SYNCHRONNÍ STROJE B1M15PPE

Transkript

1 SYNCHRONNÍ STROJE B1M15PPE

2 OBSAH 1) Trojfázový synchronní generátor 1) Samostatný generátor 2) Fázování a generátor na síti 2) Cho jako motor 3) Fázorové iagramy 4) Momentová charakteristika 1) Stroj s hlakým rotorem 2) Stroj s vyniklými póly 5) Buzení 6) Rozběh, reverzace, brzění, řízení rychlosti 7) Reluktanční motor 8) Krokový motor 9) Druhy zatížení, krytí Doc. Ing. Pavel Pivoňka, CSc. 2

3 POUŽITÍ A VLASTNOSTI 3FÁZOVÉ GENERÁTORY PRO VELKOVÝROBU ELEKTŘINY MOTORY VELKÉHO VÝKONU S KONSTANTNÍ RYCHLOSTÍ SYNCHRONNÍ KOMPENZÁTORY (řízení účiníku) DC BUZENÍ NA ROTORU AC VINUTÍ NA STATORU Doc. Ing. Pavel Pivoňka, CSc. 3

4 GENEROVÁNÍ TROJFÁZOVÉHO NAPĚTÍ a b c a stator c b 3 fázové vinutí a a I f + - c b c b r rotor (buicí vinutí) u u a u b u c t Inukované napětí v jené fázi Doc. Ing. Pavel Pivoňka, CSc. 4

5 VLIV POČTU PÓLŮ a b c 3 fázové vinutí I f + - stator b a c c a r b c a b b c a r rotor (buicí vinutí) u u a t Kmitočet inukovaného napětí f ωe = 2π pωm 2π πpn 30 2π e = = = np 60 n = 60 f p e Doc. Ing. Pavel Pivoňka, CSc. 5

6 STATOROVÉ A ROTOROVÉ VINUTÍ Stator: Trojfázové vinutí po 120 Sinusové rozložení v rážkách Připojení na trojfázovou síť Rotor: Buicí vinutí napájené DC (různé buicí systémy) Amortizér / tlumicí vinutí (tyče nakrátko) 3fázové statorové vinutí Buicí vinutí Tyče vinutí amortizéru Rotorové vinutí na pólech: vyniklé (a) pomaluběžné stroje (hyro ) hlaké (b) vysokorychlostní stroje (turbo ) Doc. Ing. Pavel Pivoňka, CSc. 6

7 ZÁKLADNÍ ČÁSTI SYNCHRONNÍHO STROJE válcový stator a 3fázové statorové vinutí rotorové cívky nasazené na vyniklých pólech amortizační vinutí hříel buič Rotorové cívky uložené v rážkách (hlaký rotor) ventilátor Obrázky z: ( ) Doc. Ing. Pavel Pivoňka, CSc. 7

8 NÁHRADNÍ SCHÉMA -I X a X σ R U E j X a I j X I R I = σ E U i U a σ i X a kotva rozptyl X σ Doc. Ing. Pavel Pivoňka, CSc. 8

9 ZJEDNODUŠENÉ NÁHRADNÍ SCHÉMA Xs synchronní X U = E j X s I R 0 (zanebatelný) E = 4, 44 N p K w Φ m f e s -I X s E U P out = 3 U U I cosϕ = 3 E X sinδ s Doc. Ing. Pavel Pivoňka, CSc. 9

10 FÁZOROVÉ DIAGRAMY GENERÁTOR S HLADKÝM ROTOREM NA SÍTI NEKONEČNÉHO VÝKONU P U P U P U s s s P I RC zátěž R zátěž RL zátěž Doc. Ing. Pavel Pivoňka, CSc. 10

11 MOMENTOVÁ CHARAKTERISTIKA = 3 = 3 = = = = δ = zátěžný úhel Doc. Ing. Pavel Pivoňka, CSc. 11

12 FÁZOVÁNÍ PROCES, JAKÝM SE PŘIPOJUJE NOVÝ GENERÁTOR K EXISTUJÍCÍ SÍTI. PODMÍNKY Stejná velikost napětí (RMS) U sítě = U generátoru Stejný sle fází (a,b,c) sítě = (a,b,c) generátoru Stejný fázový úhel shoných fázových napětí Ua sítě - Ua generátoru 0 Stejné kmitočty f sítě = f generátoru (kmitočet generátoru může být mírně vyšší) Doc. Ing. Pavel Pivoňka, CSc. 12

