Vinnuregla samstilltrar rafalls
Samstilltar rafalar eru einar mest notaðar rafvélar í nútíma raforkukerfum, sérstaklega í stórum virkjunum eins og kolaorkuverum (PLTU), vatnsaflsvirkjunum (PLTA), gasorkuverum (PLTG) og kjarnorkuverum (NPT). Þeir eru kallaðir „samstilltir“ vegna þess að snúningshraði snúningsrotorsins er alltaf í beinu samhengi (samstilltur) við tíðni myndaðrar rafspennu. Með öðrum orðum, samstilltar rafalar breyta vélrænni orku frá aðalhreyfli ( vatnstúrbínu , gufutúrbínu, gastúrbínu eða dísilvél) í riðstraumsraforku (AC) á stöðugri tíðni. Til að skilja hvernig þeir virka þurfum við að skoða uppbyggingu þeirra, hugtakið segulsvið , rafsegulörvun, hraða-tíðni samband og örvunar- og spennustjórnunarferli.
1. Skilgreining og virkni samstilltra rafala
Samstilltur rafall (oft kallaður alternator) framleiðir þriggja fasa riðstraumsspennu í raforkukerfi . Í virkjun er þessi rafall „hjarta“ kerfisins og breytir togkrafti frá ás aðalhreyfilsins í raforku , sem síðan er aukið með spenni áður en hún er dreift til flutningskerfisins. Helsti kostur hans er geta hans til að mynda spennu á stöðugri tíðni svo lengi sem snúningur ássins er viðhaldið á samstilltu gildi sínu.
Í meginatriðum starfar samstilltur rafall samkvæmt lögmáli Faradays um rafsegulfræðilega innleiðingu: breyting á segulflæði yfir rafleiðara framleiðir rafhreyfikraft (EMF) eða innleidda spennu. Í rafall á sér þessi flæðisbreyting stað vegna þess að snúningssegulsviðið (í snúningshlutanum) sker í gegnum statorspólurnar.
2. Aðalbygging: stator og snúningshluti
Samstilltir rafalar samanstanda af tveimur meginhlutum:
1. Stator (kyrrstæður hluti)
Statorinn inniheldur lagskipt járnkjarna og spólur. þrjú stig (venjulega tengt í stjörnu/wye-tengingu). Þetta er þar sem innleidda riðspennan birtist. Þar sem statorinn snýst ekki er aflsdreifingin til kerfisins auðveldari og öruggari, sérstaklega við háa spennu.
2. Snúningshluti (snúningshluti)
Snúningsásinn ber segulsvið. Þetta svið myndast venjulega með jafnstraumi (DC) sem streymir í gegnum spólurnar í spólunum. Þegar aðalhreyfillinn snýst spólunni snýst segulsvið spólunnar og „sópar“ statorspólurnar og veldur þannig riðspennu.
Almennt eru til tvær gerðir af samstilltum rafstöðvum:
– Áberandi pólrotor: margir pólar, hentugur fyrir lágan hraða eins og vatnsaflsvirkjanir.
– Sívalur snúningshluti (ekki útstæð / túrbósnúningshluti): ekki útstæð pólar, hentugur fyrir mikla snúninga eins og PLTU/PLTG.
3. Grunnreglur riðspennuframleiðslu
Hugsaðu um snúningsásinn sem stóran, snúningssegul. Þegar norður-suðurpólarnir á snúningsásnum fara framhjá statorspólu breytist straumurinn sem fléttast um spóluna reglulega: hann er mestur þegar pólarnir snúa beint að spólunni og minnstur þegar þeir eru fjarri henni. Þessi breyting á straumnum skapar rafsvörun sem breytist einnig reglulega - niðurstaðan er víxlspenna.
Í þriggja fasa rafal eru stator spólurnar raðaðar með 120 rafmagnsgráðum í sundur. Þetta leiðir til þriggja sinuslaga spenna sem eru 120 gráður úr fasa. Þessi þriggja fasa stilling var valin vegna þess að hún er skilvirk fyrir orkuflutning, framleiðir jafnara tog við álag á mótor og gerir kleift að ná mikilli afköstum.
4. Tengsl milli samstilltrar hraða, tíðni og fjölda pólana
Mikilvægasti „samstillti“ þátturinn er stærðfræðilega sambandið milli:
– raftíðni (f) í Hz,
– fjöldi pólanna (P) á snúningsásnum,
– snúningshraði snúningshlutans (Ns) í snúningum á mínútu.
Formúlan:
\[
N_s = \frac{120 \, f}{P}
\]
Það þýðir:
– Ef kerfið er 50 Hz og rafallinn hefur tvo póla, þá:
\[
N_s = \frac{120 \times 50}{2} = 3000 \text{ snúninga á mínútu}
\]
– Ef 4 pólar:
\[
N_s = \frac{120 \times 50}{4} = 1500 \text{ snúninga á mínútu}
\]
Því fleiri pólar, því lægri er samstillingarhraðinn sem þarf til að framleiða sömu tíðni. Þess vegna nota vatnsaflsvirkjanir (hægar snúandi túrbínur) oft áberandi pólar með mörgum pólum, en gufu-/gasvirkjanir (hraðari túrbínur) nota yfirleitt túrbínur með færri pólum.
