D. MASZYNY SYNCHRONICZNE

1. Zasada działania, budowa.

Wirnik z biegunami utajonymi: wirnik z biegunami jawnymi:

Maszyny synchroniczne buduje się jako trójfazowe. Uzwojenie twornika umieszczone jest w stojanie a uzwojenie wzbudzenia zasilane prądem stałym w wirniku. Obwód magnetyczny stojana tworzą pakiety blach. Rdzeń osadzony jest w korpusie wykonanym jako odlew lub konstrukcja spawana. W żłobkach pakietu umieszczone jest uzwojenie prądu przemiennego. Wirnik maszyny wykonuje się z litego materiału. Na wirniku umieszczone jest uzwojenie wzbudzające zasilane prądem stałym. Uzwojenie to może być umieszczone w żłobkach w maszynie z biegunami utajonymi (z wirnikiem cylindrycznym) lub na biegunach jawnych (z wirnikiem jawnobiegunowym). Maszyny z biegunami utajonymi pracują z dużymi prędkościami obrotowymi (turbogeneratory). Maszyny z biegunami jawnymi to maszyny wolnobieżne (hydrogeneratory).

Zasada działania:

Zasilenie trójfazowego uzwojenia stojana z częstotliwością f₁ powoduje powstanie pola wirującego kołowego z prędkością
. Zasilenie wirnika prądem stałym wytworzy w nim pole stałe, które powinno mieć taką samą liczbę par biegunów jak pole stojana. Przy nieruchomym wirniku powstaje moment przemienny, którego średnia wartość jest równa zero. Moment obrotowy o średniej wartości różnej od zera może powstać tylko przy prędkości synchronicznej - moment synchroniczny. Wirnik po uzyskaniu prędkości synchronicznej podąża za polem magnetycznym stojana utrzymując się w stanie synchronizmu wskutek działań dynamicznych występujących pomiędzy polem stojana i wirnika. Maszynę nazywamy synchroniczną ponieważ jej praca możliwa jest tylko przy prędkości synchronicznej. Jeżeli pracuje przy zmianach obciążenia to zmienia się kąt zawarty pomiędzy osiami pól. Zmiany obciążenia nie powodują zmiany prędkości obrotowej z wyjątkiem sytuacji kiedy maszyna zostałaby obciążona momentem większym niż maksymalny moment elektromagnetyczny jaki występuje przy kącie 90^o - maszyna wypada wówczas z synchronizmu i zatrzymuje się po pewnym czasie. Maszyna synchroniczna może pracować jako prądnica. Należy wówczas wirnik napędzać mechanicznie. Wytworzone pole wirnika wiruje względem stojana indukując w jego uzwojeniu napięcie. Wówczas pole wirnika pociąga za sobą pola stojana wirujące z prędkością synchroniczną.

2. Oddziaływanie (reakcja) wtórnika w różnych stanach obciążenia w maszynie o biegunach jawnych i utajnionych.

Wirujący strumień wywołany trójfazowymi symetrycznymi prądami stojana nazywa się strumieniem oddziaływania twornika. Przepływ oddziaływania twornika przy obciążeniu rezystancyjnym działa w kierunku osi poprzecznej. W maszynie występuje wówczas równocześnie strumień wzbudzenia oraz przepływ stojana. Strumienie te są prostopadłe względem siebie i obracają się w tę samą stronę z tą samą prędkością. Wytworzony moment stara się spowolnić prędkość wirnika. Zatem im większe będzie obciążenie czynne uzwojeń stojana z tym większym momentem musi być napędzany wirnika maszyny - poprzeczne oddziaływanie twornika.

- przepływ wypadkowy

- przepływ uzwojenia stojana

- przepływ uzwojenia wzbudzenia

- kat obciążenia

bciążenie: indukcyjne pojemnościowe

W przypadku obciążenia indukcyjnego (cosφ=0) przepływ uzwojeń stojana będzie działał w osi podłużnej ale skierowany będzie w ujemną stronę. Oddziaływanie takie nosi nazwę oddziaływaniem podłużnym rozmagnesowującym. Obciążenie pojemnościowe spowoduje działania przepływu twornika w kierunku osi wzbudzenia. Jest to podłużne domagnesowujące działanie twornika. Każdy inny przypadek obciążenia można rozłożyć na składową poprzeczną i podłużną, zatem oddziaływanie twornika będzie mieszane.

