PDF datoteka - LES

GENERATORJI IN TRANSFORMATORJI
LABORATORIJSKA VAJA 1
Ime in priimek
Datum in ura:
Ocena poročila:
1 BESEDILO NALOGE
Trifazni sinhronski generator avtomatsko sinhronizirajte na omrežje.
V generatorskem in motorskem režimu delovanja sinhronskega stroja izvedite meritve električnih količin
pri različnih obratovalnih stanjih. V obeh načinih delovanja, s stroboskopom opazujte kolesni kot.
Izdelajte švedski diagram in vanj vrišite obratovalna stanja generatorja, za motorska obratovanja pa
narišite kazalčne diagrame.
2 VEZALNI NAČRT
L1
L2
L3
V
f
SINHRONIZACIJSKO
STIKALO
SINHRONOSKOP
V
f
DIGITALNI MERILNIK
ELEKTRIČNIH KOLIČIN
W
A
V
V
W
A
A
V
U
V
W
U
V
W
A1
A1
F1
F2
EM
=
SG
3~
F1
F2
F1
F2
EG
=
AM
3~
A2
A2
A
A
RPM
A
A
RPM
V
+
-
+
-
+
-
~
~
~
~
~
~
L1 L2
L3
L1 L2 L3 L1 L2 L3
Slika 1: Vezalni načrt za meritve obratovalnih stanj sinhronskega stroja.
GIT 2013/14
1 - 1

GENERATORJI IN TRANSFORMATORJI
3 OPIS MERILNIH METOD
3.1 Avtomatska sinhronizacija
Pred priklopom sinhronskega stroja na omrežje, je potrebno izvesti postopek sinhronizacije, ki zagotovi
izpolnitev pogojev za uspešno sinhronizacijo:
1. efektivni napetosti sinhronskega stroja in omrežja morata biti enaki,
2. frekvenci obeh sistemov morata biti enaki,
3. zaporedji faz obeh sistemov morata biti enaki,
4. napetosti istih faz obeh sistemov morajo biti v fazi.
Postopek sinhronizacije se lahko izvede ročno ali avtomatsko. Ključni sestavni del sistema za avtomatsko
sinhronizacijo je sinhronizator. To je naprava, ki na podlagi merjenja časovnega poteka napetosti obeh
električnih sistemov (omrežje/generator), izdaja ukaze za spreminjanje hitrosti in napetosti generatorja ter
izda ukaz za vklop sinhronizacijskega stikala. Avtomatski sinhronizatorji so komercialno dobavljivi. To so
naprave z ustreznimi merilnimi ter vhodnimi in izhodnimi kanali, same periferne enote (merilni pretvorniki,
napetostni in hitrostni regulator, vhodna in izhodna stikala idr.) pa je potrebno ustrezno izbrati oz. izdelati
glede na lastnosti in nazivne vrednosti sistema, ki se ga želi sinhronizirati.
V našem primeru je kot sinhronizator uporabljena naprava ABB Synchrotact 5 – SYN 5202 (donacija ABB
Slovenija). Na sliki 2 je shema celotnega Ward Leonardovega (WL) pogona in sistema za avtomatsko
sinhronizacijo. Trifazna napetostna merilna transformatorja sta izvedena z dvema enofaznima
transformatorjema v vezavi V. Sinhronizator ima za avtomatsko vodenje sinhronizacije pet relejskih
izhodov: U+ in U- (višanje in nižanje napetosti), f+ in f- (večanje in manjšanje frekvence) ter izhod
ORDER, preko katerega se vključi sinhronizacijko stikalo (kontaktor).
L1
L2
L3
N
NAPETOSTNI MERILNI
TRANSFORMATOR
SINHRONIZACIJSKI
KONTAKTOR
U GEN U OMR ORDER
ABB SYN 5202 L1
U+ U- f+ f-
I+
I-
AVTOMATSKI
SINHRONIZATOR
3-FAZNI
KRMILJENI
USMERNIK
U SG
U EG
U EM
+ - + - + -
MIKROKRMILNIŠKI
PRETVORNIK
SIGNALOV
L1 L2 L3 L1 L2 L3 L1 L2 L3
Slika 2: Ward Leonardov pogon s sistemom za avtomatsko sinhronizacijo sinhronskega stroja na omrežje.
1 - 2
GIT 2013/14

