Notiuni privind generatoarele sincrone (GS)

Consideratii generale

Pentru producerea energiei electrice in curent alternativ trifazat, in centralele electrice se folosesc in majoritatea cazurilor generatoarele sincrone (GS). Cele care debiteaza pe o retea proprie sunt intalnite destul de des in instalatiile mobile sau in retelele izolate, adesea fiind utilizate ca surse de rezerva pentru alimentarea cu energie electrica a unor obiective mai importante in caz de avarii ale sistemului energetic.

GS este o masina electrica rotativa cu infasurarea statorica conectata la o retea de curent alternativ, iar cea rotorica (care face parte din inductor) este alimentata in curent continuu.

Turbogeneratoarele sunt antrenate de turbine cu abur, gaze sau motoare Diesel si functioneaza la viteze mari, n₀=(1500-3000) rot/min. Au numar mic de poli, cei rotorici fiind poli inecati (rotorul este monobloc cilindric, prevazut cu crestaturi rotorice), adica se asigura un intrefier constant, iar arborele este orizontal.

Hidrogeneratoarele au ca masina primara o turbina hidraulica; turatia in acest caz este de ordinul sutelor de rotatii pe minut, iar numarul polilor este mai mare. Au polii rotorici proeminenti, iar intrefierul nu mai este constant de-a lungul circumferintei interioare a statorului. Arborele este de obicei vertical.

Puterea debitata de un generator sincron poate fi scrisa ca fiind:

,

in care k reprezinta un coeficient de proportionalitate; D - diametrul rotorului, in m; L- lungimea, in m; n₀ - turatia de sincronism, in rot/ min; A - densitatea de curent din infasurare, in A/mm²; B - inductia campului magnetic, in Wb /m

Cresterea puterii unitare presupune marirea fie a dimensiunilor masinilor, fie a solicitarilor electrice si magnetice din masina.

Din analiza functionarii masinii sincrone rezulta ca prin marirea tuturor dimensiunilor masinii de un numar de p ori, la aceleasi solicitari electrice si magnetice, puterea masinii creste de p⁴ ori, pierderile in fier si infasurari cresc de p³ ori, iar suprafetele de racire cresc de p² ori [3].

Ca urmare a actiunii fortelor centrifuge, care tind sa smulga infasurarile, diametrul rotorului D este limitat la aproximativ un metru. De asemenea, marirea lungimii L peste 10-15 m este limitata din cauza masei mari, care ar solicita lagarele, ar scadea frecventa proprie de oscilatie si ar conduce la pericolul de rezonanta si de distrugere a rotorului. Cresterea inductiei magnetice B este limitata de saturatia miezului magnetic.

Singura posibilitate reala de marire a puterii GS este marirea densitatii de curent A si rezolvarea problemelor legate de evacuarea cantitatii de caldura corespunzatoare tuturor pierderilor dependente de curent.

Agenti si sisteme de racire

In principal, incalzirea trebuie limitata si controlata deoarece:

limita pana la care se poate ajunge cu temperatura infasurarii este dictata de clasa de izolatie din care face parte materialul izolant;

exista pericolul aparitiei unor solicitari mecanice periculoase din cauza dilatarilor diferite intre materialele folosite in masina (fier, cupru etc.).

Caldura transmisa de o parte a generatorului agentului de racire depinde de marimea suprafetei partii respective, de coeficientul de transfer de caldura si de diferenta de temperatura intre partea respectiva a GS si agentul de racire.

Dupa modul de cedare a caldurii de la partile active ale masinii spre mediul de racire se deosebesc:

racirea indirecta - caldura se dezvolta in infasurari, ajunge la mediul de racire trecand prin izolatia conductoarelor si crestaturilor si prin fierul miezului magnetic;

racirea directa - canalele de racire parcurse de mediul de racire sunt amplasate in crestaturi sau chiar in interiorul barelor elementare ale infasurarilor si astfel caldura dezvoltata in conductoarele infasurarilor trece direct la mediul de racire.

