Elektriske maskiner og magnetiseringsutstyr 8273452867 [PDF]

Zitiervorschau

Magne Kvistad

Elektriske maskiner og magnetiseringsutsyr

B Nasjonalbiblioteket Depotbiblioteket

EIFORLACET

© 1999, Elforlaget, Norges Elektroentreprenørforbund 1. utgave, 1. opplag

Læreboka er godkjent av Nasjonalt læremiddelsenter mars 1999 til bruk i videregående skole på studieretning for elektrofag, VK2/lærlinger i faget: Generatorer og magnetiseringsutstyr. Godkjenningen er knyttet til fastsatt læreplan av juli 1996, og gjelder så lenge lære­ planen er gyldig.

Det må ikke kopieres fra denne boka i strid med åndsverksloven og fotografiloven, eller i strid med avtaler om kopiering inngått med KOPINOR, interesseorgan for rettighetshavere til åndsverk. Kopie­ ring i strid med lov eller avtale kan medføre erstatningsansvar og inndragning, og kan straffes med bøter eller fengsel. ISBN 82-7345-286-7 Teknisk tegner: Bjørn Norheim Illustrasjoner gjengitt med tillatelse fra Siemens AS og ABB Kabel

Redaksjon: Øyvind Nilsen Originalarbeid: Grafisk Verksted as, 1930 Aurskog

Omslag: Reidar Gjørven Trykk: Hegland Trykkeri A.s, Flekkefjord 1999

Forord Boken omfatter modul 3 i læreplanen for energioperatørfaget. Vi viser til den godkjente læreplanen fra KUF av 2. juli 1996.

Mål: Lærlingene/elevene skal ha gode kunnskaper om og kunne utføre nødvendig vedlikehold, feilsøking og drift av genera­ torer og magnetiseringsutstyr i et kraftverk.

Hovedmoment la i læreplanen: Lærlingene/elevene skal kunne beskrive en synkron-, asynkron- og likestrømsmaskin. Elektriske generatorer og elektriske motorer er i prinsippet like. Det er bare det mekaniske momentet på maskinakslingen som avgjør om det er motordrift eller generatordrift. Det vil derfor være pedago­ giske og praktiske problemer med å behandle maskinene bare i generatordrift slik teksten i modul 3 antyder. Maskinene er presentert i de tre første kapitlene og beskriver synkronmaskiner, asynkronmaskiner og likestrømsmaskiner i både generatordrift og motordrift, men med hovedvekt på generatordrift.

De tre kapitlene kan leses i vilkårlig rekkefølge. I kapittel 4 blir ulike typer magnetiseringsutstyr for et aggregat gjennomgått.

Kapittel 5 er kort med eksempel på hvordan kontroll- og styresyste­ met for aggregatene i en moderne kraftstasjon funksjonerer.

Lærlingene må i stor utstrekning oppfordres til å lære seg å bruke den dokumentasjonen og de tegningene som fins for det tekniske an­ legget og maskinene i stasjonen på lærestedet. Det er absolutt nød­ vendig for å oppfylle hovedmomentene og målene i læreplanen. Sammen med læreboken vil denne dokumentasjonen over stasjonen være et godt hjelpemiddel for å nå målet i læreplanen. Driftsforskriftene for elektriske anlegg er også et viktig dokument for å ivareta sikkerheten under arbeidet i stasjonen.

En kraftstasjon er et så komplisert teknisk anlegg at en må se flere komponenter i sammenheng for å forstå oppbygningen og virkemå­ ten. Kraftstasjonsdrift, produksjon av elektrisk energi og fordeling av reaktiv effekt stiller krav til systemforståelse for en som i hoved­ sak skal arbeide med overvåking, drift og vedlikehold av energianlegg. Arbeidet utfører vi ved hjelp av instrumenter, dataskjermer, signaler i stasjonens kontrollrom og ved inspeksjon av anlegget. Energioperatøren må kunne gripe inn ved feil på anlegget, kunne ut­ føre situasjonsbetinget arbeid for å hindre eller begrense skader på anlegget og gjenopprette normal drift så hurtig som mulig. Energio­ peratøren skal kunne starte og stoppe aggregater etter behov, og kunne foreta regulering og koplinger i høyspenningsanlegget. Alt dette krever god innsikt i og forståelse av hvordan anlegget fungerer.

