ma ina sincron - utcluj.rogeneratoare sincrone pentru grupuri electrogene motoare sincrone alte...
TRANSCRIPT
MAŞINA SINCRONĂ
Construcţia şi funcţionarea
Hidrogeneratoare
Turbogeneratoare
Generatoare sincrone pentru grupuri electrogene
Motoare sincrone
Alte tipuri constructive
Tipuri constructive
600 MVA
1500 MVA
pmax = 44 n = 50/44 r/sec
p = 1..2
10 MVA
100 MVA
Suspendat Umbrelă
Tipuri de hidrogeneratoare
1- carcasa2- lagăr de susţinere3- lagăr de ghidare4- rotor
5- stator6- planseu de separare7- cuplaj8- turbina
9- fundaţia10- lagărul turbinei
Hidrogenerator cu ax vertical tip umbrelă
1- sistem de ventilaţie, 2- statorul(indusul), 3- polii rotorului4- butuc, 5- axul,
Hidrogenerator tip bulb
rotorstator
ax
carcasa
lagăr
turbina
Reglare debit
Generatoare sincrone pentru grupuri electrogene
Generator sincron actionatcu motor Diesel sau cu gaz
Generator sincron actionatcu turbina cu gaz
Cu întrefier constant Cu întrefier variabil
Tipul circuitului magnetic
Cu poli aparenţiCu poli înecaţi
Tipuri constructive
Cu poli aparenţi
Pe rotor Pe stator
1-indus; 2- înfăşurare indusă; 3- poli; 4- înfăşurare inductoare (excitaţie)
Tipuri de rotoare de generator sincron
Cu poli aparenţi
1- pol ; 2 - înfăşurare
1- inele3- butuc6- ax7- înfăşurare excitaţie8- bare9- segmente de inel
Tipuri de rotoare de generator sincron
Cu poli înecaţi
1 – dinte mare ; 2 - înfăşurare
1- inele2- bandaj3- dinte mare4- crestături5- capete de bobină excitaţie6- ax
Înfăşurarea de amortizare
1 – talpa polului
2 - bara
3 – inel de scurtcircuitare
4 - polulÎnfăşurare în colivie deobicei nesimetrică
Cerinţe : • Variaţia în limite largi a curentului deexcitaţie
• Variaţia rapidă a curentului de excitaţie
• Reglajul automat al curentului de excitaţie
Posibilităţi de realizare :
* Maşini rotative - excitatoare
* Maşini rotative şi elemente statice
* Elemente statice
Sistemele de excitaţie
Scheme de excitaţie cu maşini rotative
G3∼
Ex1
Ex2
Rc
Sistemele de excitaţie
reglajtensiune
excitatatoare 1
Excitatoare 2
P = kn+1.Pr
Schema de excitaţie cu maşini rotative şi elemente statice
Schema de excitaţie cu elemente statice
Ex1R
G3∼
Rc
RA
G3∼
Tr
Sistemele de excitaţie
Câmpul magnetic în întrefierul maşinii cu poli pliniÎnfăşurarea de excitaţierepartizată în crestăturieste parcursă de curentcontinuu IE
Solenaţia produsă FEvariază în dreptulcrestăturilor.
x
FE
δ = constant
Prima armonică a inducţiei magnetice Bδ1
Bδδδδ1
Are valoare maximăpe axa înfăşurării deexcitaţie.
Câmpul de excitaţie
FE1
0
Axa pol
d
Spaţiul ocupat de crestăturiγτ
'0 δµδ
EFB =
Câmpul magnetic în întrefierul maşinii cu poli aparenţi
Câmpul de excitaţie Înfăşurarea de excitaţieconcentrată pe poli esteparcursă de curentcontinuu IE
Solenaţia produsă FEvariază în dreptul înfăşurării.
x
δ = variabil; δm şi δM
Prima armonică ainducţiei magnetice
Are valoare maximă pe axaînfăşurării de excitaţie.
