SINKRONI STROJEVI

Sinkroni strojevi

Električni rotacijski strojevi kod kojih se rotor vrti jednakom brzinom kao i okretno

magnetsko polje statora zove se sinkroni stroj.

Sinkroni generator

•od 100 kW do 2 MW za napone 440 V, 60 Hz ili 380 V, 50 Hz

•HV 6.6 kV, 3.3 kV i 11 kV pri frekvenciji 60 Hz.

•Emergency generator 20 kW do 200 kW za 440 V ili 220 V

Sinkroni motor

•se koristi u onim pogonima gdje nije potrebno regulirati brzinu vrtnje a također se ne zahtjeva ni

veliki broj pokretanja i zaustavljanja.

•Sinkroni motor - električna propulzija -kao motori većih snaga (efikasniji od asinkronih)

• motori manjih snaga - selsini i tahogeneratori.

•.Posebnu vrstu sinkronih strojeva predstavljaju kompenzatori - elektroenergetskom sustavu daju

jalovu komponentu snage

p

fns

60

Princip rada sinkronog generatora

Presjek sinkronog stroja, a) turbogenerator (p=1), b) hidrogenerator (p=3)

Magnetska indukcija u zračnom rasporu mijenja po zakonu sinusa, a to se postiže oblikom

polnih nastavaka i izvedbom armaturnog namota.

p ns(rmin-1) p ns(rmin-1)

1

2

3

4

5

6

3000

1500

1000

750

600

500

8

10

12

16

20

24

375

300

250

187,5

150

125

Sinkrone brzine vrtnje rotora sinkronog generatora kod frekvencije 50 Hz

nkNfE 44,4

Shema armature turbogeneratora p=1

p

fns

60

Sinkroni generatori

ns (r min-1) p Primarni pokretač

BRZOHODNI 750 - 3000 cilindrični, 2,4,6,8 turbina, dizel motor

SREDNJEHODNI 300 - 600 10 – 20 i rotor s

istaknutim polovima

dizel motor, osovinski gen.,

hidrogenerator

SPOROHODNI manje od 300 više od 20 i rotor s

istaknutim polovima

osovinski gen., hidrogen.

Sinkroni generatori

Osnovni dijelovi sinkronog generatora su:

-rotor s namotom - uzbudnim , potreban za stvaranje magnetskog toka;

-stator s namotom - armaturnim (jednofazni ili višefazni), u kojem se inducira izmjenična

elektromotorna sila (EMS-a).

1 - air flow; 2 – stator endshield; 3 - heat exchanger; 4 – emergency air outlet doors; 5 –

stator core (with air ducts); 6 –emergency air inlet panel; 7 – pilot exciter 8 – min exciter;

9 – diode plate; 10 - fanshield

Sinkroni generatori

Stator je izveden u obliku cilindra koji je sastavljen iz prstenastih dinamo limova koji

su međusobno izolirani tankim slojem papira, laka ili oksida.

Na unutrašnjem obodu nalaze se u uzdužnom smjeru u jednakom razmaku utori

(otvoreni ili poluzatvoreni) u koje se postavlja statorski/armaturni namot.

Priključna kutija statora

Sinkroni generatori

Rotor je uzbudni dio stroja i može biti

-s istaknutim polovima – za male brzine ;

-cilindrične izvedbe

Rotor generatora u a) izvedbi s istaknutim polovima

1- uzbudni namot; 2 – tijelo rotora; 3 – međupolni konektor; 4 – polna papučica

b) cilindričnoj izvedbi

1-tijelo rotora; 2 – uzbudni namot u utoru ; 3 – osovina pola ; 4 – kraj namota

Uzbuda generatora

Prema vrsti uzbude izvršena je podijela na sustave s rotacijskim uzbudnikom i

statičke sustave:

-rotacijski uzbudnik : - istosmjerni

- izmjenični (klasični sinkroni generator i inverzni)

-statički uzbudnik : - s naponskim izvorom

- s naponskim i strujnim izvorom.

Prema načinu uzbude ubudni sustavi se dijele na:

-neovisne – napajaju se iz posebnog izvora ili izravno s pogonskog stroja.

