1.8 P-Q diagram
A szinkrongép üzemállapotainak vizsgálatánál látható volt, hogy a gép működését sok tényező befolyásolja stabilitás, gerjesztés, terhelés stb.. A gerjesztő gépeknél megfigyelt korlátozások szintén egy behatárolt működési területet határoztak meg. Itt a védelmeket nem érdemes külön vizsgálni, hiszen ezekkel szoros összhangban vannak a korlátozások.
Szinkrongép működési elvénél többféle leíró képet vizsgáltunk meg jelleggörbék, kördiagramm, vaktorábrák. Ezekkel azonban egy egységes kép kialakítása lehetetlen illetve rendkívül nehézkes volna.
A vektorábrák származtatásánál felírtunk egy feszültség és egy áram egyenletet.
Ha a vektorábrát szétbontjuk az egyenleteknek megfelelő két részre, megfigyelhetjük, hogy a jellemző mennyiségek teljesítménytényező, terhelési szög, gerjesztés mindkettőben megtalálhatók. Továbbiakban foglalkozzunk csak az áram résszel. 50 ábra.
Az áramnak az egyik tengelyre vett vetülete Im a másikra Iw-os. Ha az összetevőket megszorozzuk √3·U-val, akkor megkapjuk egyrészt P=√3·U·Iw leadott wattos teljesítményt, másrészt Q=√3·U·Im leadott meddő teljesítményt. Ezen meggondolás alapján az áram "diagram " átalakítható az úgynevezett P-Q diagrammá. 51. ábra.
Vizsgálatunk célja, hogy az állandónak feltételezett armatúra áram - aminek a diagrammban berajzolt kör felel meg - az egyes üzemállapotoknak megfelelően, hogyan korlátozódik. A továbbiakban ezeket vizsgáljuk meg.
Maximális teljesítmény
A generátort és turbinát egymásnak megfelelően méretezik, azaz a generátor által szolgáltatott maximális teljesítmény nem léphet túl egy adott Pmax értéket. Mivel :
a teljesítménynek határt szab a kapocsfeszültség megengedhető értéke, valamint normál értékű gerjesztés esetén nem kerülhet a gép a labilis szakaszra. Ezenkívül a melegedés és mechanikai szilárdság is behatárolja a teljesítményt. Ezt az értéket bejelöltük az 51. ábrán.
Stabilitás
A teljesítmény növekedésével növekszik a terhelési szög. A stabilitás határa 90°. A gyakorlatban eddig sose növekedhet a teljesítmény. A stabilitási tartalék tényező gyakorlatilag 20%, amihez 53°-os terhelési szög tartozik.
Ez az állapot az alulgerjesztett üzemmódhoz tartozik.
Állórész homlokoldal melegedés
A 400 KV-os távvezeték üzeme főleg az éjszakai időszakban jelentős meddő teljesítmény termelésével jár. Ezt a teljesítményt gazdaságos erőművekkel elfogyasztani. Ez alulgerjesztett üzemben valósul meg. Természetesen itt is a megfelelő mennyiségű hatásos teljesítményt a generátornak szolgáltatnia kell.
Homlokoldal felépítése
Alulgerjesztett üzemben a terhelhetőséget a stabilitás mellett a szerkezeti elemek melegedése is befolyásolja. A tekercsfejek szórt fluxusának vastestbe való behatolását egy vörösréz tárcsa akadályozza meg. Ezt egy antimágneses szorító tárcsa rögzíti a vastest homlokfalához. A szorítótárcsa ujjai között nagysebességű hidrogén hűti a homlokfal szerkezeti elemeit. Az árnyékoló tárcsa melegedését hőelemekkel mérték. A vizsgálat szerint a tárcsa túlmelegedése alulgerjesztett üzemben jelentősebb volt mint rövidzárási illetve túlgerjesztett üzemben. A homlokoldali pontok melegedését a következő egyenlettel írhatjuk le:
x = korrekciós tényező
IS = armatúragerjesztés visszahatásásnak forgórészre redukált értéke
IG = gerjesztés
ε = Λr/Λs = forgórész és az állórész szórt fluxusa által létrehozott vezetőképességek hányadosa
θ = melegedési állandó
It = melegedést fokozó fiktív rotoráram
Δt = túlmelegedés
A fenti képlet alapján megrajzolhatjuk állandó értékű armatúra áram mellett a túlgerjesztett és alulgerjesztett állapotot. (A vektorábrán gerjesztések szerepelnek.)
Látható, hogy ugyanakkora armatúra áram mellett alulgerjesztett üzemben a melegedést okozó Iε nagyobb. θ, ε, x értékeit próba mérésekből határozzák meg.
A homlokoldal melegedése cosφ=1 köröli értéken jelentős.
Forgórész és állórész melegedés
Hőmérséklet mérésekből kiderült, hogy mivel a forgórész megfelelő hűtésű ezért ennek melegedése nem befolyásolja jelentősen a terhelhetősséget. A teljesítmény növelés tehát az állórész melegedéstől illetve hőmérséklettől függ cosφ=0,85 túlgerjesztett) és cosφ=0,95 (alulgerjesztett) teljesítmény tényező között. Így megrajzolhatjuk a teljes P-Q diagramot. A tengelyeken relatív egységeket tüntettünk fel.
AB: gyakorlati stabilitás határa
C: állórész homlokoldali melegedés határa
CD: állórész tekercselés melegedés határa
DE: forgórész tekercselés melegedés határa
DG: Hajtógép teljesítmény határa
A gerjesztő gépek fejezetben tárgyalt korlátozások is ezen működési tartományon belül érvényesek.
P-Q diagramm alakulása
Az 56. ábrából leolvasható,m hogy feszültség csökkenésével a szinkrongép terhelhetősége csökken. Ez megegyezik az elméletileg megállapítottakkal, hiszen a kapocsfeszültség csökkenésével csökken a teljesítmény lsd. 1.4 fejezet.
A gép terhelhetősége erősen függött a melegedéstől. Most vizsgáljuk meg a diagramm alakulását különböző hűtővíz sebesség esetén.
Amennyiben a diagramm névleges feszültségre vonatkozik, az 1 vízhűtés nélküli görbéhez képest a 2 vízhűtéses görbe a teljesítmény tartományt kitolja az alulgerjesztett üzemben.
Vizsgáljuk meg mi történik, ha így csökkentett kapocsfeszültségen hűtjük az árnyékoló tárcsát.
A csökkentett kapocsfeszültség miatt a kivehető teljesítmény is csökken. Vízhűtéssel elérhető, hogy a gépünkből az elméleti maximális teljesítményt kivegyük. Megfelelő sebességű vízhűtéssel névleges feszültségen elérhető, hogy a homlokoldal melegedése gyakorlatilag nem korlátozza a meddőnyelési képességet. A mukadiagramm megrajzolásánál figyelembe kell venni a hűtőgáz maximális melegedését és a gáz sebességét (kb. 2-2.5 m/s).