نظریه های سیستم تحریک

1 -سیستم تحریک چیست ؟

به القای ولتاژ در روتور ماشین سنکرون (که خاصیت الکترو مغناطیس پیدا کرده) تحریک ماشین گفته میشود و بنابراین سیستمی که جریان را تغذیه می کند سیستم تحریک نامیده می شود.

مقدار جریان تغذیه شده به طور مستقیم به نیروی الکترومغناطیسی و در نتیجه به سطح ولتاژ القا شده برروی استاتور بستگی دارد. برای ژنراتور سنکرون سیم پیچی میدان (که مغناطیس شده) همیشه برروی روتور قرار دارد و این بدان علت است که مقدار جریان در سیم پیچی میدان بسیار کمتر از سیم پیچ استاتور می باشد ودر نتیجه ترتیب حرکت شفت آسانتر است و از همه مهمتر تعداد زغالها یکی کمتر و اسلیپ رینگ و زغالها حامل جریان کمتری می باشد. اگر سیم پیچی میدان روی استاتور قرار بگیرد حجم سیم پیچی بیشتر میشود و در نتیجه ترتیب حرکت شفت سخت تر خواهد شد. البته مطالبی که در بالا اشاره شد٬ اشاره به بحث آرمیچر ساکن در ماشین سنکرون دارد. امروزه با پیشرفت تکنولوژی از نیمه هادی های قدرت نظیر دیود و تریستور برای کنترل بهتر مشخصات ماشین تحریک می توان استفاده کرد. در هر سیستم تحریک، بسته به نوع و شکل آن، تجهیزات ممکن است خیلی زیاد باشند ولی با این حال در هر سیستم تحریک یک سری اجزای ثابت و اصلی وجود دارد که در ادامه به شرح برخی از اجزای اصلی سیستم تحریک اشاره خواهیم کرد .

2-اجزای تشکیل دهنده سیستم تحریک :

تولید جریان روتور :

روتور ماشین باید به وسیله جریانی تغذیه شود به عنوان مثال: روتور ماشین بوسیله یک مبدل الکترونیکی پر قدرت تغذیه شود (این روش مستقیم است) و یا یک جریان کوچک٬ ماشین تحریک را تغذیه می کند که به طور منظم جریان روتور زیاد میشود. (روش غیر مستقیم).

منبع تغذیه :

سیستم تحریک به منظور تولید جریان به منبع تغذیه نیاز دارد منبع تغذیه به دو صورت تغذیه موازی و تغذیه سری کاربرد دارد. تغذیه موازی تغذیه ای است که از ترمینالهای ماشین گرفته میشود و تغذیه سری تغذیه ای است که از تغذیه کمکی گرفته میشود.

سیستم تنظیم کننده خودکار ولتاژ ( AVR ) :

AVR یک کنترل کننده حلقه بسته است که سیگنالی متناسب با ولتاژ خروجی ژنراتور را با یک ولتاژ مبنای ثابت مقایسه نموده و خطای ولتاژ به دست آمده را جهت کنترل خروجی سیستم تحریک مورد استفاده قرار می دهد.

اگر بار ژنراتور تغییر کند ولتاژ خروجی ژنراتور نیز تغییر می کند که این منجر به ارسال سیگنال خطا می گردد. خطای ولتاژ بوسیله تنظیم کننده ولتاژ تقویت شده و جهت کاهش یا افزایش میزان تحریک مورد استفاده قرار می گیرد تا ولتاژ خروجی ژنراتور را به مقدار اصلی خود برگرداند. پاسخ سریع و پایدار AVR به تغییرات بار از اهمیت ویژه ای برخوردار است.

AVR ولتاژ خروجی ژنراتور را از طریق ترانسفورماتور ولتاژ مربوط به خود دریافت می نماید . سیگنال ولتاژ سپس یکسو و صاف شده و با ولتاژ مبنا مقایسه می گردد. امکان تغییر ولتاژ مبنا با توجه به نیاز سیستم توسط اپراتور وجود دارد.

علاوه بر وظیفه اصلی کنترل ولتاژ، وظایف حیاتی دیگری بعهده AVR است. AVR شامل حلقه های کنترلی دیگری برای کنترل حدی مگاوار و فلوی اضافی می باشد .

مدار دنبال کننده خودکار :

در AVR دو کاناله هر دو کانال تنظیم کننده می تواند بطور همزمان فعال باشند و هر کانال نیمی از نیازهای سیستم تحریک را برآورده سازند. روش دیگر فعال بودن یک کانال و رزو بودن کانال دیگر است که در صورتی که کانال فعال از کار بیفتد کانال رزرو وظیفه کانال فعال را دنبال خواهد کرد.

کنترل تحریک :

علاوه بر حلقه کنترل ولتاژ، تجهیزات مدرن تحریک شامل تعدادی مدارهای محدود کننده جنبی می باشند که بصورت کنترل کننده های موازی با مدار کنترل ولتاژ کار می کنند و در صورتیکه متغیر محدود شونده از حد تعیین شده تجاوز کند، جانشین سیگنال ولتاژ می باشد.

