Sinhrona ma

1
Sinhrona mašina (Synchronous machine)
2
EES Crne Gore
Dalekovodi 380kV
Dalekovodi 380kV
3
Osnovni elementi konstrukcije

• Rotaciona elektricna mašina naizmjenicne struje
• Reverzibilna rotaciona elektricna mašina kao i
  ostale rotacione elektricne mašine može raditi i
  u motornom i u generatorskom režimu rada
• Tipicni predstavnik elektricnih mašina velikih
  snaga
• UGLAVNOM RADI KAO GENERATOR
• Uvijek cilindrican stator na kom je postavljen
  trofazni namotaj uglavnom spregnut u ZVIJEZDU
• Dvije razlicite konstrukcije rotora
• Jedna izvedba jeste sa cilindricnim rotorom
  TURBOGENERATOR
• Druga mogucnost je rotor sa istaknutim polovima
• HIDROGENERATOR

4
Osnovni elementi konstrukcije

• U oba slucaja, na rotoru je postavljen pobudni
  namotaj kroz koji se propušta jednosmjerna struja
• Izvor jednosmjerne struje pobudnog namotaja je
  generator jednosmjerne struje postavljen na istu
  osovinu tzv. pobudnica
• Pobudni namotaj ima za zadatak stvaranje
  magnetskog polja u mašini
• Indukovana ems u namotajima statora eBlv

5
Konstrukcija turbogeneratora

• Cilindrican rotor, obicno dvopolna mašina, p1
• U žljebove rotora postavljen pobudni namotaj
• Rotor djelimicno ožljebljen, neožljebljeni
  djelovi su rotorski polovi
• Zbog velike ugaone brzine rotora (p1 znaci
  sinhronu brzinu od 3000 obrtaja u minuti) ovi
  rotori su malog precnika ali velikih dužina
• Kod ovih mašina, iz navedenog razloga, izmedu
  statora i rotora se ostavlja prilicno velik
  vazdušni procjep
• Širok vazdušni procjep znaci i potrebu za velikim
  pobudnim strujama

6
Konstrukcija turbogeneratora
7
Konstrukcija turbogeneratora
Rotor turbogeneratora, cetvoropolni, 204 tone,
dužina vazdušnog procjepa 120mm Pobudna struja
11.2kA dobijena iz 600V DC brushless pobudnog
generatora koji se nalazi na istoj osovini
8
Konstrukcija turbogeneratora
9
Konstrukcija turbogeneratora
10
Konstrukcija turbogeneratora
11
Konstrukcija hidrogeneratora

• Rotor sa istaknutim polovima, obicno veliki broj
  polova
• Na istaknutim polovima namotan koncentricni
  pobudni namotaj
• Zbog malih ugaonih brzina rotora (npr za p20
  sinhrona brzina za 50Hz iznosi 150 obrtaja u
  minuti) ovi rotori su velikog precnika ali zato
  relativno male aksijalne dužine
• Kod ovih mašina je moguce ostaviti izmedu statora
  i rotora relativno mali vazdušni procjep
• Manji vazdušni procjep znaci i manju potrebnu
  pobudnu struju

12
Konstrukcija hidrogeneratora
Stator hidrogeneratora, trofazni, 500MVA,
cos?0.95, 15kV, 60Hz, 200 obr/min Unutrašnji
precnik 9.25m, efektivna aksijalna dužina statora
2.35m, 378 žljebova
13
Konstrukcija hidrogeneratora
36 polova, 2400A pobudna struja napajana iz
naponskog izvora od 330V, 600 tona Dužina
vazdušnog procjepa 33mm
14
Princip rada turbogeneratora 1

• Posmatracemo elementarni sinhroni dvopolni
  turbogenerator generator (p1, cilindricni rotor)
  u praznom hodu namotaji statora otvoreni
• Kada kroz pobudni namotaj tece jednosmjerna
  struja, mms pobudnog namotaja (FfNfIf) stvara
  magnetski fluks u mašini tj magnetsku indukciju
  Bf
• Rotiranjem rotora od strane pogonske mašine
  (parne turbine) u mašini se stvara obrtno
  magnetsko polje, nastalo mehanickom rotacijom
  magnetskih polova rotora
• U nepokretnim namotajima statora se tada indukuje
  ems na osnovu poznate zakonitosti
• dedl?(v x B) tj eBlv
• Indukovana ems faznog (!!) namotaja statora je
  naizmjenicna, istog oblika u vremenu kao što je
  oblik talasa magnetskog polja u prostoru
• Ucestanost indukovane ems zavisi od brzine
  presijecanja magnetskog polja sa provodnicima
  statora i dobija se iz odranije poznatog izraza
  za sinhronu brzinu
• ns60f/p
• fpns/60
• Dakle, da bi dvopolni generator u namotajima
  statora indukovao ems ucestanosti 50Hz njegov
  rotor treba stranom silom rotirati brzinom od
  3000 obr/min
• Konstantna ucestanost indukovane ems je jedan od
  najtvrdih zahtjeva u pogledu kvaliteta elektricne
  energije tako da je održavanje konstantne brzine
  rotora sinhronog generatora primarni cilj
• Mehanicki regulatori

