Egwyddor Gweithio Generadur Cydamserol
Mae generaduron cydamserol ymhlith y peiriannau trydanol a ddefnyddir fwyaf mewn systemau pŵer modern, yn enwedig mewn gorsafoedd pŵer ar raddfa fawr fel gorsafoedd pŵer glo (PLTU), gorsafoedd pŵer trydan dŵr (PLTA), gorsafoedd pŵer nwy (PLTG), a gorsafoedd pŵer niwclear (NPT). Fe'u gelwir yn "gydamserol" oherwydd bod cyflymder cylchdroi eu rotor bob amser yn uniongyrchol gysylltiedig (cydamserol) ag amledd y foltedd trydanol a gynhyrchir. Mewn geiriau eraill, mae generaduron cydamserol yn trosi ynni mecanyddol o brif symudydd (tyrbin dŵr, tyrbin stêm, tyrbin nwy, neu injan diesel) yn ynni trydanol cerrynt eiledol (AC) ar amledd sefydlog. Er mwyn deall sut maen nhw'n gweithio, mae angen i ni archwilio eu strwythur, y cysyniad o feysydd magnetig, anwythiad electromagnetig, y berthynas cyflymder-amledd, a'r prosesau cyffroi a rheoleiddio foltedd.
1. Diffiniad a swyddogaeth generaduron cydamserol
Mae generadur cydamserol (a elwir yn aml yn alternator) yn cynhyrchu foltedd AC tair cam mewn system bŵer. Mewn gorsaf bŵer, y generadur hwn yw "calon" y system, gan drawsnewid y trorym o siafft y prif symudydd yn bŵer trydanol, sydd wedyn yn cael ei gynyddu gan drawsnewidydd cyn cael ei ddosbarthu i'r rhwydwaith trosglwyddo. Ei brif fantais yw ei allu i gynhyrchu foltedd ar amledd cyson cyn belled â bod cylchdro'r siafft yn cael ei gynnal ar ei werth cydamserol.
Mewn egwyddor, mae generadur cydamserol yn gweithredu yn seiliedig ar gyfraith Faraday o anwythiad electromagnetig: mae newid mewn fflwcs magnetig ar draws dargludydd trydanol yn cynhyrchu grym electromotif (EMF) neu foltedd anwythol. Mewn generadur, mae'r newid fflwcs hwn yn digwydd oherwydd bod y maes magnetig cylchdroi (yn y rotor) yn torri trwy goiliau'r stator.
2. Prif adeiladwaith: stator a rotor
Mae generaduron cydamserol yn cynnwys dau brif ran:
1. Stator (rhan llonydd)
Mae'r stator yn cynnwys craidd haearn wedi'i lamineiddio a choiliau tair cam (fel arfer wedi'u cysylltu mewn cysylltiad seren/wye). Dyma lle mae'r foltedd AC ysgogedig yn cael ei gynhyrchu. Gan nad yw'r stator yn cylchdroi, mae dosbarthu pŵer i'r system yn haws ac yn fwy diogel, yn enwedig ar folteddau uchel.
2. Rotor (rhan sy'n cylchdroi)
Mae'r rotor yn cario maes magnetig. Fel arfer, cynhyrchir y maes hwn gan gerrynt uniongyrchol (DC) sy'n llifo trwy goiliau maes y rotor. Pan fydd y rotor yn cael ei gylchdroi gan y prif symudydd, mae maes magnetig y rotor yn cylchdroi ac yn "ysgubo" coiliau'r stator, gan achosi foltedd AC.
Yn gyffredinol mae dau fath o rotorau generadur cydamserol:
– Rotor polyn amlwg: llawer o bolion, addas ar gyfer cyflymderau isel fel gorsafoedd pŵer trydan dŵr.
– Rotor silindrog (rotor an-amlwg / rotor turbo): polion an-amlwg, addas ar gyfer cylchdro uchel fel PLTU/PLTG.