Najčešće je to istosmjerni generator («budilica») koji je na istoj osovini kao i

sinkroni generator , pa pogonski stoj pokreće sinkroni generator i uzbudnik (dovod

energije neovisan od drugih izvora), a posebni izvor podrazumijeva uzbudnik

pogonjen posebnim dizelskim ili električnim motorom;

-samouzbudni.

Shema spoja trofaznog sinkronog generatora s istosmjernim uzbudnikom

(danas se sve manje koristi - komplicirano)

Uzbuda generatora istosmjernim uzbudnikom

Uzbuda generatora stacionarnim ispravljačima

Uzbuda se dovodi preko kliznih kolutova i četkica

Uzbuda generatora rotirajući ispravljačima

Nema kliznih kolutova i četkica !!!

Samouzbudni sinkroni generator

Generatori se sami uzbuđuju koristeći pojavu remanentnog magnetizma –

problem kod servisiranja !!

Automatska regulacija napona

Pogonska stanja sinkronog generatora

1. Prazni hod – stoj je uzbuđen i bez opterećenja

2. Normalno opterećenje – stroj je uzbuđen i opterećen

nominalnom armaturnom strujom

3. Kratki spoj – stro je uzbuđen, a namoti armature kratko spojeni

Prazni hod

nkNfE 44,4

Glavni magnetski tok ovisan je o iznosu

uzbudne struje, broju zavoja uzbudnog namota,

dimenzijama magnetskog kruga te o

karakteristikama magnetskog materijala.

Karakteristika praznog hoda a) i fazorski dijagram b) sinkranog generatora u

praznom hodu

Struja opterećenja stvara s armaturnim namotom protjecanje, odnosno armaturni magnetski tok

koji djeluje na glavni magnetski tok stvoren uzbudom, zbog čega se mjenja iznos induciranog

napona E. Ta pojava naziva se reakcija armature.

Djelovanje reakcije armature pri opterećenju ovisi o vrsti opterećenja tako da :

1. Pri omskom opterećenju napon stezaljki U se neznatno mijenja s promjenom opterećenja;

2. Pri induktivnom opterećenju taj se napon smanjuje;

3. Pri kapacitivnom opterećenju napon raste.

Opterećenje generatora - reakcija armature

Opterećenje generatora

Fazorski dijagram opterećenog sinkronog generatora

a a a aU E I R I X

reakcija armature

Opterećenje generatora - vanjska karakteristika generatora

Vanjska karakteristika sinkronog generatora

)( aIfU

Opterećenje generatora - regulacijska karakteristika generatora

( )a uI f I

Kratki spoj

tropolni a), dvopolni b) i jednopolni c) kratki spoj trofaznog sinkronog generatora

Kratki spojevi

- simetrični tj. tropolni (trofazni) kratki spoj trofaznog sinkronog generatora u kojem su

stezaljke armature kratko spojene međusobno pa je napon između njih jednak nuli;

- nesimetrični kratki spojevi mogu biti: jednopolni; dvopolni i dvopolni sa zvjezdištem.

Rad sinkronog generatora na vlastitoj mreži

Za rad sinkronog generatora na vlastitoj mreži potrebno je:

1. neprekidno regulirati napon stezaljki sinkronog generatora promjenom uzbudne struje i

2. regulirati brzinu vrtnje tako da ona bude sinkrona, kako bi frekvencija induciranog napona

bila konstantna.

Porastom opterećenja sinkronog generatora dolazi do pada napona U i pojačane reakcije

armature, zbog čega je potreban regulator napona. Većim opterećenjem sinkronog generatora

javlja se i veći kočni moment zbog čega je potrebno pogonskim strojem dovoditi više mehaničke

energije kako bi brzina vrtnje rotora ostala konstantna

Paralelni rad sinkronih generatora

Za paralelni priključak generatora potrebno je

provesti postupak sinkronizacije odnosno potrebno

je postići:

1.jednake iznose napona generatora i napona mreže;

2.jednake frekvencije generatora i mreže;

3.jednake fazne kutove napona generatora i mreže;

4.isti redoslijed faza generatora i mreže.

