شرح کامل سیستمهای تحریک ژنراتور
در ابتدا پیشنهاد می کنم فایل PDF کامل “شرح کامل سیستم های تحریک ژنراتورهای تولید برق” را که در لینک های این صفحه قرار گرفته است دانلود کنید.
آنچه در این مقاله خواهید خواند :
- 0.1 در ابتدا پیشنهاد می کنم فایل PDF کامل “شرح کامل سیستم های تحریک ژنراتورهای تولید برق” را که در لینک های این صفحه قرار گرفته است دانلود کنید.
- 0.2 در این مقاله علاوه بر شرح کامل سیستمهای تحریک به مقایسه سیستمهای تحریک نیروگاه های عباسپور و رامین نیز پرداخته شده است.
- 1 سیستم تحریک چیست ؟
- 2 اجزای تشکیل دهنده سیستم تحریک
- 3 وظایف سیستم تحریک:
- 4 سیستم تحریک در نیروگاه:
- 5 مقایسه گاورنر و میکروکنترلر :
- 6 تفاوت بین دراپ و دروپ چیست؟
- 7 انواع سیستمهای تحریک:
- 8 انواع اكسايتر :
- 8.1 اكسايتر با رئوستاي تحت كنترل (سيستم اوليه):
- 8.2 سيستم كنترل ميدان تحريك به وسيله اكسايتر با ژنراتور DC كموتاتوردار:
- 8.3 سيستمهاي كنترل ميدان تحريك با استفاده از اكسايتر با يكسوكننده و آلترناتور:
- 8.4 سيستم كنترل ميدان تحريك با سيستم اكسايتر با يكسوكننده مركب:
- 8.5 سيستم كنترل ميدان تحريك با اكسايتر از نوع يكسوكننده مركب و اكسايتر با يكسوكننده و منبع تغذيه از نوع ولتاژي:
- 8.6 سيستم كنترل ميدان تحريك با اكسايتر متشكل از يكسوكننده با منبع تغذيه از نوع ولتاژي:
در این مقاله علاوه بر شرح کامل سیستمهای تحریک به مقایسه سیستمهای تحریک نیروگاه های عباسپور و رامین نیز پرداخته شده است.
سیستم تحریک چیست ؟
به القای ولتاژ در روتور ماشین سنکرون (که خاصیت الکترو مغناطیس پیدا کرده) تحریک ماشین گفته میشود و بنابراین سیستمی که جریان را تغذیه می کند سیستم تحریک نامیده می شود.
مقدار جریان تغذیه شده به طور مستقیم به نیروی الکترومغناطیسی و در نتیجه به سطح ولتاژ القا شده برروی استاتور بستگی دارد. برای ژنراتور سنکرون سیم پیچی میدان (که مغناطیس شده) همیشه برروی روتور قرار دارد و این بدان علت است که مقدار جریان در سیم پیچی میدان بسیار کمتر از سیم پیچ استاتور می باشد و در نتیجه ترتیب حرکت شفت آسانتر است و از همه مهمتر تعداد زغالها یکی کمتر و اسلیپ رینگ و زغالها حامل جریان کمتری می باشد.
اگر سیم پیچی میدان روی استاتور قرار بگیرد حجم سیم پیچی بیشتر میشود و در نتیجه ترتیب حرکت شفت سخت تر خواهد شد.
البته مطالبی که در بالا اشاره شد٬ اشاره به بحث آرمیچر ساکن در ماشین سنکرون دارد. امروزه با پیشرفت تکنولوژی از نیمه هادی های قدرت نظیر دیود و تریستور برای کنترل بهتر مشخصات ماشین تحریک می توان استفاده کرد.
اجزای تشکیل دهنده سیستم تحریک
تولید جریان روتور:
روتور ماشین باید به وسیله جریانی تغذیه شود به عنوان مثال: روتور ماشین بوسیله یک مبدل الکترونیکی پر قدرت تغذیه شود (این روش مستقیم است) و یا یک جریان کوچک، ماشین تحریک را تغذیه می کند که به طور منظم جریان روتور زیاد می شود. (روش غیر مستقیم)
منبع تغذیه:
سیستم تحریک به منظور تولید جریان به منبع تغذیه نیاز دارد منبع تغذیه به دو صورت تغذیه موازی و تغذیه سری کاربرد دارد. تغذیه موازی تغذیه ای است که از ترمینالهای ماشین گرفته می شود و تغذیه سری تغذیه ای است که از تغذیه کمکی گرفته می شود.
سیستم تنظیم کننده خودکار ولتاژ (میکروکنترلر) :
میکروکنترلر یک کنترل کننده حلقه بسته است که سیگنالی متناسب با ولتاژ خروجی ژنراتور را با یک ولتاژ مبنای ثابت مقایسه نموده و خطای ولتاژ به دست آمده را جهت کنترل خروجی سیستم تحریک مورد استفاده قرار می دهد.
