1. Budowa i zasada działania maszyn synchronicznych cylindrycznych i z wydatnymi biegunami (silniki, turbogeneratory, hydrogeneratory); Wirniki maszyn synchronicznych wykonuje się w dwojaki sposób, jako wirniki cylindryczne (tzw utajonymi biegunami) lub wirniki z biegunami jawnymi (wydatnymi, wypukłymi). Wirniki wykonywane są na ogół jako jednolite odkuwki stalowe. Obwód magnetyczny wirnika nie musi być w zasadzie pakietowany z blach ponieważ przy stanie ustalonym i obciążeniu symetrycznym strumień magnetyczny jest w nim stały. Stosuje się niekiedy zęby wirnika cylindrycznego lub nabiegunniki w wirniku z jawnymi biegunami składane z blach co zmniejsza straty wiroprądowe, wywołane przez pulsacje strumienia w zębach i żłobkach. Aby zapewnić możliwie najkorzystniejsze warunki oraz uzyskać rozkład indukcji w szczelinie jak najbardziej zbliżony do sinusoidalnego, uzwojenie wzbudzenia wirnika cylindrycznego umieszcza się w żłobkach, zajmujących tylko część (ok. 2/3) obwodu wirnika. Powstają w ten sposób oprócz zębów zwykłych tzw. Zęby szerokie na obwodzie wirnika. Uzwojenie wzbudzenia zabezpiecza się przed wypadnięciem przed wypadnięciem ze żłobków za pomocą klinów. Ze względu na znaczne siły odśrodkowe jakie działają na uzwojenie wirnika kliny te wykonuje się ze stali lub stopów niemagnetycznych. Kliny te mogą spełniać rolę prętów klatki tłumiącej lub rozruchowej i w tym przypadku należy je zewrzeć metalicznie po oby stronach wirnika odpowiednimi pierścieniami. W wirnikach z biegunami jawnymi funkcję takiej klatki mogą spełniać lite nabiegunniki bądź dodatkowo umieszczone w nich pręty. Właściwy rozkład indukcji na obwodzie wirnika z biegunami jawnymi uzyskać można przez nadanie odpowiedniego kształtu nabiegunnikom. W tym celu wykonuje się je tak aby szczelina powietrzna między stojanem i wirnikiem była coraz grubsza w miarę wzrostu odległości od osi bieguna. Przyczyny dla których wirniki maszyn synchronicznych wykonuje się bądź jako cylindryczne, bądź też z biegunami wydatnymi można podzielić na mechaniczne i elektryczne. Konstrukcja wirnika cylindrycznego nadaje się dla maszyn szybkobieżnych. Wirnik z biegunami wydatnymi ma wąskie przekroje które przy znacznych naprężeniach są konstrukcyjnie kłopotliwe. Maszyny wydatnobiegunowe wykazują cenne właściwości przy pracy silnikowej. Typowym wykonaniem maszyn szybkobieżnych (p=1 lub p=2) jest wirnik cylindryczny, a maszyn wolnobieżnych (p>=3) wirnik z biegunami jawnymi, przy czym wirniki silników wykonuje się zwykle z biegunami jawnymi. Duże generatory w elektrowniach napędzane są przez turbiny parowe lub wodne. Ze względów ekonomicznych generatory i turbiny parowe wykonuje się na możliwie duże prędkości obrotowe i dlatego najczęściej spotykane są turbogeneratory 2 biegunowe pracujące przy 3000obr/min. W elektrowniach jądrowych stosuje się turbogeneratory 4 biegunowe (1500 obr/min). Typowy turbogenerator dużej mocy jest maszyną o dużych długości i stosunkowo małej średnicy. Średnica turbogeneratora ograniczona jest wartością prędkości obwodowej. (cylindryczne, szybkoobrotowe: p=1,2; n=3000,1500/min; długie, o małej, ze względów wytrzymałości mechanicznej, średnicy D < 1,1m; moc graniczna P=1200MW); Hydrogeneratory są to na ogół maszyny wolnoobrotowe (60-600obr/min) o dużych średnicach i stosunkowo małych długościach. W dużych hydrogeneratorach charakterystyczne jest pionowe