Racirea generatoarelor cu aer

Utilizarea aerului ca mediu de racire la puteri ale GS din ce in ce mai mari impune marirea suprafetelor de racire (se prevad canale longitudinale si transversale) si a debitului de aer (deci si a gabaritului instalatiei).

Racirea cu aer (fortata cu ventilatoare cu aer) se poate face in circuit deschis sau in circuit inchis.

In cazul racirii cu aer in circuit deschis, aerul se absoarbe din exterior, se trece printr-un filtru, se introduce in GS si se evacueaza dupa ce a preluat caldura. Dintre dezavantajele racirii cu aer in circuit deschis se pot mentiona:

oricat s-ar filtra aerul, acesta ramane impur si devine o sursa importanta de defecte;

la aparitia unui defect de natura electrica, oxigenul din aer alimenteaza incendiul si il amplifica;

conductele de aer (rece si cald) ocupa mult spatiu si maresc considerabil zgomotul din sala masinilor.

In cazul racirii cu aer in circuit inchis este necesar un schimbator de caldura. Aerul cald se trece prin schimbatorul de caldura, se raceste si se reintoarce in masina.

Turbogeneratoarele racite cu aer se caracterizeaza prin robustete, spatiu redus, fundatii simple, interfete putine cu alte sisteme, nu necesita butelii de hidrogen si/sau CO₂, au putine piese complexe, mentenanta si supravegherea se efectueaza usor, au o buna fiabilitate, sunt sigure si simple.

Puterea nominala a generatoarelor racite cu aer a fost intotdeauna adaptata evolutiei turbinelor. Seria generatoarelor de 300 MVA racite cu aer a fost introdusa in anul 1995 si sunt in functiune 30 de astfel de grupuri la 50 Hz si 60 Hz, in centrale cu turbine pe gaze. Statorul este cu bobinajul din cupru, iar racirea acestuia se face indirect. Eforturile intensive pentru dezvoltarea acestei tehnologii au facut posibila cresterea progresiva a puterii grupurilor, ajungandu-se in anul 1998 la testarea grupurilor de 480 MVA, iar in anul 2000 - a celor de 500 MVA (figura 1).

Principalele contributii la cresterea puterii nominale constau in:

marirea dimensiunilor active ale generatorului prin:

cresterea diametrului rotorului D cu 9%;

cresterea lungimii active L cu 17%;

marirea densitatii de curent A cu 20% prin:

curatarea sistemului de racire, utilizarea unui curent invers (racirea axiala a rotorului si segmentarea axiala a statorului racit radial, ca in figura 2);

schimbarea clasei de izolatie F (utilizate pana acum), cu clasa de izolatie H (izolatia barelor statorului se realizeaza din Micadura, izolatia crestaturilor pentru bobinajul rotorului este facuta din Nomex, etc.).

Racirea cu aer conduce la micsorarea randamentului ca urmare a pierderilor prin ventilatie (care in cazul puterilor de peste 50 MW sunt aproximativ 50% din pierderile totale din generator).

Fig. 1. Evolutia puterilor unitare ale grupurilor racite cu aer

Fig. Circuitul de racire cu aer al turbogeneratorului de 480 MVA

Tabel 1.

Date tehnice comparative a unor generatoare racite cu aer din noua generatie [24]

Fig.3. Defalcarea pierderilor la tipurile de generatoare mentionate in tabelul 1

Racirea generatoarelor cu hidrogen

In cazul utilizarii hidrogenului ca mediu de racire, gradul de puritate are efect considerabil asupra densitatii, caldurii specifice si a conductivitatii termice. In tabelul 2 sunt prezentate caracteristicile fizice ale hidrogenului, aerului uscat si apei.

Avantajele utilizarii hidrogenului ca agent de racire.

Hidrogenul pur, in aceleasi conditii de temperatura si presiune, are greutatea specifica de 14,3 ori mai mica decat aerul, ceea ce inseamna pierderi de ventilatie de 14,3 ori mai mici si un gabarit mai redus al masinii. In conditii reale de exploatare, in generator se gaseste un amestec gazos cu 97-98% hidrogen si in rest aer, vapori de apa si alte gaze. Acest amestec este de 9-10 ori mai usor decat aerul si in aceleasi conditii de presiune si temperatura duce la pierderi prin ventilatie de 9-10 ori mai mici. Racirea se poate intensifica prin marirea presiunii hidrogenului.