Í samstilltum rafal snýst snúningshlutinn nákvæmlega á samstilltum hraða þegar hann er tengdur við stöðugt raforkukerfi. Álagsbreytingar hafa meiri áhrif á aflhorn og straum en tíðnina, svo framarlega sem raforkunetið er traust og aðalhreyfillinn er vel stjórnaður.
5. Örvunarkerfi: segulsviðsgjafi snúningshlutans
Til þess að rafall geti framleitt spennu verður snúningshlutinn að hafa segulsvið. Þetta svið myndast með örvun - því að beita jafnstraumi á spólu snúningshlutans. Það eru nokkrar örvunaraðferðir:
– Örvun með rennihringjum og burstum
Jafnstraumur er veittur í gegnum rennihringi til spólanna á snúningsásnum. Þessi aðferð er einföld en krefst viðhalds á burstum.
– Burstalaus örvun
Með því að nota örvunarbúnað (lítinn rafal) og snúningsleiðréttingarbúnað er jafnstraumurinn fyrir snúningshlutann myndaður á sama ás án bursta. Þetta er algengt í nútíma rafölum þar sem það er áreiðanlegra.
Stærð örvunarstraumsins hefur áhrif á stærð segulsviðsins, sem að lokum hefur áhrif á tengispennu rafallsins og viðbragðsafl sem skiptist á við kerfið.
6. Spennuframleiðsla og stjórnun (AVR)
Spennan sem myndast í statornum er háð nokkrum þáttum, aðallega:
– segulsviðsstyrkur snúningshlutans (undir áhrifum örvunarstraums),
– snúningshraði (tengdur tíðni),
– fjöldi snúninga og hönnun statorspólu.
Í reynd verður að halda tengispennu rafstöðvarinnar innan staðlaðra marka jafnvel þótt álagið breytist. Þess vegna er notaður sjálfvirkur spennustillir (AVR). AVR fylgist með tengispennunni og eykur eða minnkar síðan örvunarstraum snúningshlutans til að viðhalda stöðugri spennu.
Þegar álagið eykst eykst statorstraumurinn, sem leiðir til spennufalls vegna innri viðnáms rafallsins. AVR mun „bæta upp“ með því að auka örvunina til að viðhalda spennunni.
7. Samstilling við netið (samstilling)
Áður en samstilltur rafall er tengdur við raforkukerfið verður að framkvæma samstillingarferli, þ.e. jafna:
1. Spenna (RMS gildi),
2. Tíðni,
3. Fasaröð,
4. Fasahorn þegar rofinn lokast.
Ef rafstöð er tengd við raforkunetið án réttrar samstillingar getur hún myndað mikla höggstrauma og skyndilega vélræna togkrafta sem geta skemmt búnaðinn. Þegar snúningshraði rafstöðvarinnar er tengdur er hann „læstur“ við kerfistíðnina (helst samstilltur), en virka aflið er aðallega ákvarðað af togkrafti aðalhreyfilsins.
8. Virkt afl og hvarfgjarnt afl í samstilltum rafstöðvum
Í loftkælingarkerfi veitir rafallinn:
– Virkt afl (P): tengt raunverulegri orkunotkun álagsins (kW eða MW).
– Viðbragðsafl (Q): tengist myndun segulsviðs á span-/rafrýmdarálagi (kVAr eða MVAr).
Almennt:
– Virkt afl er stjórnað með því að stilla togkraft/vélrænan inntak (t.d. opnun gufuloka, vatnsflæði eða eldsneytisframboð).
– Viðbragðsafl og spenna á tengiklemma eru stjórnað af örvunarstraumnum.
Ef örvunin eykst (oförvuð) hefur rafallinn tilhneigingu til að veita raforku til raforkukerfisins og hjálpar til við að hækka spennuna í kerfinu. Ef örvunin minnkar (vanörvuð) gleypir rafallinn endurtekna orku og spennan hefur tilhneigingu til að lækka.
9. Kesimpulan
Virkni samstilltra rafalstöðvar byggist á rafsegulfræðilegri örvun: jafnstraumsörvaður snúningsrotor framleiðir snúningssegulsvið sem sker statorspólurnar og veldur þriggja fasa riðstraumsspennu. Sérstaða samstilltra rafalstöðvar felst í beinu sambandi milli útgangstíðni og snúningshraða og fjölda pólana, sem er mótað sem \(N_s = 120f/P\). Í raunverulegri notkun er spennustöðugleiki viðhaldið af tíðnisamstæðu spennunnar með örvunarstýringu, en virka aflið er stjórnað af aðalhreyflinum. Vegna stöðugrar afköstar, mikillar skilvirkni og getu til að stjórna spennu og launafli eru samstilltir rafalar burðarás raforkuframleiðslu og kerfa um allan heim.
