Článok spracúva problematiku synchrónnych alternátorov, konkrétne určenie synchrónnych reaktancií podľa normy ČSN EN 60034-4 ed.2. V tomto článku je detailne zachytená metóda merania spolu s postupmi pre vykonanie jednotlivých meraní. Následne je opísaná aj metóda spracovania výsledkov spolu s vyhodnotením podľa normy ČSN EN 60034-4 ed.2

Úvod

Elektrizačná sústava patrí medzi časť energetickej sústavy a zahŕňa všetky silnoprúdové zariadenia slúžiace na premenu mechanickej energie más na energiu elektrickú, na jej prenos až po jednotlivé spotrebiče. Neodmysliteľnou súčasťou tejto sústavy sú generátory, ktorých vlastnosti popisujú reaktancie ako napríklad: synchrónna reaktancia v pozdĺžnej osi, synchrónna reaktancia v priečnej osi pripadne rázové a prechodné reaktancie. Nutnosť poznať alebo vedieť určiť hodnoty týchto reaktancií je prinajmenšom z dôvodu chránenia generátorov. Ako príklad nám slúži ochranná funkcia synchrónnych generátorov ANSI 40: Ochrana pri strate budenia synchrónneho generátora. Parametrizácia a nastavenie tejto ochrannej funkcie je možné len na základe týchto synchrónnych reaktancií.

1. Synchrónne alternátory

Synchrónne generátory sú točivé elektrické stroje, ktoré pri svojej činnosti premieňajú energiu rotujúcich más na energiu elektrickú. Celý tento proces je podmienený vytvorením premenlivého rotorového magnetického poľa budiacim prúdom, ktorý je privedený na rotorové vinutie [1]. Z pohľadu regulácie napätia majú tieto stroje voči asynchrónnym generátorom značnú výhodu. Veľkosť svorkového napätia je priamo úmerná miere prebudenia generátora budiacim prúdom. Pri zvýšení budiaceho prúdu dochádza k nárastu svorkového napätia generátora. V prípade zníženia veľkosti budiaceho prúdu je efekt opačný [1].

Obr.1 Principiálna schéma synchrónneho generátora [1]

1.1 Turboalternátory

V elektrizačnej sústave rozoznávame dva druhy synchrónnych generátorov resp. synchrónnych alternátorov. Prvú skupinu tvoria turboalternátory. Tie majú označenie aj synchrónne alternátory s hladkým rotorom. Ich využitie je v elektrárňach, ktorých turbína využíva ako hnacie médium paru. Ich rýchlosť je daná počtom pólových dvojíc [2].

Obr.2 Rez alternátora s hladkým rotorom [2]

Pre tieto synchrónne stroje platí konštantnosť vzduchovej medzery po celom obvode uloženia rotora v konštrukcií. Na základe tejto skutočnosti je možné povedať, že reaktancia v pozdĺžnej osi je rovná reaktancií v priečnej osi, teda platí: Xd=Xq [2].

1.2 Hydroalternátory

Druhu skupinu synchrónnych strojov tvoria hydroalternátoy. Rýchlosť otáčania rotora ich radí medzi pomalobežné stroje. Ako je zrejmé už z ich názvu pre hnacie médium turbíny je využívaná voda a teda ich inštalácia a využitie je pri vodných elektrárňach [2]. Ich rotor je vo väčšine prípadov s vysunutými pólovými nadstavcami. V týchto nadstavcoch je uložené budiace vinutie s podmienkou zachovania rovnomernosti uloženia po celom obvode rotora [2]. Z pohľadu reaktancií tu dochádza k istej odlišnosti oproti turboalternátorom. Pre hydroalternátory platí nerovnomernosť vzduchove medzery medzi uložením rotora a statorového vinutia. V pozdĺžnej osi je vzduchová medzera minimálna, no magnetická vodivosť cesty magnetického toku je maximálna na rozdiel od magnetickej vodivosti v priečnej osi a teda platí: Xd > Xq [2].

Obr.3 Rez a konštrukcia alternátora s hladkým rotorom [2]

1.3 Budiace súpravy

Budiaca súprava predstavuje zdroj jednosmerného prúdu pre vybudenie magnetického poľa rotora regulovaného v uzavretej slučke. Budiacu súpravu tvorí [2]:

• Budič
• Regulátor budenia
• Odbudzovač
• Prvky pre meranie
• Ovládacie prvky

V závislosti od zdroja energie pre budič rozlišujeme závislú a nezávislú budiacu súpravu. Závislá budiaca súprava vyžaduje pripojenie do siete pre odber budiacej energie pre svoju činnosť. O nezávislej budiacej sústave hovoríme vtedy, ak zdroj budiacej energie nie je bezprostredne závislý na stave striedavej siete do ktorej generátor pracuje [2].