Bδδδδ1
Bδδδδ
Inducţia magnetică
FEFE1
'0 δµδ
EFB =
0
d Prima armonică a solenaţiei FE1
Câmpul magnetic la maşinile cu poli aparenţi.
dqdqdqdq
x
Axa solenatiestator
θθθθF
Solenatia de reactie
FSBδδδδ
Câmpul magnetic determinat de solenaţia de reacţie nu variază sinusoidal
'0 δµδ
SFB =
Câmpul magnetic la maşinile cu poli aparenţi.
dqdqdqdq
x
Axa solenatiestator
FS
Bδδδδ
θθθθF
Solenaţia de reacţie la θF = π/2
Forma inducţiei magnetice variază cu unghiul θ
'0 δµδ
SFB =
Se poate definii solenaţia de reacţie : transversală
FdbSSSS
Sd kkIwmF θcos22
1⋅⋅⋅⋅=
FqbSSSS
Sq kkIwmF θsin22
1⋅⋅⋅⋅=
Solenatiile maşinii sincrone
dqdqdqdq
x
FS
FSq
θθθθF FSd
longitudinală
Solenaţia longitudinală rezultantă
FdbSSSS
bEEEE
d kkIwmkIwmF θcos22
12
⋅⋅⋅⋅+⋅⋅=
FSd
dqdqdqdq
x
FE
Fd
NS S
Reacţia indusului modifică câmpul magnetic al excitaţiei
Solenaţia de reacţie transversală
FqbSSSS
Sq kkIwmF θsin22
1⋅⋅⋅⋅=
FdbSSSS
bEEEE
bSmdSS kkIwmkIwmkIwm θcos
221
2221
⋅⋅⋅⋅+⋅⋅=⋅⋅
EbSS
bEE
S
EE I
kwkw
mmI
⋅⋅
⋅= 2'
curentul de magnetizare ImqbSmqS
SSqq kIwmFF ⋅⋅==
221
Raportare la stator
'Edmd III +=
FdSd kII θcos⋅⋅=
FqSqmq kIII θsin⋅⋅==
bSmdSS
d kIwmF ⋅⋅=22
1Se poate defini un curent de magnetizare Imd
Câmpul magnetic produs de solenaţia transversalădqdqdqdq
x
Fq
Bδδδδq
Bq1
Câmpul magnetic nu variază sinusoidal.Se consideră numai armonica fundamentală.
Câmpul magnetic produs de solenaţia longitudinală
Bd1
dqdqdqdq
x
Fd
NS S
Solenaţia rezultantă este sinusoidală
Câmpul magnetic în întrefier variază aproape sinusoidal
Bδδδδ
Câmpul magnetic la maşinile cu poli plini
FE BδFa
dqdqdqdq
x
Câmpul magnetic în întrefierul maşinii
Toate mărimile au o variaţie apropiată de variaţia sinusoidală
θF
Modelul de circuit al maşinii sincrone
idUd
iq
UqUEiE
Sα
UQ
iQ
UDiD
ω
q
R
iSd
USd
iSqUSq
Infăşurarea statorului se consideră bifazată, simetrică, parcursă de curenţii iSdrespectiv iSq care produc o solenaţie învârtitoare.
Aceeaşi solenaţie poate fi produsă de douăînfăşurări care se rotesc împreuna cu rotor. ŞiSunt parcurşi de curenţi id respectiv iq ,avândFrecvenţe diferite faţă de iSd respectiv iSq .
Înfăşurarea de excitatie este aşezată pe axarotorului este monofazată
Înfăşurarea de amortizare este o înfăşurareînchisă. Se poate înlocui cu două înfăşurăriechivalente raportate la stator, aşezate pe axeperpendiculare. Dacă colivia este simetricăînfăşurările D şi Q sunt identice
Raportarea la stator
bEEEE
E kIwmF ⋅⋅=2
bEE
bSSEE kw
kwUU⋅⋅='
2
21
⋅⋅
⋅=bEE
bSS
E
SZ kw
kwmmk
Înfăşurarea de excitaţie este monofazată solenaţia produsă este :
Constantă şi fixă faţă de rotor
Coeficienţii de raportare la stator:
În cazul unei înfăşurări de amortizare simetrice.
