Budowa i zasada działania prądnicy synchronicznej ( trójfazowej)

Główne elementy składowe prądnicy to:

1. stojan z umieszczonymi w nim trzema ramkami (cewkami)

2. wirnik z uzwojeniem zasilanym ze źródła prądu stałego.

Rys. 1.

Aby lepiej wykorzystać miejsce na obwodzie stojana ramki w prądnicy synchronicznej wykonane są w postaci cewek wielozwojowych, zwanych fazami. Każda z faz ma jednakową liczbę zwojów. Poszczególne zwoje faz umieszcza się w żłobkach stojana, a dla każdej fazy przypada na obwodzie stojana kilka, lub kilkanaście żłobków. Rysunek 1 przedstawia zwoje faz w sposób uproszczony, tzn. Przyjęto że jedna faza składa się z jednego zwoju umieszczonego w jednej parze żłobków. W rzeczywistości, tych zwojów jest kilkadziesiąt.

Rys 2.

Rysunek 2 przedstawia uzwojenie jednej fazy, składające się (na rysunku) również z jednej cewki.

Początki cewek oznacza się zwykle literami U,V,W z indeksem 1, natomiast końce U,V,W z indeksem 2. Cewkę U₁ U₂, umieszcza się w dwóch żłobkach stojana, co obrazuje rysunek 3.

Rys 3.

Stojan prądnicy synchronicznej wykonany jest w postaci walca grubościennego, powstałego ze złożenia pakietu blach żelaznych.

Wirniki prądnic trójfazowych wykonuje się jako jawnobiegunowe , lub cylindryczne (Rys. 4)

Wirniki cylindryczne stosuje się zwykle w maszynach szybkobieżnych.

Są dwa zasadnicze sposoby wykonania go. Może być zrobiony z odkuwki z żelaza, lub podobnie jak stojan, z pakietów blach.

Rysunek 4 pokazuje w przekroju uzwojenie wirnika z zaznaczonymi kierunkami prądu w poszczególnych prętach oraz pierścienie doprowadzające prąd do uzwojenia wzbudzenia.

Prąd zasilający uzwojenie wzbudzenia czerpany jest z osobnego źródła. W praktyce na wale prądnicy umieszczona bywa dodatkowo mała prądniczka samowzbudna prądu stałego, która w czasie pracy prądnicy synchronicznej służy do zasilania uzwojeń magnesów. Siły elektromotoryczne, indukowane w poszczególnych fazach stojana, można przedstawić w postaci zależności:

e_U = E_m ∙ sinω ∙ t

e_U = E_m ∙ sin (ω ∙ t - 120⁰)

e_U = E_m ∙ sin (ω ∙ t - 240⁰)

Powyższe zależności wynikają z przesunięcia względem siebie poszczególnych ramek o kąt 120⁰.

Każdą z faz prądnicy trójfazowej można uważać za źródło prądu przemiennego i zasilać z nich poszczególne odbiorniki.

Rysunek 5 przedstawia schemat elektryczny prądnicy trójfazowej na którym widoczne są uzwojenia trzech faz. Uzwojenia fazowe mogą być skojarzone w gwiazdę, bądź w trójkąt.

W układach trójfazowych, wprowadza się pojęcie napięcia fazowego, U_f, oraz napięcia międzyprzewodowego - U_p.

Napięcie fazowe to różnica potencjałów między przewodem fazowym, a zerowym, (zwanym również neutralnym), czyli różnicę potencjałów między początkiem i końcem jednej fazy.

Napięcie międzyprzewodowe to różnica potencjałów między dwoma przewodami fazowymi. Odbiorniki jednofazowe jak grzejniki, żarówki można łączyć między przewód fazowy a przewód zerowy, lub między dwa przewody fazowe, odbiorniki trójfazowe natomiast, pracujące na napięciu międzyprzewodowym, łączy się z przewodami fazowymi.

Przy połączeniu w trójkąt, napięcie międzyprzewodowe jest równe napięciu fazowemu prądnicy, czyli:

U_fΔ = U_pΔ

Moc znamionową „S” prądnicy, określa się w kilowoltoamperach, ponieważ wartość mocy czynnej P zależy od wypadkowego współczynnika mocy włączonych do sieci odbiorników, według zależności:

P = S ∙ cosφ =
∙ U ∙ J ∙ cosφ ∙ 10^-3 kW

gdzie:

P - moc czynna prądnicy [kW],

S - moc pozorna [kV ∙ A],

cosφ - współczynnik mocy,

U - napięcie międzyprzewodowe prądnicy [V],

I - prąd przewodowy obciążenia [A].

