FUNCTIONAREA HIDROGENERATORULUI

FUNCTIONAREA HIDROGENERATORULUI

A. LA MERSUL IN GOL

Cand bobinajul rotoric este alimentat (excitat) de la o sursa de curent continuu (excitatoare sau sistem de excitatie static), genereaza un camp magnetic inductor (fluxul Φ₀) ale carui linii de forta se inchid prin polii rotorici, coroana polara, intrefier si miezul statoric (a se vedea figura 39).

Figura 39

Rotorul generatorului fiind rotit de turbina la turatia de sincronism "n", se va roti si campul magnetic inductor (respectiv fluxul Φ₀).

Ca urmare a faptului ca acest camp magnetic invertitor (camp magnetic variabil) se inchide prin miezul statoric, potrivit legii inductiei electromagnetice, in infasurarea statorica se induce o tensiune electromotoare, a carei valoare rezulta din relatia:

Eo = 4,44.f.Ф.w iar f = p.n / 60 in

in care: f = frecventa ; Ф = fluxul inductor ; w = nr. de spire pe faza infasurarii statorice ; p = nr. perechilor de poli ; n = turatia .

Fluxul inductor Фo (dependent de curentul de excitatie iex), traversand intrefierul, exercita asupra fiecarui pol o forta de atractie spre stator, a carei valoare este direct proportionala cu patratul inductiei din intrefier B˛ (in care B = Ф/S, iar S reprezinta suprafata talpii polare). Reamintim ca forma talpii polare (arc de cerc cu raza mai mica decat a cercului interior al miezului statoric) este astfel aleasa incat forma tensiunii la bornele generatorului sa fie sinusoidala.

In timpul functionarii in gol a generatorului se fac prezente o serie de pierderi de energie: pierderi in fier PFe datorita curentilor turbionari (curenti Foucault) ce apar in miezul statoric atunci cand este parcurs de fluxul magnetic variabil; pierderi prin histerezis, datorate magnetizarii ciclice a miezului; pierderi in cupru Pex, datorate efectului Joule, de incalzire a bobinajului Rex.Iex² precum si pierderi mecanice si de ventilatie, datorate frecarii rotorului cu aerul, frecarea aerului in canalele de ventilatie si frecarii in lagare.

Nota : la mersul in sarcina pierderile vor fi mai mari, in principal, datorita efectului Joule.

Figura 40

B. SINCRONIZAREA

Prin sincronizare se intelege crearea conditiilor pentru functionarea in paralel a doua generatoare sau functionarea in paralel a unui generator cu sistemul energetic national. Puterea sistemului energetic fiind mult mai mare decat puterea generatorului se considera ca tensiunea pe bara la care se sincronizeaza generatorul este constanta.

Pentru conectarea in paralel a unui generator se utilizeaza doua metode: metoda sincronizarii fine, si metoda autosincronizarii (sincronizare grosiera).

Sincronizarea fina presupune realizarea urmatoarelor conditii de functionare in paralel: egalitatea tensiunilor de pe fazele omoloage ale generatorului si retelei (sistemului) ; egalitatea frecventelor generatorului si retelei (adica viteza rotorului trebuie sa fie egala cu viteza de sincronism n = n_s) ; concordanta de faze (unghi de defazaj zero intre fazele omoloage ale generatorului si retelei), in conditiile cand succesiunea fazelor generatorului si retelei este aceeasi.

Conditiile de sincronizare aratate mai sus, se pot realiza in mod automat cu sincronizatoare automate (sincroset, sincrotact, etc.), precum si manual, de catre personal, utilizandu-se pentru aceasta; un dublu voltmetru, un dublu frecventmetru si un sincronoscop cu ac (cu camp magnetic invertitor), sau cu lampi cu incandescenta (foc invartitor), sau combinat.

Pentru sincronizarea manuala fina; se mareste turatia turbinei urmarind ca frecventa generatorului sa fie cat mai apropiata de cea a retelei, deasemeni se regleaza valoarea curentului de excitatie pana ce se egalizeaza tensiunea generatorului cu cea a retelei.

Apoi, privind sincronoscopul, se actioneaza din cheile (butoanele) de crestere-descrestere a turatiei si curentului de excitatie, pana ce acul sincronoscopului se roteste din ce in ce mai incet (numai in acelasi sens), iar atunci cand ajunge in dreptul reperului marcat pe cadranul sincronoscopului, se actioneaza cheia (butonul) de inchidere a intrerupatorului. Se precizeaza ca; in functie de viteza de inchidere a intrerupatorului, se da comanda de inchidere a acestuia, cu o anumita anticipatie, astfel incat, in momentul inchiderii intrerupatorului, acul sincronoscopului sa ajunga in dreptul reperului. Acesta este momentul optim, cand curentul de circulatie ce apare intre contactele intrerupatorului este zero sau este foarte mic si, in consecinta, nu se aude nici-un zgomot facut de generator, ca atunci cand conditiile de sincronizare nu sunt realizate cu exactitate.

