Streszczenie: Nieodpowiednia jakość napięć zasilania zwiększa straty przy przesyle energii elektrycznej, przyczynia się do skrócenia pracy zainstalowanych maszyn i urządzeń elektrycznych, może być przyczyną poważnych awarii, przestojów i nieplanowanych wyłączeń na skutek błędnego zadziałania zabezpieczeń nadprądowych i wyłączników różnicowoprądowych.
Dlatego przedmiotem rozważań zawartych w niniejszej monografii jest wpływ kształtu napięcia i prądu wzbudzenia na zawartość wyższych harmonicznych w napięciach indukowanych w uzwojeniach fazowych stojana generatora synchronicznego wydatnobiegunowego ze wzbudzeniem elektromagnetycznym w ustalonym stanie biegu jałowego. W pracy opracowano model obwodowy generatora synchronicznego wydatnobiegunowego o mocy 5,5 kVA z wirnikiem bez klatki oraz z klatka tłumiącą, bez skosu oraz ze skosem wirnika. Funkcje indukcyjności własnych i wzajemnych modelu wyznaczono metodą elementów skończonych w programach Flux 2D Skew oraz FEMM na podstawie szczegółowych da-nych konstrukcyjno-materiałowych otrzymanych od producenta badanego generatora synchronicznego z wirnikiem wydatnobiegunowym bez klatki oraz z klatką tłumiącą. Badania symulacyjne przeprowadzono:
• przy wymuszeniu If = const,
• przy jednoczesnym wymuszeniu Uf = const oraz If = const poprzez wprowadzenie do obwodu wzbudzenia dodatkowego napięcia ufd,
• dla różnych kształtów napięcia wzbudzenia tj. przy zasilaniu:
ze stabilizowanego źródła napięcia stałego Uf = const,
poprzez prostownik sześciopulsowy i układ dwóch transformatorów prądowego i napięciowego połączonych szeregowo-równolegle względem uzwojenia stojana,
poprzez autorski układ sterowania umożliwiający wzmocnienie lub ograniczenie zawartości wyższych harmonicznych.
Do przeprowadzenia weryfikacji eksperymentalnej autor zbudował stanowisko badawcze, w skład którego wchodzą dwa zestawy maszyn elektrycznych z generatorami synchronicznymi wydatnobiegunowymi o mocy 5,5 kVA. Do tych zestawów autor wykonał trzy wirniki zbudowane z blach elektrotechnicznych: bez prętów klatki tłumiącej i bez skosu wirnika, z prę-tami klatki tłumiącej bez skosu oraz ze skosem wirnika.
Na podstawie przeprowadzonych badań symulacyjnych oraz eksperymentalnych wynika, że żaden z modeli generatora synchronicznego z obwodem magnetycznym liniowym i nieliniowym z wirnikiem bez oraz z klatką tłumiącą, ze skosem i bez skosu wirnika nie spełnia wymogu HFVu ≤ 2% stawianego maszynom elektrycznym AC jako źródło zasilania.
O kształcie napięć indukowanych w uzwojeniach fazowych stojana decydują składniki odpowiadające za napięcia rotacji i transformacji. W przypadku, gdy prąd wzbudzenia jest zbliżony do If = const wpływ pochodnej prądu wzbudzenia jest pomijalnie mały. Wówczas, o kształcie napięć indukowanych w uzwojeniach fazowych stojana decydują głownie składniki odpowiadające za napięcia rotacji. Napięcia te są bardziej odkształcone niż dla różnych kształtów analizowanego napięcia zasilana obwodu wzbudzenia. Napięciowy sposób zasilania obwodu wzbudzenia (czyli dif/dt 0) powoduje, że napięcia transformacji są w przeciwfazie do napięć fazowych rotacji.
