تزامن الآلة المتزامنة AC
المصدر: علي بزي ، قسم الهندسة الكهربائية ، جامعة كونيتيكت ، ستورز ، كونيتيكت
المولدات المتزامنة ثلاثية الأطوار هي المصدر الرئيسي للطاقة الكهربائية في…
1. تهيئة Prime-Mover
المحرك الرئيسي في هذه التجربة هو مقياس الدينامومتر ، الذي يعمل كمحرك يدور دوار المولد (المجال).
- تأكد من إيقاف تشغيل مفتاح الفصل ثلاثي الأطوار ومفتاح المحرك المتزامن ومفتاح محرك التيار المستمر.
- تأكد من أن VARIAC عند 0٪.
- قم بتوصيل VARIAC بمخرج ثلاثي الطور وقم بتوصيل الإعداد الموضح في الشكل 1.
- استخدم المفتاح ثلاثي الطور على جانب الجهاز المتزامن ك "S1".
- لاحظ أن "S1" وإعداد المصابيح الثلاثة متوازيان.
- لاحظ أيضا أقطاب مجسات عداد الطاقة الرقمية.
- تحقق من أن مفتاح "البدء/التشغيل" في وضع "ابدأ".
- اضبط "RF" على أقصى مقاومة.
- اترك VARIAC عند 0٪ واترك "S1" متوقفا.
- قم بتشغيل مفتاح الفصل ثلاثي الطور.
- قم بتشغيل مصدر طاقة التيار المستمر عالي الجهد.
- تأكد من أن جميع التوصيلات واضحة من محطات الإمداد.
- اضغط على زر "V / I DIS" الموجود على مصدر التوصيل لعرض الجهد ونقاط التشغيل الحالية. اضبط مقبض الجهد على 15 فولت.
- اضغط على "ابدأ" على لوحة إمداد التيار المستمر. يجب أن يحتوي مقياس الدينامومتر على تيار عابر كبير مسحوب من مصدر التيار المستمر. إذا تم تشغيل ضوء "OCT" ، فقم بزيادة حد التيار الزائد.
- يجب أن تدور الآلة ببطء.
- قم بزيادة جهد خرج مصدر التيار المستمر إلى حوالي 160 فولت.
- قياس سرعة دوران العمود.
- اضبط جهد الإمداد من أجل تحقيق سرعة دوران 1800 دورة في الدقيقة.
- سجل تيار التيار المستمر والجهد على شاشة الإمداد.
- اترك الإعداد سليما ولا تقم بإيقاف تشغيل أي من المعدات.
<فئة قوية = "xfig" >الشكل 1: إعداد تخطيطي لتجربة المولد المتزامن ثلاثي الطور. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.
2. مزامنة المولد المتزامن مع الشبكة
- قم بتبديل مفتاح البدء / التشغيل على جانب الجهاز المتزامن إلى "تشغيل". يجب أن تضيء المصابيح الثلاثة الآن.
- اضبط "RF" وجهد الإمداد بشكل متكرر لتحقيق VG = 120 V ، واضبط تردد VG على عداد الطاقة الرقمي إلى 60 هرتز. القيم في حدود +/- 2٪ مقبولة.
- قم بزيادة ناتج VARIAC بشكل طفيف لتحقيق VAC1 = 120 V.
- في هذه المرحلة ، توفر الشبكة 120 فولت بتردد 60 هرتز.
- سجل قراءات الجهد والتيار والطاقة على كل من عدادات الطاقة. لا تتجاهل علامات +/- أمام أي رقم على العدادات.
- يجب أن تغير المصابيح نمط الإضاءة الخاص بها.
- إذا كانت جميع المصابيح ساطعة وخافتة في نفس الوقت ، فإن المولد والشبكة لهما نفس تسلسل الطور. أطلق عليه اسم a-b-c للتسلسل ثلاثي الأطوار المستخدم.
