ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΤΜΗΜΑ ΝΑΥΠΗΓΩΝ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΝΑΥΤΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΙΑΣ

Εργαστήριο Ναυτικής Μηχανολογίας

Εργαστηριακή Άσκηση 9ου εξαμήνου

Συγχρονισμός Ηλεκτροπαραγωγού Ζεύγους

με το Δίκτυο

1. ΑΡΧΕΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΣΥΓΧΡΟΝΩΝ ΗΛΕΚΤΡΟΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ

Οι βασικές κατηγορίες ηλεκτρικών μηχανών εναλλασσομένου ρεύματος είναι οι ακόλουθες: α) Σύγχρονες γεννήτριες β) Ασύγχρονοι κινητήρες (ή κινητήρες επαγωγής) Μια σύγχρονη γεννήτρια παράγει εναλλασσόμενη τριφασική τάση. Η εξίσωση που περιγράφει την τάση εξόδου μιας σύγχρονης γεννήτριας υπό κενό φορτίο είναι η ακόλουθη:

V(t) = 1.414V cos(2πft + φ), εν όπου φ λαμβάνει την τιμή 00, 1200 και 2400 ανάλογα με τη φάση (η διαδοχή των φάσεων είναι R, S, T) αντίστοιχα), f = 50 Hz και Vεν = 220 V για το ελληνικό Σύστημα Ηλεκτρικής Ενέργειας (ΣΗΕ). Μια ηλεκτρική μηχανή (κινητήρας ή γεννήτρια) χαρακτηρίζεται ως σύγχρονη εφόσον ο δρομέας της περιστρέφεται με τη σύγχρονη ταχύτητα περιστροφής. Σύγχρονη ταχύτητα περιστροφής μπορεί να ορισθεί μόνο εφόσον υπάρχει ΣΗΕ, δηλαδή ένα σύστημα από σύγχρονες τριφασικές γεννήτριες που όλες μαζί λειτουργούν παράλληλα φροντίζοντας ώστε η τάση και η συχνότητα του συστήματος να παραμένουν συνεχώς σταθερές. Στην περίπτωση αυτή η σύγχρονη ταχύτητα ορίζεται συναρτήσει της συχνότητας του ΣΗΕ ως εξής:

n1 = 120f / P όπου n1 η σύγχρονη ταχύτητα περιστροφής σε RPM, f η συχνότητα του ΣΗΕ σε Hz και Ρ ο αριθμός των πόλων της μηχανής (διπλάσιος του αριθμού των τυλιγμάτων). Ένα απλουστευμένο διάγραμμα μιας διπολικής σύγχρονης γεννήτριας παρατίθεται στο Σχ. 1: f

Α

Β

C

Α

Α’

B

B’ C’

C

f

f’

δ Σχήμα 1. Διπολική σύγχρονη γεννήτρια με το τύλιγμα διεγέρσεως (ή πεδίου) στο δρομέα και το τριφασικό τύλιγμα τυμπάνου (ή επαγωγίμου) στο στάτη. Τα τυλίγματα πεδίου τροφοδοτούνται με συνεχή τάση Vf.. Λόγω όμως της μηχανικής περιστροφής του δρομέα και της ηλεκτρομαγνητικής σύζευξης μεταξύ των τυλιγμάτων στάτη και δρομέα, η τάση αυτή εμφανίζεται (επάγεται) σαν εναλλασσόμενη ημιτονοειδής στα τυλίγματα τυμπάνου στο στάτη, τάση Εf

(ηλεκτρεγερτική δύναμη ΗΕΔ), από την οποία λαμβάνεται η τάση εξόδου της γεννήτριας V. Ετσι το ισοδύναμο κύκλωμα ανά φάση μιας σύγχρονης γεννήτριας διαμορφώνεται ως εξής:

Ef

~

rα X =Xφ+Xσ

V

~ Iα

~ Vf Lf

Rf

If

(α) (β)

Σχήμα 2. (α) Μονοφασικό ισοδύναμο κύκλωμα 3φ-σύγχρονης γεννήτριας (β) κύκλωμα διέγερσης. όπου Χφ η αμοιβαία επαγωγική αντίδραση μεταξύ των τυλιγμάτων του δρομέα και του στάτη , Χσ η επαγωγική αντίδραση σκέδασης του στάτη και rα η ωμική αντίσταση αυτού. Τέλος, η επαγωγική αντίδραση Χ καλείται σύγχρονη αντίδραση της γεννήτριας (κατά τη λειτουργία σε μόνιμη κατάσταση). Αν η γεννήτρια λειτουργεί υπό κενό φορτίο το ρεύμα που διαρρέει το ισοδύναμο κύκλωμα είναι 0 και έτσι όλες οι τάσεις είναι ίσες μεταξύ τους κατά μέτρο και γωνία (Ε =V). f Αν όμως επιβάλλεται φορτίο στη γεννήτρια, τότε η αποδιδόμενη ενεργός ισχύς Ρ και άεργος ισχύς Q, στο δίκτυο είναι:

