Stýskala, 2002 L e k c e z e l e k t r o t e c h n i k y Určeno pro studenty kombinované formy FS, předmětu Elektrotechnika II Vítězslav Stýskala, Jan Dudek únor 2007 Elektrické stroje jsou zařízení, která přeměňují jeden druh energie na jiný, nebo mění její velikost (parametry), přičemž alespoň jedna z nich je elektrická. 1
Rozdělení elektrických strojů ELEKTRICKÉ STROJE T O Č I V É NETOČIVÉ GENERÁTORY M O T O R Y TRANSFORMÁTORY (jedno a trojfázové) MĚNIČE Stejnosměrné cizím buzením derivační kompaudní sériové Střídavé (Alternátory) Stejnosměrné Střídavé cizím buzením derivační kompaudní sériové Komutátorové síťové (výkonové) pecní svařovací (rozptylové) měřící (MTP, MTN) speciální (autotransformátory, bezpečnostní, izolační, atd.) usměrňovače střídavé měniče napětí střídače pulzní měniče měniče kmitočtu synchronní asynchronní asynchronní synchronní Nejvyužívanějším typem relativního pohybu EM pole a vodiče je pohyb rotační (využívaný ve většině běžných AC generátorů) u(t) Časový průběh indukovaného napětí S ωt Rychlost otáčení, resp. otáčky n J ~ VOLTMETR Mag. indukce B i(t) - (střídavý proud obou polarit) u(t) střídavé indukované napětí 2
Hlavní části generátoru Kotevní vinutí: je nejčastěji 3f, umístěno ve statorové části. Z něho se odebírá vyrobená indukovaná elektrická energie Budící vinutí: DC rotorové vinutí napájeno z budiče (často to je DC rotační zdroj na stejné hřídeli s rotorem), vytvářející nutné elektromagnetické pole Stator: pevná část generátoru Rotor: rotuje uvnitř statoru vlivem hnacího stroje Kroužky a kartáče: kroužky jsou umístěny na rotoru a spolu s kartáči slouží ke spojení budiče s otáčejícím se budícím vinutím -------------------------------------------------------------------------------------------------- Hnací stroj: dodává přes rotor generátoru mechanickou energii, nejčastěji to bývají parní, plynové, spalovací nebo vodní turbíny, spalovací motory... Princip jednoduchého AC zdroje AC generátor (indukované napětí vzniklé v otáčejícím se závitu ve stálém EM poli při různých vzájemných polohách) J S J S J U = 0 J S J S U = 0 3
Dva konstrukční typy AC generátorů s otáčejícím se rotorem je nejpoužívanější prakticky u všech elektro energetických zdrojů synchronních generátorů; - nutnost kroužků a kartáčů pro buzení s otáčející se kotvou Vztah mezi kmitočtem, AC napětím a otáčkami rotoru generátoru Ve většině států světa a v celé Evropě má síťové AC napětí kmitočet f = 50 Hz, ale např. v USA a Kanadě je to 60 Hz.? Jakými otáčkami n se musí otáčet např. rotor 2-pólového ( p =1) AC generátoru, vytvářejícího kmitočet f = 50 Hz? Platí: n = 60 f / p = 3 000 min -1 = 50 s -1 4
Trojfázové elektrické zdroje napětí Alternátory = AC generátory V jeden konstrukční celek, zpravidla 3f synchronní alternátor jsou konstrukčně vkomponovány 3 jednofázové generátory (prakticky jsou to jejich vinutí, do kterých se naindukují jednotlivá fázová napětí). Cívky jednotlivých fází alternátoru (zpravidla statorové) jsou fyzicky posunuty navzájem o 2/3π (resp.120 oel. ). S rostoucím jmenovitým instalovaným výkonem alternátoru rostou i jeho rozměry a jeho hmotnost. Ze standardního trojfázového rozvodu (3f sítě) je odvozen i jednofázový rozvod (1f síť). Rozdělení alternátorů (synchronních) Podle počtu fází: - jednofázové a v elektroenergetice nejvíce používané - trojfázové Kmitočtu: nejpoužívanější je 50 Hz, některé generátory pracují s 300 Hz nebo vyšším (lodě, letadla, vojenská technika) Napětí: jednofázové nebo trojfázové. V distribuční síti nn ČR a většiny EU je hodnota 230 V/400 V Výkonu: největší synchronní generátory v ČR mají výkony 200-500 MW, výjimečně i 1 000 MW (JE Temelín) Typu: na turboalternátory a hydroalternátory 5