13 TOČIVÉ MAGNETICKÉ POLE ZÁKLADNÍ VLASTNOST TROJFÁZOVÝCH TOČIVÝCH STROJŮ U synchronních stejně jako u asynchronních: VYTVOŘENÉ 3FÁZOVÝM PROUDEM PŘIVEDENÝM NA 3FÁZOVÉ VINUTÍ CÍVKY TROJFÁZOVÉHO VINUTÍ ROZLOŽENY PO 120 PO OBVODU STATORU Doc. Ing. Pavel Pivoňka, CSc. 13

14 SYNCHRONNÍ A ASYNCHRONNÍ RYCHLOST ω p 2 π p e 1 ω m = = = f ω S ω S n = π 60 2 S 60 f = p n S 1 s n n n S = = SKLUZ S n = n s - synchronní stroje s = 0 n # n s - asynchronní stroje s # 0 Doc. Ing. Pavel Pivoňka, CSc. 14

15 SYNCHRONNÍ MOTOR Při napájení 3fázového statorového vinutí 3fázovým stříavým prouem: úhlová rychlost fázoru napětí statoru =2 úhlová rychlost točivého magnetického pole = = SYNCHRONNÍ RYCHLOST ROTOR vložený o točivého pole má svůj magnet začne kopírovat rychlost točivého pole: πf 2πn ω s = = p s 60 f = p n s 1 Při f 1 = 50 Hz n S = 3000, 1500, /min Úhel δ se mění se zatížením (zátěžný úhel) Doc. Ing. Pavel Pivoňka, CSc. 15

16 TRANSFORMACE SOUŘADNIC Pro simulace a výpočty se rovnice stroje transformují o pravoúhlého systému souřanic svázaného se: statorem (α, β, ω souřanic = 0) rotorem (k, l, ω souřanic = ω) točivým magnetickým polem (,, ω souřanic = ω S ) vhoné pro stuium říicích procesů Používané inexy: a, b, c fáze statoru, transformované a, b, c f buicí vinutí A amortizační vinutí D, Q transformované A Doc. Ing. Pavel Pivoňka, CSc. 16

17 MATEMATICKÝ MODEL PO TRANSFORMACI Pro symetrické harmonické napájení, sinusově rozložené vinutí, ientické R i L ve všech fázích, lineární magnetizační křivku, a zanebatelné honotě ΔP Fe platí: = = Statorové vinutí u u Amortizační vinutí = pro ustálený stav a pro přechoné stavy = R i + Ψ / t ω Ψ 1 = R i + Ψ / t + ω Ψ 1 0 = RD id + ΨD / t 0 = RQ iq + ΨQ / t Buicí vinutí u f = R f i f + Ψf / t e e Ψ Ψ Ψ = L i + L i + L = L i + L Ψ Ψ D Q f D Q D i Q D D D f = L i + L i + L = L i + L Q f = L i + L i + L Q i fd Q D i f f Df i f i f Rovnováha momentů m 3 = p ( Ψ i Ψ i ) 2 = m LOAD + J ω m + ωm t J t Doc. Ing. Pavel Pivoňka, CSc. 17

18 Přepoklay a zjenoušení: ω m = ω S, ΔP Fe = 0, R 1 = 0 ke e U Ψ = ω e U Ψ = ω f f f I U = R Q Q I L I = L + Ψ f f I L I = L + Ψ e U ω = Ψ e U ω = Ψ e X U L U L I = = Ψ = ω e f f e f f X E U L I L U L i L I = = Ψ = ω ω cosδ 2 1 U U = sinδ 2 1 U U = + = δ δ ω 2 ) sin 1 1 ( 2 sin e X X U X E U p M USTÁLENÝ STAV Doc. Ing. Pavel Pivoňka, CSc. 18

19 MOMENTOVÁ CHARAKTERISTIKA 2 3U E 3U X X M = 1 1 sinδ + sin(2 ) = M syn + M X ω 2ω X X δ m m reluct ω m = ω s Stroj s vyniklými póly může vytvářet moment i bez buzení = reluktanční motor U strojů s hlakým rotorem X = X M reluct = 0 vyniklé póly hlaký rotor Doc. Ing. Pavel Pivoňka, CSc. 19

20 ) sin(2 2 3 sin δ ω δ ω + = m m X X X X U X U E M s m n ω π ω = = 30 ZATĚŽOVACÍ CHARAKTERISTIKA n = f(m) Doc. Ing. Pavel Pivoňka, CSc. 20

21 FÁZOROVÉ DIAGRAMY MOTOR NA NEKONEČNÉ SÍTI U 1 = konst., f 1 = konst. vyniklé póly U 1 =U gri =const. hlaký rotor (se zjenoušením): U 1 s = E + jx X = X = s X I pracovní oblasti: přebuzený (leaing cosφ) pobuzený (lagging cosφ) Doc. Ing. Pavel Pivoňka, CSc. 21