2. Skúška synchrónneho alternátora naprázdno

Demonštračne zariadenie Katedry elektroenergetiky FEI-TUKE tvorí synchrónny alternátor s nasledujúcimi štítkovými údajmi (Tab. 1).

Tab.1 Parametre synchrónneho generátora DZ

PN [kW]	3,2
SN [kVA]	4
cosφN	0,8
n[ot./min.]	3000
f[Hz]	50
UN[V]	400
IN[A]	5,77

Chod generátora naprázdno je definovaný ako ustálených chod generátora bez zaťaženia a teda statorovým vinutím neprechádza žiaden prúd [3]. Pri skúške synchrónneho generátora naprázdno je uprednostňovaný chod stroja v generátorovom chode. Motorický chod pre skúšku synchrónneho stroja volíme v niektorých prípadoch len pre generátory malých alebo stredných výkonov [3]. Skúšku synchrónnych motorov naprázdno sú častokrát vykonané v generátorovom režime. Pri skúške synchrónneho generátora naprázdno určujeme závislosť svorkového napätia generátora od veľkosti budiaceho prúdu [3].

Samotnej skúške synchrónneho generátora predchádza kontrola mechanických častí, konkrétne mechanickej spojky stroja a pohonu. Následne vykonáme zapojenie podľa schémy merania (Obr. 4). Vinutie generátora býva často spojene do hviezdy s vyvedeným nulovým bodom. Pripojenými voltmetrami meriame združené napätia medzi jednotlivými fázami. Norma ČSN EN 60034-4 ed.2 odporúča interval 0,2 až 1,3 násobok menovitej hodnoty napätia UN. V prípade uvedeného merania to znamená nabudenie generátora na 0,2 násobok menovitého napätia UN. Následne zvyšujeme napätie budiacim prúdom až po hodnotu 1,3 násobok menovitého napätia UN a zaznamenávame veľkosť svorkového napätia od veľkosti budiaceho prúdu. Pre korektnosť výsledkov uvedeného merania je nutné roztočiť generátor pohonom na menovité otáčky, čo v prípade Demonštračného zariadenia Katedry elektroenergetiky znamenalo dosiahnuť synchrónnu rýchlosť otáčania 3000 ot/min .

Obr.4 Schéma zapojenia pre skúšku synchrónneho generátora naprázdno

3. Skúška synchrónneho alternátora naprázdno

Pri skúške synchrónneho generátora nakrátko je úvodný priebeh merania totožný s predchádzajúcim. Po kontrole mechanickej spojky vykonáme zapojenie podľa príslušnej schémy (Obr. 5) [3].

Obr.5 Schéma zapojenia pre skúšku synchrónneho generátora nakrátko

Synchrónny generátor následne roztočíme na menovité otáčky. Následne prevedieme spojenie nakrátko pričom musíme dbať na to aby bol generátor budený až po prevedení spomínaného spojenia. Následne budíme generátor prúdom Ib a meriame veľkosť skratového prúdu I_k ako závislosť I_k(I_b) [3].

4. Skúška synchrónneho alternátora naprázdno

Tak ako bolo spomenuté v predchádzajúcej časti tohto článku synchrónna pozdĺžna reaktancia X_d je rovná synchrónnej priečnej reaktancií X_q. Pre dvojpólové stroje to nie úplne presne [2]. V prípade strojov s vyjadrenými pólmi je reaktancia v pozdĺžnej osi X_d väčšia ako reaktancia v priečnej osi X_q. Pre moderné elektrické stroje býva veľkosť reaktancie v priečnej osi rovná 0,7 až 0,75 násobku synchrónnej reaktancie v pozdĺžnej osi [3]. Jednou z možností určenia hodnoty tejto reaktancie je skúška synchrónneho generátora sklzovou metódou.

Obr.6 Schéma merania pre skúšku synchrónneho generátora sklzovou metódou

Pri tomto meraní nenabudený rotor skúšaného generátora rozbehneme pohonom na podsynchrónne otáčky. Statorové vinutie synchrónneho generátora napájame trojfázovým autotransformátorom zníženým napätím. Literatúra uvádza zníženú hodnotu napätia v rozmedzí 0,1 až 0,25 násobok menovitého napätia U_N. Každopádne je nutné sledovať na voltmetri kolísanie napätia. V prípade, že máme dostatočne tvrdý napäťový zdroj napájame statorové vinutie synchrónneho generátora o niečo vyšším napätím ako je spomínaný interval privádzaného napätia. Okrem iného je nutné kontrolovať prúd pretekajúci statorovým vinutím, ktorý nesmie presiahnuť hodnotu 0,7 až 0,8 násobok menovitého prúdu generátora I_N [3].

