Overview
מקור: עלי באזי, המחלקה להנדסת חשמל, אוניברסיטת קונטיקט, סטורים, CT.
גנרטורים סינכרוניים תלת פאזיים של רוטור פצעים הם המקור העיקרי של חשמל ברחבי העולם. הם דורשים מוביל ראשי ומרגש כדי לייצר כוח. המובל העיקרי יכול להיות טורבינה המסתובבת על ידי נוזל (גז או נוזל), ולכן מקורות הנוזל יכולים להיות מים זורמים מסכר דרך זרבובית ארוכה, קיטור ממים מתאדה באמצעות פחם שרוף, וכו '. רוב תחנות הכוח, כולל פחם, גרעין, גז טבעי, דלק ואחרות, משתמשות בגנרטורים סינכרוניים.
מטרת הניסוי היא להבין את המושגים של התאמת יציאות המתח והתדירות של גנרטור סינכרוני תלת פאזי, ולאחר מכן סנכרון אותו עם הרשת. ההשפעות של זרם שדה וריאציות מהירות על כוח פלט הגנרטור מודגמים גם.
Principles
מכונות סינכרוניות מסתמכות על אותו מושג שדה מגנטי מסתובב שהוצג עבור מכונות אינדוקציה AC. זרמים תלת פאזיים, הזורמים בסטטור של המכונה, מייצרים שדה מגנטי מסתובב בסדר גודל קבוע בתדר הרצוי. ההבדל בין המכונות הסינכרוניות והאסינכרוניות הוא שלאחרון יש פיתולים קצרים או "כלוב סנאי" בצד הרוטור, בעוד שלמכונות סינכרוניות יש שדה מגנטי קבוע בצד הרוטור. שדה מגנטי זה מסופק על ידי מיתר או מגנטים קבועים. מכונות סינכרוניות מגנט קבועות הופכות שכיחות יותר בשל היעילות הגבוהה והגודל הקומפקטי שלהן, אך הן בדרך כלל משתמשות בחומרי אדמה נדירים, שאינם רצויים מנקודת מבט של זמינות חומרית אסטרטגית. המונח סינכרוני משמש מכיוון שהשדה המגנטי של הרוטור, שאינו תלוי בסטטור, ננעל לשדה המגנטי המסתובב וגורם לרוטור להסתובב באותה מהירות (או מהירות סינכרונית) כמו השדה המגנטי המסתובב של הסטטור.
Exciters מספקים את שדה DC עבור הגנרטור וניתן לצחצח או לצחצח אותו ללא מברשות. ההתקנה המשמשת בהדגמה זו היא מרגש מוברש, שבו DC מוחל על הרוטור מתפתל (שדה) של המכונה הסינכרונית באמצעות מברשות פנימיות וטבעות להחליק. עירור מגנט קבוע אפשרי גם הוא אך מעבר להיקף הניסוי הזה.
על מנת לחבר את הגנרטור במפעל אחד לרשת החשמל, שלושה גורמים במתחי היציאה של הגנרטור חייבים להתאים לאלה של הרשת: סדר גודל, תדירות ורצף פאזה. בעוד מסנכרנים אוטומטיים משמשים בדרך כלל בתחנות כוח גדולות, שיטה פשוטה משמשת בסרטון וידאו זה לסינכרון ידני. שיטה זו היא "שיטת שלוש המנורות". השיטה מספקת את הבדיקה החזותית של שלושת השלבים בצד הגנרטור ואת צד הרשת של אותו סדר גודל, תדירות ורצף פאזה כאשר כל המנורות נכבה עקב המתחים התואמים, שכמותם הדיפרנציאלית, הנראית על ידי המנורות, היא אפס.
