Սինխրոն գեներատորի աշխատանքի սկզբունքը
Սինխրոն գեներատորները ժամանակակից էներգետիկ համակարգերում ամենատարածված էլեկտրական մեքենաներից մեկն են, հատկապես խոշոր էլեկտրակայաններում, ինչպիսիք են ածխով աշխատող էլեկտրակայանները (PLTU), հիդրոէլեկտրակայանները (PLTA), գազով աշխատող էլեկտրակայանները (PLTG) և ատոմակայանները (NPT): Դրանք կոչվում են «սինխրոն», քանի որ դրանց ռոտորի պտտման արագությունը միշտ ուղղակիորեն կապված է (սինխրոն) առաջացած էլեկտրական լարման հաճախականության հետ: Այլ կերպ ասած, սինխրոն գեներատորները հիմնական շարժիչից ( ջրային տուրբին , գոլորշու տուրբին, գազային տուրբին կամ դիզելային շարժիչ) մեխանիկական էներգիան փոխակերպում են փոփոխական հոսանքի (AC) էլեկտրական էներգիայի՝ կայուն հաճախականությամբ: Որպեսզի հասկանանք, թե ինչպես են դրանք աշխատում, մենք պետք է նայենք դրանց կառուցվածքին, մագնիսական դաշտերի հասկացությանը , էլեկտրամագնիսական ինդուկցիային, արագություն-հաճախականություն հարաբերություններին, ինչպես նաև գրգռման և լարման կարգավորման գործընթացներին:
1. Սինխրոն գեներատորների սահմանումը և գործառույթը
Սինխրոն գեներատորը (հաճախ անվանում են գեներատոր) էներգահամակարգում արտադրում է եռաֆազ փոփոխական հոսանքի լարում : Էլեկտրակայաններում այս գեներատորը համակարգի «սիրտն» է, որը շարժիչի լիսեռից ստացված պտտող մոմենտը վերածում է էլեկտրական հզորության , որը այնուհետև տրանսֆորմատորի միջոցով ուժեղացվում է, նախքան փոխանցման ցանցին բաշխվելը: Դրա հիմնական առավելությունը հաստատուն հաճախականությամբ լարում ստեղծելու ունակությունն է, քանի դեռ լիսեռի պտույտը պահպանվում է իր սինխրոն արժեքի վրա:
Սկզբունքորեն, սինխրոն գեներատորը գործում է Ֆարադեյի էլեկտրամագնիսական ինդուկցիայի օրենքի հիման վրա. էլեկտրական հաղորդչի վրայով մագնիսական հոսքի փոփոխությունը առաջացնում է էլեկտրաշարժիչ ուժ (ԷՈւՈւ) կամ ինդուկցված լարում: Գեներատորում այս հոսքի փոփոխությունը տեղի է ունենում, քանի որ պտտվող մագնիսական դաշտը (ռոտորում) հատում է ստատորի կծիկները:
2. Հիմնական կառուցվածքը՝ ստատոր և ռոտոր
Սինխրոն գեներատորները բաղկացած են երկու հիմնական մասից՝
1. Ստատոր (ստացիոնար մաս)
Ստատորը պարունակում է շերտավորված երկաթե միջուկ և կծիկներ։ երեք փուլ (սովորաբար միացված է աստղաձև/ուղղահայաց միացմամբ): Այստեղ է, որ ինդուկցված փոփոխական հոսանքի լարումը հայտնվում է: Քանի որ ստատորը չի պտտվում, համակարգին հզորության բաշխումը ավելի հեշտ և անվտանգ է, հատկապես բարձր լարումների դեպքում:
2. Ռոտոր (պտտվող մաս)
Ռոտորը կրում է մագնիսական դաշտ։ Այս դաշտը սովորաբար առաջանում է ռոտորի դաշտի կծիկներով հոսող հաստատուն հոսանքի (DC) միջոցով։ Երբ ռոտորը պտտվում է գլխավոր շարժիչի կողմից, ռոտորի մագնիսական դաշտը պտտվում է և «սահում» ստատորի կծիկներով, այդպիսով առաջացնելով փոփոխական լարում։
Սինխրոն գեներատորի ռոտորները սովորաբար լինում են երկու տեսակի՝
– Առանցքային բևեռային ռոտոր. բազմաթիվ բևեռներ, հարմար է ցածր արագությունների, ինչպիսիք են հիդրոէլեկտրակայանները, համար։
– Գլանաձև ռոտոր (ոչ ելուստային / տուրբո ռոտոր). ոչ ելուստային բևեռներ, հարմար է բարձր պտույտների համար, ինչպիսիք են PLTU/PLTG-ն։
3. AC լարման ինդուկցիայի հիմնական սկզբունքները