położenie ich wału. (wydatnobiegunowe wolnoobrotowe p=20÷40, n =100÷200/min, krótkie o znacznej średnicy D =10÷15m, P =400÷700MW); Stojany maszyn o dużych średnicach składają się z dwóch lub więcej części m.in. ze względu na konieczność ich podziału przy transporcie. Problemy związane z budową maszyn wielkich mocy: jeśli przyjąć za l - jeden z wymiarów maszyny, to moc wytworzona jest w przybliżeniu funkcją P ~ l 4 , straty mocy czynnej P ~ l 3 , zaś powierzchnia chłodzenia S ~ l 2 . Zatem w miarę wzrostu wymiarów powstaje problem odprowadzania ciepła (uzwojenia chłodzone są wodą lub wodorem). Sprawność maszyny wzrasta ze wzrostem jej mocy. Maszyny szybkoobrotowe są mniejsze niż wolnoobrotowe. 2. Model maszyny synchronicznej w układzie współrzędnych „d-q”, interpretacja reaktancji maszyny d q X , X , metody pomiarowe ich wyznaczania; Pomiar reaktancji Xd i Xq małego poślizgu wykonuje się w układzie, którego schemat przedstawiony jest na rys. Stojan maszyny jest zasilany symetrycznym napięciem trójfazowym obniżonym tak, aby maszyna nie została wciągnięta w synchronizm przez moment reluktancyjny. Wirnik napędzany z prędkością podsynchroniczną wiruje z niewielkim poślizgiem względem pola wirującego twornika (stojana). Wtedy przy rozwartym uzwojeniu wzbudzenia sinusoidalny prąd twornika o częstotliwości s f jest modulowany przebiegiem sinusoidalnym o częstotliwości s 2sf , wywołanym niesymetrią obwodu magnetycznego. W chwili, gdy oś pola wirującego pokrywa się z osią podłużną wirnika, wartość skuteczna tego prądu osiąga minimum, a w chwili, gdy oś pola wirującego pokrywa się z osią poprzeczną - maksimum. Zmiany wartości prądu powodują niewielkie zmiany napięcia zasilania stojana, spowodowane spadkiem napięcia w transformatorze zasilającym. Przy minimalnej wartości skutecznej prądu spadek napięcia na impedancji transformatora jest mniejszy niż dla maksymalnej wartości skutecznej prądu, stąd napięcie na stojanie osiąga maksymalną wartość skuteczną i odwrotnie – co przedstawiono na rys Przebieg prądu i napięcia przy pomiarze d X , q X metodą małego poślizgu, f U – napięcie indukowane w uzwojeniu wzbudzenia Znajomość maksymalnych i minimalnych wartości skutecznych prądu i napięcia stojana, którego uzwojenie połączone jest w gwiazdę, pozwala obliczyć szukane reaktancje na podstawie następujących zależności, wynikających z wykresów wskazowych maszyny: gdzie: smax U - wartość skuteczna napięcia międzyfazowego stojana, odpowiadająca minimalnej wartości prądu stojana smin I , smin U – wartość skuteczna napięcia międzyfazowego stojana, odpowiadająca maksymalnej odczytanej wartości prądu stojana Ismax . Poprawne wyznaczenie wartości smin I , smax I jest z reguły utrudnione z powodu dwóch różnych wartości następujących po sobie maksimów i minimów prądu. Pierwszym czynnikiem wywołującym te różnice są prądy indukowane w klatce tłumiącej i litych elementach wirnika. Są one przyczyną modulacji prądu twornika przebiegiem o częstotliwości s 2sf , zanikającym przy poślizgu dążącym do zera. Jego wpływ eliminuje się poprzez przeprowadzenie pomiarów przy możliwie najmniejszym poślizgu - s 0,01. Drugim czynnikiem jest wpływ napięcia remanentu (szczątkowego) sz U , mierzonego na biegu jałowym prądnicy, przy zerowym prądzie wzbudzenia. Jeśli sz s U 0,3U konieczne jest rozmagnesowanie wirnika prądem o niskiej częstotliwości. W przypadkach, gdy