सिंक्रोनस जेनेरेटरको काम गर्ने सिद्धान्त

सिंक्रोनस जेनेरेटरको काम गर्ने सिद्धान्त

सिंक्रोनस जेनेरेटरहरू आधुनिक पावर प्रणालीहरूमा सबैभन्दा धेरै प्रयोग हुने विद्युतीय मेसिनहरू मध्ये एक हो, विशेष गरी कोइलाबाट चल्ने पावर प्लान्टहरू (PLTU), जलविद्युत प्लान्टहरू (PLTA), ग्यासबाट चल्ने पावर प्लान्टहरू (PLTG), र आणविक पावर प्लान्टहरू (NPT) जस्ता ठूला स्तरका पावर प्लान्टहरूमा। तिनीहरूलाई "सिंक्रोनस" भनिन्छ किनभने तिनीहरूको रोटर घुमाउने गति सधैं उत्पन्न हुने विद्युतीय भोल्टेजको फ्रिक्वेन्सीसँग प्रत्यक्ष रूपमा सम्बन्धित (सिंक्रोनस) हुन्छ। अर्को शब्दमा, सिंक्रोनस जेनेरेटरहरूले प्राइम मूभर ( पानी टर्बाइन , स्टीम टर्बाइन, ग्यास टर्बाइन, वा डिजेल इन्जिन) बाट मेकानिकल ऊर्जालाई स्थिर फ्रिक्वेन्सीमा वैकल्पिक प्रवाह (AC) विद्युतीय ऊर्जामा रूपान्तरण गर्छन्। तिनीहरूले कसरी काम गर्छन् भनेर बुझ्नको लागि, हामीले तिनीहरूको संरचना, चुम्बकीय क्षेत्रहरूको अवधारणा , विद्युत चुम्बकीय प्रेरण, गति-आवृत्ति सम्बन्ध, र उत्तेजना र भोल्टेज नियमन प्रक्रियाहरू हेर्नु आवश्यक छ ।

१. सिंक्रोनस जेनेरेटरहरूको परिभाषा र कार्य

एउटा सिंक्रोनस जेनेरेटर (जसलाई प्रायः अल्टरनेटर भनिन्छ) ले पावर प्रणालीमा तीन-चरणको एसी भोल्टेज उत्पादन गर्छ । पावर प्लान्टमा, यो जेनेरेटर प्रणालीको "मुटु" हो, जसले प्राइम मूभर शाफ्टबाट टर्कलाई विद्युतीय शक्तिमा रूपान्तरण गर्छ , जुन ट्रान्सफर्मरद्वारा प्रसारण नेटवर्कमा वितरण गर्नु अघि बढाइन्छ। यसको प्राथमिक फाइदा भनेको शाफ्ट रोटेशन यसको सिंक्रोनस मानमा कायम रहँदासम्म स्थिर आवृत्तिमा भोल्टेज उत्पन्न गर्ने क्षमता हो।

सिद्धान्ततः, एक सिंक्रोनस जेनेरेटरले फराडेको विद्युत चुम्बकीय प्रेरणाको नियममा आधारित काम गर्छ: विद्युतीय चालकमा चुम्बकीय प्रवाहमा परिवर्तनले इलेक्ट्रोमोटिभ बल (EMF) वा प्रेरित भोल्टेज उत्पादन गर्छ। जेनेरेटरमा, यो प्रवाह परिवर्तन हुन्छ किनभने घुम्ने चुम्बकीय क्षेत्र (रोटरमा) स्टेटर कुण्डलहरू मार्फत काट्छ।

२. मुख्य निर्माण: स्टेटर र रोटर

सिंक्रोनस जेनेरेटरहरूमा दुई मुख्य भागहरू हुन्छन्:

१. स्टेटर (स्थिर भाग)
स्टेटरमा लेमिनेटेड फलामको कोर र कुण्डलीहरू हुन्छन्। तीन चरणहरू (सामान्यतया स्टार/वाई जडानमा जडान गरिएको)। यो त्यहीँ हो जहाँ प्रेरित एसी भोल्टेज देखिन्छ। स्टेटर घुम्दैन, त्यसैले प्रणालीमा पावर वितरण सजिलो र सुरक्षित हुन्छ, विशेष गरी उच्च भोल्टेजमा।

