WSPÓŁPRACA GENERATORA SYNCHORNICZNEGO Z SIECIĄ
1. Synchronizacja
Jednym z podstawowych problemów eksploatacji maszyn synchronicznych jest
zapewnienie warunków umożliwiających powstanie trwałej więzi między
elektromagnesem (lub magnesem trwałym) wirnika oraz polem wirującym,
wytwarzanym przez uzwojenia stojana przyłączone do sieci sztywnej. Więź ta
może zaistnied przy odpowiednio małej prędkości względnej wirnika i pola.
Synchronizacja - Przyjmowanie przez wirnik ustalonego, stabilnego położenia
względem pola.
1.1 Metody synchronizacji
Wybór metody zależy głównie od wielkości maszyny synchronicznej, jej
konstrukcji, przeznaczenia, parametrów sieci zasilającej itp.
Synchronizacja generatorów największych mocy wymaga precyzyjnego ustawienia
wirnika względem pola odpowiadającego napięciu sieci i dlatego w tym przypadku
wykorzystuje się metodę synchronizacji dokładnej, natomiast mniejsze generatory
mogą byd przyłączone do sieci metodą samosynchronizacji.
Wyróżnia się dwie metody synchronizacji:
A. synchronizacja dokładna
Powinna zapewnid włączenie maszyny do sieci w chwili, gdy między parami
zacisków wyłącznika głównego występują możliwie najmniejsze napięcia.
W tym celu należy:
- uzgodnid kolejnośd faz prądnicy i sieci
- wyrównad częstotliwośd napięd generatora i sieci
- wyrównad skuteczne wartości napięd sieci i prądnicy
Proces synchronizacji przy dużych jednostkach jest obecnie przeprowadzany
wyłącznie za pomocą układów automatycznych. Dla małych maszyn
synchronizację dokładną można wykonad za pomocą kolumny synchronicznej lub
dwóch woltomierzy i układu żarówek
a) Synchronizacja dokładna przy pomocy kolumny synchronizacyjnej
Kolumna synchronizacyjna to specjalny zestaw przyrządów pomiarowych
składający się z woltomierzy mierzących wartośd skuteczną napięd: sieci i
generatora, częstościomierzy mierzących częstotliwośd napięd: sieci i generatora
oraz woltomierza różnicowego mierzącego różnicę
napięd między siecią a generatorem.
Przeprowadzając synchronizację przy pomocy
kolumny, po uzgodnieniu kolejności faz prądnicy i
sieci oraz wstępnym ustaleniu napięcia generatora
na poziomie napięcia sieci, należy:
- wyrównad częstotliwośd napięcia generatora i
napięcia sieci, regulując obroty maszyny
napędzającej prądnicę. Wstępnie dokonuje się tego a
podstawie wskazao częstościomierzy. Ostateczne
ustalenie prędkości powinno nastąpid na podstawie
obserwacji wahao wskazówki woltomierza
różnicowego. Częstośd tych wahao powinna byd na
tyle mała, aby uchwycenie wskazania zera nie
przedstawiało problemu.
- wyrównad napięcia międzyprzewodowe prądnicy i sieci, zmieniając odpowiednio
prąd wzbudzenia generatora
-gdy woltomierz różnicowy wskazuje zero, włączyd generator do sieci
b) Synchronizacja dokładna przy pomocy żarówek
Odbywa się następująco: po wstępnym ustaleniu
prędkości wirnika w pobliżu znamionowej oraz
napięcia generowanego w tworniku na poziomie
napięcia sieci obserwuje się kolejnośd zaświecenia
poszczególnych żarówek. Powinny rozjaśniad się
jednocześnie. Niejednoczesne zaświecanie świadczy
o odmiennej kolejności faz sieci i prądnicy. Po
stwierdzeniu zgodności faz zmniejsza się
częstotliwośd świecenia żarówek. Powinna byd na
tyle niska, aby umożliwid czynności łączeniowe w
czasie gdy żarówki świecą. Po ustaleniu prędkości
wirnika, regulując prąd wzbudzenia doprowadzamy
do zrównania wskazao woltomierzy o stronie sieci i
generatora. Włączenie generatora do sieci następuje w chwili zgaśnięcia żarówek.
