synchronní stroje

Synchronní stroje Točivé stroje mezních výkonů, především jako generátory ( Temelín : 1000 MW) Z hlediska funkce je dělíme : Alternátory - synchronní generátory - přeměna mechanické energie na elektrickou. Synchronní motory - přeměna elektrické energie na mechanickou. Synchronní kompenzátory - slouží ke kompenzaci účiníku v elektrických sítích. Obvykle se v názvosloví rozlišují dvoupólové stroje s hladkým rotorem - turbo – a vícepólové stroje s rotorem s vyniklými póly – hydro. Turboalternátory – hydroalternátory, méně často turbomotor ap.

Princip činnosti Generátor : Ve statoru, na němž je umístěno vinutí, se otáčí zdroj mag.pole (perm.magnet, cívka buzená ss proudem). Pole indukuje ve vinutí statoru napětí, jehož frekvence odpovídá otáčkám rotoru. Motor : 3f vinutí statoru je připojeno na symetrickou síť a vytvoří točivé pole. Rotor - perm.magnet nebo cívka buzená ss proudem - se otáčí synchronně se statorovým polem.

Konstrukce synchronních strojů Stator Magnetický obvod je složen z dynamových plechů v jehož drážkách je uloženo, nejčastěji, třífázové vinutí.

Konstrukce synchronních strojů Rotor Magnetický obvod je tvořen soustavou pólů buď buzených stejnosměrným proudem a nebo u malých strojů jsou použity permanentní magnety. Rotor může být vyhotoven jako: hladký rotor rotor s vyniklými póly

Chod naprázdno Generátor : není odebírán žádný výkon, proud dodávaný do sítě je roven nule Motor : na hřídeli není zátěž (ze sítě je odebírán výkon na krytí ztrát) Charakteristika je zpočátku lineární a pak se zakřivuje vlivem sycení. Část mag.obvodu je magnetována stejnosměrně, na charakteristice se tedy projeví hystereze (liší se vzestupná a sestupná větev) a remanence (i při Ib = 0 se remanentní indukcí indukuje do statoru malé remanetní napětí). Fázorový diagram : Uib předbíhá „svůj“ tok Φb o 90o

Reakce kotvy Kotva : část stroje, do které je indukováno napětí, u synchronních strojů stator Reakcí kotvy rozumíme vliv statorového pole na celkové pole stroje. Zatížíme-li stroj, protékající proud statoru vytvoří točivé pole – pole reakce kotvy Φa Výsledné pole stroje je dáno fázorovým součtem pole rotoru Φb a pole reakce kotvy Φa. Skutečné indukované napětí stroje odpovídá výslednému toku Φ. Reakce stroje významně ovlivňuje stav stroje při různé zátěži.

Reakce kotvy Induktivní zátěž G V případě induktivní zátěže reakce kotvy odbuzuje stroj. Napětí s proudem lineárně klesá.

Reakce kotvy Kapacitní zátěž G V případě kapacitní zátěže reakce kotvy přibuzuje stroj. Napětí s proudem roste !

Reakce kotvy Čistě činná zátěž G Reakce kotvy zde ovlivňuje celkové pole „příčně“. Celkový tok se mírně snižuje.

Náhradní schéma stroje Synchronní stroj se chová tak, jakoby byl zdroj s napětím Uib, které lze ovlivnit jen napětím a otáčkami, připojen k vnějšímu obvodu přes reaktanci reakci kotvy, rozptylovou reaktanci a činný odpor statorového vinutí. Orientační velikosti prvků : R 1-5 % Xσ 15-30% Xad 100-200% Velikosti jednotlivých prvků obvykle vyjadřujeme v procentech jmenovité impedance stroje, která je dána poměrem jmenovitých fázových hodnot napětí a proudu .

Náhradní schéma stroje Při kreslení fázorového diagramu předpokládáme znalost velikosti fázorů svorkového napětí a proudu a jejich fázového posunu φ. Zde se jedná o generátor, který napájí zátěž induktivního charakteru. Úhel β se nazývá zátěžný úhel. Jeho význam bude vysvětlen později.