Պատկերացրեք ռոտորը որպես մեծ, պտտվող մագնիս։ Երբ ռոտորի հյուսիս-հարավ բևեռները անցնում են ստատորի կծիկի միջով, կծիկը փաթաթող հոսքը պարբերաբար փոխվում է. այն իր առավելագույնին է հասնում, երբ բևեռները ուղիղ ուղղված են կծիկին, և իր նվազագույնին, երբ դրանք հեռու են։ Այս հոսքի փոփոխությունը ստեղծում է ինդուկցված էլեկտրամագնիսական ուժ, որը նույնպես պարբերաբար փոխվում է՝ արդյունքում ստացվում է փոփոխական լարում։
Եռաֆազ գեներատորում ստատորի կծիկները դասավորված են միմյանցից 120 էլեկտրական աստիճան հեռավորության վրա։ Սա հանգեցնում է երեք սինուսոիդալ լարումների, որոնք գտնվում են 120 աստիճան փուլային շեղման մեջ։ Այս եռաֆազ կոնֆիգուրացիան ընտրվել է, քանի որ այն արդյունավետ է հզորության փոխանցման համար, շարժիչի ծանրաբեռնվածության դեպքում ստեղծում է ավելի հարթ պտտող մոմենտ և թույլ է տալիս ունենալ բարձր հզորություն։
4. Սինխրոն արագության, հաճախականության և բևեռների քանակի միջև կապը
Ամենակարևոր «սինխրոն» ասպեկտը հետևյալի միջև մաթեմատիկական կապն է.
– էլեկտրական հաճախականությունը (f) Հց-ով,
– ռոտորի բևեռների քանակը (P),
– ռոտորի պտտման արագությունը (Նվ) պտույտ/րոպեում։
Բանաձևը՝
\[
N_s = \frac{120 \, f}{P}
\]
Դա նշանակում է.
– Եթե համակարգը 50 Հց է, և գեներատորն ունի 2 բևեռ, ապա՝
\[
N_s = \frac{120 \times 50}{2} = 3000 \text{ rpm}
\]
– Եթե 4 բևեռ՝
\[
N_s = \frac{120 \times 50}{4} = 1500 \text{ rpm}
\]
Որքան շատ բևեռներ կան, այնքան ցածր է նույն հաճախականությունը ստանալու համար անհրաժեշտ համաժամանակյա արագությունը։ Ահա թե ինչու հիդրոէլեկտրակայանները (ավելի դանդաղ պտտվող տուրբիններ) հաճախ օգտագործում են բազմաթիվ բևեռներով ելուստային բևեռային ռոտորներ, մինչդեռ գոլորշու/գազային կայանները (ավելի արագ տուրբիններ) հակված են օգտագործել ավելի քիչ բևեռներով տուրբո ռոտորներ։
Սինխրոն գեներատորում ռոտորը պտտվում է ճիշտ սինխրոն արագությամբ, երբ միացված է կայուն էներգահամակարգին: Բեռնվածության փոփոխությունները ավելի շատ են ազդում հզորության անկյան և հոսանքի վրա, քան հաճախականության վրա, քանի դեռ ցանցը կայուն է, և գլխավոր շարժիչը լավ կառավարվում է:
5. Գրգռման համակարգ. ռոտորի մագնիսական դաշտի աղբյուր
Որպեսզի գեներատորը կարողանա լարում արտադրել, ռոտորը պետք է ունենա մագնիսական դաշտ: Այս դաշտը ստեղծվում է գրգռման միջոցով՝ ռոտորի դաշտի կծիկին հաստատուն հոսանքի կիրառմամբ: Կան մի քանի գրգռման մեթոդներ՝
– Գրգռում սահող օղակներով և խոզանակներով
Հաստատուն հոսանքը մատակարարվում է սահող օղակների միջոցով ռոտորի կծիկներին։ Այս մեթոդը պարզ է, բայց պահանջում է խոզանակային սպասարկում։
- Առանց խոզանակի գրգռում
Օգտագործելով գրգռիչ (փոքր գեներատոր) և պտտվող ուղղիչ, ռոտորի համար հաստատուն հոսանքը ստեղծվում է նույն լիսեռի վրա՝ առանց խոզանակների: Սա տարածված է ժամանակակից գեներատորներում, քանի որ այն ավելի հուսալի է:
Գրգռման հոսանքի մեծությունը ազդում է մագնիսական դաշտի մեծության վրա, որն էլ, վերջին հաշվով, ազդում է գեներատորի տերմինալի լարման և համակարգի հետ փոխանակվող ռեակտիվ հզորության վրա։
6. Լարման առաջացում և կարգավորում (AVR)
Ստատորում ինդուկցված լարումը կախված է մի քանի գործոններից, հիմնականում՝
