Принсипи кори генератори синхронӣ
Генераторҳои синхронӣ яке аз мошинҳои электрикии маъмултарин дар системаҳои энергетикии муосир, бахусус дар нерӯгоҳҳои калонҳаҷм, ба монанди нерӯгоҳҳои барқии ангиштӣ (PLTU), нерӯгоҳҳои барқии обӣ (PLTA), нерӯгоҳҳои барқии газӣ (PLTG) ва нерӯгоҳҳои барқии атомӣ (NPT) мебошанд. Онҳоро "синхронӣ" меноманд, зеро суръати гардиши ротори онҳо ҳамеша мустақиман ба басомади шиддати барқии тавлидшуда алоқаманд аст (синхронӣ). Ба ибораи дигар, генераторҳои синхронӣ энергияи механикиро аз як муҳаррики асосӣ (турбинаи обӣ, турбинаи буғӣ, турбинаи газӣ ё муҳаррики дизелӣ) ба энергияи барқии ҷараёни тағйирёбанда (AC) бо басомади устувор табдил медиҳанд. Барои фаҳмидани тарзи кори онҳо, мо бояд сохтори онҳоро, мафҳуми майдонҳои магнитӣ, индуксияи электромагнитӣ, муносибати суръат-басомад ва равандҳои танзими ангезиш ва шиддатро таҳлил кунем.
1. Таъриф ва вазифаи генераторҳои синхронӣ
Генератори синхронӣ (аксар вақт онро генератор меноманд) дар системаи барқӣ шиддати сефазаи тағйирёбандаро тавлид мекунад. Дар нерӯгоҳи барқӣ, ин генератор "қалби" система буда, моменти гардишро аз меҳвари асосии ҳаракатдиҳанда ба нерӯи барқ табдил медиҳад, ки сипас аз ҷониби трансформатор пеш аз тақсим ба шабакаи интиқол афзоиш дода мешавад. Бартарии асосии он қобилияти тавлиди шиддат дар басомади доимӣ аст, ба шарте ки гардиши меҳвар дар арзиши синхронии он нигоҳ дошта шавад.
Дар асл, генератори синхронӣ бар асоси қонуни Фарадей дар бораи индуксияи электромагнитӣ кор мекунад: тағйирёбии ҷараёни магнитӣ дар ноқили барқӣ қувваи электроҳаракаткунанда (ЭЭМ) ё шиддати индуксияшударо ба вуҷуд меорад. Дар генератор, ин тағйирёбии ҷараёни барқ аз он сабаб рух медиҳад, ки майдони магнитии гардишкунанда (дар ротор) печҳои статорро бурида мегузарад.
2. Сохтмони асосӣ: статор ва ротор
Генераторҳои синхронӣ аз ду қисми асосӣ иборатанд:
1. Статор (қисми статсионарӣ)
Статор дорои ядрои оҳании ламинатдор ва печҳои сефазавӣ мебошад (одатан бо пайвасти ситора/кабуд пайваст карда мешаванд). Дар ин ҷо шиддати тағйирёбандаи ҷараёни тағйирёбанда ба вуҷуд меояд. Азбаски статор чарх намезанад, тақсимоти қувва ба система, махсусан дар шиддатҳои баланд, осонтар ва бехатартар аст.
2. Ротор (қисми чархзананда)
Ротор майдони магнитӣ дорад. Ин майдон одатан аз ҷониби ҷараёни мустақим (DC), ки аз печҳои майдони ротор мегузарад, ба вуҷуд меояд. Вақте ки ротор аз ҷониби муҳаррики асосӣ чарх мезанад, майдони магнитии ротор чарх мезанад ва печҳои статорро "мекашад" ва шиддати тағйирёбандаро ба вуҷуд меорад.
Умуман, ду намуди роторҳои генератори синхронӣ мавҷуданд:
– Ротори қутби намоён: бисёр қутбҳо, ки барои суръати паст, ба монанди нерӯгоҳҳои барқи обӣ, мувофиқанд.
– Ротори силиндрӣ (ғайри намоён / турборотор): сутунҳои ғайри намоён, ки барои гардиши баланд ба монанди PLTU/PLTG мувофиқанд.