२. रोटर (घुम्ने भाग)
रोटरले चुम्बकीय क्षेत्र बोक्छ। यो क्षेत्र सामान्यतया रोटर फिल्ड कोइलहरू मार्फत प्रवाहित प्रत्यक्ष प्रवाह (DC) द्वारा उत्पन्न हुन्छ। जब रोटरलाई प्राइम मूभरद्वारा घुमाइन्छ, रोटरको चुम्बकीय क्षेत्र घुम्छ र स्टेटर कोइलहरूलाई "स्वीप" गर्छ, जसले गर्दा AC भोल्टेज उत्पन्न हुन्छ।

सामान्यतया दुई प्रकारका सिंक्रोनस जेनेरेटर रोटरहरू हुन्छन्:
- प्रमुख पोल रोटर: धेरै पोलहरू, जलविद्युत पावर प्लान्टहरू जस्ता कम गतिको लागि उपयुक्त।
– बेलनाकार रोटर (नन-स्यालियन्ट / टर्बो रोटर): नन-स्यालियन्ट पोलहरू, PLTU/PLTG जस्ता उच्च घुमाउने क्षमताको लागि उपयुक्त।

३. एसी भोल्टेज इन्डक्सनको आधारभूत सिद्धान्तहरू

रोटरलाई ठूलो, घुम्ने चुम्बकको रूपमा सोच्नुहोस्। रोटरको उत्तर-दक्षिण ध्रुवहरूले स्टेटर कुण्डल पार गर्दा, कुण्डललाई जोड्ने प्रवाह समय-समयमा परिवर्तन हुन्छ: जब ध्रुवहरू सिधै कुण्डलको सामना गर्छन् तब यो अधिकतम हुन्छ र जब तिनीहरू टाढा हुन्छन् तब यसको न्यूनतम हुन्छ। यो प्रवाह परिवर्तनले एक प्रेरित ईएमएफ सिर्जना गर्दछ जुन आवधिक रूपमा परिवर्तन हुन्छ - परिणाम एक वैकल्पिक भोल्टेज हो।

तीन-चरण जेनेरेटरमा, स्टेटर कोइलहरू १२० विद्युतीय डिग्रीको दूरीमा व्यवस्थित हुन्छन्। यसले तीन साइनोसाइडल भोल्टेजहरू बनाउँछ जुन १२० डिग्री फेज बाहिर हुन्छन्। यो तीन-चरण कन्फिगरेसन छनौट गरिएको थियो किनभने यो पावर ट्रान्समिशनको लागि कुशल छ, मोटर लोडमा सहज टर्क उत्पादन गर्दछ, र उच्च पावर क्षमताहरूको लागि अनुमति दिन्छ।

४. सिंक्रोनस गति, आवृत्ति, र ध्रुवहरूको संख्या बीचको सम्बन्ध

सबैभन्दा महत्त्वपूर्ण "सिंक्रोनस" पक्ष भनेको निम्न बीचको गणितीय सम्बन्ध हो:
- विद्युतीय आवृत्ति (f) Hz मा,
– रोटरको पोल (P) को संख्या,
- rpm मा रोटर घुमाउने गति (Ns)।

सूत्र:

\[
N_s = \frac{120 \, f}{P}
\]

आर्टिन्या:
– यदि प्रणाली ५० हर्ट्ज छ र जेनेरेटरमा २ वटा पोल छन् भने,:
\[
N_s = \frac{१२० \गुणा ५०}{४} = १५०० \पाठ{ rpm}
\]
- यदि ४ वटा पोलहरू छन् भने:
\[
N_s = \frac{१२० \गुणा ५०}{४} = १५०० \पाठ{ rpm}
\]

