Elektros skirstymo sistemų procesaiGeneratorių ir žadinimo sistemų modelai

2012

Turinys:

Veikimo principas ir sandara..........................................................................4Sinchroninė mašina santykinių vienetų sistemoje...........................................5Sinchronins mašinos matematinis modelis.....................................................6Ekvivalentinė grandinės transformacija į dviejų ašių sistemą......................11Asinchroninių mašinų susižadinimo procesas..............................................12Sinchroninio generatoriaus darbo ypatumai..................................................14Išvados...........................................................................................................16Literatūros sąrašas.........................................................................................17

2

Generatoriaus sandara.

Sinchroninės mašinos yra tokios kintamosios srovės mašinos, kurių rotorius sukasi tokia pat kryptimi ir greičiu kaip magnetinis laukas, t.y. sinchroniškai. Kaip ir kitos elektros mašinos, sinchroninės mašinos yra inversinės - jos gali dirbti generatoriaus ir variklio režimu.Sinchroninės mašinos plačiausiai naudojamos kaip generatoriai. Galingi trifaziai sinchroniniai generatoriai yra visose elektrinėse: šiluminėse ir atominėse -turbogeneratoriai, kuriuos suka garo turbinos; hidroelektrinėse - hidrogeneratoriai, kuriuos suka vandens turbinos. Sinchroniniai varikliai yra naudojami rečiau nei asinchroniniai. Dažniausiai tai aukštos įtampos galingi varikliai.

3

Veikimo principas ir sandara

Sinchroninės mašinos induktorius paprastai yra nuolatinis elektromagnetas. Dažniausiai induktorius yra rotoriuje, o statoriuje yra trifazė inkaro apvija, kurios ritės išdėstomos kaip ir asinchroninėje mašinoje.

Generatoriaus režimas. Sukant sinchroninės mašinos (1 pav.) induktorių pastoviu kampiniu greičiu ω=2πn, kiekvienoje inkaro apvijos ritėje indukuojama kintamoji EVJ. Ji yra sinusinė, nes induktoriaus magnetinis laukas sudaromas toks, kad magnetinė indukcija oro tarpe pasiskirstytų sinuso dėsniu. Kadangi visos ritės yra vienodos ir išdėstytos 120° kampais, inkaro apvijoje gaunama simetrinė trifazė EVJ sistema: visos trys EVJ yra vienodų amplitudžiu, bet skiriasi 120° faze. EVJ kryptys laidininkuose pažymėtos, taikant dešiniosios rankos taisyklę.Vienoje inkaro apvijos fazėje indukuotos EVJ efektinė vertė

; čia - tai pačiai mašinai pastovus koeficientas, n - induktoriaus sūkių dažnis, Ф - magnetinis srautas, kertantis apvijos laidininkus.

1pav. Sinchroninės mašinos dirbančios variklio režimu, sandara (a) ir Y

sujungtos inkaro apvijos prijungimo prie trifazio tinklo schema

Generatoriaus inkaro apvija sujungiama trikampiu arba žvaigžde ir prie jos prijungiami trifaziai imtuvai. Apkrauto generatoriaus inkaro apvija teka srovės, kurios sudaro sukamąjį magnetinį lauką (žr. 1.2). Šio lauko sūkių dažnis . Įrašę apvija tekančios srovės dažnį f iš , turime .

4

Induktoriaus ir inkaro magnetiniai laukai sukasi tuo pačiu greičiu – sinchroniškai – ir sudaro bendrą generatoriaus sukamąjį magnetinį lauką.

Sinchroninės mašinos sandara. Dažniausiai naudojamos trifazės sinchroninės mašinos, kurių inkaro apvija yra statoriuje, o rotoriuje yra induktorius.Tai elektromagnetas, kurio žadinimo apvija per žiedus ir šepečius prijungiama prie nuolatinės įtampos šaltinio . Sinchroninės mašinos, kurių induktorius yra statoriuje, o inkaro apvija rotoriuje, sutinkamos daug rečiau. Statoriaus magnetolaidis surenkamas iš izoliuotų feromagnetinės medžiagos lakštų, o jo išilginiuose grioveliuose sudedama trifazė inkaro apvija. Toks statorius savo sandara iš principo niekuo nesiskiria nuo asinchroninės mašinos statoriaus. Galingų aukštos įtampos sinchroninių mašinų statorius turi tam tikrų konstrukcinių ypatumų, nes reikia sudaryti geresnes sąlygas inkaio apvijai aušinti ir pagerinti laidų izoliaciją.

Sinchroninė mašina santykinių vienetų sistemoje

Santykinis dydis – tai nominaliojo dydžio dalis.

