*ELEKTROTEHNIKA IIPredavanje - 13Viefazni sistemiTrofazni sinkroni generatorPrijenos elektrine energije na velike udaljenostiDistribucija elektrine energije

*Viefazni sistemiU prolom semestru u Elektrotehnici I obradili smo neke pojmove trofaznog sistema struja i napona, kao i osnovu teorije sinkronih generatora.Stoga vas molim da za ovu temu ponovno paljivo proitate 14. predavanje iz E I.

Ipak da vidimo kakvih sve sistema struja i napona imamo.Naravno zanimaju nas ovdje samo izmjenine struje i naponi i to sinusoidalnog valnog oblika.Pa postoji jednofazni sistem esto se kao dio trofaznog sistema koristi u stanovima.

*Viefazni sistemiPonekad na izdvojenim objektima (vikendice, planinarske ili lovake kue, gradilita) koriste se jednofazni agregati koji imaju benzinski ili diesel motor i pomou sinkronog generatora proizvode jednofazni sistem napona i struja.to za ovaj sistem trebamo rei ? - potrebna su nam dva vodia. - u pravilu jedan od ta dva vodia treba povezati sa okolnim tlom (uzemljiti). - vodi koji je uzemljen na potencijalu Zemlje nazivamo nul-vodi. - drugi vodi koji je na povienom potencijalu prema Zemlji nazivamo fazni vodi.

*Viefazni sistemiDvofazni sistem;- Razlikujemo dva dvofazna sistema i to; - nesimetrini i - simetrini

Slika 13.1. Nesimetrini sistem struja i napona U1=U2 a nesimetrian je jer je kut izmeu faza 360/m, gdje je m = broj fazaSlika 13.2. Simetrini sistem struja i napona U1=U2, kut izmeu faza je 180=360/2 (m=2)Kod nesimetrinog sistema ovaj kut ne mora biti 90 ve moe biti bilo kojeg iznosa osim 180 jer bi tada sistem bio simetrian.

*Viefazni sistemiDa li koristimo dvofazni nesimetrini sistem struja i napona ?Da, koristimo ga.Mali tzv. jednofazni asinkroni motori prikljuuju se na napon jedne faze otuda i ime jednofazni. No to su u stvari dvofazni motori.Druga faza dobiva se na taj nain da je u seriju s namotom druge faze dodan kondenzator. On mijenja iznos i fazu napona tog svitka. Slika 13.4. Naponi UP i U su naponi dviju faza ne moraju biti niti istog iznosa.

*Viefazni sistemiA to je sa simetrinim dvofaznim sistemom ?On treba imati dva jednaka napona koji su u protufazi kut izmeu 1. i 2. faze mora biti jednak kutu izmeu posljednje i prve faze tj. izmeu 2. i 1. faze, odnosno moraju biti 360/2=180.Da li se ovaj sistem napona koristi.Da koristi se kod punovalnih ispravljaa s dvije diode. Nekad vrlo est, danas znatno rjei ali jo uvijek koriten u razne svrhe.Zahtjeva dva fazna i jedan nul vodi.Shemu vidi na slijedeem slajdu !

*Viefazni sistemiU dvostrukom sekundaru induciraju se elektromotorne sile u istom smjeru. Ali kako smo postavili diode u fazne vodie to se smatra da su oni na viem potencijalu. Ipak kad je vodi gornje diode na viem, onda je vodi donje diode na niem potencijalu od srednjeg vodia protufazno.Slika 13.5. Prikaz koritenja dvofaznog simetrinog sistema kod punovalnog ispravljaa sa samo dvije diode.

*Viefazni sistemiTrofazni simetrini sistem sa sinkronim generatorom, sinkronim i asinkronim motorom, 3f. - transformatorom i prijenosom elektrine energije na velike udaljenosti su najvaniji izumi Nikole Tesle. Izumi koji su doveli do brzog irenja primjene elektrine energije a to nam ona znai, vidimo kad nam na kratko nestane struje.Slika 13.6. Nikola Tesla jedan od najveih pronalazaa u povijesti tehnike 1856. Smiljan kraj Gospia 1943. New York

*Viefazni sistemiTrofazni simetrini sistem je viefazni sistem s najmanjim brojem faza koji proizvodi okretno magnetsko polje.Okretno magnetsko polje je magnetsko polje konstantnog iznosa koje se vrti u prostoru oko neke sredinje osi konstantnom brzinom.Ovo okretno magnetsko polje je pokreta mirnog rada asinkronog motora bez trzaja, bez iskrenja, bez etkica.A etkice, iskrenje, trzaji su glavni nedostaci istosmjernih motora (ali i generatora).Pa upoznajmo se s trofaznim sistemom !