22 FÁZOROVÉ DIAGRAMY MOTOR S HLADKÝM ROTOREM NA NEKONEČNÉ SÍTI s Doc. Ing. Pavel Pivoňka, CSc. 22

23 V KŘIVKY I = f(i f ) přebuzený (leaing cosφ) pobuzený (lagging cosφ) Poznámka: SYNCHRONÍ KOMPENZÁTOR = nezatížení přebuzení motor Doc. Ing. Pavel Pivoňka, CSc. 23

24 BUDICÍ SYSTÉMY Funkce: Zroj regulovaného buicího prouu Pomocné funkce při rozběhu, přípaně při brzění Rozíly v buicích systémech: Typ zroje prouu (DC rotační generátor buič; řízený nebo neřízený usměrňovač) Přenos buicí energie ze zroje o buicího vinutí (kroužky, rotační transformátor, stříavý buič) Řízení velikosti buicího prouu (proměnný opor, elektronické spínací prvky - tyristory, tranzistory at.) Schopnost oávat buicí prou také při stojícím stroji Dimenzování: musí být schopen oávat I fmax 1,4 I fn po obu 60s Doc. Ing. Pavel Pivoňka, CSc. 24

25 PŘÍKLAD BUDICÍHO SYSTÉMU STEJNOSMĚRNÝ BUDIČ buzení SM buzení buiče R S R V buicím obvou ještě R p pro potlačení nabuzení při rozběhu R s a R p se po rozběhu přemostí (zkratují) Doc. Ing. Pavel Pivoňka, CSc. 25

26 ROZBĚH SYNCHRONNÍHO MOTORU ASYNCHRONNÍ ROZBĚH používá AMORTIZAČNÍ VINUTÍ / TLUMIČ. Chová se jako speciální klecové vinutí. BUDICÍ VINUTÍ musí být buď zkratováno (M3) nebo připojeno přes externí opor R p (M1,M2). Přímé připojení na síť Připojení na síť přes tlumivku Tlumivka může být připojena i mezi fází a neutrálním boem (při statorovém vinutí o hvězy) Připojení přes autotransformátor R amort M1 > R amort M2 EXTERNÍM POHONEM (např. inukčním motorem s počtem pólpárů o jeen menším, než synchronní motor to zajišťuje osažení ω s ) PROMĚNNÝM KMITOČTEM viz řízení rychlosti Doc. Ing. Pavel Pivoňka, CSc. 26

27 REVERZACE, BRZDĚNÍ Synchronní motory jsou přenostně používány jako jenosměrné stroje, louhoobě běžící konstantní rychlostí, resp. tam, ke tyto změny nejsou časté REVERZACE změnou směru točivého magnetického pole změnou sleu fází (např. a,b,c b,a,c) BRZDĚNÍ Mohou být použity některé metoy používané pro asynchronní stroje, napříkla: generátorický cho (opojení o sítě a připojení na oporovou zátěž buicím prouem se reguluje brzný moment) řízení rychlosti změnou statorového kmitočtu Doc. Ing. Pavel Pivoňka, CSc. 27

28 ŘÍZENÍ RYCHLOSTI Řízení rychlosti slouží hlavně pro uržování konstantní rychlosti a pro rozběh a brzění / zastavení) motoru. Efektivní řízení rychlosti lze změnou statorového kmitočtu: (přepínání počtu pólů se nepoužívá) πf 2πn ω m = ωs = = p s Zroje proměnného kmitočtu pro řízení rychlosti: Synchronní generátor poháněný turbínou s proměnnou rychlostí (v elektrárnách) Polovoičový měnič kmitočtu s napěťovým DC meziobvoem Polovoičový měnič kmitočtu s prouovým DC meziobvoem (tzv. ventilový pohon, nejčastější použití) Cyklokonvertor (polovoičový měnič kmitočtu bez DC meziobvou) Doc. Ing. Pavel Pivoňka, CSc. 28

29 RELUKTANČNÍ MOTOR PRO MALÉ SYNCHRONNÍ POHONY příkla HODINY Magnetická nesymetrie v osách a = tvar momentové charakteristiky je poobný momentové charakteristice stroje s vyniklými póly (poměr X /X = 5 až 10) M = 3U 2 2ω X 1 δ m X X X sin(2 ) ROTOR: rozběhové tyče klecová kotva Spínaný reluktanční motor (switche reluctance motor) speciální elektronika, rozílný počet pólů statoru a rotoru Doc. Ing. Pavel Pivoňka, CSc. 29