Wnioski wynikające z występowania oddziaływania twornika:

- poprzeczne działanie twornika w maszynie synchronicznej związane jest z działaniem momentu elektromagnetycznego.

- wskutek podłużnego rozmagnesowującego oddziaływania twornika zmniejsza się strumień wypadkowy w maszynie, zmniejsza się napięcie na zaciskach maszyny.

- wskutek podłużnego domagnesowującego oddziaływania twornika zwiększa się strumień wypadkowy w maszynie oraz zwiększa się napięcie na zaciskach maszyny.

3. Reakcja oddziaływania (reakcji) twornika, reaktancja rozproszenia i reaktancja synchroniczna.

Prąd płynący w uzwojeniu twornika wytwarza strumień, którego część linii przechodzi ze stojana do wirnika tworząc tzw. strumień oddziaływania twornika, który indukuje w uzwojeniu twornika napięcie E. Dla maszyny cylindrycznej reaktancja ta jest stała i niezależna od wzajemnego położenia osi przepływu twornika i osi wirnika. O jej wartości decyduje permanencja drogi magnetycznej strumienia oddziaływania twornika, która jest stała. W maszynie jawnobiegunowej kąt pomiędzy osią pola stojana i wirnika zmienia się w zależności od rodzaju pracy i obciążenia. Zmianie ulega permanencja drogi wzdłuż której zamyka się strumień wytworzony przez przepływ twornika. Reaktancja oddziaływania twornika zmienia się w szerokim zakresie, dla uproszczenia stosuje się metodę rozkładu przepływu na dwa przepływy składowe: podłużny i poprzeczny. Permanencje drogi przepływu strumienia w obu tych osiach są równe ale stałe.

Reaktancja synchroniczna jest reaktancją uzwojenia stajana odpowiadającą przewodności magnetycznej drogi całego strumienia twornika. Jest to suma reaktancji oddziaływania twornika i reaktancji rozproszenia twornika. Możemy również reaktancje synchroniczną poprzeczną i podłużną.

Reaktancja rozproszenia twornika jest reaktancją związaną ze strumieniem rozproszenia twornika. W obu rodzajach maszyn reaktancja ta ma stałą i taką samą wartość w osi podłużnej i poprzecznej. Drogi strumienia rozproszenia nie zależy od położenia wirnika.

4. Schemat zastępczy i wykres wskazowy maszyny cylindrycznej w stanie nienasyconym.

Maszyna nasycona jest to maszyna której obwód magnetyczny pracuje w obszarze prostoliniowej części charakterystyki magnesowania.

- napięcie indukowane w uzwojeniu twornika przez strumień
(wywołany przez prąd płynący w uzwojeniu wzbudzenia).

- reaktancja oddziaływania twornika odpowiadająca strumieniowi oddziaływania

twornika indukującemu w uzwojeniu twornika napięcie
.

- reaktancja rozproszenia twornika odpowiadająca strumieniowi rozproszenia,

indukującego w uzwojeniu twornika napięcie

- rezystancja uzwojenia twornika

Schemat i wykres wskazowy odnoszą się do jednej fazy. Jest to jednak wystarczające ponieważ maszyna trójfazowa jest symetryczna i pracuje przy obciążeniu symetrycznym.

5. Schemat zastępczy i wykres wskazowy maszyny jawnobiegunowej w stanie nienasyconym.

A) - oddziaływanie twornika w osi poprzecznej - stan pracy odpowiadający obciążeniu indukcyjnym.