Se raportează înfăşurarea în colivie ( cu bare şi inele) la o înfăşurare formatănumai din bare apoi aceasta la stator.( la fel ca în cazul maşinii de inducţie).
DbSSS
bRcrRd
D Ikwm
kNI ⋅
⋅⋅
⋅⋅= 2
1'
( )2
24
bRcrR
bSSSZ kN
kwmk⋅
⋅⋅⋅=
EbSS
bEE
S
EE I
kwkw
mmI
⋅⋅
⋅= 2'
Fluxurile maşinii sincrone
mdEEE
mdDDD
mddSd
iLiLiL
ΨΨΨΨΨΨΨΨΨΨΨΨΨΨΨΨΨΨΨΨΨΨΨΨ
+⋅=+⋅=
+⋅=
σ
σ
σ
mddmd iM ⋅=ΨΨΨΨ
Astfel pe axa d solenaţia este produsă de:''DEdmd iiii ++=
Fluxul de magnetizare:
Fluxurile totale în înfăşurări
S
idUd
iq
UqUEiE
α
UQ
iQ
UDiD
ω
q
R
mqqmq iM ⋅=ΨΨΨΨ
pe axa q solenaţia este produsă de:'Qqmq iii +=
Fluxul de magnetizare:
Fluxurile totale în înfăşurărimqQQQ
mqqSq
iLiL
ΨΨΨΨΨΨΨΨ
ΨΨΨΨΨΨΨΨ
+⋅=
+⋅=
σ
σ
Ecuaţiile maşinii sincrone
0=+⋅= DDDD dtdiRu ΨΨΨΨ
dqqSq dtd
dtdiRu ΨΨΨΨΨΨΨΨ ⋅++⋅= α
qddSd dtd
dtdiRu ΨΨΨΨΨΨΨΨ ⋅−+⋅= α
idUd
iq
UqUEiE
S
α
UQ
IQ
UDiD
ω
q
R
EEEE dtdiRu ΨΨΨΨ+⋅=
0=+⋅= QQQQ dtdiRu ΨΨΨΨ
Ecuaţiile de tensiuni,considerând toateînfăşurările receptoare
0αωα +⋅= t
t.e.m. statică
t.e.m.derotaţie
XDσ
IDsRD
→SqΨ⋅ω
Schema echivalentă longitudinală
Scheme echivalente în regim sinusoidal
mdmdDDDD IXsjIXsjIR ⋅⋅⋅+⋅⋅⋅+⋅= σ0
DESdmd
mdmdEEEEE
IIIIIXjIXjIRU
++=⋅⋅+⋅⋅+⋅= σ
IE
UE
REXEσ
SqmdmddSdSd IXjIXjIRU ΨΨΨΨ⋅−⋅⋅+⋅⋅+⋅= ωσ
Id
Imd
XSσRS
XmddU
Scheme echivalente în regim sinusoidal
XQσ
IQ
sRQ
SdmqmqqSqSq IXjIXjIRU ΨΨΨΨ⋅+⋅⋅+⋅⋅+⋅= ωσ
Schema echivalentă transversală
SdΨ⋅ω
←
Qqmq
mqmqQQQQ
IIIIXsjIXsjIR
+=
⋅⋅⋅+⋅⋅⋅+⋅= σ0
RS
Iq
XSσ
XmqqU
Regimul staţionar sinusoidal
0=dtdΨΨΨΨ
( )( )
Edmd
EddEEE
EdddSd
iiiiiMiLiiMiL
+=+⋅+⋅=+⋅+⋅=
σ
σ
ΨΨΨΨΨΨΨΨ
qmq
qqqSq
iiiMiL
=
⋅+⋅= σΨΨΨΨ
