סינכרון מחשב סינכרוני AC
מקור: עלי באזי, המחלקה להנדסת חשמל, אוניברסיטת קונטיקט, סטורים, CT.
גנרטורים סינכרוניים תלת פאזיים של רוטור פצעים הם המקור העיקרי של חשמל ברחבי העולם.…
1. אתחול פריים-מוביל
ראש-מוביל בניסוי זה הוא הדינמומטר, הפועל כמנוע המסובב את רוטור הגנרטור (שדה).
- ודא שמתג הניתוק תלת-פאזי, מתג המנוע הסינכרוני ומתג מנוע DC כבויים.
- ודא כי VARIAC הוא ב 0%.
- התחבר את ה-VARIAC לשקע תלת-פאזי וחבר את ההתקנה המוצגת ב- Fig. 1.
- השתמש במתג תלת-פאזי בצד המכונה הסינכרונית כ- "S1."
- שים לב כי " S1" ואת הגדרת שלוש מנורות הם במקביל.
- שימו לב גם לקטבים של בדיקות מד הכוח הדיגיטלי.
- ודא כי הבורר "התחל/הפעל" נמצא במצב "התחל".
- הגדר "RF"להתנגדות מרבית.
- השאר את VARIAC ב 0% ולהשאיר "S1"כבוי.
- הפעל את מתג הניתוק המשולש.
- הפעל את ספק הכוח DC במתח גבוה.
- ודא שכל החיבורים פנויים ממסופי האספקה.
- לחץ על כפתור "V/I DIS" באספקה כדי להציג את נקודות ההפעלה המתח והזרם. כוונן את ידית המתח ל-15 וולט.
- לחץ על "התחל" בלוח האספקה של DC. הדינמומטר צריך להיות זרם ארעי גדול נמשך מאספקת DC. אם נורית ה-OCT מופעלת, הגדל את מגבלת זרם-העל.
- המכונה צריכה להסתובב לאט.
- הגדל את מתח היציאה של אספקת DC לסביבות 160 וולט.
- מדוד את מהירות הסיבוב של הפיר.
- התאם את מתח האספקה כדי להשיג מהירות סיבובית של 1800 סל"ד.
- הקלט את זרם DC ואת המתח על צג האספקה.
- השאר את ההתקנה ללא פגע ואל תכבה אף אחד מהציוד.
איור 1: התקנה סכמטית לניסוי הגנרטור הסינכרוני התלת פאזי. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
2. סנכרון הגנרטור הסינכרוני עם הרשת
- החלף את הבורר התחל/הפעל את צד המחשב הסינכרוני ל"הפעל". שלוש המנורות אמורות להיות מופעלות עכשיו.
- התאם את "RF"ואת מתח האספקה באופן איטרטיבי כדי להשיג VG= 120 V, ולהתאים את התדירות של VG במד הכוח הדיגיטלי ל 60 הרץ. ערכים בתוך +/- 2% מקובלים.
- הגדל מעט את פלט VARIAC כדי להשיג VAC1= 120 V.
- בשלב זה, הרשת מספקת 120 V בתדר של 60 הרץ.
- הקלט קריאות מתח, זרם וכוח בשני מדי הכוח. אין להתעלם +/- שלטים מול כל מספר על המונים.
- המנורות צריכות לשנות את דפוס התאורה שלהן.
- אם כל המנורות הולכות בהירות ועמומות בו זמנית, אז לגנרטור ולרשת יש את אותו רצף פאזה. קרא לזה א-ב-ג' לרצף תלת-פאזי בשימוש.
- אם המנורות מחזור, כמו אורות עץ חג המולד, אז הגנרטור והרשת יש רצפי פאזה שונים, שבו אחד הוא a-b-c והשני הוא a-c-b על פני סט של מנורות.
- במקרה זה, להחזיר את ה- VARIAC ל- 0%.
- לחץ על "עצור" בלוח ספק הכוח.
- הפחת את הגדרת מתח DC בחזרה ל- 15 V.
- החלף שלבים "b" ו- "c" בצד VARIAC.
- חזור על כל השלבים לעיל, החל בשלב 2.1.
- שלב זה דורש פעולה מהירה: ברגע שכל האורות כבו, הפעל את "S1". כל האורות צריכים להישאר כבויים, שכן " אס' 1" משמש כיום כקצר על פני הטרמינלים שלהם.
- הגנרטור מסונכרן כעת עם הרשת. הקלט את קריאות המתח, הזרם והחשמל בשני מדי הכוח. אל תתעלם מסימנים.
- השאר את ההתקנה ללא פגע.
3. השפעת וריאציה נוכחית בשדה
- התאם את "RF"כחמישה צעדים ממיקומו המרבי למיקום המינימלי, ורשום את הפעולות הבאות עבור כל שלב: מהירות פיר; מוט פיר ושלט; קריאות מתח, זרם וכוח בשני מדי הכוח; קריאות מתח וזרם באספקת DC.