- إذا كانت المصابيح تدور ، مثل أضواء شجرة عيد الميلاد ، فإن المولد والشبكة لهما تسلسلات طور مختلفة ، حيث يكون أحدهما a-b-c والآخر a-c-b عبر مجموعة المصابيح.
- في هذه الحالة، أعد VARIAC إلى 0٪.
- اضغط على "إيقاف" على لوحة إمداد الطاقة.
- قم بتقليل إعداد جهد التيار المستمر مرة أخرى إلى 15 فولت.
- قم بتبديل المرحلتين "b" و "c" على جانب VARIAC.
- كرر جميع الخطوات المذكورة أعلاه ، بدءا من الخطوة 2.1.
- تتطلب هذه الخطوة إجراء سريعا: في اللحظة التي تنطفئ فيها جميع الأضواء ، قم بتشغيل "S1". يجب أن تظل جميع الأضواء مطفأة ، لأن "S1" تعمل الآن كدائرة كهربائية قصيرة عبر محطاتها.
- تتم مزامنة المولد الآن مع الشبكة. سجل قراءات الجهد والتيار والطاقة على كل من عدادات الطاقة. لا تتجاهل العلامات.
- اترك الإعداد كما هو.
3. تأثير التباين الحالي للمجال
- اضبط "RF" في حوالي خمس خطوات من أقصى موضع إلى الحد الأدنى للموضع ، وسجل ما يلي لكل خطوة: سرعة العمود ؛ عزم دوران رمح وعلامة. قراءات الجهد والتيار والطاقة على كل من عدادات الطاقة ؛ قراءات الجهد والتيار على مصدر التيار المستمر.
- إذا كان هذا الاختلاف "RF" يوفر نفس العلامة لجميع قراءات الطاقة:
- اضبط إخراج مصدر التيار المستمر قليلا لتحقيق تدفق طاقة عكسي من / إلى الجهاز المتزامن.
- تذكر أن الطاقة السالبة تعني أن الآلة تولد الطاقة الكهربائية.
- اضبط جهد مصدر طاقة التيار المستمر في خمس خطوات دون تجاوز إجمالي تيار التيار المستمر على شاشة العرض 3.5 أمبير. سجل ما يلي لكل خطوة: سرعة العمود ؛ عزم دوران رمح وعلامة. قراءات الجهد والتيار والطاقة على كل من عدادات الطاقة ؛ قراءات الجهد والتيار على مصدر التيار المستمر.
- حافظ على الإعداد سليما.
4. تفكيك الإعداد
يجب اتباع التسلسل التالي قبل تفكيك الإعداد:
- أعد VARIAC إلى 0٪.
- قم بإيقاف تشغيل خرج مصدر الطاقة بالضغط على "إيقاف".
- عندما تتوقف الآلات عن الدوران ، اقلب مفتاح "البدء / التشغيل" إلى وضع "ابدأ" ، وقم بإيقاف تشغيل "S1".
- قم بإيقاف تشغيل مفتاح الفصل ثلاثي الطور.
- تفكيك الإعداد.
تسجيل الدخول أو للوصول إلى المحتوى الكامل. تعرّف على المزيد حول وصول مؤسستك إلى محتوى JoVE هنا
المولدات المتزامنة للتيار المتردد هي العمود الفقري لتوليد الكهرباء في محطات الطاقة في جميع أنحاء العالم وغالبا ما تستخدم لتحقيق الاستقرار في شبكة الطاقة. من الضروري مطابقة تسلسلات الطور ومقادير الجهد وترددات المولد المتزامن مع تلك الخاصة بالطاقة في الشبكة. إذا كان المولد خارج الطور مع الشبكة ، فلن يتمكن المولد من توصيل الطاقة. بينما يتم استخدام المزامنات التلقائية في محطات الطاقة الكبيرة ، يتم توضيح طريقة بسيطة للمزامنة اليدوية هنا. سيقدم هذا الفيديو مولدات متزامنة ثلاثية الطور ويوضح بروتوكولات لضبط مخرجات الجهد والتردد للمزامنة اليدوية للمولد مع شبكة الطاقة.