Hidrogenul pur are caldura specifica de 14,3 ori mai mare decat aerul. Astfel in aceleasi conditii de presiune, la aceleasi debite volumetrice si la temperaturi identice pentru cele doua medii de racire, atat la intrarea lor in masina, cat si la iesire, cantitatile de caldura evacuate de aer si hidrogen sunt aceleasi. In conditiile in care pierderile prin ventilatie la racirea cu hidrogen sunt de 14,3 ori mai mici, capacitatea de evacuare a caldurii hidrogenului este egala cu cea a aerului.

Coeficientul de transmitere a caldurii de la suprafetele materialelor active din masina la hidrogenul in miscare este de aproximativ 1,5 ori mai mare decat in mediul de racire aer, in aceleasi conditii de presiune.

Racirea cu hidrogen mareste securitatea in functionare a materialelor electroizolante din masina si durata de viata a acestora, deoarece elimina actiunea distructiva a oxigenului si o diminueaza pe cea a umiditatii.

La racirea directa cu hidrogen, infasurarile se gasesc la o temperatura foarte apropiata de cea a mediului de racire din canalele de racire.

Dezavantajele utilizarii hidrogenului ca agent de racire sunt mentionate in continuare.

Hidrogenul este mai scump decat aerul.

Deoarece hidrogenul nu intretine arderea, in cazul racirii cu hidrogen, deteriorarile care apar in urma unui scurtcircuit interior sunt localizate in jurul defectului. Amestecul dintre hidrogen si aer, daca hidrogenul este in proportie de 3,3 - 74%, este exploziv. Amestecul cel mai periculos este 30% hidrogen, 70% aer. La acest tip de generatoare este important sa se evite formarea amestecului exploziv. Instalatia de racire trebuie controlata permanent.

Statoarele generatoarelor racite cu hidrogen se dimensioneaza astfel incat sa reziste la presiunea creata in cazul producerii unei explozii in interiorul lor. Ca urmare, rezulta carcase cu 50 - 80% mai grele decat la generatoarele de aceeasi putere racite cu aer.

Generatoarele racite cu hidrogen trebuie etansate (cu garnituri de cauciuc la imbinarile fixe si cu ulei sub presiune la arbore).

La racirea indirecta, din caderea de temperatura dintre infasurari si mediul de racire, aproximativ 50-60% ii revine izolatiei infasurarilor si a crestaturilor.

Racirea cu hidrogen a GS presupune existenta unor instalatii auxiliare care asigura alimentarea cu hidrogen a GS, respectiv cu un gaz inert (CO₂ ), necesar umplerii sau evacuarii hidrogenului din GS; de asemenea, prin alte instalatii auxiliare se asigura circulatia uleiului de etansare si se mentine calitatea uleiului.

Tabelul 2

Caracteristicile fizice ale principalilor agenti de racire [57]

Hidrogenul, necesar umplerii GS si compensarii pierderilor prin neetenseitati, poate fi adus in butelii de otel la presiune ridicata sau in autocisterne sub presiune, dar poate fi produs si in cadrul centralei prin electroliza apei.

Buteliile de otel care contin hidrogen se amplaseaza in afara salii masinilor, iar reducerea presiunii hidrogenului se realizeaza in doua trepte, mai intai prin reductoare amplasate in imediata apropiere a buteliilor si apoi in sala masinilor, prin ventile automate de reducere si reglare a presiunii.

Hidrogenul obtinut in electrolizoarele din centrala se strange in rezervoare tampon, intre acestea si GS existand ventile automate de reducere si reglare a presiunii.

Buteliile de CO₂ sunt prevazute cu reductoare de presiune si se pastreaza in sala masinilor. Instalatia de CO₂ este echipata cu dispozitiv de decongelare a CO

CO₂ se foloseste in centralele electrice si pentru stingerea unor eventuale incendii.