3. Принсипҳои асосии индуксияи шиддати AC
Роторро ҳамчун як магнити калон ва гардишкунанда тасаввур кунед. Вақте ки қутбҳои шимолу ҷанубии ротор аз печи статор мегузаранд, ҷараёни печ, ки печро печонида мекунад, давра ба давра тағйир меёбад: он вақте ки қутбҳо мустақиман ба печ нигаронида шудаанд, ба ҳадди аксар мерасад ва вақте ки онҳо дур ҳастанд, ба ҳадди ақал мерасад. Ин тағйири ҷараён қувваи барқи индуксиониро ба вуҷуд меорад, ки он низ давра ба давра тағйир меёбад - натиҷа шиддати тағйирёбанда аст.
Дар генератори сефазавӣ, печҳои статор бо фосилаи 120 дараҷаи электрикӣ ҷойгир карда шудаанд. Дар натиҷа, се шиддати синусоидӣ ба вуҷуд меоянд, ки 120 дараҷа аз фаза берунанд. Ин конфигуратсияи сефазавӣ интихоб шудааст, зеро он барои интиқоли барқ самаранок аст, моменти гардиши ҳамвортарро дар борҳои муҳаррик ба вуҷуд меорад ва имкон медиҳад, ки иқтидорҳои баланди барқ барои шумо фароҳам оварда шаванд.
4. Робитаи байни суръати синхронӣ, басомад ва шумораи қутбҳо
Ҷанбаи муҳимтарини "ҳамзамон" муносибати математикӣ байни:
– басомади барқӣ (f) дар Гц,
– шумораи қутбҳо (P)-и ротор,
– суръати гардиши ротор (Нс) дар rpm.
Формула:
\[
N_s = \frac{120 \, f}{P}
\]
Ин маъно дорад:
– Агар система 50 Гц бошад ва генератор 2 қутб дошта бошад, пас:
\[
N_s = \frac{120 \times 50}{2} = 3000 \text{ rpm}
\]
– Агар 4 қутб бошад:
\[
N_s = \frac{120 \times 50}{4} = 1500 \text{ rpm}
\]
Ҳар қадар қутбҳо зиёд бошанд, суръати синхронӣ барои тавлиди ҳамон басомад ҳамон қадар камтар аст. Аз ин рӯ, нерӯгоҳҳои барқи обӣ (турбинаҳои сустгардишкунанда) аксар вақт роторҳои қутби намоёнро бо қутбҳои зиёд истифода мебаранд, дар ҳоле ки нерӯгоҳҳои буғӣ/газӣ (турбинаҳои тезтар) майл доранд, ки турбороторҳоро бо қутбҳои камтар истифода баранд.
Дар генератори синхронӣ, ротор ҳангоми пайваст шудан ба системаи устувори барқ маҳз бо суръати синхронӣ чарх мезанад. Тағйироти сарборӣ ба кунҷи қудрат ва ҷараён бештар аз басомад таъсир мерасонанд, ба шарте ки шабака мустаҳкам бошад ва қувваи асосии ҳаракатдиҳанда хуб идора карда шавад.
5. Системаи ангезиш: манбаи майдони магнитии ротор
Барои он ки генератор шиддат тавлид кунад, ротор бояд майдони магнитӣ дошта бошад. Ин майдон тавассути ангезиш - татбиқи ҷараёни доимӣ ба катушкаи майдони ротор - ба вуҷуд меояд. Якчанд усулҳои ангезиш мавҷуданд:
– Ангезиш бо истифода аз ҳалқаҳо ва хасуҳои лағжанда
Ҷараёни доимӣ тавассути ҳалқаҳои лағжанда ба катушкаҳои ротор дода мешавад. Ин усул содда аст, аммо нигоҳдории хасуро талаб мекунад.
– Ангезиши бе хасу
Бо истифода аз ангезанда (генератори хурд) ва росткунаки чархзананда, ҷараёни доимии ротор дар як меҳвар бе хасуҳо тавлид мешавад. Ин дар генераторҳои муосир маъмул аст, зеро он боэътимодтар аст.
Бузургии ҷараёни ангезиш ба бузургии майдони магнитӣ таъсир мерасонад, ки дар ниҳоят ба шиддати терминали генератор ва қувваи реактивии мубодилашаванда бо система таъсир мерасонад.