B) - oddziaływanie twornika w osi podłużnej

- reaktancja oddziaływania twornika podłużna/poprzeczna

- reaktancja rozproszenia twornik

- prąd twornika podłużna/poprzeczna

- napięcie indukowane w uzwojeniu twornika

- przepływ oddziaływania twornika w osi podłużnej/poprzecznej

- przepływ wzbudzenia

6. Wykres wskazowy maszyny cylindrycznej w stanie nasyconym.

- przepływ wzbudzenia

- przepływ twornika

- przepływ wypadkowy

- napięcie twornika indukowane przez strumień główny

- napięcie indukowane przez strumień rozproszenia

7. Moment obrotowy i charakterystyka kątowa momentu maszyny jawnobiegunwej.

Moment obrotowy - moment reluktancyjny - jest to moment maszyny synchronicznej z biegunami wydatnymi powstały na wskutek tego, iż przewodność magnetyczna drogi strumienia twornika jest w osi podłużnej inna niż w osi poprzecznej:
:
. Moment ten ma wartość niezależną od wzbudzenia. Zjawisko to wykorzystuje się w silnikach reluktancyjnych.

- moment wypadkowy;
- moment synchroniczny;
- moment reluktancyjny

8. Charakterystyki prądnicy.

- Charakterystyka biegu jałowego - charakterystyka magnesowania - zależność napięcia indukowanego w tworniku do prądu wzbudzenia przy prądzie twornika równym zeru i przy znamionowej prędkości obrotowej.

- Charakterystyka zewnętrzna - zależność napięcia na zaciskach prądnicy od prądu twornika przy stałej prędkości obrotowej, stałym prądzie wzbudzenia, stałym współczynniku mocy. Z charakterystyki tej widać, że wartość napięcia biegu jałowego i prądu zwarcia zależą od wartości prądu wzbudzeni. Zwarcie maszyny jest tym bardziej niebezpieczne im większa jest wartość prądu wzbudzenia. Z charakterystyki zmienności napięcia wynika, że wzrost prądu obciążenia o charakterze indukcyjnym odpowiada zmniejszeniu się napięcia na zaciskach prądnicy, odwrotnie dla obciążenia pojemnościowego. Zmienność napięcia jest to wzrost napięcia wyrażony w procentach napięcia znamionowego występujący przy obciążeniu maszyny od pracy znamionowej do biegu jałowego przy znamionowej prędkości obrotowej i znamionowym prądzie wzbudzenia:

- Charakterystyka regulacji informuje jak należy regulować prąd wzbudzenia aby przy zmianach prądu obciążenia, stałym współczynniku mocy, stałej prędkości obrotowej utrzymać stałe napięcie na zaciskach prądnicy. Przy wzrastającym prądzie obciążenia o charakterze indukcyjnym należy zwiększać prąd wzbudzenia.

- Charakterystyka zwarcia - zależność prądu twornika od prądu wzbudzenia przy zwarciu zacisków twornika. Charakterystyka zwarcia jest praktycznie niezależna od prędkości obrotowej wirnika z wyjątkiem zakresu bardzo małych poślizgów. Stosunek zwarcia - stosunek znamionowego prądu wzbudzenia w stanie jałowym do znamionowego prądu wzbudzenia przy zwarciu:
.

9. Praca równoległa prądnic, synchronizacja i samosynchronizacja.

Pracą równoległą maszyn synchronicznych nazywa się taka pracę, przy której maszyny synchroniczne są przyłączone do wspólnej sieci. Wymagania jakie powinna spełniać przyłączona prądnica sprowadzają się do tego, aby przy przyłączaniu jej nie powstały zbyt duże udary prądu. Sposoby przyłączania:

- synchronizacja polega na doprowadzeniu maszyny do takiego stanu aby przy przyłączeniu do sieci nie popłynął żaden udar prądu. Musi spełniać warunki: jednakowe skuteczne wartości napięć prądnicy i sieci, ta sama częstotliwość tych napięć, taka sama kolejność faz napięć, zachowana zgodność faz tych napięć. Aby osiągnąć spełnienie tych warunków należy regulować prędkość obrotową turbiny napędzającej prądnice oraz prąd wzbudzenia. W praktyce stosuje się różne urządzenia synchronizujące: dwuukładowy woltomierz i częstościomierz, synchronoskop. Często stosuje się włączenie maszyny w stanie, w którym występują nieznaczne odstępstwa od warunków synchronizacji.

