[ Pobierz całość w formacie PDF ]

napięć trójfazowych. Maszyny tego rodzaju o dużej mocy znajdują zastosowanie jako
generatory synchroniczne i sÄ… instalowane we wszystkich elektrowniach w celu wytwarzania
energii elektrycznej.
Budowa prÄ…dnic synchronicznych
Prądnice synchroniczne są budowane w dwóch zasadniczych odmianach:
z biegunami utajonymi (z wirnikiem cylindrycznym i uzwojeniem rozłożonym),
z biegunami jawnymi (z wirnikiem jawnobiegunowym i uzwojeniem skupionym).
Rys. 19. Przekrój poprzeczny maszyny synchronicznej: a) z wirnikiem jawnobiegunowym, b) z wirnikiem
cylindrycznym [3]
Na rysunku zaznaczono: uzwojenie stojana  1, uzwojenie wirnika  2, szczotkÄ™  3,
pierścień połączony z końcem uzwojenia wirnika  4.
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
36
Maszyny te różnią się nie tylko budową, ale również właściwościami ruchowymi. Ogólna
zasada budowy prÄ…dnic synchronicznych jest prosta i dotyczy wszystkich maszyn
synchronicznych. Obwód magnetyczny stojana (rdzeń) tworzą pakiety złożone z blach
o gruboÅ›ci 0,35÷0,5 mm. RdzeÅ„ jest osadzony w korpusie wykonanym jako odlew lub
konstrukcja spawana. W żłobkach pakietu twornika jest umieszczone uzwojenie prądu
przemiennego jednofazowe lub trójfazowe. Wirnik prądnicy synchronicznej nie jest
przemagnesowywany, wykonuje się go więc z materiału litego (odkuwka stalowa lub odlew
staliwny). Na wirniku jest umieszczone uzwojenie wzbudzające zasilane prądem stałym,
umieszczone w żłobkach lub na biegunach jawnych. Szczelina powietrzna wynosi 5÷50 mm i
wymaga większych prądów. Powoduje to duże straty mocy wzbudzenia, ale jest korzystne ze
względu na przeciążalność maszyny. Każda maszyna musi mieć odpowiednio wykonany układ
chłodzenia do odprowadzenia ciepła powstałego w wyniku strat w stali i w miedzi.
Szczegółowe rozwiązania konstrukcyjne prądnic zależą od ich prędkości obrotowej oraz mocy
i związanego z nią układu chłodzenia.
Prądnice z biegunami utajonymi to maszyny pracujące z dużymi prędkościami
obrotowymi, najczęściej jako generatory napędzane turbinami parowymi, stąd ich nazwa
turbogeneratory. Ich prędkość wynosi 3000 obr/min, co wymaga uzwojenia dwubiegunowego
w celu uzyskania częstotliwości 50 Hz indukowanego napięcia. Wszystkie turbogeneratory
pracują z wałem w położeniu poziomym.
Do grupy maszyn z biegunami jawnymi należą hydrogeneratory, tj. generatory napędzane
turbinami wodnymi. Ponieważ turbiny wodne mają małe prędkości, to hydrogeneratory muszą
być wykonane z dużą liczbą biegunów sięgającą kilkudziesięciu. Przy małej prędkości
obrotowej siły odśrodkowe są niewielkie i średnice mogą być odpowiednio duże (nawet do
kilkunastu metrów przy mocach kilkaset megawatów). Wirniki takie mają małą długość, do ok.
1m. Maszyny takie najczęściej pracują z wałem pionowym. Nabiegunniki, a czasami całe
bieguny, są wykonane z blachy o grubości ok. 1 mm. W zewnętrznej części nabiegunników
często umieszcza się pręty zwarte na obu końcach przez odpowiednie pierścienie, tworzy się w
ten sposób klatkę tłumiącą lub rozruchową. Pozostałe zasady budowy są podobne do zasad
budowy turbogeneratorów. Moce znamionowe hydrogeneratorów dochodzą do kilkuset
megawatów.
