AC-synchrone machinesynchronisatie
Bron: Ali Bazzi, Afdeling Elektrotechniek, Universiteit van Connecticut, Storrs, CT.
Driefasen synchroongeneratoren met gewikkelde rotor zijn wereldwi…
1. Prime-Mover Initialization
De prime-mover in dit experiment is de dynamometer, die werkt als een motor die de generatorrotor (veld) laat draaien.
- Zorg ervoor dat de driefasige ontschakelingsschakelaar, de synchrone motorschakelaar en de DC-motorschakelaar allemaal uit staan.
- Controleer dat de VARIAC op 0% staat.
- Sluit de VARIAC aan op de driefasige uitlaat en sluit de opstelling aan zoals getoond in Fig. 1.
- Gebruik de driefasige schakelaar aan de zijde van de synchrone machine als "S1."
- Let op dat "S1" en de drie-lamp opstelling parallel zijn.
- Let ook op de polariteit van de sondevoerstaven van de digitale vermogensmeter.
- Controleer dat de "Start/Run" schakelaar in de "Start" positie staat.
- Stel "RF" in op maximale weerstand.
- Laat de VARIAC op 0% staan en laat "S1" uit.
- Schakel de driefasige ontschakelingsschakelaar in.
- Schakel de hoogspannings DC-voeding in.
- Zorg ervoor dat alle verbindingen duidelijk zijn losgekoppeld van de voedingsterminals.
- Druk op de "V/I DIS" knop op de voeding om de spanning en stroom bedrijfspunten weer te geven. Draai de spanningsknop naar 15 V.
- Druk op "Start" op het DC-voedingspaneel. De dynamometer zou een grote transitoire stroom moeten trekken uit de DC-voeding. Als het "OCT" lampje brandt, verhoog de overstroomstroomgrens.
- De machine moet langzaam draaien.
- Verhoog de uitgangsspanning van de DC-voeding tot ongeveer 160 V.
- Meet de rotatiesnelheid van de as.
- Stel de voedingsspanning in om een rotatiesnelheid van 1800 RPM te bereiken.
- Noteer de DC-stroom en spanning op het display van de voeding.
- Laat de opstelling intact en schakel geen van de apparatuur uit.
Figuur 1: Een schematische opstelling voor het driefasige synchrone generatorexperiment. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
2. Synchroniseren van de synchrone generator met het net
- Schakel de Start/Run schakelaar aan de zijde van de synchrone machine naar "Run". De drie lampen moeten nu branden.
- Stel "RF" en de voedingsspanning iteratief in om VG=120 V te bereiken, en stel de frequentie van de VG op de digitale vermogensmeter in op 60 Hz. Waarden binnen +/- 2% zijn acceptabel.
- Verhoog de VARIAC-uitgang lichtjes om VAC1=120 V te bereiken.
- In dit stadium levert het net 120 V met een frequentie van 60 Hz.
- Noteer spanning, stroom en vermogensmetingen op beide vermogensmeters. Negeer niet de +/- tekens voor elk getal op de meters.
- De lampen zouden hun verlichtingspatroon moeten veranderen.
- Als de lampen allemaal tegelijkertijd helder en dim worden, dan hebben de generator en het net dezelfde fasevolgorde. Noem het a-b-c voor de gebruikte driefasige sequentie.
- Als de lampen cyclisch veranderen, zoals kerstboomlampjes, dan hebben de generator en het net verschillende fasevolgorden, waarbij de ene a-b-c en de andere a-c-b is over de set lampen.
- In dit geval, draai de VARIAC terug naar 0%.
- Druk op "Stop" op het voedingspaneel.
- Verlaag de DC-spanningsinstelling terug naar 15 V.
- Schakel fasen "b" en "c" op de VARIAC-zijde om.
- Herhaal alle bovenstaande stappen, beginnend bij Stap 2.1.
- Deze stap vereist snelle actie: Op het moment dat alle lampen uitgaan, zet "S1" aan. De lampen zouden allemaal uit moeten blijven, omdat "S1" nu als een kortsluiting over hun terminals werkt.
