přednáška č. 5 Elektrárny B1M15ENY Generátory: Konstrukce, typy Základní vztahy Regulace, buzení Ing. Jan Špetlík, Ph.D.

Transkript

1 Elektrárny B1M15ENY přednáška č. 5 Generátory: Konstrukce, typy Základní vztahy Regulace, buzení Ing. Jan Špetlík, Ph.D. ČVUT FEL Katedra elektroenergetiky spetlij@fel.cvut.cz

2 Nárazový proud bude: i F = κ. 2. I = 1, = 59,9 ka p3 k3 Vrcholová síla mezi hlavními vodiči v obou případech bude: 3 l = µ... = π..59,9.10. = 1,242 kn , m3 ip3 π dm π Koeficienty: β = 0,73 Vσ. V r = 1 Účinky na vodiče: 1) Pasy naležato qσ. 0,2 = 1,5.120 = 180 MPa 2 2 ab. 0, 010.0, 063 Z = = = 6, m Fm 3. l 1, σm = Vσ. Vr. β. = 1.0, 73. = 17,1 MPa 6 8. Z 8.6, Vodiče vyhovují protože σ σ 17,1 < 180 tot < q. 0,2 6 3

3 2) Pasy nastojato Z 2 0, 063.0, 010 = = 1, m Fm 3. l 1, σm = Vσ. Vr. β. = 1.0, 73. = 107,9 MPa 6 8. Z 8.1, Vodiče opět vyhovují protože σ < σ < 180 Účinky na podpěrky: 1) Pasy naležato tot q. 0,8. σ 0,2 0,8.120 = > 2,7 VF. Vr = 2,7 σ 17,1 tot F = V. V. α. F = 2, 7.1,1.1, 242 = 3, 69 kn D F r m3 T = 0,035 m 0,2 α krit = 1,1

4 3, 69 0,13+ 0, 035. = 5,85 kn < P 0,8 0,13 Vyhovuje pro podpěrku 10 kn 2) Pasy nastojato 0,8. σ 0,2 0,8.120 = = 0,889 < 1 VF. Vr = 1 σ 107,9 tot F = V. V. α. F = 1.1,1.1, 242 = 1,37 kn D F r m3 T = 0,062 m 1,37 0,13 + 0, 062. = 2,53 kn < P 0,8 0,13 Vyhovuje pro podpěrku 5 kn α krit = 1,1

5 Alternátory Pro elektrárenské aplikace se využívají: - Synchronní stroje s hladkým rotorem (dvou nebo čtyřpólové) pro parní turbíny s výkony až 1000 MW - Synchronní stroje s vyniklými póly (mnohapólové) pro vodní elny s výkony až stovky MW - Asynchronní stroje s kotvou nakrátko - Asynchronní stroje s dvojitě napájeným vinutím (DFIG) s výkony až 10 MW pro VTE Turbostroje Hydrostroje DFIG

6 Alternátory Konstrukce: Ventilační kanály Rotor Vzduchová mezera Vinutí statoru Magnetické póly Stator Směr otáčení rotoru

7 Alternátory vyvedení výkonu Pro vyvedení větších výkonů z generátoru se užívá několik pasů na fázi jako na tomto příkladě pas 3 x Al 63x10 Užívají se lanové přetahy

8 Alternátory vyvedení výkonu Vysokoproudý systém pryskyřicí izolovaných vodičů DURESCA Pro ještě náročnější aplikace je třeba volit systém zapouzdřených vodičů

9 Alternátory IM kód: Montáž a pracovní poloha dle ČSN (platí i pro motory)

10 Alternátory IC kód: Provedení chlazení V zásadě mohou být generátory/motory s ohledem na způsob chlazení provedeny: - S přirozeným chlazením (chlazení pouze konvekcí) - S vlastním chlazením (na hřídeli je ventilátor závislý na otáčkách) - S přirozeným vlastním chlazením (dva okruhy konvekce + ventilátor) - S cizím chlazením (ventilace nezávislá na otáčkách motoru)