Napięcie prądnicy synchronicznej reguluje się poprzez zmianę wartości strumienia magnetycznego biegunów, który zależy od wartości prądu wzbudzenia. Dla pracy na wspólną sieć, prądnice musza mieć zupełną zgodność napięcia w czasie, czyli musza pracować w synchroniźmie. Dlatego włączenie prądnicy do pracy równoległej do sieci zasilanej równocześnie z innych prądnic, wymaga przeprowadzenia „synchronizacji”. Polega ona na wyregulowaniu napięcia prądnicy do wysokości napięcia sieci, z równoczesnym zrównaniem faz tych napięć. Częstotliwości prądnicy i sieci, musza być sobie równe.

Proces wytwarzania energii elektrycznej w elektrowni cieplnej.

Charakterystyka ogólna elektrowni:

Elektrownie cieplne z generatorami termoelektrycznymi i termoemisyjnymi cechuje duża trwałość, prostota eksploatacji, duża niezawodność pracy (brak części ruchomych), a także duża gęstość mocy (do 80 W/cm²). Wadami tego typu elektrowni są wysokie koszty budowy, wysokie temperatury pracy (ponad 1500K), małe sprawności (10 - 25%).

Zaletą elektrociepłowni jest jednoczesne wytwarzanie energii elektrycznej oraz energii cieplnej, której nośnikiem jest para niskoprężna lub woda gorąca. W urządzeniach służących do wytwarzania energii zachodzą następujące przemiany energetyczne: przemiana energii chemicznej zawartej w paliwie w energię cieplną spalin, a następnie w energię cieplną pary wodnej. Przemiana ta odbywa się w wysokoprężnych kotłach parowych. Dalsze przemiany energii w energię mechaniczną i elektryczną oraz energię cieplną pary niskoprężnej następują w turbozespołach, które składają się z turbin parowych i prądnic synchronicznych (turbogeneratorów). Wodę gorącą otrzymuje się w zespole podgrzewaczy zasilanych parą niskoprężną albo w osobnych kotłach wodnych.

Podziału elektrociepłowni dokonuje się w zależności od rodzaju turbin parowych, które mogą być przeciwprężne, upustowo-przeciwprężne i upustowo-kondensacyjne. Elektrociepłownie można również dzielić na zawodowe, które zasilają sieci ciepłownicze w energię cieplną głównie do celów grzejnych oraz przemysłowe, które oddają energię cieplną głównie do celów technologicznych.

Dobór głównych urządzeń elektroenergetycznych i cieplnych elektrociepłowni, tj. kotłów parowych i wodnych oraz turbozespołów, jest zależny do planowego obciążenia cieplnego i jego zmienności w czasie. Całkowite obciążenie cieplne elektrociepłowni składa się z obciążenia technologicznego i grzejnego. Obciążenie cieplne może występować zarówno w postaci pary lub gorącej wody. Podstawową część obciążenia cieplnego jest pokrywana z wylotu przeciwprężnego lub upustu turbiny, zaś część szczytowa - z reduktora lub osobnych kotłów szczytowych (parowych lub wodnych). Regulacja mocy cieplnej ma na celu dostosowanie wydajności urządzeń elektrociepłowni do zapotrzebowania na ciepło. Możliwe są trzy rodzaje regulacji:

• jakościowa, w której strumień masy wody jest stały, zmieniają się natomiast temperatury wody,

• ilościowa, w której temperatury wody są stałe, zmienia się natomiast strumień masy wody,

• mieszana, jakościowo-ilościowa, w której strumień masy wody zmienia się skokowo przy przejściu z jednego przedziału zmienności temperatur do drugiego, a wewnątrz tych przedziałów odbywa się regulacja jakościowa.

Przykładowe dane turbin parowych stosowanych w elektrowniach cieplnych.