B. samosynchronizacja
Polega na przyłączeniu do sieci maszyny niewzbudzonej, doprowadzonej do
prędkości bliskiej synchronicznej. Bezpośrednio po zasileniu twornika złącza się
napięcie stałe na wzbudzenie. Narastający prąd wzbudzenia wytwarza moment,
który powoduje wciągnięcie wirnika w synchronizm. Nieustalone wartości prądów
i momentów są w tym przypadku znacznie większe niż przy synchronizacji
dokładnej, ale proces włączania maszyny do sieci trwa znacznie krócej.
2. Rozruch asynchroniczny
Rozruch asynchroniczny jest najczęściej wykorzystywaną metodą zbliżenia
prędkości wirnika do prędkości pola wirującego. Odbywa się dzięki prądom
płynącym w klatce, w którą wyposażony jest wirnik lub w litych elementach
obwodu magnetycznego wirnika. Wytwarzany w ten sposób moment przypomina
w zasadzie moment powstający w silniku indukcyjnym, posiada jednak dodatkowe
składowe wynikające z niepełnej, jedynie dwuosiowej symetrii zwartych
obwodów wirnika.
2.1 Warunki rozruchu
Wyniki obliczeo dla typowej maszyny wskazują, że rozruch asynchroniczny
wzbudzonej maszyny nie jest w ogóle możliwy. Uzwojenie wzbudzenia nie może
też pozostad otwarte z uwagi na niebezpieczne dla izolacji napięcie, jakie
wyindukowałoby się w nim podczas rozruchu. Na ogół uzwojenie to jest zamykane
na czas rozruchu rezystancją o wartości zbliżonej do dziesięciokrotnej wartości
rezystancji własnej uzwojenia. Zwiększanie rezystancji ma na celu ograniczenie
prądu płynącego w uzwojeniu wzbudzenia powstałego pod wpływem pola
wirującego stojana, a tym samym zmniejszenie niekorzystnego „siodła” na
charakterystyce momentu średniego (wynika to z istnienia składowej przeciwnej
pola eliptycznego). To obniżenie momentu może w pewnych przypadkach
doprowadzid do utknięcia wirnika bezpośrednio po przekroczeniu połowy
prędkości synchronicznej (tzw. efekt Gorgesa). Zwykle jednak w maszynach
dużych z prawidłowo zaprojektowaną klatką rozruchową, wpływ prądów
płynących w uzwojeniu wzbudzenia przy poślizgach bliskich 0,5 nie ma istotnego
wpływu na przebieg rozruchu
2.2 Efekt Gorgesa
Pole wirujące wytworzone przez przepływ stojana powoduje powstanie w
obwodzie wzbudzenia prądu przemiennego, którego częstotliwośd f
2
w okresie
rozruchu maleje w miarę powiększania się prędkości obrotowej n wirnika, zgodnie
ze wzorem:
Gdzie: f
1
– częstotliwośd sieci
p – liczba par biegunów
Prąd przemienny płynący w 1-fazowym uzwojeniu wirnika wytwarza pole
przemienne (względem wirnika), które rozłożyd można na dwa pola kołowe
wirujące w przeciwnych kierunkach względem wirnika. Jedno z nich, wirujące w
kierunku zgodnym z kierunkiem wirowania wirnika nazywamy polem
współbieżnym, natomiast drugie polem przeciwbieżnym. Prędkośd wirowania obu
tych pól względem wirnika zależy od częstotliwości f
2
.
Efekt Gorgesa:
Przy czym znak (+) i (-) określają kierunki wirowania. Prędkości wirowania tych pół
składowych obliczymy następująco:
dla pola współbieżnego
dla pola przeciwbieżnego
Z przeprowadzonych obliczeo wynika, że prędkośd wirowania pola współbieżnego
n
w
względem stojana jest stała i równa prędkości synchronicznej. Wniosek – pole
współbieżne wytwarza przy każdej prędkości wirnika wraz z polem stojana
moment asynchroniczny, działający na wirnik w kierunku zgodnym z momentem
asynchronicznym wytwarzanym przez prący w klatce rozruchowej i w
nabiegunnikach.
Ze wzoru n
p
= 2n – n
1
wynika, że prędkośd obrotowa n
p
pola przeciwbieżnego
względem stojana zmienia się zarówno co do wartości, jak i kierunku zależnie od
prędkości n wirnika. Pole przeciwbieżne wirujące względem stojana indukuje w
jego uzwojeniu napięcia, które w zamkniętych obwodach uzwojenia stojana
powodują powstawanie dodatkowych prądów. Prądy te wytwarzają dodatkowe
pole wirujące nieruchome względem pola przeciwbieżnego i dlatego pojawia się
w maszynie dodatkowy moment asynchroniczny, wytworzony przez pole
przeciwbieżne.