- De generator is nu gesynchroniseerd met het net. Noteer de spanning, stroom en vermogensmetingen op beide vermogensmeters. Negeer niet de tekens.
- Laat de opstelling intact.
3. Effect van variatie in veldstroom
- Stel "RF" in ongeveer vijf stappen van zijn maximale positie naar de minimumpositie in, en noteer voor elke stap het volgende: Assnelheid; Askoppeling en teken; Spanning, stroom en vermogensmetingen op beide vermogensmeters; Spanning en stroommetingen op de DC-voeding.
- Als deze "RF" variatie hetzelfde teken geeft voor alle vermogensmetingen:
- Pas de DC-voedingsoutput lichtjes aan om een omgekeerde stroom van/naar de synchrone machine te bereiken.
- Onthoud dat negatieve stroom betekent dat de machine elektrische stroom genereert.
- Stel de DC-voedingsspanning in vijf stappen in zonder een totale DC-stroom
AC synchrone generatoren vormen de ruggengraat van elektriciteitsopwekking in energiecentrales wereldwijd en worden vaak gebruikt om het elektriciteitsnet te stabiliseren. Het is essentieel om de fasevolgordes, spanningsgroottes en frequenties van de synchrone generator af te stemmen op die van het stroomnet. Als de generator niet in fase is met het net, kan de generator geen stroom leveren. Hoewel automatische synchronisatoren worden gebruikt in grote energiecentrales, wordt hier een eenvoudige methode van handmatige synchronisatie gedemonstreerd. Deze video introduceert driefasige synchrone generatoren en demonstreert protocollen voor het aanpassen van de spanning en frequentie-uitgangen voor handmatige synchronisatie van de generator met het elektriciteitsnet.
AC synchrone machines bestaan uit een binnen roterende kern, de rotor, en de buitenste stationaire ring, de stator. Het magnetische veld van de rotor is stationair geïnduceerd door een toegepaste DC-spanning. Het magnetische veld van de stator wordt opgewekt met behulp van driefasige wisselstroom, waarbij elke fase is verbonden met een eigen afzonderlijke set statorspolen. Dit induceert een roterend magnetisch veld met constante grootte en rotatiesnelheid die overeenkomt met oscillaties in de voedingslijnstroom. De magnetische velden van stator en rotor zijn gekoppeld, waardoor de rotor precies met dezelfde snelheid draait als het roterende magnetische veld van de stator. Voor meer informatie over de kenmerken van AC synchrone machines, bekijk dan de wetenschappelijke educatieve video van JOVE, AC Synchrone Machine Karakterisering. Wanneer de synchrone machine wordt gebruikt als stroomgenerator, brengt een aandrijving een koppel aan op de rotor, wat resulteert in een flexverschil tussen de magnetische velden van rotor en stator. Als het toegepaste koppel de rotorbeweging tegengaat, absorbeert de machine reactieve stroom uit het systeem om de machine weer in synchronisatie te brengen. Als het toegepaste koppel in plaats daarvan de rotatie versterkt, overbelast de machine, en levert de generator stroom aan het systeem. Een methode met drie lampen kan worden gebruikt om visueel te bevestigen dat de generator stroom levert met dezelfde spanningsgrootte, frequentie en fasevolgorde als het elektriciteitsnet. Voor synchrone generatoren wordt de frequentie geregeld door de snelheid van de aandrijving te variëren. Als de generator en het systeem niet in fase zijn, flikkeren de lampen. Wanneer de spanning overeenkomt, veroorzaakt een nul-differentieel dat alle drie de lampen tegelijkertijd uit en aan gaan. Nu de basisprincipes van synchrone generatoren zijn uitgelegd, zal de handmatige synchronisatie van een AC synchrone generator met het elektriciteitsnet worden gedemonstreerd.