sz s U 0,3U przy wyznaczeniu reaktancji prądnicy należy przeprowadzić w następujący sposób: W przypadku, gdy otrzymana metodą małego poślizgu wartość d X znacznie różni się od wartości tej reaktancji, wyznaczonej z charakterystyki biegu jałowego i zwarcia, należy ją odrzucić jako błędną. Wtedy jako reaktancję d X przyjmujemy wartość obliczoną z charakterystyki biegu jałowego i charakterystyki zwarcia, a reaktancję q X obliczamy zgodnie z proporcją Xq=Xq1*Xd/Xd1 gdzie: d1 X , q1 X - wartości reaktancji maszyny obliczone pierwotnie na podstawie pomiarów metodą małego poślizgu, d X - wartość reaktancji obliczona z charakterystyk biegu jałowego i zwarcia. 3. Wykresy wskazowe maszyny synchronicznej cylindrycznej dla silnika i prądnicy, dla maszyny przewzbudzonej i niedowzbudzonej; Wykres wskazowy cylindrycznego generatora synchronicznego a) przewzbudzonego, b) niedowzbudzonego Wykres wskazowy cylindrycznego silnika synchronicznego a) przewzbudzonego b) niedowzbudzonego 4. Formuła na moment elektromagnetyczny maszyny cylindrycznej i maszyny z wydatnymi biegunami, wykres momentu synchronicznego głównego i momentu reluktancyjnego względem kąta mocy, zakres pracy stabilnej; gdzie: P - moc mechaniczna oddana, el P - moc czynna pobrana, s - kątowa synchroniczna prędkość wirnika, f E - siła elektromotoryczna fazowa, U - napięcie fazowe, I - prąd fazowy, - kąt mocy, d X - reaktancja synchroniczna. Zakres pracy stabilnej: 5. Charakterystyki opisujące pracę samotną generatora synchronicznego; If0 – znamionowy prąd wzbudzenia biegu jałowego, czyli taki prąd wzbudzenia przy którym na biegu jałowym napięcie znamionowe U0=UN, Ifk - znamionowy prąd wzbudzenia przy zwarciu czyli taki prąd wzbudzenia przy którym w stanie zwarcia prąd przetwornika jest znamionowy Ik=IN. . Iloraz znamionowego prądu wzbudzenia biegu jałowego i znamionowego prądu wzbudzenia przy zwarciu nazywa się stosunkiem zwarcia: on większy tym większa jest przeciążalność prądnicy. Praktycznie kk=0,4-0,7, przyjmując wartości mniejsze dla maszyn dużych. Charakterystyki zewnętrzne prądnicy: a) dla różnych współczynników mocy przy stałym prądzie wzbudzenia, b) dla różnych wartości prądu wzbudzenia przy stałym współczynniku mocy, tu dla obciążenia rezystancyjnego Charakterystyki regulacji Charakterystyki regulacji, określają jak należy regulować prąd wzbudzenia przy zmianach obciążenia prądnicy by utrzymać stałą wartość napięcia U stojana, przy stałej wartości współczynnika mocy cosi stałych (znamionowych) obrotach wirnika . Zakres możliwych stanów pracy ogranicza znamionowa wartość prądu wzbudzenia dla której, przy znamionowym napięciu i znamionowym współczynniku mocy prąd stojana ma wartość znamionową. Oznacza to, że prądnica może pracować przy znamionowych wartościach napięcia i prądu stojana na dowolne odbiory z pojemnościowym cosi na te odbiory indukcyjne, dla których gdyż tylko wtedy . Aby prądnica pracowała przy mniejszych wartościach należy zmniejszyć prąd obciążenia. Charakterystyki regulacji prądnicy dla znamionowego napięcia stojana i różnych współczynników mocy 6. Sposoby synchronizacji i przebieg synchronizacji generatora synchronicznego z siecią, współpraca maszyny synchronicznej z siecią, krzywe „V”; Synchronizacja prądnicy synchronicznej z siecią Synchronizacja maszyny synchronicznej z siecią polega na przyłączeniu do sieci uzwojenia stojana maszyny, której