Keď je reluktancia obvodu (magnetický odpor) najväčšia, prechádza magnetický tok striedavého vinutia priečnou polohou rotora a nameriame X_q pri najväčšom prúde I_MAX [3]. Pri tomto meraní sa odporúča vykonať viacero meraní pri rôznych hodnotách napájacieho napätia a výslednú hodnotu reaktancie určíme ako priemer z vypočítaných hodnôt [3].

Obr.7 Detail zapojenia pre skúšku synchrónneho generátora sklzovou metódou

5. Vyhodnotenie skúšok naprázdno a nakrátko

Pre vyhodnotenie merania je nutné určiť zo skúšky naprázdno a nameraných združených hodnôt napätia medzi jednotlivými fázami priemernú hodnotu napätia podľa nasledujúcej rovnice:

(1)

Rovnako aj pre skratové prúdy získane meraním nakrátko určíme priemernú hodnotu:

(2)

Po vypočítaní potrebných parametrov môžeme vytvoriť výslednú charakteristiku ako [3]:

• Závislosť napätia U₀ na veľkosti budiaceho prúdu I_b
• Závislosť skratového prúdu I_k na veľkosti budiaceho prúdu I_b

Obr.8 Charakteristika synchrónneho generátora zo skúšky naprázdno a nakrátko

Na základe tejto charakteristiky môžeme určiť synchrónnu reaktanciu v pozdĺžnej osi X_d dosadením do nasledujúcej rovnice [3]:

(3)

Pre učenie synchrónnej reaktancie v pomerných jednotkách resp. v percentách využijeme nasledujúcu rovnicu z ktorej si odvodíme výslednú rovnicu pre konečný výpočet:

(4)

A teda výsledná hodnota synchrónnej reaktancie v percentách je:

(5)

6. Vyhodnotenie skúšky sklzovou metódou

Určenie synchrónnej reaktáncie v priečnej osi je o niečo jednoduchšie oproti skúške synchrónneho generátora naprázdno a nakrátko. Pre vyhodnotenie tohto merania norma ČSN EN 60034-4 ed.2 definuje určenie synchrónnej reaktancie v priečnej osi X_q podľa nasledujúcej rovnice [3]:

(5)

(6)

Reaktancia v priečnej osi X_q vyjadrenú v percentuálnych jednotkách určíme na základe nasledujúcej rovnice:

(1)

Tab.2 Prehľad nameraných údajov zo skúšky sklzovou metódou

Umin [V]	Imax [A]	Xq [Ω]
270	3,9	39,970
295	4,6	37,026

V závere je nám zostáva určiť priemernú hodnotu reaktancie v priečnej osi, ktorá je X_q = 38,498 Ω resp. x_q% = 96,245%.

7. Záver

Tento článok sa zaoberá meraním synchrónnych reaktáncií synchrónneho generátora Katedry elektroenergetiky, ktorý je časťou Demonštračného zariadenia KEE. V článku je čo do rozsahu možné spracovaná problematika synchrónnych generátorov, či už sa jedná o turboalternátory alebo hydroalternátory. Generátory ako zdroje elektrickej energie tvoria neodmysliteľnú časť elektrizačnej sústavy. V tomto dôsledku je nutné poznať ich elektrické veličiny. Tie môžu byť známe alebo ich je nutné určiť meraním. V tomto článku je popísaná teória určenia synchrónnych reaktancií meraním a metóda spracovania a vyhodnotenia výsledkov podľa normy ČSN EN 60034-4 ed. 2 na reálnom generátorovom sústrojenstve Katedry elektroenergetiky.

Zoznam použitej literatúry

1. SPŠE K. ADLERA 5, Bratislava: Silnoprúdové zariadenia, STN EN 13201-1. Osvetlenie pozemných komunikácií: Výber tried osvetlenia. 2005 [online]. [cit. 2016-02-01]. Dostupné na internete:
   http://siz.q-azy.sk/es/es52.html
2. Katedra elektrických pohonů, Praha, ČVUT: Synchronní stroje [online]. [cit. 2016-02-01]. Dostupné na internete:
   http://oldmotor.feld.cvut.cz/www/materialy/AD1B14SP1/EMM-p-5-101-130—SY.doc
3. ČSN EN 60034-4:2008 : Točivé elektrické stroje – Časť 4: Metody určovaní veličín synchronního stroje ze zkoušek.

---

Spoluautormi článku sú doc. Ing. Ľubomír Beňa, PhD., Ing. Miroslav Mikita, Ing. Martin Vojtek, Katedra elektroenergetiky, FEI TUKE, Slovenská republika; Bc. Michal Márton, Katedra elektroniky a multimediálnych telekomunikácií FEI TUKE, Slovenská republika; Ing. Ivana Sulírová, Katedra priemyselného inžinierstva SjF UNIZA, Slovenská republika