Generatorji in transformatorji
Laboratorijska vaja 3
Ime in priimek:
Datum in ura:
1
Ocena poročila:
Besedilo naloge
Trifazni asinhronski motor s kratkostično kletko, ki ga poganja drugi asinhronski motor,
napajan s frekvenčnim pretvornikom, uporabite kot asinhronski generator.
a)
Pri obratovanju generatorja na omrežju izmerite obremenilno karakteristiko.
b)
Za otočno obratovanje asinhronskega generatorja določite ustrezno kapacitivnost
kondenzatorjev in izmerite obremenilno karakteristiko pri nespremenljivi hitrosti vrtenja.
2
Vezalni načrt
3-FAZNI ANALIZATOR MOČI
U
L1
FREKVENČNI
PRETVORNIK
L1
V
L2
L2
L3
W
L3
Slika 1: Vezalni načrt za meritve asinhronskega generatorja (AG) pri obratovanju na omrežju.
3-FAZNI ANALIZATOR MOČI
3-FAZNI VARIAK
U
R
FREKVENČNI
PRETVORNIK
L1
V
L2
R
L3
W
R
C
C
C
Slika 2: Vezalni načrt za meritve asinhronskega generatorja (AG) pri otočnem obratovanju.
3
Opis merilnih metod
3.1 Obratovanje asinhronskega generatorja na omrežju
Asinhronski stroj, ki ga želimo uporabiti kot generator, bo priključen na omrežje nazivne
napetosti in frekvence. Da stroj preide v generatorski način obratovanja in v omrežje oddaja
3-1
Generatorji in transformatorji
električno energijo, je potrebno hitrost vrtenja rotorja dvigniti nad hitrost vrtilnega magnetnega
polja v stroju (s = 0), ki jo določa omrežna frekvenca in število magnetnih polov (slika 3).
M
Mn
MOTOR
s>0
0
1
0
sn
-1
sg
Mg
s
GENERATOR
s<0
-M
Slika 3: Navorna karakteristika asinhronskega stroja in delovne točke v motorskem in generatorskem načinu
obratovanja.
Postopek priključitve generatorja na omrežje in dviga vrtilne hitrosti je naslednji:
1.) S pogonskim asinhronskim motorjem (AM), napajanim s frekvenčnim pretvornikom,
zavrtimo asinhronski generator (AG), ko ta še ni priključen na omrežje. Preverimo smer
vrtenja in nato pogonski AM izključimo.
2.) Pri izključenem AM, priključimo AG na omrežje nazivne napetosti in frekvence, da se le ta
vrti kot motor v prostem teku. Preverimo smer vrtenja, ki mora biti enaka smeri vrtenja
pogonskega AM. V kolikor je potrebno spremeniti smer vrtenja, izključimo napajanje ter
zamenjamo priključka dveh faz. Asinhronski generator ponovno priključimo na omrežje.
3.) Izmerimo vrtilno hitrost in pri izključenem napajanju AM, na frekvenčnem pretvorniku
nastavimo izmerjeno vrednost. Na frekvenčnem pretvorniku nato vključimo napajanje AM.
Funkcija "letečega zagona" poskrbi za sinhronizacijo hitrosti obeh strojev.
3.) Z dvigovanjem vrtilne hitrosti AM preide AG v nadsinhronizem in s tem v generatorsko
obratovanje. Merilnik električne moči je priključen v generatorskem smislu: pozitiven
predznak delovne moči pomeni da AG oddaja električno energijo v omrežje, negativen pa
ravno nasprotno. Izmerjena delovna moč v prostem teku AG ima zato negativen predznak,
faktor moči (cosϕ) pa kapacitiven karakter.
3.1.1 Obremenilna karakteristika
Z višanjem vrtilne hitrosti se povečuje negativni slip in s tem tudi delovna moč, ki jo AG oddaja v
omrežje. Jalovo komponento moči, ki je potrebna za magnetenje stroja, generator še vedno dobi
iz omrežja, saj preko gredi lahko prejme in pretvori le mehansko (delovno) moč, tako da ima
faktor moči, še vedno kapacitivni karakter.
