AC Senkron Makine Senkronizasyonu
Kaynak: Ali Bazzi, Elektrik Mühendisliği Bölümü, Connecticut Üniversitesi, Storrs, CT.
Üç fazlı sargılı rotorlu senkron jeneratörler, dünya çapında an…
1. Prime-Mover Başlatma
Bu deneydeki ana hareket ettirici, jeneratör rotorunu (alan) döndüren bir motor olarak çalışan dinamometredir.
- Üç fazlı bağlantı kesme anahtarının, senkron motor anahtarının ve DC motor anahtarının kapalı olduğundan emin olun.
- VARIAC'ın %0 olduğunu kontrol edin.
- VARIAC'ı üç fazlı prize bağlayın ve Şekil 1'de gösterilen kurulumu bağlayın.
- Senkron makine tarafındaki üç fazlı anahtarı "S1." olarak kullanın.
- "S1" ve üç lambalı kurulumun paralel olduğunu unutmayın.
- Ayrıca dijital güç ölçer problarının kutuplarına da dikkat edin.
- "Başlat/Çalıştır" anahtarının "Başlat" konumunda olduğunu kontrol edin.
- "RF" öğesini maksimum dirence ayarlayın.
- VARIAC'ı %0'da bırakın ve "S1" kısmını kapalı bırakın.
- Üç fazlı bağlantı kesme anahtarını açın.
- Yüksek voltajlı DC güç kaynağını açın.
- Besleme terminallerinden gelen tüm bağlantıların açık olduğundan emin olun.
- Voltajı ve akım çalışma noktalarını görüntülemek için besleme üzerindeki "V/I DIS" düğmesine basın. Voltaj düğmesini 15 V'a ayarlayın.
- DC besleme panelindeki "Başlat" a basın. Dinamometre, DC kaynağından çekilen büyük bir geçici akıma sahip olmalıdır. "OCT" ışığı yanarsa, aşırı akım limitini artırın.
- Makine yavaş dönmelidir.
- DC besleme çıkış voltajını yaklaşık 160 V'a yükseltin.
- Şaft dönüş hızını ölçün.
- 1800 RPM dönüş hızına ulaşmak için besleme voltajını ayarlayın.
- DC akımını ve voltajını besleme ekranına kaydedin.
- Kurulumu olduğu gibi bırakın ve hiçbir ekipmanı kapatmayın.
Şekil 1: Üç fazlı senkron jeneratör deneyi için şematik bir kurulum. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
2. Senkron Jeneratörü Şebeke ile Senkronize Etme
- Senkron makine tarafındaki Başlat/Çalıştır anahtarını "Çalıştır" konumuna getirin. Üç lamba şimdi yanmalıdır.
- VG=120 V elde etmek için "RF" ve besleme voltajını yinelemeli olarak ayarlayın ve dijital güç ölçerdeki VG frekansını 60 Hz'e ayarlayın. +/- %2 içindeki değerler kabul edilebilir.
- VAC1=120 V elde etmek için VARIAC çıkışını biraz artırın.
- Bu aşamada, şebeke 60 Hz frekansında 120 V sağlıyor.
- Her iki güç ölçerde voltaj, akım ve güç okumalarını kaydedin. Sayaç üzerindeki herhangi bir rakamın önündeki +/- işaretlerini dikkate almayın.
- Lambalar aydınlatma düzenlerini değiştirmelidir.
- Lambaların tümü aynı anda parlak ve kararırsa, jeneratör ve şebeke aynı faz sırasına sahiptir. Kullanılan üç fazlı dizi için a-b-c olarak adlandırın.
- Lambalar, Noel ağacı ışıkları gibi dönerse, jeneratör ve şebeke, lamba seti boyunca biri a-b-c ve diğeri a-c-b olmak üzere farklı faz dizilerine sahiptir.
- Bu durumda, VARIAC'ı tekrar %0'a getirin.
- Güç kaynağı panelindeki "Durdur" düğmesine basın.
- DC voltaj ayarını tekrar 15 V'a düşürün.
- VARIAC tarafında "b" ve "c" fazlarını değiştirin.
- Adım 2.1'den başlayarak yukarıdaki tüm adımları tekrarlayın.
- Bu adım hızlı işlem gerektirir: Tüm ışıklar söndüğü anda "S1" düğmesini açın. "S1" artık terminallerinde kısa devre görevi gördüğünden, ışıkların tümü kapalı kalmalıdır.
- Jeneratör artık şebeke ile senkronize edilmiştir. Her iki güç ölçerde voltaj, akım ve güç okumalarını kaydedin. İşaretleri görmezden gelmeyin.
- Kurulumu olduğu gibi bırakın.
3. Alan Akımı değişiminin etkisi
- "RF" öğesini maksimum konumundan minimum konumuna yaklaşık beş adımda ayarlayın ve her adım için aşağıdakileri kaydedin: Şaft hızı; Şaft torku ve işareti; Her iki güç ölçerde voltaj, akım ve güç okumaları; DC beslemesindeki voltaj ve akım okumaları.