Santykinė inkaro srovė:

(1)

Santykinė įtampa:

(2)

Santykinė galia:

(3)

Santykinis kampinis reitis:

(4)

Santykinis momentas:

(5)

Santykinė varža:

(6)

čia:

Santykinis bazinis laikas:

5

(7)

čia: -bazinis kampinis greitis.

Sinchronėns mašinos matematinis modelisRyškiapolėje sinchroninėje mašinoje oro tarpo ilgis nėra pastovus dydis. Inkaromagnetovara oro tarpe sukuria magnetinio srauto tankį, kurio amplitudės dydis ir kreivėsforma priklauso nuo oro tarpo ilgio. Tariama, kad inkaro magnetovara kinta sinuso dėsniuinkaro paviršiuje. Dėl oro tarpo ilgio nevienodumo, magnetinio srauto tankio funkcijaiaprašyti netinka nei sinuso, nei kosinuso dėsniai. Magnetinio srauto tankio funkcijaBa skleidžiama Fourier eilute ir išskiriama pirmine harmonika.

2 paveikslas Reaktyviojo sinchroninio variklio inkaro magnetovarosir oro tarpo magnetinio srauto tankio kreivės

6

2 paveiksle pavaizduotos reaktyviojo sinchroninio variklio inkaro magnetovaros Fa iroro tarpo magnetinio srauto tankio Ba kreivės.Magnetinio srauto tankio pirmosios harmonikos amplitudė:

Čia:

;

kai rotoriaus išilginė ašis sutampa su inkaro magnetovaros simetrijos ašimi;

kai rotoriaus skersinė ašis sutampa su inkaro magnetovarossimetrijos ašimi.Inkaro reakcijos lauko formos koeficientas:

.

Įrašę į 3.2 išraišką (3.1) gaunama:

7

Ši inkaro reakcijos lauko formos koeficiento išraiška, leidžia bet kokiai kampo vertei nustatyti inkaro reakcijos lauko formos koeficiento vertę. Taip pat galime

atmesti prielaidą, naudojamų sinchroninių mašinų teorijoje nustatant inkaro reakcijos lauko formos koeficientą, kad oro tarpo ilgis po poliaus antgaliu apytiksliai lygus nuliui. 3 paveiksle pateikiamos inkaro reakcijos lauko formos koeficiento kreivės, esant įvairioms poliaus lanko koeficiento α vertėms.

3 paveikslas Koeficiento ka priklausomybė nuo kampo , kai α = 0,3 ÷ 1,0

Ryškiapolių sinchroninių mašinų teorijoje išilginė ir skersinė inkaro reakcijosinduktyviosios varžos aprašomos taip:

8

4 paveikslas Reaktyviosios sinchroninės mašinos vektorių diagram

4 pav. Reaktyviosios sinchroninės mašinos įtampų ir srovių vektorių diagram. Iš diagramos matyti, kad oro tarpo magnetinio srauto tankio pirmosios harmonikos

kompleksas atsilieka nuo srovės komplekso kampu β.

Srovės komplekso aktyvioji dedamoji lygiagreti su elektrovaros kompleksu

, o reaktyvioji dedamoji - statmena.

Bendruoju atveju tenkinama sąlyga β≠0. Vadinasi, inkaro reakcijos varža yra

kompleksinis dydis :

Čia:

9

Inkaro elektrovara apskaičiuojama:

Oro tarpo magnetinio srauto tankio pirmosios harmonikos amplitudė Ba1:

Įrašius elektrovarą ir magnetinio srauto tankio pirmosios harmonikos amplitudę gaunamos varžos:

Čia:

Tarkime, kad , tada inkaro reakcijos lauko formos koeficientas bus kad , o

kampas tarp inkaro magnetovaros ir oro tarpo magnetinio srauto tankio pirmųjųharmonikų β bus lygus nuliui. Tuomet gauname išilginę inkaro reakcijos induktyviąjąvaržą :

.

Analogiškai gaunama skersinė inkaro reakcijos induktyvioji varža, kai :

.

10

Taigi bendruoju atveju inkaro reakcijos kompleksinėje varžoje yra kintamojoženklo dedamoji . ženklas priklauso nuo režimo, kuriuo dirba reaktyviojisinchroninė mašina: generatorinį režimą atitinka viršutinis formulės ženklas (+), o variklinį – apatinis (-).

Ekvivalentinė grandinės transformacija į dviejų ašių sistemą.

Ekvivalentinė grandinė gali būti išvystyta d-ašyje. Susietas srautų ir kitais ryšiais. Dviejų ašių sistemos naudojimas padeda įsivaizduoti ir pateikti tiriamos rotoriaus grandinės indukcinės ritės nuotekius.