Dla badanego generatora synchronicznego bez ograniczenia wpływu 3. harmonicznej, uzyskanie THDua poniżej 5% oraz HFVu ≤ 2% w napięciach indukowanych przy wspominanych sposobach zasilania obwodu wzbudzenia jest niemożliwe. Dlatego autor opracował układ oraz sposób sterowania obwodem wzbudzenia, który poprzez wprowadzenie do obwodu wzbudzenia napięcia zawierającego harmoniczną 2. rzędu, umożliwia ograniczenie w indukowanych napięciach pasmowych uzwojenia stojana najbardziej znaczącej 3. harmonicznej. Taki sposób sterowania powoduje znaczną redukcję zawartości wyższych harmonicznych oraz HFVu poniżej 2%. Wadą rozważanej metody jest to, że wprowadzenie do obwodu wzbudzenia napięcia zawierającego składową stałą oraz drugą harmoniczną, pozwala na ograniczenie zawartości wyższych harmonicznych tylko w jednym uzwojenia fazowym stojana przy wzroście udziału zawartości wyż
Abstract: An improper quality of supply voltages increases the loss of transmission of electrical energy, contributes to the reduction of operation of machines and equipment, may be the cause of serious failures, downtime and unplanned shut-off periods as a result of erroneous activation of overcurrent protections and residual current operated circuit-breakers.
Therefore the subject of the considerations included in this monograph is the influence of voltage and field current waveform on the content of higher harmonicsin voltages induced in phase windings of the stator of a synchronous salient pole generator with electromagnetic excitation in the established no-load state. A circuital model is developed in the study of the 5.5 kVA salient pole synchronous generator with and without the damper cage, with or without the rotor skew. The functions of self- and mutual inductances of the model are determined using the finite elements method in programs Flux 2D Skew and FEMM based on the detailed structural and material data received from the manufacturer of the tested synchronous generator with salient pole rotor with and without the damper cage. The simulation testing was conducted:
• at input function If = const,
• at the simultaneous input function Uf = const and If = const through the introduction to the field circuit of additional voltage ufd,
• for various field voltage waveforms i.e. at power supply:
from a stabilized DC voltage source Uf = const,
through a six-pulse rectifier and a set of two transformers, a current transformer and voltage transformer connected in series and parallel in relation to the stator winding,
through a proprietary control unit allowing the reinforcement or restriction of the content of higher harmonics.
In order to conduct the experimental verification, the author has built a test stand comprising two sets of electrical machines with synchronous salient pole 5.5 kVA generators. The author has made three rotors made of electric sheets to accompany the sets: without the bars of the damper cage and without rotor skew, with damper cage bars and with rotor skew.
Based on the conducted simulation and experimental tests show that none of the models of the synchronous generator with linear and nonlinear magnetic circuit with rotor with and without a damper cage, with and without rotor skew does not meet the requirement HFVu ≤ 2% set out for AC electrical machines as a power supply.
The waveforms of the voltages induced in the phase windings of the stator are determined by the components responsible for the voltages of rotation and transformation. In the event where the field current is similar to If = const the impact of the field current is negligibly small. The waveforms of the voltages induced in the phase windings of the stator are determined mainly by the components responsible for the voltages of rotation. The voltages are more distorted than for various waveforms of the analyzed supply voltage of the field circuit. The voltage method of supplying the field circuit (that is dif/dt 0) results in the transformation voltages being in counterphase to phase voltages of rotation.
For the tested synchronous generator without limiting the impact of 3rd harmonic the achievement of THDua below 5% and HFVu ≤ 2% in the induced stator phase voltages at the mentioned methods of supply of the field circuit is impossible. That is why the author has developed a way of controllimg and control unit for the field circuit, through which the introduction into the field circuit of voltage containing 2nd harmonic allows the reduction in the induced stator phase voltages the most significant 3rd harmonic. Such a method of control results in a substantial reduction of the content of higher harmonics and HFVu below 2%. The disadvantage of the discussed method is that the introduction of the field voltage containing the DC component and second harmonic allows to reduce the content of higher harmonics only in