जति धेरै पोलहरू हुन्छन्, उही फ्रिक्वेन्सी उत्पादन गर्न आवश्यक पर्ने सिंक्रोनस गति त्यति नै कम हुन्छ। यही कारणले गर्दा जलविद्युत प्लान्टहरू (ढिलो घुम्ने टर्बाइनहरू) ले प्रायः धेरै पोलहरू भएका मुख्य-पोल रोटरहरू प्रयोग गर्छन्, जबकि स्टीम/ग्यास प्लान्टहरू (छिटो टर्बाइनहरू) ले कम पोलहरू भएका टर्बो रोटरहरू प्रयोग गर्छन्।

सिंक्रोनस जेनेरेटरमा, स्थिर पावर प्रणालीमा जडान हुँदा रोटर ठ्याक्कै सिंक्रोनस गतिमा घुम्छ। ग्रिड बलियो भएसम्म र प्राइम मूभर राम्रोसँग नियन्त्रित भएसम्म लोड परिवर्तनहरूले फ्रिक्वेन्सी भन्दा पावर कोण र करेन्टलाई बढी असर गर्छ।

५. उत्तेजना प्रणाली: रोटर चुम्बकीय क्षेत्र स्रोत

जेनेरेटरले भोल्टेज उत्पादन गर्नको लागि, रोटरमा चुम्बकीय क्षेत्र हुनुपर्छ। यो क्षेत्र उत्तेजनाबाट उत्पन्न हुन्छ - रोटर फिल्ड कोइलमा DC करेन्टको प्रयोग। धेरै उत्तेजना विधिहरू छन्:

- स्लिप रिंग र ब्रशको साथ उत्तेजना
रोटर कोइलहरूमा स्लिप रिङहरू मार्फत डीसी करेन्ट आपूर्ति गरिन्छ। यो विधि सरल छ तर ब्रश मर्मत आवश्यक पर्दछ।

- ब्रसलेस उत्तेजना
एक्साइटर (सानो जेनेरेटर) र घुम्ने रेक्टिफायर प्रयोग गरेर, रोटरको लागि DC करेन्ट ब्रश बिना नै एउटै शाफ्टमा उत्पन्न हुन्छ। यो आधुनिक जेनेरेटरहरूमा सामान्य छ किनभने यो बढी भरपर्दो छ।

उत्तेजना प्रवाहको परिमाणले चुम्बकीय क्षेत्रको परिमाणलाई असर गर्छ, जसले अन्ततः जेनेरेटर टर्मिनल भोल्टेज र प्रणालीसँग आदानप्रदान हुने प्रतिक्रियाशील शक्तिलाई असर गर्छ।

६. भोल्टेज उत्पादन र नियमन (AVR)

स्टेटरमा प्रेरित भोल्टेज धेरै कारकहरूमा निर्भर गर्दछ, मुख्यतया:
- रोटर चुम्बकीय क्षेत्र शक्ति (उत्तेजना प्रवाहबाट प्रभावित),
- परिक्रमा गति (आवृत्तिसँग सम्बन्धित),
– स्टेटर कोइलको मोड र डिजाइनको संख्या।

व्यवहारमा, लोड परिवर्तन हुँदा पनि जेनेरेटरको टर्मिनल भोल्टेज मानक सीमा भित्र कायम राख्नुपर्छ। त्यसैले, स्वचालित भोल्टेज नियामक (AVR) प्रयोग गरिन्छ। AVR ले टर्मिनल भोल्टेजको निगरानी गर्छ र त्यसपछि स्थिर भोल्टेज कायम राख्न रोटर उत्तेजना प्रवाह बढाउँछ वा घटाउँछ।

लोड बढ्दै जाँदा, स्टेटर करेन्ट बढ्छ, जसको परिणामस्वरूप जेनेरेटरको आन्तरिक प्रतिबाधाको कारणले भोल्टेज घट्छ। AVR ले भोल्टेज कायम राख्न उत्तेजना बढाएर "क्षतिपूर्ति" गर्नेछ।

७. नेटवर्कसँग सिंक्रोनस अपरेशन (सिंक्रोनाइज गर्दै)