1P = 3VIα cosθ = 3VEf sinδ / X

Q=3VIα sinθ = 3V(E cosδ-V) / X 1 f

όπου V η τάση εξόδου (τάση ακροδεκτών) της γεννήτριας, Χ η συνολική επαγωγική αντίσταση των τυλιγμάτων (καλείται σύγχρονη αντίδραση γεννήτριας) και δ η διαφορά φάσης ανάμεσα στην τάση εξόδου και την τάση διεγέρσεως (καλείται γωνία ισχύος) που αντικατοπτρίζει τη γωνία του διανύσματος της μαγνητικής ροής του τυλίγματος του στάτη (τύμπανο) με το αντίστοιχο του δρομέα (διέγερση). Επίσης θ είναι η γνωστή διαφορά φάσης μεταξύ της τάσης ακροδεκτών V και του ρεύματος Iα και το cosθ συνιστά τον συντελεστή ισχύος της γεννήτριας. 2. ΠΑΡΑΛΛΗΛΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΣΥΓΧΡΟΝΩΝ ΓΕΝΝΗΤΡΙΩΝ Οι σύγχρονες γεννήτριες μπορούν εύκολα να λειτουργήσουν παράλληλα. Βασικοί λόγοι που επιβάλλουν την παράλληλη λειτουργία είναι η συνεχής και αξιόπιστη εξυπηρέτηση των καταναλωτών, η οικονομία στις επενδύσεις, το χαμηλότερο κόστος λειτουργίας και η αυξημένη ηλεκτρική ευστάθεια του δικτύου. 2.1 Παράλληλη λειτουργία συστήματος δύο γεννητριών Έστω ένα στοιχειώδες σύστημα, αποτελούμενο από δύο γεννήτριες G1 και G2 με τις κινητήριες μηχανές τους ΡΜ1 και ΡΜ2, καθώς και ένα φορτίο L, συνδεδεμένα όπως στο Σχ. 3.

1 H δεύτερη σχέση ισχύει κατά προσέγγιση, εάν αγνοηθεί η ωμική αντίσταση του τυλίγματος του στάτη rα

G1

G2

L

ΙL, PL, QL

ΙG1, Ρ1, Q1

ΙG2, Ρ2, Q2

ΙG1+ ΙG2= ΙL

P1+P2=PL

Q1+Q2=QL

Σχήμα 3. Παραλληλισμός τριφασικών σύγχρονων γεννητριών. Για να καταστεί δυνατή η παράλληλη σύνδεση της G2 στο ΣΗΕ (G1), με το κλείσιμο του διακόπτη πρέπει να ισχύουν οι κάτωθι προϋποθέσεις: • Τα μέτρα των τάσεων ΣΗΕ και G2 είναι τα ίδια και για τις τρεις φάσεις. • Η διαφορά φάσεως των αντίστοιχων τάσεων είναι 0. • Η συχνότητα είναι η ίδια. • Η ακολουθία φάσεων είναι η ίδια. Τη στιγμή που ο διακόπτης σύνδεσης κλείνει, οι τάσεις στους τρεις ζυγούς του ΣΗΕ και της G2 είναι σε φάση και η διαφορά δυναμικού στους ακροδέκτες του διακόπτη είναι 0. Έτσι το ρεύμα που ρέει από την G2 στο ΣΗΕ είναι 0, οπότε και η παρεχόμενη ισχύς στο δίκτυο είναι πάλι 0. Στην πράξη επειδή κάτι τέτοιο δεν είναι ποτέ δυνατόν λαμβάνεται πρόνοια, ώστε η τάση και η συχνότητα της υπό σύνδεση γεννήτριας να είναι λίγο μεγαλύτερες από εκείνες του δικτύου, ώστε να αποφευχθεί η περίπτωση η γεννήτρια G2 να απορροφήσει ισχύ από το δίκτυο. Κάτι τέτοιο προκαλεί λειτουργία της γεννήτριας σαν κινητήρα (motoring), και μπορεί να καταστρέψει την κινητήρια μηχανή. Κατανομή ενεργού ισχύος Κατά τη λειτουργία δύο γεννητριών εν παραλλήλω η συχνότητα f και η τάση V είναι κοινή και για τις δύο και αποτελούν τη συχνότητα και την τάση του συστήματος. Ο διαμοιρασμός της ενεργού ισχύος μπορεί να γίνει με τη βοήθεια του κανόνα καυσίμου των κινητηρίων μηχανών, που αποδίδεται μέσω των χαρακτηριστικών καμπυλών συχνότητας ενεργού ισχύος (f-P)2, ενώ ισχύει:

Ρ1+Ρ2=ΡL

P1 P2 P

f

1

2 f1=f2

Ρ1+Ρ2=ΡL

Σχήμα 4. Κατανομή ενεργού ισχύος.

2 Oι καμπύλες f-P είναι με καλή προσέγγιση ευθείες, η κλίση τους καλείται βαθμός αναλογίας ή στατισμός.

Η ταυτόχρονη μεταβίβαση ενεργού φορτίου από τη μία γεννήτρια στην άλλη επιτυγχάνεται με παράλληλη εκατέρωθεν μετατόπιση των δύο χαρακτηριστικών f-P. Σε περίπτωση τώρα, που το καύσιμο του κινητήρα μιας από τις δύο γεννήτριες μεταβληθεί (π.χ. αυξηθεί η έγχυση καυσίμου στη γεννήτρια G2, τότε: • εφόσον η συνολική κατανάλωση, ΡL, δεν έχει μεταβληθεί, θα αυξηθεί η παραγωγή ενεργού ισχύος της

G2 (από Ρ2 Ρ2’), ενώ θα μειωθεί η αντίστοιχη παραγωγή της G1 (από Ρ1 Ρ1’). • Θα αυξηθεί η (κοινή) συχνότητα του δικτύου f1=f2 f1’=f2’. Αναφορικά με τις χαρακτηριστικές καμπύλες ενεργού ισχύος – συχνότητας, οι μεταβολές στην έγχυση καυσίμου στην κινητήρια μηχανή μία γεννήτριας ισοδυναμεί με παράλληλη μετατόπιση της χαρακτηριστικής Ρ-f (αύξησης έγχυσης καυσίμου ισοδυναμεί με μετατόπιση προς τα επάνω).