idUd
iq
Uq
UEiE
S
αω
q
RdqqSq dt
ddtdiRu ΨΨΨΨΨΨΨΨ ⋅++⋅= α
qddSd dtd
dtdiRu ΨΨΨΨΨΨΨΨ ⋅−+⋅= α
EEEE dtdiRu ΨΨΨΨ+⋅=
dqSq iRu ΨΨΨΨ⋅+⋅= ω
qdSd iRu ΨΨΨΨ⋅−⋅= ω
EEE iRu ⋅=
0=+⋅= DDDD dtdiRu ΨΨΨΨ
0αωα +⋅= t
0=Di
0=+⋅= QQQQ dtdiRu ΨΨΨΨ 0=Qi
Ecuaţiile de tensiuni
Ecuaţiile de fluxuriUDiD
UQ
iQ
T.e.m. induse - două componente perpendiculare
Se notează : ''0 EmdEd IXjIMjE ⋅⋅−=⋅⋅⋅−= ω
dmdddd IXjIMjE ⋅⋅−=⋅⋅⋅−= ω
qmqqqq IXjIMjE ⋅⋅−=⋅⋅⋅−= ω
Ţinând seama de fluxul de scăpări şi de căderea de tensiune ecuaţia detensiune se scrie în regim de motor:
0EEEIXjIRU dqSSSSS −−−⋅⋅+⋅= σ
qdS jIII +=
In regim de generator ecuaţia se scrie :
0EEEIXjIRU dqSSSSS +++⋅⋅−⋅−= σ
qdS jUUU +=
Ecuaţii în regim staţionar sinusoidal
σσ ω SS LX ⋅=
Schemele echivalente în regim staţionar sinusoidal
→SqΨ⋅ω
XDσ
IDsRD
XEσ
IE
UE
RE
Id
Imd
XSσRS
XmddU
XQσ
IQ
sRQ
SdΨ⋅ω
←
RS
Iq
XSσ
XmqqU
EEE iRu ⋅=
0=Di
0=Qi
ISIq
-E0
Id
IE
RSIS
jXmdId
US
jXmqIq
jXSσIS
θ
ϕS
θ unghi intern
Diagrama vectorială în regim de motor
0EIXjIXjIXjIRU qmqdmdSSSSS −⋅⋅+⋅⋅+⋅⋅+⋅= σ
''0 EmdEd IXjIMjE ⋅⋅−=⋅⋅⋅−= ω
d
q
ISIq
Id
IE
US jXmqIq
θ
ϕ Sd
q
-E0
jXmdId
cosϕ inductivcosϕ capacitiv
supraexcitatsubexcitat
RSISjXSσIS
E0
Diagrama vectorială în regim de generator
ISIq
IE
-jXmqIq
-RSIS
-jXmdId
-jXSσISθ
ϕS
US
Id
0EIXjIXjIXjIRU qmqdmdSSSSS +⋅⋅−⋅⋅−⋅⋅−⋅−= σ
Iq
IE
-jXmqIq
-jXmdId
θ
ϕS
US
Id d qd q
cosϕ inductiv
IS
-jXSσIS
-RSIS
E0
cosϕ capacitiv
supraexcitat
subexcitat
ℑm
ISIq
US
θ
ϕS
ℜeSchimbarea axelor de referinţă.
( ) θjdd
dqS eIjII −⋅⋅−=
Regim de motorθjd
dd eIjI −⋅⋅−=θjd
qq eII −⋅=
θjdEE eIjI −⋅⋅−=
Diagrama simplificată.