Zjednodušené schéma Činný odpor stroje je z hlediska napěťových poměrů zanedbatelný a lze jej v náhr.schématu vynechat. Reaktance stroje lze sloučit do jediné synchronní reaktance Xd.

Stavy stroje Příklady možných stavů stroje G do RL G do RC Přebuzený M Podbuzený M

Samostatně pracující generátor Uvažujeme osamocený synchronní generátor, který má na svorkách proměnnou zátěž s konstantním účiníkem. Budicí proud se nemění, napětí Uib je konstantní, nemění se otáčky a tím ani frekvence. V případě čisté indukčnosti reakce kotvy odbuzuje stroj, svorkové napětí lineárně klesá se zatížením. V případě čisté kapacity reakce kotvy stroj přibuzuje, svorkové napětí lineárně roste se zatížením. V ostatních případech lze průběh charakteristik odhadnout z fázorových diagramů (pro cos φ = 1 se jedná v osách U – I o elipsu).

Chod nakrátko Stav nakrátko je stav generátoru při zkratovaných výstupních svorkách, sledujeme stav stroje při pomalých změnách (změny probíhají ve značně delších časech než jsou časové konstanty přechodových dějů) Pro analýzu stavu nakrátko je třeba použít náhr.schéma s oddělenými reaktancemi Xad a Xσ. Reakce kotvy ve stavu nakrátko značně odbuzuje stroj, výsledný tok stroje je velmi malý, indukované napětí je dáno pouze rozptylovým tokem. Charakteristika nakrátko Ik=f(Ib) je lineární, stroj se nedostane do oblasti sycení.

Zkrat Zkratem rozumíme náhlé galvanické spojení výstupních svorek. Ve stroji dojde k přechodným jevům, po odeznění těchto jevů přejde stroj do stavu nakrátko. Proud je omezen pouze reaktancemi stroje, vliv odporu je bezvýznamný. Fázový posun indukovaného napětí a proudu je  (téměř) 90o. Při zkratu se značně zvýší proud kotvy a tím i reakční tok. Změna naindukuje do budicího vinutí napětí, které vyvolá průchod proudu, který se snaží dle Lencova zákona působit proti této změně. Výsledkem je vytlačení toku do vzduchových cest a značné snížení synchronní reaktance na hodnotu přechodné reaktance . K podobnému jevu pak dojde i v oblasti tlumiče. Synchronní reaktance se tak dále zmenší na hodnotu rázové reaktance . Tlumič je konstrukčně kotva nakrátko umístěná v pólových nástavcích a slouží k tlumení kývání stroje (bude popsáno v dalším textu).

Zkrat Magnetický tok se postupně vrací do magnetického obvodu, reaktance stroje stoupá a proud se postupně exponenciálně snižuje, až se ustálí na hodnotě proudu nakrátko. Zkratový proud lze rozložit na 4 složky : Rázová složka – periodická složka, která závisí na přechodných jevech v oblasti tlumiče, zaniká exponenciálně s krátkou časovou konstantou řádově setiny vteřiny. Přechodná složka - periodická složka, která závisí na přechodných jevech v oblasti budicího vinutí, zaniká exponenciálně s  časovou konstantou řádově desetiny vteřiny. Ustálená složka – periodická složka s konstantní amplitudou, tento proud protéká vinutím po odeznění proměnných složek (proud nakrátko). Stejnosměrná složka – vývin závisí na okamžiku zkratu, upravuje celkový průběh proudu tak, aby vycházel z hodnoty proudu v okamžiku zkratu. Souvisí s energií mag.pole v mag.obvodu v okamžiku zkratu. Zaniká exponenciálně s časovou konstantou řádově setiny vteřiny.