לאחר הסנכרון, וברגע שהגנרטור קשור לרשת, בקרת המהירות אינה נדרשת עוד להדגמה זו, שכן הרשת פועלת כמו "אפיק אינסופי" שבו לדינמיקת הגנרטור יש השפעה מינימלית על הרשת. לכן, התדירות והמתח של הגנרטור לקרוא בדיוק כמו אלה בצד הרשת. אבל עדיין יש השפעה כלשהי של מוביל הממשלה: אם מוביל ראש מנסה להאיץ את הגנרטור, מהירות הגנרטור לא משתנה, אלא, הגנרטור מייצר יותר כוח ברשת. לדוגמה, אם הגנרטור נחשב אידיאלי, הגדלת המהירות מגדילה ביעילות את כוח מכני הקלט, אבל מאז המהירות קבועה, מומנט הקלט גדל, ולכן, כוח החשמל פלט של הגנרטור גדל. עם זאת, אם מוביל הממשלה מנסה להאט את הגנרטור, המומנט פוחת, בשלב מסוים, הופך את השלט, גורם לגנרטור להפחית את כוח הפלט שלו עד זרימת הכוח הפוכה, והוא פועל כמו מנוע.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Procedure
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 חשמל בתחנות כוח ברחבי העולם ומשמשים לעתים קרובות לייצוב רשת החשמל. התאמת רצפי הפאזה, סדרי המתח והתדרים של הגנרטור הסינכרוני לאלו של הכוח ברשת היא חיונית. אם הגנרטור הוא מחוץ לפאזה עם הרשת, הגנרטור לא יכול לספק כוח. בעוד מסנכרנים אוטומטיים משמשים בתחנות כוח גדולות שיטה פשוטה של סינכרון ידני מודגמת כאן. וידאו זה יציג גנרטורים סינכרוניים שלושה פאזה ולהדגים פרוטוקולים להתאמת יציאות המתח והתדירות לסנכרון ידני של הגנרטור לרשת החשמל.
מכונות סינכרוניות AC מורכבות ולליבה מסתובבת פנימית, הרוטור והטבעת הניויה החיצונית, הסטטור. השדה המגנטי של הרוטור הוא נייח המושרה על ידי מתח DC מיושם. השדה המגנטי סטטור מתרגש באמצעות זרם מתחלף תלת פאזי, כל שלב המחובר לסט נפרד משלו של סלילי סטטור. זה גורמת לשדה מגנטי מסתובב של סדר גודל קבוע ותדירות סיבובית המתאימה לתנודות בזרם קו האספקה. השדות המגנטיים של הסטטור והרוטור מצמידים את הרוטור להסתובב בדיוק באותה מהירות כמו השדה המגנטי המסתובב של הסטטור. לקבלת מידע נוסף על המאפיינים של מכונות סינכרוניות AC, אנא צפה בסרטון החינוך המדעי של JOVE, AC Synchronous Machineאפיון. כאשר המכונה הסינכרונית מופעלת כמחוללת כוח, מומנט ראשוני מחיל מומנט על הרוטור וכתוצאה מכך הפרש גמיש בין הרוטור לשדות המגנטיים הסטטור. אם המומנט המוחל מתנגד לתנועת הרוטור, המכונה סופגת כוח תגובתי מהמערכת כדי להחזיר את המחשב לסנכרון. אם המומנט המוחל במקום מגביר את הסיבוב, נרגש יתר על המידה של המכונה, הגנרטור מספק כוח למערכת. ניתן להשתמש בשיטת שלוש מנורות כדי לספק אישור חזותי לכך שהגנרטור מספק חשמל באותו גודל מתח, תדירות ורצף פאזה כמו רשת החשמל. עבור גנרטורים סינכרוניים, התדירות נשלטת באמצעות וריאציית מהירות מוביל ראשונית. אם הגנרטור וכוח המערכת אינם של פאזה, המנורות מהבהבות. כאשר המתח תואם, דיפרנציאל אפס גורם לכל שלוש המנורות לכבות ולהדליק בו זמנית. כעת, לאחר שהעקרונות הבסיסיים של גנרטורים סינכרוניים הוסברו, הסנכרון הידני של גנרטור סינכרוני AC לרשת החשמל יודגם.