P1’ P1 P2 P2’

Ρ1+Ρ2=ΡL

Ρ1’+Ρ2’=ΡL

P

f

1 2 f1=f2

2’ f1’=f2’

Σχήμα 5. Κατανομή ενεργού ισχύος μετά από αύξηση της έγχυση καυσίμου στη γεννήτρια G2. Είναι σημαντικό να τονισθεί ότι η αλυσίδα καύσιμο – συχνότητα - ενεργός ισχύς είναι κλειστή και δεν επηρεάζεται από άλλους παράγοντες ή ρυθμίσεις, παρά μόνον δευτερογενώς. Ποιοτικά αυτό σημαίνει ότι ο χειριστής μπορεί να επιτύχει μεταβολές στην ενεργό ισχύ και τη συχνότητα μόνον ρυθμίζοντας την έγχυση καυσίμου στις κινητήριες μηχανές των γεννητριών. Κατανομή αέργου ισχύος Η κατανομή της αέργου ισχύος μεταξύ των γεννητριών, Σχ. 6, επιτυγχάνεται με μεταβολή του ρεύματος διεγέρσεως Ι (άρα και τάσης V , βλ. κυκλώματα γεννήτριας Σχ.2) της γεννήτριας: f f

Q1+Q2=QL

Q1 Q2 Q

V

1

2 V1=V2

Q1+Q2=QL

Σχήμα 6. Κατανομή αέργου ισχύος

Η ταυτόχρονη μεταβίβαση αέργου φορτίου από τη μία γεννήτρια στην άλλη επιτυγχάνεται με παράλληλη εκατέρωθεν μετατόπιση των δύο χαρακτηριστικών V-Q. Σε περίπτωση τώρα, που το ρεύμα διέγερσης σε μία από τις δύο γεννήτριες του μεταβληθεί (π.χ. αυξηθεί το ρεύμα διέγερσης στη γεννήτρια G2), τότε: • εφόσον η συνολική κατανάλωση, QL, δεν έχει μεταβληθεί, θα αυξηθεί η παραγωγή αέργου ισχύος της

G2 (από Q2 Q2’), ενώ θα μειωθεί η αντίστοιχη παραγωγή της G1 (από Q1 Q1’), βλ. Σχ. 7. • Θα αυξηθεί η (κοινή) τάση του δικτύου V1=V2 V1’=V2’ βλ. Σχ. 7.

Q1’ Q1 Q2 Q2’

Q1+Q2=QL

Q1’+Q2’=QL

P

V

1

2 V1=V2

2’ V1’=V2’

Σχήμα 7. Κατανομή αέργου ισχύος μετά από αύξηση του ρεύματος διέγερσης στη γεννήτρια G2. Αναφορικά με τις χαρακτηριστικές καμπύλες αέργου ισχύος – τάσεως, οι μεταβολές στο ρεύμα διέγερσης μία γεννήτριας ισοδυναμεί με παράλληλη μετατόπιση της χαρακτηριστικής V-Q. Συμπεραίνεται εύκολα λοιπόν, ότι ο μηχανισμός V-Q είναι δυαδικώς αντίστοιχος με το μηχανισμό Ρ-f. Ωστόσο υπάρχουν και κάποιες διαφορές: • Η ρύθμιση αέργου ισχύος και τάσης περιλαμβάνει ρυθμίσεις μόνον στην γεννήτρια και σε αμιγώς

ηλεκτρικά κυκλώματα με αποτέλεσμα να είναι ταχύτατη (χρόνος απόκρισης μερικά ms). Αντιθέτως η ρύθμιση ενεργού ισχύος περιλαμβάνει κατά τρόπο ουσιαστικό την κινητήρια μηχανή της γεννήτριας και το μηχανισμό έγχυσης καυσίμου και είναι εξαιρετικά πιο αργή (χρόνος απόκρισης μερικά s σε δηζελο-ηλεκτρικά συστήματα και αρκετά λεπτά σε ατμοστροβιλο-ηλεκτρικά). Τονίζεται επίσης ότι το ισοζύγιο αέργου ισχύος τηρείται στο ηλεκτρικό δίκτυο, ενώ το αντίστοιχο της ενεργού ισχύος τηρείται στο συνολικό σύστημα κινητήριες μηχανές – ηλεκτρικό δίκτυο.