*Viefazni sistemiSimetrini sistem U1=U2=U3 I1=I2=I3 1=2=3 Kut izmeu faza je 120.Kako se fazori vrte u + matematikom smjeru vidimo da iza 1. dolazi 2. i 3. faza.Slika 13.7. Fazorski dijagram simetrinog trofaznog sistema struja i napona

*Viefazni sistemiJo jedno dobro svojstvo trofaznog simetrinog sistema (ma ne samo trofaznog svih simetrinih sistema) je da je suma faznih struja i napona jednaka nuli.Zahtijeva min. tri fazna vodia (moe bez nul vodia)Slika 13.8. Zbroj faznih struja trofaznog simetrinog sistema jednak je nuli.

*Viefazni sistemiPogledajmo ponovno redom neke simetrine viefazne sisteme !Slika 13.9. Dvofazni, trofazni i etverofazni simetrini sistem. Dvofazni se koristi u ispravljaima, trofazni svestrano a ovaj etverofazni vrlo rijetko.

*Viefazni sistemiNa slici lijevo vidimo kako se transformacijom 3 faze dobiva simetrini 6 fazni sistem napona.Takav sistem napona se moe dovesti preko dioda na 6 fazni ispravlja ili 6 fazni ispravljaki most.Kod 6 faznog ispravljaa dobivamo uz istosmjernu komponentu i 1. harmonik koji ima frekvenciju 6 puta veu od napona mree.Slika 13.12. 3f-6f transformacija

*Viefazni sistemiSlika 13.13. 6-fazni ispravljaSlika 13.14. 6-fazni mosni ispravlja (daje isti efekt kao i 6-fazni ispravlja ali ima dvostruki broj dioda, dodue i dvostruki ispravljeni napon.

*Viefazni sistemi12-fazni ispravlja izgleda jednako kao i 6-fazni (slika 13.13.), ali naravno ima 12 faza i 12 dioda.Ispravljeni napon ima jo manju valovitost od 6-faznog ispravljenog napona naravno svaka dioda vodi samo kroz T/12.Slika 13.17. Ispravljeni napon 12-faznog ispravljaa

*Sinkroni generatori Slika 13.19. Izgled trofaznog sinkronog generatora s 1 parom polovaIzraeni (istaknuti) magnetski polovi

*Sinkroni generatorito dobivamo ovom konstrukcijom prema slici 13.19. ?Prvo zrani raspor je znatno manji, pa e kod iste magnetomotorne sile biti dobiveno znatno jae magnetsko polje i njegova gustoa. B E.Drugo elektrina energija se sada proizvodi na statoru, nepominom dijelu elektrinog generatora, tako da se mogu izvesti vrsti spojevi to je puno povoljnije od etkica.Tree lako je napraviti konstrukciju sa znatno vie magnetskih polova tako da se i kod manjeg broja okretaja moe dobiti ista frekvencija.

*Sinkroni generatoriA to gubimo ?Pa proizvedeni napon usprkos mjerama da gustoa magnetskog toka u zranom rasporu bude to blie kosinusnom (ili sinusnom) obliku, nee biti nikada potpuno sinusoidalan.Da li nam to smeta ?Da tu se pojavljuju tzv. vii harmonici koji nam smetaju jer izazivaju u elektrinoj mrei razne neeljene pojave.Iz tih razloga poduzimaju se razni zahvati u konstrukciji ovih generatora kako bi se utjecaj viih harmonika to vie smanjio.

*Sinkroni generatoriRadi se vie utora (dakle i svitaka) po fazi, skrauje se korak tih svitaka (na 4/5 time se ponitava 5. harmonik) , namot se spaja u trokut (time se ponitava 3. harmonik) itd.

Naravno unutar ovog predavanja mi ne moemo obraditi sve detalje teorije sinkronih generatora, kao ni sve rei o njihovoj konstrukciji.

Pogledajmo jo slijedei slajd a nakon njega ipak pogledajmo jo nekoliko skenova iz literature (tonije iz Tehnike enciklopedije svezak 4) !

*Sinkroni generatoriKod neizraenih magnetskih polova na rotoru gustoa magnetskog toka ovisiti e o magnetomotornoj sili, tj. o jaini magnetskog polja H. Kako se zna da je kod takvih generatora zrani raspor konstantan, da su silnice krune linije i da je integral vektora H i dl jednak sumi obuhvaenih struja moemo s promjenom protjecanja mijenjati i gustou magnetskog toka.Utroak MMS u eljezu se praktiki moe zanemariti.Dobrim raunom i pravilnom izvedbom moe se dobiti dobra aproksimacija sinusoide.