Dette er dokumentasjon som en bør ha tilgang til under opplæringen for å få den nødvendige systemforståelsen'.

Generell dokumentasjon: Tekniske data Lister og oversikt over dokumentasjonen Beskrivelser

Funksjonsorientert dokumentasjon: Funksjonssystemet og oversikter eller flytdiagrammer Enlinjeskjema for stasjonen Enlinjeskjemaer for enkeltaggregater Sub-funksjonsskjemaer for f.eks. aggregat Al og A2 Måle- og reléplaner Kontroll- og styresystem Programdiagram (PC-diagrammer) Databaserte spesifikasjoner Nødstrømsanleggets funksjon

Lokalorientert dokumentasjon: Installasjonsplan, bygningsmessige plasseringer Egenforsyningen Høyspenningsanlegget Plasseringen av styreskapene Nødstrømanlegget

Energioperatøren har sitt arbeid ved private energiverk, kommunale og statlige energiverk eller fordelingsanlegg. Det betyr at en energioperatør kan forvente å få arbeid med så vel moderne tekniske anlegg som flere tiår gamle stasjoner. Arbeidet krever kunnskaper om flere «generasjoner» av tekniske løsninger, og det har påvirket valget av lærestoff til boken.

Stoffet er valgt ut på grunnlag av egne erfaringer fra opplæring av kraftstasjonspersonell gjennom mange år.

Grunnlaget i elektroteknikk og elektriske maskiner er den teoretiske basis som lærlingene eller elevene har å bygge på fra grunnkurset og VK1 Elektro. Lærestoffet i denne boken er derfor forsøkt presentert så praktisk og enkelt som mulig, uten å bruke lange matematiske utledninger eller vanskelig teori. Brosjyremateriell og tekniske informasjonsblad fra ledende firmaer som leverer elektriske maskiner og magnetiseringsutstyr, har vært svært nyttig i arbeidet med lærestoffet.

Det er gitt skriftlig tillatelse til kopiering fra: ABB Kraft AS, 1998-01-19 Siemens AS, 1998-01-12 Vestas Wind Systems AS, 1998-01-21 Firmanavnet er angitt som kildeangivelse under de aktuelle figurene.

Steinkjer, juni 1999 Magne Kvistad

Innhold 1

Synkronmaskiner..............................................................

1.1 1.2 1.3 1.4

Innledning..................................................................................... Historikk ...................................................................................... Hva er et kraftstasjonsaggregat?............................................ Hvordan synkrongeneratoren virker....................................... Indusert spenning................................................................ Elektriske og magnetiske kretser...................................... Synkrongeneratoren............................................................. Synkrongeneratoren i tomgang og i kortslutning............... Tomgangskarakteristikken................................................. Kortslutningskarakteristikken .......................................... Synkrongeneratoren ved belastning....................................... Mekaniske påkjenninger..................................................... Rusing...................................................................................... Elektriske belastninger....................................................... Ankerreaksjon........................................................................ Rein resistiv belastning....................................................... Rein induktiv belastning..................................................... Rein kapasitiv belastning.................................................... Blandet belastning................................................................ Generatorens drifskarakteristikker........................................ Ytre karakteristikker........................................................... Reguleringskarakteristikker............................................... Synkrongeneratorer i parallelldrift......................................... Innfasing................................................................................. Synkronreaktans................................................................... Sterkt nett............................................................................... Magnetiseringens virkning................................................. Stabilitet og generatorens avgitte effekt.......................... Fordelingen av last mellom samkjørende aggregater.... Konstant belastning med aktiv effekt.............................. Belastning når aktiv effekt blir redusert......................... Nettspenningen blir senket................................................. Magnetiseringen blir økt..................................................... Generatorens V-kurver......................................................... Fordelingen av reaktiv effekt.............................................. Fordelingen av aktiv effekt................................................. Regulerstyrke......................................................................... Ujevnhetsgrad - statikk...................................................... Synkronmaskinens oppbygning................................................