15
Princip rada turbogeneratora 2

• Šta se dešava kada se generator optereti?
• Opterecivanjem generatora indukovane ems u faznim
  namotajima statora (identicne po magnitudi ali
  fazno pomjerene za 2?/3) kroz trofazni namotaj
  statora protjeraju naizmjenicne struje
• Ako je opterecenje simetricno i struje su
  simetricne i kao i ems fazno pomjerene za 2?/3
• Fazno pomjerene struje u prostorno pomjerenim
  namotajima statora dovode do pojave OBRTNOG
  MAGNETSKOG POLJA
• Ovo polje je uzrokovano ne mehanickom rotacijom,
  kao što je to kod rotora slucaj vec naizmjenicnim
  strujama, fazno pomjerenim u prostorno pomjerenim
  namotajima
• Brzina ovog obrtnog magnetskog polja je sinhrona
  brzina, definisana ucestanošcu statorskih struja
  tj. brzinom rotacije rotora
• Dakle, obrtno magnetsko polje sa strane statora i
  ono sa strane rotora su jedno u odnosu na drugo
  nepokretna rotiraju istom, sinhronom brzinom
• Otud ime SINHRONA MAŠINA
• Princip KACENJA POLJA

16
MMS rotora turbogeneratora 1

• Slika prikazuje oblik mms cilindricnog rotora
  (indeks f od field, polje, pobuda)
• ? je odnos ožljebljenog dijela rotora pod jednim
  polom i polnog koraka
• Stepenicastu raspodjelu aproksimiramo linearnom
  raspodjelom Fs
• Ovu raspodjelu (trapez) razlažemo u Furijeov red
• Amplituda osnovnog harmonika je Ff1

17
MMS rotora turbogeneratora 2

• Uniforman vazdušni procjep, dakle, oblik
  raspodjele magnetske indukcije je istog oblika
  kao raspodjela mms
• kf je koeficijent oblika pobudnog polja
• Najcešca vrijednost za ?3/40.75 kod sinhronih
  turbogeneratora jer je tada najmanji sadržaj
  viših prostornih harmonika mms
• Tada je kf1
• Magnetsko polje rotora je obrtno, nastalo
  mehanickim obrtanjem rotora

18
MMS rotora hidrogeneratora 1

• Mms namotaja rotora se, zanemarujuci magnetske
  padove napona u gvoždu, troši na dva vazdušna
  procjepa (p1)
• Po jednom polu, mms je upola manja
• ? je odnos širine pola pod jednim polom i polnog
  koraka, ?bp/?
• Ispod polova, tamo gdje je vazdušni procjep
  konstantan, oblik magnetske indukcije je isti kao
  i oblik mms

19
MMS rotora hidrogeneratora 2

• Prikazani oblik raspodjele magnetske indukcije je
  identican obluku mms
• Razvijamo ga u Furijeov red
• Data je amplituda osnovnog harmonika Bf1 i
  koeficijent oblika pobudnog polja kf kao odnos
  amplitude osnovnog harmonika i visine
  pravougaonika
• Izborom širine pola može se postici raspodjela
  magnetske indukcije sa niskim sadržajem viših
  prostornih harmonika (za ?2/3 eliminiše se treci
  harmonik i svi viši djeljivi sa tri)
• Dodatna mjera jeste oblikovanje polnog završetka

20
Indukovana ems u namotaju armature 1

• Opisani talasi magnetske indukcije sa strane
  rotora tj pobudnog namotaja, rotiraju zajedno sa
  rotorom i u namotajima armature na statoru
  indukuju ems
• Izraz za indukovanu ems u distribuiranim
  namotajima na statoru izveden je u prethodnom
  kursu i ovdje ce biti samo ponovljen
• E je efektivna vrijednost osnovnog harmonika ems
  indukovane u faznom namotaju statora
• f je ucestanost u Hz a zavisi od brzine obrtanja
  rotora i broja pari polova na rotoru
• Na je ukupan broj navojaka faznog namotaja
  statora (armatura)
• ka je navojni sacinilac statorskog namotaja koji
  u sebe ukljucuje pojasni i tetivni navojni
  sacinilac
• ? je fluks po polu