Izmerimo obratovalne delovne točke AG od prostega teka do take obremenitve, kot jo še
omogočajo nazivne vrednosti strojev. Z analizatorjem moči (slika 1) merimo električne količine,
vrtilno hitrost pa s tahometrom. Rezultate meritev predstavimo v skupnem diagramu, kjer v
odvisnosti od oddane delovne moči P2 podamo tok I2, faktor moči λ2, vrtilno hitrost n in
izkoristek η.
3-2
Generatorji in transformatorji
3.1.2 Izračun mehanske moči na gredi
Mehanske moči na gredi stroja ne merimo, a približno vrednost lahko določimo posredno preko
vrtilne hitrosti oziroma slipa. Na sliki 3 vidimo, da je navorna karakteristika v območju med
nazivno (nn; sn) in sinhronsko vrtilno hitrostjo (ns; s = 0) praktično linearna, zato lahko tudi v
generatorskem področju izračunamo navor s pomočjo izmerjenega slipa:
Mg
sg
=
Mn
,
sn
(1)
pri čemer nazivni navor Mn in nazivni slip sn izračunamo iz nazivnih podatkov asinhronskega
motorja, ki ga uporabljamo za generator:
Mn =
sn =
Pn Pn 60
,
=
ωn 2π nn
(2)
ns − nn
.
ns
(3)
Navor, ki ga razvija motor (Mm) je v resnici večji od nazivnega (bremenskega) navora na gredi
(Mn), saj mora kriti tudi navor trenja in ventilacije (Mtv). Če izgube trenja in ventilacije
zanemarimo, lahko pri računanju uporabimo enačbo (1).
Nazivni navor in nazivni slip sicer določata oddano mehansko moč, vendar ti vrednosti nista
določeni z isto delovno točko na navorni karakteristiki stroja (slika 4), saj velja:
Mn = Mm − Mtv .
(4)
M
Mm
Mtv
Mn
A
M0=Mtv
0
sg s
sn s' s0
Mg
Slika 4: Linearni del navorne karakteristike asinhronskega stroja.
Izgube trenja in ventilacije se pri asinhronskih strojih največkrat določajo s karakteristiko
prostega teka, a si lahko pomagamo tudi le s podatki preizkusa prostega teka motorja, saj vemo,
da je takrat navor motorja enak navoru trenja in ventilacije (točka A na sliki 4). Če
predpostavimo, da se na omejenem območju hitrosti navor trenja in ventilacije le malo
spreminja, je le-ta pri nazivni hitrosti enak tistemu v prostem teku motorja, tako da lahko
zapišemo:
M
Mn
Mn
=
= 0
s ' s n − s0 s0
(5)
in izračunamo navor trenja in ventilacije:
M tv = M 0 =
s0
Mn .
sn − s0
(6)
3-3
Generatorji in transformatorji
Razmerje v enačbi (1) lahko sedaj dopolnimo z Mtv, tako da se glasi:
Mg
sg
=
M n + M tv
.
sn
(7)
Asinhronski stroj v motorskem režimu obratovanja z svojo mehansko močjo krije tudi lastne
izgube trenja in ventilacije, v generatorskem režimu pa mehanske izgube krije pogonski stroj.
Pri izračunu izkoristka AG moramo poznati celoten pogonski navor (Mp), zato generatorskemu
navoru (Mg) prištejemo še navor trenja in ventilacije:
M p = M g + M tv ,
(8)
tako da je izkoristek AG:
η=
Pel
Pel 60
=
.