wirnik został napędzony przez przyłączony silnik (np. prądu stałego) do prędkości bliskiej prędkości synchronicznej. Wyróżnia się dwie metody synchronizacji: synchronizację dokładną (maszyna przed przyłączeniem do sieci pracuje jako prądnica przy pracy samotnej) i samosynchronizację (maszyna przed przyłączeniem do sieci jest niewzbudzona). Warunki synchronizacji dokładnej (według kolejności ważności przestrzegania), przy której wektory napięć sieci i prądnicy pokrywają się i podczas łączenia nie popłyną w układzie sieć - prądnica synchroniczna prądy wyrównawcze: - ta sama kolejność faz sieci i prądnicy, - - ta sama częstotliwość napięć sieci i prądnicy, - - te same wartości skuteczne odpowiadających sobie napięć sieci i prądnicy. Synchronizację można przeprowadzić, mierząc częstotliwości i napięcia, szczególnie napięcie między wybraną faza sieci i prądnicy 0 u na woltomierzu różnicowym. Różnica częstotliwości tych napięć jest przyczyną wahania wartości 0 u w przedziale od zera do podwójnej wartości napięcia fazowego. Ocenę stopnia synchronizacji ułatwia obserwacja jasności świecenia trzech żarówek, które mogą być połączone w układzie: „mieszanym” – „na ciemno” –oraz „na jasno” – . W układzie „mieszanym” przy różnicy częstotliwości można obserwować kolejne rozświetlenie żarówek, dające „efekt wirowania światła” (jeśli ich rozmieszczenie tworzy trójkąt równoboczny). Zależnie od relacji wartości tych częstotliwości zmienia się kierunek wirowania. W stanie synchronizmu jedna Żarówka zgaśnie, pozostałe będą świecić najjaśniej. Krzywe „V” Krzywe „V” zwane tak z racji swojego kształtu są rodziną zależności prądu stojana (twornika) od prądu wzbudzenia I=f(If) dla stałej wartości mocy czynnej pobieranej albo oddawanej do sieci zasilającej przy stałym napięciu stojana U=const i stałej znamionowej częstotliwości fn. Zakres krzywej „V” dla stabilnej pracy maszyny przy danej mocy czynnej ogranicza linia granicy stabilności, na której kąt mocy wynosi 900 . Dalsze zmniejszanie prądu wzbudzenia f I zmniejszy moment (zatem moc czynną) maszyny, co spowoduje wypadnięcie maszyny z synchronizmu. Z prawej strony i od góry krzywą „V” ograniczają znamionowe wartości prądu stojana i prądu wzbudzenia. Dla prądów wzbudzenia mniejszych od f 0 I maszyna pracuje w warunkach niedowzbudzenia, przez co ma niekorzystny charakter współczynnika mocy, zatem występuje niewłaściwy przepływ mocy biernej. 7. Rozruch asynchroniczny silnika synchronicznego. Silnik synchroniczny mający na wirniku jedynie uzwojenie wzbudzenia nie może wykonać samodzielnie rozruchu. Przy nieruchomym wirniku zasilenie uzwojeń stojana napięciem trójfazowym, a uzwojenia wzbudzenia napięciem stałym powoduje powstanie dwóch pól magnetycznych - jednego wirującego z prędkością synchroniczną, a drugiego nieruchomego. W wyniku ich oddziaływania powstaje przemienny moment obrotowy o częstotliwości napięcia zasilania s f i wartości średniej równej zeru. Moment wytworzony przez silnik ma zerową średnią wartość również przy każdych obrotach wirnika n , różnych od synchronicznych s n . Częstotliwość zmian momentu zmienia się wtedy z poślizgiem wirnika i wynosi s sf . Przy tak znacznej częstotliwości zmian momentu wirnik nie może ruszyć, ze względu na swą bezwładność. Rozpędzenie silnika do prędkości synchronicznej można przeprowadzić za pomocą dodatkowego napędu albo metodą rozruchu