3. Egwyddorion sylfaenol anwythiad foltedd AC
Meddyliwch am y rotor fel magnet mawr, sy'n cylchdroi. Wrth i bolion gogledd-de'r rotor basio coil stator, mae'r fflwcs sy'n plethu'r coil yn newid yn gyfnodol: mae ar ei uchafswm pan fydd y polion yn wynebu'r coil yn uniongyrchol ac ar ei isafswm pan fyddant i ffwrdd. Mae'r newid fflwcs hwn yn creu emf ysgogedig sydd hefyd yn newid yn gyfnodol—y canlyniad yw foltedd eiledol.
Mewn generadur tair cam, mae'r coiliau stator wedi'u trefnu 120 gradd drydanol ar wahân. Mae hyn yn arwain at dri foltedd sinwsoidaidd sydd 120 gradd allan o gam. Dewiswyd y cyfluniad tair cam hwn oherwydd ei fod yn effeithlon ar gyfer trosglwyddo pŵer, yn cynhyrchu trorym llyfnach ar lwythi modur, ac yn caniatáu ar gyfer capasiti pŵer uchel.
4. Perthynas rhwng cyflymder cydamserol, amledd, a nifer y polion
Yr agwedd "gydamserol" bwysicaf yw'r berthynas fathemategol rhwng:
– amledd trydanol (f) mewn Hz,
– nifer polion (P) y rotor,
– cyflymder cylchdroi’r rotor (Ns) mewn rpm.
Y fformiwla:
\[
N_s = \frac{120 \, f}{P}
\]
Mae'n golygu:
– Os yw'r system yn 50 Hz a bod gan y generadur 2 begwn, yna:
\[
N_s = \frac{120 \times 50}{2} = 3000 \text{ rpm}
\]
– Os 4 polyn:
\[
N_s = \frac{120 \times 50}{4} = 1500 \text{ rpm}
\]
Po fwyaf o bolion sydd, yr isaf yw'r cyflymder cydamserol sydd ei angen i gynhyrchu'r un amledd. Dyma pam mae gorsafoedd pŵer dŵr (tyrbinau sy'n cylchdroi'n arafach) yn aml yn defnyddio rotorau polyn amlwg gyda llawer o bolion, tra bod gorsafoedd stêm/nwy (tyrbinau cyflymach) yn tueddu i ddefnyddio rotorau turbo gyda llai o bolion.
Mewn generadur cydamserol, mae'r rotor yn cylchdroi'n union ar gyflymder cydamserol pan gaiff ei gysylltu â system bŵer sefydlog. Mae newidiadau llwyth yn effeithio ar yr ongl bŵer a'r cerrynt yn fwy na'r amledd, cyn belled â bod y grid yn gadarn a bod y prif symudydd wedi'i reoli'n dda.
5. System gyffroi: ffynhonnell maes magnetig rotor
Er mwyn i generadur gynhyrchu foltedd, rhaid i'r rotor gael maes magnetig. Cynhyrchir y maes hwn drwy gyffroi—cymhwyso cerrynt DC i goil maes y rotor. Mae sawl dull cyffroi:
– Cyffroi gyda modrwyau llithro a brwsys
Cyflenwir cerrynt DC drwy gylchoedd llithro i goiliau'r rotor. Mae'r dull hwn yn syml ond mae angen cynnal a chadw brwsh.
– Cyffro di-frwsh
Gan ddefnyddio cyffrowr (generadur bach) ac unionydd cylchdroi, cynhyrchir y cerrynt DC ar gyfer y rotor ar yr un siafft heb frwsys. Mae hyn yn gyffredin mewn generaduron modern oherwydd ei fod yn fwy dibynadwy.
Mae maint y cerrynt cyffroi yn effeithio ar faint y maes magnetig, sydd yn y pen draw yn effeithio ar foltedd terfynell y generadur a'r pŵer adweithiol a gyfnewidir â'r system.