- samosynchronizacja - polega na przyłączeniu do sieci prądnicy niewzbudzonej i doprowadzeniu jej do prędkości bliskiej synchronicznej. Po włączeniu obwodu twornika nastąpi zasilenie obwodu wzbudzenia. Narastanie prądu wzbudzenia powoduje wzrost momentu obrotowego, który powinien wciągnąć wirnik w synchronizm. Im mniejszy jest poślizg w chwili przyłączenia twornika do sieci tym mniejszy jest prąd udar tego prądu. Zastosowanie samosynchronizacji pozwala skrócić czas przyłączania prądnicy do pracy równoległej.

10. Regulacja mocy czynnej i biernej maszyny współpracującej z siecią sztywną.

Sieć sztywna - sieć energetyczna o bardzo dużej mocy i praktycznie stałym napięciu i stałej częstotliwości.

Stan pracy prądnicy pracującej na sieć sztywną można zmienić wpływając:

- na prąd wzbudzenia

- na zmianę momentu napędowego lub obciążenia

Zmiana prądu wzbudzenia powoduje zmianę składowej biernej prądu twornika - współczynnika mocy. Zwiększając prąd wzbudzenia od zera do wartości znamionowej prądnica najpierw jest niedowzbudzona, stanowi ona wówczas dla sieci obciążenie bierne indukcyjne. Dalszy wzrost prądu powoduje, że prądnica zostaje przewzbudzona pobierając moc bierną pojemnościową (wytwarza moc bierną indukcyjną). Regulując prąd wzbudzenia zmieniamy moc bierna wydawaną do sieci. Regulując moc maszyny napędzającej zmieniamy moc czynną wydawana do układu. Zmiana mocy czynnej (odcinek AB) przejście z punktu A2 do A1 powoduje zmianę mocy biernej BO.

11. Moment synchronizujący, przeciążalność statyczna.

Moment synchroniczny
- zależy on od prądu wzbudzenia, ponieważ
zależy od prądu wzbudzenia. Wartość momentu synchronicznego przy kącie
nazywa się momentem maksymalnym. Wartość maksymalna momentu synchronicznego zależy od prądu wzbudzenia.

Przeciążalność maszyny jest to stosunek momentu maksymalnego przy danym napięciu i prądzie wzbudzenia do momentu znamionowego:
. Znajomość momentu znamionowego i przeciążalności pozwala na określenie mocy maksymalnej jaką maszyna może wydać przy znamionowym napięciu i prądzie wzbudzenia. Przekroczenie wartości mocy maksymalnej prowadzi do wypadnięcia maszyny z synchronizmu. Przeciążalność maszyny jest tym większa im większy jest prąd wzbudzenia.

12. Forsowania wzbudzenia i odwzbudzenie.

Forsowanie wzbudzenia polega na szybkim i znacznym wzroście prądu wzbudzenia, w celu utrzymania prądnicy w pracy równoległej i nie dopuszczeniu jej do wypadnięcia z synchronizmu w momencie wystąpienia zwarcia. W czasie trwania zwarcia należy utrzymać stałą wartość strumienia w maszynie. Po ustaniu zwarcia lub wyłączeniu zwartego odcinka układu, prądnica stopniowo powraca do pracy przy normalnym wzbudzeniu.

Odmienne zadanie dla obwodu wzbudzenia powstaje w przypadku nagłego odciążenia przy awaryjny wyłączaniu prądnicy z układu. Aby nie dopuścić do wzrostu napięcia prądnicy należy spowodować zanik strumienia w możliwie krótkim czasie. Zadanie to spełnia układ odwzbudzania. Istnieją duże możliwości odwzbudzania: bezpośrednia przerwa obwodu wzbudzania lub włączenie opornika gaszącego w obwód wzbudzenia przy jednoczesnym zmniejszaniu wzbudzenia prądnicy.

13. Silniki synchroniczne, rozruch, zalety i wady.

Praca silników synchronicznych różni się od prądnicowej kierunkami przepływu mocy czynnej. Przejście do pracy silnikowej nastąpi gdy na wał będzie działał elektromagnetyczny moment napędowy. Powstanie tego momentu spowodowane jest przez współdziałanie pól twornika i wzbudzenia. Zalety silnika synchronicznego:

- możliwość regulacji współczynnika mocy przez regulacje prądu wzbudzenia (przy odpowiednim przewzbudzeniu może wytwarzać moc bierną indukcyjną).

