Name: voltage regulation in generators and wind turbines
Uploaded: 2024-11-21T14:54:38.000Z
Duration: 1 min 21 s
Channel: JoVE

בגנרטורים סינכרוניים, המדרגש מספק כוח DC לפיתול שדה הרוטור.
דגמים ישנים יותר משתמשים בגנרטור DC מונע רוטור כמלהיב, בעוד שמודרניים משתמשים במלהיבים סטטיים או ללא מברשות.
מלהיטים סטטיים מתקנים את מתח החשמל מהדקי הגנרטור או האוטובוס ומספקים אותו לרוטור.
מלהיבים ללא מברשות משתמשים בגנרטור סינכרוני הפוך, המתקן את כוח AC מפיתולי השריון ועד פיתולי השדה.
למרגשים מסוג 1 יש גנרטור DC מונע פיר וסת מתח המתאים את זרם השדה בהתבסס על מתח הטרמינל.
בטורבינות רוח, בקרת המתח משתנה לפי סוג המרגש. סוג 1 חסר שליטה ישירה, בעוד סוג 2 משתמש בבקרת התנגדות כדי לשמור על תפוקת כוח קבועה במהלך משבי רוח.
מעוררים מסוג 3 שולטים בכוח תגובתי, שומרים עליו קבוע או משתנה עם תפוקת כוח אמיתית.
דיאגרמות בלוקים ממחישות בקרת מתח גנרטור בתוכניות יציבות חולפות.
מעוררים בעלי רווח גבוה ותגובה מהירה מגבירים את מתח השדה במהלך קצרים חשמליים, ומשפרים את היציבות הארעית.
משוואות דיאגרמת בלוקים מחשבות את התגובה הארעית.

יציבות רגעית ובקרת מערכות

Generator Voltage Control

<div style="direction:rtl">
בקרת מתח בגנרטור היא חיונית לשמירה על פעולה יציבה של גנרטורים סינכרוניים וטורבינות רוח. במודלים ישנים, גנרטור DC המונע על ידי הרוטור מספק הספק DC לליפוף השדה של הרוטור, וההספק מועבר דרך טבעות החלקה ומברשות. במודלים החדשים ביותר, נעשה שימוש במעוררים סטטיים או ללא מברשות. מעוררים סטטיים מיישרים את ההספק ה-AC מקצות הגנרטור ומעבירים את ההספק ה-DC ישירות לרוטור. לעומת זאת, מעוררים ללא מברשות משתמשים בגנרטור סינכרוני הפוך, שבו הספק ה-AC מופק מליפופי העוגן ומיושר באמצעות דיודות המותקנות על הרוטור, ובכך מבטלים את הצורך בטבעות החלקה ומברשות.

דיאגרמת בלוקים מספק שיטה סטנדרטית להמחשת מערכות בקרת מתח בגנרטור. ה-IEEE Type 1 exciter עושה שימוש בגנרטור DC המונע באמצעות ציר ליצירת זרם השדה, עם מווסת מתח שמכוון את זרם השדה על פי מדידות המתח בקצה הטרמינל.

<img alt="Figure1" src="/files/ftp_upload/16172/16172_PT_figure_001.svg" style="height: 150px;">

בדיאגרמת הבלוקים, המתח בקצה הטרמינל Vt נמדד ומושווה למתח ייחוס V_ref. ההפרש בין שני הערכים משמש לכיוון מתח השדה. מווסת המתח מעבד את שגיאת המתח עם מקדם הגבר (K_a) וקבוע זמן (T_a). היציאה של מווסת המתח הוא מתח השדה המיושם על ליפוף השדה של הגנרטור, המכוון את המתח בקצה הטרמינל. מודלים אלה מייצגים את הדינמיקה של המעורר והגנרטור, ומספקים שיטה ברורה לניתוח ושיפור היציבות.

טורבינות רוח מסוג 1 משתמשות במכונות השראה עם כלוב מַגְנֶטְרוֹן ללא ויסות מתח ישיר. מערכות מסוג 2 משתמשות במכונות השראה עם רוטור מלופף והתנגדות חיצונית מתכווננת, המוצגות כמודל עירור, כדי לשמור על הספק עקבי למרות שינויים במהירות הרוח. קונפיגורציות מסוג 3 ו-4 מנהלות הן הספק אקטיבי והן הספק תגובתי. בקרת מתח בגנרטור כוללת שיטות להבטחת פעולה יציבה ואמינה של גנרטורים סינכרוניים וטורבינות רוח מודרניות..
</div>

בגנרטורים סינכרוניים, המדרגש מספק כוח DC לפיתול שדה הרוטור.
דגמים ישנים יותר משתמשים בגנרטור DC מונע רוטור כמלהיב, ...

Education

JoVE Core

Electrical Engineering

הנדסה חשמלית

Unit 1

יחידה 1

Transient Stability and System Controls

יציבות רגעית ובקרות מערכת

KEY TERMS AND CONCEPTS

מונחים ומושגים מרכזיים

voltage regulation in generators and wind turbines

Generator voltage regulation helps keep synchronous generators and wind turbines working stably. Older systems use a DC generator driven by the rotor to supply DC power to the rotor field winding. That power is passed through slip rings and brushes.

