Instytut Mechatroniki i Systemów Informatycznych do użytku wewnętrznego

Maszyny Synchroniczne

Zadanie 3

Dla turbogeneratora o następujących danych znamionowych: moc

znamionowa

P = 200 MW,

N

napięcie znamionowe

U =

75

,

15

kV (Y),

N

częstotliwość znamionowa

f = 50 Hz,

N

znamionowy

współczynnik mocy cosϕ = 85

,

0

,

N

ind.

prędkość znamionowa

n = 50 obr/s,

N

wyznaczono charakterystyki biegu jałowego E

= f I i zwarcia I = f I dla n = n k

( f )

0ph

( f )

N

I

kA 0,4 0,8 1,2 1,6 2,0 2,4 2,8

f

E

0

kV 3,8 7,6 10,2 11,3 12,0 12,5 12,9

ph

I

kA

7,75

k

oraz jeden punkt charakterystyki obciążenia U = f I przy I = I i cosϕ =0 dla n = n : ph

( f )

N

ind.

N

Wyznaczyć:

1. reaktancję rozproszenia,

2. znamionowy

prąd twornika w skali uzwojenia wzbudzenia, 3. przekładnię maszyny,

4. wartość wypadkowej siły elektromotorycznej w znamionowych warunkach pracy, 5. znamionowy

prąd wzbudzenia.

Uwaga: pominąć rezystancję twornika - R = 0

a

Zredagował dr inż. Witold Kubiak - na podstawie materiałów własnych Instytutu 1

Instytut Mechatroniki i Systemów Informatycznych do użytku wewnętrznego

Charakterystyka biegu jałowego E

= f I i zwarcia I = f I dla n = n k

( f )

0ph

( f )

N

I

kA 0,4 0,8 1,2 1,6 2,0 2,4 2,8

f

E

0

kV 3,8 7,6 10,2 11,3 12,0 12,5 12,9

ph

I

kA

6,09

k

Jeden punkt charakterystyki obciążenia I = 9

,

2

kA, U = U =

75

,

15

kV przy

f

N

I = I i cos ϕ =0

dla n = n

N

ind.

N

14

12

10

] 8

A

[k

], Ik

kV [h

E0p 6

4

2

0

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

If [kA]

Zredagował dr inż. Witold Kubiak - na podstawie materiałów własnych Instytutu 2

Instytut Mechatroniki i Systemów Informatycznych do użytku wewnętrznego

Rozwiązanie

Ad 1. wyznaczamy trójkąt Potier metodą Janeta-Fischera-Hinnena: Konstrukcja wykreślna na charakterystyce biegu jałowego z wykorzystaniem charakterystyki zwarcia i jednego punktu charakterystyki obciążenia przy I = I i cosϕ =0

dla n = n :

N

ind.

N

a) z charakterystyki zwarcia odczytujemy wartość znamionowego prądu wzbudzenia w stanie zwarcia, przy znamionowym prądzie twornika; S

P

200 ⋅106

I

= I

N

N

=

=

=

= 8625 A

aphN

N

3 ⋅ U

3 ⋅ U ⋅ cos ϕ

3 ⋅

,

15 75 ⋅103 ⋅ 85

,

0

N

N

N

I

8625

I

= I

N

⋅

= ,

1 2 ⋅

= 7

,

1 A

fkN

fk

I

6090

k

b) z punktu charakterystyki obciążenia przy I = I i cosϕ =0

, dla n = n , odkładamy

N

ind.

N

w lewo odcinek równy wyznaczonemu znamionowemu prądowi wzbudzenia w stanie zwarcia;

Uwaga: wykres jest wykonany w jednostkach napięcia fazowego U

75

,

15

⋅103

U

N

=

=

= 9093 V

phN

3

3

c) przez koniec tego odcinka prowadzimy prostą równoległą do początkowej, prostoliniowej części charakterystyki biegu jałowego przecięcie tej prostej z charakterystyką biegu jałowego wyznacza górny wierzchołek trójkąta zwarcia – wypadkową siłę elektromotoryczną w maszynie przy obciążeniu U = U , I = I i cos ϕ =0

dla n = n ;

N

N

ind.

N

stąd spadek napięcia na reaktancji rozproszenia twornika: E

= E − U

= 10800 − 9093 = 1707

aph

σ

V

eph

phN

oraz reaktancja rozproszenia

E aph

1707

X

= σ

=

= 198

,

0

a

σ

Ω

I

8625

aphN

Ad. 2 znamionowy prąd twornika w skali uzwojenia wzbudzenia – dolny bok trójkąta zwarcia wyznaczamy korzystając z wykonanej konstrukcji wykreślnej.

