Szinkrongenerátor paraméterek, generátormodell

14.1. Üresjárás

A szinkrongenerátor üresjárási állapotában a gép a névleges fordulatszámával forog, az állórész tekercsekben nem folyik áram (I g =0), az U g kapocsfeszültség az állórészben indukált U s légrésfeszültséggel egyezik meg (U

g = U s), amelynek nagysága a forgórész egyenáramú I f gerjesztésével állítható be (a mágneses remanenciát elhanyagoljuk):

(10-1)

A (10-1) képletben U g az állórészben indukált fázisfeszültség effektív értéke, a névleges fordulatszámhoz ω

=2π50, Ψ g az állórésszel kapcsolódó fluxus (I g =0 esetén megegyezik a Ψ s légrésfluxussal), X ad = ω L ad az állórész és a forgórész közötti mágneses csatolást reprezentáló ún. d irányú főmező reaktancia, az A állandó az állórész és a forgórész közötti áram-átszámítási tényező (a forgórész egyenáram és az ezzel egyenértékű állórészbeli fiktív váltakozó áram effektív értéke közötti átszámítási faktor), I fg =A I f a forgórész áram állórészre átszámított értéke.

Az I f áramot változtatva méréssel meghatározható a szinkrongép U g(I f) üresjárási jelleggörbéje (10-1a. ábra), ami a forgórész és állórész vastest mágneses telítődése miatt nemlineáris jellegű, tehát az X ad főmező reaktancia az I f függvényében folyamatosan változik (növekvő I f-nél X ad csökken). Telítetlen értéke X adL, amely a mágnesezési görbe kezdeti (lineáris) szakaszára jellemző.

A névleges U gn fázisfeszültséghez üresjárásban I fo gerjesztés szükséges, a mágnesezési görbe ezen pontjához az X adn reaktanciát rendeljük, amelyet a továbbiakban a főmező reaktancia telített értékének tekintünk.

10-1. ábra: Szinkrongenerátor üresjárásbana) üresjárási jelleggörbe, b) áramgenerátoros modell, c) feszültséggenerátoros modell, d) fazorábra üresjárához

A jelleggörbe kezdeti lineáris U L szakaszára, illetve az U gn névleges feszültségéhez tehát írható:

(10-2a) illetve

(10-2b)

A 10-1b. ábrán a szinkrongép áramgenerátoros modellje látható üresjárási állapotra. Üresjárásban az I fg =AI f

áram hozza létre az állórészben indukált U s légrésfeszültséget. Az állórészt a generátor U g kapocsfeszültsége és az U s légrésfeszültség közötti X s (üresjárásban árammentes) szórási reaktanciával jellemezzük, az állórész tekercselés ohmos ellenállása a feszültségviszonyok vizsgálatánál elhanyagolható.

14.2. Pólusfeszültség, szinkron reaktancia

A 10-1c. ábra a szinkrongép feszültséggenerátoros modelljét mutatja, amely az áramgenerátoros modell (generátorkapcsokra nézve) egyenértékű átalakításával határozható meg. A modell forrásfeszültsége a csak üresjárásban mérhető

(10-3)

ún. pólusfeszültség, amely a szinkrongép állandósult állapotára jellemző X d (d irányú)szinkron reaktancia mögötti feszültségként értelmezhető. A szinkron reaktanciát d irányban az

szerint definiáljuk, amelynek telítetlen, illetve telített értéke:

(10-4)

A 10-1d. ábrán az üresjárásban érvényes, a forgórésszel együtt forgó koordináta rendszerben megrajzolt fazorábra szerepel, amelyhez U g =U s = U p, a pólusfeszültség a d irányú gerjesztéshez képest 90°-ot siet, tehát q irányú.

Megemlítjük, hogy a generátor ún. keresztirányú szinkron reaktanciája

módon értelmezett, amelyben X aq a q irányú főmező reaktancia. Az X aq mágneses telítődése az üzemi áramok tartományában elhanyagolható és az X aq=X aqn paraméterrel helyettesíthető, amelyhez X aqn < X adn tehát X qn < X dn.