GENERATORJI IN TRANSFORMATORJI
Izhodi sinhronizatorja so v praksi načeloma vezani na regulatorja hitrosti (turbinski regulator) in napetosti
(regulator vzbujanja), ki sta običajno sestavna dela postroja v elektrarni. Zaradi posebnosti našega pogona
(WL sistem), pa izhodi sinhronizatorja krmilijo usmernika za napajanje vzbujalnih navitij enosmernega
generatorja (nastavljanje hitrosti) in sinhronskega stroja (nastavljanje napetosti).
3.2 Obratovalna stanja sinhronskega generatorja
Po sinhronizaciji na omrežje, na generatorju nastavimo pet obratovalnih stanj. V vseh primerih bo
generator nazivno obremenjen (I = I n ), različen bo le faktor moči (cosϕ) in sicer: 0.6 (L), 0.8 (L), 1.0, 0.8 (C)
in 0.6 (C). Ko sinhronski stroj deluje kot generator, je pretok moči v uporabljenem postroju tak, kot je
prikazano na sliki 3.
OMREŽJE
P el3
P el2
P el1
P meh2
P meh1
SG EM EG AM
Slika 3: Pretok moči v postroju, ko sinhronski stroj obratuje kot generator.
Pri vsakem obratovalnem stanju izmerimo vse električne količine na statorskem navitju (U, I, P) ter
vzbujalni tok (I v ). Velikost delovne moči generatorja nastavljamo z velikostjo mehanske moči na gredi (v
našem primeru gre za spreminjanje napetosti na pogonskem enosmernem motorju), na velikost jalove
moči pa vplivamo z vzbujalnim tokom sinhronskega generatorja (slika 4).
I X s
E 0
I v
δ
U
ϕ
I
Slika 4: Poenostavljen kazalčni diagram obremenjenega sinhronskega cilindričnim rotorjem.
Na osnovi karakteristik in delovnih točk, ki so podani v prilogi ter z izmerjenimi podatki za posamezno
obratovalno stanje, narišemo švedski diagram (glej literaturo) in grafično določimo potreben vzbujalni tok
(slika 5). Dobljeno vrednost toka primerjamo z izmerjeno. Ker je v vseh obratovalnih stanjih bremenski tok
enak nazivnemu, narišemo vsa stanja v en švedski diagram.
GIT 2013/14
1 - 3

GENERATORJI IN TRANSFORMATORJI
E, I k
KPT
obrem. karak. za I=I n
,cosϕ L =0
U n
B
E
(1-1.1) I vk
I v
KKS
ϕ
0
I v0
A
D
I n
I vk
I vL
I v
(pri cosϕ)
C
(I = I n , cosϕ L = 0)
I v
Slika 5: Primer določanja vzbujalnega toka sinhronskega generatorja s švedskim diagramom.
3.2.1 Opazovanje kolesnega kota
Kot med napetostjo E 0 in U imenujemo kolesni kot (δ - slika 4). Kolesni kot predstavlja kot med fizičnim
položajem rotorja in rezultirajočim magnetnim poljem v stroju. Pomemben je zato, ker nam podaja
informacijo o stabilnosti obratovanja. Pri sinhronskih strojih s cilindričnim rotorjem je navor in s tem
mehanska oz. delovna moč največja takrat, ko je kolesni kot 90°, saj velja:
M = M max ⋅sinδ
(1)
Moč pri kolesnem kotu 90° imenujemo omahna delovna moč (P om ). Stroj s cilindričnim rotorjem obratuje
stabilno, če je kolesni kot manjši od 90°, če pa preseže 90°, pade iz sinhronizma. Zaradi zagotavljanja
varnega in stabilnega obratovanja, generatorji nazivno obratujejo pri kolesnem kotu, ki je manjši od
maksimalnega.
Kolesni kot (δ) lahko opazujemo in merimo s stroboskopom, ki je sinhroniziran na statorsko frekvenco in
osvetljuje vrtečo gred sinhronskega stroja. Zaradi sinhronizma slika rotorja miruje, pri obremenitvah stroja
pa se značka premakne za vrednost kolesnega kota.
3.3 Obratovalna stanja sinhronskega motorja
Sinhronski stroj (SS) bomo uporabili kot motor. Da dosežemo to stanje, je potrebno spremeniti smer
pretoka električne energije, ki jo v primeru generatorskega obratovanja, v obliki mehanske energije,
dovajamo SS z enosmernim motorjem. Smer pretoka električne v enosmernem tokokrogu (EM-EG) določa
višina inducirane napetosti. V primeru, ko sinhronizirani SS obratuje kot generator je inducirana napetost
EG višja od tiste v EM zato moramo doseči obratno stanje, če želimo, da SS pravzame motorsko funkcijo.
To dosežemo z znižanjem vzbujanja EG ali povečanjem vzbujanja EM.
Ko SS obratuje kot motor mora asinhronski stroj, ki je prej deloval kot motor, obratovati kot generator in
vračati energijo v omrežje. To se nazorno vidi tudi na tahometru, ki meri hitrost asinhronskega stroja, saj je
vrtilna hitrost rotorja v tem primeru višja od sinhronske. Primarne funkcije strojev, za katere veljajo tudi
nazivni podatki, podani na napisnih tablicah, so v tem primeru ravno nasprotne in pretok moči je v postroju
usmerjen v drugo smer (slika 6).
1 - 4
GIT 2013/14