1. generator se pokreće pogonskim strojem do približno sinkrone brzine vrtnje (određena

frekvencija uz određeni broj pari polova sinkronog generatora);

2. uključuje se i regulira uzbuda generatora dok se ne postigne vrijednost napona koja

odgovara naponu mreže;

3. provjerava se redoslijed faza mreže i sinkronog generatora (može pomoću indikatora

redoslijeda faza ili pomoću smjera vrtnje malog indukcijskog motora koji je spojen na

stezaljke generatora odnosno brodske mreže);

4. priključak se izvodi kada je fazni pomak između istoimenih napona generatora i brodske

mreže doveden na najmanju moguću mjeru.

Sinkronizacijske žarulje – svijetli, tamni i mješoviti spoj

Sinkronizacija pomoću a) tamnog i b) mješovitog

spoja sinkronizacijskih žarulja

- žarulje trajno svijetle – nema približne jednakosti napona generatora i mreže;

- reguliranjem uzbude postiže se jednakost napona mreže i generatora – provjerava se

voltmetrima;

- kod jednakih iznosa napona, a različitih frekvencija – žarulje čas svijetle a čas potamne u

ritmu frekvencije napona generatora i mreže;

- podešava se brzina vrtnje pogonskog stroja – frekvencije se izjednačavaju – paljenje i gašenje

žarulja je sporije;

- duži interval tame – frekvencije se izjednačile – potrebno je uključiti generator;

- ako je paljenje i gašenje žarulja istovremeno – redoslijed faza je ispravan, a ako nije

potrebno je dva dovoda na sinkronom generatoru zamjeniti.

Za tamni spoj vrijedi:

Sinkronizacija pomoću instrumenata

– poluautomatska sinkronizacija

1. za kontrolu napona sinkronog generatora i mreže koristi se dvostruki voltmetar;

2. za kontrolu frekvencije sinkronog generatora i mreže koristi se dvostruki frekvenciometar;

3. nul-voltmetar ili sinkronoskop – mali sinkroni motor – služi za utvrđivanje istofaznosti

napona sinkronog generatora i brodske mreže. Kada se sinkronoskop umiri i nulvoltmetar

pokaže nulu tada je postignuta istofaznost napona.

karakteristika frekvencija –snaga generatora

U pogonskim prilikama često se radi i gruba sinkronizacija. Pri tome generator koji se

uključuje na mrežu zavrti se pogonskim strojem na brzinu vrtnje koja je jednaka približno

sinkronoj brzini (do 2%), uključi se bez uzbude na brodsku mrežu i tek se tada uzbudi.

Elektromagnetski moment koji se tada stvori nakon priključka uzbude povuče generator u

sinkronizam.

Gruba sinkronizacija

Opterećeni sinkroni generator se isključuju s brodske el. mreže na način da se smanji uzbuda,

a na taj način i inducirani napon tako da je cosφ=1; istovremeno se smanjuje mehanička

energija pogonskom stroju.

Povećanjem uzbude generator daje induktivnu, a smanjenjem uzbude kapacitivnu struju u

mrežu.

Povećanjem uzbudne struje povećava se jalova komponenta struje sinkronog generatora i tada

se on naduzbudi. Ako generator treba dati i struju opterećenja (djelatnu komponentu) u brodsku

mrežu, dolazi do povećanja el. snage, a to znači da se pogonskom stroju (disel motor ili turbina)

mora povećati mehanička snaga, a sinkroni generator istodobno se jače uzbudi. Ako se ne

mjenja mehanička snaga pogonskom stroju ne mjenja se ni električna snaga sinkronom

generatoru

Sinkroni generatori u paralelnom radu

Gubici i korisnost sinkronog generatora

Gubici u statoru (Pgs)se sastoje:

-gubici u bakru statorskog namota –

PCus;

-gubici u željezu – PFe;

-dodatni gubici – Pd:

Gubici u rotoru (Pgr) se sastoje:

-gubici uzbude – Pgu;

-mehanički gubici – Pgm;

30

Elektromotorna propulzija na brodovima