Racirea directa cu lichide

Capacitatea de evacuare a caldurii este mult mai mare la lichide decat la hidrogen si de aceea utilizarea racirii directe a infasurarilor generatoarelor cu lichide permite practic dublarea densitatilor de curent in infasurari.

Drept mediu de racire lichid se pot utiliza uleiul mineral si apa demineralizata. Se prefera apa, deoarece aceasta prezinta urmatoarele avantaje:

are o capacitate de evacuare a caldurii de 3 ori mai mare decat a uleiului;

prezinta cost redus;

se micsoreaza sectiunea canalelor de racire in infasurari de 2 ori, ceea ce are ca efect diminuarea gabaritului masinii si micsorarea pierderilor provocate de circulatia agentului de racire;

nu prezinta pericol de incendiu;

nu murdareste masina etc.

Circulatia apei este asigurata de pompe. Apa de racire, cu conductibilitate electrica 5-20 mS/cm, poate fi apa distilata de cazan.

Tabelul 3

Cele mai raspandite sisteme de racire, in functie de puterile GS

La grupurile de mare si foarte mare putere, racirea directa a infasurarilor statorice si rotorice se asigura prin canale practicate in conductoarele (barele) infasurarilor. Aducerea apei la infasurarea statorica se face cu ajutorul unui colector inelar, care comunica cu capetele de bara prin conducte realizate din teflon. Aducerea apei la rotor prezinta dificultati mai mari. Se poate realiza printr-un canal practicat in arborele masinii, de unde apa se aduce la bobinaj prin conducte flexibile.

Racirea cu apa se poate aplica si in raport cu miezul magnetic al statorului. In acest scop intre pachetele de tole statorice se amplaseaza serpentine de racire.

Cel mai mare dezavantaj in cazul racirii cu apa al GS este costul ridicat al tuturor acestor instalatii, comparativ cu racirea cu hidrogen.

Racirea prin evaporare

Presiunile economice si reglementarile industriale, la scara globala, din ultima decada, au adus si in industria energetica multe transformari care au influentat tiparele dezvoltarii. Factorul comun care conduce la aceste schimbari este efortul depus pentru scaderea continua a pretului de productie a energiei electrice, manifestat in principal prin:

reducerea costului initial al echipamentului, utilizarea unor materiale mai performante;

eficienta ridicata si/sau costuri de mentenanta scazute.

In decembrie 1999 a fost experimentata si acceptata de industria energetica, o noua tehnologie de racire - racirea prin evaporare - pentru infasurarile statorului unui hidrogenerator de 400 MW [18]. Tehnologia racirii prin evaporare este bazata pe fenomenul conform caruia, atunci cand lichidul se transforma in gaz, este absorbita o mare cantitate de caldura. Volumul de agent de racire evaporat este recirculat intr-o bucla inchisa si preia caldura de la componentele incalzite ca agent de racire primar. Apoi se utilizeaza un condensator, apa naturala fiind folosita ca agent de racire secundar la schimbul de caldura de la agentul de racire evaporat. Se obtine o distributie mai uniforma a temperaturii, ca si in cazul racirii directe cu apa a infasurarilor.

Tabelul 4

Caracteristici tehnice ale unui hidrogenerator de 400 MW racit prin evaporare [18]

Generatoare superconductoare

Generatoarele superconductoare prezinta, fata de cele conventionale, urmatoarele avantaje:

reducerea pierderilor de putere;

micsorarea dimensiunilor si a masei;

imbunatatirea stabilitatii sistemului energetic;

cresterea capacitatii generatorului de a consuma/produce putere reactiva.

In Japonia au fost construite trei modele de generatoare superconductoare (trei tipuri diferite de rotoare si un model de stator) pentru clasa 70 MW cu un sistem de refrigerare de mare fiabilitate, cu heliu [1]. Durata de functionare fara defecte a sistemului de racire a fost de 14637 ore, depasind specificatia de proiectare, conform careia erau garantate 10000 ore.

