Sinhrona ma šina ( Synchronous machine )

Sinhrona maSinhrona mašinašina ((Synchronous machineSynchronous machine))

EES Crne GoreEES Crne GoreDalekovodi 380kV

Dalekovodi 380kV

Osnovni elementi konstrukcijeOsnovni elementi konstrukcije Rotaciona električna mašina Rotaciona električna mašina naizmjenične strujenaizmjenične struje

Reverzibilna Reverzibilna rotaciona elektrirotaciona električna mašina čna mašina – – kao i ostale kao i ostale rotacione električne mašine može raditi i u motornom i u rotacione električne mašine može raditi i u motornom i u

generatorskom režimu radageneratorskom režimu rada Tipični predstavnik električnih mašina velikih snagaTipični predstavnik električnih mašina velikih snaga

UGLAVNOM RADI KAO GENERATORUGLAVNOM RADI KAO GENERATOR Uvijek cilindričan stator na kom je postavljen trofazni Uvijek cilindričan stator na kom je postavljen trofazni

namotaj uglavnom spregnut u ZVIJEZDUnamotaj uglavnom spregnut u ZVIJEZDU Dvije različite konstrukcije rotoraDvije različite konstrukcije rotora

Jedna izvedba jeste sa cilindričnim rotorom – Jedna izvedba jeste sa cilindričnim rotorom – TURBOGENERATORTURBOGENERATOR

Druga mogućnost je rotor sa istaknutim polovima –Druga mogućnost je rotor sa istaknutim polovima –HIDROGENERATORHIDROGENERATOR

Osnovni elementi konstrukcijeOsnovni elementi konstrukcije

U oba slučaja, na rotoru je postavljen U oba slučaja, na rotoru je postavljen pobudni pobudni namotajnamotaj kroz koji se propušta kroz koji se propušta jednosmjerna jednosmjerna

strujastruja Izvor jednosmjerne struje pobudnog namotaja je Izvor jednosmjerne struje pobudnog namotaja je

generator jednosmjerne struje postavljen na istu generator jednosmjerne struje postavljen na istu osovinu – tzv. pobudnicaosovinu – tzv. pobudnica

Pobudni namotaj ima za zadatak stvaranje Pobudni namotaj ima za zadatak stvaranje magnetskog polja u mašinimagnetskog polja u mašini

Indukovana ems u namotajima statoraIndukovana ems u namotajima statora e=Blv e=Blv

KonstrukcijaKonstrukcija turbogenerator turbogeneratoraa Cilindričan rotor, obično dvopolna mašina, p=1Cilindričan rotor, obično dvopolna mašina, p=1 U žljebove rotora postavljen pobudni namotajU žljebove rotora postavljen pobudni namotaj Rotor djelimično ožljebljen, neožljebljeni djelovi su rotorski poloviRotor djelimično ožljebljen, neožljebljeni djelovi su rotorski polovi Zbog velike ugaone brzine rotora (p=1 znači sinhronu brzinu od 3000 Zbog velike ugaone brzine rotora (p=1 znači sinhronu brzinu od 3000

obrtaja u minuti) ovi rotori su malog prečnika ali velikih dužinaobrtaja u minuti) ovi rotori su malog prečnika ali velikih dužina Kod ovih mašina, iz navedenog razloga, između statora i rotora se Kod ovih mašina, iz navedenog razloga, između statora i rotora se

ostavlja prilično velik vazdušni procjepostavlja prilično velik vazdušni procjep Širok vazdušni procjep znači i potrebu za velikim pobudnim strujamaŠirok vazdušni procjep znači i potrebu za velikim pobudnim strujama

