Synchronizacja maszyn synchronicznych AC
Źródło: Ali Bazzi, Wydział Inżynierii Elektrycznej, Uniwersytet Connecticut, Storrs, CT.
Trójfazowe generatory synchroniczne z wirnikiem uzwojonym są…
1. Inicjalizacja napędu głównego
Głównym motorem napędowym w tym eksperymencie jest dynamometr, który działa jak silnik obracający wirnik generatora (pole).
- Upewnij się, że odłącznik trójfazowy, wyłącznik silnika synchronicznego i wyłącznik silnika prądu stałego są wyłączone.
- Sprawdź, czy zmienna wartość VARIAC wynosi 0%.
- Podłącz VARIAC do gniazdka trójfazowego i podłącz konfigurację pokazaną na rys. 1.
- Użyj przełącznika trójfazowego po stronie maszyny synchronicznej jako "S1."
- Zauważ, że "S1" i konfiguracja z trzema lampami są równolegle.
- Zwróć również uwagę na polaryzację sond cyfrowego miernika mocy.
- Sprawdź, czy przełącznik "Start/Run" znajduje się w pozycji "Start".
- Ustaw "RF" na maksymalną rezystancję.
- Pozostaw VARIAC na 0% i pozostaw "S1" wyłączone.
- Włącz odłącznik trójfazowy.
- Włącz zasilanie prądem stałym wysokiego napięcia.
- Upewnij się, że wszystkie połączenia są wolne od zacisków zasilających.
- Naciśnij przycisk "V/I DIS" na zasilaczu, aby wyświetlić voltage i aktualne punkty pracy. Ustaw pokrętło napięcia na 15 V.
- Naciśnij "Start" na panelu zasilania DC. Hamownia powinna mieć duży prąd przejściowy pobierany z zasilacza prądu stałego. Jeśli zaświeci się kontrolka "OCT", zwiększ limit nadprądowy.
- Maszyna powinna obracać się powoli.
- Zwiększ napięcie wyjściowe zasilania DC do około 160 V.
- Zmierz prędkość obrotową wału.
- Dostosuj napięcie zasilania, aby osiągnąć prędkość obrotową 1800 obr./min.
- Zapisz prąd i napięcie DC na wyświetlaczu zasilania.
- Pozostaw konfigurację nienaruszoną i nie wyłączaj żadnego sprzętu.
Rysunek 1: Schemat eksperymentu z trójfazowym generatorem synchronicznym. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.
2. Synchronizacja generatora synchronicznego z siecią
- Przełącz przełącznik Start/Run po stronie maszyny synchronicznej na "Uruchom". Trzy lampy powinny się teraz włączyć.
- Dostosuj "RF" i napięcie zasilania, aby osiągnąć VG=120 V, a następnie dostosuj częstotliwość VG na cyfrowym mierniku mocy do 60 Hz. Dopuszczalne są wartości w granicach +/- 2%.
- Nieznacznie zwiększ moc wyjściową VARIAC, aby osiągnąć VAC1=120 V.
- Na tym etapie sieć dostarcza 120 V przy częstotliwości 60 Hz.
- Rejestruj odczyty napięcia, prądu i mocy na obu miernikach mocy. Nie ignoruj znaków +/- przed dowolnym numerem na licznikach.
- Lampy powinny zmieniać swój wzór świecenia.
- Jeśli wszystkie lampy świecą i ciemnieją w tym samym czasie, oznacza to, że generator i sieć mają tę samą sekwencję faz. Nazwij to a-b-c dla używanej sekwencji trójfazowej.
- Jeśli lampy krążą, jak lampki choinkowe, to generator i siatka mają różne sekwencje fazowe, gdzie jedna jest a-b-c, a druga a-c-b w całym zestawie lamp.
- W takim przypadku należy ustawić wartość WARIANCJA z powrotem na 0%.
- Naciśnij "Stop" na panelu zasilania.
- Zmniejsz napięcie DC z powrotem do 15 V.
- Przełącz fazy "b" i "c" po stronie VARIAC.
- Powtórz wszystkie powyższe kroki, zaczynając od kroku 2.1.
- Ten krok wymaga szybkiego działania: W momencie, gdy wszystkie światła zgasną, włącz "S1." Wszystkie kontrolki powinny pozostać wyłączone, ponieważ "S1" działa teraz jak zwarcie na ich zaciskach.
- Generator jest teraz zsynchronizowany z siecią. Zapisz odczyty napięcia, prądu i mocy na obu miernikach mocy. Nie ignoruj znaków.
- Pozostaw konfigurację nienaruszoną.
3. Wpływ zmienności prądu pola
- Dostosuj "RF" w około pięciu krokach od pozycji maksymalnej do pozycji minimalnej i zapisz następujące informacje dla każdego kroku: Prędkość wału; Moment obrotowy i znak wału; Odczyty napięcia, prądu i mocy na obu miernikach mocy; Odczyty napięcia i prądu na zasilaniu DC.