الف - محدود کننده جریان روتور :

سیستم های تحریک قادر به تأمین جریان تحریکی بیش از میزان مورد نیاز ژنراتور برای کار در حالت حداکثر بار پیوسته مجاز هستند این قابلیت فوق العاده، در مواقعی که خطایی در سیستم اتفاق می افتد و احتیاج به توان راکتیو اضافی برای تقویت گشتاور سنکرون روتور است، مورد استفاده قرار می گیرد. البته این جریان اضافی تحریک بایستی از نظر زمانی گردد تا گرم شدن بیش از حد روتور منجرب به از بین رفتن عایق هادیهای روتور نگردد برای جلوگیری از گرم شدن بیش از حد روتور مدار محدود کننده جریان روتور جریانهای تحریک بیش از 110% حداکثر بار پیوسته مجاز را آشکار می سازد. هنگام خطا، AVR با افزایش جریان تحریک وارد عمل می گردد و معمولاً این وضعیت چند میلی ثانیه بیشتر دوام نداشته و کلید، مدار اتصال کوتاه را قطع می کند. برای حداکثر پشتیبانی معمولاً بعد از تأخیری در حدود 5 ثانیه مدار محدود کننده جریان روتورها سیگنالی که با سیگنال ارسالی از AVR مخالفت کند، ارسال نموده و جریان تحریک را به محدوده مجاز تقلیل می دهد.

ب- محدود کننده مگاوار :

تجهیزات مدرن AVR توانایی کنترل کار ژنراتور در زوایای بار 130 تا 140 درجه را دارند که مربوط به حالت گذرا می باشد و معمولاً کار ژنراتور تا زاویه 75 درجه محدود می گردد. توان راکتیو پیش فاز مجاز ژنراتور با مربع ولتاژ خروجی ژنراتور تغییر می کند و اگر تحریک ژنراتور کم باشد بزرگ شدن زاویه بار ( ) خیلی زود ژنراتور را به حالتی می کشاند که از شبکه توان راکتیو بگیرد. برای اینکه از این حالت جلوگیری شود، عملاً وقتی مقدار بخار توربین زیاد می گردد و یا به عبارت دیگر توان ورودی از توربین به ژنراتور افزایش می یابد، بایستی جریان تحریک ژنراتورنیز متناسب با آن افزایش یابد ضمناً یک محدود کننده مگاوار در AVR تعبیه گردیده است که در صورتی که مقدار توان راکتیو پیش فاز ژنراتور از حد تعیین شده ای تجاوز کند، کار اصلی AVR که کنترل ولتاژ در مقداری ثابت است، را تحت الشعاع قرار داده و جریان تحریک را به مقداری بالا می برد که زاویه بار ( ) افزایش نیابد و به این شکل از ناپایدار شدن ژنراتور جلوگیری می کند .

ج- محدود کننده شار اضافی :

علاوه بر مدار حفاظت از فلوی اضافی، تجهیزات مدرن AVR شامل مدار محدود کننده فلوی اضافی نیز می باشند. این یک کنترل حلقه بسته است که نسبت ولتاژ به فرکانس را به هنگام کار غیر سنکرون ژنراتور آشکار می سازد و در صورتیکه از میزان از قبل تعیین شده تجاوز نماید محدود کننده، سیگنالی ارسال می کند که تحریک را کاهش می دهد و از فلوی اضافی در ترانسفورماتور واحد جلوگیری می کند.

د- تثبیت کننده سیستم قدرت :

تثبیت کننده سیستم قدرت دستگاهی است که خروجی تحریک را از طریق تنظیم کننده ولتاژ، کنترل می کند و به صورتی که نوسانات قدرت ژنراتور سنکرون میراگردند. متغیرهای ورودی PSS، سرعت، فرکانس و یا توان است.

3- وظایف سیستم تحریک :

1. نگه داشتن عملکرد ژنراتور در منطقه ایمنی که این کار با محدود کردن جریان میدان ماشین انجام می شود. به عنوان مثال محدودیت جریان میدان، محدودیت جریان استاتور، محدودیت ولتاژ، محدودیت جریان زیر تحریک و غیره

2. مانیتور کردن و نشان دادن مشکل در اجزای سیستم تحریک به عنوان مثال ایجاد مشکل در دمای روتور، دمای ترانسفورماتور، اتصال زمین روتور، شکست دیود در حال چرخش و ...

در هر سیستم تحریک با عملکرد منظم جریان٬ میدان تولید می شود (در سیستم تحریک unitrol 5000 ، سیستم کنترل با سرعت بالایی ساخته شده است و این سرعت بالا یکی از مزایای این سیستم تحریک به شمار می رود) در انتهای این قسمت به عنوان جمع بندی میتوان به این نکته اشاره کرد که :سیستم تحریک کامل و خوب علاوه بر انجام محدودیتها و عمل حفاظت ، باید دارای یک سیستم نمایش دهنده و یا (monitoring) جهت اعلام خطا باشد.

4-جایگاه سیستم تحریک در تولید انرژی الکتریکی :

ابتدا انرژی (فسیلی – اتمی – آب – بادی ) بوسیله ژنراتور سنکرون به انرژی الکتریکی تبدیل شده و این انرژی بعد از عبور از سیستم انتقال و توزیع به دست مصرف کننده می رسد. یکی از علائم نشان دهنده کیفیت انرژی الکتریکی وجود یک ولتاژ ثابت در نزد مصرف کننده می باشد که این کیفیت توسط سیستم تحریک بوجود آمده و به ژنراتور سنکرون ما القا می شود.

