Maszyny elektryczne

Maszyny elektryczne

• Urządzenia przeznaczone do konwersji energii elektrycznej na mechaniczną lub energii mechanicznej na elektryczną.
• W zależności od kierunku przemiany energii maszyny elektryczne dzieli się na:
• - Prądnice (generatory) przetwarzające energię mechaniczną na elektryczną,
• - Silniki – przetwarzające energię elektryczną na mechaniczną.
• W obu tych rodzajach maszyn przetwarzanie energii odbywa się za pośrednictwem pola magnetycznego. Są w nich wykorzystywane zjawiska indukcji elektromagnetycznej oraz oddziaływania elektrodynamicznego pola magnetycznego na przewody wiodące prąd.

Zasada działania generatora prądu

• Elektrocentrala KD109 ST1000 (Embed)
• W jaki sposób działa genrator prądu?
• Jak dobrać moc genratora?
• Jakie mamy rodzaje generatorów?

Budowa maszyn elektrycznych

• Ze względu na funkcje, jakie spełniają w przetwarzaniu energii, maszynie elektrycznej można wyróżnić dwie zasadnicze części: magneśnicę i twornik.
• Magneśnica, zawierająca elektromagnesy lub magnesy trwałe, jest źródłem pola magnetycznego.
• Twornik jest to część maszyny, w której indukuje się siła elektromotoryczna (w prądnicach) lub w której powstają siły elektrodynamiczne (w silnikach).
• Aby maszyna elektryczna spełniała swoje zadanie, przynajmniej jedna jej część (magneśnica lub twornik) musi być ruchoma. W najczęściej stosowanych przypadkach magneśnica i twornik tworzą współosiowo umieszczone cylindry, których zewnętrzny, nieruchomy nazywa się stojanem (statorem), a wewnętrzny, obracający się wokół własnej osi, wirnikiem (rotorem). Tak zbudowane maszyny określa się mianem elektrycznych maszyn wirujących.
• 
• Caption: Do największych producentów generatorów synchronicznych zaliczamy: General Electric (USA), ABB, Śkoda (Czechy), Alstom (Francja). Wyżej wymienione firmy produkują turbozespoły od kilku MW do kilkuset, a nawet powyżej 1000 MW.

Slide 4

• Maszyny prądu przemiennego buduje się jako trójfazowe i jednofazowe. Ze względu na stosunkowo prostą ich budowę i zalety prądu przemiennego znalazły powszechne zastosowanie jako silniki napędzające różnego rodzaju urządzenia mechaniczne oraz jako generatory wielkiej mocy.
• Maszyny prądu stałego mają wprawdzie bardziej skomplikowaną od maszyn prądu przemiennego budowę, lecz równocześnie odznaczają się lepszymi właściwościami regulacyjnymi. Dlatego też są stosowane w bardziej skomplikowanych, wymagających np. regulacji prędkości obrotowej, układach napędowych.
• 
• Caption: W celu ograniczenia wartości prądu zaczęto budować generatory na większe napięcia. Dla obecnie budowanych generatorów z uwagi na ograniczenie właściwości materiałów izolacyjnych napięcie nie przekracza 27 kV. Moc czynną oddawaną przez generator reguluje się przez zmianę strumienia masy czynnika dopływającego do turbiny.Na wartość napięcia, współczynnika mocy (mocy biernej) prądnicy wpływa się przez zmianę prądu wzbudzenia. Częstotliwość napięcia generatora pracującego samotnie zależy od prędkości obrotowej turbiny napędzającej, a przy pracy równoległej wartość napięcia na zaciskach i częstotliwość są określone przez warunki pracy systemu energetycznego, do którego jest przyłączony generator.

Generator synchroniczny

• Generator synchroniczny pracujący samotnie (np. zasilający wydzieloną grupę odbiorników) może wirować z różnymi prędkościami, zależnymi od tego, z jaką prędkością obrotową wiruje maszyna napędowa przy danym momencie obrotowym, równoważącym moment obrotowy generatora synchronicznego, powstający przy danym obciążeniu tego generatora. Ze zmiana prędkości obrotowej, zgodnie z zależnością: f = pn/60, zmienia się jednak częstotliwość napięcia indukowanego w generatorze.
• Dla uzyskania stałej żądanej częstotliwości, musi być utrzymana stała prędkość obrotowa generatora synchronicznego, dzięki regulacji prędkości obrotowej maszyny napędowej.
• Przy przyłączeniu generatora synchronicznego do tzw. sieci sztywnej, tj. zasilanej innymi dużymi generatorami synchronicznymi, częstotliwość napięć indukowanych w uzwojeniach rozpatrywanego generatora jest równa częstotliwości napięcia w sieci i nie może ulegać zmianom. Wtedy zmiana momentu obrotowego maszyny napędowej nie zmienia w stanie ustalonym prędkości obrotowej generatora, lecz wywołuje zmianę jego obciążenia.
• 
• Caption: Generatory pracujące na sieć tzw. elastyczną mogą wirować z prędkością obrotową zależną od potrzeb sieci elastycznej tzn. zwiększać lub zmniejszać obroty w zależności od żądanej częstotliwości.