KonstrukcijaKonstrukcija turbogenerator turbogeneratoraa

KonstrukcijaKonstrukcija turbogenerator turbogeneratoraa

Rotor turbogeneratora, četvoropolni, 204 tone, dužina vazdušnog procjepa 120mm Pobudna struja 11.2kA dobijena iz 600V DC brushless pobudnog generatora koji

se nalazi na istoj osovini

Konstrukcija turbogeneratoraKonstrukcija turbogeneratora



KonstrukcijaKonstrukcija hidrohidrogeneratorgeneratoraa Rotor sa istaknutim polovima, obično veliki broj Rotor sa istaknutim polovima, obično veliki broj

polovapolova Na istaknutim polovima namotan koncentrični Na istaknutim polovima namotan koncentrični

pobudni namotajpobudni namotaj Zbog malih ugaonih brzina rotora (npr za p=20 Zbog malih ugaonih brzina rotora (npr za p=20

sinhrona brzina za 50Hz iznosi 150 obrtaja u sinhrona brzina za 50Hz iznosi 150 obrtaja u minuti) ovi rotori su velikog prečnika ali zato minuti) ovi rotori su velikog prečnika ali zato relativno male aksijalne dužinerelativno male aksijalne dužine

Kod ovih mašina je moguće ostaviti između Kod ovih mašina je moguće ostaviti između statora i rotora relativno mali vazdušni procjepstatora i rotora relativno mali vazdušni procjep

Manji vazdušni procjep znači i manju potrebnu Manji vazdušni procjep znači i manju potrebnu pobudnu strujupobudnu struju

Konstrukcija Konstrukcija hidrogeneratorhidrogeneratoraa

Stator hidrogeneratora, trofazni, 500MVA, cos=0.95, 15kV, 60Hz, 200 obr/min Unutrašnji prečnik 9.25m, efektivna aksijalna dužina statora 2.35m, 378 žljebova

KonstrukcijaKonstrukcija hidrogenerator hidrogeneratoraa

36 polova, 2400A pobudna struja napajana iz naponskog izvora od 330V, 600 tonaDužina vazdušnog procjepa 33mm

Princip rada turbogeneratoraPrincip rada turbogeneratora 1 1 Posmatraćemo elementarni sinhroni dvopolni turbogenerator generator (Posmatraćemo elementarni sinhroni dvopolni turbogenerator generator (p=1, p=1,

cilindrični rotorcilindrični rotor) u praznom hodu – namotaji statora otvoreni) u praznom hodu – namotaji statora otvoreni Kada kroz pobudni namotaj teče jednosmjerna struja, mms pobudnog namotaja Kada kroz pobudni namotaj teče jednosmjerna struja, mms pobudnog namotaja

((FFff=N=NffIIff) stvara magnetski fluks u mašini tj magnetsku indukciju ) stvara magnetski fluks u mašini tj magnetsku indukciju BBff Rotiranjem rotora od strane pogonske mašine (parne turbine) u mašini se stvara Rotiranjem rotora od strane pogonske mašine (parne turbine) u mašini se stvara

obrtno magnetsko polje, nastalo mehaničkom rotacijom magnetskih polova rotoraobrtno magnetsko polje, nastalo mehaničkom rotacijom magnetskih polova rotora U nepokretnim namotajima statora se tada indukuje ems na osnovu poznate U nepokretnim namotajima statora se tada indukuje ems na osnovu poznate

zakonitostizakonitostidede==ddll((v v x x BB) tj e=Blv) tj e=Blv

Indukovana ems Indukovana ems faznog (!!)faznog (!!) namotaja statora je naizmjenična, istog oblika u vremenu namotaja statora je naizmjenična, istog oblika u vremenu kao što je oblik talasa magnetskog polja u prostorukao što je oblik talasa magnetskog polja u prostoru

Učestanost indukovane ems zavisi od brzine presijecanja magnetskog polja sa Učestanost indukovane ems zavisi od brzine presijecanja magnetskog polja sa provodnicima statora i dobija se iz odranije poznatog izraza za sinhronu brzinuprovodnicima statora i dobija se iz odranije poznatog izraza za sinhronu brzinu

nnss=60f/p=60f/p f=pnf=pnss/60/60

Dakle, da bi dvopolni generator u namotajima statora indukovao ems učestanosti Dakle, da bi dvopolni generator u namotajima statora indukovao ems učestanosti 50Hz njegov rotor treba stranom silom rotirati brzinom od 3000 obr/min50Hz njegov rotor treba stranom silom rotirati brzinom od 3000 obr/min

Konstantna učestanost indukovane ems je jedan od najtvrđih zahtjeva u pogledu Konstantna učestanost indukovane ems je jedan od najtvrđih zahtjeva u pogledu kvaliteta električne energije tako da je održavanje konstantne brzine rotora sinhronog kvaliteta električne energije tako da je održavanje konstantne brzine rotora sinhronog

generatora primarni ciljgeneratora primarni cilj Mehanički regulatoriMehanički regulatori

Princip rada turbogeneratoraPrincip rada turbogeneratora 2 2 Šta se dešava kada se generator optereti?Šta se dešava kada se generator optereti?