התחל על-ידי אתחול מנוע DC או דינמומטר כעבירת הראשית. ודא כי הניתוק בן שלושת השלבים, המנוע הסינכרוני ומנוע DC כבויים כולם. עם Variac להגדיר ל 0%, להעביר אותו לשקע תלת פאזי. לאחר מכן, חבר את ההגדרה כפי שמוצג. לאחר מכן, הפעל את מתג שלושת השלבים במחשב הסינכרוני. לבסוף, ודא S1 ושלוש המנורות מחוברים במקביל. ושימו לב לקטבים של בדיקות מד הכוח הדיגיטליות. לאחר מכן, ודא שההפעלה מתחילה מתגים במיקום ההתחלה. כאשר S1 כבוי, הגדר את RF להתנגדות המרבית שלו. הפעל את מתג הניתוק בן שלושת השלבים ולאחר מכן הפעל את ספק הכוח DC במתח גבוה. לאחר מכן, לחץ על לחצן התצוגה VI באספקת החשמל כדי להציג את מתח ההפעלה בזרם ולהתאים את המתח ל- 15 וולט. לאחר מכן הקש START בלוח האספקה DC. לדינמומטר צריך להיות זרם ארעי גדול שנלקח מאספקת DC. עם זאת, אם המגבלה הנוכחית או נורית OCT מופעלת, הגדל את המגבלה הנוכחית. עכשיו שימו לב למכונה הסינכרונית מסתובבת לאט. לבסוף, להגדיל את מתח היציאה של אספקת DC לסביבות 160 וולט ולמדוד את מהירות הסיבוב פיר באמצעות טכניקת האור המהבהב. לאחר מכן, התאם את מתח האספקה כדי להשיג מהירות סיבובית של 1,800 סל"ד. ואז להקליט את זרם DC ומתח.
עכשיו לסנכרן את הגנרטור באמצעות שיטת שלוש מנורה עם המנגנון המורכב במלואו כפי שמוצג. החלף את מתג ההפעלה הפותח בצד המחשב הסינכרוני כדי לפעול ובדוק ששלוש המנורות מופעלות. לאחר התאמה RF על מתח האספקה איטרטיבי כדי להשיג מתח גנרטור של 120 וולט. התאם את התדירות של ה- VG במד הכוח הדיגיטלי ל- 60 הרץ. הערכים בתוך +/- 2% מקובלים. לאחר מכן להגדיל מעט את פלט Variac ל 120 וולט. בשלב זה, הרשת והגנרטור מספקים שניהם 120 וולט בתדר של 60 הרץ. לבסוף, השתמש בתבנית התאורה של המנורות כדי לאשר או להתאים סינכרון. בשיטת שלוש המנורות, ברגע שמתח AC הרצוי מושג, המנורות מחזור לסירוגין באותו זמן. אם רצף פאזה של A, B, C מהרשת נפגש עם רצף A, C, B מהמכונה, מחזור המנורות כשהמתחים על פני המנורות לעולם לא מסתכמים באפס בכל שלושת השלבים בו זמנית. אם שלוש המנורות במקום מחזור להבהב מתוך מסונכרן, אז הגנרטור והרשת יש רצפי פאזה שונים על פני מערכת של מנורות. זהה את הרצפים. אחד כמו ABC, והשני כמו ACB. לאחר מכן, כדי להתאים את הרצף, תחילה החזירו את ה-Variac ל-0% ולחצו על STOP בלוח ספק הכוח. לאחר הפחתת מתח DC בחזרה ל 15 וולט, סוף סוף לעבור שלבים B ו- C בצד הגנרטור. אם שלוש המנורות כולן מוארות ועמומות בו זמנית, אז הגנרטור והרשת יש את אותו רצף פאזה והם מסונכרנים כראוי. אחרת, חזור על שינוי רצף הפאזה ברגע שכל האורות כבויים, הפעל את מתג S1. עכשיו האורות צריכים להישאר כבויים מאז S1 פועל כעת כקצר על פני מסופים שלהם. הגנרטור מסונכרן לאחר מכן עם הרשת.