Charakterystyki pracy prÄ…dnicy synchronicznej
Bieg jałowy prądnicy synchronicznej to stan, w którym uzwojenie stojana (twornika) jest
rozwarte, a uzwojenie wirnika jest zasilane prądem wzbudzenia If. Jest to jedyny prąd płynący
w prądnicy przy biegu jałowym, zatem pole magnetyczne występujące w maszynie jest
wytwarzane wyłącznie przez prąd wzbudzenia. Większość linii tego pola przechodzi przez
szczelinę powietrzną do stojana i sprzęga się z jego uzwojeniem. Tę sprzęgającą się część
strumienia nazywamy strumieniem głównym ¦f . Ponieważ wirnik jest napÄ™dzany, wobec tego
strumieÅ„ wiruje i w uzwojeniach fazowych stojana indukujÄ… siÄ™ pod wpÅ‚ywem strumienia ¦f
siły elektromotoryczne o wartości skutecznej:
gdzie: k  współczynnik uzwojenia stojana, N  liczba zwojów uzwojenia stojana, f 
częstotliwość przecinania uzwojeń stojana przez strumień magnetyczny.
Aby otrzymać możliwie sinusoidalny przebieg indukowanej siły elektromotorycznej
w czasie, należy zapewnić jak najbardziej zbliżony do sinusoidalnego przebieg indukcji
magnetycznej w szczelinie powietrznej. Uzyskuje się to przez odpowiednie ukształtowanie
obwodu magnetycznego i ułożenie uzwojeń. Napięcie U indukowane na zaciskach prądnicy
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
37
biegnącej jałowo jest równe napięciu indukowanemu w uzwojeniu twornika Ef (U0 = Ef). Przy
stałej prędkości obrotowej wartość tego napięcia zależy od prądu wzbudzenia If, który określa
¦f. Zależność U0 = f(If) przy n = const nazywamy charakterystykÄ… biegu jaÅ‚owego prÄ…dnicy.
Rys. 20. Charakterystyka biegu jałowego [3]
Charakterystyka ta ma taki sam przebieg jak charakterystyka magnesowania maszyny.
Prądnice synchroniczne najczęściej pracują jaki słabo nasycone i dlatego napięcie
znamionowe nie wykracza poza zakres prostoliniowy charakterystyki. Znajomość
charakterystyki biegu jałowego jest niezbędna nie tylko przy konstruowaniu maszyny, ale także
podczas jej eksploatacji.
Jeżeli prądnica synchroniczna jest obciążona bezpośrednio odbiornikiem pobierającym
prąd, to pracę taką nazywamy indywidualną. Kąt przesunięcia fazowego między napięciem na
zaciskach maszyny i prądem obciążenia zależy od rodzaju odbiornika Przy określonym prądzie
obciążenia o częstotliwości decyduje prędkość obrotowa, natomiast napięcie prądnicy zależy
od prędkości obrotowej i prądu wzbudzenia.
Charakterystyka zewnÄ™trzna U = f(I) dla If = const, cos Æ = const oraz n = const.
Charakterystyka ta określa więc zmiany napięcia na zaciskach uzwojenia twornika
w zależności od zmian wartości prądu obciążenia. Warunki takie występują tylko przy
zmianach obciążenia prądnicy pracującej indywidualnie, wyposażonej w regulator prędkości
i bez regulatora napięcia. Na rys. 21 przedstawiono charakterystyki zewnętrzne prądnicy
nienasyconej dla różnych współczynników mocy (linia kreskowa dotyczy obciążenia
pojemnościowego, dla którego te charakterystyki częściowo nie są stabilne).
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
38
Rys. 21. Charakterystyki zewnętrzne prądnicy cylindrycznej nienasyconej [3]
Z analizy charakterystyk zewnętrznych wynikają następujące wnioski praktyczne:
wzrostowi prądu obciążenia o charakterze indukcyjnym odpowiada zmniejszenie się
napięcia na zaciskach prądnicy,
wzrostowi prądu obciążenia o charakterze pojemnościowym odpowiada w zakresie od
biegu jałowego do obciążenia znamionowego wzrost napięcia na zaciskach prądnicy,
przy obciążeniach pojemnościowych wartości prądów mogą być większe niż wartość [ Pobierz całość w formacie PDF ]