- prędkość obrotowa nie zależy od obciążenia (o ile nie zostanie przekroczony maksymalny moment obciążenia)

- wykazują dużą zdolność do utrzymania w synchronizmie (nie zatrzymuje się przy obniżaniu napięcia zasilania)

Wady:

- kłopotliwy rozruch

- brak momentu rozruchowego - średnia wartość momentu rozruchowego jest równa zero i wirnik nie może ruszyć z miejsca.

Rozruch silnika synchronicznego:

- za pomocą obcej maszyny - silnik załącza się do sieci tak jak prądnice a więc metodą synchronizacji lub samosynchronizacji. Rozruch ten rzadko stosowany.

- asynchroniczny - przeprowadza się przy uzwojeniu wzbudzenia zwartym przez dodatkową rezystancje, w celu zniknięcia indukowania napięć o dużych wartościach. W celu wytworzenia momentu asynchronicznego umieszcza się w nabiegunnikach wirnika klatkę rozruchową. Po załączeniu uzwojeń stojana do sieci powstaje pole wirujące kołowe. Indukuje ono w uzwojeniach wirnika prądy, które powodują powstanie momentu elektromagnetycznego. Wzrost prądu wytworzy moment nadający przyspieszenie przy którym wirnik może wejść w synchronizm. Po osiągnięciu prędkości zbliżonej do synchronicznej odłącza się opornik i włącza napięcie wzbudzenia.

- częstotliwościowy - polega na zasileniu uruchamianego silnika z oddzielnej prądnicy, której prędkość obrotowa a zarazem częstotliwość zwiększa się od zera do prędkości synchronicznej. Stopniowe zwiększanie prędkości prądnicy powoduje, że wirnik silnika będzie podążał za wirnikiem prądnicy. Po osiągnięciu znamionowej prędkości obrotowej odpowiadającej częstotliwości sieci włączamy cały zespół do sieci odłączając prądnice rozruchową.

14. Krzywe V (Mordey`a).

Krzywe V - zależność prądu twornika od prądu wzbudzenia przy stałym napięciu, częstotliwości, mocy czynnej P.

W przypadku pracy prądnicowej warunki te spełnione są gdy prądnica pracuje na sieć sztywną. W przypadku pracy silnikowej, silnik zasilany z sieci sztywnej obciążany stałym momentem i istnieje możliwość regulacji prądu wzbudzenia.

Poszczególne krzywe odpowiadają różnym obciążeniom zmieniającym się od znamionowego do biegu jałowego.

- prąd czynny jałowy - najmniejsza wartość prądu czynnego dla maszyny synchronicznej.

Stan potrzebny do uzyskania współczynnika mocy
nazywa się stanem wzbudzenia normalnego. Prądnice pracująca przy obciążeniu indukcyjnym (silnik przy pojemnościowym) nazywa się przewzbudzoną, natomiast prądnice pracującą przy obciążeniu pojemnościowym (silnik przy indukcyjnym) nazywa się niedowzbudzoną.

15. Zwarcie udarowe.

Zwarcie udarowe jest to nagłe zwarcie zacisków twornika wzbudzonej maszyny. Można wyróżnić:

- zwarcie udarowe symetryczne - nagłe zwarcie równocześnie wszystkich trzech zacisków twornika

- zwarcie udarowe asymetryczne - nagłe, nierównoczesne zwarcie zacisków

W zależności od chwili zwarcia wyróżniamy:

- zwarcie udarowe symetryczne poprzeczne - oś poprzeczna wirnika „q” pokrywa się z osią rozpatrywanej fazy

- zwarcie udarowe symetryczne podłużne - oś podłużna wirnika „d” pokrywa się z osią rozpatrywanej fazy

- zwarcie udarowe symetryczne w dowolnej chwili

Prądu zwarciowe maszyn synchronicznych z biegunami jawnymi i utajonymi maja różne przebiegi. Spowodowane jest to różnicą przewodności magnetycznej w osi podłużnej i w osi poprzecznej.

9

---