11 IC kód: Provedení chlazení Alternátory

12 IC kód: Alternátory

13 Alternátory Třídy izolace: Izolace je dle ČSN klasifikována do tříd A, E, B, F, H podle dovoleného oteplení

14 Volba parametrů alternátoru Jmenovitý výkon: Odvíjí se od výkonu turbosoustrojí tj. 63 MVA / 125 MVA / 235 MVA / 588 MVA / 1176 MVA Jmenovité napětí: Volí se s ohledem na In, parametry izolace a chránitelnost bloku+části soustavy, do které je zapojen Orientační tabulka s typickými hladinami Un: Pn do 50 MW Un 6,3 kv MW 10,5 kv MW 13,8 kv MW 15,75 kv 1000 MW Temelín 24 kv Pozn. V současné době již napěťové hladiny nejsou v ČR pevně dány, ale závisí i na std. a značné přizpůsobivosti výrobců

15 Rovnice synchronního stroje ustálený stav V ustáleném stavu platí: 0 = R. I 0 0 U = RI. X. I d d q q U = RI. + X. I + X. I q q d d ad f U = R. I + X. I f f f ad f 0 = R. I D 0 = R. I Q D Q ψ d ψ q Fázové napětí a proudy: Uˆ = U + ju. q Iˆ = I + ji. q d d

16 Elektrický moment: Vztahy pro výkony p M.(.. ) e = ψd Iq ψq Id = 2 p =. X. I. I + X. I. I + X. I. I 2. Ω q d q d d q ad f q 2 1. ( ) U U = Xd Xq..sin β.cos β + E..sin β ω Xd. Xq Xd Trojfázový výkon v ustáleném stavu: Sˆ = P+ jq. = 3. Uˆ. Iˆ* = 3. U. I.cos ϕ+ j.3. U. I.sinϕ f f f 2 UE. U Xd Xq P= 3. U f. I.cos ϕ =.sin β +..sin 2β X 2 X. X d d q UE. U X X U X + X Q= 3. U f. I.sin ϕ =.cos β +..cos 2 β. X 2 X. X 2 X. X 2 2 d q d q d d q d q

17 Regulace stroje Činný výkon: regulace P-f.( ) f = f + s P P sys P W AVR: regulace Q-U.( ) U = U + s Q Q ref Q W

18 Budící systémy Skládají se z: - Systém zdroje budícího proudu - Systém regulace buzení - Systém odbuzování Požadavky: - Vysoká provozní spolehlivost - Plynulá a rozsáhlá regulace budících proudů a napětí (až 2.Ufn) - Dostatečná rychlost změny budícího napětí - Dostatečná rychlost odbuzení Detail ss napájení přes kroužky

19 Zdroje budícího proudu Dle provedení: - S rotačním budičem (dynamo) - Statický systém vyvedený na kroužky - Statický systém v rotoru - Systém s permanentními magnety (pouze malé aplikace) Dle napájení: - Odbočkou ze svorek generátoru přes trf. buzení - Nezávislý zdroj (např. pomocný budič ss dynama) Rotační budič (s pom. budičem) Bezkartáčový tyristorový systém integrovaný v rotoru

20 Budič s derivačním vinutím: Zdroje budícího proudu dψ Lb dub ub = Rb. ib = Rb. ib dt R dt T b L R b b = Ub =. Rb 1 + st. b b I b Model respektující sycení: Budič s přídavným pomocným vinutím: st.. U = R k. U E b B E b U B = Přenos. fce ve tvaru: 1 k + s + st. E E E. R B

21 Zdroje budícího proudu Statický budič s řízeným usměrňovačem napájený z odbočky: Zdroj závislý na svorkovém napětí u generátoru. To může činit potíže při době regulace při změnách us (např. při vzdáleném zkratu) Statický budič s řízeným usměrňovačem napájený z 3f gen: Nezávislý tyristorový budič

22 Obecné schéma regulace buzení: Regulace buzení Zdroj: Žádané napětí (Uz) tvoří požadavky: SR a statiky regulátoru Regulační odchylka dále prochází přes moduly necitlivost (Unec), omezení (Umax,Umin), omezovače Ig a If, hlídač meze podbuzení (HMP), systémový stabilizátor (STAB) Takto omezená regulační odchylka nakonec prochází regulátorem typu PI a tvoří vstup do budiče