1.5

1.6

1.7

1.8

1.9

10 10 11 12 17 17 18 24 28 29 29 31 31 32 33 36 36 38 38 39 41 41 42 43 43 44 45 46 47 48 51 51 51 51 52 53 55 57 57 60

Statorhuset............................................................................. Statorkjernen......................................................................... Statorviklingen...................................................................... Rotoren.................................................................................... Lager......................................................................................... Lagerstrømmer...................................................................... Bremser................................................................................... Løfteanordning....................................................................... Ventilasjon og kjøling............................................................ Temperaturovervåking......................................................... Brannovervåking................................................................... 1.10 Synkronmotoren.......................................................................... Synkronmotoren brukt som fasekompensator ................ Synkronmotoren i pumpekraftstasj on.............................. Turbindrift.............................................................................. Pumpedrift ............................................................................ Ny turbindrift......................................................................... 1.11 Kontrollspørsmål ........................................................................ 1.12 Vedlikehold...................................................................................

60 61 61 63 66 70 71 71 72 74 74 75 75 78 79 79 80 80 82

2

Asynkronmaskinar...........................................................

2.1

Innleiing......................................................................................... Asynkronmotoren................................................................. Asynkrongeneratoren........................................................... Historikk ...................................................................................... Korleis asynkronmotoren verkar............................................. Dreiefeltet................................................................................ Elektriske gradar og geometriske gradar......................... Sakking.................................................................................... Magnetomotorisk balanse................................................... Frekvensen for rotorspenninga - sakkefrekvensen....... Kva nettfrekvensens har å seie for asynkronmotoren... Styring av omdreiingstalet til asynkronmotoren........... Kva nettspenningena har å seie for asynkronmotoren.. Effekten og verknadsgraden til motoren.......................... Namneskilt.............................................................................. Kortslutningsmotorar ................................................................ Statoren................................................................................... Statorhuset.............................................................................. Statorkjernen......................................................................... Statorviklinga........................................................................ Isolasjonsmateriale ............................................................... IEC-klassar for isolasjon..................................................... Rotoren.................................................................................... Start av kortslutningsmotorar.................................................. Y/A-start.................................................................................. Primærimpedansstart.......................................................... Autotransformatorstart...................................................... Dreiemoment til motoren.................................................... Å snu dreieretninga for motoren.......................................

84 84 85 85 86 86 88 89 90 90 91 92 93 94 94 97 98 98 99 99 99 99 100 100 101 101 102 102 102 103

2.2 2.3

2.4

2.5

Reaktivt effektforbruk ........................................................ Straumfortrengingsrotorar ................................................ Bremsing ................................................................................ Trefasemotoren i einfasedrift ............................................ 2.6 Einfasa kortslutningsmotorar ................................................. 2.7 Sleperingsmotoren...................................................................... Statoren .................................................................................. Rotoren ................................................................................... Startmotstanden .................................................................. Start av sleperingsmotoren ................................................ Dreiemomentet for sleperingsmotoren ............................ 2.8 Motorvern .................................................................................... Indre vern............................................................................... Ytre vern................................................................................. 2.9 Korleis asynkrongeneratoren verkar .................................... Kopling av asynkrongeneratoren til nettet .................... 2.10 Asynkrongeneratorar og vindenergiverk .............................. Pitchregulering ..................................................................... Stallregulering ...................................................................... 2.11 Kontrollspørsmål ........................................................................ 2.12 Vedlikehald .................................................................................. Reinhald ................................................................................. Visuell kontroll...................................................................... Elding og levetid .................................................................. Sleperingar ............................................................................ Ubalanse................................................................................. Kulelager og glidelager.......................................................

