بعد از موتور القایی پرکاربردترین ماشین در صنعت ماشین سنکرون می باشد. همان طور که از نام این ماشین مشخص است مهمترین مزیت این ماشین ثابت بودن سرعت چرخش ماشین می باشد بدین معنی که با توجه به نوع استفاده از این ماشین (ژنراتوری یا موتوری) سرعت روتور برابر است با سرعت چرخش میدان:
چون فرکانس شبکه قدرت باید ثابت باشد برای تولید انرژی از ژنراتور سنکرون استفاده می شود.
همان طور که از شکل زیر مشخص است در ژنراتورهای سنکرون یک سیم پیچی با
جریان DC بر روی روتور وجود دارد که میدان اصلی را بوجود می آورد. روتور
بوسیله یک عامل بیرونی چرخانده می شود که باعث می شود ولتاژی در سیم پیچی
ها القاء شود:
مقدار این ولتاژ القاء شده برابر است با:
توجه کنید که این ولتاژ، ولتاژ ترمینال ژنراتور نمی باشد و فقط در بی باری
با آن برابر است. حداکثر ولتاژ کاری ژنراتورهای سنکرون بدلیل مسائل عایقی
33 کیلوولت می باشد.
ساختار روتور ژنراتور سنکرون به دو صورت می باشد:
قطب برجسته (Salient pole) :
شکل این نوع ژنراتورها در زیر آمده است:
این نوع ژنراتور معمولاً برای نیروگاه های آبی مورد استفاده قرار می
گیرند. سرعت این ژنراتورها پایین می باشد بنابراین برای تولید فرکانس شبکه
دارای تعداد قطب زیاد می باشند.
قطب صاف یا استوانه‌ای (Non-Salient pole or cylinder) :
شکل زیر ساختار این نوع ژنراتورها را نشان می دهد:
توان تولیدی این ژنراتورها زیاد و سرعت روتور بسیار زیاد می باشد بنابراین
این نوع ژنراتورها معمولاً 2 یا 4 قطب هستند. این ژنراتورها در توربین
های بخار مورد استفاده قرار می گیرند.
برای اتصال ژنراتور سنکرون به شبکه چهار شرط زیر لازم می باشد:
برنامه زیر نشان می دهد که درصورت مساوی نبودن هر یک از شرایط بالا اختلاف ولتاژ ژنراتور با شبکه چگونه تغییر می کند:
روش سه لامپ از معروفترین روش های تست موازی کردن می باشد. شکل این تست بصورت زیر می باشد:
اگر تمام شرایط برقرار باشد تمام لامپ ها خاموش می شوند.
یکی دیگر از روش ها استفاده از دستگاه سنکروسکوپ می باشد. شکل این دستگاه بصورت زیر می باشد:
این دستگاه اختلاف فاز های a دو سیستم را نشان می دهد. توجه کنید
سنکروسکوپ فقط یک فاز را کنترل می کند و راجع به توالی فاز ها اطلاعاتی به
ما نمی دهد. معمولاً فرکانس ژنراتور را کمی بیشتر نسبت به شبکه در نظر می
گیرند تا در صورت اتصال در حالت ژنراتوری کار کند نه موتوری.توجه کنید که
اگر ژنراتور بصورت موتوری کار کند شفت آن شکسته خواهد شد.
یکی از
مشکلاتی که در موتور های سنکرون وجود دارد مشکل راه اندازی آنها (بدلیل
بزرگ بودن جرم روتور) است که برای حل آن از روش های زیر استفاده می شود:
- استفاده از منبع فرکانس متغیر (با افزایش آرام فرکانس تغذیه)
- با تعبیه کردن سیم پیچی دمپر داخل روتور بصورت موتور القایی راه اندازی شده و در نزدیکی سرعت سنکرون بصورت موتور سنکرون مورد بهره برداری قرار می گیرد.
- راه اندازی بوسیله یک موتور القایی دیگر (زیر بار نمی توان از این روش استفاده کرد).