اگر بار ژنراتور تغییر کند ولتاژ خروجی ژنراتور نیز تغییر می کند که این منجر به ارسال سیگنال خطا می گردد. خطای ولتاژ بوسیله تنظیم کننده ولتاژ تقویت شده و جهت کاهش یا افزایش میزان تحریک مورد استفاده قرار می گیرد تا ولتاژ خروجی ژنراتور را به مقدار اصلی خود برگرداند. پاسخ سریع و پایدار میکروکنترلر به تغییرات بار از اهمیت ویژه ای برخوردار است.
میکروکنترلر ولتاژ خروجی ژنراتور را از طریق ترانسفورماتور ولتاژ مربوط به خود دریافت می نماید. سیگنال ولتاژ سپس یکسو و صاف شده و با ولتاژ مبنا مقایسه می گردد. امکان تغییر ولتاژ مبنا با توجه به نیاز سیستم توسط اپراتور وجود دارد.
علاوه بر وظیفه اصلی کنترل ولتاژ، وظایف حیاتی دیگری بعهده میکروکنترلر است. میکروکنترلر شامل حلقه های کنترلی دیگری برای کنترل حدی مگاوار و فلوی اضافی می باشد.
مدار دنبال کننده خودکار:
در میکروکنترلر دو کاناله هر دو کانال تنظیم کننده می تواند بطور همزمان فعال باشند و هر کانال نیمی از نیازهای سیستم تحریک را برآورده سازند. روش دیگر فعال بودن یک کانال و رزو بودن کانال دیگر است که در صورتی که کانال فعال از کار بیفتد کانال رزرو وظیفه کانال فعال را دنبال خواهد کرد.
کنترل تحریک:
علاوه بر حلقه کنترل ولتاژ، تجهیزات مدرن تحریک شامل تعدادی مدارهای محدود کننده جنبی می باشند که بصورت کنترل کننده های موازی با مدار کنترل ولتاژ کار می کنند و در صورتیکه متغیر محدود شونده از حد تعیین شده تجاوز کند، جانشین سیگنال ولتاژ می باشد.
وظایف سیستم تحریک:
- نگه داشتن عملکرد ژنراتور در منطقه ایمنی که این کار با محدود کردن جریان میدان ماشین انجام می شود. به عنوان مثال محدودیت جریان میدان، محدودیت جریان استاتور، محدودیت ولتاژ، محدودیت جریان زیر تحریک و غیره
- مانیتور کردن و نشان دادن مشکل در اجزای سیستم تحریک به عنوان مثال ایجاد مشکل در دمای روتور، دمای ترانسفورماتور، اتصال زمین روتور، شکست دیود در حال چرخش و …
سیستم تحریک در نیروگاه:
اجزای اصلی قرار گرفته در نیروگاه به همراه اتصالات آنها به یک سیستم تحریک استاتیکی در دیاگرام فوق نشان داده شده است با توجه به شکل داریم:
ورودیها به سیستم تحریک:
1. منبع تغذیه اصلی به سیستم تحریک که به طور مستقیم از ترمینالهای ژنراتور و از طریق ترانس تحریک برداشت می شود
2. ترانس ولتاژها و ترانس جریانها: به منظور تنظیم ولتاژ ژنراتور ، از ترمینالهای خروجی ژنراتور نمونه ولتاژ و جریان برداشت می شود.
خروجیها از سیستم تحریک:
1. خروجی اصلی از سیستم تحریک ولتاژ سیستم تحریک است که از سیم پیچی روتور و از طریق لغزش حلقه عبور داده می شود (وقتی می خواهیم انرژی را از جای ثابت به یک جای متحرک و مخصوصا دوار انتقال دهیم احتیاج به لغزش حلقه داریم چرا که در صورت نبود آن٬ اگر بخواهیم انرژی را از طریق کابل به قسمت دوار انتقال دهیم کابل پاره خواهد شد و برای جلوگیری از این کار از لغزش حلقه استفاده می شود).
2. پیغام ها (از قبیل هشدار و خطا ها) که از سیستم تحریک به سیستم کنترل فرستاده می شوند.
مقایسه گاورنر و میکروکنترلر :
در حالت مانا، توان اکتیو به خروجی مکانیکی نیروگاه بستگی دارد. و توان راکتیو به سیستم تحریک بستگی دارد.
تضمین توزیع پایدار توان راکتیو بر عهده میکروکنترلر AVR می باشد. در ابتدا ممکن است فهمیدن ارتباط بین ولتاژ و توان راکتیو مشکل باشد.
توان اکتیو در شبکه:
اگر مقدار توان حقیقی تولید شده از مقدار توان استفاده شده بیشتر باشد سرعت شبکه افزایش می یابد. اگر مقدار توان حقیقی تولید شده از مقدار توان استفاده شده کمتر باشد سرعت شبکه کاهش می یابد. به منظور نگهداری فرکانس پایدار، بیشتر توربین ها از تنظیم کردن دروپبر بالای تنظیم قدرتشان استفاده می کنند. به عبارت دیگر اگر سرعت سقوط کند گاورنر توان حقیقی را افزایش می دهد حتی اگر قدرت ثابت برای تنظیم نقطه موجود باشد.