تتكون الآلات المتزامنة AC من قلب دوار داخلي ، والدوار ، والحلقة الخارجية الثابتة ، الجزء الثابت. المجال المغناطيسي الدوار ثابت ناتج عن جهد تيار مستمر مطبق. يتم إثارة المجال المغناطيسي للجزء الثابت باستخدام تيار متناوب ثلاثي الأطوار ، كل مرحلة متصلة بمجموعة منفصلة من ملفات الجزء الثابت. يؤدي هذا إلى مجال مغناطيسي دوار بحجم ثابت وتردد دوراني يتوافق مع التذبذبات في تيار خط الإمداد. يقترن المجالات المغناطيسية للجزء الثابت والدوار مما يتسبب في دوران الدوار بنفس سرعة المجال المغناطيسي الدوار للجزء الثابت. لمزيد من المعلومات حول خصائص الآلات المتزامنة AC ، يرجى مشاهدة فيديو تعليم العلوم الخاص ب JOVE ، توصيف الآلة المتزامنة للتيار المتردد. عندما يتم تشغيل الماكينة المتزامنة كمولد طاقة ، يطبق المحرك الرئيسي عزم الدوران على الدوار مما يؤدي إلى اختلاف مرن بين الدوار والمجالات المغناطيسية للجزء الثابت. إذا كان عزم الدوران المطبق يعارض حركة الدوار ، فإن الماكينة تمتص الطاقة التفاعلية من النظام لإعادة الماكينة إلى التزامن. إذا كان عزم الدوران المطبق بدلا من ذلك يعزز الدوران ، مما يؤدي إلى إثارة الماكينة بشكل مفرط ، فإن المولد يوفر الطاقة للنظام. يمكن استخدام طريقة المصابيح الثلاثة لتوفير تأكيد مرئي على أن المولد يوفر الطاقة بنفس حجم الجهد والتردد وتسلسل الطور مثل شبكة الطاقة. بالنسبة للمولدات المتزامنة ، يتم التحكم في التردد من خلال تغيير سرعة المحرك الرئيسي. إذا كان المولد وطاقة النظام خارج الطور ، تومض المصابيح. عندما يكون الجهد متطابقا ، يتسبب الفارق الصفري في إيقاف تشغيل جميع المصابيح الثلاثة وتشغيلها في نفس الوقت. الآن بعد أن تم شرح المبادئ الأساسية للمولدات المتزامنة ، سيتم توضيح المزامنة اليدوية لمولد متزامن التيار المتردد مع شبكة الطاقة.
ابدأ بتهيئة محرك DC أو مقياس ديناميكي كمحرك رئيسي. تأكد من إيقاف تشغيل كل من فصل الفصل ثلاثي الأطوار والمحرك المتزامن ومحرك التيار المستمر. مع ضبط Variac على 0٪ ، قم بتوصيله بمخرج ثلاثي الطور. بعد ذلك ، قم بتوصيل الإعداد كما هو موضح. ثم قم بتشغيل مفتاح ثلاثي الأطوار على الجهاز المتزامن. أخيرا ، تأكد من توصيل S1 والمصابيح الثلاثة بالتوازي. ولاحظ أقطاب مجسات عداد الطاقة الرقمية. ثم تحقق من تبديل بدء التشغيل في وضع البدء. مع إيقاف تشغيل S1 ، اضبط التردد اللاسلكي على أقصى مقاومة له. قم بتشغيل مفتاح فصل الفصل ثلاثي الأطوار ثم قم بتشغيل مصدر طاقة التيار المستمر عالي الجهد. بعد ذلك ، اضغط على زر العرض VI الموجود على مصدر الطاقة لعرض جهد التشغيل على التيار وضبط الجهد على 15 فولت. ثم اضغط على START على لوحة إمداد التيار المستمر. يجب أن يحتوي مقياس الدينامومتر على تيار عابر كبير مسحوب من مصدر التيار المستمر. ومع ذلك ، إذا تم تشغيل حد التيار الزائد أو ضوء OCT ، فقم بزيادة حد التيار الزائد. الآن لاحظ الآلة المتزامنة تدور ببطء. أخيرا ، قم بزيادة جهد خرج إمداد التيار المستمر إلى حوالي 160 فولت وقم بقياس سرعة دوران العمود باستخدام تقنية الضوء القوي. بعد ذلك ، اضبط جهد الإمداد من أجل تحقيق سرعة دوران تبلغ 1,800 دورة في الدقيقة. ثم سجل تيار التيار المستمر والجهد.