104 104 106 107 108 109 109 110 110 110 110 111 111 112 114 115 116 119 119 120 120 121 121 121 121 121 121

3

Likestraumsmaskinar...................................................... 122

3.1 3.2 3.3

Innleiing....................................................................................... Historikk ...................................................................................... Likestraumsgeneratoren ........................................................... Indusert spenning................................................................ Klemmespenninga ............................................................... Effekt og verknadsgrad ...................................................... Ankerre aksjon....................................................................... Vendepolar.............................................................................. Namneskilt og klemmemerking .............................................. Magnetisering av likestraumsmaskinar ............................... Seriemagnetisering.............................................................. Framandmagnetisering ...................................................... Sjølvmagnetisering .............................................................. Eigenmagnetisering............................................................. Shuntmagnetisering ............................................................ Kompoundmagnetisering ................................................... Karakteristikkane til likestraumsgeneratoren ................... Framandmagnetisert generator........................................ Shuntgeneratoren ................................................................ Kompoundgeneratoren ....................................................... Likestraumsmotorar .................................................................

3.4 3.5

3.6

3.7

122 123 123 124 127 127 129 130 131 132 132 132 132 132 134 135 137 137 139 141 142

Indusert spenning i motoren ............................................. Seriemotoren ......................................................................... Shuntmotoren ....................................................................... Kompoundmotoren .............................................................. Ankerreaksjon i motordrift ................................................ 3.8 Magnetiseringsmaskinane for ein kraftstasjonsgenerator .. 3.9 Korleis likestraumsmaskinane er oppbygde........................ Statoren .................................................................................. Rotoren ................................................................................... Kommutatoren ...................................................................... Børstar og børstehaldarar .................................................. 3.10 Kontrollspørsmål ........................................................................ 3.11 Vedlikehald .................................................................................. Generelle vedlikehaldsreglar ............................................

142 142 143 144 145 145 147 147 149 151 152 154 155 155

4

Magnetiseringsutstyr....................................................... 157

4.1 4.2 4.3

4.7 4.8 4.9

Innledning.................................................................................... Historikk ...................................................................................... Generatorens driftsdiagram .................................................... Termiske begrensninger for statorviklingen .................. Termiske begrensninger for rotorviklingen.................... Magnetisering fra likestrømsmaskiner................................. Hjelpefeltmaskin og hovedfeltmaskin ............................. Transduktorregulert roterende hurtigmater.................. Statisk magnetisering ............................................................... Avmagnetiseringen .............................................................. Likeretteren .......................................................................... Avmagnetiseringsenheten .................................................. Oppmagnetiseringen ........................................................... Overspenningsvernet........................................................... Regulatorenheten................................................................. Magnetiseringsenergien ..................................................... Avmagnetiseringen .............................................................. Oppmagnetiseringen ........................................................... Overspenningsbeskyttelse .................................................. Reguleringen ......................................................................... Børsteløse aggregater................................................................ Sleperinger for måling og vern.......................................... Automatisk spenningsregulering ........................................... Kontrollspørsmål ........................................................................ Vedlikehold ..................................................................................

5

Kontroll- og styresystemet............................................. 183

4.4

4.5

4.6

157 159 160 161 161 162 162 163 165 167 169 170 171 171 171 172 173 173 173 174 176 176 178 181 182

Ordliste............................................................................... 190 Stikkordliste ..................................................................... 191

Synkronmaskiner 1.1 Innledning I en synkronmaskin er det synkronisme (samtidighet) mellom roto­ rens rotasjonsfrekvens og dreiefeltet i statoren, det vil si at de rote­ rer med samme hastighet. Synkronmaskinen kan virke enten som generator eller som motor. Det er liten og ingen forskjell mellom en synkrongenerator og en synkronmotor.

Synkrongeneratoren er den mest aktuelle generatortypen som bru­ kes i våre kraftstasjoner. De er i dag nærmest enerådende i vannenergiverkene, og de har meget store dimensjoner. Kraftstasjonsaggregatet består i hovedsak av en turbin og en genera­ tor og er et svært komplisert teknisk anlegg med omfattende regulerings- og kontrollutstyr. En energioperatør må skaffe seg solide kunnskaper om hele anlegget, de ulike driftsforholdene for maskine­ riet og hvordan det skal vedlikeholdes. Det er derfor meget viktig at en som skal bli operatør, setter seg godt inn i hvordan synkronmaski­ nen er oppbygd og virker.