- אם וריאציית " RF" זו מספקת את אותו סימן עבור כל קריאות צריכת החשמל:
- התאם מעט את פלט אספקת DC כדי להשיג זרימת מתח הפוכה מ/ אל המחשב הסינכרוני.
- זכור כי כוח שלילי אומר שהמכונה מייצרת חשמל.
- התאם את מתח ספק הכוח DC בחמישה שלבים מבלי לחרוג מזרם DC כולל בתצוגת האספקה של 3.5 A. הקלט את הפעולות הבאות עבור כל שלב: מהירות פיר; מוט פיר ושלט; קריאות מתח, זרם וכוח בשני מדי הכוח; קריאות מתח וזרם באספקת DC.
- שמור על ההתקנה ללא פגע.
4. פירוק ההתקנה
יש לבצע את הרצף הבא לפני פירוק ההתקנה:
- תחזיר את ה-VARIAC ל- 0%.
- כבה את פלט ספק הכוח על-ידי לחיצה על "עצור".
- כאשר המכונות מפסיקות להסתובב, הפוך את המתג "התחל/הפעלה" למיקום "התחל" וכבה את "S1".
- כבה את מתג הניתוק המשולש.
- לפרק את ההתקנה.
גנרטורים סינכרוניים AC הם עמוד השדרה של ייצור החשמל בתחנות כוח ברחבי העולם ומשמשים לעתים קרובות לייצוב רשת החשמל. התאמת רצפי הפאזה, גדלי המתח והתדרים של הגנרטור הסינכרוני לאלו של הכוח ברשת היא חיונית. אם הגנרטור נמצא מחוץ לפאזה עם הרשת, הגנרטור לא יכול לספק חשמל. בעוד שמסנכרנים אוטומטיים משמשים בתחנות כוח גדולות, מודגמת כאן שיטה פשוטה של סנכרון ידני. סרטון זה יציג גנרטורים סינכרוניים תלת פאזיים וידגים פרוטוקולים להתאמת יציאות המתח והתדר לסנכרון ידני של הגנרטור לרשת החשמל.
מכונות סינכרוניות AC מורכבות מהליבה המסתובבת הפנימית, הרוטור והטבעת הנייחת החיצונית, הסטטור. השדה המגנטי של הרוטור הוא נייח המושרה על ידי מתח DC מופעל. השדה המגנטי של הסטטור נרגש באמצעות זרם חילופין תלת פאזי, כל שלב מחובר לקבוצה נפרדת משלו של סלילי סטטור. זה גורם לשדה מגנטי מסתובב בגודל קבוע ותדירות סיבוב המתאימה לתנודות בזרם קו האספקה. השדות המגנטיים של הסטטור והרוטור מחוברים וגורמים לרוטור להסתובב בדיוק באותה מהירות כמו השדה המגנטי המסתובב של הסטטור. למידע נוסף על המאפיינים של מכונות סינכרוניות AC, אנא צפו בסרטון החינוך המדעי של JOVE, אפיון מכונות סינכרוניות AC. כאשר המכונה הסינכרונית מופעלת כמחולל כוח, מניע ראשי מפעיל מומנט על הרוטור וכתוצאה מכך הפרש גמיש בין הרוטור לשדות המגנטיים של הסטטור. אם המומנט המופעל מתנגד לתנועת הרוטור, המכונה סופגת כוח תגובתי מהמערכת כדי להחזיר את המכונה לסנכרון. אם המומנט המופעל במקום זאת מגביר את הסיבוב, ומרגש יתר על המידה את המכונה, הגנרטור מספק חשמל למערכת. ניתן להשתמש בשיטת שלוש מנורות כדי לספק אישור חזותי לכך שהגנרטור מספק חשמל באותו גודל מתח, תדר ורצף פאזה כמו רשת החשמל. עבור גנרטורים סינכרוניים, התדר נשלט באמצעות שינוי מהירות המניע הראשוני. אם הגנרטור וכוח המערכת אינם בשלבים, המנורות מהבהבות. כאשר המתח תואם, הפרש אפס גורם לכל שלוש המנורות לכבות ולהדליק בו זמנית. כעת, לאחר שהוסברו העקרונות הבסיסיים של גנרטורים סינכרוניים, יודגם סנכרון ידני של גנרטור סינכרוני AC לרשת החשמל.