Princip 3f synchronního turboalternátoru názorně L1 L3 L2 tři fázové vodiče vedoucí k blokovému transformátoru L1 L2 L3 kroužky 3f statorové vinutí Nulový vodič N (S) Kartáče + DC BUDIČ S (J) Rotor - otáčející se elektromagnet buzený (napájený) z DC zdroje Pohled na 3f synchronní hydroalternátor (vodní dílo Lipno, 2x 60 MW) 6
Viz: další odkaz k tématu 3f synchronní alternátory http://www.cez.cz/encyklopedie/encyklopedie_energetiky/05/stroje_2.html Synchronní motory Mají řadu výhodných vlastností konstantní otáčky n = n 1 dobrou účinnost, velmi dobrý řiditelný účiník 7
Jejich základním nedostatkem - složitost rozběhu - nutnost použití budiče pro napájení budícího vinutí Rotor synchronního motoru (SM) se po připojení na střídavou napájecí síť a nabuzení nemůže sám roztočit v důsledku momentu setrvačnosti a nemůže tak skokem dosáhnout synchronních otáček n 1, jeho mechanická charakteristika nemá společný bod s osou momentu! 8
Mechanická charakteristika SM; asynchronní rozběh n, Ω vtažení do synchronismu n = n 1 = konst. klec AM cca 0,95 n 1 mech. charakteristika SM je to přímka motor má absolutně tvrdý chod 0 M l M N M m M Rozběh synchronního stroje budící vinutí se vyzkratuje, motor rozbíháme nezatížený jako asynchronní motor, po dosažní otáček naprázdno 0,95 n 1 jej pak nabudíme = vtažení do synchronismu Přetěžování synchronního stroje neregulovaného pohonu Momentová charakteristika synchronního stroje je absolutně tvrdá. Se zatěžováním narůstá úhlové zpoždění mezi mag. polem statoru a rotorem tzv. zátěžný úhlel β. Maximální statický zátěžný úhel je 90. Překročení zátěžného úhlu = výpadek ze synchronismu kritický stav motoru i generátoru, zkratové proudy, dynamické rázy nebezpečí destrukce. 9
Využití a výhody synchronních motorů a) 3f SM neregulované (bez řízení otáček) se používají jako pomaloběžné motory středních a velkých výkonů pro pohonů bez rázů a s lehkým rozběhem. (cementové pece) Nejsou vhodné tam, je nutnost častého spouštění nebo reverzace. konstruují se převážně s vyniklými póly a používají se pro pohon velkých kompresorů, ventilátorů, cementárenských pecí b) Pro regulované pohony (při kmitočtovém řízení) i pro pohony těžních strojů, výtahů, ropovody a pro některé unikátní aplikace kde je naopak třeba vysoké dynamiky a přesnosti řízení, s vysokou účinností (velké výkony např. válcovací stolice) Způsob řízení otáček- změnou frekvence statorového napětí Frekvenční měniče Cyklokonvertory (pomaloběžné stroje, vyskoké výkony) Tzv. ventilový pohon (tyristorový měnič na přebuzeném synchr. stroji) Otáčky 3f synchronních motorů se řídí zpravidla změnou velikost kmitočtu 3f napájecího napětí. Reverzace otáček obdobně jako u 3f AM, avšak s uvažováním opětovného rozběhu. 10
Synchronní motor jako kompenzátor Přebuzený synchronní motor naprázdno se používá jako rotační kompenzátor ke kompenzaci jalového výkonu. V přebuzeném stavu dodává jalový výkon (kap.). ss budicí vinutí 3f stator Póly Pólový nádstavec Pomocné rozběhové klecové vinutí Řez 3f synchronním motorem 11
Řez 3f synchronním motorem Detail čela statoru a rotoru a montáž 3f SM 260 kw 12
Jednoduchý princip silového působení statoru a rotoru synchronního motoru Princip činnosti 3f synchronního motoru 13
Vliv zatížení SM na zátěžný úhel Zátěžný úhel STATOR STATOR ROTOR Aplikace 3f SM pro pohon mlýnu v cementárně 14
Aplikace 3f SM jako pohonu ventilátoru 3f SM 760 kw s rotačním budičem 15
3f SM 21 MW Lineární 3f SM 16
3f SM pro aplikace ve výtazích a zdvižích 3f SM s velmi vysokým momentem 17
3f SM 90 kw 18