تبدیل به حرکت و انرژی الکتریکی : برای تبدیل انرژی با مقدار بزرگ، ابتدا انرژی اولیه به انرژی مکانیکی تبدیل شده و سپس از انرژی الکتریکی برای توربین ها و ژنراتورها استفاده میشود.

ولتاژ خروجی : ولتاژ خروجی ماشین بوسیله سیستم تحریک کنترل می شود.

انتقال و توزیع : انرژی الکتریکی از طریق خطوط انتقال به دست مصرف کننده میرسد.

5-سیستم تحریک در نیروگاه :

اجزای اصلی قرار گرفته در نیروگاه به همراه اتصالات آنها به یک سیستم تحریک استاتیکی در دیاگرام فوق نشان داده شده است با توجه به شکل داریم :

ورودیها به سیستم تحریک : 1. منبع تغذیه اصلی به سیستم تحریک که به طور مستقیم از ترمینالهای ژنراتور و از طریق ترانس تحریک برداشت می شود 2. PT ها و CT ها : به منظور تنظیم ولتاژ ژنراتور ، از ترمینالهای خروجی ژنراتور نمونه ولتاژ و جریان برداشت می شود.

خروجیها از سیستم تحریک : 1. خروجی اصلی از سیستم تحریک ولتاژ exciter است که از سیم پیچی روتور و از طریق sliprings عبور داده می شود ( وقتی می خواهیم انرژی را از جای ثابت به یک جای متحرک و مخصوصا دوار انتقال دهیم احتیاج به slipring داریم چرا که در صورت نبود آن ٬ اگر بخواهیم انرژی را از طریق کابل به قسمت دوار انتقال دهیم کابل پاره خواهد شد و برای جلوگیری از این کار از slipringاستفاده می شود ).

2. پیغام ها (از قبیل هشدار و خطا ها ) که از سیستم تحریک به سیستم کنترل فرستاده میشوند.

6 رفتار الکتریکی و مکانیکی ژنراتور سنکرون :

قبل از اینکه به توضیح رفتار الکتریکی و مکانیکی ژنراتور بپردازیم لازم می دانیم که توضیح مختصر و مفیدی درباره ژنراتور داشته باشیم :

ژنراتور یکی از تجهیزات اصلی و گرانقیمت نیروگاههاست که وظیفه تبدیل انرژی مکانیکی انتقالی از محور توربین را به انرژی الکتریکی به عهده دارد. اساس تولید الکتریسیته توسط ژنراتور القاء الکترومغناطیسی است که در سال 1831 میلادی توسط میشل فارادی ارائه گردید. ژنراتورهای اولیه از نوع جریان مستقیم بودند ولی آشکار شدن مزایای سیستمهای جریان متناوب نسبت به جریان مستقیم منجر به رشد سریع سیستمهای جریان متناوب و در نتیجه تقاضای روزافزون ژنراتورهای جریان متناوب گردید. ژنراتورهای جریان متناوب اولیه با موتورهای دیزل و با سرعت کم کار می کردند. در حدود سال 1900 میلادی ژنراتورهایی که مستقیما" توسط توربین بخار با سرعت بالا به حرکت در می آمدند، تولید شدند. با توسعه روشهای آهنگری در ساخت روتورها و استفاده ازتکنیکهای بهتر، در حدود سال 1920 میلادی ظرفیت توربوژنراتورها تا میزان 20 مگاوات با سرعت گردش 3000 دور در دقیقه بالا رفت. در طول جنگ جهانی دوم توسعه طراحی و ساخت نیروگاهها به تعویق افتاد ولی در طی سالهای اولیه پس از جنگ تعداد زیادی ژنراتور تا ظرفیت 60 مگاوات و با سرعت 3000 دور در دقیقه ساخته و نصب گردید. افزایش بیشتر ظرفیت ژنراتورها به لحاظ بزرگ شدن ابعاد، مسائل اقتصادی و مشکلات حمل و نقل امکان پذیر نبود. بزرگترین مشکلی که سازندگان ژنراتور در رابطه با افزایش ظرفیت ژنراتور با آن روبرو بودند، دفع حرارتی بود که در اثر تلفات در ژنراتور به وجود می آمد. لذا برای بالا بردن قدرت نامی ژنراتورها دو راه موجود بود یکی کم کردن تلفات ژنراتور با بهبود طراحی و دیگری حل مشکل خنک کردن ژنراتور. همانطور که اشاره شد ماشین های الکتریکی از نظر نوع قدرت الکتریکی تولیدی یا تغذیه به دو دسته جریان مستقیم و متناوب تقسیم می شوند .از ماشینهای الکتریکی گردان هم بصورت موتور جهت تولید نیروی مکانیکی و هم به صورت ژنراتور برای تولید الکتریسیته استفاده میشود که در این میان ژنراتورهای سنکرون به دلیل دور و ولتاژ ثابت و در نتیجه فرکانس ثابت و مهیا شدن شرایط سنکرون با همدیگر از یک طرف و به علت انتقال آسان انرژی الکتریکی متناوب در شبکه های برق مورد استفاده قرار گرفتند . دو نوع از ماشینهای الکتریکی جریان متناوب متداول در صنعت عبارتند از :

1. ماشین های آسنکرون یا القائی

2. ماشین های سنکرون

در نیروگاهها معمولا" از ماشینهای سنکرون به عنوان ژنراتور و از ماشینهای آسنکرون به عنوان موتور استفاده می شود.