Rezultatele testarilor, care au verificat performantele de baza si de exploatare ale generatoarelor superconductoare, arata ca sistemul criogenic este suficient de fiabil pentru a fi utilizat in practica la sistemele de racire ale generatoarelor superconductoare. In raportul prezentat de cercetatorii japonezi la CIGRE 2000 se arata ca aceste rezultate au fost integrate in stabilirea tehnologiei de baza pentru clasa pilot de 200 MW si ca ele deschid calea catre introducerea generatoarelor superconductoare pentru producerea energiei electrice.

Scheme principiale folosite pentru excitatia GS

Un rol insemnat in exploatarea in conditii de siguranta maxima a sistemelor energetice revine sistemului de excitatie al generatoarelor sincrone, care, in afara rolului de baza in crearea campului inductor in masina, prezinta un rol important in schemele de reglaj automat ale diferitelor marimi.

Sistemul de excitatie al unui GS se adopta in functie de mai multi factori care pot fi rezumati prin: economicitate, stabilitate si fiabilitate.

Prin economicitate se urmareste un efort investitional cat mai redus, costul sistemului de excitatie reprezentand 5-12% din costul total al agregatului.

Conditia de stabilitate presupune ca generatorul sa poata prelua cresteri importante ale cuplului si sa tolereze caderi mari de tensiune pe retea, fara pericolul de a iesi din sincronism.

In proiectarea schemelor de excitatie se impune, ca una din conditiile esentiale pentru buna functionare a GS, realizarea unei viteze de raspuns cat mai mare, adica asigurarea unei viteze de crestere a curentului in infasurarea de excitatie a generatorului cat mai mare, pentru ca, in cazul unor avarii, tensiunea la bornele GS sa poata fi mentinuta constanta.

La o scadere a tensiunii de alimentare pana la valoarea (0,7 - 0,8)U_n, curentul de excitatie trebuie sa creasca fata de curentul nominal in limitele (1,4 -2)I_en, iar schema de excitatie trebuie sa suporte in bune conditii aceasta suprasarcina un timp determinat. Puterea sursei necesara excitatiei reprezinta in general 1 -5% din puterea masinii sincrone, iar tensiunea 50 - 300V.

Prin fiabilitate se urmareste siguranta in functionare un timp indelungat, in conditii de exploatare determinate.

Dupa modul de antrenare, se disting doua scheme de excitatie: schema directa si schema indirecta. Fiecare schema poate fi realizata pe doua cai, adica cu ajutorul masinilor electrice rotative sau cu ajutorul schemelor de redresare.

Daca pentru furnizarea energiei de excitatie se folosesc masinile electrice rotative, masina de curent continuu care alimenteaza infasurarea de excitatie a GS se numeste excitatoare. In cazul schemei directe, excitatoarea se cupleaza direct cu generatorul excitat (schema nu este influentata de variatiile de tensiune in timpul proceselor tranzitorii in reteaua de alimentare). In cazul schemei indirecte, excitatoarea este antrenata de un motor auxiliar.

Sisteme cu excitatoare rotativa de curent continuu

Excitatoarea rotativa de curent continuu este solutia clasica, care se mentine si astazi la puteri mici si mijlocii, pana la 150 - 200 MW.

Excitatoarea rotativa de curent continuu cuplata direct cu GS (figura 4) se foloseste la turbogeneratoare de 3000 rot/min. Constructia colectorului, problemele legate de comutatie, captarea curentului cu perii pe colector etc., limiteaza puterea generatoarelor de curent continuu cu turatie ridicata la cel mult 100 MW. Costul acestei excitatoare este relativ redus, proprietatile de functionare sunt bune, dar din cauza necesitatilor de ingrijire a colectorului si periilor, sunt raspandite doar la grupurile puse in functiune in trecut, iar utilizarea lor in instalatiile noi este limitata.

Pentru a mentine excitatoarea rotativa de curent continuu si la puteri ale generatoarelor de peste 100 MW, se renunta la cuplarea directa a excitatoarei cu GS si se utilizeaza excitatoarea (la turatie mai mica) antrenata prin motor Diesel, turbina sau motor asincron, alimentat fie la reteaua ce se racordeaza la GS, fie de la o retea independenta.