Opterećivanjem generatora indukovane ems u faznim namotajima statora Opterećivanjem generatora indukovane ems u faznim namotajima statora (identične po magnitudi ali fazno pomjerene za 2(identične po magnitudi ali fazno pomjerene za 2/3) kroz trofazni namotaj /3) kroz trofazni namotaj

statora protjeraju naizmjenične strujestatora protjeraju naizmjenične struje Ako je opterećenje simetrično i struje su simetrične i kao i ems fazno Ako je opterećenje simetrično i struje su simetrične i kao i ems fazno

pomjerene za 2pomjerene za 2/3/3 Fazno pomjerene struje u prostorno pomjerenim namotajima statora dovode Fazno pomjerene struje u prostorno pomjerenim namotajima statora dovode

do pojave do pojave OBRTNOG MAGNETSKOG POLJAOBRTNOG MAGNETSKOG POLJA Ovo polje je uzrokovano ne mehaničkom rotacijom, kao što je to kod rotora Ovo polje je uzrokovano ne mehaničkom rotacijom, kao što je to kod rotora

slučaj već naizmjeničnim strujama, fazno pomjerenim u prostorno slučaj već naizmjeničnim strujama, fazno pomjerenim u prostorno pomjerenim namotajimapomjerenim namotajima

Brzina ovog obrtnog magnetskog polja je sinhrona brzina, definisana Brzina ovog obrtnog magnetskog polja je sinhrona brzina, definisana učestanošću statorskih struja tj. brzinom rotacije rotoraučestanošću statorskih struja tj. brzinom rotacije rotora

Dakle, obrtno magnetsko polje sa strane statora i ono sa strane rotora su Dakle, obrtno magnetsko polje sa strane statora i ono sa strane rotora su jedno u odnosu na drugo nepokretna – rotiraju istom, sinhronom brzinomjedno u odnosu na drugo nepokretna – rotiraju istom, sinhronom brzinom

Otud ime Otud ime SINHRONA MAŠINASINHRONA MAŠINA PrincipPrincip “KAČENJA POLJA” “KAČENJA POLJA”

MMSMMS rotora rotora turbogeneratora 1turbogeneratora 1 Slika prikazuje oblikSlika prikazuje oblik mms cilindričnog rotora (indeks f od field, polje, mms cilindričnog rotora (indeks f od field, polje,

pobuda)pobuda) je odnos ožljebljenog dijela rotora pod jednim polom i polnog je odnos ožljebljenog dijela rotora pod jednim polom i polnog

korakakoraka Stepeničastu raspodjelu aproksimiramo linearnom raspodjelom Stepeničastu raspodjelu aproksimiramo linearnom raspodjelom FsFs

Ovu raspodjelu (trapez) razlažemo u Furijeov redOvu raspodjelu (trapez) razlažemo u Furijeov red Amplituda osnovnog harmonika je Amplituda osnovnog harmonika je FFf1f1

p

INF ff

f 2

fs FF

2

2

2sin

821

f

f

FF

MMSMMS rotora rotora turbogeneratora 2turbogeneratora 2 Uniforman vazdušni procjep, dakle, oblik raspodjele magnetske indukcije je istog Uniforman vazdušni procjep, dakle, oblik raspodjele magnetske indukcije je istog

oblika kao raspodjela mmsoblika kao raspodjela mms kkff je koeficijent oblika pobudnog polja je koeficijent oblika pobudnog polja

Najčešća vrijednost za Najčešća vrijednost za =3/4=0.75=3/4=0.75 kod sinhronih turbogeneratora jer je tada najmanji kod sinhronih turbogeneratora jer je tada najmanji sadržaj viših prostornih harmonika mmssadržaj viših prostornih harmonika mms

