4. Mérés Szinkron Generátor Elsődleges üzemállaot szerint beszélhetünk szinkron generátorról és szinkron motorról, attól függően, hogy a szinkron gé elsődlegesen generátoros vagy motoros üzemállaotban működik. Generátoros üzemállaotban a villamos forgógéek a mechanikai energiát villamos energiává alakítják. A szinkron generátor a mechanikai energiát a tengelyén veszi fel, a hozzá csatlakozó turbinától. A villamos energiát a generátor kacsain keresztül a hálózatba adja le. Az erőművek túlnyomó többségében a villamos energia előállítására szinkron generátorokat alkalmaznak. Motoros üzemállaotban az energiaáramlás iránya fordított. A szinkron motor a hálózatból felvett villamos energiát alakítja mechanikai energiává és a tengelyén adja le a hozzá csatlakozó hajtott gének. Szinkron motorokat elsősorban szervohajtásokban és villamos járművekben alkalmaznak. A szinkron motorok is működhetnek generátoros üzemmódban, villamos fékezéskor. a) Hengeres forgórészű és b) kiálló ólusú szinkron gé vázlata A forgórész gerjesztésének módja szerint Szinkron géek forgórészének mágneses mezőjét elektromágnesekkel vagy állandó mágnesekkel hozhatjuk létre. Előbbi esetben egyenárammal gerjesztett, utóbbi esetben állandó mágneses (ermanens mágnesű) szinkron géről beszélünk. Egyenárammal gerjesztett szinkron géek forgórészén tekercsek találhatók, amelyekben egyenáram folyik. A gerjesztő áramot a gé forgórészébe csúszógyűrűs-kefés szerkezettel vezetik. A kefék koó alkatrészek, emiatt ez a kialakítás rövidebb időközönkénti karbantartást igényel. Gyakori megoldás, hogy a gerjesztő áramot a szinkron géel tengelykacsolatban lévő egyenáramú gerjesztőgé szolgáltatja. A szinkron generátorokat jellemzően egyenárammal gerjesztik. Az állandó mágneses géek forgórészébe a leggyakrabban AlNiCo, illetve NdFeB mágneseket éítenek be. A ermanens mágnesű gerjesztésnél nem kell a forgórészbe áramot vezetni, nincs szükség gerjesztőgére sem, azonban a forgórész gerjesztése nem változtatható, nem szabályozható. Állandó mágneses szinkron generátorokat jellemzően olyan helyeken alkalmaznak, ahol nehézen megoldható a karbantartás (éldául víz alatti búvárgenerátorok), vagy kicsi a rendelkezésre álló hely (éldául szélgenerátorok). A szinkron szervomotorok és járműmotorok többsége viszont állandó mágnessel gerjesztett.
Szinkron generátor működési elve. 1. A forgórészen egyenárammal mágneses teret létesítünk, melynek erővonalai az állórészen keresztül záródnak. 2. A mágneses teret (forgórészt) kívülről állandó fordulatszámmal (no) forgatjuk (valamilyen tíusú turbinával), ennek erővonalai metszik az állórész hornyaiban elhelyezett vezetőket, bennük feszültség indukálódik. Amennyiben a fluxus térben szinuszos és a tekercselés háromfázisú, úgy szinuszos háromfázisú feszültségrendszert kaunk. 3. Ha terheljük az állórészt, létrejön az állórész forgómezeje és kialakul a generátor - fékező nyomatéka és így lesz állandó fordulatszám (Mhajtó=Mterhelő). Az állórész és forgórész mezeje együttforog a forgórész forgómezejével adott (állandó) terhelési szöget bezárva egymással. A frekvencia kiszámítása: ahol a : ólusárok száma, n: ercenkénti szinkron fordulatszám. Példa: n=3000 1/min, 2=2(kétólusú generátor), f=? Szinkron generátor szerkezeti feléítése: - Állórész: lemezelt, sok horonnyal és szimmetrikus háromfázisú tekercseléssel. - Forgórész: o Hengeres forgórész (turbógenerátor) alavetően 2=2 (kétólusú kivitel) o Kiálló ólusú forgórész (hidrogéngenerátor) vízi erőművekben, sokólusú kivitel. A forgórészen egyenáramú gerjesztő tekercselés, 2 db csúszógyűrűn szénkefék segítségével vezetjük a gerjesztő áramot. - Pajzsok: Nagy villamos géeknél csak burkolat szeree van és a csaágyazást 2 oldalt külön bakokon helyezik el. A kisebb teljesítményű villamos géek ajzs csaágyasak. - Hűtési rendszer: a nagy veszteségek generátorból történő elvezetésére számos különböző megoldás létezik. A hálózatra kacsolás feltételei A hajtó gé a generátort szinkron fordulatra hozza, majd a hálózat feszültségének és a gé kaocsfeszültségének illesztése után lehet a géet a hálózatra kacsolni, amikor a szinkron gé és a hálózat fázisfeszültségeinek szinuszgörbéi egybe esnek, vagyis a hálózati- és a géoldalon megegyezik a feszültség: - a fázissorrendje, - a frekvenciája, - a nagysága, - a fázishelyzete.