Synkrongeneratorene har lang levetid, og mange kraftstasjoner har derfor gamle maskiner som er i full drift. Det fins kraftstasjoner som er bygd i begynnelsen av 1900-tallet, og som fortsatt er i drift. Når det gjelder konstruksjon, kan det være ganske stor forskjell på de eldste og de nyeste synkronmaskinene som er i drift, men virke­ måten er prinsipielt lik. I kapittel 2 skal vi forklare at trefaset vekselstrøms asynkronmaskiner også kan brukes som generatorer. Asynkrongeneratorer blir mest brukt i vindenergiverk og har forholdsvis liten ytelse i forhold til vannkraftdrevne synkrongeneratoren Synkronmaskinen blir lite brukt i ren motordrift i energiforsyningen. Imidlertid kan maskinen veksle mellom generatordrift og motordrift i pumpekraftstasjon. I spesielle tilfeller bruker vi synkronmaskinen som fasekompensator i store samkjøringsnett. Da blir synkronmaski­ nen kjørt overmagnetisert på tomgang som fasekompensator. Det skal vi komme tilbake til.

10

En fasekompensator har som oppgave å redusere fasevinkelen mel­ lom strømmen og spenningen. Den blir plassert i et sentralt knute­ punkt i nettet og har vanligvis ingen annen oppgave enn å virke som fasekompensator.

Lærestoffet om synkronmaskiner er valgt ut fra målsettingen i lære­ planen og fra mange års undervisningserfaring fra de tidligere ett­ årige kraftstasjonskursene. Vanskelighetsgraden og stoffvalget er tilpasset den praktiske opplæ­ ringen i størst mulig grad og de spørsmålene som naturlig reiser seg under opplæringen. Vi oppfordrer deg som leser til å finne fram til dokumentasjon og teg­ ninger over energiverksaggregatet som fins i stasjonen på lærestedet. Dette materialet er i tillegg til denne boken det beste læremiddelet for å nå målet. Målet er å forstå hele anlegget, maskinene og det til­ leggsutstyret som naturlig hører med. Du må også finne opplys­ ninger om mekaniske konstruksjoner, hydrauliske systemer, kjølean­ legg osv. Det er viktig for systemforståelsen. Det fins selvsagt mye teoretisk fagstoff om synkronmaskiner dersom du ønsker å gå dypere i faget. Da må du ha gode kunnskaper i mate­ matikk og elektroteknikk.

1.2 Historikk Den første vekselstrømsgeneratoren ble oppfunnet av belgieren Zénote Théophile Gramme (1826-1901) i 1878.

I 1886 ble den første kraftstasjonen med vekselstrøm satt i drift i Roma.

Trefaset vekselstrøm blir overført over tre ledninger der strømmene er innbyrdes faseforskjøvet 120 grader. Trefasesystemet ble oppfun­ net og utviklet av tre personer uavhengig av hverandre i årene 1887-90. Oppfinnerne var Ferrari (Italia), Bradley (USA) og Wendstrøm (Sverige). Trefasesystemet er allment i bruk i dag, og synkrongeneratorer brukt som energiverksgeneratorer er bare konstruert for trefaset vekselstrøm.

Det første lysanlegget i Norge ble bygd på Lisleby Brug ved Fredrik­ stad i 1877. Det var en liten dynamo som forsynte to buelamper med strøm. Norges første elektrisitetsverk ble bygd i 1885 ved Laugstol Bruk i Skien. Stasjonen hadde to dynamoer på 10 kW. I 1901 var det i alt 614 energiverk i Norge. De fleste stasjonene hadde forholdsvis små aggregater, og mange av de første energiverkene hadde likestrømsmaskiner.

11

Tidligere hadde en likestrømsgenerator betegnelsen dynamo, mens en vekselstrømsgenerator ble kalt generator. Ordet dynamo har gresk opprinnelse, mens ordet generator er latin.