Pmeh ( M g + M tv )2π ng
(9)
3.2 Otočno obratovanje asinhronskega generatorja
Asinhronski stroj lahko obratuje kot generator tudi otočno, vendar pa moramo v tem primeru
zagotoviti ustrezno jalovo moč, ki zagotavlja magnetenje stroja, saj generator preko gredi
prejema le mehansko (delovno) moč. Najpogostejši način je ta, da na sponke statorskega navitja
priključimo kondenzatorje. Ker gre za trifazno navitje potrebujemo tri kondenzatorje, ki jih
vežemo v zvezdo ali trikot.
Če želimo, da se na asinhronskem generatorju inducira ustrezna (nazivna) napetost, moramo
kondenzatorje ustrezno dimenzionirati. Načinov za določevanje kapacitivnosti je več, opisali
bomo dva in sicer metodo s karakteristiko prostega teka ter metodo s kompenzacijo jalove moči.
3.2.1 Določitev kondenzatorjev s karakteristiko prostega teka
Pri tej metodi najprej izmerimo karakteristiko prostega teka asinhronskega motorja, ki podaja
odvisnost napetosti od magnetilnega toka. Izmerimo jo tako, da motor v prostem teku
priključimo na napetost, ki je približno 15% višja od nazivne, potem pa le-to zmanjšujemo do
približno 25% nazivne vrednosti. Pri teh napetostih, večino toka prostega tega predstavlja
magnetilni tok (jalova komponenta), pri nižjih vrednostih pa bi izgube trenja in ventilacije,
zaradi majhnega navora motorja, že predstavljale obremenitev in delovna komponenta toka bi
prevladala. Večinoma se pri tej meritvi zadovoljimo le z merjenjem napetosti in toka, v kolikor
pa merimo tudi delovno moč, lahko magnetilni tok (Iµ) v vsaki merilni točki izračunamo s
pomočjo faznega kota:
Iµ = I sin ϕ .
(10)
V karakteristiko prostega teka, vrišemo karakteristiko kapacitivne reaktance (slika 5). Točko
presečišča izberemo nekoliko nad napetostjo pri kateri želimo da bi obratoval obremenjen
generator (npr. Un), saj bo zaradi padcev napetosti na upornosti in stresani induktivnosti,
napetost na sponkah nižja od inducirane.
Presečišče karakteristik določa napetost in tok kondenzatorjev in omogoča izračun
kapacitivnosti pri vezavi kondenzatorjev v zvezdo:
XC =
C=
U
1
= 0 ,
ωC
3 IC
(11)
IC 3
.
2π f U0
(12)
3-4
Generatorji in transformatorji
U
UC =
Iµ
KPT
ωC
U0
Un
IC
Iµ
Slika 5: Določanje kapacitivnosti s pomočjo karakteristike prostega teka.
V kolikor kondenzatorje vežemo v trikot se kapacitivnost posameznega kondenzatorja zmanjša
na tretjino, zato tudi v praksi pogosteje uporabimo tako vezavo:
C∆ =
CY
.
3
(13)
Slabost opisane metode je ta, da je potrebno izvesti meritev karakteristike prostega tega
asinhronskega motorja, kar pa ni potrebno pri metodi s kompenzacijo jalove moči, saj za izračun
kapacitivnosti uporabimo kar nazivne podatke stroja, ki jih dobimo na napisni tablici.
3.2.2 Določitev kondenzatorjev s kompenzacijo jalove moči asinhronskega motorja
Iz nazivnih podatkov asinhronskega motorja (Un, In, cosϕn, fn) lahko izračunamo kolikšna je
jalova (reaktivna) komponenta moči pri nazivnem obratovanju. Reaktivna moč je tista, ki je
potrebna za magnetenje, zato mora biti tej enaka reaktivna moč kondenzatorjev:
Q = 3 U n In sin ϕn .
(14)
Če so kondenzatorji vezani v zvezdo velja:
2
( )
Q =3
Un
3
Xc
C=
= U n22π f n C ,
(15)
3 In sin ϕn
.