• Αποδεικνύεται ότι ο μηχανισμός καύσιμο – συχνότητα - ενεργός ισχύς (Ρf) και ο μηχανισμός ρεύμα διέγερσης – τάση – άεργος ισχύς (QV) έχουν κάποια αλληλεξάρτηση, και μάλιστα ότι ο πρώτος είναι πολύ πιο ευαίσθητος σε ρυθμίσεις του δεύτερου απ΄ ότι το αντίστροφο. Χωρίς όμως σοβαρό σφάλμα και δεδομένων των διαφορών στους χρόνους απόκρισης, λαμβάνεται ότι οι δύο μηχανισμοί είναι ανεξάρτητοι μεταξύ τους, κάτι το οποίο ισχύει με μεγάλη ακρίβεια σε μόνιμη κατάσταση λειτουργίας αλλά και αρκετά μεταβατικά φαινόμενα.

2.2 Παραλληλισμός γεννήτριας σε άπειρο ζυγό Στην περίπτωση που μία γεννήτρια παραλληλίζεται με έναν άπειρο ζυγό (όπως αποκαλείται στη βιβλιογραφία, ένα δίκτυο – ΣΗΕ στο οποίο η συνολικά παραγόμενη ισχύς είναι πολύ μεγαλύτερη από αυτή

της εν λόγω γεννήτριας), όπως συμβαίνει σε αυτήν την εργαστηριακή άσκηση με το δίκτυο της ΔΕΗ, τότε ο άπειρος αυτός ζυγός φροντίζει να διατηρεί σταθερά τα μεγέθη της συχνότητας f και του μέτρου της τάσης V στους ακροδέκτες της γεννήτριας. Οι χαρακτηριστικές καμπύλες f-P και V-Q του απείρου ζυγού εμφανίζονται να έχουν σχεδόν μηδενική κλίση:

P2 P

f

1 2

f2

Q2 Q

V

1 2

V2

Σχήμα 8. Κατανομή ενεργού και αέργου ισχύος μεταξύ γεννήτριας G2 και γεννήτριας G1 που είναι άπειρος ζυγός. Πλέον ρυθμίζοντας την έγχυση καυσίμου στη γεννήτρια G2 ρυθμίζεται (αύξηση ή μείωση), η παραγωγή ενεργού ισχύος της, Ρ2, χωρίς να επηρεάζεται η συχνότητα.που επιβάλλεται από τον άπειρο ζυγό. Η συνεισφορά της μεμονωμένης γεννήτριας σε πραγματική (ενεργό) ισχύ Ρ2, καθορίζεται βάσει της σχέσης που προαναφέρθηκε:

P2 = 3VEf sinδ / X μεταβάλλοντας της γωνία ισχύος δ, δηλ. τη γωνία μεταξύ των διανυσμάτων των τάσεων V και Ef στο μονοφασικό κύκλωμα της γεννήτριας, που αντικατοπτρίζει τη γωνία μεταξύ του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου του δρομέα με αυτό του στάτη. Για λόγους ευσταθούς λειτουργίας της μηχανής, η γωνία ισχύος δ περιορίζεται να κυμαίνεται μεταξύ 0 και περίπου 40ο. Για αυτήν την περιοχή λειτουργίας ισχύει ότι, αύξηση της γωνίας δ (που προκύπτει από εντολή αύξησης του παρεχόμενου καυσίμου στην κινητήρια μηχανή) σημαίνει αύξηση της παραγόμενης ισχύος Ρ που δίνει η γεννήτρια προς το δίκτυο και το αντίστροφο. Αντίστοιχα, ρυθμίζοντας το ρεύμα διέγερσης στη γεννήτρια G2 ρυθμίζεται (αύξηση ή μείωση), η παραγωγή αέργου ισχύος της, Q2, χωρίς να επηρεάζεται η τάση που επιβάλλεται από τον άπειρο ζυγό. Η συνεισφορά της μεμονωμένης γεννήτριας σε άεργο ισχύ Q2 καθορίζεται μέσω του μέτρου της τάσεως Εf, καθώς ισχύει η σχέση:

Q2 =3V(E cosδ-V) / X f

Η ρύθμιση του μέτρου της τάσεως Ε επιτυγχάνεται με ρύθμιση του ρεύματος διεγέρσεως Ιf f, καθώς τα δύο μεγέθη συνδέονται με τη σχέση ευθείας αναλογίας:

=XΕf φ.If Όπου Xφ η αντίδραση της αμοιβαίας σύζευξης μεταξύ των τυλιγμάτων δρομέα (διεγέρσεως) και στάτη (τυμπάνου), η οποία κάτω από τις συνήθεις συνθήκες λειτουργίας μπορεί να θεωρηθεί ως κατά προσέγγιση σταθερή.

ΣΥΓΧΡΟΝΙΣΜΟΣ ΖΕΥΓΟΥΣ ΕΡΓ. ΝΑΥΤ. ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΙΑΣ

Το Εργαστήριο Ναυτικής Μηχανολογίας διαθέτει ηλεκτροπαραγωγό ζεύγος (Η/Ζ) της MAN αποτελούμενο από: 1) Υπερπληρωμένο κινητήρα Diesel τύπου ΜΑΝ D 2866 LE 2) Σύγχρονη αυτορυθμιζόμενη ηλεκτρογεννήτρια τύπου AVK DKBN 49-120 Δίνεται παρακάτω η πρακτική διαδικασία συγχρονισμού του ζεύγους αυτού όπως έχει προδιαγραφεί από τον κατασκευαστή: 1) Οι διακόπτες Μ1 και Μ2α-β τίθενται στη θέση 2

Ο διακόπτης Δ1 τίθεται στη θέση 0 2) Από το ΚΔ ο τρόπος λειτουργίας τίθεται σε ΜΑΝ (manual = χειροκίνητο) και οπλίζεται ο

ηλεκτρονόμος (ρελέ) διασύνδεσης του Η/Ζ με το δίκτυο 3) Μέσω του ΠΤ ρυθμίζεται η τάση εξόδου της γεννήτριας

Μέσω του ΠΣ ρυθμίζεται η τιμή του cosφ Μέσω του Δ1 ρυθμίζεται η τιμή της συχνότητας ώστε να είναι λίγο μεγαλύτερη από εκείνη του δικτύου.

