Model sinhronskega stroja z magneti

I) Imamo tanko pleksi steklo, na katerega postavimo kos železa, na drugi strani pa permanentni magnet. Postavimo ju tako, da sta najbližje možni razdalji. Med njima je magnetno polje, ki ju privlači, vendar se noben ne premika, ker sta že najbližje.

II) Sedaj premaknemo permanentni magnet. S tem spremenimo razdaljo med kosom železa in magnetom. S tem raztegnemo magnetno polje, ki deluje kot elastika in želi skrajšati razdaljo. Zato bo na železo delovala sila, ki ga bo potegnila proti magnetu. Kos železa se bo premikal proti desni.

Če postavimo časovnico pravokotno na pleksi steklo, vidimo, da se vanjo najprej zadane trajni magnet $E_{f}$ , nato pa pride na vrsto železo $U$ . Časovni zamik med njima je odvisen od trenja na železu in moči magneta. To lahko predstavimo tudi s kazalčnim diagramom.

Trenje, ki ga čuti železo, predstavlja električno breme na sinhronski stroj. Večje kot je breme, večje je trenje na magnetu in daljši je časovni zamik med prehodom trajnega magneta in železa na časovnici.

Če stroj preobremenimo, trenje na železu postane preveliko, lahko pride do prekinitve magnetnega polja med železom in permanentnim magnetom. To pomeni, da se razdalja med njima poveča do te mere, da je magnetna sila manjša od sile trenja in železo ne sledi več magnetu. V sinhronskem stroju bi to pomenilo, da se kot rotorja močno poveča.

S preveliko silo trenja se "elastike" raztrgajo, železo ne prilepi več na trajni magnet in se lahko prosto giblje, najprej z večjo hitrostjo. Podobno se zgodi v stroju: če damo preveliko breme, se rotor začne vrteti z nenadzorovano hitrostjo. Temu pojavu rečemo "loss of synchronism".

Loss of synchronism v sinhronskih generatorjih nastane, ko rotor (ki se vrti s sinhrono hitrostjo) izgubi usklajenost z vrtečim se magnetnim poljem statorja. To se zgodi, ko elektromagnetni navor ni več sposoben držati rotor zaklenjenega na vrteče se polje.

Transient stability analysis^[1]

Kolesni kot

Kaj naj bi ta slika predstavljala?

Dodamo breme → steče tok po statorju → nastane statorski fluks $Φ_{s t a t}$ .

Če dodamo preveliko breme, se kot $σ$ poveča, zaradi česar se začnejo "trgati" magnetne silnice in trajni magnet (TM) "pobegne". Rotor se začne vrteti z nenadzorovano hitrostjo.

S = m \cdot U I P = m \cdot U I \cos (φ)

Če želimo oddajati samo delovno moč, moramo povečati vzbujalno napetost $E_{f}$ tako, da sta $Δ U$ in $U$ pravokotna, kar pomeni, da sta tok $I$ in napetost $U$ vzporedna (tj. fazni kot $φ = 0$ ).

Služenje denarja

Elektrarna proizvaja električno energijo tako, da rotor sinhronskega generatorja vrti z določeno hitrostjo, ki je sinhrona s frekvenco omrežja (npr. 50 Hz). Rotor ustvarja magnetno polje, ki se vrti skupaj z njim, in ta vrteče se magnetno polje inducira napetost v navitjih statorja.

Da elektrarna dejansko proda električno energijo omrežju in s tem zasluži denar, mora generator oddajati delovno moč (realno moč), ne le jalovo moč. To pomeni, da mora biti tok, ki ga generator daje v omrežje, usklajen tako, da prenaša resnično energijo, ne samo energijo, ki kroži brez dejanskega prenosa moči.

Kako to dosežemo? Frekvenca mora biti točno usklajena z omrežjem (rotor se vrti sinhrono). Faza napetosti generatorja mora biti usklajena s fazo omrežja. Amplituda (velikost) napetosti generatorja mora biti pravilno nastavljena preko vzbujanja (DC toka rotorja).

Ko ima generator višjo napetost kot omrežje, skozi stator teče tok, ki prenaša delovno moč v omrežje. Generator tako oddaja energijo, ki jo lahko prodamo. Če pa ni ustrezne fazne usklajenosti ali če je vzbujanje premajhno ali preveliko, potem tok, ki teče, ne prenaša delovne moči, ampak jalovo, ki ne plača računa. To je kot da samo vrtimo motor brez dejanskega opravljanja koristnega dela.

Zato je ključ za zaslužek v elektrarni, da sinhronski generator deluje sinhrono, z ustrezno vzbujalno napetostjo in fazo, da oddaja pravo, uporabno električno moč v omrežje.

Sinhronski motor

Smer toka v motorskem režimu je ravno nasprotna smeri toka v generatorskem režimu. Zaradi tega vemo, da jemljemo energijo iz omrežja in je ne oddajamo.

Sedaj je motor induktivnega značaja. Če bi hoteli, da ga omrežje vidi kot kondenzator, bi morali dvigniti $E_{f}$ , da se tok zarotira — fazni kot $φ$ mora spremeniti predznak.

Hočemo spraviti stroj v takšno stanje, da bo $φ = 0$ , torej da bomo porabili samo delovno moč. Ker smo velika tovarna, nam elektrarna zaračuna tudi jalovo moč, ki nam nič ne pomaga. Zato želimo imeti stroj v čistem delovnem režimu. To storimo tako, da ga prevzbujamo.