Grupul de excitatie independent (figura 5) prezinta fata de excitatoarea rotativa de curent continuu cuplata direct cu GS, cateva avantaje, dintre care:

poate fi realizat la puteri mai mari;

permite amplasarea oriunde in sala masinilor, ceea ce contribuie la reducerea cheltuielilor de investitii in centrala;

ingaduie aplicarea tensiunii de excitatie la bornele infasurarii de excitatie a GS inca inainte de pornirea agregatului generator si astfel permite incalzirea barelor rotorice cand rotorul inca sta pe loc;

un grup de excitatie de rezerva poate inlocui oricare grup de excitatie de serviciu.

Sisteme cu excitatoare rotativa de curent alternativ

Excitatoarele rotative de curent alternativ reprezinta, in prezent, principala directie de dezvoltare a sistemelor de excitatie care se aplica la GS cu puteri de peste 100 - 150 MW, avand in vedere ca nu apar limitari in marirea puterii lor. In scopul de a reduce gabaritul excitatoarei, de a-i imbunatati performantele in regim tranzitoriu si de a reduce armonicele in tensiunea de excitatie a GS, excitatoarea de curent alternativ se executa la frecventa mai mare, (100 - 500 Hz).

Principial, excitatoarele rotative de curent alternativ se realizeaza in urmatoarele doua variante.

Excitatoarea are infasurarea de excitatie in rotor, iar infasurarile de curent alternativ in stator (figura 6); puntea redresoare este fixa in spatiu.

Excitatoarea are infasurarea de excitatie in stator, iar infasurarile de curent alternativ in rotor (figura 7); puntea redresoare se fixeaza de partea rotitoare a agregatului, iar alimentarea infasurarii de excitatie a GS se realizeaza fara inele si perii. Aceasta solutie prezinta avantaje esentiale, mai ales pentru masinile de mare putere, caci inelele de contact si periile sunt costisitoare si prezinta in exploatare inconvenientul ca sunt o sursa permanenta de murdarire a masinii, necesitand o intretinere corespunzatoare.

Sistemele de excitatie cu excitatoare rotativa de curent alternativ se asociaza cu elemente semiconductoare comandate (tiristoare) si necomandate (diode). Reglajul excitatiei generatorului principal se poate realiza:

prin reglarea excitatiei excitatoarei de curent alternativ, daca puntea de redresare se realizeaza cu diode (excitatoarea se executa la 200 - 400 Hz);

prin modificarea deschiderii tiristoarelor, daca puntea de redresare se realizeaza cu tiristoare (excitatoarea se realizeaza la 150 - 200 Hz). In acest caz exista si un regulator automat de excitatie (RAE) care actioneaza in circuitul de excitatie al excitatoarei de curent alternativ. Excitatatoarea este intotdeauna puternic excitata (lucreaza la un factor de putere de aproximativ 0,3 si cu continut de armonice foarte ridicat). Comanda tiristoarelor se face prin intermediul unor sisteme de inductie.

Sistemele de excitatie cu excitatoare rotativa de curent alternativ se pot realiza si sub forma de grupuri independente de excitatie.

Sisteme de excitatie fara excitatoare rotative

Prin utilizarea elementelor semiconductoare comandate se poate face ca indusul masinii sincrone sa fie folosit ca sursa de tensiune pentru infasurarea de excitatie, realizandu-se astfel un GS autoexcitat.

Sistemul de excitatie prezentat in figura 8 este simplu, ieftin, cu comportare dinamica foarte buna. Are insa dezavantajul ca la tensiune scazuta la bornele GS nu poate asigura fortarea excitatiei. Pentru a se asigura buna lui functionare intr-un domeniu mai larg al tensiunilor scazute la bornele GS, acest sistem de excitatie se supradimensioneaza (astfel functioneaza la un factor de putere scazut si cu continut ridicat de armonice).

