Senkron jeneratörler: uyartım, yük açısı ve şebeke senkronizasyonu

Alternatör AC'yi nasıl üretir?

Senkron jeneratörün rotorunda bir DC alan sargısı (küçük makinelerde bilezikler üzerinden beslenir), statorunda üç fazlı bir armatür sargısı vardır. Buhar türbini, hidrolik türbin ya da dizel motor gibi bir tahrik makinesi rotoru döndürür. Dönen alan stator iletkenlerini keser ve birbirinden 120° farklı üç gerilim indükler. Frekans rotor hızına kilitlidir:

f = p × n / 120

Burada p kutup sayısı ve n dev/dk cinsinden hızdır.

• 1500 dev/dk'da 4 kutup: 50 Hz
• 1800 dev/dk'da 4 kutup: 60 Hz
• 3000 dev/dk'da 2 kutup: 50 Hz (tipik buhar türbini alternatörü)
• 250 dev/dk'da 24 kutup: 50 Hz (yavaş hidrolik alternatör)

Makineye senkron denir; çünkü asenkron makinenin aksine rotor, stator akımlarının oluşturduğu dönen alanın hızında, kayma olmaksızın tam olarak döner.

Uyartım gerilimi belirler

Her fazda indüklenen EMK, E_f, hızla ve alan akısıyla orantılıdır; akı da alan akımına bağlıdır. Uyartımı artırmak E_f'yi yükseltir. Boşta uç gerilimi E_f'ye eşittir, bu yüzden alan akımı gerilim kontrolüdür. E_f'nin alan akımına göre eğrisi boşta karakteristiktir ve demir doyduğu için bükülür.

Yük altında armatür akımı, armatür reaksiyonunu ve kaçağı birlikte temsil eden makinenin senkron reaktansı X_s üzerinden akar. Bir faz

E_f = V + (R_a + jX_s) × I

ile tanımlanır. Düşümün büyük kısmı reaktiftir, bu yüzden gerilim yükün güç faktörüne güçlü biçimde bağlıdır. Geri (endüktif) yük alanı zayıflatır; gerilim çöker ve uyartımın artırılması gerekir. İleri (kapasitif) yük mıknatıslar ve gerilim boştaki değerinin üzerine çıkabilir. Gerçek bir santraldeki otomatik gerilim regülatörü, gerilimi sabit tutmak için alan akımını ayarlar.

Senkronizasyonun dört koşulu

Bir alternatör ile canlı bir şebeke arasındaki kesiciyi adımda değillerken kapatmak, dönen iki mili debriyajla birleştirmeye benzer: çok büyük akımlar ve torklar akar. Kapatmadan önce dört koşul sağlanmalıdır.

• Eşit gerilim: şebeke geriliminin birkaç yüzde yakınında.
• Eşit frekans: neredeyse aynı, böylece faz farkı yalnızca yavaşça değişir.
• Eşit faz açısı: jeneratör gerilimi, kapama anında çevrimin şebeke geriliminle aynı noktasından geçmelidir.
• Aynı faz sırası: A-B-C'ye karşı A-B-C, A-C-B değil. Bu, devreye almada bir kez kontrol edilir.

Operatör makineyi hıza getirir, alanı gerilimi eşleştirecek biçimde ayarlar ve ardından frekans şebekeninkinden yalnızca çok az farklı olana kadar hızı inceden ayarlar. Senkronoskop faz farkını bir ibreyle gösterir: jeneratör biraz hızlıysa ibre yavaşça bir yöne, biraz yavaşsa öbür yöne döner. Kesici, ibre faz açısının sıfır olduğu saat 12 konumuna varmadan hemen önce kapatılır. Lambalar ve otomatik senkronizörler aynı işi yapar.

Açı farklıyken kapatmak, yalnızca makinenin subtransient reaktansıyla sınırlanan, anma akımının birçok katı bir tepe akım doğurur ve mile şok verir.

Etkin güç, reaktif güç ve yük açısı

Makine büyük bir şebekeye (sonsuz bara) paralel bağlandığında gerilim ve frekansı şebeke belirler, hız artık değişemez. İki kontrol bu durumda ayrı roller üstlenir:

• Tahrik makinesi etkin gücü kontrol eder. Türbin vanasını açmak rotora daha çok mil gücü iter ve rotor kutup ekseni stator alanının önünde daha büyük bir yük açısı δ kadar ilerler. Güç

P = 3 × V × E_f × sin δ / X_s olur (direnç ihmal edilerek, faz başına büyüklükler kullanılır) ve δ = 90°'de en büyüktür. Bunun ötesinde makine senkronizmayı tutamaz ve bir kutup kaydırır; bu kararlılık kaybıdır.

• Alan akımı reaktif gücü kontrol eder. Aşırı uyarılmış makine (E_f büyük) şebekeye, bir kondansatör gibi, reaktif güç verir. Az uyarılmış makine onu çeker. Alanı değiştirmek akımı ve güç faktörünü değiştirir, etkin gücü değiştirmez.

Sabit güçte armatür akımını alan akımına göre çizmek V eğrisini verir: minimum birim güç faktöründedir ve akım iki yanda da artar; aşırı uyarılmışken geri tarafa, az uyarılmışken ileri tarafa.