A szinkron generátor indukált feszültsége. Legyen szinuszos a fluxus. Az effektív érték az érdekes: Amennyiben az állórész tekercselést hornyokban osztjuk el és léésrövidítést is alkalmazunk az indukált feszültség nagysága a tekercselési tényező miatt (ξ) csökken. ξ=ξe*ξh<1, ξe: elosztási tényező, ξh: húrtényező Szinkron gé Üzemállaotai: a/ Generátornál Üresjárat: - az egyenárammal gerjesztett forgórész forgatásával forgó mágneses tér keletkezik, - ha az állórész tekercsek kacsai nyitottak, akkor I a =0 és =, ahol a forgórész (óluskerék) fluxusa, a ólus fluxus, - az állórész fázistekercseiben indukált feszültség: u 4,44 N1 f, ahol u a ólusfeszültség, amely 90 -kal siet a ólus fluxushoz kéest. Terhelés: egyedi (sziget) ellátás, hálózatra kacsolt. b/ Motornál: - ha a gerjesztőáram csökken, a gé induktív meddő áramot vesz fel a hálózatból (tiszta induktív fogyasztó), - ha a gerjesztőáram nő, a gé kaacitív meddő áramot vesz fel, - ha a gerjesztőáram tovább nő (túlgerjesztés), a gé induktív meddő áramot ad le a hálózatba.
Szinkron gé egyfázisú helyettesítő kée és vektor ábrája Üresjárási üzem Ilyenkor a gé kacsai terheletlenek és a gé feszültsége arányos a ólus fluxussal. A gé üresjárásban felvett teljesítménye a vasveszteséget, kefesúrlódást, levegősúrlódást, ventillációs teljesítményt és a gerjesztő teljesítményt foglalja magába. Rövidzárási üzem Ha a felgerjesztett szinkron generátor állórészének tekercseit rövidre zárjuk, akkor a géen átfolyó áram erősségét a ólusfeszültség (U ) és a szinkron reaktancia (X sz ) hányadosa határozza meg.
I z = U / X sz ; Rövidrezárási mérésnél a gé felveszi az összes súrlódási és ventillációs veszteségeket, a gerjesztő teljesítményt, a rászerelt gerjesztőgé veszteségeit, valamint az állórész tekercsveszteségeket és a nem számottevő vasveszteséget. Terhelési szög A terhelőáram mágneses terének visszahúzó, fékező hatása jelentkezik a forgórész tengelyén. Ha továbbra is azonos fordulatszámmal kívánjuk forgatni a óluskereket (állandó frekvencia miatt szükséges), nagyobb nyomatékot kell kifejteni a tengelyre. P=M*v az armatúraáram mágneses terének fékező hatása mérhető alakban jelentkezik a gé belsejében. Ha a forgórész által létrehozott mágneses teret kézeletben szétválasztjuk az armatúra mágneses terétől, akkor a két teret két mágnesként ábrázolhatjuk. Üresjárási állaotban a két mágneses tér igen kis szögeltéréssel együtt forog Terhelésnél a terhelés mértékétől nő a fékező hatás, nő a két mágneses tér kézeletbeli közévonala közti különbség, a terhelési szög. Stabilitási határnak nevezzük azt az állaotot amikor maximális a nyomaték, itt =90 o A stabilitási határt átléve a mágneseket együttforgató erő csökken!