6. Тавлид ва танзими шиддат (AVR)
Шиддати индуксионӣ дар статор аз якчанд омилҳо вобаста аст, асосан:
– қувваи майдони магнитии ротор (таъсири ҷараёни ангезиш),
– суръати гардиш (вобаста ба басомад),
– шумораи гардишҳо ва тарҳи катушкаи статор.
Дар амал, шиддати терминали генератор бояд ҳатто ҳангоми тағирёбии сарборӣ дар ҳудуди стандартӣ нигоҳ дошта шавад. Аз ин рӯ, танзимгари худкори шиддат (AVR) истифода мешавад. AVR шиддати терминалро назорат мекунад ва сипас ҷараёни ангезиши роторро зиёд ё кам мекунад, то шиддати устуворро нигоҳ дорад.
Ҳангоми зиёд шудани сарборӣ, ҷараёни статор меафзояд, ки дар натиҷа шиддат аз сабаби импеданси дохилии генератор коҳиш меёбад. AVR бо зиёд кардани ангезиш барои нигоҳ доштани шиддат "ҷуброн" мекунад.
7. Амалиёти ҳамоҳанг бо шабака (ҳамоҳангсозӣ)
Пеш аз пайваст кардани генератори синхронӣ ба шабакаи барқ, раванди ҳамоҳангсозӣ бояд анҷом дода шавад, яъне баробар кардани:
1. Шиддат (арзиши RMS),
2. Басомад,
3. Пайдарпайии фазаҳо,
4. Кунҷи фаза ҳангоми баста шудани автомат.
Агар генератор бе ҳамоҳангсозии дуруст ба шабака пайваст карда шавад, он метавонад ҷараёнҳои зарбаи калон ва моменти механикии ногаҳонӣ ба вуҷуд орад, ки метавонад ба таҷҳизот зарар расонад. Пас аз пайвастшавӣ, суръати ротор ба басомади система "маҳдуд" мешавад (ҳамоҳанг боқӣ мемонад), дар ҳоле ки қувваи фаъол асосан аз ҷониби моменти асосии ҳаракатдиҳанда муайян карда мешавад.
8. Қувваи фаъол ва қувваи реактивӣ дар генераторҳои синхронӣ
Дар системаи AC, генератор инҳоро таъмин мекунад:
– Қувваи фаъол (P): вобаста ба энергияи воқеии истифодашаванда аз ҷониби бор (кВт ё МВт).
– Қувваи реактивӣ (Q): бо ташаккули майдони магнитӣ дар сарбории индуктивӣ/симдорӣ (kVAr ё MVAr) алоқаманд аст.
Умуман:
– Қувваи фаъол тавассути танзими моменти гардиш/вуруди механикӣ (масалан, кушодани клапани буғӣ, ҷараёни об ё таъминоти сӯзишворӣ) идора карда мешавад.
– Қувваи реактивӣ ва шиддати терминал аз ҷониби ҷараёни ангезиш идора карда мешаванд.
Агар ангезиш зиёд шавад (аз ҳад зиёд ангезиш гирад), генератор майл дорад, ки ба шабака қувваи реактивӣ диҳад ва ба баланд шудани шиддати система мусоидат кунад. Агар ангезиш кам шавад (кам ангезиш гирад), генератор қувваи реактивиро фурӯ мебарад ва шиддат майл дорад, ки паст шавад.
9. Кесимпулан
Принсипи кори генератори синхронӣ ба индуксияи электромагнитӣ асос ёфтааст: ротори аз ҷараёни доимӣ ангехташуда майдони магнитии гардишкунандаро ба вуҷуд меорад, ки печҳои статорро бурида, шиддати сефазаи тағйирёбандаро ба вуҷуд меорад. Беназирии генератори синхронӣ муносибати мустақим байни басомади баромад ва суръати гардиш ва шумораи қутбҳо мебошад, ки ҳамчун \(N_s = 120f/P\\ ифода ёфтааст. Дар кори воқеӣ, устувории шиддат аз ҷониби AVR тавассути танзими ангезиш нигоҳ дошта мешавад, дар ҳоле ки қувваи фаъол аз ҷониби муҳаррики асосӣ танзим карда мешавад. Аз сабаби кори устувор, самаранокии баланд ва қобилияти танзими шиддат ва қувваи реактивии худ, генераторҳои синхронӣ сутуни асосии тавлиди нерӯи барқ ва системаҳои саросари ҷаҳон мебошанд.