התחל באתחול מנוע DC או דינמומטר כמניע העיקרי. בדוק שהניתוק התלת פאזי, המנוע הסינכרוני ומנוע ה-DC כבויים. כאשר ה-Variac מוגדר ל-0%, חבר אותו לשקע התלת פאזי. לאחר מכן, חבר את ההגדרה כפי שמוצג. לאחר מכן, הפעל את המתג התלת פאזי במכונה הסינכרונית. לבסוף, ודא ש-S1 ושלושת המנורות מחוברים במקביל. ושימו לב לקוטביות של בדיקות מד הכוח הדיגיטליות. לאחר מכן, בדוק שהפעלת ההתחלה עוברת במצב ההתחלה. כאשר S1 כבוי, הגדר את RF להתנגדות המקסימלית שלו. הפעל את מתג הניתוק התלת פאזי ולאחר מכן הפעל את ספק הכוח DC במתח גבוה. לאחר מכן, לחץ על לחצן התצוגה VI בספק הכוח כדי להציג את נפח ההפעלהtage על הזרם ולהתאים את המתח ל-15 וולט. לאחר מכן לחץ על START בלוח אספקת ה-DC. לדינמומטר צריך להיות זרם חולף גדול הנמשך מאספקת DC. עם זאת, אם מגבלת זרם היתר או נורית OCT נדלקים, הגדל את מגבלת זרם היתר. כעת התבונן במכונה הסינכרונית המסתובבת לאט. לבסוף, הגדל את מתח המוצא של אספקת DC לסביבות 160 וולט ומדוד את מהירות סיבוב הפיר בטכניקת האור המהבהב. לאחר מכן, כוונן את מתח האספקה על מנת להשיג מהירות סיבוב של 1,800 סל"ד. לאחר מכן רשום את זרם ה-DC והמתח.
כעת סנכרן את הגנרטור בשיטת שלוש המנורות עם המנגנון המורכב במלואו כפי שמוצג. העבר את מתג ההפעלה בצד המכונה הסינכרוני להפעלה ובדוק ששלושת המנורות דולקות. לאחר מכן התאם את ה- RF על מתח האספקה באופן איטרטיבי כדי להשיג מתח גנרטור של 120 וולט. התאם את תדר ה- VG במד הכוח הדיגיטלי ל 60 הרץ. ערכים בטווח של +/- 2% מקובלים. לאחר מכן הגדל מעט את תפוקת ה-Variac ל-120 וולט. בשלב זה, הרשת והגנרטור מספקים שניהם 120 וולט בתדר של 60 הרץ. רשום קריאות מתח, זרם והספק בשני מדי החשמל כולל שלטי + או -. לבסוף, השתמש בדפוס התאורה של המנורות כדי לאשר או להתאים את הסנכרון. בשיטת שלוש המנורות, לאחר השגת מתח ה-AC הרצוי, המנורות נדלקות ונכבות בו זמנית. אם רצף פאזה של A, B, C מהרשת נפגש עם רצף A, C, B מהמכונה, מחזור המנורות מכיוון שהמתחים על פני המנורות לעולם לא מסתכמים לאפס בכל שלושת השלבים בו זמנית. אם שלושת המנורות במקום זאת מסתובבות ומהבהבות לא מסונכרנות, אז לגנרטור ולרשת יש רצפי פאזה שונים על פני סט המנורות. זהה את הרצפים. האחד כ-ABC, והשני כ-ACB. לאחר מכן, על מנת להתאים את הרצף, סובב תחילה את ה-Variac בחזרה ל-0% ולחץ על STOP בלוח אספקת החשמל. לאחר הפחתת מתח ה-DC בחזרה ל-15 וולט, החלף סוף סוף שלבים B ו-C בצד הגנרטור. אם שלוש המנורות כולן בהירות ומתעמעמות בו זמנית, אז לגנרטור ולרשת יש את אותו רצף פאזה והם מסונכרנים כהלכה. אחרת, חזור על שינוי רצף הפאזה ברגע שכל האורות נכבים, הפעל את מתג S1. כעת כל האורות צריכים להישאר כבויים מכיוון ש-S1 פועל כעת כקצר חשמלי על פני המסופים שלהם. הגנרטור מסונכרן לאחר מכן עם הרשת.
מכונות סינכרוניות משמשות לעתים קרובות ביישומים תעשייתיים לייצוב הספק. גורם ההספק של המכונה מדגים אם המכונה יכולה לספק כוח תגובתי בתנאים מסוימים. אחסון ושחרור אנרגיה לייצוב הרשת. כאשר הוא פועל בדרך זו, המכונה נקראת מעבה סינכרוני. בשימוש ברוח כמקור אנרגיה מתחדשת, טורבינת כוח הרוח היא המניע העיקרי של הגנרטור הסינכרוני. על מנת למנוע מהגנרטור להיתקע בעומסים גבוהים, זוויות להב רוטור הטורבינה נשלטות באופן דיפרנציאלי כדי לייעל את קצב הסיבוב במהירויות רוח משתנות. כדי להעביר את כוח הרוח שנוצר לרשת, טורבינות רוח משתמשות בממשק סנכרון אוטומטי כדי להעביר כוח בבטחה לקווי השירות.
זה עתה צפיתם בהקדמה של JOVE לסנכרון מכונות סינכרוני AC. כעת עליך להבין כיצד להתאים את יציאות המתח והתדר של גנרטורים סינכרוניים תלת פאזיים. סנכרן ידנית את הגנרטור לרשת החשמל ומדוד את ההשפעות של שינויים בזרם השדה ובמהירות על תפוקת החשמל של הגנרטור. תודה שצפית!
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.