4) Με τη βοήθεια του οργάνου ΖV καθορίζεται η στιγμή σύνδεσης του Η/Ζ με το δίκτυο ως εξής: Εφόσον ο δείκτης του ΖV ταλαντούται αργά από το 0 μέχρι τη μέγιστη τιμή, ο διακόπτης Μ1 τίθεται στη θέση 3, σε κάποια στιγμή που η ένδειξη του ΖV είναι μεταξύ 0 και 10 V

5) Εφόσον ο συγχρονισμός είναι επιτυχημένος οι διακόπτες Μ2α-β τίθενται στη θέση 1 και η μηχανή παραλαμβάνει φορτίο με τη βοήθεια του διακόπτη Δ1.

Η διαδικασία αποσύνδεσης του Η/Ζ από το δίκτυο έχει ως εξής: 1) Μέσω του διακόπτη Δ1 το φορτίο που παραλαμβάνει το Η/Ζ από το δίκτυο μηδενίζεται 2) Από το ΚΔ το Η/Ζ αποσυνδέεται από το δίκτυο μέσω του ηλεκτρονόμου διασύνδεσης 3) Από το ΚΔ το Η/Ζ τίθεται σε κατάσταση αναμονής πιέζοντας το κομβίο STOP 4) Τέλος το Η/Ζ τίθεται εκτός λειτουργίας πιέζοντας το κομβίο 0 στο ΚΔ ΥΠΟΜΝΗΜΑ (βλ. εμπρόσθια όψη πίνακα Η/Ζ ) Μ1: Μεταγωγικός διακόπτης τρόπου λειτουργίας Μ2α: Μεταγωγικός διακόπτης χειροκίνητου συγχρονισμού αριστερός Μ2β: Μεταγωγικός διακόπτης χειροκίνητου συγχρονισμού δεξιός Δ1: Ρύθμιση στροφών ΚΔ: Κεντρικό πάνελ ελέγχου ΠΤ: Ποτενσιόμετρο ρύθμισης τάσης ΠΣ: Ποτενσιόμετρο ρύθμισης cosφ (ΣΙ) ΖV: Βολτόμετρο συγχρονισμού

Mεταγωγέαχειροκίνητουσυγχρονισμού(Μ2β) 1: εντός 2: εκτός

ς

Α

0..600

Α

0..600

Α

0..600

Hz

45..55

V

• 7 -- • 8 --

Εμπρόσθια Όψη Πίνακα Η/Ζ

0..500

kW

0..300

cosφ

0.5 ind ..0.5 cap

V

0..40

RS R ST S

T

1 2 0 3

ΜεταγΛειτουργίας

0: stand-b1: αυτόμα2:χειροκίνη3: διακοπ

ωγικός Διακόπτης (Μ1)

y τος συγχρονισμός τος συγχρονισμός

ή

1 2

Μεταγωγέας χειροκίνητου συγχρονισμού (Μ2α) 1: εντός 2: εκτός

0 1

εφεδρικός

0 1 2

ρύθμιση στροφών (Δ1)

Ρύθμιση τάσης (ΠΤ)

ρύθμιση cosφ (ΠΣ) Ανοιγμα Διακόπτη Γεννήτριας Επείγουσα Κράτηση

Μεταγωγικός Διακόπτης Βολτομέτρου

• 1 τάση εντός ορίων • 2 συχνότητα εκτός ορίων

• 3 έλλειψη τάσης δικτύου • 4 ελάχιστη ισχύς

• 5 αποτυχία αυτομ. συγχρ. • 6 --

• 0

• Auto

• Test

• Man

• Start

• Stop

• Horn

• Reset

U≥ U<> I O

• 1 αποτυχία εκκίνησης • 2 υψ. θερμ. Νερού • 3 χαμ. πίεση λαδιού

• 4 υπερφόρτιση • 5 βραχυκύκλωμα • 6 επιστροφή ισχύος

I O

(ΚΔ)

V

0..50 Βολτόμετρο Συγχρονισμού

(ZV)

21

Start

Stop

Kανονική λειτουργία Μοτέρ

Εφεδρική

21

Εκκίνηση ΜοΨυγείου 1: αυτόματα 2: χειροκίνητ

τέρ

α

Γενικό Πρωτόκολλο Μετρήσεων ΗΛΕΚΤΡΟΠΑΡΑΓΩΓΟ ΖΕΥΓΟΣ 230 kW

ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟΥ ΝΑΥTΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΙΑΣ

α/α Μέγεθος Μονάδα μέτρησης

Σπουδα-στής που μετρά

Θέση μετρητικού οργάνου

1 Ημερομηνία Ηλεκ/σιο 2 Ώρα έναρξης μέτρησης 1 Ηλεκ/σιο 2α Ώρα λήξης μέτρησης 1 Ηλεκ/σιο 3 Ένδειξη ωρομετρητή 3 Κονσόλα 4 Παροχή καυσίμου 1 Κονσόλα 5 Στάθμη καυσίμου κατά

την έναρξη μέτρησης 1 Δεξαμενή

Η/Ζ

5α Στάθμη καυσίμου κατά τη λήξη μέτρησης

1 Δεξαμενή Η/Ζ

6 Θερμοκρασία καυσίμου

1/9 Η/Ζ

7 Θερμοκρασία περιβάλλοντος

Εξωτερικός χώρος

8 Θερμοκρασία αέρα περιβάλλοντος

2 Η/Ζ

9 Θερμοκρασία νερού ψύξης χιτωνίων (πρωτεύοντος)

3 Η/Ζ

10 Θερμοκρασία λαδιού 4 11 Θερμοκρασία εισόδου

(στον κινητήρα) νερού ψύξης (δευτερεύοντος)

2 Η/Ζ

12 Θερμοκρασία εξόδου (από τον κινητήρα) νερού ψύξης (δευτερεύοντος)

2 Η/Ζ

13 Παροχή νερού ψύξης δευτερεύοντος

3 Κονσόλα

14 Πίεση λαδιού 4 Κονσόλα 15 Πίεση εξόδου νερού

δευτερεύοντος δικτύου ψύξης

5 Κονσόλα

22 Τάση μπαταριών εκκίνησης

6 Κονσόλα

23 Ένταση φόρτισης μπαταριών

6/9 Κονσόλα

24 Περιστροφική ταχύτητα κινητήρα

6 Κονσόλα

25 Θερμοκρασία καυσαερίων

5 Κονσόλα

26 Συντελεστής Ισχύος 7 Πίνακας Η/Ζ 27 Ηλεκτρική Ισχύς προς

το δίκτυο 8 Πίνακας Η/Ζ

28 Ρεύμα φάσης R 8 Πίνακας Η/Ζ 29 Ρεύμα φάσης S 8 Πίνακας Η/Ζ 30 Ρεύμα φάσης T 8 Πίνακας Η/Ζ 31 Πολική τάση RS 7 Πίνακας Η/Ζ 32 Φασική τάση R 7 Πίνακας Η/Ζ 33 Παροχή καυσίμου 1 Υπολογισμός

Πρωτόκολλο Ηλεκτρικών Μετρήσεων στην έξοδο της γεννήτριας

Μετρήσεις ηλεκτρικών μεγεθών σε Η/Ζ

Ημερομηνία:

Φόρτιση: kW , Σ.Ι.: Δt = min Φάση L1 Φάση L2 Φάση L3 Σύνολο

V(V)

I(A)

P(kW)

Q(kVAr)

S(kVA)

Σ.Ι.

Φόρτιση: kW , Σ.Ι.: Δt = min Φάση L1 Φάση L2 Φάση L3 Σύνολο

V(V)

I(A)

P(kW)

Q(kVAr)

S(kVA)

Σ.Ι.

Φόρτιση: kW , Σ.Ι.: Δt = min Φάση L1 Φάση L2 Φάση L3 Σύνολο

V(V)

I(A)

P(kW)

Q(kVAr)

S(kVA)

Σ.Ι.

Ζητούμενα για την Τεχνική Έκθεση

1) Συντάξτε την τεχνική έκθεση της άσκησης (βλ. Πίνακα 1). 2) Περιγράψτε σύντομα τη διαδικασία παραλληλισμού στο συγκεκριμένο Η/Ζ. 3) Περιγράψτε τη διαδικασία «παύσης λειτουργίας έκτακτης ανάγκης»

(“emergency stop”) στο συγκεκριμένο Η/Ζ. 4) Θεωρώντας ότι η ανεξάρτητη μεταβλητή είναι η φόρτιση του Η/Ζ σε kW υπό

σταθερό Σ.Ι. (ίσο με 0.8 επαγωγικό περίπου) να παρασταθούν γραφικά οι μετρηθείσες ποσότητες από το γενικό πρωτόκολλο μετρήσεων. Να σχολιασθούν-επεξηγηθούν οι μορφές των καμπυλών.

5) Να εξεταστεί και σχολιασθεί το φαινόμενο ασύμμετρης φόρτισης μεταξύ των τριών φάσεων του Η/Ζ. Μεταβάλλεται η ασυμμετρία όσο αυξάνει η φόρτιση; Προσπαθήστε να εξηγήσετε.