1.3 Hva er et kraftstasjonsaggregat? Vi skal svare på spørsmålet med å beskrive en middels stor kraft­ stasjon. Tallverdiene i eksempelet er representative for dimensjonene til kraftstasjoner. Vi presenterer eksempelet innledningsvis for at du skal bli fortrolig med forholdene i en kraftstasjon.

Eksempel 1.1 Rommet for kraftstasjonen er sprengt ut langt inne i fjellet og har en maskininstallasjon som består av fire vertikale aggregater med en ytelse på 4 • 80 MW. Maskinsalen er utstyrt med to kraner, som hver har en løfteevne på 3 MN (300 tonn). Generatoren er den mest sentrale komponenten i det vi kaller aggregatet i kraft­ stasjonen.

Aggregatet er betegnelsen på hele maskineriet som omfatter både turbin, generator og nødvendig tilleggsutstyr.

Turbinen er en vannkraftmaskin med svært høy virkningsgrad. Virkningsgraden for en moderne francisturbin er minst 94 %. Rotasjonsfrekvensen er 375 r/min.

Generatoren er en synkronmaskin. Den er montert vertikalt og forsenket i gulvet i maskinsalen slik at bare toppen og øvre bærekryss er synlig over gulvet. (Det er ingen regel at aggregatene er montert vertikalt, men det er vanligst i nyere stasjoner.) Generatorene er helkapslet og selvventilert for direkte omløpskjøling ved hjelp av lufteller vannkjølere. Generatoren har en total masse på 470 000 kg. Generatorspenningen er trefaset 16 000 V, 50 Hz. Effektfaktoren cos cp er 0,8.

Statoren er den stillestående delen av generatoren.

Statorhuset er utført som en tredelt sveiset platekonstruksjon. Den hviler på seks fotplater som delvis er innstøpt i betongfundamentet, og som er forankret med kraftige bolter. Statorhuset er tredelt for å forenkle transporten fra fabrikken til stasjonen, fordi tunneler, veier o.l. er for små for hele statorhuset i ett. Fotplatene til statorhuset er utformet slik at de tjener som feste og opplagring av nedre 12

lagerkryss. Fundamentet er dimensjonert slik at det kan oppta den vertikale belastningen på til sammen 6,5 MN (650 tonn), som er vek­ ten av turbinen, generatoren og den vertikale kraftkomponenten av vannsøylen i turbinrøret. Fundamentet er også dimensjonert for en tangentialkraft som tilsvarer 7,5 MN (750 tonn). Kraften oppstår un­ der drift når generatoren blir belastet.

Statorkjernen består av jernblikk som er 0,5 mm tykt. Blikkene er isolert fra hverandre med papir og er festet til statorhuset ved hjelp av trapesformede (svalehaleformede) linjaler. For at det skal bli til­ strekkelig kjøling, er blikkene avdelt med mellomlegg med radielle luftkanaler. Blikkpakkene er presset kraftig sammen med bolter for å hindre vibrasjoner under drift.

Statorviklingen er laget med to ledere i hvert spor og ført ut til seks koplingsklemmer, tre for nullpunktet og tre for uttaket av høy­ spenningen. I statorviklingen blir det indusert trefaset 16 kV høy­ spenning. Viklingen er utført med høyverdig isolasjon som er belagt med et tynt, halvledende belegg. Dette belegget danner kontakt med blikket i statorkjernen. Det er gjort for å bedre de høyspente elek­ triske feltforholdene.

Spolehoder kaller vi viklingssløyfene på endene av statoren, der viklingen utvendig på kjernen er lagt fra ett spor til neste. Spolehodene er belagt med en høyohmsk isolasjonslakk, og er bandasjert godt mot støtteringer for å kunne motstå de store mekaniske kref­ tene som kan komme ved kortslutning og store lastvariasjoner. Kjølesystemet består av en rekke kjøleelementer som er montert på ryggen av statorhuset. Kjøleelementene har ribberør av kobber som fører kjølevannet. (I de nyeste og største generatorene foregår kjøl­ ingen ved at kjølemediet blir ført gjennom selve viklingene som er utført som rør.)