W zakresie prędkości wirnika 0 <= n < n
1
/ 2 pole przeciwbieżne wiruje w stronę
przeciwną do pola współbieżnego jak i dodatkowy moment obrotowy działający
na stojan.
Na zasadzie reakcji powoduje to, że dodatkowy moment działający na wirnik
działa w tym samym kierunku. To znaczy, że w tym zakresie prędkości wirnika
kierunek działania momentu pochodzącego od pola przeciwbieżnego jest zgodny
z kierunkiem momentu pochodzącego od klatki i pola współbieżnego
Przy prędkości wirnika n=n
1
/2 pole przeciwbieżne jest nieruchome względem
stojana i dlatego nie powoduje ono powstawania dodatkowych prądów w
stojanie. Przy tej prędkości nie występuje więc moment dodatkowy od pola
przeciwbieżnego.
W zakresie prędkości wirnika mniejszych od n
1
/2 pole przeciwbieżne zmienia
kierunek wirowania względem stojana. Moment działa w kierunku zgodnym na
stojan i przeciwnym na wirnik, a więc w tym zakresie prędkości pole
przeciwbieżne działa niekorzystnie, wpływając na zmniejszenie wartości momentu
wypadkowego.
2.3 Wejście w synchronizm
W przypadku maszyn cylindrycznych ( a takimi z reguły są generatory) dla
osiągnięcia prędkości synchronicznej w uzwojeniu wzbudzenia musi popłynąd
prąd stały. Aby nastąpiła synchronizacja, poślizg po dokonaniu rozruchu
asynchronicznego musi byd jednak dostatecznie mały. W przeciwnym razie
maszyna, mimo włączonego do obwodu wzbudzenia napięcia stałego, pozostanie
w stanie pracy asynchronicznej.
3. Współpraca z siecią
Prądnice synchroniczne rzadko pracują indywidualnie. Może to mied miejsce w
bardzo małych elektrowniach z dala od jakichkolwiek układów energetycznych, w
urządzeniach transportowych lub w laboratoriach badawczych. Przeważająca
większośd prądnic współpracuje ze sobą w ramach paostwowych, a często między
paostwowych układów elektroenergetycznych
3.1 Sposoby pracy prądnicy synchronicznej
A. Indywidualna
B. na sied elastyczną
C. na sied sztywną
Jeżeli moc P
x
prądnicy jest znikomo mała w porównaniu z mocą P
z
prądnicy
zastępczej, reprezentującej wszystkie pozostałe maszyny (P
x
<< P
z
) to o
wartościach parametrów charakterystycznych układu energetycznego, a więc o
wartości napięcia i częstotliwości, decyduje prądnica zastępcza o dużej mocy.
Napięcie i częstotliwośd rozpatrywanej prądnicy są zassane z zewnątrz i wartości
ich nie zależą od jakichkolwiek zmian dokonywanych w tej prądnicy (regulacja
wzbudzenia i regulacja mocy maszyny napędzającej) tak długo, jak długo maszyna
utrzymuje się w synchronizmie.
Pracę prądnicy w tych warunkach nazywa się pracą na sied sztywną.
3.2 Krzywe V
Przedstawiają zależnośd prądu twornika I od prądu wzbudzenia I
w
przy stałych
wartościach napięcia twornika U, mocy czynnej P oraz częstotliwości. Ilustrują one
zachowanie się maszyny synchronicznej pracującej równolegle z siecią sztywną w
całym zakresie możliwych zmian prądu wzbudzenia. Regulacja prądu wzbudzenia
generatora prowadzi jedynie do zmian mocy biernej, a zatem zmiany
współczynnika mocy. Jest to bardzo cenna właściwośd maszyny synchronicznej,
której nie wykazuje maszyna asynchroniczna.
Linia łącząca minima krzywych V dla pracy prądnicowej dzieli cały obszar na 2
części: praca maszyny, gdy pobiera ona moc bierną z sieci odpowiada obszarowi
w lewo, a praca, gdy maszyna wydaje moc bierną do sieci odpowiada obszarowi w
prawo.
Jeśli stan wzbudzenia potrzebny do uzyskania (przy pewnej mocy P)
współczynnika cosϕ = 1 nazwiemy stanem normalnego wzbudzenia, to prądnicę
wydającą moc bierną do sieci nazwiemy przewzbudzoną, a prądnicę pobierającą
moc bierną z sieci nazwiemy niedowzbudzoną.