1. Τίτλος

2. Σύνοψη – Σκοπός άσκησης

3. Κατάλογος οργάνων μέτρησης

(όργανα που χρησιμοποιήθηκαν)

4. Θεωρητικό μέρος – Αναφορές

(σύντομη περιγραφή θεωρητικής θεμελίωσης της μεθοδολογίας του πειράματος)

5. Περιγραφή πειράματος

(περιγραφή εγκατάστασης, συνδέσεων οργάνων, καλωδιώσεων κ.λπ)

6. Παρουσίαση και σχολιασμός αποτελεσμάτων

(σχήματα με ευδιάκριτους άξονες και τιμές, τίτλοι σχημάτων, μονάδες μέτρησης)

7. Συμπεράσματα

8. Βιβλιογραφία

Πίνακας 1. Δομή τεχνικής έκθεσης εργαστηριακής άσκησης

Παράρτημα A Στη συνέχεια παρατίθενται οι κυματομορφές της τάσης μεταξύ των ακροδεκτών του διακόπτη παραλληλισμού για διάφορες περιπτώσεις στις οποίες δεν πληρούνται όλες οι συνθήκες συγχρονισμού γεννητριών. Στην περίπτωση αυτή το ρεύμα που κυκλοφορεί αποτελείται από δύο συνιστώσες μία που οφείλεται στην ανισότητα των στιγμιαίων τιμών των παραγομένων τάσεων και κυκλοφορεί μεταξύ των δύο γεννητριών Ικ, καθώς και μία συνιστώσα που οφείλεται στο φορτίο που τροφοδοτούν οι γεννήτριες ΙL, βλ. Σχ. Α.

G1

G2

L

ΙL

Ικ

ΙG1

ΙG2 Σχήμα Α. Κυκλοφορούντα ρεύματα κατά τον παραλληλισμό γεννητριών όταν δεν πληρούνται οι συνθήκες παραλληλισμού. Η τιμή του ρεύματος Ικ καθορίζεται από την σύνθετη αντίσταση του ζυγού και του διακόπτη παραλληλισμού που εν γένει είναι εξαιρετικά μικρές. Συνεπώς, το ρεύμα Ικ αλλά τελικά και το συνολικό ρεύμα κατά το βεβιασμένο παραλληλισμό αποκτά πολύ μεγάλες τιμές (αντίστοιχες με αυτές των βραχυκυκλωμάτων) και μπορεί να είναι καταστροφικό κυρίως για το ζυγό παραλληλισμού και τον εξοπλισμό προστασίας του. Στο Σχ. Β δίνεται η κυματομορφή τάσης που αναπτύσσεται στα άκρα του διακόπτη παραλληλισμού όταν οι δύο γεννήτριες παράγουν ημιτονοειδείς τάσεις 220 V rms, αλλά με διαφορά συχνότητας 1 Hz (50 και 51 Hz αντίστοιχα), γι’ αυτό και αναπτύσσεται διακρότημα του οποίου η συχνότητα ισούται ακριβώς με 1Ηz.

(file HZ01.pl4; x-var t)

700[V]

Σχήμα Β. Διακρότημα τάσης για διαφορά συχνότητας 1 Hz μεταξύ των προς παραλληλισμό γεννητριών (και οι δύο παράγουν τάση 220 V rms αλλά η συχνότητα διαφέρει). Σημειώνεται ότι με ενεργό τιμή (rms) 220 V, η αντίστοιχη τιμή του πλάτους είναι 220√2=311 V, ενώ όπως φαίνεται από το Σχ. Β το αντίστοιχο πλάτος του διακροτήματος είναι το διπλάσιο αυτής της τιμής, δηλαδή περίπου 622 V. Στο Σχ. Γ δίνεται η κυματομορφή του ρεύματος που θα διαρρέει τον ζυγό και το διακόπτη παραλληλισμού στην περίπτωση που επιχειρηθεί να κλείσει ο διακόπτης.

v:NODE1A-NODE2A 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0[s]

-700

-525

-350

-175

0

175

525

350

(file HZ03.pl4; x-var t)

3500

[A]

Σχήμα Γ. Διακρότημα ρεύματος κατά το βεβιασμένο παραλληλισμό γεννητριών που η συχνότητα εξόδου τους διαφέρει κατά 1 Hz (και οι δύο παράγουν τάση 220 V rms αλλά η συχνότητα διαφέρει). Στην περίπτωση αυτή, η διαφορά δυναμικού εξαναγκάζεται σε μηδενισμό (αφού οι επαφές του διακόπτη κλείνουν), ωστόσο η διαφορά συχνότητας του 1 Hz οδηγεί στην ανάπτυξη διακροτήματος ρεύματος. Όπως προαναφέρθηκε, η τιμή του ρεύματος καθορίζεται από την (μικρής τιμής) σύνθετη αντίσταση του ζυγού και του διακόπτη παραλληλισμού και γι΄αυτό προκύπτει εξαιρετικά μεγάλο. Στην περίπτωση που οι παραγόμενες κυματομορφές τάσης είναι της ίδιας συχνότητας αλλά διαφέρουν στα πλάτη ή την φασική απόκλιση, τότε αναπτύσσεται και πάλι κυκλοφορούν ρεύμα Ικ, στην κοινή συχνότητα χωρίς διακροτήματα συχνοτήτων. Η τιμή του ρεύματος Ικ πάλι μπορεί να είναι μεγάλη. Για παράδειγμα, στο Σχ. Δ, απεικονίζονται τα ρεύματα των δύο γεννητριών ΙG1 και IG2, καθώς και το ρεύμα προς το φορτίο ΙL (που ισούται με το διανυσματικό άθροισμα των ΙG1 και IG2), για την περίπτωση που οι γεννήτριες παράγουν ημιτονοειδείς τάσεις 50 Hz, αλλά τα πλάτη των τάσεων διαφέρουν κατά 20 ενώ δεν υφίσταται φασική απόκλιση μεταξύ τους .