- Bu "RF" varyasyonu tüm güç okumaları için aynı işareti sağlıyorsa:
- Senkron makineden/makineye ters güç akışı elde etmek için DC besleme çıkışını hafifçe ayarlayın.
- Negatif gücün, makinenin elektrik gücü ürettiği anlamına geldiğini unutmayın.
- DC güç kaynağı voltajını, 3.5 A besleme ekranında toplam DC akımını aşmadan beş adımda ayarlayın. Her adım için aşağıdakileri kaydedin: Şaft hızı; Şaft torku ve işareti; Her iki güç ölçerde voltaj, akım ve güç okumaları; DC beslemesindeki voltaj ve akım okumaları.
- Kurulumu olduğu gibi tutun.
4. Kurulumun Sökülmesi
Kurulumu sökmeden önce aşağıdaki sıra izlenmelidir:
- VARIAC'ı tekrar %0'a çevirin.
- "Durdur" düğmesine basarak güç kaynağı çıkışını kapatın.
- Makineler dönmeyi bıraktığında, "Başlat/Çalıştır" anahtarını "Başlat" konumuna çevirin ve "S1." kapatın
- Üç fazlı bağlantı kesme anahtarını kapatın.
- Kurulumu sökün.
AC senkron jeneratörler, dünya çapındaki enerji santrallerinde elektrik üretiminin bel kemiğidir ve genellikle elektrik şebekesini stabilize etmek için kullanılır. Senkron jeneratörün faz sıralarını, gerilim büyüklüklerini ve frekanslarını ağdaki gücünkilerle eşleştirmek çok önemlidir. Jeneratör şebeke ile faz dışındaysa, jeneratör güç sağlayamaz. Büyük enerji santrallerinde otomatik senkronizatörler kullanılırken, burada basit bir manuel senkronizasyon yöntemi gösterilmektedir. Bu video, üç fazlı senkron jeneratörleri tanıtacak ve jeneratörün güç şebekesine manuel senkronizasyonu için voltaj ve frekans çıkışlarını ayarlamak için protokolleri gösterecektir.
AC senkron makineler, iç dönen çekirdek, rotor ve dış sabit halka, statordan oluşur. Rotor manyetik alanı, uygulanan bir DC voltajı tarafından indüklenen sabittir. Stator manyetik alanı, her faz kendi ayrı stator bobinleri setine bağlı üç fazlı alternatif akım kullanılarak uyarılır. Bu, besleme hattı akımındaki salınımlara karşılık gelen sabit büyüklükte dönen bir manyetik alanı ve dönme frekansını indükler. Stator ve rotor manyetik alanları birleştirilir ve rotorun statorun dönen manyetik alanıyla tam olarak aynı hızda dönmesine neden olur. AC senkron makinelerin özellikleri hakkında daha fazla bilgi için lütfen JOVE'un bilim eğitimi videosunu, AC Senkron Makine Karakterizasyonu'nu izleyin. Senkron makine bir güç jeneratörü olarak çalıştırıldığında, bir ana hareket ettirici rotora tork uygulayarak rotor ve stator manyetik alanları arasında esnek bir fark oluşmasına neden olur. Uygulanan tork rotor hareketine karşı çıkarsa, makine, makineyi tekrar senkronizasyona getirmek için sistemden reaktif gücü emer. Uygulanan tork bunun yerine dönüşü hızlandırır ve makineyi aşırı heyecanlandırırsa, jeneratör sisteme güç sağlar. Jeneratörün, elektrik şebekesi ile aynı voltaj büyüklüğünde, frekansta ve faz sırasında güç sağladığına dair görsel onay sağlamak için üç lambalı bir yöntem kullanılabilir. Senkron jeneratörler için frekans, ana taşıyıcı hızı değişimi ile kontrol edilir. Jeneratör ve sistem gücü faz dışındaysa, lambalar titrer. Voltaj eşleştiğinde, sıfır diferansiyel üç lambanın da aynı anda kapanıp açılmasına neden olur. Artık senkron jeneratörlerin temel prensipleri açıklandığına göre, bir AC senkron jeneratörün elektrik şebekesine manuel senkronizasyonu gösterilecektir.