الآن قم بمزامنة المولد باستخدام طريقة المصابيح الثلاثة مع الجهاز المجمع بالكامل كما هو موضح. قم بتبديل مفتاح بدء التشغيل على جانب الجهاز المتزامن للتشغيل والتحقق من تشغيل المصابيح الثلاثة. بعد ذلك ، اضبط التردد اللاسلكي على جهد الإمداد بشكل متكرر لتحقيق جهد مولد يبلغ 120 فولت. اضبط تردد VG على عداد الطاقة الرقمي إلى 60 هرتز. القيم في حدود +/- 2٪ مقبولة. ثم قم بزيادة ناتج Variac قليلا إلى 120 فولت. في هذه المرحلة ، يوفر كل من الشبكة والمولد 120 فولت بتردد 60 هرتز. سجل قراءات الجهد والتيار والطاقة على كل من عدادات الطاقة بما في ذلك علامات + أو -. أخيرا ، استخدم نمط إضاءة المصابيح لتأكيد أو ضبط المزامنة. في طريقة المصابيح الثلاثة ، بمجرد تحقيق جهد التيار المتردد المطلوب ، يتم تشغيل المصابيح وإطفاؤها في نفس الوقت. إذا تم استيفاء تسلسل طور A و B و C من الشبكة بالتسلسل A و C و B من الماكينة ، فإن دورة المصابيح حيث أن الفولتية عبر المصابيح لا تضيف أبدا ما يصل إلى الصفر في جميع المراحل الثلاث في نفس الوقت. إذا كانت المصابيح الثلاثة تدور بدلا من ذلك وتومض خارج المتزامنة ، فإن المولد والشبكة لهما تسلسلات طور مختلفة عبر مجموعة المصابيح. تحديد التسلسلات. أحدهما مثل ABC ، والآخر باسم ACB. ثم لضبط التسلسل ، قم أولا بإعادة Variac إلى 0٪ واضغط على STOP على لوحة إمداد الطاقة. بعد تقليل جهد التيار المستمر مرة أخرى إلى 15 فولت ، قم أخيرا بتبديل المرحلتين B و C على جانب المولد. إذا كانت جميع المصابيح الثلاثة مشرقة وخافتة بشكل متزامن ، فإن المولد والشبكة لهما نفس تسلسل الطور ويتم مزامنتهما بشكل صحيح. خلاف ذلك ، كرر تعديل تسلسل الطور في اللحظة التي تنطفئ فيها جميع الأضواء ، قم بتشغيل المفتاح S1. الآن يجب أن تظل جميع الأضواء مطفأة لأن S1 يعمل الآن كدائرة كهربائية قصيرة عبر محطاتها. تتم مزامنة المولد لاحقا مع الشبكة.