5 paveikslėlis D –ašyje ekvivalentinės grandinės tarpusavio ryšiai

Ekvivalentinės grandinė d ir q ašyse:

Ekvivalentinė grandinė charakteringai pateikiama 6 paveiksle, įskaitant įtampos lygtis. Šioje grandinėja taip pat matomos fliuxo sasajos.

11

6 paveikslas (a) d- ašies ekvivalentinė grandinė

6 paveikslas (b) q – ašies ekvivalentinė grandinė

Asinchroninių mašinų susižadinimo procesas

Asinchroninių mašinų susižadinimo procesas aiškinamas gana prieštaringai. Prieštaravimų, beje, galima aptikti dar ir šiuo metu. Manoma, kad susižadinimą sąlygoja liekamasis magnetizmas. Šį klausimą aiškinant, liekamasis magnetizmas dažnai gretinamas su nuolatinės srovės mašinų susižadinimu.Susižadinimo reiškinys traktuojamas kaip nestabilus sistemos darbo režimas ir tam, kad sistema prarastų pusiausvyrą, visai nebūtina įmagnetinti mašiną. Visiškai pakanka bet kokio išorinio trikdžio. Šį požiūrį patvirtina ir L. Mandelštamo bei N. Papaleksi padaryta pastaba, kad pagal tam tikrą dėsnį kintant sistemos parametrams sistemoje švytavimai nepaliaujamai didės, kad ir koks mažas būtų pradinis krūvis. Šį požiūrį turėtų patvirtinti ir tolesnė analizė. Tarkim, kad turime nagrinėjamos sistemos diferiancialines lygtis, aprašančias kokį nors joje vykstantįprocesą. Esant tam tikriems parametrų santykiams, sistema tampa nestabili. Matematiškai analizuojant ryšį tarp stabilaus ir nestabilaus darbo režimų nesunku pastebėti, kad perėjimui iš vieno režimo į kitą trikdis visai nebūtinas. Matematiškai būtina susižadinimo

12

sąlyga išreiškiama tam tikrų parametrų santykiu, kuriam esant bent viena iš charakteringojo daugianario šaknų (ar jos realioji dalis) būtų teigiama. Kai patenkinta būtinoji susižadinimo sąlyga, bet koks trikdis, kad ir koks mažas jis būtų, sutrikdys sistemos pusiausvyrą, todėl paties trikdžio buvimas yra tik pakankama, o ne būtina sąlyga. Trikdžio (pvz., liekamojo įmagnetinimo) įtakos pervertinimo priežastimi turbūt tektų laikyti jo ryšį su parametrais. Eksperimentiškai tiriant sistemą, esančią prie susižadinimo ribos, padavus pakankamai didelį įėjimo signalą (trumpalaikį), sistemos kabelio ir variklio ekvivalentinės schemos) parametrai pakinta tiek, kad susidaro sąlygos susižadinti. Pavyzdžiui, magnetinės grandinės netiesiškumas ypač ryškus elektros mašinose, todėl literatūroje dažnai susiduriama su asinchroninės mašinos susižadinimo skirstymu į minkštąjį ir kietąjį.

Susižadinimo procesas būdingas ryškiapolėms mašinoms, tai yra tam atvejui, kai sužadintas magnetinis laukas sukasi sinchroniškai su rotoriumi. Jei mašinos apkrovimo pobūdis talpinis, statoriaus apkrovos srovės kuriamo magnetinio lauko išilginė dedamoji stiprins pradinį žadinimo lauką. Šis savaiminis procesas turi tendenciją be galo plėtotis, jei sistemą veikiančios galios