Tada je Tada je kkff=1=1 Magnetsko polje rotora je obrtno, nastalo mehaničkim obrtanjem rotoraMagnetsko polje rotora je obrtno, nastalo mehaničkim obrtanjem rotora

ff FB

0

fffff BkBFB

2

sin8

210

1

2sin

82

1

f

f

f F

Fk

txBb ff cos1

MMSMMS rotora rotora hidrogeneratora 1hidrogeneratora 1 Mms namotaja rotora se, zanemarujući magnetske padove napona Mms namotaja rotora se, zanemarujući magnetske padove napona

u gvožđu, troši na dva vazdušna procjepa (u gvožđu, troši na dva vazdušna procjepa (p=1p=1)) Po jednom polu, mms je upola manjaPo jednom polu, mms je upola manja

je odnos širine pola pod jednim polom i polnog koraka, je odnos širine pola pod jednim polom i polnog koraka, ==bbpp// Ispod polova, tamo gdje je vazdušni procjep konstantan, oblik Ispod polova, tamo gdje je vazdušni procjep konstantan, oblik

magnetske indukcije je isti kao i oblik mmsmagnetske indukcije je isti kao i oblik mms

ff

C

f INHdF 22 lHfff INHF

ff FB0

0

MMSMMS rotora rotora hidrogeneratora 2hidrogeneratora 2 Prikazani oblik raspodjele magnetske indukcije je identičan obluku mmsPrikazani oblik raspodjele magnetske indukcije je identičan obluku mms

Razvijamo ga u Furijeov redRazvijamo ga u Furijeov red Data je amplituda osnovnog harmonika Data je amplituda osnovnog harmonika BBf1f1 i koeficijent oblika pobudnog polja i koeficijent oblika pobudnog polja

kkff kao odnos amplitude osnovnog harmonika i visine pravougaonika kao odnos amplitude osnovnog harmonika i visine pravougaonika Izborom širine pola može se postići raspodjela magnetske indukcije sa niskim Izborom širine pola može se postići raspodjela magnetske indukcije sa niskim

sadržajem viših prostornih harmonika (za sadržajem viših prostornih harmonika (za =2/3=2/3 eliminiše se treći harmonik i eliminiše se treći harmonik i svi viši djeljivi sa tri)svi viši djeljivi sa tri)

Dodatna mjera jeste oblikovanje polnog završetkaDodatna mjera jeste oblikovanje polnog završetka

ff BB

2sin

41

2sin

41

f

f

f B

Bk

cos

0

Indukovana ems u namotaju Indukovana ems u namotaju armature 1armature 1

Opisani talasi magnetske indukcije sa strane rotora tj pobudnog Opisani talasi magnetske indukcije sa strane rotora tj pobudnog namotaja, rotiraju zajedno sa rotorom i u namotajima armature na namotaja, rotiraju zajedno sa rotorom i u namotajima armature na

statoru indukuju emsstatoru indukuju ems Izraz za indukovanu ems u distribuiranim namotajima na statoru Izraz za indukovanu ems u distribuiranim namotajima na statoru

izveden je u prethodnom kursu i ovdje će biti samo ponovljenizveden je u prethodnom kursu i ovdje će biti samo ponovljen EE je efektivna vrijednost osnovnog harmonika ems indukovane u je efektivna vrijednost osnovnog harmonika ems indukovane u

faznom namotaju statorafaznom namotaju statora ff je učestanost u Hz a zavisi od brzine obrtanja rotora i broja pari je učestanost u Hz a zavisi od brzine obrtanja rotora i broja pari

polova na rotorupolova na rotoru NNaa je ukupan broj navojaka faznog namotaja je ukupan broj navojaka faznog namotaja ssttatatoraora (armatura) (armatura) kkaa je navojni sačinilac statorskog namotaja koji u sebe uključuje je navojni sačinilac statorskog namotaja koji u sebe uključuje

pojasni i tetivni navojni sačinilacpojasni i tetivni navojni sačinilac je fluks po poluje fluks po polu

aakfNE 44.4

Indukovana ems u namotaju Indukovana ems u namotaju armature 2armature 2

aakfNE 44.4

a

pmNN ža

lBlB srm

1

2

2

sin

21

sin

2sin

y

zm

zm

kkk tpa

p

Zz

2

pq

Z

q

zm

2

Reakcija armature 1Reakcija armature 1 U režimu praznog hoda, dakle kada na izvode generatora nije priključen U režimu praznog hoda, dakle kada na izvode generatora nije priključen

potrošač, indukovana ems je poznata kao indukovana ems u PH i označava potrošač, indukovana ems je poznata kao indukovana ems u PH i označava se sa se sa EE00