מכונות סינכרוניות משמשות לעתים קרובות ביישומים תעשייתיים לייצוב כוח. גורם הכוח של המכונה מדגים אם המכונה יכולה לספק כוח תגובתי בתנאים מסוימים. אחסון ושחרור אנרגיה כדי לייצב את הרשת. בעת תפקוד בדרך זו, המכונה נקרא מעבים סינכרוני. בשימוש ברוח כמקור אנרגיה מתחדשת, טורבינת אנרגיית הרוח היא המוביל העיקרי של הגנרטור הסינכרוני. על מנת למנוע מהגנרטור להשתהות בעומסים גבוהים, זוויות להב רוטור טורבינה נשלטות באופן דיפרנציאלי כדי לייעל את קצב הסיבוב במהירויות רוח משתנות. כדי לשדר אנרגיית רוח שנוצרה לרשת, טורבינות רוח משתמשות בממשק מסנכרן אוטומטי כדי להעביר חשמל בבטחה לקווי שירות.
הרגע צפית בהקדמה של JOVE לסנכרון מכונה סינכרוני AC. עכשיו אתה צריך להבין איך להתאים את יציאות המתח והתדירות של גנרטורים סינכרוניים שלושה פאזה. סנכרן ידנית את הגנרטור לרשת החשמל ומדוד את ההשפעות של וריאציות זרם שדה ומהירות על פלט החשמל של הגנרטור. תודה שצפיתם!
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Results
המהירות הרצויה של prime-mover מוגדרת על 1,800 סל"ד מאז המכונה הסינכרונית יש ארבעה קטבים (P) ופועל בתדר f= 60 הרץ, ולכן מהירות סינכרונית היא 120f/P= 1,800 סל"ד.
בעת סינכרון המכונה הסינכרונית (גנרטור) לרשת, ראש-מוביל של המכונה מספק סיבוב, אך יש לספק שדה מגנטי על הרוטור של המכונה. זה מושג באמצעות ספק הכוח DC, אשר מספק את סליל הרוטור ובונה את השדה המגנטי רוטור. מתח AC מושרה בצד הסטטור על ידי השדה המגנטי DC המסתובב על הרוטור, ואת הכוח של השדה המגנטי רוטור מוגדר על ידי ספק הכוח DC. על מנת להגדיל בהדרגה את מתח היציאה AC בצד הסטטור, ספק הכוח DC מוגבר לאט.
ברגע מתח AC הרצוי מושגת, מחזור המנורות. באמצעות שלב "a" כדוגמה, ההנחה היא כי מתח בצד הרשת הוא 170cos(120πt) V אשר יש מתח RMS של 120 V = 170/sqrt(2) ותדר של 60 הרץ (2π * 60 rad/s). ברגע שהשלב "a" של המכונה מגיע ל- 170cos(120πt), המתח על פני מסופי המנורה הופך לאפס והמנורה נכבה. עם זאת, קשה מאוד לקבל את שני המתחים באותו שלב, ואת המתח של המכונה הוא ככל הנראה 170cos(120πt + φ) V שבו φ הוא הבדל פאזה אפס. על ידי התאמת עוצמת המתח, באמצעות שדה הרוטור DC, והתדירות, באמצעות מהירות ה- prime-mover, המתחים בכל אחד משלבי המכונה ומתחים הרשת המתאימים שלהם צריכים להתאים עקב הפרעות מתח ותדירות קלות.
אם רצף הפאזה של a-b-C מהרשת נפגש עם רצף אחר a-c-b מהמכונה, המנורות מחזור כמו המתחים על פני המנורות אף פעם לא מסתכם לאפס על כל שלושת השלבים בו זמנית.
המכונה פועלת כגנרטור כאשר קריאות החשמל מראות זרימת חשמל לרשת לעומת לתוך המכונה. ניתן לציין זאת על מדי הכוח.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Applications and Summary
גנרטורים סינכרוניים הם עמוד השדרה של ייצור החשמל בתחנות כוח ברחבי העולם. סנכרון גנרטור לרשת הפך לנוהג מקובל והוא בדרך כלל אוטומטי על-ידי התאמת רצפי הפאזה, סדרי המתח והתדרים של הגנרטור לרשת. בקרת מתח באמצעות השדה המגנטי רוטור מושגת באמצעות "exciters", בעוד בקרת תדירות מושגת באמצעות בקרת מהירות של טורבינה או prime-mover, מתן סיבוב באמצעות קיטור, רוח, מים, או נוזלים אחרים. בקרות תדירות מושגות בדרך כלל באמצעות "מושלים".
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