ژنراتور سنکرون شامل یک قسمت استوانه ای ثابت به نام استاتور و یک قسمت دوار به نام روتور که درون استاتور قرار دارد می باشد. سیم پیچ تحریک که برروی روتور پیچیده شده است با جریان مستقیم (جریان تحریک) تغذیه می گردد. به این صورت میدان مغناطیسی که به واسطه گردش روتور بوجود می آید از نوع دوار است، این میدان دوار در هادیهای ثابت قرار گرفته برروی استاتور نیروی محرکه القائی ایجاد می کند ولتاژ لحظه ای القا شده در هر یک از هادیهای استاتور متناسب با شدت میدان مغناطیسی در محل هادی است .

e : ولتاژ لحظه ای القا شده در هادی بر حسب ولت

: میزان تغییرات چگالی شار مغناطیسی در واحد زمان بر حسب تسلا/ ثانیه

L : طول هادی در معرض فلوی مغناطیسی بر حسب متر

K : ضریب ثابت

به منظور تولید ولتاژ سینوسی، شدت میدانی که هادیهای استاتور در معرض آن قرار دارند بایستی بطور سینوسی تغییر کند، این کار با آرایش سیم پیچ های روتور بصورتی که میدان مغناطیسی که در اطراف آن بوجود می آید سینوسی باشد، صورت می گیرد. همچنان که روتور در داخل سیم پیچ استاتور دوران می کند هر هادی استاتور در معرض میدان مغناطیسی که بطور سینوسی تغییر می کند قرار می گیرد و ولتاژی سینوسی در طول آن بوجود می آید که متناسب با شدت میدان مغناطیسی است که در معرض آن قرار دارد.

در استاتور یک ژنراتور سنکرون سه فاز سه سیم پیچ قرار دارد که نسبت به هم 120 درجه اختلاف فاز الکتریکی و در ژنراتور دو قطبه 120 درجه اختلاف فاز فضایی و الکتریکی دارند.

نمودار ساده ژنراتور سنکرون سه فاز دوقطب

حال که مختصری با ژنراتور سنکرون آشنا شدیم به بررسی رفتار الکتریکی و مکانیکی ماشین می پردازیم .

رفتار الکتریکی : جریان تحریک ، ولتاژ ماشین ، توان راکتیو.

رفتار مکانیکی : سرعت ماشین ، گشتاور ماشین (قدرت یا توان در هر واحد سیستم)

در بسیاری از روشها یک شباهت نسبی قوی بین رفتار مکانیکی و رفتار الکتریکی ماشین وجود دارد. با این وجود این دو رفتار حتما از هم تفکیک شده اند. به عبارتی دیگر زمانی رفتار الکتریکی و مکانیکی از هم تفکیک نخواهد شد که ما بتوانیم از توان اکتیو ( حقیقی ) در سیستم تحریک استفاده کنیم و یا اینکه توان اکتیو را بدون نیاز به زغال سنگ ٬ روغن و ........ بسازیم .

7-ساختمان ژنراتور سنکرون و انواع آن :

ساختار مدار معادل در درک ماشین سنکرون به ما کمک می کند. در این قسمت ابتدا برروی ماشین قطب یکپارچه یا استوانه ای تمرکز می کنیم. تشکیل مدار معادل عمومی برای هر ماشین سنکرون نیاز به توجه به این نکته است که ماشین دارای دو محور است 1. محور مستقیم 2. محور عرضی. محور مستقیم از فورانی که به طور مستقیم از پیشانی (رخ) قطب به سیم پیچی استاتور شارش می یابد ناشی می شود و محور عرضی از فورانی که از محور عمودی به پیشانی قطب شارش می یابد ناشی می شود.

تعریف پیشانی قطب : بخشی از قطب مغناطیسی که رویا روی فاصله هوایی قرار گرفته و کار مفید میدان مغناطیسی را انجام میدهد را پیشانی قطب می گویند. ماشین قطب یکپارچه یک نمای استوانه ای صاف است. در ماشین قطب صاف عبور فوران از مسیرهای مختلف یکسان است یعنی در این ماشین فوران بین روتور و استاتور از هر مسیری که بگذرد سختی یکسانی خواهد داشت. که این به خاطر این است فاصله هوایی در ماشین قطب صاف مانع اصلی است.

ماشین سنکرون قطب یکپارچه : شار یا فوران مغناطیسی بین روتور و استاتور دارای یک فاصله هوایی کوچک هم در محور طولی و هم در محور عرضی می باشد. ماشین قطب یکپارچه یا استوانه ای بوسیله xd=xq که برابر با راکتانس سنکرون می باشد توصیف داده می شود.

ماشین قطب برجسته : فوران در محور عرضی بوسیله یک فاصله هوایی ارزشمند باید پوشش داده شود. ماشین قطب برجسته بوسیله توصیف داده می شود.