Ova ems je naizmjenična i prikazuje se fazorom u fazorskom dijagramuOva ems je naizmjenična i prikazuje se fazorom u fazorskom dijagramu Ona kasni za Ona kasni za /2 za fluksom koji ju je izazvao, fluksom pobudnog namotaja /2 za fluksom koji ju je izazvao, fluksom pobudnog namotaja

ff

Ovaj fluks je, sa svoje strane, izazvan mms pobudnog namotaja Ovaj fluks je, sa svoje strane, izazvan mms pobudnog namotaja FFff MMms pobudnog namotaja i fluks pobudnog namotaja djeluju po direktnoj osi ms pobudnog namotaja i fluks pobudnog namotaja djeluju po direktnoj osi

i tako se i crtaju u fazorskom dijagramui tako se i crtaju u fazorskom dijagramu iako nijesu nai iako nijesu naizmjenične ali rotiraju zmjenične ali rotiraju sinhronom brzinom!sinhronom brzinom!

Reakcija armature 2Reakcija armature 2

Kada se na izvode generatora priključi potrošač tj kada Kada se na izvode generatora priključi potrošač tj kada se generator optereti, kroz namotaj armature protekne se generator optereti, kroz namotaj armature protekne

strujastruja Ove trofazne struje stvore obrtnu mms sa strane statoraOve trofazne struje stvore obrtnu mms sa strane statora Obrtna mms sa strane statora stvori svoj magnetski fluks Obrtna mms sa strane statora stvori svoj magnetski fluks

koji se sa fluksom pobude superponira, dajući rezultantni koji se sa fluksom pobude superponira, dajući rezultantni magnetski fluks u mašinimagnetski fluks u mašini

Ova pojava je poznata kao reakcija armatureOva pojava je poznata kao reakcija armature Reakcija armature zavisi od karaktera opterećenja kog Reakcija armature zavisi od karaktera opterećenja kog

generator napajagenerator napaja To opterećenje može biti aktivno, potpuno induktivno ili To opterećenje može biti aktivno, potpuno induktivno ili

potpuno kapacitivno a najčešće “miješano” – pretežno potpuno kapacitivno a najčešće “miješano” – pretežno induktivno ili pretežno kapacitivnoinduktivno ili pretežno kapacitivno

Reakcija armature 3Reakcija armature 3 Aktivno opterećenje – poprečna reakcija armatureAktivno opterećenje – poprečna reakcija armature

=0=0

Reakcija armature 4Reakcija armature 4 Induktivno opterećenje – direktna demagnetišuća Induktivno opterećenje – direktna demagnetišuća

reakcija armaturereakcija armature ==/2/2

Reakcija armature 5Reakcija armature 5 Kapacitivno opterećenje – direktna magnetišuća reakcija Kapacitivno opterećenje – direktna magnetišuća reakcija

armaturearmature ==/2/2

Reakcija armature 6Reakcija armature 6 Mješovito opterećenje - pretežno induktivno opterećenjeMješovito opterećenje - pretežno induktivno opterećenje Mms reakcije armature se razlaže na dvije komponente, Mms reakcije armature se razlaže na dvije komponente,

jednu po direktnoj, d-osi a jednu po porečnoj, q-osijednu po direktnoj, d-osi a jednu po porečnoj, q-osi

sinaad FF

cosaaq FF

Magnetsko polje reakcije armatureMagnetsko polje reakcije armature CILINDRIČNI ROTORCILINDRIČNI ROTOR