Newer systems use static exciters or brushless exciters. A static exciter rectifies AC power from the generator terminals and sends DC power directly to the rotor. A brushless exciter uses an inverted synchronous generator, takes AC power from armature windings, and rectifies it with diodes mounted on the rotor. This design removes the need for slip rings and brushes.

A block diagram is often used to show how generator voltage control works in a standard way. The IEEE Type 1 exciter uses a shaft-driven DC generator to produce field current. A voltage regulator then adjusts that current based on the measured terminal voltage. In the diagram, terminal voltage, Vt, is compared with a reference voltage, Vref, and the difference is used to adjust field voltage.

The voltage regulator processes the voltage error with a gain, Ka, and a time constant, Ta. Its output is the field voltage applied to the generator field winding, which changes the terminal voltage. These models describe exciter and generator dynamics and help engineers analyze and improve stability.

Wind turbines use related control ideas in different machine types. Type 1 turbines use squirrel cage induction machines and do not have direct voltage regulation. Type 2 systems use wound rotor induction machines with adjustable external resistance, modeled as an exciter, to help keep power output steady when wind speed changes. Type 3 and Type 4 configurations manage both real and reactive power.

Voltage Regulation in Generators and Wind Turbines

voltage-regulation-in-generators-and-wind-turbines

the swing equation

Generator Rotor Motion and the Swing Equation

Generator rotor motion is described by the Swing Equation in power system dynamics. It is used to study generating units such as three-phase synchronous generators. The equation comes from Newton’s second law applied to the generator rotor. It links inertia, angular acceleration, and the balance between mechanical and electrical torques. In steady-state operation, the mechanical torque supplied to the generator is equal to the electrical torque produced by the generator. When these torques...

simplified synchronous machine model

Transient Stability in Synchronous Generators

The synchronous machine model helps students analyze transient stability in power systems. It represents a synchronous generator under balanced three-phase positive-sequence conditions. The model assumes constant excitation and ignores losses and saturation. These simplifications make it easier to study how a generator behaves during a disturbance. In this setup, the generator is connected to a network of transmission lines, transformers, loads, and other machines. That larger system is often...

multimachine stability

Power-System Stability in Multi-Machine Networks

Power-system stability in multi-machine networks focuses on how several synchronous machines behave as they stay connected to an N-bus power system. The analysis solves the swing equations for the machines and tracks how the network responds when conditions change. It is used to study transient stability, which is the system’s ability to stay in step after a disturbance. The network is written with nodal equations that link bus voltages, machine voltages, and machine currents. In this model, V...

wind turbine machine models

Wind Turbine Types and Generator Control

Wind turbine machine models are used to study how wind turbines behave in transient stability analysis. In this setting, induction machines and synchronous machines are the main model types. Induction machines are common because they are simple and reliable. Induction machines work through the rotating magnetic field made by the stator and rotor. A key term is slip, which is the difference between synchronous speed and rotor speed relative to synchronous speed. Slip is zero at synchronous...

generator voltage control

Generator voltage regulation helps keep synchronous generators and wind turbines working stably. Older systems use a DC generator driven by the rotor to supply DC power to the rotor field winding. That power is passed through slip rings and brushes. Newer systems use static exciters or brushless exciters. A static exciter rectifies AC power from the generator terminals and sends DC power directly to the rotor. A brushless exciter uses an inverted synchronous generator, takes AC power from...

turbine-governor control

How Turbine Governors Stabilize Power Output

Turbine-governor control helps keep generator frequency and rotor speed stable when electrical load changes. It does this by matching turbine mechanical power with the power demand on the system. In a power grid, that balance is important for steady operation. Turbine-generator units also store kinetic energy because their parts are rotating. When load increases, that stored energy is released to help meet the demand. At first, electrical torque rises while mechanical torque stays nearly...

load-frequency control

Load-frequency control in power grids

Load-frequency control keeps a power grid stable when electrical demand changes. It helps keep system frequency and power flow within acceptable limits. Turbine-governor control reduces rotor speed changes after a load shift, but a steady-state frequency error can still remain when the turbine-governor reference setting does not change. In an interconnected power system, each area agrees to export or import a scheduled amount of power through tie-lines, which are the transmission lines that...

key terms and concepts

Learn how generator voltage regulation works with static, brushless, and IEEE Type 1 exciters, plus how wind turbine types manage stable power output.

Voltage Regulation in Generators and Wind Turbines | JoVE K12

JoVE Core Electrical Engineering offers easy-to-understand animated videos that cover fundamental concepts of electric circuits along with circuit analysis techniques. It incorporates first-order and second-order circuits using operational amplifiers and circuit transformation concepts. The inclusion of practical design examples and real-world applications through scientist-in-action videos adds significant educational value, making complex concepts accessible.

electrical engineering

Voltage Regulation in Generators and Wind Turbines

Description

Transcript

Tags