Xd : راکتانس محور مستقیم Xq : راکتانس محور عرض

تفاوت بین ماشین قطب یکپارچه (صاف) و ماشین قطب برجسته یک اختلاف مهم در عملکرد مشخصه ماشین ایجاد می کند. در ماشینهای قطب برجسته اگر جریان تحریک هم صفر هم شود باز می توان انرژی را به شفت انتقال داد چون تغییرات رلوکتانسی وجود دارد به خاطر همین ماشینهای قطب برجسته زیر تحریک بهتر می توانند کار کنند تا ماشینهای قطب صاف. البته این یک تئوری است و هیچ وقت به صورت عمل این کار را انجام نمی دهند.

دو نوع ژنراتور سنکرون با توجه به نوع استفاده طراحی و ساخته می شود. 1. ژنراتور قطب برجسته 2. ژنراتور قطب صاف که به اصطلاح توربو ژنراتور نامیده می شود.

1. روتور با قطب برجسته (آشکار)

این نوع روتورها در ماشینهای سنکرونی که با سرعت کم چرخانده میشوند مانند : ژنراتورهای موجود در سدها و دیزل ژنراتورها بکار میرود، جهت جریان در کلیه سیم پیچها طوری است که قطبها متناوبا" شمال و جنوب میشوند.

2. روتور با قطب استوانه ای

این نوع روتور معمولا" در ماشینهای سنکرون با سرعت زیاد مورد استفاده قرار میگیرد. قطر این روتور نسبت به طول آن کوچک بوده و عموما" این ماشینها بطور افقی مورد استفاده قرار می گیرند. سیم پیچهای روتور درون شیارهائی است که در اطراف روتور قرار دارند. ژنراتورهای قطب صاف که دارای روتور سیلندری می باشند، بصورت مستقیم بوسیله یک توربین گازی یا بخاری با سرعت 3000 دور در دقیقه و به ندرت 1500 دور در دقیقه (با در نظر گرفتن فرکانس 50 هرتز شبکه برق ایران) گردانیده می شوند. با توجه به سرعت بالای چرخش روتور به منظور فائق آمدن به مشکلات ناشی از نیروی گریز از مرکز، روتور توربوژنراتورها به صورت سیلندری ساخته می شود. ژنراتورهای با قطب برجسته بوسیله توربینهای آبی یا موتورهای دیزل و یا توربونهای بخاری کوچک با چرخ دنده گردانیده می شوند سرعت گردش روتور این گونه ژنراتورها با توجه به تعداد قطبها از 60 تا 1500 دور در دقیقه متغیر است. (در مورد واحدهای آبی با توجه به شرائط آب سرعت گردش و در نتیجه تعداد قطب تعیین میگردد.). در روتور قطب برجسته ، سیم پیچ تحریک متمرکز است، در حالیکه در روتور سیلندری سیم پیچ تحریک برای کاهش اثر نیروی گریز از مرکز غیر متمرکز است.

۱-ژنراتور با روتور قطب سیلندری ۲-ژنراتور با روتور قطب برجسته

مقادیر نامی ژنراتور : مقادیری که معمولا" روی پلاک ماشین سنکرون وجود دارد به شرح زیر است :

8-کمیات اصلی یک ژنراتور سنکرون :

قدرت مفید :

حداکثر توان پیوسته ژنراتورهای بزرگ معمولا" برحسب مگاوات براساس ولتاژ، جریان نامی و ضریب توانی که ژنراتور برای آن طراحی شده بیان می گردد. حداکثر توان پیوسته بر حسب مگاوات آمپر و براساس ولتاژ و جریان استاتور نیز می تواند بیان گردد حداکثر توان پیوسته یک ژنراتور علاوه بر مسائل اقتصادی به عوامل زیر نیز مربوط می شود.

- تواناییهای ساخت از قبیل محور روتور و غیره

- میزان تقاضای سیستم یا شبکه مرتبط با ژنراتور

با توجه به آخرین پیشرفتهای فن آوری و سیستمهای قدرت فعلی، حداکثر توان خروجی ژنراتور دوقطبی در حدود 1000 مگاولت آمپر و چهار قطبی در حدود 1500 مگاولت آمپر است. اعداد مذکور کم و بیش مقادیر تئوریک ژنراتور را به تنهایی تعیین می کنند اما برای تعیین مقدار عملی توان خروجی ژنراتور بایستی ظرفیت توربین، دیگ بخار و ... نیز در نظر گرفته شوند.

ضریب توان :

ضریب توان یک ژنراتور با توجه به توان خروجی آن تعیین می گردد. بند 27 از استاندارد IEC 34-3 ضریب توان توربوژنراتورهای خنک شونده بوسیله هیدروژن و یا آب را به صورت زیر تعیین می کند.