Magnetsko polje reakcije armature kod mašine sa Magnetsko polje reakcije armature kod mašine sa cilindričnim rotorom je identičnog oblika kao i mms cilindričnim rotorom je identičnog oblika kao i mms

reakcije armature jer je vazdušni procjep stalanreakcije armature jer je vazdušni procjep stalan Efektivna širina vazdušnog procjepaEfektivna širina vazdušnog procjepa u obzir uzima efekat u obzir uzima efekat

ožljebljenja statora i/ili rotora putem ožljebljenja statora i/ili rotora putem Carterovog Carterovog sačiniocasačinioca kkcc

ZasićenjeZasićenje zuba statora i/ili rotora se takođe može uzeti u zuba statora i/ili rotora se takođe može uzeti u obzir preko odgovarajućeg faktora zasićenja obzir preko odgovarajućeg faktora zasićenja kkzz

Magnetsko polje reakcije armature je obrtno magnetsko Magnetsko polje reakcije armature je obrtno magnetsko polje, tačnije Teslino obrtno magnetsko poljepolje, tačnije Teslino obrtno magnetsko polje

a

zc

aa Fkk

FB0

00

Magnetsko polje reakcije armatureMagnetsko polje reakcije armature ROTOR SA ISTURENIM POLOVIMAROTOR SA ISTURENIM POLOVIMA

Magnetsko polje reakcije armature kod mašine sa Magnetsko polje reakcije armature kod mašine sa isturenim polovima na rotoru je mnogo složenije odrediti isturenim polovima na rotoru je mnogo složenije odrediti

u odnosu na prethodni slučaju odnosu na prethodni slučaj Razlog je neravnomjerna širina vazdušnog procjepaRazlog je neravnomjerna širina vazdušnog procjepa

To znači da talas magnetske indukcije neće pratiti oblik To znači da talas magnetske indukcije neće pratiti oblik talasa mms sem tamo gdje je vazdušni procjep talasa mms sem tamo gdje je vazdušni procjep

konstantne dužine – ispod polovakonstantne dužine – ispod polova Rešenje je u razlaganju talasa mms reakcije armature na Rešenje je u razlaganju talasa mms reakcije armature na

dvije komponente – jednu koja djeluje po direktnoj d-osi dvije komponente – jednu koja djeluje po direktnoj d-osi (osi polova) i drugu koja djeluje po porečnoj q-osi (osi polova) i drugu koja djeluje po porečnoj q-osi

(pomjerenoj za (pomjerenoj za /2 električnih stepeni u odnosu na d-/2 električnih stepeni u odnosu na d-osu)osu)

Blondel-ova teorija dvaju reakcijaBlondel-ova teorija dvaju reakcija


Opisani pristup je moguć zahvaljujući činjenici da se Opisani pristup je moguć zahvaljujući činjenici da se rotor (talas mms pobude) i talas mms reakcije armature rotor (talas mms pobude) i talas mms reakcije armature

kreću istim brzinama odnosno nepokretni su jedan u kreću istim brzinama odnosno nepokretni su jedan u odnosu na drugog!odnosu na drugog!


Pri promijenjenom karakteru opterećenja i dalje važi Pri promijenjenom karakteru opterećenja i dalje važi opisano razlaganje, samo što se amplitude mms po opisano razlaganje, samo što se amplitude mms po pojedinim osama mijenjaju ali i dalje djeluju po istim pojedinim osama mijenjaju ali i dalje djeluju po istim

osama!osama!

sinaad FF

cosaaq FF

Magnetsko polje reakcije armatureMagnetsko polje reakcije armature ROTOR SA ISTURENIM POLOVIMA – POLJE PO d-osiROTOR SA ISTURENIM POLOVIMA – POLJE PO d-osi

cossincos aadad FFf

22 ,coscos 0

adadad FBb

adad BB

sin

1

sin1

ad

adad B

Bk

Magnetsko polje reakcije armatureMagnetsko polje reakcije armature ROTOR SA ISTURENIM POLOVIMA – POLJE PO q-osiROTOR SA ISTURENIM POLOVIMA – POLJE PO q-osi

sincossin aaqaq FFf

22 ,sinsin 0

aqaqaq FBb

aqaq BB

sin

1

sin1

aq

aq

aq B

Bk

Sinhrona ma šina ( Synchronous machine )

Documents