Typ	Moc		Parametry pary			Zużycie Pary
		Elektryczna	Cieplna	Dolotowej			Upustowej
		MW	MJ/s	Mpa	^0C	kPa	Kg/s
P2	0,4 - 2,0		1,6 - 6,4	320 - 435	120 - 900	1,4-9,4
TP	2,5 - 6		3,4	435	400-600	6,9-20
K8	2,5 - 8		2,4 - 4,5	380 - 450	---	2,8-8,1
TP20	19,5		8,8	510 - 535	900	48,6
13 UP 28,5	28,5		12,7	535	2500;140	59,7
TC 30	30		12,7	535	120-250	45,8-27,2
13 P 32,5	32,5		12,7	535	800	59,7
13 UC 50	55		12,7	535	100;70;30	63,9
13 UP 55	52,3		12,7	535	1700;100	117,0
13 P 55	55	115	12,7	535	80;50;30	63,9
13 UC 105	105	107	12,7	535	1200;50	120
13 P 110	105	105	12,7	535	195;110	120
13 UP 110	105 - 96	220	12,7	535	1180;48	120
13 UK 125	120	190	12,7	535	60;30	102,5
13 C 200	200 - 180	0 - 155	12,7	535	55,2	208,3
13 CK 200	200 - 157	149	12,7/2,6	535/535	55,2	180,6
18 CK 370	377 - 275	365 - 384	17,6	535/535	1000,360	309

Podstawowe dane turbogeneratorów małej i średniej mocy stosowanych w elektrowniach cieplnych.

Typ	Moc znamionowa czynna	Napięcie stojana	Prąd stojana	Sprawność	Napięcie wzbudzenia	Prąd wzbudzenia	Sposób chłodzenia
		MW	KV	kA	%	V	A	----
GT 4 n	0,5-2,0	0,4	0,9-3,6	95-96,3	23-18	157-400	powietrze
GT 4 w	0,8-5,0	6,3	0,9-0,58	95,5-96,6	30-66	285-494	powietrze
GT 2	5-32	6,3	0,57-3,7	96,6-97	101-204	377-500	powietrze
GT 2	5-40	10,5	0,34-2,7	97-97,8	96-203	293-641	powietrze
TGHW	63	10,5	4,33	98,3	196	1500	powietrze

Układy cieplne elektrowni cieplnych mają strukturę kolektorową, co oznacza że kotły oddają parę na wspólny kolektor, z którego zasila się turbiny, na ogół przeciwprężne. Podobną strukturę mają układy cieplne starszych elektrowni, wyposażonych w turbiny upustowo - kondensacyjne.

W nowych elektrowniach cieplnych dużej mocy, instaluje się wyłącznie układy blokowe.

Schemat układu cieplnego bloku BC - 50.

Dwa podgrzewacze wody sieciowej 4 zapewniają dostawę podstawowej mocy cieplnej, do 100 MJ/s, a dodatkową moc szczytową, 120 MJ/s może dostarczać kocioł wodny 6. Ponadto blok może być przystosowany do oddawania pary technologicznej z upustu 1 turbiny i z upustu 2. Istotną rolę odgrywa wymiennik 5, który w sezonie grzewczym może być wykorzystywany do dochładzania wody powrotnej, a poza sezonem, umożliwia produkcję szczytowej mocy elektrycznej.

Podobną strukturę mają układy cieplne bloków ciepłowniczych o mocy większej: BC 100, BC-200, BC-300. Szczytowa moc cieplna bloku może buć odpowiednio zwiększona przez zastosowanie kotłów wodnych.

Układy elektryczne elektrociepłowni zawodowych z blokami ciepłowniczymi mają strukturę analogiczną do układów w elektrociepłowniach kondensacyjnych.; dochodzą jedynie dodatkowe rozdzielnice do zasilania potrzeb własnych kotłów wodnych i pomp wody sieciowej. Układy elektryczne elektrociepłowni przemysłowych, mają struktury zróżnicowane w zależności od mocy i liczby turbozespołów, oraz potrzeb.

Główne zagrożenia pożarowe występujące w elektrowniach cieplnych.

1. Niebezpieczeństwo związane ze sposobem składowania i przechowywania materiałów pędnych. (hałdy węgla, koksu, itp.)

2. Niebezpieczeństwo związane ze składowaniem stałych produktów spalania.

3. Wysokie temperatury w miejscach spalania paliwa.

4. Wysokie ciśnienia pary panujące w kotłach i układzie.

5. Zagrożenia związane ze spalaniem paliwa i osadzaniem się sadzy (możliwość jej zapalenia).

6. Niebezpieczeństwa związane z odprowadzeniem ciepła od pieców.

7. Niebezpieczeństwa ze strony wytwarzanego i przetwarzanego prądu:

1. zwarcia,

2. przeciążenia generatorów i transformatorów,

3. iskrzenia, itp.

1

7

---