*Sinkroni generatoriEvo kako po prilici izgleda generator s dva para polova. Istina ovdje je namot dan u pojednostavljenoj izvedbi govorili smo o skraenom koraku namota, o vie utora po polu i fazi itd.

Slika 13.31. Naelna slika sinkronog generatora s dva para polova - istaknutih

*Sinkroni generatoriKad imamo vie istaknutih magnetskih polova onda se radi rotorski kota i na njega se privruju ti istaknuti magnetski polovi.Da li je neto sjeverni ili juni pol odreuje se nainom namatanja i smjerom struje.Slika 13.32. Naelna slika konstrukcije rotora sinkronog generatora sa 4 para polova - istaknutih

*Sinkroni generatoriStator i rotor turbogeneratora u presjeku izgledaju po prilici prema ovoj slici.Na ovoj slici prikazani su pojednostavljeno utori i rotora i statora.Utori trebaju imati proirenja u koja se nabija klin.Slika 13.33. Pojednostavljena slika presjeka sinkronog turbogeneratora .

*Sinkroni generatoriKad sinkroni generator radi na vlastitu mreu onda u stvari ne radi sinkrono.Nema s ime ili kime biti u sinkronizmu.Poveanjem uzbudne struje poveava se magnetski tok i njegova gustoa, pa se time poveava i napon na stezaljkama generatora i snaga koju daje.Ako se kod nekog stalnog optereenja povea dotok goriva (da gas), poveati e se i brzina vrtnje generatora, a time i frekvencija dobivenog napona.Stoga ovakav generator treba imati regulaciju brzine vrtnje pogonskog stroja koja e dozvoliti samo vrlo male promjene brzine vrtnje.

*Sinkroni generatoriAko poveamo optereenje generatora, poveati e se optereenje motora i njegova brzina vrtnje bi se smanjila. Regulacija treba poveati dotok goriva kako se brzina vrtnje ne bi smanjila.

Situacija je potpuno drugaija kad generator radi na vrstu mreu mreu kojoj se napon i frekvencija ne mijenjaju bez obzira na stanje naeg generatora.Tada se taj generator treba, a i vrti se, sinkronom brzinom vrtnje.

*Sinkroni generatoriGenerator moe u mreu dati samo toliko energije koliko je dobiva od pogonskog stroja.Dakle ako elimo poveati optereenje generatora, trebamo poveati dotok goriva pogonskom stroju, pa e se on htjeti bre vrtjeti.Fazor elektromotorne sile generatora se pomakne prema naprijed, povea se razlika napona generatora i mree i ta razlika povea struju koju daje generator, odnosno generator poinje u mreu davati veu koliinu elektrine energije.Ako elimo smanjiti optereenje generatora smanjiti emo dotok goriva pogonskom stroju, smanjiti e se razlika napona i struja, tj. optereenje generatora.

*Sinkroni generatoriAko potpuno iskljuimo dovod goriva pogonskom stroju generator e se poeti zaustavljati.Zbog toga e fazor elektromotorne sile generatora poeti zaostajati za fazorom napona mree.Razlika napona izmeu ta dva fazora postaje sve vea i zbog nje e u generator poeti dolaziti struja, a njome i elektrina energija iz mree.Generator vie ne proizvodi, ve troi elektrinu energiju ali se i dalje vrti sinkronom brzinom.

A to se dogaa kad na primjer poveamo uzbudnu struju.

*Sinkroni generatoriPoveanjem uzbudne struje ne mijenjamo koliinu energije koju dajemo generatoru.Ipak poveava se njegova elektromotorna sila, time i razlika napona izmeu mree i generatora.Ova poveana razlika napona poveava i struju koja iz generatora odlazi u mreu.Kako se radna snaga ne mijenja oito je da se mijenja jalova snaga.Dakle promjenom uzbude sinkronog generatora mijenja se faktor snage [cos()], a promjenom dotoka goriva mijenja se koliina energije [snaga P] koju generator daje u mreu.

*Prijenos elektrine energijePrijenos elektrine energije obavlja se koji puta na vrlo kratke, a esto i na veoma velike udaljenosti.Nekad je skoro svako mjesto imalo svoju elektranu i prijenos se vrio na relativno kratke udaljenosti stara termoelektrana (danas toplana) u Zagrebu u Zagorskoj ulici.A i mnoge tvornice su imale svoje elektrane neke su sluile i za proizvodnju tehnoloke tople vode i pare. Slika 13.34. Primjer prijenosa elektrine energije na kratkoj udaljenosti.