23 Odbuzovače Provedení: - s paralelním (zhášecím) odporem - se zhášecí komorou - invertorovým chodem budícího systému

24 Odbuzení zhášecím odporem Schéma: Zjednodušeně jde o (neuvažujeme-li tlum. vin.): Dojde k sepnutí odporu R a zároveň rozpojení kontaktů k a připojení odporu Rh do budícího obvodu derivačního dynama Volbou odporu R musí dojít k rychlému odbuzení, ale zároveň zamezení přepětí na kroužcích bud. vinutí Platí: divf u = L. + R. i = R. i dt f f f vf x vf

25 Řešení: vf Odbuzení zhášecím odporem t. Tx = f 0 f = x f 0 i i e Tx u R. i. e t Je-li proud na počátku maximálně i a požadujeme u < 7. u fn f fn 7. u = 7. R. i = R. i R = 7. R fn f fn x fn x f

26 Schéma: Odbuzení zhášecí komorou Zjednodušeně jde o (neuvažujeme-li tlum. vin.): Užívá se pro alternátory vyšších výkonů. Po rozpojení hlavních kontaktů č. 1 je proud přemostěn přes hl. kontakty 2 s indukčnostmi, které po jejich rozpojení nasměrují proud do zhášecí komory Kombinací odporů r1-r7 a celkové koncepce ZK je napětí uk během zhášení oblouku prakticky konstantní Platí: 1 if = ub uk + uk e R f Lf Tf 0 = R f t T f 0.

27 Časové průběhy: Odbuzení zhášecí komorou

28 Odbuzení invertorovým chodem Časové průběhy: Lze použít u budících systémů s řízenými tyristory. Zajišťuje se při plánovaném odbuzování. Za havarijních podmínek se používají klasické systémy kvůli možnému značnému napěťovému namáhání tyristorů

29 Fázování alternátoru Průběh připojení generátoru k síti: Soustrojí turbína-generátor se uvede na jmenovité otáčky, nabudí na jmenovité napětí, přifázuje a poté se uvede na požadované hodnoty P a Q. Přifázování musí být provedeno s minimálními proudovými a momentovými rázy, které jsou dány zejména: - různým sledem fází generátoru/sítě - různou velikostí napětí generátoru/sítě - různým fázovým rozdílem napětí generátoru/sítě - různou frekvencí generátoru/sítě Tyto podmínky nelze splnit naprosto přesně, tolerované odchylky jsou následující: Sled fází: Nutno dodržet, kontrola sledu fází je dnes součástí každé multiunkční digitální ochrany bloku

30 Velikost napětí: Fázování alternátoru Před fázováním je na alternátoru rozdílové napětí Všechna napětí jsou ve fázi u Dojde k proudovému rázu: e us u i k = = x + x x + x t d t d Dovolená odchylka při které i = i : umax = i k. x d = in. x d 1.0,15 = 15 % k n Je-li us < e dodává během přechodného děje alternátor jalový výkon do sítě a pracuje v přebuzeném (induktivním) režimu, je-li u > e pracuje naopak v podbuzeném (kapacitním) režimu Aby nedošlo k druhému případu, alternátor se mírně přebudí s

31 Fázový rozdíl napětí: Fázování alternátoru ψ e u 2 u.sin i s 2 k = = x + x x + x t d t d Analogicky: ψ 2 u.sin i 2 k = in = x d max ψ max in. x d 1.0,15 = 2.arcsin = 2.arcsin = 8, 6 2u 2.1 => Na odchylku fáze je alternátor mnohem citlivější, v protifázi překračuje hodnoty 3f zkratu cca 2x

32 Frekvence: Rovnost brzdné a urychlující energie: π J. Ω ω = T ω = pmax.sin ϑ. dϑ 2 1 n m 2 M n 2 a tedy π ϑ 0 1 J 2 π Pe ϑ0 π p ω = 2 p.sin ϑ. dϑ = 2 p. 1+ cosϑ 0 Fázování alternátoru ϑ 0 tmax 2 Ω = Pe ( t). dt = t ( ϑ) max ( ) max max max 0 Tm T ϑ m 0 dt. dϑ dϑ M n. Ω.sin ϑ. Ω n n dϑ

33 PQ diagram: Pracovní oblast alternátoru