كثيرا ما تستخدم الآلات المتزامنة في التطبيقات الصناعية لتثبيت الطاقة. يوضح عامل قدرة الماكينة ما إذا كان بإمكان الماكينة توفير طاقة تفاعلية في ظل ظروف معينة. تخزين الطاقة وإطلاقها لتحقيق الاستقرار في الشبكة. عند العمل بهذه الطريقة ، يطلق على الجهاز اسم المكثف المتزامن. في استخدام الرياح كمصدر للطاقة المتجددة ، فإن توربينات طاقة الرياح هي المحرك الرئيسي للمولد المتزامن. من أجل منع المولد من التوقف عند الأحمال العالية ، يتم التحكم في زوايا شفرة دوار التوربينات بشكل تفاضلي لتحسين معدل الدوران في سرعات الرياح المتغيرة. لنقل طاقة الرياح المولدة إلى الشبكة ، تستخدم توربينات الرياح واجهة مزامنة تلقائية لنقل الطاقة بأمان إلى خطوط المرافق.
لقد شاهدت للتو مقدمة JOVE لمزامنة الماكينة المتزامنة بالتيار المتردد. يجب أن تفهم الآن كيفية ضبط مخرجات الجهد والتردد للمولدات المتزامنة ثلاثية الطور. قم بمزامنة المولد يدويا مع شبكة الطاقة وقياس تأثيرات تغيرات التيار الميداني والسرعة على خرج طاقة المولد. شكرا للمشاهدة!
View the full transcript and gain access to JoVE Science Education videos
Q1: What are the main components of an AC synchronous machine?
AC synchronous machines consist of a rotating inner core called the rotor and a stationary outer ring called the stator. The rotor's magnetic field is induced by applied DC voltage, while the stator's magnetic field is excited using three-phase alternating current. Each phase connects to its own separate set of stator coils, creating a rotating magnetic field that couples with the rotor, causing it to spin at the same speed as the stator's rotating field.
Q2: How does frequency control work in synchronous generators?
Frequency in synchronous generators is controlled through prime mover speed variation. The prime mover applies torque to the rotor, and adjusting its speed directly controls the generator's output frequency. When the generator and system power are out of phase, the lamps flicker. Matching the frequency to the grid requires careful speed adjustment to achieve the desired output frequency, typically 60 Hz.
Q3: What is the three lamp method used for in synchronous generator synchronization?
The three lamp method provides visual confirmation that a generator delivers power at the same voltage magnitude, frequency, and phase sequence as the power grid. When voltage is matched correctly, a zero differential voltage causes all three lamps to turn off and on simultaneously. If lamps flicker out of sync, the generator and grid have different phase sequences and require phase adjustment before synchronization is complete.
Q4: What happens when a synchronous generator is out of phase with the grid?
When a synchronous generator is out of phase with the grid, it cannot deliver power. Matching the phase sequences, voltage magnitudes, and frequencies of the generator to those of the network is essential for proper operation. If the applied torque opposes rotor motion, the machine absorbs reactive power from the system to restore synchronization. Conversely, if torque boosts rotation, the generator delivers power to the system.
Q5: How do you adjust voltage output during manual synchronization?
During manual synchronization, adjust the field resistance (RF) on the DC supply to control the generator's voltage output. Iteratively modify RF to achieve the desired generator voltage, typically 120 volts to match the grid. Once the grid and generator both provide 120 volts at 60 Hz, record voltage, current, and power readings on both power meters, including polarity signs, to confirm proper synchronization.
Q6: What is a synchronous condenser and how does it stabilize the power grid?
A synchronous condenser is a synchronous machine functioning to stabilize power in industrial applications. The machine's power factor demonstrates whether it can deliver reactive power under certain conditions, storing and releasing energy to stabilize the grid. This capability allows synchronous machines to support grid voltage and frequency stability by absorbing or supplying reactive power as needed.
Q7: How are wind turbines synchronized with the power grid?
Wind turbines use an automatic synchronizer interface to transmit generated power safely to utility lines. The wind power turbine serves as the prime mover of the synchronous generator. To prevent the generator from stalling at high loads, turbine rotor blade angles are differentially controlled to optimize rotation rate in variable wind speeds, ensuring stable synchronization with the grid.