- Jeśli ta odmiana "RF" zapewnia ten sam znak dla wszystkich odczytów mocy:
- Nieznacznie wyreguluj wyjście zasilania prądem stałym, aby uzyskać odwrotny przepływ mocy z/do maszyny synchronicznej.
- Pamiętaj, że ujemna moc oznacza, że maszyna wytwarza energię elektryczną.
- Dostosuj napięcie zasilania prądem stałym w pięciu krokach, nie przekraczając całkowitego prądu DC na wyświetlaczu zasilania 3.5 A. Zapisz następujące informacje dla każdego kroku: Prędkość wału; Moment obrotowy i znak wału; Odczyty napięcia, prądu i mocy na obu miernikach mocy; Odczyty napięcia i prądu na zasilaniu DC.
- Zachowaj konfigurację w stanie nienaruszonym.
4. Demontaż instalacji
Przed demontażem instalacji należy postępować zgodnie z następującą sekwencją:
- Ustaw WARIANCJĘ z powrotem w pozycji 0%.
- Wyłącz wyjście zasilania, naciskając "Stop".
- Gdy maszyny przestaną się obracać, przestaw przełącznik "Start/Run" do pozycji "Start" i wyłącz "S1."
- Wyłącz rozłącznik trójfazowy.
- Zdemontuj konfigurację.
Zaloguj się lub , aby uzyskać dostęp do pełnej treści. Dowiedz się więcej o dostępie Twojej instytucji do treści JoVE tutaj
Generatory synchroniczne prądu przemiennego są podstawą wytwarzania energii elektrycznej w elektrowniach na całym świecie i są często wykorzystywane do stabilizacji sieci energetycznej. Zasadnicze znaczenie ma dopasowanie sekwencji faz, wielkości napięcia i częstotliwości generatora synchronicznego do mocy w sieci. Jeśli generator jest przesunięty w fazie z siecią, generator nie może dostarczać energii. Podczas gdy automatyczne synchronizatory są stosowane w dużych elektrowniach, tutaj pokazano prostą metodę synchronizacji ręcznej. W tym filmie przedstawiono trójfazowe generatory synchroniczne i zademonstrowano protokoły regulacji wyjść napięciowych i częstotliwościowych w celu ręcznej synchronizacji generatora z siecią energetyczną.
Maszyny synchroniczne prądu przemiennego składają się z wewnętrznego rdzenia obrotowego, wirnika i zewnętrznego pierścienia stacjonarnego, stojana. Pole magnetyczne wirnika jest stacjonarne indukowane przez przyłożone napięcie stałe. Pole magnetyczne stojana jest wzbudzane za pomocą trójfazowego prądu przemiennego, przy czym każda faza jest podłączona do oddzielnego zestawu cewek stojana. Indukuje to wirujące pole magnetyczne o stałej wielkości i częstotliwości obrotowej odpowiadającej oscylacjom prądu w linii zasilającej. Pola magnetyczne stojana i wirnika są sprzężone, powodując, że wirnik obraca się dokładnie z taką samą prędkością, jak wirujące pole magnetyczne stojana. Aby uzyskać więcej informacji na temat charakterystyki maszyn synchronicznych prądu przemiennego, obejrzyj film edukacyjny JOVE pt. "Charakterystyka maszyn synchronicznych prądu przemiennego". Gdy maszyna synchroniczna jest eksploatowana jako generator mocy, główny napęd przykłada moment obrotowy do wirnika, co powoduje różnicę ugięć między polami magnetycznymi wirnika i stojana. Jeśli przyłożony moment obrotowy sprzeciwia się ruchowi wirnika, maszyna absorbuje moc bierną z systemu, aby przywrócić maszynę do synchronizacji. Jeśli zamiast tego przyłożony moment obrotowy zwiększa obroty, nadmiernie wzbudzając maszynę, generator dostarcza moc do systemu. Metoda trzech lamp może być stosowana w celu zapewnienia wizualnego potwierdzenia, że generator dostarcza energię o tej samej napięciu, wielkości, częstotliwości i kolejności faz co sieć energetyczna. W przypadku generatorów synchronicznych częstotliwość jest kontrolowana poprzez zmianę prędkości głównego napędu. Jeśli generator i zasilanie systemu są przesunięte w fazie, lamps migocze. Gdy napięcie jest zgodne, różnica zerowa powoduje, że wszystkie trzy lampy wyłączają się i włączają w tym samym czasie. Teraz, gdy podstawowe zasady działania generatorów synchronicznych zostały wyjaśnione, zademonstrowana zostanie ręczna synchronizacja generatora synchronicznego prądu przemiennego z siecią energetyczną.