6. Cynhyrchu a rheoleiddio foltedd (AVR)
Mae'r foltedd ysgogedig yn y stator yn dibynnu ar sawl ffactor, yn bennaf:
– cryfder maes magnetig y rotor (dan ddylanwad cerrynt cyffroi),
– cyflymder cylchdro (sy'n gysylltiedig ag amledd),
– nifer y troadau a dyluniad y coil stator.
Yn ymarferol, rhaid cynnal foltedd terfynell y generadur o fewn terfynau safonol hyd yn oed pan fydd y llwyth yn newid. Felly, defnyddir Rheoleiddiwr Foltedd Awtomatig (AVR). Mae'r AVR yn monitro'r foltedd terfynell ac yna'n cynyddu neu'n lleihau cerrynt cyffroi'r rotor i gynnal foltedd sefydlog.
Wrth i'r llwyth gynyddu, mae cerrynt y stator yn cynyddu, gan arwain at ostyngiad foltedd oherwydd rhwystriant mewnol y generadur. Bydd yr AVR yn "gwneud iawn" trwy gynyddu'r cyffro i gynnal y foltedd.
7. Gweithrediad cydamserol gyda'r rhwydwaith (cysoni)
Cyn cysylltu'r generadur cydamserol â'r grid pŵer, rhaid cynnal proses gydamseru, sef cydraddoli:
1. Foltedd (gwerth RMS),
2. Amlder,
3. Dilyniant cyfnod,
4. Ongl y cyfnod ar adeg cau'r torrwr.
Os yw generadur wedi'i gysylltu â'r grid heb gydamseru priodol, gall gynhyrchu ceryntau sioc mawr a trorym mecanyddol sydyn a all niweidio'r offer. Ar ôl ei gysylltu, mae cyflymder y rotor wedi'i "gloi" i amledd y system (yn parhau i fod wedi'i gydamseru), tra bod y pŵer gweithredol yn cael ei bennu'n bennaf gan trorym y prif symudydd.
8. Pŵer gweithredol a phŵer adweithiol mewn generaduron cydamserol
Mewn system AC, mae'r generadur yn cyflenwi:
– Pŵer gweithredol (P): sy'n gysylltiedig â'r ynni gwirioneddol a ddefnyddir gan y llwyth (kW neu MW).
– Pŵer adweithiol (Q): yn gysylltiedig â ffurfio maes magnetig ar lwyth anwythol/capasitif (kVAr neu MVAr).
Yn gyffredinol:
– Rheolir pŵer gweithredol trwy addasu'r trorym/mewnbwn mecanyddol (e.e. agoriad falf stêm, llif dŵr, neu gyflenwad tanwydd).
– Mae'r pŵer adweithiol a'r foltedd terfynell yn cael eu rheoli gan y cerrynt cyffroi.
Os cynyddir y cyffro (gor-gyffroir), mae'r generadur yn tueddu i gyflenwi pŵer adweithiol i'r grid ac yn helpu i godi foltedd y system. Os gostyngir y cyffro (tan-gyffroir), mae'r generadur yn amsugno pŵer adweithiol ac mae'r foltedd yn tueddu i ostwng.
9. Diweddglo
Mae egwyddor weithredol generadur cydamserol yn seiliedig ar anwythiad electromagnetig: mae rotor sy'n cael ei gyffroi gan DC yn cynhyrchu maes magnetig cylchdroi, sy'n torri coiliau'r stator ac yn ysgogi foltedd AC tair cam. Unigrywiaeth generadur cydamserol yw'r berthynas uniongyrchol rhwng amledd yr allbwn a'r cyflymder cylchdro a nifer y polion, a lunnir fel \(N_s = 120f/P\). Mewn gweithrediad gwirioneddol, cynhelir sefydlogrwydd foltedd gan yr AVR trwy reoleiddio cyffroi, tra bod pŵer gweithredol yn cael ei reoleiddio gan y prif symudydd. Oherwydd eu perfformiad sefydlog, eu heffeithlonrwydd uchel, a'u gallu i reoleiddio foltedd a phŵer adweithiol, generaduron cydamserol yw asgwrn cefn cynhyrchu a systemau pŵer trydan ledled y byd.