In cazul sincronizarii automate; regulatorul automat de viteza este responsabil de reglarea turatiei pana in apropierea turatiei de sincronism, in acelasi mod regulatorul automat de tensiune se ocupa de reglarea tensiunii generatorului, iar dupa aceea sincronizatorul automat conlucreaza cu cele doua regulatoare (le trimite impulsuri de crestere sau descrestere), regland frecventa si tensiunea cat mai fin, iar in momentul cand unghiul de defazaj este convenabil, trimite impuls de inchidere a intrerupatorului generatorului cu anticipatia reglata, atunci cand s-a facut parametrizarea acestuia.

Autosincronizarea reprezinta metoda de sincronizare prin care parametrii se regleaza grosier, dupa care se inchide intrerupatorul generatorului, sistemul energetic desavarsind reglarea fina a parametrilor, prin ceea ce se numeste: atragerea in sincronism. Aceasta metoda se face cu soc de curent pentru generator, dar este foarte oportuna in situatia in care variaza frecventa in sistemul energetic.

Sunt doua modalitati de a face autosincronizarea:

1. Rotorul fiind antrenat la o viteza apropiata de viteza de sincronism, se conecteaza intrerupatorul generatorului, ADR fiind in pozitia deschis. In acest caz rotorul generatorului este conectat pe rezistenta R_e (rezistenta de dezexcitare), masina comportandu-se in aceasta faza ca un motor asincron trifazat cu rotor monofazat. Cuplul asincron dezvoltat aduce rotorul pana in apropierea vitezei de sincronism. Dupa cateva secunde se inchide ADR si se injecteaza in rotorul generatorului curentul de excitatie. In acest moment, in masina apare cuplul sincron, iar rotorul, dupa un proces oscilatoriu este atras in sincronism.

2. Daca se conecteaza simultan intrerupatorul de generator si ADR-ul, cuplul electromagnetic sincron se suprapune peste cuplul electromagnetic asincron, atragerea masinii in sincronism fiind mai rapida, insa in infasurarile statorica si rotorica apar curenti mai mari.

Ca un caz particular se citeaza autosincronizarea generatoarelor din MHC, care in general sunt masini asincrone cu rotorul in scurtcircuit. In acest caz, dupa lansarea rotorului generatorului pana in apropierea vitezei de sincronism (cu ajutorul turbinei), se inchide intrerupatorul generatorului, cuplul electromagnetic asincron dezvoltat si aportul sistemului energetic, desavarsind procesul de atragere in sincronism a generatorului.

Desi autosincronizarea este o metoda rapida de sincronizare, adecvata si atunci cand variaza frecventa in sistemul energetic, in prezent nu se utilizeaza la generatoarele de putere mare, deoarece sincronizatoarele automate (alaturi de RAVE si RAT), sunt suficient de rapide, pentru a realiza paralelul, chiar si in conditiile de variatie a parametrilor sistemului.

C. LA MERSUL IN SARCINA. Dupa realizarea conditiilor de sincronizare a generatorului, acesta va functiona in paralel cu sistemul energetic, la o turatie corespunzatoare frecventei sistemului; n = 60f/p, denumita turatie de sincronism, de aici derivand si denumirea de masina sincronǎ.

Urmeaza incarcarea cu sarcina a generatorului, cand prin majorarea progresiva a debitului admis in turbina, acesta va debita putere in retea.

Daca se urmareste modificarea sarcinii active, atunci se modifica cuplul dezvoltat de turbina (respectiv unghiul intern al generatorului θ) si se mentine excitatia aproape constanta.

Cand se urmareste modificarea sarcinii reactive, se modifica curentul de excitatie si se mentine aproape constant cuplul dezvoltat de turbina.

In timpul functionarii generatorului in masina se petrec o serie de fenomene, ce vor fi descrise in cele ce urmeaza.

Reactia indusului. Curentii din infasurarile statorului vor produce in intrefier o tensiune magnetica invartitoare, care fata de stator (indus) se va invarti in acelasi sens ca si tensiunea magnetica a inductorului si cu aceeasi viteza unghiulara; sensul de rotatie coincide cu sensul succesiunii fazelor, fiind in sens invers fata de sensul de rotatie al acelor de ceas.

Reactia indusului se defineste ca fiind influenta pe care o exercita tensiunea magnetica a indusului, respectiv campul magnetic, asupra tensiunii magnetice inductoare, respectiv asupra campului magnetic invartitor rezultant (Φ_r ) din intrefierul masinii. Astfel, la functionarea in sarcina, tensiunea magnetica rezultanta in intrefier reprezinta suma celor doua tensiuni magnetice (suma celor doua campuri).