Zasada działania generatora

• Wirnik generatora, którego uzwojenie wzbudzenia jest zasilane prądem stałym (prądem wzbudzenia Iw) tworzy magneśnicę. Przepływ prądu przez uzwojenia wirnika wytwarza strumień magnetyczny, który obracając się wraz z uzwojeniem wirnika z jednakową prędkością względem uzwojenia stojana indukuje w uzwojeniu stojana napięcie Ew.
• Prąd I płynący w uzwojeniu stojana wytwarza strumień oddziaływania twornika sprzęgający oba uzwojenia, oraz strumień rozproszenia twornika względem uzwojenia wzbudzenia. Strumieniom tym odpowiadają reaktancje: oddziaływania twornika Xad i rozproszenia twornika Xs tworząc reaktancję synchroniczną Xd.
• Xd = Xad + Xs
• Jeżeli w tworniku jest uzwojenie trójfazowe, to indukuje się w nim układ napięć trójfazowych. Trójfazowy układ prądów twornika tworzy strumień wirujący z prędkością:
• f = pn/60
• tj. z prędkością identyczną do prędkości obrotowej wirnika.
• 
• Caption: Budowa generatora synchronicznego

Generatory synchroniczne w EW

• 
• Caption: Schemat pracy turbiny z generatorem synchronicznym.
• Generatory synchroniczne nie wymagają przekładni, są dzięki temu tańsze w obsłudze (brak oleju do chłodzenia przekładni). ich wadą jest bardzo duży ciężar rzędu kilkudziesięciu ton.

Generator synchroniczny w EW

• 
• Budowa siłowni wiatrowej GE z prądnicą synchroniczną. Generator zbudowany z 6 metrowych pierścieni ze stałymi magnesami które obracając się z małą prędkością 8-20 obr/min. generują prąd.
• Caption: generator synchroniczny w EW

Generatory asynchroniczne

• Generatory asynchroniczne stosuje się do oddawania energii elektrycznej do sieci („hamowanie odzyskowe”) oraz wytwarzania energii elektrycznej. Liczba obrotów i współczynnik mocy są przy tym niezależne.
• Do wytwarzania energii generator asynchroniczny potrzebuje sieci zasilającej (generator asynchroniczny wzbudzany sieciowo) lub równolegle załączanej baterii kondensatorowej w pracy niezależnej (generator asynchroniczny wzbudzany kondensatorowo lub generator asynchroniczny samowzbudzalny).

Generator asynchroniczny

• Generator asynchroniczny trójfazowy (Embed)
• Caption: Generator asynchroniczny = indukcyjny
• Większość elektrowni wiatrowych zainstalowanych w systemach elektroenergetycznych jest wyposażona w generator asynchroniczny, którego prędkość synchroniczna jest równa 750 i 1500 obr/min.
• W celu dostosowania prędkości wirowania maszyny asynchronicznej do prędkości koła wiatrowego stosuje się przekładnie mechaniczne o przekładni zazwyczaj większej niż 60x.

Typy generatorów asynchronicznych

• 
• Dość powszechne stosowanie maszyn asynchronicznych wynika z prostoty ich konstrukcji, możliwości i łatwości sterowania oraz niskich kosztów inwestycyjnych i operacyjnych. W elektrowniach wiatrowych wykorzystuje się dwa typy maszyn asynchronicznych:
• – klatkowe, które pracują ze stałą prędkością obrotową,
• - pierścieniowe, w których istnieje możliwość pracy z różną prędkością wirowania, dzięki wykorzystaniem przekształtników elektroenergetycznych sterujących prądem wirnika.

zasada działania

• Generatory asynchroniczne budowane są najczęściej jako maszyny o przełączalnej liczbie par biegunów. Znane są również konstrukcje zawierające dwa niezależne generatory w jednej obudowie.
• W obydwu przypadkach zasada pracy jest taka, że przy słabych wiatrach pracuje generator, którego prędkość synchroniczna jest równa 750 obr/min, a przy mocniejszych wiatrach, ten o prędkości synchronicznej równej 1500 obr/min. Generatory asynchroniczne stosowane obecnie w elektrowniach wiatrowych, nawet tych o mocach rzędu MW, są maszynami niskiego napięcia o napięciu znamionowym 690 V. Generatory te są zazwyczaj przyłączane do sieci średniego napięcia i dlatego są standardowo wyposażane w transformatory blokowe umieszczane w kontenerze przy lub w wieży albo w samej gondoli w przypadku jednostek o większej mocy znamionowej.
• 
• Caption: Schematy pracy turbin z generatorami asynchronicznymi.