21
Indukovana ems u namotaju armature 2
22
Reakcija armature 1

• U režimu praznog hoda, dakle kada na izvode
  generatora nije prikljucen potrošac, indukovana
  ems je poznata kao indukovana ems u PH i oznacava
  se sa E0
• Ova ems je naizmjenicna i prikazuje se fazorom u
  fazorskom dijagramu
• Ona kasni za ?/2 za fluksom koji ju je izazvao,
  fluksom pobudnog namotaja ?f
• Ovaj fluks je, sa svoje strane, izazvan mms
  pobudnog namotaja Ff
• Mms pobudnog namotaja i fluks pobudnog namotaja
  djeluju po direktnoj osi i tako se i crtaju u
  fazorskom dijagramu iako nijesu naizmjenicne ali
  rotiraju sinhronom brzinom!

23
Reakcija armature 2

• Kada se na izvode generatora prikljuci potrošac
  tj kada se generator optereti, kroz namotaj
  armature protekne struja
• Ove trofazne struje stvore obrtnu mms sa strane
  statora
• Obrtna mms sa strane statora stvori svoj
  magnetski fluks koji se sa fluksom pobude
  superponira, dajuci rezultantni magnetski fluks u
  mašini
• Ova pojava je poznata kao reakcija armature
• Reakcija armature zavisi od karaktera opterecenja
  kog generator napaja
• To opterecenje može biti aktivno, potpuno
  induktivno ili potpuno kapacitivno a najcešce
  miješano pretežno induktivno ili pretežno
  kapacitivno

24
Reakcija armature 3

• Aktivno opterecenje poprecna reakcija armature
• ?0

25
Reakcija armature 4

• Induktivno opterecenje direktna demagnetišuca
  reakcija armature
• ???/2

26
Reakcija armature 5

• Kapacitivno opterecenje direktna magnetišuca
  reakcija armature
• ??/2

27
Reakcija armature 6

• Mješovito opterecenje - pretežno induktivno
  opterecenje
• Mms reakcije armature se razlaže na dvije
  komponente, jednu po direktnoj, d-osi a jednu po
  porecnoj, q-osi

28
Magnetsko polje reakcije armature

• CILINDRICNI ROTOR
• Magnetsko polje reakcije armature kod mašine sa
  cilindricnim rotorom je identicnog oblika kao i
  mms reakcije armature jer je vazdušni procjep
  stalan
• Efektivna širina vazdušnog procjepa u obzir uzima
  efekat ožljebljenja statora i/ili rotora putem
  Carterovog sacinioca kc
• Zasicenje zuba statora i/ili rotora se takode
  može uzeti u obzir preko odgovarajuceg faktora
  zasicenja kz
• Magnetsko polje reakcije armature je obrtno
  magnetsko polje, tacnije Teslino obrtno magnetsko
  polje

29
Magnetsko polje reakcije armature

• ROTOR SA ISTURENIM POLOVIMA
• Magnetsko polje reakcije armature kod mašine sa
  isturenim polovima na rotoru je mnogo složenije
  odrediti u odnosu na prethodni slucaj
• Razlog je neravnomjerna širina vazdušnog procjepa
• To znaci da talas magnetske indukcije nece
  pratiti oblik talasa mms sem tamo gdje je
  vazdušni procjep konstantne dužine ispod polova
• Rešenje je u razlaganju talasa mms reakcije
  armature na dvije komponente jednu koja djeluje
  po direktnoj d-osi (osi polova) i drugu koja
  djeluje po porecnoj q-osi (pomjerenoj za ?/2
  elektricnih stepeni u odnosu na d-osu)
• Blondel-ova teorija dvaju reakcija

30
Magnetsko polje reakcije armature

• ROTOR SA ISTURENIM POLOVIMA
• Opisani pristup je moguc zahvaljujuci cinjenici
  da se rotor (talas mms pobude) i talas mms
  reakcije armature krecu istim brzinama odnosno
  nepokretni su jedan u odnosu na drugog!

31
Magnetsko polje reakcije armature

• ROTOR SA ISTURENIM POLOVIMA
• Pri promijenjenom karakteru opterecenja i dalje
  važi opisano razlaganje, samo što se amplitude
  mms po pojedinim osama mijenjaju ali i dalje
  djeluju po istim osama!

32
Magnetsko polje reakcije armature

• ROTOR SA ISTURENIM POLOVIMA POLJE PO d-osi

33
Magnetsko polje reakcije armature

• ROTOR SA ISTURENIM POLOVIMA POLJE PO q-osi