Zkrat

Fázování na tvrdou síť Absolutně tvrdou sítí rozumíme trojfázový systém s konstantním napětím s konstantní frekvencí Fázování je připojení synchronního stroje na tvrdou síť bez proudového rázu. Podmínky : 1. Stejný sled fází (systémy mají stejný smysl otáčení) 2. Stejná frekvence (oba systémy se točí stejně rychle) 3. Stejné napětí (U synchronního stroje lze měnit budicím proudem) 4. Stejný fázový posun (obě napětí jsou ve fázi)

Fázování

Synchronní stroj na tvrdé síti U = Uib , I =0 Po ideálním přifázování stroje na síť neprotéká mezi sítí a strojem žádný vyrovnávací proud. Snížení Ib Zvýšení Ib Stroj začne odebírat ze sítě induktivní jalový proud, kterým se dobudí. Stroj začne odebírat ze sítě kapacitní jalový proud, kterým se odbudí. Proud roste lineárně s Ib Proud opět roste lineárně s Ib

V - křivky Jestliže zvýšíme moment na hřídeli, začneme stroji dodávat mechanický výkon, proud statoru začne vykazovat i činnou složku. Při změně Ib se opět bude měnit jalová složka proudu statoru (křivky P1, P2) V levé části grafu jsou křivky omezeny stabilitou stroje na síti. Spojením bodů se stejným účiníkem získáme tzv. regulační charakteristiky. Spojnice dolů křivek spojuje místa s cosφ=1 a je dělicí křivkou pro podbuzený a přebuzený stroj. Křivky pro P=0 v přebuzeném stavu jsou charakteristikami kompenzátoru.

Moment synchronního stroje Synchronní stroj nemění otáčky se zatížením, v tomto smyslu má absolutně tvrdou charakteristiku. V dalším rozboru nás bude zajímat závislost momentu na tzv. zátěžném úhlu β

Zátěžný úhel je úhel mezi tokem Φb a výsledným tokem stroje. Tedy : zátěžný úhel je úhel, o který rotor u generátoru předbíhá výsledný tok, resp. o který se u motoru zpožďuje za výsledným tokem. Mechanická představa : rotor táhne na pružině silových vazeb stator (generátor) Zátěžný úhel závisí na velikosti momentu na hřídeli a tedy i na předávaném výkonu.

Závislost M = f(β) Úsečku ab lze vyjádřit 2 způsoby : Uib . sin β = Xd . cos φ Po dosazení a úpravách lze získat jednoduchý tvar M = Mmax . sin β kde Maximální moment je ovlivňován buzením a reaktancí ve jmenovateli výrazu.

Závislost M = f(β) Vztah je opět nutné chápat v souvislosti s momentem stroje na hřídeli. Stroj se ustálí na zátěžném úhlu β1, při kterém platí rovnováha momentů. Budeme-li zvyšovat moment turbíny, bude se zátěžný úhel zvyšovat. Při M = Mmax dosáhne zát.úhel hodnotu β = 90o Další zvýšení momentu způsobí výpadek ze synchronismu. Jedná o těžkou poruchu a je nutné stroj ihned odstavit. Maximální úhel, se kterým je stroj schopný stabilně pracovat, je 90o. Tento úhel nazýváme mez statické stability.

Dynamická stabilita, kývání Náhlá změna momentu M1 → M2, stroj změní úhel β1 na β2. Stroj se ustálí na novém zátěžném úhlu až po určité době, po odeznění elektromechanických přechodných dějů V okamžiku změny (β1) platí M2 > Mgen Rotor se začne urychlovat. Při β2 sice platí rovnáváha momentů, ale rotor má přebytek kinetické energie a zrychlování pokračuje. Při β > β2 platí M2 < Mgen a rozdíl momentů rotor zpomaluje. Stroj „překývne“ o úhel Δβ a začne se zpomalovat, teoreticky až na úhel β1. Velikost překývnutí je dána rovností šrafovaných plošek v grafu.

Kývání Při změně poměrů v síti (změna momentu, změna poměrů v síti – změna X v případě většího celku) dojde k zakývání stroje kolem nové ustálené hodnoty zátěžného úhlu. Kývání je spojeno s kolísáním proudu, proud může dosahovat téměř zkratových hodnot ! Utlumení kývání lze urychlit instalací tlumiče na rotoru stroje. Tlumič je kotva nakrátko s tyčemi umístěnými v pólových nástavcích. Předchozí principy lze uplatnit i na větší celky (elektrárna s více generátory, územní celek), které lze nahradit jedním ekvivalentním strojem s výslednou impedancí danou všemi prvky soustavy. Ke změně podmínek pak může dojít změnou konfigurace sítě, např. vypnutím linky. Výpadkem takového celku ze synchronizmu může pak dojít i k rozpadu soustavy.