0.8 پس فاز : برای ژنراتورهای با توان خروجی تا 125 مگاوات

0.85 پس فاز : برای ژنراتورهای با توان خروجی 160 تا 500 مگاوات

0.9 پس فاز : برای ژنراتورهای با توان خروجی 630 مگاوات و بیشتر

افزایش ضریب توان باعث کاهش ظرفیت ژنراتور (برحسب مگاولت آمپر ثابت) و همچنین اندازه آن می گردد که نتیجه آن کاهش قیمت ژنراتور خواهد بود. به همین خاطر در صورت عدم نیاز شبکه به میزان مگاوار حاصل از مقدار ضریب توان نامی اقتصادی خواهد بود که از ضریب توانهای بالاتر استفاده شود.

ولتاژ نامی :

در نیروگاه با توجه به اینکه ژنراتور به ترانسفورماتور اصلی متصل می گردد در انتخاب ولتاژ ژنراتور که ولتاژ اولیه ترانسفورماتور را تشکیل می دهد آزادی عمل وجود دارد و میتوان ولتاژ خروجی ژنراتور را در مقدار بهینه آن تعیین نمود. مقدار این ولتاژ با توجه به توان خروجی واحد و نوع سیستم خنک کن تغییر می کند. در سیستم خنک کن غیر مستقیم با هیدروژن افزایش ولتاژ و متعاقب آن تقویت عایق سیم پیچ با مشکلاتی همراه است (تقویت عایق سیم پیچ انتقال حرارت از سیم پیچ را مشکلتر می کند) و مناسبتر است که مسیرهای موازی سیم پیچ را برای کار در جریان بیشتر و ولتاژ پایین تر افزایش داد. بر خلاف سیستم خنک کن غیر مستقیم که محدودیتی در ظرفیت واحد بوجود می آورد.

در سیستم خنک کن مستقیم که خنک کردن از میان هادیها صورت می گیرد امکان استفاده از ولتاژهای بالاتر و متعاقب آن افزایش ظرفیت واحد میسر است.

سرعت گردش :

سرعت گردش اکثر توربوژنراتورها 3000 دور در دقیقه است (ژنراتور دو قطبی) این سرعت با توجه به مسائل فنی و اقتصادی در طراحی توربینهای بخار تعیین می گردد سرعت کاربردی بعدی 1500 دور در دقیقه است (ژنراتور چهار قطبی) که در این سرعت با توان مساوی ، توربین بخار بسیار حجیم تر خواهد بود. سرعت گردش توربینهای بخار نیروگاههای هسته ای و در ننتیجه ژنراتورهای گردنده بوسیله این توربینها 1500 دور در دقیقه انتخاب می گردد. با توجه به اینکه اختلالات شبکه می تواند موجب دور گرفتن روتور گردد، استاندارد IEC 34-3 آزمایش اضافه سرعت روتور را در 1/2 برابر سرعت نامی برای مدت دو دقیقه توصیه می کند .

9 -حالتهای عملکرد ژنراتور :

1. حالت بی باری 2. ماشین باردار شده و عملکرد به صورت موازی با دیگر ماشینهایی که به شبکه بسیار بزرگ (شبکه بی نهایت) وصل شده اند. 3. ماشین باردار شده و عملکرد تکی آن در حالت بی باری (عملکرد جزیره ای)

توجه : در کتاب چاپمن یک حالت عملکرد دیگر اضافه شده و آن حالتی است که تنها دو ژنراتور با هم موازی هستند (شبکه سیستمی است که ماشین ما هر چقدر هم بزرگ باشد نمی تواند برروی آن تغییرات ایجاد کند).

1. حالت بی باری : ماشین در سرعت نامی خودش راه اندازی می شود و بریکر ژنراتور باز است وسرعت ماشین بوسیله توربین تنظیم می شود.

2. ماشین باردار شده و عملکرد آن در هنگام وصل به شبکه بینهایت: ماشین تنها یک ژنراتور کوچک است که با یک شبکه کامل مقایسه می شود بنابراین تاثیر واقعی حتی برروی ولتاژ شبکه و یا فرکانس شبکه نمی تواند بگذارد.

3. عملکرد بخش ویژه : ماشین به یک بار اتصال داده می شود بدون آنکه ژنراتور دیگر به آن اتصال داده شده باشد. ولتاژ و فرکانس ژنراتور بستگی به بار دارد.

برای دستیابی به یک عملکرد قابل قبول، همه موارد فوق باید مورد بررسی قرار گیرند.

ویژگیهای ژنراتور بی بار : مقدار نیروی محرکه القا شده یا EMF به جریان تحریک و سرعت وابسته است

در عملکرد بی باری جریان استاتور صفر است.

ولتاژ ترمینال ماشین ماشین = EMF , Ug=Ep

در مقادیر پایین تر از جریان تحریک ، رابطه بین جریان تحریک و ولتاژ ترمینال خطی است با این حال بالاتر از یک سطح مشخص جریان، ماشین وارد حالت اشباع می شود. بیشتر ماشینها برای اینکه ولتاژ نامی ماشین تنها در اطراف ناحیه اشباع باقی بمانند طراحی می شوند. وقتی دامنه ولتاژ ژنراتور افزایش می یابد رابطه خطی بین جریان تحریک و ولتاژ ژنراتور بیشتر یا کمتر خواهد شد.

زمانی که ولتاژ ژنراتور از مقدار نامی بیشتر شود ( از حد مجاز بالاتر رود) در نتیجه اشباع اتفاق می افتد. اگر تمایل داشته باشیم افزایش ولتاژ ژنراتور اضافه تر از مقدار نامی باشد جریان تحریک باید بالاتر از حد معمول افزایش داده شود.

