Elektrické výkonové členy prof. Ing. Jaroslav Nosek, CSc. EVC 7 Projekt ESF CZ.1.07/2.2.00/28.0050 Modernizace didaktických metod a inovace výuky.
Tato prezentace představuje učební pomůcku a průvodce přednáškou nebo její částí. Obsahuje zvláště obrázky, které by bylo časově náročné kreslit během přednášky, a odkazuje na literaturu doporučenou k hlubšímu studiu. Při vlastní přednášce je tato linie doplňována odvozením nezbytných vztahů, komentářem, případně dalšími grafy. 2
Synchronní alternátory velkých výkonů jsou základním zdrojem v elektrické síti. Synchronní motory jsou významnými prvky elektrických pohonů, jež vyžadují konstantní nebo frekvenčním měničem řízené otáčky. Provedení synchronních alternátorů i motorů může být v principu stejné. Synchronní motory mohou mít rotor s permanentními magnety. 3
Princip působení a konstrukční uspořádání synchronního stroje Stator je shodný se statorem indukčních strojů, rotor s pólovými nástavci je buzený stejnosměrným proudem Synchronní alternátor naprázdno: Výstupní střídavé napětí měníme buzením rotoru, výstupní kmitočet ovlivníme změnou otáček pohonného stroje (turbínou) Synchronní úhlová rychlost magnetického pole i rotoru ω s = 2π f 1 /p = ω/p [s -1 ] 4
Synchronní alternátor s vyniklými póly a budičem Synchronní alternátor p=3 2 kroužky s kartáči Budič synchronního stroje (obvykle derivační dynamo) Reostat v obvodu buzení derivačního dynama 5
Provedení rotoru synchronního stroje s hladkým rotorem a s vyniklými póly Stejnosměrný budicí proud je příčinou vzniku magnetického pole rotoru a) Synchronní stroj s hladkým rotorem, p=1 Rotor je ocelový válec s drážkami pro budicí vinutí b) Synchronní stroj s vyniklými póly, p=2 Rotor je kovaný, pólové nástavce jsou přišroubované Počet pólových dvojic p, počet pólů 2p 6
Osamocený alternátor naprázdno Velikost indukovaného napětí Ui závisí na buzení alternátoru. Lineární část odpovídá charakteristice vzduchové mezery, později se uplatní sycení železné části magnetického obvodu. 7
Charakteristika nakrátko synchronního alternátoru a vliv zatížení V chodu nakrátko a při zatížení jistou impedancí protéká statorovým vinutím proud, jehož důsledkem je magnetické pole statoru. Výsledné magnetické pole (rotoru a statoru) závisí na poloze rotoru a charakteru zátěže. Mluvíme o reakci statoru. V případě reálné zátěže R je alternátor reakcí statoru magnetován příčně, L stroj je reakcí statoru demagnetován, C stroj je reakcí statoru přimagnetován. 8
Vliv zátěže alternátoru Cílem je konstantní napětí alternátoru při různých zátěžích. L-indukční zátěž R-reálná zátěž C-kapacitní zátěž Abychom udrželi konstantní napětí na svorkách synchronního alternátoru při různých zátěžích, musíme měnit budicí proud Ib (přibuzovat při indukční zátěži a odbuzovat při kapacitní zátěži. 9
Automobilový alternátor 10
Zdroj [8] 11
Provedení automobilového alternátoru Zdroj [8] 12
Připojení velkého alternátoru na síť fázování alternátoru Síť i alternátor musí mít v okamžiku připojení - stejný sled fází - stejná napětí U s = U a - stejný kmitočet f s = f A - stejnou fázi napětí Dva kmitočtově blízké signály Vznik záznějů Perioda rozdílového napětí a okamžiky, ve kterých lze alternátor přifázovat 13
Fázování alternátoru na tmu. 14
Alternátor v tvrdé síti Po nafázování pracuje alternátor v tvrdé síti (U= konst, f = konst), buzením nelze změnit výstupní napětí. Změnou buzení se mění pracovní oblasti z podbuzeného stavu do přebuzeného stavu. Podbuzený alternátor - v tomto případě alternátor odebírá ze sítě jalový příkon, ten potřebuje na dobuzení svých magnetických obvodů. Do sítě dodává činný výkon. Ten získává jako mechanický příkon z turbíny. Přebuzený alternátor - alternátor dodává do sítě činný i jalový výkon. 15
Motorická oblast synchronního stroje Podbuzený synchronní motor za sítě odebírá činný i jalový příkon Přebuzený synchronní motor ze sítě odebírá činný příkon, ten mění na mechanický výkon na hřídeli, do sítě dodává jalový výkon, takže zlepšuje účiník sítě. 16
Kružnicový diagram synchronního stroje Pro zvídavé 17
Průběh synchronního momentu stroje a zátěžný úhel Po překonání meze stability stroj vypadne ze synchronismu (synchronní motor se zastaví, alternátor proběhne) 18
Rozběh synchronního motoru Asynchronní rozběh synchronního motoru Rotor je vybaven klecí (tlumičem), obdobnou jako u AM. Rotor se rozeběhne asynchronně, po dosažení otáček blízkých synchronním (skluz několik procent) je stroj přibuzen a rotor se vtáhne do synchronismu. Při běhu stroje je tlumičem tlumeno kývání synchronního stroje (dynamické změny zátěžného úhlu β. Kmitočtový rozběh synchronního motoru. Řešeno frekvenčním měničem. 19
Hydroelektrárna Spálov Přívodní kanál 1,75 km, spád 26m 20
VE Spálov-vyřazený alternátor s Francisovou turbínou (jedno ze dvou soustrojí) Hydroalternátor Křižík 1.5 MVA, 375 1/min, 6.3 kv, účiník 0.5, 1926, 72 let v provozu. Po rekonstrukci instalovány 2 Kaplanovy turbíny 2,4 MW, alternátor Škoda Plzeň 1.5 MVA, 600 1/min, 10,5 kv, účiník 0.8 Celkový výkon VE 2,4 MW, roční výroba 12 GWh. 21
VE Spálov Francisova turbína s hydroalternátorem Výkon 1 MW, hltnost 6m 3 /s 22
Vtoková propusť vzdálená 1,75 km 23
Literatura [1] UHLÍŘ, I. a kol.: Elektrotechnika. Skriptum ČVUT Praha,1999. [2] MAIXNER,L. a kol.: Mechatronika (NOSEK,J., kap.4 - Akční členy mechatronických soustav). Computer Press Brno, 2006, ISBN 80-251-1299-3. [3] http://www.mti.tul.cz/cs/evc-mater [4] JANOUŠEK,J., SUCHÁNEK,V.: Základy silnoproudé elektrotechniky. Skriptum ČVUT FEL Praha,1997. [5] http://www.unium.cz/materialy/cvut/fs/synchronni-stroje-m5848-p1.html [6] Učební texty TUL-FM [online]. Dostupné na http://www.mti.tul.cz/files/ele/ [7] Laboratoř elektrických strojů a pohonů, TUL-FM, VE Spálov, foto autor [8] http://cs.wikipedia.org/wiki/altern%c3%a1tor [9] NOSEK,J.: Elektrotechnika a průmyslová elektronika-příklady. Skriptum TUL, Liberec, 2002. 24
Děkuji za pozornost! EVC 7 Tento materiál vznikl v rámci projektu ESF CZ.1.07/2.2.00/28.0050, který je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem ČR.