14.3. Rövidzárás

A szinkrongenerátor állandósult háromfázisú kapocs-rövidzárási állapotában a gép a névleges fordulatszámával forog, a kapocsfeszültség zérus (U g=0), az állórész tekercsekben I g rövidzárási áram folyik, amelynek nagysága a forgórész I f gerjesztő árama szerint változik. Az állórész áram az áramgenerátoros modell alapján áramosztással fejezhető ki:

(10-5a)

Az I g az I f növelésekor gyakorlatilag arányosan növekszik (a jelleggörbe egyenes), a névleges I gn fázisáramhoz az I fz rövidzárási forgórészgerjesztés szükséges. Az állórészben indukált U S feszültséget (amely az állórész áramot kényszeríti) a forgórész áram és az állórész áram közös forgó mezője hozza létre. Az I g az állórész ellenállását elhanyagolva 90°-ot fokot késik az indukált feszültséghez képest és jelentősen csökkenti a forgórész gerjesztő hatását (ezt nevezik armatura reakciónak).

Jelöljük az eredő d irányú gerjesztést I ad–vel, az állórész áram most d irányú, I d=I g, így

(10-5b)

Az I fz és I gn értékpárhoz az állórészben indukált U m és az U g kapocsfeszültség az

(10-5c)

és

(10-5d)

egyenletekkel írható le. Ezen U m=X s I gn feszültség indukálásához az üresjárási jelleggörbe alapján az I adm=AI fm

eredő gerjesztő áram kell. Szükséges tehát az (AI fz-I gn)=AI fm egyenértékűsége, vagy másként fogalmazva az I gn

állórész áram gerjesztési szempontból A(I fz-I fm) értékű forgórész áramot hatástalanít. Ezek alapján - a jó közelítéssel állandónak vehető - A átszámítási tényező meghatározható:

(10-6)

A szinkrongenerátorra jellemző villamos paraméter az ún. rövidzárási viszony(szám), amelyet az üresjárásban névleges feszültséget, rövidzárásban névleges áramot eredményező forgórész áramok aránya szerint az

(10-7)

módon definiálunk. Az RV nagyobb teljesítményű, hengeres forgórészű generátorokhoz általában 0,5 körüli érték. Ez azt mutatja, hogy az I fo árammal névleges feszültségre gerjesztett, majd háromfázisúan rövidre zárt RV=0,5 paraméterű generátor állandósult kapocszárlati árama a névleges áramnak csak a fele értéke, ha gerjesztést rövidzáráskor továbbra is I fo állandó értéken tartjuk.

14.4. Generátoradatok állandósult üzemállapothoz

Tájékoztatásként egy Magyarországon régebben elterjedt, ORV 220 típusjelű generátorhoz adunk meg adatokat a 10-1. táblázatban. A reaktanciák az ún. névleges terhelési impedanciára viszonyított értékek (Z n=1 ve., illetve Z n=100%) és névleges (50 Hz) frekvenciára vonatkoznak.

n névleges forgórész-fordulatszám 3000 1/perc

XadL hosszirányú főmező reaktancia, 2,62 ve.

telítetlen érték

Xadn hosszirányú főmező reaktancia,

telített érték

1,94 ve.

XdL hosszirányú szinkron reaktancia,

telítetlen érték

2,82 ve.

Xdn hosszirányú szinkron reaktancia,

telített érték

2,14 ve.

Xaq keresztirányú főmező reaktancia

(telített érték)

10-1. táblázat: Paraméterek egy ORV 220 típusú szinkrongenerátor állandósult üzeméhez

14.5. Az U

-X

modell

A generátor áramköri modellje és az üzemállapotok minőségi jellegű vizsgálata jelentősen egyszerűsíthető, ha a hossz- és keresztirányú főmező reaktanciák közötti eltérést (Xaq<Xad) elhanyagoljuk, vagyis nem vesszük figyelembe a mágneses telítődést és a modellt a d és q irányban azonos Xd=Xq=Xdn szinkron reaktanciával képezzük. Az Xq=Xd hengeres forgórészű generátorhoz elfogadható közelítésnek mondható, a mágneses telítődés elhanyagolása is megengedhető, mert a légrésfeszültség az üzemi terhelési tartományban a névleges kapocsfeszültséghez közelálló értékű.

Az Up-Xd modellben a 10-1c. ábra alapján az Ug kapocsfeszültség, az Ig állórész áram és az Up pólusfeszültség fazorok közötti összefüggés az

(10-8)

alakban írható fel, amelyhez tehát X d=X dn és U p=X adn AI f.