Kratki stik sinhronskega stroja

Kratek stik je način obratovanja sinhronskega stroja, ki nam omogoča pogled v notranjost stroja za boljše razumevanje.

Kratek stik generatorja

Kratek stik sinhronskega generatorja pomeni, da skupaj zvežemo sponke. To pomeni, da je medfazna napetost enaka 0.

Da generator varno obratuje v kratkem stiku, moramo tok kratkega stika $I_{K S}$ nastaviti na nazivni tok $I_{n}$ . To dosežemo z zelo majhnim vzbujalnim tokom $I_{V}$ , ki ima vrednost $I_{V K S}$ . Ker so tokovi tako majhni, stroj ni v nasičenju, ampak obratuje v linearnem območju BH krivulje. Zato sta tudi grafa $I_{K S}$ in $I_{V}$ linearna.

Kratek stik motorja

Kratek stik za motor je definiran kot:

Priključimo ga na omrežje
Izklopimo vzbujanje

Ker nimamo vzbujanja rotorja, nimamo fiktivne napetosti $E_{f}$ , posledično imamo samo omrežno napetost $U$ , ki gre samo čez navitje z reaktanco $X_{s}$ . Če merimo tok, ki teče po statorskem navitju $I$ , lahko izračunamo reaktanco statorskega navitja:

X_{s} = \frac{U}{I}

Znižanje napetosti pomeni, da je $I = I_{n}$ !

Reakcija indukta

Rotor ima navitje, po katerem teče vzbujalni tok $I_{V}$ . Ta rotor se vrti, in ker po njegovem navitju teče tok, se ustvari rotirajoče magnetno polje. To magnetno polje je z vidika statorja spreminjajoče, zato se na statorju inducira napetost. Ker je stator zaprta zanka, steče tok, ki prav tako povzroči magnetno polje. Tako lahko rečemo, da na statorju nastane "novo" magnetno polje zaradi vpliva rotorja. To je reakcija indukta.

Napetost na statorju, ki nastane zaradi magnetnega polja rotorja, je zamaknjena za 90° zaradi Faradayevega zakona in Lenzovega zakona. Ker je navitje induktivnega značaja, bo tok v statorju zamaknjen za 90° glede na to napetost, oziroma za 180° glede na tok v rotorju. To pomeni, da si magnetni fluksi rotorja in reakcije indukta nasprotujeta.

Za analizo reakcije indukta bomo stator vezali v kratek stik in opazovali njegovo delovanje.

Sedaj bomo stanje znotraj stoja prikazali z magnetno napetostjo oziroma magnetnim vzbujanjem ( $V = N I$ ), kjer je $N$ število ovojev in $I$ tok skozi navitje. Dobimo:

V_{R} = N_{V} I_{V}, V_{S} = N_{S} I_{S}, V_{C} = V_{R} - V_{S}

Tok na statorju $I_{S}$ je enak toku kratkega stika $I_{K S}$ , ker je stator v kratkem stiku. Vsi ovoji statorja so vezani serijsko.

Reaktanca $X_{a}$ na statorski strani predstavlja vpliv magnetnega polja, ki ga ustvarja statorski tok, torej reakcijo indukta. Na podlagi tega lahko narišemo novo nadomestno vezje.

Prosti tek

Prosti tek sinhronskega stroja pomeni, da rotor vrti turbina brez priključene obremenitve na statorju. Rotor je vzbujen z enosmernim tokom, ki ustvari magnetno polje $E_{f}$ . Ker ni priključenega bremena, ne teče tok skozi statorsko navitje, torej je tok $I$ praktično enak nič.

Kazalčni diagram prikazuje razmerje med napetostmi in tokovi v eni fazi stroja pri obremenitvi z R-L značajem, kar pomeni, da je bremenski tok zamaknjen za kot $φ$ glede na napetost $U$ . Napetost $E_{f}$ (fiktivna napetost) je inducirana zaradi vzbujanja rotorja in je osnova za ustvarjanje elektromotorne sile.

Reakcija indukta $X_{a}$ predstavlja vpliv magnetnega polja, ki ga inducira tok statorja. To polje je zamaknjeno za 90° glede na tok in se upošteva kot dodatna reaktanca, ki vpliva na skupno napetost in tok v stroju.

Ker so tri faze simetrične, lahko za lažjo analizo rišemo kazalčni diagram samo ene faze. V diagramu vidimo, da je tok $I$ zamaknjen za kot $φ$ za napetostjo $U$ , napetost $E_{f}$ pa je glede na $U$ tudi zamaknjena zaradi reakcije indukta.

Kazalčni diagram pomaga razumeti, kako se spreminjajo tok in napetost glede na obremenitev in magnetno delovanje stroja, ter kako reakcija indukta vpliva na delovanje sinhronskega stroja.

Kazalčni diagram

Kazalčni diagram za obremenitev R-L značaja ( $φ$ ) in reakcijo indukta ( $X_{a}$ ). Ker so vse tri faze simetrične, bomo risali samo eneo izmed teh.

Naslednje poglavje: Predavanje 10
Prejšnje predavanje: Predavanje 8

https://www.cedengineering.com/userfiles/Power System Transient Stability Study Fundamentals-R1.pdf ↩︎