Çözümlü örnek

100 kVA, 400 V, 50 Hz, dört kutuplu bir alternatörün senkron reaktansı faz başına 1,6 Ω'dur.

1. Hız: n = 120 × f / p = 120 × 50 / 4 = 1500 dev/dk. 2. 0,8 güç faktöründe anma etkin gücü: 100 × 0,8 = 80 kW. Anma akımı 100 000 / (√3 × 400) = 144 A'dir. 3. E_f = V (faz başına yaklaşık 231 V) iken δ = 90°'deki maksimum güç: P_maks = 3 × 231 × 231 / 1,6 = 100 kW. Alan, E_f 1,5 V olacak kadar yükseltilirse maksimum 150 kW olur; yani alan akımı aynı zamanda bir kararlılık payıdır.

%60 türbin gücünde jeneratör şebekeye 48 kW'ın biraz altında güç verir. Alanı artırmak yalnızca reaktif gücü değiştirir.

Simülatör senkron jeneratörü nasıl modeller?

Curvo Studio'nun senkron jeneratör simülatörü silindirik rotorlu, faz başına bir model kullanır: E_f = V + (R_a + jX_s) × I; burada X_s anma noktasından türetilen 1 pu, R_a 0,015 pu'dur ve boşta karakteristik doyumludur. Tahrik makinesi sert bir sürücüdür: hız yük altında düşmez. İki mod vardır.

• Adalı: alternatör kendi sabit empedanslı yükünü besler. Hız frekansı, alan akımı gerilimi belirler; yük ise akımı ve gerilim çökmesini ya da yükselmesini belirler.
• Şebekede: sonsuz bir bara gerilimi ve frekansı belirler. Kesici yalnızca gerilim (±%5 içinde), frekans (±0,2 Hz), faz açısı (±10°) ve faz sırası birlikte uyuşuyorsa kapatılabilir. Kapatıldıktan sonra türbin gücü etkin gücü, alan akımı reaktif gücü belirler. Yük açısı sönümlü bir salınımla oturur ve kararlılık sınırı aşılırsa senkronizma kaybı görünür.

Senkronoskop açısı, sürekli dönen bir ibre değil, durağan bir kaydırıcıdır; 3B sahnedeki ibre yalnızca frekans farkı sınırın dışındayken döner. Modelde çıkıklık, regülatör eğimi ve otomatik gerilim regülatörü yoktur.

Varsayılan 100 kVA, 400 V, 4 kutuplu makine için (senkron reaktans 1,6 Ω, anma alan akımı 10 A), 1500 dev/dk'da adalı, 0,8 geri güç faktörlü %60 yükte ve 8 A alanla simülatör 50 Hz, 403,7 V, 87,4 A ve 19,1° yük açısı verir.

Senkron jeneratör simülatöründe deneyin

Senkron jeneratör simülatörünü açın ve aşağıdakileri deneyin.

• Adalı modda Alan (uyartım) akımı'nı 8 A'den 6 A'e düşürün. Uç gerilimi yaklaşık 404 V'tan yaklaşık 308 V'a düşer ve düşük gerilim uyarısı görünür. 8 A alanla Yük'ü %0 yapın; gerilim 584 V'a çıkar, çünkü yüksüzken uç gerilimi uyartım EMK'sına eşittir.
• Yük türü'nü Kapasitif (ileri) yapın ve gerilimin yükle arttığını görün; Endüktif (geri) ise onu düşürür. (Yük güç faktörü ayarı ayrıdır.)
• Tahrik makinesi hızı'nı değiştirin ve f = p × n / 120'yi izleyen frekansı gözleyin.
• Çalışma modu'nu Şebekede'ye çevirin. Senkronizasyon panelinde dört koşulu (Gerilim, Frekans, Faz açısı, Faz sırası) kontrol edin: dördü de sağlanana kadar Senkronoskop açısı'nı, Şebeke frekansı'nı ya da Şebeke gerilimi'ni değiştirin ve Kesici'yi ancak o zaman kapatın. Şimdi kapatılırsa tepe akım göstergesi zamanlamanın neden önemli olduğunu gösterir.
• Kesici kapalıyken ve Türbin gücü %60'ta (48 kW mil gücü) makine yaklaşık 45,8 kW ve 8 A alanla yaklaşık 38 kvar verir. Alanı 12 A'e çıkarın: reaktif güç yaklaşık 105 kvar'a yükselir, yük açısı 11,6°'ye düşer ve etkin güç yaklaşık aynı kalır. Alanı 5 A'e düşürün: Reaktif güç (negatif = çekilen) göstergesi negatif olur (çekilen), yaklaşık −20 kvar; yük açısı yaklaşık 30°'ye çıkar.
• Türbin gücü'nü artırın ve yük açısı δ ile Kararlılık sınırı P_max değerini izleyin. Kapasite diyagramı (P–Q) izinli bölgeyi, V eğrisi: alan akımına göre armatür akımı grafiği ise armatür akımını alan akımına göre gösterir.

Simülatörde deneyin