U n 2π f n
(16)
Vidimo, da je enačba za izračun kapacitivnosti enaka enačbi (1212121212121212), saj je v obeh
primerih v števcu magnetilni tok, enkrat dobljen iz karakteristike prostega teka, drugič pa kot
jalova komponenta nazivnega toka. Opisana kompenzacijska metoda sicer ne zahteva meritev,
vendar pa ne omogoča izbire delovne točke, kot metoda s karakteristiko prostega teka.
3.2.3 Obremenilna karakteristika pri nespremenljivi hitrosti vrtenja
Pri meritvi obremenilnih karakteristik bomo asinhronski generator obremenjevali z ohmskim
bremenom. Čeprav bomo velikost bremena nastavljali s trifaznim variakom (slika 2), ki
bremenskemu tokokrogu doda induktivni karakter, bo faktor moči (cosϕ) blizu 1, razen pri
najmanjših obremenitvah,.
Obremenilno karakteristiko bomo izmerili tako, da bomo povečevali breme (delovno moč), s
pogonskim motorjem pa poskrbeli, da bo hitrost vrtenja nespremenljiva. Tako obratovanje je
značilno za asinhronski generator, katerega pogonski stroj ima regulacijo vrtilne hitrosti in ne
zahteva merjenja električnih količin. Vrtilna hitrost, pri kateri izmerimo karakteristiko, naj bo
enaka nazivni sinhronski hitrosti asinhronskega generatorja. Podobno kot pri obremenilni
3-5
Generatorji in transformatorji
karakteristiki asinhronskega generatorja na omrežju, izdelamo en diagram, kjer v odvisnosti od
oddane delovne moči P2 podamo naslednje količine: napetost U2, tok I2, faktor moči λ2 in
frekvenco f.
4
Vprašanja za razmislek
a)
Utemeljite kapacitivni karakter faktorja moči, ki ga kaže analizator moč v prostem teku
asinhronskega motorja na omrežju.
b)
Zakaj je pri vezavi kondenzatorjev v trikot potrebna trikrat manjša kapacitivnost?
c)
Kako izračunamo slip pri obratovanju generatorja z nespremenljivo vrtilno hitrostjo?
5
Literatura
[1] F. Avčin, P. Jereb, Preizkušanje električnih strojev, Tehniška založba Slovenije, 1983.
[2] Damijan Miljavec, Peter Jereb, Električni stroji - temeljna znanja, FE, Ljubljana, 2008.
[3] I. Zagradišnik, B. Slemnik, Električni rotacijski stroji, FERI, Maribor, 2001.
6
Nevarnosti pri delu
POZOR, NEVARNOST ELEKTRIČNEGA UDARA!
NAPAJALNA IZMENIČNA IN ENOSMERNA NAPETOST DO 400 V.
MERILNO VEZJE, INSTRUMENTE IN NAPRAVE VEDNO VEŽITE, PRIKLAPLJAJTE
ALI ODKLAPLJAJTE V BREZNAPETOSTNEM STANJU!
MED MERITVIJO SE NE DOTIKAJTE MERILNIH VEZI, PRIKLJUČNIH SPONK IN
MERJENCA!
POZOR, NEVARNOST OBLOKA IN VISOKE INDUCIRANE NAPETOSTI!
OB PREKINITVI ENOSMERNIH TOKOKROGOV OBSTAJA MOŽNOST NASTANKA
ELEKTRIČNEGA OBLOKA IN INDUCIRANJA VISOKIH NAPETOSTI.
POZOR, NEVARNOST DOTIKA VRTEČIH SE DELOV STROJA!
ZARADI IZVAJANJA MERITEV, VSI VRTEČI DELI NISO MEHANSKO ZAŠČITENI.
MED OBRATOVANJEM STROJA SE NE DOTIKAJTE IN NE SEGAJTE V OBMOČJE
VRTEČIH SE DELOV STROJA!
PO IZKLJUČITVI STROJA POČAKAJTE, DA SE LE-TA USTAVI!
3-6