Ana taşıyıcı olarak bir DC motoru veya dinamometreyi başlatarak başlayın. Üç fazlı bağlantı kesme, senkron motor ve DC motorun tümünün kapalı olduğunu kontrol edin. Variac %0'a ayarlandığında, üç fazlı prize bağlayın. Ardından, kurulumu gösterildiği gibi bağlayın. Ardından, senkron makinedeki üç fazlı anahtarı açın. Son olarak, S1 ve üç lambanın paralel bağlandığından emin olun. Ve dijital güç ölçer problarının kutuplarına dikkat edin. Ardından, başlatma çalıştırmasının başlangıç konumunda olup olmadığını kontrol edin. S1 kapalıyken, RF'yi maksimum direncine ayarlayın. Üç fazlı bağlantı kesme anahtarını açın ve ardından yüksek voltajlı DC güç kaynağını açın. Ardından, akımdaki çalışma voltajını görüntülemek için güç kaynağındaki VI ekran düğmesine basın ve voltajı 15 volta ayarlayın. Ardından DC besleme panelindeki BAŞLAT'a basın. Dinamometre, DC kaynağından çekilen büyük bir geçici akıma sahip olmalıdır. Ancak, aşırı akım limiti veya OCT ışığı yanarsa, aşırı akım limitini artırın. Şimdi senkron makinenin yavaşça döndüğünü gözlemleyin. Son olarak, DC besleme çıkış voltajını yaklaşık 160 volta yükseltin ve flaş ışığı tekniğini kullanarak şaft dönüş hızını ölçün. Ardından, 1.800 RPM dönüş hızı elde etmek için besleme voltajını ayarlayın. Ardından DC akımını ve voltajını kaydedin.
Şimdi üç lamba yöntemini kullanarak jeneratörü gösterildiği gibi tamamen monte edilmiş aparatla senkronize edin. Çalıştırmak için senkron makine tarafındaki başlat çalıştırma anahtarını değiştirin ve üç lambanın yandığını kontrol edin. Ardından, 120 voltluk bir jeneratör voltajı elde etmek için besleme voltajındaki RF'yi yinelemeli olarak ayarlayın. Dijital güç ölçerdeki VG'nin frekansını 60 Hz'e ayarlayın. +/- %2 içindeki değerler kabul edilebilir. Ardından Variac çıkışını hafifçe 120 volta yükseltin. Bu aşamada, şebeke ve jeneratör her ikisi de 60 Hz frekansında 120 volt sağlıyor. + veya - işaretleri dahil olmak üzere her iki güç ölçerde voltaj, akım ve güç okumalarını kaydedin. Son olarak, senkronizasyonu onaylamak veya ayarlamak için lambaların aydınlatma düzenini kullanın. Üç lamba yönteminde, istenen AC voltajı elde edildiğinde, lambalar aynı anda açılır ve kapanır. Şebekeden gelen A, B, C faz dizisi makineden gelen A, C, B dizisi ile karşılanırsa, lambalardaki voltajlar aynı anda üç fazda da asla sıfıra eşit olmadığından lambaların döngüsü gerçekleşir. Bunun yerine üç lamba dönüyor ve senkronize olmuyorsa, jeneratör ve şebeke, lamba seti boyunca farklı faz dizilerine sahip olur. Dizileri tanımlayın. Biri ABC, diğeri ACB olarak. Ardından sırayı ayarlamak için önce Variac'ı tekrar %0'a getirin ve güç kaynağı panelindeki STOP düğmesine basın. DC voltajını tekrar 15 volta düşürdükten sonra, son olarak jeneratör tarafında B ve C fazlarını değiştirin. Üç lambanın tümü aynı anda yanar ve kararırsa, jeneratör ve şebeke aynı faz sırasına sahiptir ve doğru şekilde senkronize edilir. Aksi takdirde, faz sırası değişikliğini tekrarlayın Tüm ışıklar söndüğü anda S1 anahtarını açın. S1 artık terminallerinde kısa devre görevi gördüğü için ışıkların tümü kapalı kalmalıdır. Jeneratör daha sonra şebeke ile senkronize edilir.
Senkron makineler, gücü stabilize etmek için endüstriyel uygulamalarda sıklıkla kullanılır. Makinenin güç faktörü, makinenin belirli koşullar altında reaktif güç sağlayıp sağlayamayacağını gösterir. Şebekeyi stabilize etmek için enerjiyi depolamak ve serbest bırakmak. Bu şekilde çalışırken, makine Senkron Kondenser olarak adlandırılır. Rüzgarın yenilenebilir bir enerji kaynağı olarak kullanılmasında, rüzgar enerjisi türbini, senkron jeneratörün ana hareket ettiricisidir. Jeneratörün yüksek yüklerde durmasını önlemek için, türbin rotor kanat açıları, değişken rüzgar hızlarında dönüş hızını optimize etmek için diferansiyel olarak kontrol edilir. Üretilen rüzgar enerjisini şebekeye iletmek için rüzgar türbinleri, gücü güvenli bir şekilde şebeke hatlarına iletmek için otomatik bir senkronizatör arayüzü kullanır.
JOVE'un AC senkron makine senkronizasyonuna girişini az önce izlediniz. Artık üç fazlı senkron jeneratörlerin voltaj ve frekans çıkışlarını nasıl ayarlayacağınızı anlamalısınız. Jeneratörü elektrik şebekesine manuel olarak senkronize edin ve alan akımı ve hız değişimlerinin jeneratör güç çıkışı üzerindeki etkilerini ölçün. İzlediğiniz için teşekkürler!
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.