7

Budowa i zasada działania prądnicy synchronicznej ( trójfazowej)

Główne elementy składowe prądnicy to:

1.      stojan z umieszczonymi w nim trzema ramkami (cewkami)

2.      wirnik z uzwojeniem zasilanym ze źródła prądu stałego.

Rys. 1.

Aby lepiej wykorzystać miejsce na obwodzie stojana ramki w prądnicy synchronicznej wykonane są w postaci cewek wielozwojowych, zwanych fazami. Każda z faz ma jednakową liczbę zwojów. Poszczególne zwoje faz umieszcza się w żłobkach stojana, a dla każdej fazy przypada na obwodzie stojana kilka, lub kilkanaście żłobków. Rysunek 1 przedstawia zwoje faz w sposób uproszczony, tzn. Przyjęto że jedna faza składa się z jednego zwoju umieszczonego w jednej parze żłobków. W rzeczywistości, tych zwojów jest kilkadziesiąt.

Rys 2.

Rysunek 2 przedstawia uzwojenie jednej fazy, składające się (na rysunku) również z jednej cewki.

Początki cewek oznacza się zwykle literami U,V,W z indeksem 1, natomiast końce U,V,W z indeksem 2. Cewkę U1 U2, umieszcza się w dwóch żłobkach stojana, co obrazuje rysunek 3.

Rys 3.

Stojan prądnicy synchronicznej wykonany jest w postaci walca grubościennego, powstałego ze złożenia pakietu blach żelaznych.

Wirniki prądnic trójfazowych wykonuje się jako jawnobiegunowe , lub cylindryczne (Rys. 4)

Wirniki cylindryczne stosuje się zwykle w maszynach szybkobieżnych.

Są dwa zasadnicze sposoby wykonania go. Może być zrobiony z odkuwki z żelaza, lub podobnie jak stojan, z pakietów blach.

Rysunek 4 pokazuje w przekroju uzwojenie wirnika z zaznaczonymi kierunkami prądu w poszczególnych prętach oraz pierścienie doprowadzające prąd do uzwojenia wzbudzenia.

Prąd zasilający uzwojenie wzbudzenia czerpany jest z osobnego źródła. W praktyce na wale prądnicy umieszczona bywa dodatkowo mała prądniczka samowzbudna prądu stałego, która w czasie pracy prądnicy synchronicznej służy do zasilania uzwojeń magnesów. Siły elektromotoryczne, indukowane w poszczególnych fazach stojana, można przedstawić w postaci zależności:

eU = Em ∙ sinω ∙ t

eU = Em ∙ sin (ω ∙ t – 1200)

eU = Em ∙ sin (ω ∙ t – 2400)

Powyższe zależności wynikają z przesunięcia względem siebie poszczególnych ramek o kąt 1200.

Każdą z faz prądnicy trójfazowej można uważać za źródło prądu przemiennego i zasilać z nich poszczególne odbiorniki.

Rysunek 5 przedstawia schemat elektryczny prądnicy trójfazowej na którym widoczne są uzwojenia trzech faz. Uzwojenia fazowe mogą być skojarzone w gwiazdę, bądź w trójkąt.

W układach trójfazowych, wprowadza się pojęcie napięcia fazowego, Uf, oraz napięcia międzyprzewodowego – Up.

Napięcie fazowe to różnica potencjałów między przewodem fazowym, a zerowym, (zwanym również neutralnym), czyli różnicę potencjałów między początkiem i końcem jednej fazy.

Napięcie międzyprzewodowe to różnica potencjałów między dwoma przewodami fazowymi. Odbiorniki jednofazowe jak grzejniki, żarówki można łączyć między przewód fazowy a przewód zerowy, lub między dwa przewody fazowe, odbiorniki trójfazowe natomiast, pracujące na napięciu międzyprzewodowym, łączy się z przewodami fazowymi.

Przy połączeniu w trójkąt, napięcie międzyprzewodowe jest równe napięciu fazowemu prądnicy, czyli:

UfΔ = UpΔ

Moc znamionową „S” prądnicy, określa się w kilowoltoamperach, ponieważ wartość mocy czynnej P zależy od wypadkowego współczynnika mocy włączonych do sieci odbiorników, według zależności:

P = S ∙ cosφ = ∙ U ∙ J ∙ cosφ ∙ 10-3 kW

gdzie:

P – moc czynna prądnicy [kW],

S – moc pozorna [kV ∙ A],

cosφ  - współczynnik mocy,

U – napięcie międzyprzewodowe prądnicy [V],

I – prąd przewodowy obciążenia [A].

Napięcie prądnicy synchronicznej reguluje się poprzez zmianę wartości strumienia magnetycznego biegunów, który zależy od wartości prądu wzbudzenia. Dla pracy na wspólną sieć, prądnice musza mieć zupełną zgodność napięcia w czasie, czyli musza pracować w synchroniźmie. Dlatego włączenie prądnicy do pracy równoległej do sieci zasilanej równocześnie z innych prądnic, wymaga przeprowadzenia „synchronizacji”. Polega ona na wyregulowaniu napięcia prądnicy do wysokości napięcia sieci, z równoczesnym zrównaniem faz tych napięć. Częstotliwości prądnicy i sieci, musza być sobie równe.

Proces wytwarzania energii elektrycznej w elektrowni cieplnej.

Charakterystyka ogólna elektrowni:

Elektrownie cieplne z generatorami termoelektrycznymi i termoemisyjnymi cechuje duża trwałość, prostota eksploatacji, duża niezawodność pracy (brak części ruchomych), a także duża gęstość mocy (do 80 W/cm2). Wadami tego typu elektrowni są wysokie koszty budowy, wysokie temperatury pracy (ponad 1500K), małe sprawności (10 – 25%).

Zaletą elektrociepłowni jest jednoczesne wytwarzanie energii elektrycznej oraz energii cieplnej, której nośnikiem jest para niskoprężna lub woda gorąca. W urządzeniach służących do wytwarzania energii zachodzą następujące przemiany energetyczne: przemiana energii chemicznej zawartej w paliwie w energię cieplną spalin, a następnie w energię cieplną pary  wodnej. Przemiana ta odbywa się w wysokoprężnych kotłach parowych. Dalsze przemiany energii w energię mechaniczną i elektryczną oraz energię cieplną pary niskoprężnej następują w turbozespołach, które składają się z turbin parowych i prądnic synchronicznych (turbogeneratorów). Wodę gorącą otrzymuje się w zespole podgrzewaczy zasilanych parą niskoprężną albo w osobnych kotłach wodnych.

Podziału elektrociepłowni dokonuje się w zależności od rodzaju turbin parowych, które mogą być przeciwprężne, upustowo-przeciwprężne i upustowo-kondensacyjne. Elektrociepłownie można również dzielić na zawodowe, które zasilają sieci ciepłownicze w energię cieplną głównie do celów grzejnych oraz przemysłowe, które oddają energię cieplną głównie do celów technologicznych.

Dobór głównych urządzeń elektroenergetycznych i cieplnych elektrociepłowni, tj. kotłów parowych i wodnych oraz turbozespołów, jest zależny do planowego obciążenia cieplnego i jego zmienności w czasie. Całkowite obciążenie cieplne elektrociepłowni składa się z obciążenia technologicznego i grzejnego. Obciążenie cieplne może występować zarówno w postaci pary lub gorącej wody. Podstawową część obciążenia cieplnego jest pokrywana z wylotu przeciwprężnego lub upustu turbiny, zaś część szczytowa – z reduktora lub osobnych kotłów szczytowych (parowych lub wodnych). Regulacja mocy cieplnej ma na celu dostosowanie wydajności urządzeń elektrociepłowni do zapotrzebowania na ciepło. Możliwe są trzy rodzaje regulacji:

-                                  jakościowa, w której strumień masy wody jest stały, zmieniają się natomiast temperatury wody, 

-                                  ilościowa, w której temperatury wody są stałe, zmienia się natomiast strumień masy wody,

-                                  mieszana, jakościowo-ilościowa, w której strumień masy wody zmienia się skokowo przy przejściu z jednego przedziału zmienności temperatur do drugiego, a wewnątrz tych przedziałów odbywa się regulacja jakościowa.

Przykładowe dane turbin parowych stosowanych w elektrowniach cieplnych.