Begin met het initialiseren van een DC-motor of dynamometer als aandrijving. Controleer of de driefasige ontkoppeling, synchrone motor en DC-motor allemaal uitgeschakeld zijn. Met de Variac ingesteld op 0%, sluit deze aan op de driefasige uitlaat. Verbind vervolgens de instelling zoals getoond. Schakel vervolgens de driefasige schakelaar op de synchrone machine in. Zorg er ten slotte voor dat S1 en de drie lampen parallel zijn aangesloten. En noteer de polariteiten van de digitale vermogensmeter-pennen. Controleer vervolgens of de start-run-schakelaars in de startpositie staan. Met S1 uitgeschakeld, stel RF in op de maximale weerstand. Schakel de driefasige ontkoppelingsschakelaar in en schakel vervolgens de hoogspannings-DC-voeding in. Druk vervolgens op de VI-weergaveknop op de voeding om de bedrijfsspanning op stroom weer te geven en pas de spanning aan op 15 volt. Druk vervolgens op START op het DC-voedingspaneel. De dynamometer zou een grote transitoire stroom moeten trekken uit de DC-voeding. Als de overstroomlimiet of OCT-licht echter aangaat, verhoog de overstroomlimiet. Observeer nu de synchrone machine die langzaam draait. Verhoog tenslotte de uitgangsspanning van de DC-voeding tot ongeveer 160 volt en meet de rotatiesnelheid van de as met behulp van de stroboscooptechniek. Pas vervolgens de voedingsspanning aan om een rotatiesnelheid van 1.800 tpm te bereiken. Noteer vervolgens de DC-stroom en spanning.
Synchroniseer nu de generator met behulp van de methode met drie lampen met het volledig gemonteerde apparaat zoals getoond. Schakel de start-run-schakelaar aan de zijkant van de synchrone machine in op run en controleer of de drie lampen branden. Pas vervolgens RF op de voedingsspanning iteratief aan om een generatorspanning van 120 volt te bereiken. Pas de frequentie van de VG op de digitale vermogensmeter aan op 60 Hz. Waarden binnen +/- 2% zijn acceptabel. Verhoog vervolgens de Variac-uitgang lichtjes tot 120 volt. In dit stadium leveren zowel het net als de generator 120 volt met een frequentie van 60 Hz. Noteer spannings-, stroom- en vermogensmetingen op beide vermogensmeters inclusief + of - tekens. Gebruik ten slotte het lichtpatroon van de lampen om de synchronisatie te bevestigen of aan te passen. In de methode met drie lampen, zodra de gewenste AC-spanning is bereikt, gaan de lampen gelijktijdig aan en uit. Als een fasevolgorde van A, B, C van het net wordt gecombineerd met de volgorde A, C, B van de machine, cyclussen de lampen omdat de spanningen over de lampen nooit gelijktijdig op nul op alle drie de fasen uitkomen. Als de drie lampen in plaats daarvan cyclussen en onregelmatig flikkeren, hebben de generator en het net verschillende fasevolgorden over de set lampen. Identificeer de volgorden. Een als ABC en de andere als ACB. Om de volgorde aan te passen, draai eerst de Variac terug naar 0% en druk op STOP op het voedingspaneel. Nadat de DC-spanning is teruggebracht tot 15 volt, schakel uiteindelijk fasen B en C aan de zijde van de generator om. Als de drie lampen allemaal gelijktijdig oplichten en dimmen, hebben de generator en het net dezelfde fasevolgorde en zijn correct gesynchroniseerd. Anders herhaalt u de wijziging van de fasevolgorde. Op het moment dat alle lampen uitgaan, schakel u schakelaar S1 in. Nu zouden alle lampen uit moeten blijven omdat S1 nu fungeert als een kortsluiting over hun aansluitingen. De generator wordt vervolgens gesynchroniseerd met het net.
Synchrone machines worden vaak gebruikt in industriële toepassingen voor het stabiliseren van stroom. De stroomfactor van de machine laat zien of de machine onder bepaalde omstandigheden reactieve stroom kan leveren. Energie opslaan en vrijg
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.