Z wykresu odczytujemy wypadkową wartość prądu wzbudzenia przy obciążeniu U = U , I = I i cos ϕ =0

dla n = n ;

N

N

ind.

N

stąd znamionowy prąd twornika w skali uzwojenia wzbudzenia: I

= I

= I − I

= 9

,

2

− 38

,

1

= 52

,

1

kA

afphN

afN

fph

efph

Zredagował dr inż. Witold Kubiak - na podstawie materiałów własnych Instytutu 3

Instytut Mechatroniki i Systemów Informatycznych do użytku wewnętrznego

14

12

P5

10

] 8

A

[k

], Ik

[kVh

E0p 6

4

2

0

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

If [kA]

Zredagował dr inż. Witold Kubiak - na podstawie materiałów własnych Instytutu 4

Instytut Mechatroniki i Systemów Informatycznych do użytku wewnętrznego

Ad. 3 przekładnia maszyny synchronicznej określona jest stosunkiem liczby zwojów stojana do liczby zwojów wirnika, z uwzględnieniem odpowiednich współczynników uzwojeń.

Przekładnia umożliwia wyrażanie reakcji twornika w wielkościach (skali) prądu wzbudzenia wirnika.

Podstawą do wyznaczenia przekładni jest równość przepływów wytworzonych przez prąd płynący przez uzwojenie twornika (stojana) i równoważnego przepływu wytworzonego przez prąd wzbudzenia płynący w wirniku.

4

2 m ⋅ N ⋅ k

4 N ⋅ k

a

wa

f

wf

⋅

⋅

⋅ I = ⋅

⋅ I

aN

afN

π 2

p

π

p

stąd przekładnia:

N ⋅ k

2

I

2 1520

a

wa

afN

=

⋅

=

⋅

= 0831

,

0

N ⋅ k

m

I

3

8625

f

wf

aphN

Ad. 4 wartość wypadkowej siły elektromotorycznej w znamionowych warunkach pracy obliczamy w oparciu o wykres wskazowy dla znamionowych warunków pracy E

σaphN

EephN

UphN

IfN

IaphN

ψ

ϕN

π

ψ +

2

IafN

IefN

Zredagował dr inż. Witold Kubiak - na podstawie materiałów własnych Instytutu 5

Instytut Mechatroniki i Systemów Informatycznych do użytku wewnętrznego

wypadkowa siła elektromotoryczna w warunkach pracy znamionowej, wyrażona w wartościach napięcia przewodowego

E

= U ⋅ cosϕ + U ⋅sin ϕ + 3 ⋅ I ⋅ X

eN

(

)2

N

( N

aN

σ )2

a

2

2

E

=

⋅

⋅

+

⋅

⋅

+

⋅

⋅

=

V

eN

( 75

,

15

103

85

,

0

) ( 75

,

15

103

527

,

0

3 8625

198

,

0

) 17492

Ad. 5 znamionowy prąd wzbudzenia również obliczamy w oparciu o wykres wskazowy dla znamionowych warunków pracy

z charakterystyki odczytujemy wartość wypadkowego prądu wzbudzenia dla obliczonej znamionowej wartości wypadkowej siły elektromotorycznej (patrz wykres dla punktu 2) E

17492

E

eN

=

=

= 10099 V

ephN

3

3

stąd:

I

= 18

,

1

kA

efN

kąt pomiędzy prądem twornika a wypadkową siłą elektromotoryczną U

⋅ cosϕ

⋅

ϕ

⋅

phN

U

cos

15750

85

,

0

ψ =

cos

arc

=

cos

arc

N

=

cos

arc

= ,

40 06 °

E

E

17492

ephN

eN

π

kąt pomiędzy wskazami przepływów I i I

wynosi ψ + , stąd znamionowy prąd efN

afN

2

wzbudzenia

2

2

⎛

π ⎞

I

= I + I − 2 ⋅ I ⋅ I ⋅

fN

afN

efN

afN

efN

⎜

cos ψ +

⎟

⎝

2 ⎠

I

= 15202 +11802 − 2 ⋅1520⋅1180⋅ cos

+

=

A

fN

( 06

,

40

90)

2452

Zredagował dr inż. Witold Kubiak - na podstawie materiałów własnych Instytutu 6