*Prijenos elektrine energijeCijeli elektroenergetski sistem osniva se na tome da u njemu postoji mnogo sinkronih generatora koje pokreu razni pogonski strojevi.Svaki generator se projektira tako da proizvodi elektrinu energiju na optimalan nain, tj. sa to manjim gubicima.Zbog toga svaki generator ima svoj izlazni napon koji ne podlijee nikakvim standardima ma dobro, projektanti mogu, a to i rade, ako se takav optimalan napon malo razlikuje od nekog standardnog, onda projektiraju generator tako da mu napon odgovara standardnom.U pravilu generator ima svoj napon UG.

*Prijenos elektrine energijeVei generatori imaju vei a manji, manji napon UG.Napon generatora kree se od stotinjak volti (230) do dvadesetak kilovolti.Na jedan, dva ili tri generatora (s istim naponom UG) dodaje se tzv. generatorski transformator koji transformira proizvedenu el. energiju na napon dalekovoda.Naponi dalekovoda su standardizirani to su linijski naponi.Slika 13.35. Prikaz linijskih napona nul vodi u pravilu ne postoji kod dalekovoda.

*Prijenos elektrine energijeNaponi dalekovoda su kod nas; - 400kV u svijetu postoje jo naponi od 1MV i - 220kV 700kV (SAD, Kanada, vedska, - 110kV Rusija, Kina itd.) - (70kV) - 35kV prije 30kV - 20kV ranije nije postojao - 10kV - 6kV u stvari to nije napon dalekovoda ve visokonaposkog postrojenja u raznim tvornicama prije vrlo esto 5kV - 1kV napon za prikljuak udaljenih usamljenih objekata

*Prijenos elektrine energijeIstina, postoji situacija kad na jedan generator dolaze u paraleli dva transformatora. - Na pr. NE Krko generator 664MVA (600MVA) 664, 632 ili 600 ovisi o uvjetima hlaenja temperatura Save nizvodno od elektrane ne smije se povisiti za vie od 2C, a na generator su paralelno vezana dva generatorska transformatora od po 400MVA.A na HE erdap na dva generatora dolazi jedan transformator.U svakom transformatoru gubimo dio proizvedene energije.

*Prijenos elektrine energijePa zato onda vrimo transformaciju elektrine energije na vii napon, da bi ju nakon prijenosa na odreenu udaljenost transformirali na nii napon ?Odgovor je jednostavan dovoljno je malo raunice.U prijenosu el. energije moemo si dozvoliti neki pad napona, recimo 10% (iako je to previe).Pazite nije nas briga za taj pad napona, transformacijom ga moemo vratiti na puni iznos, ali 10% pada napona je po prilici i 10% gubitka el. energije.A to nam moe biti previe.

*Prijenos elektrine energijePa izraunajmo kod faznog napona od 231V, 10% je 23,1V. Uzmimo da koristimo za prijenos energije bakrenu icu max. presjeka 300mm2.Maksimalna udaljenost prijenosa el. energije s naponom od 231V, uz 10% pada napona je; - cca 440m, ali kako se na tom naponu cijelom duljinom prikljuuju troila moe se uzeti zbog kontinuirane raspodjele tereta da je stvarna udaljenost dva puta vea tj. da je 880m. - kod toga se moe prenijeti max. 210kVA.Za ostale napone dajmo pregled tabelarno.

*Prijenos elektrine energijeDalekovodi se esto grade i sa znatno veim presjecima vodia na primjer sa dva paralelna vodia od po 500mm2 dodue aluminija ali ipak to omoguuje jo vee struje, tj. snage koje se prenose, odnosno jo vee udaljenosti prijenosa.Raunica pokazuje da 2*500=1000mm2 aluminija sa gustoom struje od 1A/mm2 (tj. uz 1000A) omoguuje prijenos elektrine energije uz pad napona od 10% na udaljenost od 810km, uz prenesenu snagu od 231000kVA=231MVA. A to je udaljenost koja nas u Hrvatskoj za sada zadovoljava.Rade se i dvostruki dalekovodi.

*Prijenos elektrine energijeSlika 13.36. Primjer mree dalekovoda transformacija na vie napone (prikupljanje el. energije), pa zatim na nie napone (razdioba el. energije).

*************************************