Procese limita la modificarea excitatiei GS

Sistemul de excitatie asigura cresterea in timp a tensiunii de excitatie. Desfasurarea proceselor tranzitorii de modificare a excitatiei unui GS depinde de parametrii generatorului, de caracteristicile sistemului de excitatie, a RAE si a celorlalte elemente auxiliare care intervin in procesul de modificare a excitatiei. Procesele limita de modificare a excitatiei sunt fortarea excitatiei si dezexcitarea rapida.

Fortarea excitatiei GS

In timpul proceselor tranzitorii care sunt insotite de variatii ale tensiunii, in scopul asigurarii unui surplus de energie reactiva sistemului alimentat de generatoarele sincrone, acestea sunt prevazute cu dispozitive pentru fortarea excitatiei. Procedeul de fortare a excitatiei depinde de structura sistemului de excitatie si de RAE aplicat. In general, fortarea excitatiei se realizeaza cu elemente independente de RAE sau prin RAE.

Fortarea excitatiei GS inseamna modificarea tensiunii de excitatie de la o valoare initiala la valoarea ei plafon. In acest scop, in circuitul excitatiei la functionarea normala se inseriaza o rezistenta auxiliara R' care printr-o schema simpla cu relee poate fi scurtcircuitata, atunci cand tensiunea la bornele generatorului scade sub o anumita valoare. Suntarea acestei rezistente este echivalenta cu aplicarea unei tensiuni sporite la bornele circuitului de excitatie, ceea ce va determina o crestere a curentului de excitatie si a puterii reactive debitate in retea. In figura 9, elementul 2 reprezinta releul minimal de tensiune, iar elementul 1 este un releu intermediar.

Schema functioneaza astfel: la o scadere a tensiunii la borne sub o anumita valoare, releul minimal de tensiune actioneaza releul intermediar care prin inchiderea contactului sau (normal deschis) sunteaza rezistenta R'.

Comportarea sistemelor de excitatie in regim tranzitoriu se apreciaza prin plafonul tensiunii de excitatie si viteza de raspuns. Tensiunea maxima ce se obtine la borne dupa scurcircuitarea rezistentei R' se numeste plafonul tensiunii de excitatie (la mersul in gol). Viteza de raspuns a unei excitatoare se defineste ca raportul dintre cresterea tensiunii la borne (care se inregistreaza in decurs de o jumatate de secunda cand se scurtcircuiteaza rezistenta R' ) si tensiunea nominala a excitatoarei respective. Suntarea rezistentei R' poate fi efectuata la mersul in gol al GS sau la mersul in sarcina. Deosebit de importanta pentru functionarea GS este viteza de raspuns in sarcina.

In cazul unui scurtcircuit in reteaua din apropierea GS, mentinerea in sincronism a GS nu se poate realiza decat prin fortarea excitatiei.

Raportul dintre plafonul tensiunii de excitatie si tensiunea normala de functionare la excitatoarele GS variaza intre 2 - 5, iar viteza relativa nominala de raspuns la excitatoarele masinilor moderne are valori cuprinse in intervalul 0,5 -3.

Dezexcitarea rapida a GS

Dezexcitarea rapida a GS este procedeul de stingere (anulare) a campului magnetic din interiorul GS si de deconectare a acestuia de la retea ca urmare a unui scurtcircuit in interiorul sau la bornele GS.

De exemplu, in cazul unui scurtcircuit intern, dezexcitarea rapida a GS este singura solutie ca GS sa nu debiteze pe defect.

Dezexcitarea nu se poate realiza prin simpla intrerupere a circuitului de excitatie, deoarece aceasta ar duce la aparitia unor supratensiuni periculoase pentru izolatia infasurarilor. Sunt numeroase procedee de dezexcitare rapida a GS, toate avand la baza intercalarea unei rezistente in circuitul de excitatie al GS (figura 10) si/sau aplicarea unei tensiuni inverse la bornele acestei infasurari.

Dezexcitarea trebuie conceputa astfel incat sa decurga cat mai rapid, iar tensiunea ce apare in timpul dezexcitarii la bornele infasurarii de excitatie sa nu pericliteze izolatia infasurarilor.