30 KROKOVÝ MOTOR PŘEVÁDÍ NAPÉJECÍ IMPULSY NA POSTUPNÉ OTÁČENÍ HŘÍDELE PRO PŘESNÉ NASTAVENÍ POLOHY BEZ ZPĚTNÉ VAZBY VĚTŠINOU POHONY MALÝCH VÝKONŮ POHYB NENÍ PLYNULÝ KROKY POČET KROKŮ / OTÁČKU: počet pólů, způsob řízení STATOR: Póly buzené stejnosměrnými pulsy ROTOR stejný počet pólů jako stator: Pasivní (VRM = Variable Reluctance Motor) nerovnoměrná vzuchová mezera Aktivní (PM = Permanent Magnet motor) permanentní magnet (vinutí napájené DC je nevýhoné) Doc. Ing. Pavel Pivoňka, CSc. 30

31 ŘÍZENÍ KROKOVÉHO MOTORU Různé napájení vinutí (cívek) UNIPOLÁRNÍ : v kažém okamžiku napájena jen jena ŘÍZENÍ : napájené vě protilehlé cívky současně JEDNOFÁZOVÉ (jena cívka unipolární nebo bipolární) DVOUFÁZOVÉ (vě sousení cívky) S PLNÝM KROKEM tolik kroků, kolik pólů S POLOVIČNÍM KROKEM vojnásobná přesnost = stříání jeno- a voufázového řízení Doc. Ing. Pavel Pivoňka, CSc. 31

32 MOMENT KROKOVÉHO MOTORU úhel kroku: =, ke N = počet zubů, m = počet fází statoru, p=počet pólů Doc. Ing. Pavel Pivoňka, CSc. 32

33 VÝHODY A NEVÝHODY KROKOVÉHO MOTORU HLAVNÍ VÝHODY Jenouché řízení, bezkartáčový, bezúržbový Moment i při nulových otáčkách Otáčí se oběma směry Nepotřebuje zpětnou vazbu (žáná úhlová chyba, která by se kumulovala) HLAVNÍ NEVÝHODY Není informace o skutečné poloze Při přetížení ztratí pozici (krok) bez varování Limitovaná ynamika Měkká momentová charakteristika (ztrácí M, při vyšších n) Poměrně hlučný Doc. Ing. Pavel Pivoňka, CSc. 33

34 DRUHY PROVOZU znak S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 S9 význam Trvalé (nepřerušované) zatížení (při výkonu, pro který je stroj určen) Krátkoobý cho s osažením tepelné hranice, pak musí být přestávka na vychlazení na teplotu okolí Přerušovaný cho (Posloupnost stejných perio chou: P=konst a pauza) Přerušovaný cho s rozběhem (Posloupnost: start, P=konst a pauza) Přerušovaný cho s rovnoměrně rozloženými starty, zátěžemi, reverzním choem nebo brzěním a přestávkami Přerušované zatížení (Nepřerušovaný provoz s perioickým zatěžováním a choem naprázno) Jako S5, ale bez přestávek Nepřerušovaný provoz s občasným zatěžováním změnou otáček Nepřerušovaný provoz s neperioickým zatěžováním a změnami otáček Za znak se uváí upřesňující úaj, např.: za S2 oba trvání zatížení, za S3 as6 oba přerušení (i v % oby chou), za S4, S5, S7, S8, S9 moment setrvačnosti Doc. Ing. Pavel Pivoňka, CSc. 34

35 FORMY OCHRANY (krytí) 1/2 IEC 34-5 Označení IP násleované věma číslicemi = IP otyk a vniknutí, voa první Význam - ochrana proti otyku a vniknutí 0 nechráněno 1 přemětů > 50 mm 2 malých pevných přemětů o průměru > 12mm, prstů 3 pevných přemětů o průměru > 2,5 mm 4 nářaí, rátů apo. malých pevných přemětů, silnějších než 1 mm 5 školivého prachu a jeho usazování 6 proti prachu plně (prachotěsné) Doc. Ing. Pavel Pivoňka, CSc. 35

36 FORMY OCHRANY (krytí) 2/2 IP otyk a vniknutí, voa ruhá Význam ochrana proti 0 bez ochrany 1 proti kapající voě (3-5 mm eště během 10 min), stroj v normální poloze 2 jako 1, zařízeno umístěno se sklonem 15 oproti normální poloze 3 stříkající voě (10 l/min, tlak kn/m 2, během 3 min ze vzálenosti 3m) 4 jako 3, stříkání ze všech směrů 5 vonímu paprsku (12,5 l/min, tlak 30 kn/m 2, z trysky průměru 6,3 mm, během 3 min ze vzálenosti 3 m) 6 vonímu paprsku (100 l/min, tlak 100 kn/m 2, z trysky průměru 12,5 mm, během 3 min ze vzálenosti 3 m) 7 Ponoření o hloubky 1 m na obu 30 min 8 ponoření o voy Doc. Ing. Pavel Pivoňka, CSc. 36