ژنراتور زیر بار : ماشین حالا به شبکه اتصال داده شده است. توربین مقداری بار تحویل میدهد و باعث می شود جریان شارش یابد. سیستم تحریک می تواند مقدار EMF ماشین را تغییر دهد اما تاثیر آن بر شبکه ناچیز در نظر گرفته می شود.

مقدار EMF درونی ماشین هنوز هم بوسیله جریان تحریک تعیین و مشخص می شود با این حال ولتاژ ترمینال ماشین همچنین با نیروی بیشتر به شبکه بستگی دارد. اگر ماشین زیر بار است شارش جریان در سیم پیچ های استاتور که سبب افت ولتاژ در راکتانس سنکرون است اتفاق می افتد اگر جریان تحریک ثابت باقی بماند ولتاژ ترمینال ماشین مقداری کاهش داده میشود در اینجا عملکرد سیستم تحریک برای جلوگیری کردن از این افت ولتاژ بوسیله تغییر دادن جریان تحریک می باشد.

10-گشتاور سنکرونیزاسیون :

هنگامیکه زاویه δ به مقدار 90 درجه برسد ژنراتور وارد محدوده ناپایداری خواهد شد و در اصطلاح حالت سنکرون شدن ژنراتور با شبکه پایدار باقی نمی ماند. نقش سیستم تحریک در پایداری ماشین سنکرون به این صورت است که اگر فرض کنیم سیستم تحریک وجود نداشت هنگامیکه بار افزایش می یافت زاویه δ از 90 بیشتر می شد و حالت ناپایداری برای ماشین سنکرون ایجاد می شد بنابراین جریان تحریک گشتاور سنکرونیزاسیون را تولید می کند.

اگر در شکلهای صفحه قبل مشاهده کنیم متوجه می شویم که در شکل آخر از باندکشی استفاده شده است. در ادامه با باندکشی بیشتر آشنا خواهیم شد. برای اینکه روتور ماشین به ولتاژ شبکه اتصال داده شود از باندکشی استفاده می کنیم

مقاومت یا نیروی باندکشی به ثابت الاستیک یا نیروی کششی بستگی دارد در مورد ماشین سنکرون ثابت الاستیک (کشی) متغیر است و به جریان تحریک وابسته میشود

گسترش باندکشی بستگی به اینکه توسط چه نیرویی کشیده می شود دارد که در مورد ماشین سنکرون گسترش باندکشی به مقدار گشتاور اعمال شده به شفت بستگی دارد. یعنی اگر گشتاور زیاد شود باندکشی گسترش می یابد.

با توجه به توضیحات فوق در می یابیم که اگر جریان تحریک افزایش یابد باندکشی قدرتمندتر میشود و باعث می شود که روتور به سمت ولتاژ شبکه کشیده می شود.

11-مشخصات گشتاور ژنراتور :

گشتاور ماشین بوسیله تساوی بالا توصیف داده میشود. برای هر مقدار از جریان تحریک میتوان شکل موج گشتاور را رسم کرد و محدوده پایداری را همان δ=90 درجه در نظر بگیرید.

12- دیاگرام توان ماشین سنکرون ( Power Chart ):

تمام تغییرات ممکن از وضعیت عملکرد ماشین سنکرون توسط دیاگرافی به نام دیاگرام توان توصیف میشود این دیاگرام می تواند از دیاگرام برداری ناشی شود.

به منظور حذف تاثیر ولتاژ روی دیاگرام توان همیشه در ولتاژ نامی کشیده می شود

یادآوری این نکته حائز اهمیت است که اندازه نمودار با مربع ولتاژ ترمینال تغییر می کند. دایره بزرگ مقدار ماکزیمم قابلیت حرارتی استاتور را نشان می دهد. در ولتاژ نامی، دایره با مرکز 1/xd متناسب با جریان تحریک است این دایره مقدار ماکزیمم قابلیت حرارتی روتور را نشان می دهد. به طور نرمال ، نسبت توربین پایین تر از نسبت ژنراتور است بنابراین توان حقیقی محدود می شود.

دیاگرام توان ماشین سنکرون قطب برجسته به طور کامل متفاوت با ماشین قطب صاف است. در این دیاگرام ابتدای بردار مغناطیسی متفاوت است. بردار اندازه گیری از دایره ای ما بین نقاط 1/xq,1/xd آغاز می شود.

13-نیازهای شبکه استاتیکی AVR :

نیازهای اساسی از سیستمهای تنظیم کننده ولتاژ خودکار که باید در یک شبکه فرضی تحت شرایط ثابت در نظر گرفته شود عبارتند از :

1. ولتاژ اتصال مصرف کننده باید در محدوده قابل قبول نگهداری شود . چرا که تجهیزاتی که مصرف کننده بکار می برد برای ولتاژ مشخص طراحی شده اند.

2. توزیع توان راکتیو پایدار در میان چند ژنراتور :

ژنراتورها می توانند توان راکتیو تولید و یا جذب کنند. به منظور داشتن یک عملکرد پایدار، ضروری است که توان راکتیو در میان ژنراتورها تقسیم شود.