Zacznij od zainicjowania silnika prądu stałego lub dynamometru jako głównego napędu. Sprawdź, czy rozłącznik trójfazowy, silnik synchroniczny i silnik prądu stałego są wyłączone. Gdy Variac jest ustawiony na 0%, podłącz go do gniazdka trójfazowego. Następnie podłącz konfigurację, jak pokazano. Następnie włącz przełącznik trójfazowy na maszynie synchronicznej. Na koniec upewnij się, że S1 i trzy lampy są połączone równolegle. I zwróć uwagę na polaryzację sond cyfrowego miernika mocy. Następnie sprawdź, czy rozruch przełącza się w pozycji startowej. Gdy S1 jest wyłączony, ustaw RF na maksymalną rezystancję. Włącz rozłącznik trójfazowy, a następnie włącz zasilanie prądem stałym wysokiego napięcia. Następnie naciśnij przycisk wyświetlacza VI na zasilaczu, aby wyświetlić napięcie robocze na prądzie i dostosować napięcie do 15 woltów. Następnie naciśnij START na panelu zasilania DC. Hamownia powinna mieć duży prąd przejściowy pobierany z zasilania prądem stałym. Jeśli jednak zaświeci się limit nadprądowy lub kontrolka OCT, zwiększ limit nadprądowy. Teraz obserwuj, jak maszyna synchroniczna obraca się powoli. Na koniec zwiększ napięcie wyjściowe zasilania prądem stałym do około 160 woltów i zmierz prędkość obrotową wału za pomocą techniki światła stroboskopowego. Następnie należy wyregulować napięcie zasilania, aby osiągnąć prędkość obrotową 1 800 obr./min. Następnie zapisz prąd i napięcie DC.
Teraz zsynchronizuj generator metodą trzech lamp z w pełni zmontowanym aparatem, jak pokazano. Przełącz przełącznik start-run po stronie maszyny synchronicznej, aby działał i sprawdź, czy trzy lampki są włączone. Następnie iteracyjnie dostosuj RF na napięciu zasilania, aby uzyskać napięcie generatora 120 woltów. Dostosuj częstotliwość VG na cyfrowym mierniku mocy na 60 Hz. Dopuszczalne są wartości w granicach +/- 2%. Następnie nieznacznie zwiększ moc wyjściową Variac do 120 woltów. Na tym etapie zarówno sieć, jak i generator dostarczają napięcie 120 V o częstotliwości 60 Hz. Rejestruj odczyty napięcia, prądu i mocy na obu miernikach mocy, w tym znaki + lub -. Na koniec użyj wzoru oświetlenia lamp, aby potwierdzić lub dostosować synchronizację. W metodzie trzech lamp, po osiągnięciu żądanego napięcia prądu przemiennego, lampy włączają się i wyłączają w tym samym czasie. Jeśli sekwencja faz A, B, C z sieci spotka się z sekwencją A, C, B z maszyny, cykl lamp jako napięcia na lampach nigdy nie sumują się do zera we wszystkich trzech fazach w tym samym czasie. Jeśli zamiast tego trzy lampy przełączają się cyklicznie i migoczą w sposób niezsynchronizowany, oznacza to, że generator i siatka mają różne sekwencje faz w całym zestawie lamp. Zidentyfikuj sekwencje. Jeden jako ABC, a drugi jako ACB. Następnie, aby dostosować sekwencję, najpierw przekręć Variac z powrotem na 0% i naciśnij STOP na panelu zasilania. Po zmniejszeniu napięcia DC z powrotem do 15 woltów, na koniec przełącz fazy B i C po stronie generatora. Jeśli wszystkie trzy lampy jednocześnie rozjaśniają się i przyciemniają, oznacza to, że generator i siatka mają tę samą sekwencję faz i są prawidłowo zsynchronizowane. W przeciwnym razie powtórz modyfikację kolejności faz W momencie, gdy wszystkie światła zgasną, włącz przełącznik S1. Teraz wszystkie kontrolki powinny pozostać wyłączone, ponieważ S1 działa teraz jak zwarcie na ich zaciskach. Generator jest następnie synchronizowany z siecią.
Maszyny synchroniczne są często używane w zastosowaniach przemysłowych do stabilizacji mocy. Współczynnik mocy maszyny pokazuje, czy maszyna może dostarczyć moc bierną w określonych warunkach. Magazynowanie i uwalnianie energii w celu stabilizacji sieci. Działając w ten sposób, maszyna nazywana jest skraplaczem synchronicznym. W przypadku wykorzystania wiatru jako odnawialnego źródła energii, turbina wiatrowa jest głównym motorem napędowym generatora synchronicznego. Aby zapobiec zatrzymaniu się generatora przy dużych obciążeniach, kąty łopat wirnika turbiny są kontrolowane różnicowo, aby zoptymalizować prędkość obrotową przy zmiennych prędkościach wiatru. Aby przesyłać wytworzoną energię wiatrową do sieci, turbiny wiatrowe wykorzystują interfejs automatycznego synchronizatora, aby bezpiecznie przesyłać energię do linii energetycznych.
Właśnie obejrzałeś wprowadzenie JOVE do synchronizacji maszyn synchronicznych prądu przemiennego. Powinieneś teraz zrozumieć, jak dostosować napięcie i częstotliwość wyjść trójfazowych generatorów synchronicznych. Ręcznie zsynchronizuj generator z siecią energetyczną i zmierz wpływ zmian prądu pola i prędkości na moc wyjściową generatora. Dzięki za oglądanie!
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.