सिंक्रोनस जेनेरेटरलाई पावर ग्रिडमा जडान गर्नु अघि, एक सिंक्रोनाइजेसन प्रक्रिया पूरा गर्नुपर्छ, अर्थात् बराबरी गर्ने:
१. भोल्टेज (RMS मान),
२. आवृत्ति,
३. चरण अनुक्रम,
४. ब्रेकर बन्द हुने समयमा फेज कोण।

यदि जेनेरेटरलाई उचित सिंक्रोनाइजेसन बिना ग्रिडमा जडान गरिएको छ भने, यसले ठूलो झट्का प्रवाह र अचानक मेकानिकल टर्क उत्पन्न गर्न सक्छ जसले उपकरणलाई क्षति पुर्‍याउन सक्छ। एक पटक जडान भएपछि, रोटर गति प्रणाली फ्रिक्वेन्सीमा "लक" हुन्छ (सिंक्रोनाइज रहन्छ), जबकि सक्रिय शक्ति मुख्यतया प्राइम मूभर टर्क द्वारा निर्धारण गरिन्छ।

८. सिंक्रोनस जेनेरेटरहरूमा सक्रिय शक्ति र प्रतिक्रियाशील शक्ति

एसी प्रणालीमा, जेनेरेटरले आपूर्ति गर्दछ:
- सक्रिय शक्ति (P): लोड द्वारा प्रयोग गरिएको वास्तविक ऊर्जा (kW वा MW) सँग सम्बन्धित।
- प्रतिक्रियाशील शक्ति (Q): आगमनात्मक/क्यापेसिटिभ भार (kVAr वा MVAr) मा चुम्बकीय क्षेत्रको गठनसँग सम्बन्धित।

सामान्यतया:
- सक्रिय शक्ति टर्क/मेकानिकल इनपुट (जस्तै स्टीम भल्भ खोल्ने, पानी प्रवाह, वा इन्धन आपूर्ति) समायोजन गरेर नियन्त्रण गरिन्छ।
- प्रतिक्रियाशील शक्ति र टर्मिनल भोल्टेज उत्तेजना प्रवाहद्वारा नियन्त्रित हुन्छन्।

यदि उत्तेजना बढ्यो (अति-उत्तेजित), जेनेरेटरले ग्रिडमा प्रतिक्रियाशील शक्ति आपूर्ति गर्छ र प्रणाली भोल्टेज बढाउन मद्दत गर्छ। यदि उत्तेजना घट्यो (कम-उत्तेजित), जेनेरेटरले प्रतिक्रियाशील शक्ति अवशोषित गर्छ र भोल्टेज घट्छ।

७. केसिम्पुलन

सिंक्रोनस जेनेरेटरको कार्य सिद्धान्त इलेक्ट्रोम्याग्नेटिक इन्डक्सनमा आधारित छ: DC-उत्तेजित रोटरले घुम्ने चुम्बकीय क्षेत्र उत्पादन गर्छ, जसले स्टेटर कोइलहरू काट्छ र तीन-चरण AC भोल्टेज प्रेरित गर्छ। सिंक्रोनस जेनेरेटरको विशिष्टता आउटपुट फ्रिक्वेन्सी र घुमाउने गति र पोलहरूको संख्या बीचको प्रत्यक्ष सम्बन्ध हो, जुन \(N_s = 120f/P\) को रूपमा तयार पारिएको छ। वास्तविक सञ्चालनमा, उत्तेजना नियमन मार्फत AVR द्वारा भोल्टेज स्थिरता कायम राखिन्छ, जबकि सक्रिय शक्ति प्राइम मूभर द्वारा नियमन गरिन्छ। तिनीहरूको स्थिर प्रदर्शन, उच्च दक्षता, र भोल्टेज र प्रतिक्रियाशील शक्ति नियमन गर्ने क्षमताको कारण, सिंक्रोनस जेनेरेटरहरू विश्वव्यापी रूपमा विद्युतीय ऊर्जा उत्पादन र प्रणालीहरूको मेरुदण्ड हुन् ।