pakanka susijusiems nuostoliams kompensuoti su juo. Tačiau realiose elektros mašinose dėl magnetolaidžio įsotinimo ir kitų priežasčių jis paprastai nusistovi tam tikrame lygyje. Asinchroninėse, taip pat sinchroninėse neryškiapolėse mašinose toks procesas plėtotis negali, kadangi nėra galimybių suteikti statoriaus grandinei energijos, reikalingos nuostoliams kompensuoti (ryškiapolėse mašinose tai įmanoma dėl išilginės ir skersinės induktyviųjų varžų Xd, Xq , t.y. dėl vadinamojo „ryškiapoliškumo” momento).Neryškiapolėse mašinose energijai perduoti (nuostoliams padengti, apkrovai ir t.t.)turi susidaryti asinchroninis momentas. Panagrinėkime šį procesą. Tarkime, kad asinchroninės mašinos statoriaus apvijos apkrova talpinė ir asinchroninė mašina su apkrova sudaro kontūrą, kurios savųjų švytavimų dažnis lygus fn . Dėl bet kurios priežasties sužadinti elektromagnetiniai procesai, panašioje statinėje grandinėje švytuodami dažniu fn , turėtų slopti greičiu, priklausančiu nuo visos grandinėsparametrų. Čia statoriaus apvija pratekančios srovės kurs pulsuojančius dažniu fn kintančius magnetinius laukus. Tarkime, kad mašinos rotoriaus sukimosi dažnis fr > fn, o tuščiosios veikos slydimas s0 gana mažas. Tokiu atveju rotoriuje indukuotos srovės kurs magnetinio lauko dedamąją, pralenkiančią magnetinio lauko dedamąją rotoriaus sukimosi kryptimi ~90° elektrinių laipsnių. Ji indukuos statoriaus apvijoje elektrovarą e1R, o ja pratekėjusios srovės i1R priklausomai nuo mašinos apkrovimo pobūdžio slopins arba didins rotoriaus magnetinį lauką. Jei kampas tarp e1R ir i1R bus didesnis už nulį, statoriaus srovių reakcija bus slopinanti ir atvirkščiai, jei kampas bus mažesnis už nulį, t.y. jei srovių pobūdis talpinis, statoriaus reakcija skatins procesą nepaliaujamai plėstis tol, kol dėl įsotinimo, izoliacijos pramušimo ar ribotos elektros pavaros galios jis nusistovės tam tikrame lygyje arba nutrūks. Iš čia išplauktų bendra išvada: tiek ryškiapolei, tiek neryškiapolei mašinai sužadinti būtina, kad rotoriaus atžvilgiu statoriaus reakcija būtų talpinio pobūdžio. Susižadinimo pobūdį lemia būdas, kuriuo į statoriaus grandinę perduodama energija: - sinchroninis – ryškiapolėje mašinoje dėl ryškiapoliškumo sąlygojamų reaktyviųjų momentų; - asinchroninis – dėl neigiamo rotoriaus slydimo savųjų sistemos švytavimų atžvilgiu, t.y. dėl asinchroninio momento.

13

ABC

c

Nors šis skaidymas, kaip pažymėta, tam tikra prasme yra sąlyginis, tačiau literatūroje jis dažnai minimas.

Sinchroninio generatoriaus darbo ypatumai

Svarbiausios charakteristikos. Kaip ir kitų generatorių, sinchroninio generatoriaus svarbiausios charakteristikos yra trys:

1) tušciosios eigos - EVJ priklausomybė nuo žadinimo srovės.2) išorinė - įtampos priklausomybė nuo apkrovos srovės.3) reguliavimo - žadinimo srovės priklausomybė nuo apkrovos srovės.

If = const ir apkrovos cosφ = const. Visos charakteristikos sudaromos laikant, kad generatoriaus rotorius yra sukamas greičiu ω = const.Tušciosios eigos charakteristika yra panaši į generatoriaus magnetolaidžio įmagnetinimo charakteristiką Фf = f1(If), nes Ef ~ Фf (Ef=CE Фf n). Kaip ir daugumai kitų elektros mašinų, vardinė EfN parenkama tokia, kad jos vertė nelabai priklausytų nuo žadinimo srovės atsitiktinių pokyčių, bet dar būtų galima ją reguliuoti, keičiant žadinimo srovę.

Paleidimas. Sinchroninio variklio rotorius turi suktis tuo pačiu greičiu kaip statoriaus magnetinis laukas. Prijungus statoriaus apviją prie trifazio tinklo, sukamasis magnetinis laukas statoriuje atsiranda akimirksniu, tuo tarpu rotorius, turintis didelę mechaninę inerciją, negali pradėti suktis staiga. Pralekiantys statoriaus lauko magnetiniai poliai tai atstumtų, tai pritrauktų rotoriaus magnetinius polius, todėl rotorius nesisuktų o vibruotų.

Kad taip neatsitiktų, sinchroninio variklio rotorių reikia pradžioje įsukti iki sinchroninio ( arba jam artimo) greičio. Tam galima panaudoti papildoma variklį, kurio galia gali būti mažesnė už paleidžiamo, jei sinchroninis variklis paleidžiamas tuščiąja eiga. Įsukus rotorių, sinchroninį variklį reikia panašiai kaip generatorių sinchronizuoti, ir tik po to jo inkaro apviją galima prijungti prie tinklo.