γ⋅−ℜ ⋅= jde eAA θπγ +=2
je −=−
2π
ZqIq
Id
-E0
ZdId
IEd
q
σ
σ
Smqq
Smdd
XXXXXX
+=+=
qSq
dSd
jXRZjXRZ
+=+=
( ) θjdqS eIjII −⋅⋅−=
θsinq
q XUI =
d
Sd X
EUI 0cos −⋅= θ
θθ ⋅−−
−−
+−= 20 11
211
2j
qd
S
qd
Sj
dS e
XXUj
XXUje
XEjI
I1I2 I3
US
-E0
ISℑm
Id
θ
Iq
jXdId
jXqIq
Locul geometric al curentuluiSe neglijează rezistenţa înfăşurării statorului faţă de reactanţe
θθθ sincos ⋅−=− je j
+j
US
I2 I1
I3
Maşini cu poli înecaţi
qd XX =IS
+j
US
I1
-θI2e-jθ
I1
I3
IS
Maşini cu poli aparenţi
+j
US
I1
I3
I3e-j2θ
IS
2θ
Maşina fără excitaţie
Locul geometric al curentului
-θ +j
US
I3e-j2θ
I2
I3 = 0
qd XX ≠
-2θ
I2 = 0
Locul geometric al curentului la maşini cu poli aparenţi
-0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8U
ℑℑℑℑmmmm
motor
generator
Consuma energie reactivaDebiteazaenergie reactiva
iE0
djdd eZZ α⋅=
Dacă se notează impedanţele sincroneqj
qq eZZ α⋅=
0EIZIZU qqddS −⋅+⋅=Ecuaţia de tensiune în regim de motor se poate scrie
Puterea aparentă a statorului
SSSSS jQPIUmS −=⋅⋅= **
( )θθ sincos ⋅−⋅⋅⋅= dqSSS IIUmP
De unde puterea activă
US αq
αd
-E0
ISℑm
Id
θ
Iq
ZdId
ZqIq
Puterea şi cuplul maşinii sincrone
θθαπθα jj
qj
qj
dj
dS eEeIeZeIeZU qd −−+−⋅−⋅⋅⋅+⋅⋅⋅= 0
)2
(
Ecuaţia statorică în sistemul legat de tensiune
Expresiile curenţilor
( )( )α
αθα∆⋅
⋅−−⋅=
cossinsin 0
d
qqSd Z
EUI
( )( )α
αθα∆⋅
⋅−−⋅=cos
coscos 0
q
ddSq Z
EUI
Unde s-a notat
qd ααα −=∆
Puterea electrică
US αq
αd
-E0
ISℑm
Id
θ
Iq
ZdId
ZqIq
Puterea electrică
( )( ) ( )
( )
⋅−
⋅∆⋅
⋅−
⋅−−
⋅−∆
⋅=
d
q
q
dSS
d
q
q
dSSS
ZZEUm
ZZUmP
θαθαα
θθαθθαα
sinsincoscoscos
sinsincoscoscos
0
2
Expresia puterii electrice
Dacă se neglijează rezistenţele Zd = Xd ; Zq = Xq ; cos α =0 ; αd = αq = π-2
rezultă :
θθ 2sin2
sin2
0S
dqS
dS
UXm
XmEU
XmP
−+⋅=
Puterea electromagnetică
ememSSSem jQPIEmS −=⋅⋅= **
( ) )(0*
dqqqddSem jIIIjXIXEmS +⋅⋅+⋅+⋅=
( )[ ]qdqdqem IIXXIEmP ⋅⋅−+⋅= 0
Diagrama simplificată, fără pierderi
US
-E0
ISℑm
Id
θ
Iq
jXdId
jXqIq
Puterea aparentă electromagnetică
În sistemul legat de E0
Puterea activă electromagnetică
Puterea reactivă electromagnetică
[ ]220 qqdddem IXIXIEmQ ⋅+⋅+⋅=
Puterea electromagnetică
( ) ( )[ ]
( ) ( ) ( )( ) ( )[ ] mEU
EUZZ
XX
EUZ
EmP
qddqS
dqdqSqd
qd
ddSq
em
⋅−+−⋅−
−⋅+−⋅−⋅
−+
+−−⋅=
αθααθα
ααθαθαα
αθαα
sincoscossin
cossincossincos