Rotorakslingen er kjerneboret i hele sin lengde og produsert i stål. Akslingen har utsmidde flenser for sammenbolting med turbinen. Akslingen har en diameter på 650 mm. På midten av akslingen er det krympet på solide stålringer som har svalehalespor frest ut for feste av magnetpolene på rotoren. På akslingen er det også montert en luftvifte eller ventilator som har stillbare skovler, slik at vi kan endre mengden av kjøleluft for gene­ ratoren.

Magnetpolene er laget i massivt stål med svalehaler som er tilpas­ set sporene i rotorringene. I de massive polskoene er det frest ut spor for dempe viklingene. Stavene i dempeviklingene er sammenbundet og festet med skrueforbindelser til solide kobberskinner og danner en hel ring mellom begge ender av polene.

13

Rotorviklingen består av isolerte kobberbånd som er viklet på høykant mot polsidene. Noen av vindingene er lagt ut slik at de virker som kjøleribber. Rotoren er konstruert slik at vi kan demontere en og en pol for revisjon med polhjulet på plass i maskinen.

Bærelagerkrysset er laget som en sveisekontruksjon av stålplater. Armene er demonterbare for å lette transporten. Bærelagerkrysset hviler på toppen av statorhuset. Midtpartiet på krysset er utformet sylindrisk for å romme selve bærelageret sammen med øvre styrelager.

Nedre styrelagerkryss er også en sveisekonstruksjon av stålplater og er konstruert slik at det kan passere ned gjennom statoren under monteringen. Krysset er konstruert slik at det kan forstilles i radialretningen for å rette opp aggregatet.

Bærelageret er bygd inn i bærekrysset og dimensjonert for å ta opp vekten av det komplette polhjulet, turbinhjulet og vannsøylen under drift. Lageret har vannkjøling.

Øvre styrelager er koplet sammen med bærelageret og er elektrisk isolert fra bærelagerkrysset for å hindre skadelige lagerstrømmer.

Nedre styrelager er innebygd og festet i nedre styrelagerkryss. Styrelageret har innstøpt kjøleelement og er elektrisk isolert fra krysset.

Smøringen av bærelageret og styrelagrene er automatisert. Bremser. På nedre kryss er det montert tolv bremsesylindere for styring av bremseklossene. Bremseklossene virker tosidig horison­ talt på en bremsering som er festet på undersiden av rotoren.

Løfteanordningen. For løfting av polhjulet ved revisjon av bærela­ geret er det montert seks løftesylindere som blir drevet av oljetrykk. Løftet virker på undersiden av bremseringen. Ved hjelp av løftean­ ordningen kan rotoren heves ca. 10 mm.

Sleperingene er av stål og er festet elektrisk isolert til øvre del av akslingen. Ved hjelp av børster blir likestrøm overført til rotorvik­ lingen for magnetisering. Feltledningene blir ført fram til polene fra sleperingene gjennom borehullet i akslingen. Nødvendig tilleggsutstyr som ikke er direkte montert på aggregatet:

Magnetiseringsutstyret er statisk, det vil si at det er oppbygd av komponenter uten bevegelige deler og plassert i et eget skap i ma­ skinsalen.

14

Regulator. De fire like aggregatene i kraftstasjonen har hver sin turbinregulator og hver sin spenningsregulator.

Kontrollutstyr. Stasjonen er utstyrt med kontroll- og verneutstyr og et omfattende databasert overvåkningssystem. Utstyret er plas­ sert i et eget kontrollrom. Dette innledende eksempelet skulle gi et klart bilde av at et kraftstasjonsaggregat er et svært stort og sammensatt teknisk anlegg, der synkrongeneratoren er den sentrale komponenten. I de neste kapitlene skal vi gå nærmere inn på hvordan synkronge­ neratoren er oppbygd og virker.

Figur 1.1 Oversikt over en vertikal generator (ABB)

Eksempelet ovenfor viser oss at en kraftstasjonssgenerator kan ha svært store dimensjoner.