3. توزیع توان راکتیو در سیستم شبکه باید کمترین تلفات را در خط ایجاد کند و با پایداری خوب و همچنین همراه با تغییرات بار باشد. اگر شبکه ای عملکرد خوبی داشته باشد، داشتن تعدادی راه برای اداره کردن گره ولتاژها در نقاط متغیر و متنوع در شبکه ضروری است که این کار می تواند بوسیله سیستم های تحریک و ترانسفورماتورهای مجهز به TAP انجام داده شود.

4. ژنراتور باید همیشه در محدوده عملکرد امن کار انجام دهد

14-تولید و مصرف توان راکتیو :

اگر ولتاژ ترمینال ژنراتور بر حسب پریونیت بسیار بزرگتر از ولتاژ شبکه بر حسب پریونیت باشد توان راکتیو تولیدمی شود. اگر توان راکتیو صادر شود، پس ولتاژ ژنراتور بر حسب پریونیت بسیار بزرگتر از ولتاژ شبکه بر حسب پریونیت خواهد بود. بنابراین ژنراتور سهم به سزایی در ثابت نگه داشتن ولتاژ شبکه در سطح بالا انجام می دهد

اگر ولتاژ ترمینال بر حسب پریونیت از ولتاژ شبکه بر حسب پریونیت کمتر باشد توان راکتیو توسط ژنراتور مصرف می شود . بنابراین ژنراتور سهم به سزایی در ثابت نگه داشتن ولتاژ شبکه در پائین انجام می دهد

15-مقایسه گاورنر ( governor ) و AVR :

در حالت مانا، توان اکتیو به خروجی مکانیکی نیروگاه بستگی دارد. و توان راکتیو به سیستم تحریک بستگی دارد.

تضمین توزیع پایدار توان راکتیو بر عهده AVR می باشد. در ابتدا ممکن است فهمیدن ارتباط بین ولتاژ و توان راکتیو مشکل باشد.

توان اکتیو در شبکه : اگر مقدار توان حقیقی تولید شده از مقدار توان استفاده شده بیشتر باشد سرعت شبکه افزایش می یابد. اگر مقدار توان حقیقی تولید شده از مقدار توان استفاده شده کمتر باشد سرعت شبکه کاهش می یابد. به منظور نگهداری فرکانس پایدار، بیشتر توربین ها از تنظیم کردن DROOP بر بالای تنظیم قدرتشان استفاده می کنند. به عبارت دیگر اگر سرعت سقوط کند گاورنر توان حقیقی را افزایش می دهد حتی اگر قدرت ثابت برای تنظیم نقطه موجود باشد.

توان راکتیو در شبکه : اگر توان راکتیو تولید شده از مقدار توان استفاده شده بیشتر باشد ولتاژ شبکه افزایش می یابد. اگر مقدار توان راکتیو تولید شده از مقدار توان راکتیو استفاده شده کمتر باشد ولتاژ شبکه کاهش می یابد. ما در ادامه به اینکه چطور مشخصات AVR به توزیع توان راکتیو کمک می کند توجه می کنیم.

16-رفتار استاتیکی AVR :

در AVR ممکن است به ماشین مشخصات مختلف بوسیله تنظیم کردن Droop (افت فرکانس) اعمال شود .

تفاوت بین drop و droop چیست ؟ وقتی که ژنراتور را مورد بررسی قرار می دهیم توربین را نیز می توانیم بررسی کنیم. ژنراتور و توربین دو مقوله مانند هم می باشند رفتارهای ژنراتور و توربین مانند هم می باشند. ژنراتور قبل از وصل شدن به شبکه هر گونه تغییر در جریان تحریک باعث افزایش سطح ولتاژ ژنراتور میشود. وقتی ژنراتور وصل به شبکه وصل می شود چون ژنراتور به شبکه بینهایت وصل شده هر گونه تغییر در جریان تحریک خودش را به صورت ولتاژ نشان نمی دهد چون در حقیقت ولتاژ ژنراتور همان ولتاژ شبکه است و ولتاژ از شبکه به ژنراتور اعمال میشود و ژنراتور یک عنصر کوچک است پس هر گونه تغییر در جریان تحریک خودش را به صورت مگاوار نشان می دهد و ولتاژ ژنراتور هیچگونه تغییری نمی یابد. اگر مشکلی ناگهانی ایجاد شود خودش را به صورت تغییر در سطح ولتاژ شبکه نشان می دهد این افت ولتاژ را drop می گویند. اگر توربین را در نظر بگیریم توربین قبل از وصل به شبکه هر گونه افزایش در بخار توربین خود را به صورت افزایش سرعت و فرکانس نشان می دهد . بعد از پارالل شدن اگر بخار را افزایش بدهیم خود را به صورت افزایش مگاوات نشان می دهد. تغییرات ناگهانی فرکانس در هنگام سوئیچینگ را droop می گویند .

نظریه های سیستم تحریک

مطالب مشابه :

پذیرش دانشجو در دانشگاه دولتی اقلید

نظریه های سیستم تحریک

تغذیه وریدی

دانشجو باش تا بفهمی...

اطلاعیه مهم از نقل و انتقالات دانشجویی

اندرباب سربازی