مدار معادل ماشین سنکرون:
شار آرمیچر را می توان بصورت زیر در نظر گرفت:
که φar شار عکس العمل آرمیچر و φal شار نشتی آرمیچر است. بنابراین می توان مدار زیر را در نظر گرفت:
که Er ولتاژ فاصله هوایی و Ear ولتاژ عکس العمل آرمیچر می باشد که با جریان کشیده شده از ژنراتور بصورت زیر رابطه دارد:
بنابراین می توان مدار معادل ژنراتور سنکرون را بصورت زیر نمایش داد:
بوسیله برنامه زیر می توانید دیاگرام فازوری ژنراتور سنکرون را در حالت موتوری یا ژنراتوری و به ازای ضریب قدرت های مختلف پس فاز یا پیش فاز رسم کنید:
برای بدست آوردن پارامترهای ماشین سنکرون علاوه بر آزمایش اهم متر که مقاومت استاتور را مشخص می کند دو آزمایش زیر را بر روی آن انجام می دهند:
آزمایش مدار باز (OCC):
در این آزمایش ژنراتور را در سرعت نامی بحرکت در آورده و ترمینال آن نیز بصورت زیر اتصال باز می باشد:
با افزایش جریان میدان (If) ولتاژ ترمینال که همان Ef می باشد اندازه گیری و مشخصه بی باری ژنراتور بدست می آید.
آزمایش اتصال کوتاه (SCC):
در این آزمایش ترمینال ژنراتور اتصال کوتاه شده و ژنراتور در سرعت نامی چرخانده می شود. این بار با افزایش جریان میدان (If) مقدار جریان آرمیچر Ia بصورت زیر اندازه گیری می شود:
شکل زیر منحنی بدست آمده از این دو آزمایش را نشان می دهد:
همان طور که مشخص است در آزمایش مدار باز با افزایش جریان میدان هسته به اشباع رفته است. خطوط فاصله هوایی (air gap line) و فاصله هوایی اصلاح شده (modified air gap line) حالت ایده آل و غیر ایده آل هسته را نشان می هد. با توجه به این خطوط دو امپدانس برای ماشین سنکرون بصورت زیر تعریف می شود:
برنامه زیر منحنی های مدار باز و اتصال کوتاه را رسم کرده و نحوه تغییرات راکتانس را با به اشباع رفتن هسته نشان می دهد:
همان طور که از رابطه بالا مشخص است مقدار راکتانس پراکندگی را نمی توان
بصورت مستقل محاسبه کرد بنابراین آزمایش دیگری برای بدست آوردن منحنی ضریب
قدرت صفر (ZPFC) انجام می شود.
برای بدست آوردن منحنی ضریب قدرت صفر
روتور در سرعت نامی چرخیده و با اتصال یک بار القایی خالص (سلفی خالص)
جریان تحریک به تدریج از صفر افزایش یابد تا جریان آرمیچر به جریان بار
کامل برسد. با تغییر بار سلفی، تحریک به نحوی تغییر داده می شود تا جریان
آرمیچر در مقدار جریان بار کامل ثابت بماند. بهترین گزینه برای بار القایی
یک موتور سنکرون زیر تحریک می باشد.
همان طور که از شکل زیر مشخص است
منحنی ZPFC همان منحنی OCC است که به اندازه BC جابجایی عمودی و به اندازه
AB جابجایی افقی داشته است:
در صورتی که از مقاومت آرمیچر صرف نظر کنیم مثلث پوتیه ثابت مانده و می توان آن را به موازات خودش انتقال داد. با توجه به شکل زیر داشتن دو نقطه A و ’F برای بدست آوردن راکتانس پراکندگی کفایت می کند:
نقطه A در اصل همان ولتاژ ترمینال ژنراتور متصل به موتور می باشد که جریان آرمیچر نامی از آن عبور کند. نقطه ’OF نیز همان جریان تحریک لازم برای تولید جریان نامی آرمیچر در آزمایش اتصال کوتاه ژنراتور می باشد.
رابطه توان ژنراتور سنکرون :
برای بدست آوردن رابطه توان تولیدی ژنراتور مدار زیر را در نظر بگیرید:
می توان برای توان دریافتی شبکه نوشت:
با ساده کردن روابط، توان اکتیو و راکتیو بصورت زیر محاسبه می شوند:
اگر از مقاومت استاتور صرف نظر کنیم داریم:
همان طور که مشخص است توان اکتیو (گشتاور) با زاویه δ رابطه دارد و نباید
این زاویه از 90 درجه بیشتر شود (زیرا ناپایدار می شود). مکان هندسی توان
اکتیو و راکتیو به ازای مقادیر مختلف Ef بصورت زیر می باشد:
بدلیل مسائل پایداری و حرارتی مکان هندسی شکل بالا محدود به قسمت هاشور زده شکل زیر می شود:
محدودیت پاره خط OM بخاطر مسئله حرارتی آرمیچر و پاره خط YM بخاطر مسئله حرارتی میدان می باشد.
جهت دریافت فیلم آموزشی فارسی طراحی ژنراتور کلیک کنید
بسته آموزشی فارسی آشنایی با ژنراتور الکتریکی