( f ile HZ 05.pl4; x -v ar t) c :NODE2A - c :NODE3A -NODE2A c :NODE1A -NODE2A

0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10[s ]-120

-80

-40

0

40

80

120

[A ]

Σχήμα Δ. Κυματομορφές ρεύματος ΙG1 και IG2 και ΙL κατά το βεβιασμένο παραλληλισμό γεννητριών που παράγουν ημιτονοειδείς τάσεις 50 Hz, αλλά τα πλάτη των τάσεων διαφέρουν κατά 20 V.

c:NODE1A-NODE2A 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0[s]

-3500

-2625

-1750

-875

0

875

2625

1750

ΙL

ΙG2 ΙG1

Παράρτημα B Σύμφωνα με τα όσα αναπτύχθηκαν παραπάνω, στο κύκλωμα ελέγχου της ηλεκτρικής γεννήτριας του Η/Ζ του εργαστηρίου Ναυτικής Μηχανολογίας, υπάρχουν οι εξής δύο μηχανισμοί ελέγχου: 1) Ρύθμιση παραγωγής ενεργού ισχύος Η/Ζ – Ρύθμιση συχνότητας Κύκλωμα ρύθμισης

φορτίου- συχνότητας

Διακόπτης Δ1

Συχνότητα, Ενεργός ισχύς Ρ

Μηχ. Στροφές, Έγχυση καυσίμου

Όταν η γεννήτρια δεν είναι παραλληλισμένη με το δίκτυο της ΔΕΗ, με το διακόπτη Δ1 (που ελέγχει την έγχυση καυσίμου στον ντηζελοκινητήρα), ρυθμίζεται η συχνότητα της (δηλαδή οι μηχανικές στροφές) και η παραγόμενη ενεργός ισχύς. Σε κατάσταση παραλληλισμού με τη ΔΕΗ, με το διακόπτη Δ1 ρυθμίζεται η συνεισφορά της γεννήτριας στη συνολική ενεργό ισχύ που ζητά το φορτίο. Αντιθέτως όπως προαναφέρθηκε η ηλεκτρική συχνότητα (και οι μηχανικές στροφές) του Η/Ζ καθορίζονται από τη ΔΕΗ. 2) Ρύθμιση παραγωγής ενεργού ισχύος Η/Ζ – Ρύθμιση τάσης Κύκλωμα ρύθμισης

τάσης- αέργου ισχύος

Διακόπτες ΠΣ και ΠΤ

Τάση

Άεργος Ισχύς, Συντελεστής Ισχύος

Όταν η γεννήτρια δεν είναι παραλληλισμένη με το δίκτυο της ΔΕΗ, με τους διακόπτες ΠΣ και ΠΤ (που ελέγχει την τάση στο κύκλωμα διεγέρσεως της γεννήτριας), ρυθμίζεται η τάση ακροδεκτών της και η παραγόμενη άεργος ισχύς (συνεπώς και ο συντελεστής ισχύος). Σε κατάσταση παραλληλισμού με τη ΔΕΗ, με τους διακόπτες ΠΣ και ΠΤ ρυθμίζεται η συνεισφορά της γεννήτριας στη συνολική άεργο ισχύ που ζητά το φορτίο (όπως και ο συντελεστής ισχύος της γεννήτριας). Αντιθέτως όπως προαναφέρθηκε η τάση ακροδεκτών του Η/Ζ καθορίζεται από τη ΔΕΗ.

Γενικό Μονογραμμικό Διάγραμμα Q

Εργαστηρίου Ναυτικής Μηχανολογίας 2 (1000A)

I>

Q1 (1600A)

I>

I>

I>

I>

F1 (35A)

Q5 (250A)

ΠΥ3: Ηλεκτροσυγκολλήσεις Υπογείου

Εφεδρική παροχή

Q4 (400A)

H/Z (265 KVA)

1F1I>

3x(3x400mm2) NYY

ΔΕΗ I>

Q-1 (2500A)

Q0 (1250A)

Υποσταθμός ΕΜΠ

Υπόμνημα

Αυτόματος Διακόπτης Q

Προστασία Υπερφορτίσεως I>

Προστασία Υπερεντάσεως V<

Προστασία Έλλειψης Τάσης

Ασφαλειοδιακόπτης F ~

Ντηζελογεννήτρια

Μπαταρίες μίζας

Πυκνωτές αντιστάθμισης αέργου ισχύος

Μπαταρίες

ΑΜ/Σ 380V/500V Q B3B (800A)

Q6 (125A)

Q7 (250A)

QB8B (125A)

Ι.Μ. ΠΡΟΥΣΑΛΙΔΗΣ, 4/2002

Πέδη AEG + ΜiniSemi I> I>

ΜiniSemi (βοηθητικά)

Τροφοδοσία Κτηρίου (+φωτισμός ορύγματος)

ΠΚ4: Πίνακας Κίνησης +Ηλεκτροσυγκολλήσεις Ισογείου

Κύριος Πίνακας Ορύγματος (όχι φωτισμός)

I> V<

18Q1 (400Α)

17Q1 (400Α)

~

βοηθητικά

UPS

Q960 (63A)

Q950 (63A) Γραμμές UPS

22Q7

I> ~ Ηλεκτροκινητήρας Ψυγείου H/Z (16,5 kW)