Influenta tensiunii magnetice a indusului asupra tensiunii magnetice a inductorului, se manifesta in mod diferit in functie de decalajul (ψ) dintre vectorii curentilor statorici (I) si tensiunile electromotoare (E_o ) induse de catre campul inductor.

La masinile cu poli aparenti (cazul hidrogeneratorului), modul cum se manifesta reactia indusului, depinde de natura sarcinii, dupa cum urmeaza:

a. in cazul regimurilor de functionare pur active, sau rezistive (reactiv zero, cos ψ = 1), fluxul magnetic invartitor de reactie a indusului Φ_aq se inchide numai transversal fata de axa polului inductor, strabate intrefierul si talpa polara ca in fig.40. Fenomenul este denumit reactia transversala a indusului si are urmatoarele efecte:

• axa de simetrie a campului (fluxului) magnetic rezultant Φ_r va fi decalata in urma cu unghiul θ fata de axa polilor inductori (la functionarea in generator), vezi fig.41.
• fluxul magnetic rezultant pe pol scade in mica masura, datorita saturatiei magnetice a indusului. Ca atare este necesar sa se creasca curentul de excitatie, simultan cu deschiderea accesului apei in turbina (si modificarea pozitiei paletelor rotorului la turbinele Kaplan).

Figura 41

b. in cazul regimurilor de functionare pur reactive (hidrogeneratorul debiteaza sau absoarbe reactiv), fluxul magnetic invartitor de reactie a indusului, Φ_ad se inchide numai in lungul polilor rotorici, (vezi fig.42 si fig.43) iar fenomenul poarta denumirea de; reactie longitudinala a indusului.

In functie de sensul acestui flux (se scade sau se aduna la fluxul inductor Φ_o ), actiunea asupra fluxului inductor Φ_o, poate fi de intarire (magnetizanta) sau de slabire (demagnetizanta). Acest lucru depinde insa de natura sarcinii reactive cu care functioneaza hidrogeneratorul astfel:

pentru sarcini inductive (hidrogeneratorul debitand numai energie reactiva), fluxul de reactie longitudinala Φ_ad este orientat in sens contrar fata de fluxul inductor Φ_o, (vezi fig.42) si ca atare fluxul rezultant va fi: Φ_r = Φ_o - Φ_{ad . in} acest regim curentul I este decalat in urma cu unghiul ψ = π / fata de tensiunea electromotoare indusa     E_o (cos ψ = 0 ).

Figura 42

Concluzii: - in regim de functionare inductiv, actiunea reactiei longitudinale a indusului este demagnetizanta, adica slabeste magnetizarea rotorului, iar pentru anularea consecintelor acestui fenomen, se creste curentul de excitatie de la valoarea I_exo (corespunzatoare t.e.m. E_o la mersul in gol ), la o alta valoare corespunzatoare sarcinilor de functionare ale hidrogeneratorului, la U_n .

- acest regim inductiv, se numeste regim supraexcitat.

- la functionarea in regim de scurtcircuit a hidrogeneratorului, curentul statoric I, este curent inductiv, deoarece rezistenta infasurarilor este mult mai mica in comparatie cu reactanta acestora. In acest regim, fluxul rezultant din intrefier este foarte mic, datorita influentei demagnetizante a reactiei longitudinale a indusului.

pentru sarcini capacitive (se absoarbe reactiv din sistem), fenomenul se manifesta invers, adica efectul reactiei longitudinale a indusului este magnetizant, adica Ф_r = Ф_o +Ф_ad . Acest regim se numeste capacitiv (subexcitat), vezi fig.43.

Figura 43

c. in cazul regimurilor curente de exploatare cand hidrogeneratorul produce atat energie activa cat si energie reactiva (0 < cos ψ < 1 ), avand componenta activa (rezistiva) cat si componenta reactiva (vezi punctele a si b), vor fi prezente simultan, reactia longitudinala si reactia transversala a indusului. In aceste conditii, pentru studierea reactiei indusului, curentul statoric I (si respectiv fluxul inductor aferent), se va descompune in doua componente (vezi fig.44).

• componenta activa I_q = I cos ψ, orientata pe axa neutra dintre poli, (axa q).
• componenta reactiva I_d = I sin    ψ, orientata dupa axa polului (axa d).

Studierea separata a fenomenului, dupa axa d, respectiv axa q, cunoscuta sub denumirea de teoria celor doua reactiuni, a fost elaborata de fizicianul Blondel si se aplica la masina cu poli aparenti (vezi fig.44).

Figura 44