– ռոտորի մագնիսական դաշտի ուժգնությունը (ազդված գրգռման հոսանքից),
– պտտման արագություն (կապված հաճախականության հետ),
– ստատորի կծիկի պտույտների քանակը և դիզայնը։
Գործնականում, գեներատորի ծայրային լարումը պետք է պահպանվի ստանդարտ սահմաններում, նույնիսկ երբ բեռը փոխվում է: Հետևաբար, օգտագործվում է ավտոմատ լարման կարգավորիչ (AVR): AVR-ը վերահսկում է ծայրային լարումը, ապա մեծացնում կամ նվազեցնում է ռոտորի գրգռման հոսանքը՝ կայուն լարում պահպանելու համար:
Բեռի մեծացմանը զուգընթաց, ստատորի հոսանքը մեծանում է, ինչը հանգեցնում է լարման անկման՝ գեներատորի ներքին իմպեդանսի պատճառով: AVR-ը «կփոխհատուցի»՝ մեծացնելով գրգռումը՝ լարումը պահպանելու համար:
7. Ցանցի հետ համաժամանակյա գործողություն (համաժամեցում)
Մինչև սինխրոն գեներատորը էլեկտրական ցանցին միանալը, պետք է իրականացվի սինխրոնացման գործընթաց, այն է՝ հավասարեցում.
1. Լարում (RMS արժեք),
2. Հաճախականություն,
3. Փուլային հաջորդականություն,
4. Ֆազային անկյունը անջատիչի փակման պահին:
Եթե գեներատորը միացված է ցանցին առանց պատշաճ համաժամեցման, այն կարող է առաջացնել մեծ ցնցումային հոսանքներ և հանկարծակի մեխանիկական պտտող մոմենտ, որը կարող է վնասել սարքավորումները: Միացնելուց հետո ռոտորի արագությունը «ամրագրված» է համակարգի հաճախականությանը (մնում է համաժամեցված), մինչդեռ ակտիվ հզորությունը հիմնականում որոշվում է շարժիչի պտտող մոմենտով:
8. Ակտիվ հզորություն և ռեակտիվ հզորություն սինխրոն գեներատորներում
AC համակարգում գեներատորը մատակարարում է.
– Ակտիվ հզորություն (P): կապված է բեռի կողմից օգտագործվող իրական էներգիայի հետ (կՎտ կամ ՄՎտ):
– Ռեակտիվ հզորություն (Q): կապված է ինդուկտիվ/կոնդենսատորային բեռի վրա մագնիսական դաշտի առաջացման հետ (kVAr կամ MVAr):
Ընդհանուր առմամբ՝
– Ակտիվ հզորությունը կարգավորվում է պտտող մոմենտի/մեխանիկական մուտքի կարգավորման միջոցով (օրինակ՝ գոլորշու փականի բացում, ջրի հոսք կամ վառելիքի մատակարարում):
– Ռեակտիվ հզորությունը և տերմինալի լարումը կարգավորվում են գրգռման հոսանքով։
Եթե գրգռումը մեծանում է (գերգրգռված), գեներատորը հակված է ռեակտիվ հզորություն մատակարարել ցանցին և օգնել բարձրացնել համակարգի լարումը։ Եթե գրգռումը նվազում է (թերգրգռված), գեներատորը կլանում է ռեակտիվ հզորություն, և լարումը հակված է նվազման։
9. Քեսիմպուլան
Սինխրոն գեներատորի աշխատանքի սկզբունքը հիմնված է էլեկտրամագնիսական ինդուկցիայի վրա. հաստատուն հոսանքով գրգռված ռոտորը ստեղծում է պտտվող մագնիսական դաշտ, որը կտրում է ստատորի կծիկները և ինդուկցում եռաֆազ փոփոխական լարում: Սինխրոն գեներատորի յուրահատկությունը ելքային հաճախականության, պտտման արագության և բևեռների քանակի միջև ուղիղ կապն է, որը ձևակերպվում է որպես \(N_s = 120f/P\): Իրական շահագործման մեջ լարման կայունությունը պահպանվում է AVR-ի կողմից գրգռման կարգավորման միջոցով, մինչդեռ ակտիվ հզորությունը կարգավորվում է գլխավոր շարժիչի կողմից: Իրենց կայուն աշխատանքի, բարձր արդյունավետության և լարման ու ռեակտիվ հզորությունը կարգավորելու ունակության շնորհիվ սինխրոն գեներատորները ամբողջ աշխարհում էլեկտրաէներգիայի արտադրության և համակարգերի հիմքն են կազմում :