coscoscos
0
20
22
00
∆∆∆∆
∆∆∆∆
[ ]θθθθ sincossinsin 02
0 ⋅⋅−⋅
−+⋅= EUUXm
XmEU
XmP SS
dqS
qem
Dacă se neglijează rezistenţele Zd = Xd ; Zq = Xq ; cos α =0 ; αd = αq = π-2
rezultă :
θθ 2sin2
sin2
0S
dqS
dem
UXm
XmEU
XmP
−+⋅=
θsin0
d
SSemS X
EUmPP ⋅⋅≅=
Dacă se neglijează rezistenţele în raport cu reactanţele sincrone
αd = αq = π/2 expresia puterii electrice şi electromagnetice devine :
La maşinile cu întrefier constant αjSdq eZZZ ⋅==
puterea electrică:
( ) αθα coscos2
0 ⋅⋅++⋅⋅
⋅−=S
SS
S
SSS Z
UmZEUmP
Puterea electrică şi electromagnetică
( ) αθα coscos200 ⋅⋅−−⋅
⋅⋅=
SS
S
SSem Z
EmZEUmP
Puterea electromagnetică
Cuplul maşinii sincrone
( )
−+⋅
⋅⋅= θθ 2sin11
2sin
20
dq
S
d
SS XX
UXEUmP
La maşinile cu întrefier variabil,
αd = αq = π/2
P1 P20 20 40 60 80 100 120 140 160 180-1
0
1
2
3
4
5
6
θ
P
P
Pa
Pemdacă se neglijează rezistenţele
Puterile electrice şi electromagneticesunt diferite
Cuplul maşinii sincrone
( )
−+⋅
⋅⋅
⋅= θθω
2sin112
sin2
0
dq
S
d
SSXX
UXEUmpC
Cuplul elctromagneticem
SS
em PpPC ⋅==ωΩΩΩΩ
Puterea electromagnetică şi cuplul variază la fel.
C2C1electromagnetic reluctant
Expresia cuplului electromagnetic în cazul neglijării rezistenţelor statorice
Cuplul maşinii sincrone
( )θω
2sin112
2
2
−⋅
⋅=dq
SS
XXUmpC
⋅
⋅⋅
⋅= θω
sin01
d
SS
XEUmpC
d
SS
XEUmpC 0
max1⋅
⋅⋅=ω
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180-2
-1
0
1
2
3
4
5
6C
θθθθ
C1
C2
C
θθθθk
Valoarea maximă la θ = 900
−⋅
⋅=dq
SS
XXUmpC 112
2
max2 ω
Valoarea maximă la θ = 450
Cuplul electromagnetic
Cuplul de reluctanţă
Caracteristica cuplului maşinii sincrone
0==θddCCsi
0cos0 =⋅⋅
⋅⋅= θω d
S
s
Ssi X
EUmpC
ππθ ⋅+= nk 2
C1
C2
generatormotor
θk
-150 -90 -45 0 45 90 150
-1
-0.5
0
0.5
1
θ
C
Cuplul maxim la θk
Maşini cu întrefier constant
Maşini cu întrefier variabil
−
−
−+
=14
1181
cos
0
2
0
q
dS
q
dS
k
XX
EU
XX
EU
θ
Cuplul sincronizant
θω
cos0 ⋅⋅
⋅⋅=
d
S
s
Ssi X
EUmpC
( )
−+⋅
⋅⋅
⋅= θθω
2cos11cos 20
dqS
d
S
s
Ssi XX
UXEUmpC
θddCCsi =Cuplul sincronizant
Maşini cu întrefier constant
CsimaxMaşini cu întrefier variabil
−+⋅
⋅⋅=
dqS
d
S
s
Ssi XX
UXEUmpC 1120
max ω
Pentru θ = 0
Pentru θ = 0
Cuplul sincronizant maxim
Cuplul sincronizant
Csi
-150 -90 -45 0 45 90 150
-1
-0.5
0
0.5
1
θ
Condiţia destabilitate
0>= siCddCθ
stabil
-θk < θ < θk
C
-θk θk