonu rektoru dvě turbosoustrojí 220 MW (resp. 258 MVA) pro VVER440 a jedno soustrojí pro VVER1000 (resp. 1176 MVA). Cena 1 kW i velikost ztrát s velikostí jmenovitého výkonu alternátoru i celého bloku klesají se čtvrtou odmocninou. Omezující faktory jsou zásobování palivem a vodou, popř. možnost odběru, vyvedení do ES či koncentrace exhalací. Napětí alternátoru Volí se s ohledem na velikost proudů a nutné izolace: Jmenovitý výkon Jmenovité napětí Jmenovitý výkon UN [kV] PN [MW] PN [MW] 50 6.3 220 110 13.8 500 200 15.0 1000
Jmenovité napětí UN [kV] 15.75 20.00 25.00
Účiník cos ϕ alternátoru Určen úlohou elektrárny v ES (zařazení elektrárny do regulace velikosti napětí a rozdělování jalového výkonu). Čím vyšší požadavky na dodávaný jalový (induktivní) výkon, tím účiník nižší, což klade zvýšené nároky na budící systém a rotor jako takový. Pro velké výkony minimálně cos ϕ ≥ 0.8 (typicky 0.85), pro malé výkony se volí cos ϕ relativně menší. Charakteristika naprázdno a nakrátko
Pro alternátory stejného konstrukčního typu je tato charakteristika obdobná. Lze definovat tzv. zkratový poměr:
ν=
IK0 I = iK 0 = b0 IN I bK
Na výše uvedené konkrétní charakteristice je: ν = 0.5
i K 0 = 0.5
Ze stavu nakrátko lze určit: xdS =
e iK 0
=
e
ν
≈
1 =2 0.5
u 0 / ibK Náhradní reaktance při stavu nenasyceném je analogicky: xd = = > xdS i K 0 ibO / Pro provoz alternátoru je výhodná velká hodnota ν z důvodu navýšení přirozené statické stability a snížení vlivu reakce kotvy a tedy při přechodných dějích snížení poruchových proudů v rotoru. Zmenšování x d ale navyšuje konstrukční náklady alternátoru (vyžaduje zvětšení vzduchové mezery a v důsledku mohutnější budící vinutí). Moderní alternátoru mají ν malé (< 0.5) a xd velké (> 2). Snížená statická stabilita se dohání rychlým budičem a regulátorem. Rovnice chodu alternátoru Vztahy vycházejí z Parkovy transformace (předpoklad kompletní linearity systému):
Uk = − RkIk −
dΨk dt
kde k je a, b, c, F, D, Q Ψa Laa Lab Lac LaF LaD LaQ Ia Ψb Lba Lbb Lbc LbF LbD LbQ Ib Ψc Lca Lcb Lcc LcF LcD LcQ Ic = ⋅ ΨF LFa LFb LFc LFF LFD 0 IF ΨD LDa LDb LDc LDF LDD 0 ID 0 LQQ IQ ΨQ LQa LQb LQc 0 kde: Indukčnosti stator vs buzení:
LaF = LFa = LaFm cosϑ 2 LbF = LFb = LaFm cosϑ − π 3 2 LcF = LFc = LaFm cosϑ + π 3 Indukčnosti statoru vs tlumič v ose d:
Indukčnosti statoru vs tlumič v ose q:
LaD = LDa = LaDm cosϑ
1 LaQ = LQa = LaQm cosϑ + π 2 2 1 LbQ = LQb = LaQm sinϑ − π + π 3 2 2 1 LcQ = LQc = LaQm sinϑ + π + π 3 2
2 LbD = LDb = LaDm cosϑ − π 3 2 LcD = LDc = LaDm cosϑ + π 3
Indukčnosti statoru vlastní:
Indukčnosti statoru vzájemné:
Laa = LaO + L 2 cos 2ϑ
Lbc = − Lab 0 + L2 cos 2ϑ
2 Lbb = LaO + L 2 cos 2ϑ − π 3 2 Lcc = LaO + L 2 cos 2ϑ + π 3
2 Lca = − Lab0 + L2 cos 2ϑ − π 3 2 Lab = − Lab0 + L2 cos 2ϑ + π 3
Po zavedení Parkovy transformace ve statoru (zavedení inerciální soustavy spojené s rotorem):
cos ϑ [P ] = 2 sin ϑ 3 1 2
[ [ [
] ] ]
= [P ] ⋅ [u a,b, c ] 2 2 u cos(ϑ − 2 3π ) cos(ϑ + 2 3 π ) d , q,0 3 3 sin (ϑ − 2 3 π ) sin (ϑ + 2 3π ) id , q ,0 = [P ] ⋅ [ia,b, c ] 1 1 Ψd , q ,0 = [P ] ⋅ [Ψa ,b, c ] 2 2
získáme namísto prvních tří napěťových rovnic:
dΨd + ωΨq dt dΨ q Uq = − RIq − − ωΨ d dt dΨ 0 U 0 = − RI 0 − dt
Ud = − RId −
a magnetické toky jsou:
Ψd = LdId + LdFIF + LdDID Ψq = LqIq + LqQIQ Ψ 0 = L0 I 0 Ld je podélná synchronní indukčnost 3 Ld = La 0 + Lab0 + L 2 2 Lq je příčná synchronní indukčnost 3 Lq = La 0 + Lab 0 − L 2 2 L0 je netočivá indukčnost L0 = La 0 − 2 Lab0
ΨF = LFdId + LFFIF + LFDID ΨD = LDdId + LDFIF + LDDID ΨQ = LQqIq + LQQIQ
Výkon stroje:
Pi = U a I a + U b I b + U c I c Momentová rovnice stroje pro dvoupólový stroj je:
J mot
dΩ = Mint + MZ dt
kde Jmot je moment setrvačnosti
3 3 3 Pi = U d I d + U q I q + U 0 I 0 2 2 1
Mint =
Pi 3 = (ΨdIq − ΨqId ) Ω 2
Fázorový diagram synchronního stroje v ustáleném synchronním chodu (veškeré časové změny toků jsou nulové, proudy tlumičem taktéž)
dΨ d = 0 a Uq = −ωΨd , tedy dt pokud se jedná o ustálený stav musí: Ud = 0 a Uq = U S = eV Zatížený stav: U d = − RI d + ωΨq = − RI d + xq I q U q = − RI q − ωΨd = − RI q − xd I d + eV Chod naprázdno: I d = I q = 0 a Ψq = 0 , tedy Ud = −
Zavedeme fázorový diagram pro velikosti těchto veličin:
(
)
eV = U S + R ⋅ I d + I q + j ⋅ xd I d + j ⋅ xq I q 14 2 43 I
kde:
xd = xad + xσ
a
xq = xaq + xσ
jsou podélná a příčná synchronní
reaktance (xd, xq) a reaktance reakce kotvy v podélné a příčné ose (xad, xaq)
Fázorový diagram synchronního stroje s hladkým rotorem (turboalternátoru): V přebuzeném stavu V podbuzeném stavu
Elektrický výkon alternátoru:
i ⋅ cos ϕ =
eV ⋅ sin ϑ xd
e ⋅ cos ϑ − u i ⋅ sin ϕ = V xd
pS = u ⋅ i ⋅ cos ϕ =
u S ⋅ eV sin ϑ xd
u S ⋅ eV uS 2 qS = u S ⋅ i ⋅ sin ϕ = cos ϑ − xd xd
u ⋅e u Trojfázový zdánlivý výkon: s = 3 S V sin ϑ + j cos ϑ − S xd
eV
Fázorový diagram synchronního stroje s vyniklými póly (hydroalternátoru):
Dle podobnosti trojúhelníků:
1− 2 5 − 2 = 2−3 2−4
Eq − U q EV − Eq
=
Xq ⋅ I
(X d − X q )⋅ I
Eq = EV
Xq Xd
+ Uq
Xd − Xq Xd
PS = U S ⋅ I ⋅ cos ϕ
Eq ⋅ sin ϑ = X q ⋅ I č = X q ⋅ I ⋅ cos ϕ
Xq Xd − Xq + sin ϑ = E U q V X Xq X d d U S ⋅U q X d − X q E ⋅U S = sin ϑ + ⋅ sin ϑ U q = U S cos ϑ Xd Xq Xd PS = U S
Eq
sin ϑ =
US Xq