asynchronicznego. W drugim przypadku wirniki silników synchronicznych wyposaża się dodatkowo w klatkę, podobną do stosowanych w silnikach indukcyjnych. W wirnikach wydatnobiegunowych jej rolę spełniają czasem lite nabiegunniki, w których mogą płynąć prądy wirowe. W tych obwodach podobnie jak w silniku indukcyjnym indukują się prądy, które współdziałając z polem wirującym wytworzonym przez uzwojenie stojana wytwarzają moment asynchroniczny doprowadzający wirnik do prędkości podsynchronicznej. Dalsze osiągnięcie prędkości synchronicznej zależy od budowy wirnika. Gdy wirnik jest cylindryczny, należy poprzez zasilenie uzwojenia wzbudzenia wytworzyć wolnozmienny moment synchroniczny, wystarczający dla przyspieszenia wirnika do prędkości synchronicznej. W silnikach wydatnobiegunowych rolę momentu synchronicznego spełnia moment reluktancyjny r T , dlatego też zasilanie wzbudzenia dla wciągnięcia wirnika w synchronizm jest konieczne przy obciążeniu silnika momentem większym od r T - czyli od ok. 0,2 N T . Częstotliwość momentu reluktancyjnego jest dwa razy większa niż dla momentu głównego, stąd klatka rozruchowa musi być tak zaprojektowana, aby końcowy poślizg był jak najmniejszy. Ponieważ w początkowym okresie rozruchu w rozwartym uzwojeniu wzbudzenia indukowałoby się duże napięcie (zależne od zmian strumienia w czasie) na czas rozruchu wzbudzenie się zwiera. Zwarcie powoduje jednak przepływ we wzbudzeniu prądu przemiennego o częstotliwości s sf , który oddziałuje niekorzystnie na przebieg rozruchu. Prąd ten wytwarza bowiem przemienne pole magnetyczne, nieruchome względem wirnika, które można rozłożyć na dwa pola kołowe, wirujące względem wirnika: - współbieżne, wirujące zgodnie z prędkością - przeciwbieżne, wirujące przeciwnie z prędkością Ich prędkości względem stojana wynoszą: gdzie: s - poślizg, n - chwilowe obroty wirnika, s n - obroty synchroniczne Moment od pola współbieżnego 1 T dodaje się do momentu asynchronicznego as T (są one nieruchome względem siebie), natomiast moment od pola przeciwbieżnego 2 T wywołuje siodło w charakterystyce momentu - tzw. efekt Görgesa, które może spowodować utknięcie silnika przy połowie obrotów synchronicznych ( s 0,5). Aby ograniczyć spadek średniej wartości wypadkowego momentu w T uzwojenia wzbudzenia nie zwiera się bezpośrednio, lecz przez rezystancję równą 8÷10 rezystancjom wzbudzenia. Przebieg momentu 2 T nie jest symetryczny względem punktu s 0,5n , gdyż ze wzrostem obrotów maleje napięcie indukowane w zwartym uzwojeniu wzbudzenia (zatem wytworzony moment 2 T ), aż do zera dla obrotów synchronicznych. Po osiągnięciu przez wirnik obrotów bliskich synchronicznym rozwiera się obwód wzbudzenia i zasila je z pominięciem dodatkowej rezystancji stałym prądem. Silnik wytwarza wolnozmienny względem wirnika (z uwagi na mały poślizg) moment synchroniczny, który przyspiesza wirnik do stanu synchronizmu. Wypadkowa charakterystyka momentu w T jest prawdziwa tylko dla stanów ustalonych, stanowi więc tylko uśrednienie rzeczywistego przebiegu momentu e T podczas rozruchu, który jest typowym stanem dynamicznym i przebiega bardzo szybko. Częstotliwość oscylacji momentu jest dwukrotnie większa od analogicznych w silnikach indukcyjnych i wynosi s 2sf , malejąc ze wzrostem obrotów wirnika. Wartość momentu w T dla poślizgu s 0,05 nazywa się momentem podsynchronicznym, lub znamionowym momentem wpadu.