Papildomas variklis sukomplikuoja visą agregatą. Patogiau būtų išnaudoti kai kurias paties sinchroninio variklio ypatybes. Jug variklio inkaro apvijoje, prijungus ją prie trifazio tinklo, susikuria sukamasis magnetinis laukas kaip ir asinchroniniame variklyje.Belieka tik rotoriaus magnetolaidyje įmontuoti trumpai sujungtą apviją (7 pav ), ir rotorius gali pradėti pats suktis. Daugumos sinchroninių variklių rotoriai ir yra tokie: jie turi žadinimo ir trumpai sujungtą paleidimo apviją.

14

(a)

(b)

(c)

7 pav. Variklio paleidimo apvija (a), paleidimo schema (b) ir paleidimo (1,2,3) bei sinchroninio darbo (4) mechaninės charakteristikos (c), kai veikia tik žadinimo apvija (1), tik paleidimo apvija (2) ir abi apvijos kartu (3).

Paleidimui sinchroninio variklio statoriaus apvija pri jungiama prie trifazio tinklo, sujungus jungiklį Q 1 (7 pav., b ) . Sukamasis magnetinis laukas kerta rotoriaus žadinimo apviją bei trumpai sujungtą paleidimo apviją ir indukuoja jose EVJ. Kol rotorius dar nesisuka, žadinimo apvijoje indukuota EVJ esti apie 20 - 30 kartų didesnė už vardinę žadinimo įtampą. Kad tokie viršįtampiai nepažeistų izoliacijos, jungikliu Q 2 į žadinimo apvijos grandinę yra įjungiamas rezistorius R (kai kuriais atvejais žadinimo apvija gali būti sujungiama trumpai - R = 0).

Paleidimo metu teka srovė paleidimo ir žadinimo apvijomis, todėl variklio rotorių veikia sukimo momentas - paprastai A/k = (0,8-1,0) M N - ir rotorius pradeda suktis. Kaip žinome, rotorius gali įsisukti iki tokio asinchroninio greičio, kuris tik keliais procentais yra mažesnis už magnetinio lauko greitį. Tuomet jungikliu Q 3 žadinimo apvija yra prijungiama prie nuolatinės įtampos šaltinio. Rotoriuje atsiranda nuolatinis magnetinis laukas. Kadangi jis sukasi greičiu, artimu statoriaus magnetinio lauko, statoriaus magnetiniai poliai pritraukia rotoriaus priešinguosius polius, ir laukai sukimba. Tuo metu

15

šiek tiek padidėja srovė žadinimo apvijoje bei rotorių veikiantis mechaninis momentas, bet tokios elektrinės bei mechaninės perkrovos yra leistinos. Varikliui įsisukus sinchroniniu greičiu, jungiklis Q 2 atjungiamas.

Galingi sinchroniniai varikliai yra paleidžiami pasitelkus automatines valdymo sistemas. Jos ne tik automatiškai atlieka visus minėtus komutacijos veiksmus, bet ir pa-renka tokį sinchronizavimo laiko momentą, kad perkrovos būtų mažiausios.

Išvados:1. Sinchroninės mašinos yra tokios kintamosios srovės mašinos, kurių rotorius

sukasi tokia pat kryptimi ir greičiu kaip magnetinis laukas, t.y. sinchroniškai. Sinchroninės mašinos gali dirbti generatoriaus ir variklio režimu.

2. Ryškiapolėje sinchroninėje mašinoje oro tarpo ilgis nėra pastovus dydis. Inkaro magnetovara oro tarpe sukuria magnetinio srauto tankį, kurio amplitudės dydis ir kreivės forma priklauso nuo oro tarpo ilgio. Inkaro magnetovara kinta sinuso dėsniu inkaro paviršiuje.

3. Santykinis dydis, tai socialinių-ekonominių reiškinių kiekybinių santykių rodikliai. Santykiniai dydžiai gaunami lyginant du absoliutinius dydžius. Santykio skaitiklis yra lyginamas ir vadinamas lyginamuoju (kartais einamuoju arba ataskaitiniu), o kitas su kuriuo lyginama (santykio vardiklis), vadinamas baziniu dydžiu, arba baze.

4. Susižadinimo reiškinys traktuojamas kaip nestabilus sistemos darbo režimas ir tam, kad sistema prarastų pusiausvyrą, visai nebūtina įmagnetinti mašiną. Visiškai pakanka bet kokio išorinio trikdžio.

16

Literatūros sąrašas:

1. „Power system stability and control“ P.KUNDUR2. „Elektrotechnika“ S.Masiokas 1994m.3. “Elektrotechnika” P.Kostrauskas 1992m.4. “ELEKTRONIKA IR ELEKTROTECHNIKA” S. Gečys, M. Kripas

17