Du må sammenholde opplysningene i eksempelet med figur 1.1 og finne plasseringen av komponentene.

15

For å illustrere de store dimensjonene enda tydeligere skal vi pre­ sentere flere eksempler på tekniske data for en kraftstasjonssgenerator:

Eksempel 1.2 Aggregatdata Ytelse Spenning: Rotormasse Statormasse Lagerbelastning Rotasjonsfrekvens

70 MW 13,5 kV 276 000 kg 131 000 kg 808 000 kg 125 r/min

Legg merke til at lagerbelastningen er mye større enn rotormassen. Det har -sammenheng med tilleggsbelastningen fra turbinen og vannsøylen i turbinrøret.

Eksempel 1.3 Aggregatdata fra Svartisen energiverk Firmaet ABB har i 1990-årene bygd Norges hittil største generatorer til Svartisen energiverk i Nordland. Generatorytelse: 2 • 410 MVA Effektfaktor: 0,854 Aktiv effektytelse: 700 MW (700 000 000 W) Årsproduksjon: 2 170 GWh (2 170 000 000 000 Wh)

Dimensjonene er imponerende med en statormasse på 330 000 kg og en rotormasse på 470 000 kg. Både statoren og rotoren har direkte vannkjølte strømfø­ rende viklinger. Generator 2 er foreløpig ikke montert (1998).

Figur 1.2 Generator i maskinsal (ABB)

Bare toppen av generatoren er synlig i Svartisen energiverk (ABB).

16

1.4 Hvordan synkrongeneratoren virker Indusert spenning Fra grunnlaget i elektroteknikk vet vi at vi får en vekselspenning når vi lar en ledersløyfe rotere i et magnetfelt. Størrelsen og ret­ ningen på den induserte spenningen følger bestemte regler. Reglene er gitt av Faradays lov og i Lenz’ lov fra 1800-tallet. Vi skal først re­ petere reglene og se litt på hva som skjer når vi lar en enkel leder­ sløyfe rotere i et magnetisk felt.

Figur 1.3 Indusert spenning i ledersløyfen for en generator med to po­ ler avhengig av dreievinkelen

Vi merker oss at det er den relative bevegelsen mellom magnetfeltet og lederen som fører til at det blir indusert elektrisk spenning. Det spiller altså ingen rolle om det er magnetpolene som roterer i en stil­ lestående spole, eller om det er vindingene som roterer i et stillestå­ ende magnetisk felt.

Når ledersløyfen på figur 1.3 dreies rundt med en konstant vinkel­ hastighet, blir det indusert en vekselspenning som vi beskriver med en trigonometrisk formel: e - é • sin a

[1.1]

Etter en tid t er spenningens øyeblikksverdi lik:

e - é • sin (to • 0

[1.2]

der e er øyeblikksverdien for vekselspenningen [V] é er maksimalverdien (amplitudeverdien) for vekselspenningen [V] a er dreievinkelen [°] co • t er dreievinkelen angitt i radianer [rad]

17

1 denne stillingen omslutter ledersløyfen en magnetfluks som er lik:

cos (co • t)

Øa =

[1.3]

Øer maksimalverdien av fluksen gjennom vindingen ved dreievinkelen co • t = 0 rad, eller a - 0°. Hele sirkelen er som kjent 360° eller 2 • rad. Ifølge induksjonsloven til Faraday gjelder:

d e- -N-------- = N • ø dt

cd

• sin (co • t)

[1.4]

N er antall effektive induserende vindinger i sløyfen som roterer i magnetfeltet.

Hvordan vil du forklare minustegnet i formelen? Legg merke til at vi bruker liten bokstav for spenningens øyeblikksverdier.

Størrelsessymbolet e eller E blir brukt for elektromotorisk spenning. Størrelsessymbolet u eller U blir brukt for klemmespenning og spen­ ningsfall. Fra tidligere er vi kjent med at fluksen økan uttrykkes ved hjelp av induksjonen B og fluksarealet A: