1.6 Generátor üzemállapotainak vizsgálata
Önállóan üzemelő generátor szabályzása
Először az önállóan üzemelő generátor üzemviszonyait vizsgáljuk meg. A generátornak minden pillanatban a fogyasztók által igényelt energiát kell szolgáltatnia azokkal a feltételekkel mik szerint a frekvencia a névleges 50 Hz legyen, és a feszültség se térjen el a névlegestől, illetve adott tűréshatáron belül mozogjon mindkét jellemző. A megvizsgált állapotok egyrészét már áttekintettük az eddigiek során (jelleggörbék, vektorábrák). A következőkben a három legfontosabb esetet vizsgáljuk meg, mikor a generátor terhelési jellemzőinek változása miatt az előbbiekben említett fogyasztói oldalról fontos jellemzők (U, f) megváltoznának.
Terhelés változás állandó cosφ mellett
Vizsgálathoz a túlgerjesztett gép vektorábráit használjuk, hiszen a hálózat számára meddőt kell a generátornak termelni. Ha a terhelési áram megnövekszik Ia-ról I'a-re, akkor megnövekszik a szinkron reaktancián eső feszültség is I'a·jXd-re. Ha Up feszültség és evvel a gerjesztés állandó, akkor a megnövekedett belső feszültségesés a terhelési szög ß'-re növekedésével lehetséges csak. (Up köríven mozdul.) Ez viszont a 27. ábra szerint a kapocsfeszültség lecsökkenését vonja maga után. Az eredeti feszültség visszaállítása a gerjesztés növelésével - U''p - lehetséges. Ez egy közbenső ß'' terhelési szögnél jön létre. Terhelés csökkenéskor fordított helyzet áll fenn. Abban a szélsőséges állapotban amikor a terhelés leszakad, I'·jXd=0 és így Up=Uk-val azaz legnagyobb lehetséges kapocs-feszültséget kapunk (üresjárás).
Wattos terhelés változása állandó meddő terhelés mellett
A wattos terhelés növekedésével I·jXd megnövekszik I'·jXd-re és a megváltozott terhelési szöggel fordul el. Amennyiben a gerjesztést változatlan értéken tartjuk, az ábrából leolvasható, hogy a kapocsfeszültség lecsökken. Az eredeti érték fenntartására a gerjesztést meg kell növelni U'p/jXd-re. Fordított esetben a wattos csökkenésekor a gerjesztés csökkenésével lehet a kapocsfeszültséget változatlan értéken tartani.
Meddő terhelés változása állandó wattos terhelés mellett
Amennyiben változatlan wattos terhelés mellett a meddő terhelés megváltozik, akkor a gerjesztés változatlanul hagyása mellett a kapocsfeszültség lecsökken U'k-re. Az eredeti feszültség tartásához a pólus feszültséget meg kell növelni U'p-re.
Megállapíthatjuk, hogy a terhelés terhelési tényezőtől független bármilyen változásakor az állandó feszültség tartása érdekében a gerjesztést változtatni, szabályozni kell. Ezt a feladatot a gerjesztő gépek végzik. Velük a későbbiekben még foglalkozunk.
Turbinák primer és szekunder szabályzása
Mielőtt rátérnénk a rendszerben üzemelő gépek szabályzására, meg kell ismerkednünk a turbinák primer és szekunder szabályzásával. Első tekintetre úgy tűnhet , hogy nem sok köze van a generátor üzemviteléhez, azonban pl. a szekunder szabályzás nélkül elképzelhetetlen egy gép rendszerben üzemelése és hálózatra kapcsolása, ugyanakkor a probléma olyan védelmi kérdéseket is felvet, amely hatással van a gép P-Q diagrammjára (lsd. 1.8 fejezet) .
Tételezzük fel, hogy a szinkron generátor terhelése megnő. Ekkor egy teljesítmény különbség keletkezik mivel a fogyasztott és termelt teljesítménynek egyensúlyban kell lenni és jelen esetben a termelt teljesítmény nem változott. A keletkezett teljesítmény különbség a forgórészt fogja lassítani, minek hatására a frekvencia lecsökken.
Mivel azonban a frekvenciát a fogyasztói igények miatt állandó értéken kell tartani, a generátorral közös tengelyen lévő turbina szelepeit jobban ki kell nyitni, így a mechanikai teljesítmény megnő és ezzel együtt a forgórész fordulatszáma is növekszik Az előbbiek alapján terhelés csökkenéskor a frekvencia megnő, így a szelepeket jobban kell zárni. Ezt a feladatot a turbinák primer szabályzói automatikusan végzik. A megrajzolt primer szabályzói jelleggörbe -. közelítéssel - egyenes lesz. Adott esetben a gépünk P1 teljesítménnyel terhelt ami f1 üzemi frekvenciának felel meg. Ha a terhelésünk megnő -re, a primer szabályzók hatására - jelleggörbe szerint - az új állapot f2 frekvencián áll be. A legnagyobb terheléshez - Pmax - tartozó frekvencia - fmax - csak adott értékkel térhet el az üresjárási - f0 - frekvenciától. Ennek a tartománynak az értékét a következők alapján számoljuk:
Ezt sztatizmusnak nevezzük. Ennek értékét nem érdemes nagyon leszorítani, mivel ezáltal a szabályzás lengére hajlamos lesz. látható, hogy a primer szabályzás nem képes a frekvenciát adott értéken kielégítő értékkel tartani. Ezt a problémát a szekunder szabályzással lehet megoldani. A 30. ábra alapján kiderült, hogy a P2-re növekedett teljesítményt f2 frekvencián tudja tartani a gép. Ha most a jelleggörbét önmagával párhuzamosan eltoljuk, elérhetjük azt az állapotot amikor P2 terhelést a gép ismét f1 frekvencián teljesít. Ez a szabályzás nem feltétlen automatikus, előfordul, hogy kézi úton hajtják végre. Nagy rendszerekben a frekvencia ingadozás kicsi, így fölösleges az összes gépegységnek reagálni a változásra.Most nézzük meg, hogyan lehetséges egy gép hálózatra kapcsolása a szekunderszabályzás segítségével.
Belépés pillanatában az új gépnek a hálózat frekvenciáján kell lennie, mivel ez az egyik feltétele a párhuzamos kapcsolásnak.
Ezután a szekunder szabályzás segítségével a gép magára vesz egy meghatározott mértékű terhelést. Ha a gépünknek egy másik gépet kell kiváltani a következő a helyzet.
A szemléletesség kedvéért a két jelleggörbét a diagramm két oldalára rajzoltuk. Amikor a kettes gép belép még üresjárási ponton van. A két gép ellenkező irányú szabályzásával elérhető, hogy az egyes gép üresjárásba kerül és evvel legerjeszthető és kikapcsolható lesz. (A szabályzás folyamán ügyelni kell, hogy a két generátor együttes teljesítménye fn frekvencián mindig Pf legyen.
Eddigiekben nem vettük figyelembe azt a tényt miszerint az adott pillanatbani frekvencia változás maga is befolyásolja a teljesítményt. (Pl. forgógépeknél a fordulatszám csökkenésével csökken a teljesítmény.) A valóságban a fogyasztott teljesítmény a feszültség és frekvencia függvénye. Mivel a frekvencia és a feszültség eredő hatása bonyolult, így feltételezzük a feszültség állandóságát. A fogyasztói terület összetétele sokféle (motoros, világítás, stb.) ezért az eredő hatást statisztikusan lehet csak vizsgálni. Tapasztalatok alapján egy elég nagy fogyasztói terület felvett teljesítménye arányos a frekvenciával az 50 Hz számunkra fontos környezetében. Ez alapján a fogyasztás frekvencia tényezője:
Ennek értéke 1 és 3 között van de befolyásolja a fogyasztás összetétele illetve ennek változása.
Ez alapján most finomítsuk a primer és szekunder jelleggörbét !
A generátorunk fB frekvencián üzemel PB terheléssel. Ha most a terhelés megnövekszik PA(t) -nek megfelelően, akkor az A pontbeli terhelést az A' munkapontba állítaná a primer szabályzás de a terhelés frekvencia függősége miatt a tényleges teljesítmény a PA(t)-nek megfelelően fA frekvencián PA teljesítmény lesz. Az eredeti fB frekvencia eléréséhez a szekunder szabályzásnak kell a görbét eltolni jobbra.
Ha a generátorunkra a maximális teljesítményt meghaladó terhelést kapcsolunk - a turbina beömlő szelepei teljesen nyitva vannak - a frekvencia beáll egy olyan fA értékre amelynél a fogyasztói teljesítmény nem haladja meg a szolgáltatható Pmax legnagyobb teljesítményt (33. ábra).
A szabályzási karakterisztika tetejét Pmax-mal határolható egyenessel rajzolhatjuk. Látható, hogy ez miatt PB-ről PA-ra történő túlterhelés jelentős frekvencia csökkenést eredményez. Azaz, mivel gépünk képtelen kielégíteni a keletkező teljesítmény hiányt, az a frekvencia csökkenésével a fogyasztók között oszlik el.
Az eddig felrajzolt jelleggörbék és felírt megállapítások önállóan üzemelő gépre vonatkoznak (igazak a rendszerben üzemelő gépre is, csak a görbék bonyolultabbak mivel az összes gépegység eredő jelleggörbéjét rajzoljuk fel) azzal a megkötéssel, hogy az ábrák egyszerűsítettek. A valóságban - a szelepek nyitása, zárása miatt - ívdarabokból állnak össze.
Rendszerben üzemelő gép üzemállapotainak vizsgálata
Rendszerben a szinkrongép több más géppel együtt jár párhuzamosan. A köztük lévő kapcsolat nem egyenrangú, mivel teljesítményük eltérő (a későbbiekben vizsgálat tárgyát képző turbógenerátor - 20/30 MW feletti gépek - teljesítménye 60 MW ami pl. a Dunamenti 2000 MW-os erőműhöz képest nagyságrenddel kisebb energiát szolgáltat). Ebből adódóan aztán az egyes gépek teljesítményének illetve gerjesztésének változtatása a rendszerben alig észrevehető. Viszont a rendszer jellemzők - frekvencia, feszültség - változása a generátor lényeges üzemállapotbeli változását okozhatja. Ahhoz, hogy ezeket a viselkedéseket vizsgálni tudjuk, egy helyettesítő képet kell felvenni a vektorábrák megrajzolásához.
A rendszer teljesítményét végtelennek tekintjük, így a hálózat frekvenciája és feszültsége állandó. A hálózat merev pontját úgy kapjuk, hogy az erőmű és a rendszer közé a háromfázisú zárlatnak megfelelő mögöttes reaktanciát XH-t kapcsoljuk. Így a rendszer és a generátor között a teljes reaktancia:
ahol Xtr a blokk transzformátor reaktancia, Xd pedig a szinkron reaktancia a hálózati merev ponti feszültségre vonatkoztatva. X-et átviteli reaktanciának nevezzük.
A vektorábrák felrajzolásakor a merev hálózati feszültségből indultunk ki.
Wattos terhelés változása állandó gerjesztés és átviteli reaktancia esetén
Ha a gerjesztés állandó, akkor Up köríven fog mozogni. Ha megnöveljük a wattos teljesítményt akkor Iw·jXd megnövekszik és a köríven kimetszi a pólus feszültség helyét. Az így beállt I'w·jXd-re merőleges az új I' terhelési áram. Ennek wattos összetevője adott és evvel együtt a meddő is.
Megállapíthatjuk, hogy a wattos teljesítmény növelésével megnövekszik a terhelési szög, csökken a kiadott meddő teljesítmény. A wattos teljesítmény csökkenésekor ellenkező hatások figyelhetők meg.
Gerjesztés változása állandó wattos terhelés és átviteli reaktancia esetén
A wattos terhelés változatlanul hagyása mellett Iw·jXd se változik, azaz ennek függőleges vetülete határozza meg U'p helyzetét. Ez alapján már megkapjuk I'·jXd és evvel I' helyét.
Megállapíthatjuk, hogy a gerjesztés növekedésének hatására lecsökken a terhelési szög, megnövekszik a kiadott meddő teljesítmény valamint megnövekszik a kapocsfeszültség és a gyűjtősin feszültség.
Amíg az előző esetben kiderült, hogy a wattos teljesítmény változása visszahat a meddő teljesítményre, addig a gerjesztés változása csak a meddő teljesítményt befolyásolja.
Változó átviteli reaktancia állandó gerjesztés és wattos teljesítmény esetén
Ilyen eset pl. amikor egy távvezeték üzemzavar vagy karbantartás miatt kiesik. Ilyenkor a hálózat hurkolt volta miatt XH értéke megnő.
Ha a gerjesztés állandó, akkor egy Up köríven mozdul el. Megnövekedett XH értéke miatt Iw·X, Iw·jX'-re növekszik. Ez egyértelműen kijelöli U'p helyét. állandó, Iw·X'-re merőleges I' melynek wattos komponense változatlan.
Megállapítható, hogy az átviteli reaktancia növekedésével állandó gerjesztés és wattos terhelés mellett megnő a terhelési szög, csökken a leadott meddő teljesítmény valamint nő kicsit a kapocsfeszültség és gyűjtősin feszültség.Hasonló helyzet adódik ha egy erőműben üzemben lévő gépegységek számát változtatjuk.
Tegyük fel, hogy a gépegységek száma 3, és ezek a gyűjtősínen XH reaktanciával kapcsolódnak a rendszerhez.
A 39. ábra helyességét a következők alapján láthatjuk be. Ha a gerjesztés és a wattos teljesítmény az generátorokra egyenlő, akkor XH-n 3I áram folyik át. A további vizsgálatokhoz alakítsuk át a helyettesítő 38. ábrát !
A szaggatott vonallal jelölt pontok ekvipotenciális pontok, tehát összeköthetjük őket, rajtuk áram nem fog folyni. Ekkor párhuzamos eredő számítás után visszakapjuk az eredeti képünket (38. ábra), azaz az átalakítás megfelel a valóságnak. Felrajzolva az egyes generátorokra megfelelő vektorábrát, az 37. ábrával egyenértékűt kapunk, hiszen gépegység változása esetén csak XH együtthatója változik. A levezetés konkrét gépegység számra vonatkozott de általánosíthatunk n-számú gépegységre is. Így a 38. rajz alapján az egyes generátorok szempontjából XH-n nI áram folyik, míg az 39. ábra alapján nXH-n folyik I áram. (Az átalakításnak ez egy másik magyarázata, ugyanis így a feszültségesés XH-n a generátorok szempontjából megegyezik.)