Conectarea la sistem a GS din centrale

Definitii si conditii de sincronizare

Sincronizarea este o manevra complexa si vitala pentru exploatarea sistemelor energetice; se realizeaza cu ocazia fiecarei cuplari a unui GS in paralel cu celelalte GS care functioneaza in sistem. Acest proces se continua si dupa cuplare, in tot timpul functionarii unui sistem energetic desfasurandu-se un proces permanent de sincronizare reciproca a masinilor sale sincrone care functioneaza in paralel. In principiu, printr-o sincronizare se realizeaza:

punerea in concordanta a doua sisteme de tensiune;

cuplarea in paralel a celor doua sisteme de tensiuni prin conectarea unui intreruptor.

Cu ocazia cuplarii fiecarui GS in paralel cu sistemul prin manevra de sincronizare, trebuie luate toate masurile astfel incat conectarea sa se realizeze cu un soc de curent si cu solicitari mecanice la arbore nepericuloase sau pe cat posibil mai mici.

Principalele conditii pentru sincronizarea GS:

Concordanta sensurilor de rotatie se verifica o singura data (dupa terminarea lucrarilor de montaj), la punerea in functiune. Daca se constata un sens de rotatie contrar, in instalatiile trifazate trebuie inversate legaturile a doua faze.

Aceeasi viteza de rotatie trebuie realizata cu ocazia fiecarei cuplari in paralel si apoi mentinuta in tot timpul functionarii. Ea se realizeaza prin intermediul cuplului mecanic aplicat la arborele masinii sincrone. De exemplu, in cazul pornirii GS, in acest sens se actioneaza asupra admisiei la motorul primar.

Concordanta modulelor tensiunilor se obtine prin reglarea curentului de excitatie al generatorului.

Concordanta fazelor se realizeaza prin modificarea fina a vitezei de rotatie.

Dupa cum masina sincrona se cupleaza dupa sau inainte de a fi excitata, in practica se folosesc doua moduri de sincronizare diferite:

sincronizare fina sau precisa, daca masina se cupleaza dupa ce a fost excitata;

sincronizare grosiera (daca excitarea masinii se face abia dupa cuplare), care dupa cuplare se desavarseste printr-o autosincronizare.

Reglarea incarcarii GS

Incarcarea unui generator sincron se caracterizeaza prin doua componente: putere activa P si putere reactiva Q. Incarcarea activa poate fi variata actionand asupra admisiei la motorul primar, iar incarcarea reactiva poate fi variata actionand asupra curentului de excitatie. Prin variatia admisiei la motorul primar se poate modifica:

turatia si incarcarea activa a grupului, atunci cand acesta debiteaza singur pe o retea;

numai incarcarea activa a grupului, atunci cand el este conectat in paralel la un sistem de mare putere.

In acest din urma caz, sistemul mentine constanta turatia tuturor grupurilor si respectiv frecventa in toate punctele sale. Orice variatie a incarcarii unui grup de catre personalul de exploatare, precum si variatiile aleatorii ale cererilor consumatorilor sunt preluate de catre grupurile din sistem, care sunt prevazute cu regulatoare automate pentru mentinerea constanta a frecventei sistemului.

Pentru a se asigura o functionare stabila in sincronism a generatorului, odata cu incarcarea activa trebuie marita in mod corespunzator si incarcarea reactiva.

Pornirea si oprirea grupurilor

In centrale, aceste manevre se fac direct de la tabloul de comanda sau din sala masinilor.

Manevrele care se fac la pornire depind de specificul motorului primar

Pentru oprirea masinilor primare care antreneaza generatoarele sincrone se recomanda urmatoarea succesiune de operatii:

se reduc incarcarile activa si reactiva;

se deconecteaza grupul de la bare;

se reduce turatia masinii;

se intrerupe alimentarea circuitului de excitatie al generatorului sincron;

se intrerupe alimentarea masinii primare.

In cazul turbogeneratoarelor, agregatul se mai roteste lent cu ajutorul unui motor electric numit "viror" un interval de timp suficient pentru ca in timpul racirii, datorita greutatii rotorului, sa nu se ajunga la o deformare remanenta a arborelui.