E ⋅U S US2 X d − Xq sin ϑ + sin (2ϑ ) PS = ⋅ 2 Xd Xd ⋅ Xq Analogicky:
E ⋅U S US2 Xd − Xq US2 Xd + Xq QS = cos ϑ + ⋅ cos(2ϑ ) − ⋅ Xd 2 Xd ⋅ Xq 2 Xd ⋅ Xq
Výkon dodávaný synchronním strojem s regulací buzení: Pro regulaci jako základní kritérium obvykle uvažujeme konstatntní velikost svorkového napětí alternátoru. Potom:
PS REG = QS REG =
U q ⋅U S XV U q ⋅U S XV
Xq US2 sin ϑ − sin (2ϑ ) ⋅ 2 X q + XV ⋅ XV
(
)
Xq X q + 2 XV US2 US2 cos ϑ − ⋅ cos(2ϑ ) − ⋅ 2 X q + XV ⋅ X q 2 (X d + XV )⋅ X q
(
)
Zavislost vykonu dodavaneho do site na zateznem uhlu 20
Zavislost vykonu dodavaneho do site na zateznem uhlu 20
Pnereg Preg
15
15
10
10
5
5
Preg2
0
0 0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
ruzna zavislost s regulaci a bez regulace buzeni
1.4
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
ruzne zavislosti s regulaci a bez regulace buzeni
1.4
Další parametry alternátoru pro neustálené stavy: Reaktance
x ad x Fσ - podélná přechodná x ad + x Fσ (tranzitní) reaktance xq’ - příčná přechodná reaktance x d/ = xσ +
Dány především časovou konstantou buzení, proto xq’= xq (protože v příčné ose není buzení). Používá se při výpočtech velikosti zkratových proudů po odeznění prvních několika silně tlumených period. Dány především časovou konstantou tlumiče (zde je rozdíl mezi xd’’ a xq’’ závisí na konstrukci tlumiče). Používá se při výpočtech velikosti zkratových proudů bezprostředně po jejich vzniku.
x Fσ x ad x Dσ x Fσ x ad + x Fσ x Dσ + x ad x Dσ - podélná rázová (subtranzitní) reaktance x aq xQσ x q// = xσ + - příčná rázová x aq + xQσ reaktance Časové konstanty Td0’ - přechodná časová konstanta (budícího obvodu) v podélné ose při chodu naprázdno Td0’’ - rázová časová konstanta (tlumícího obvodu) v podélné ose při chodu naprázdno Tq0’’ - rázová časová konstanta (tlumícího obvodu) v příčné ose při chodu naprázdno x/ Td/ = d Td/ 0 - přechodná časová konstanta v podélné ose při chodu nakrátko xd x d// = xσ +
Td// = Tq// =
x d// // Td 0 - rázová časová konstanta v podélné ose xd x q//
Tq//0 - rázová časová konstanta v příčné ose (hodnota cca jako Td’’)
xq Tm - mechanická časová konstanta (podle velikosti alternátoru a jeho Jmot)(např. 7 až 10 sec.). TF - časová konstanta buzení (do 1 sec.)
xd xq xd’ xd’’ xq’’ x2 x0 Td0’ Td’’
Stroj s vyniklými póly 0.9 ÷ 1.5 (1.2) 0.5 ÷ 1.1 (0.2) 0.3 ÷ 0.5 (0.4) 0.25 ÷ 0.35 (0.3) ~ xd’’ 0.1 ÷ 0.25 0.03 ÷ 0.2 3 ÷ 8 (5) 0.02 ÷ 0.05 (0.04)
stroj s hladkým rotorem 1.5 ÷ 2.5 (2) ~ xd (nepatrně menší) 0.2 ÷ 0.35 (0.25) 0.15 ÷ 0.25 (0.2) = xd’’ 0.1 ÷ 0.15 0.02 ÷ 0.1 8 ÷ 12 (10) 0.02 ÷ 0.05 (0.04)