GENERATORJI IN TRANSFORMATORJI
OMREŽJE
P el1
P el2
P el3
P meh1
P meh2
SG
(SM)
EM
(EG)
EG
(EM)
AM
(AG)
Slika 6: Pretok moči v postroju, ko sinhronski stroj obratuje kot motor.
Sinhronskemu motorju bomo izmerili tri obratovalna stanja pri katerih bo vrednost statorskega toka
znašala 2/3 nazivnega, faktor moči pa bo: 0.8 (L), 1.0 in 0.8 (C). Uporabimo enake oznake kot pri
generatorju in izmerimo električne količine na statorskem navitju sinhronskega motorja (U, I, P) ter
vzbujalni tok (I v ). Na osnovi izmerjenih električnih količin in karakteristike prostega teka narišemo
poenostavljen kazalčni diagram za vsa tri obratovalna stanja sinhronskega motorja (slika 7).
I X s
E 0
U
δ
I v
ϕ
I
C
L
Slika 7: Kazalčni diagram sinhronskega motorja.
Izračunamo fazni kot ϕ in narišemo kazalca U in I, pri čemer uporabimo ustrezno merilo, tako da bodo
dolžine kazalcev sorazmerne relativnim vrednostim količin (normirane na nazivne vrednosti). Sedaj
poznamo tudi smer kazalca padca napetosti na sinhronski reaktanci, ker pa vrednosti sinhronske reaktance
ne poznamo, bomo vrh dobili tako, da s šestilom narišemo krožnico z dolžino inducirane napetosti E 0 .
Karakteristika prostega teka (KPT) sicer podaja odvisnost inducirane napetosti sinhronskega stroja od
vzbujalnega toka, vendar njeno področje ponavadi ne pokrije vrednosti vzbujalnih tokov, ki nastopajo, ko je
sinhronski stroj obremenjen. Če bi karakteristiko prostega teka merili do nazivnega vzbujalnega toka, bi
prišli globoko v nasičenje, kakršne pa niso dejanske magnetne razmere pri obremenjenem stroju, saj je
zaradi reakcije indukta, magnetenje v stroju dosti manjše. Za določanje velikosti fiktivne inducirane
napetosti E 0 tako uporabimo linearno karakteristiko prostega teka, ki jo na KPT določa nazivna napetost
(slika 8):
U k I (2)
n = v0
Z izmerjenim vzbujalnim tokom I v in linearno KPT določimo velikost kazalca E 0 :
E0 = k I v
(3)
GIT 2013/14
1 - 5

GENERATORJI IN TRANSFORMATORJI
E
KPT
U n
Linearna KPT
0
I v0 I v
Slika 8: Izmerjena in linearna karakteristika prostega teka.
4 VPRAŠANJA ZA RAZMISLEK
a) Zakaj imajo sinhronski generatorji podan nazivni cosϕ? Ali generator lahko obratuje z drugačnim
faktorjem moči?
b) Ali lahko sinhronski stroj deluje istočasno kot motor in kompenzator jalove energije?
c) Kako v uporabljenem postroju ugotovimo, da sinhronski stroj deluje kot motor?
5 LITERATURA
[1] F. Avčin, P. Jereb, Preizkušanje električnih strojev, Tehniška založba Slovenije, 1983.
[2] Damijan Miljavec, Peter Jereb, Električni stroji - temeljna znanja, FE, Ljubljana, 2008.
[3] I. Zagradišnik, B. Slemnik, Električni rotacijski stroji, FERI, Maribor, 2001.
6 NEVARNOSTI PRI DELU
POZOR, NEVARNOST ELEKTRIČNEGA UDARA!
NAPAJALNA IZMENIČNA IN ENOSMERNA NAPETOST DO 400 V.
MERILNO VEZJE, INSTRUMENTE IN NAPRAVE VEDNO VEŽITE, PRIKLAPLJAJTE ALI
ODKLAPLJAJTE V BREZNAPETOSTNEM STANJU!
MED MERITVIJO SE NE DOTIKAJTE MERILNIH VEZI, PRIKLJUČNIH SPONK IN
MERJENCA!
POZOR, NEVARNOST OBLOKA IN VISOKE INDUCIRANE NAPETOSTI!
OB PREKINITVI ENOSMERNIH TOKOKROGOV OBSTAJA MOŽNOST NASTANKA
ELEKTRIČNEGA OBLOKA IN INDUCIRANJA VISOKIH NAPETOSTI.
1 - 6
GIT 2013/14

PRILOGA - Merilni rezultati preizkusov sinhronskega stroja
GENERATORJI IN TRANSFORMATORJI
1. Karakteristika prostega teka
I v / A E / V
0 6.1
0.14 17.3
0.36 35.9
0.63 61.3
0.91 88.7
1.33 130.5
1.63 160.0
1.97 192.1
2.33 226.0
2.75 268.5
3.20 298.3
3.67 329.1
4.27 367.2
4.61 381.1
5.06 399.6
5.62 417.1
6.22 435.6
6.88 450.3
7.87 468.9
8.27 478.7
E / V
500
450
400
350
300
250
200
150
100
50
0
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
I v
/ A
2. Karakteristika kratkega stika
I v / A I k / A
0 0.6
0.92 10.0
1.92 20.1
2.93 30.5
3.85 39.9
4.85 50.2
5.80 60.0
I k
/ A
60
50
40
30
20
10
0
0 1 2 3 4 5 6
I v
/ A
3. Nazivna obremenitev s čistim induktivnim bremenom
U = 390 V
I = 58 A
cosϕ = 0
I v = 11,3 A
GIT 2013/14
1 - 7