توان راکتیو در شبکه:
اگر توان راکتیو تولید شده از مقدار توان استفاده شده بیشتر باشد ولتاژ شبکه افزایش می یابد. اگر مقدار توان راکتیو تولید شده از مقدار توان راکتیو استفاده شده کمتر باشد ولتاژ شبکه کاهش می یابد. ما در ادامه به اینکه چطور مشخصات میکروکنترلر AVR به توزیع توان راکتیو کمک می کند توجه می کنیم.
در میکروکنترلر AVR ممکن است به ماشین مشخصات مختلف بوسیله تنظیم کردن دروپ (افت فرکانس) اعمال شود .
تفاوت بین دراپ و دروپ چیست؟
وقتی که ژنراتور را مورد بررسی قرار می دهیم توربین را نیز می توانیم بررسی کنیم. ژنراتور و توربین دو مقوله مانند هم می باشند رفتارهای ژنراتور و توربین مانند هم می باشند. ژنراتور قبل از وصل شدن به شبکه هر گونه تغییر در جریان تحریک باعث افزایش سطح ولتاژ ژنراتور می شود.
وقتی ژنراتور وصل به شبکه وصل می شود چون ژنراتور به شبکه بینهایت وصل شده هر گونه تغییر در جریان تحریک خودش را به صورت ولتاژ نشان نمی دهد چون در حقیقت ولتاژ ژنراتور همان ولتاژ شبکه است و ولتاژ از شبکه به ژنراتور اعمال می شود و ژنراتور یک عنصر کوچک است پس هر گونه تغییر در جریان تحریک خودش را به صورت مگاوار نشان می دهد و ولتاژ ژنراتور هیچگونه تغییری نمی یابد.
اگر مشکلی ناگهانی ایجاد شود خودش را به صورت تغییر در سطح ولتاژ شبکه نشان می دهد این افت ولتاژ را دراپ می گویند.
اگر توربین را در نظر بگیریم توربین قبل از وصل به شبکه هر گونه افزایش در بخار توربین خود را به صورت افزایش سرعت و فرکانس نشان می دهد. بعد از پارالل شدن اگر بخار را افزایش بدهیم خود را به صورت افزایش مگاوات نشان می دهد.
تغییرات ناگهانی فرکانس در هنگام سوئیچینگ را دروپ می گویند.
انواع سیستمهای تحریک:
اگر بخواهیم طبقه بندی روی انواع سیستم تحریک داشته باشیم باید بگوییم که در زمان های گذشته٬ به طور کلی طبقه بندی که برای سیستم های تحریک وجود داشت طبقه بندی به صورت استاتیک و دینامیک بود یعنی در زمان های گذشته تنها دو نوع سیستم تحریک استاتیک و دینامیک وجود داشت که در ابتدا تقسیم بندی انواع سیستمهای تحریک را بر اساس استاتیک و دینامیک توضیح می دهیم:
همچنین می توانید مقاله دیگر سایت را در اینجا مشاهده نمایید.
سیستم تحریک استاتیک:
مطابق شکل زیر برق متناوب AC بعد از یکسو شدن توسط تعدادی ذغال به روتور ژنراتور اصلی می رود و آنرا تحریک می کند. در این روش همه جریان تحریک درون یک محفظه ثابت که یکسو کننده ها در آن قرار دارند ساخته می شود و به همین دلیل آنرا روش استاتیک گویند.
برق AC مورد نیاز یکسو کننده معمولا از سه فاز خروجی ژنراتور گرفته می شود و از آنجا که ولتاژ خروجی ژنراتور تا قبل از تهیه جریان تحریک بسیار پائین است (به علت پسماند مغناطیسی ولتاژ کمی ایجاد می شود) و نمی تواند سیستم تحریک را تغذیه کند٬ پس لازم است در شروع تحریک از باطری خانه کمک بگیریم و با وصل آن به سیم پیچ توسط کلید B ولتاژ خروجی ژنراتور را به حدی برسانیم که بتواند سیستم تحریک را تغذیه کند و بعد باطریها را قطع کنیم.
سیستم تحریک دینامیک:
در این روش حداقل از یک ژنراتور هم محور با ژنراتور اصلی استفاده شده که این ژنراتور ممکن است یک ژنراتور DC باشد. درون یک محفظه ثابت (یکسو کننده و کنترل ولتاژ) یک برق DC کوچک (مثلا 2 الی 3 آمپر)تهیه کرده و به عنوان جریان تحریک به استاتور (قطب آهن ربای دائم) ژنراتور DC می دهیم. ولتاژ القایی در روتور آن توسط کلکتور و ذغال گرفته شده و به روتور ژنراتور اصلی داده می شود.
(مطابق شکل زیر)
البته این روش قدیمی است و هم اکنون به جای ژنراتور DC از ژنراتور سنکرون (AC) استفاده می شود و ولتاژ القائی بو سیله دیودهای چرخان که داخل محور قرار دارند یکسو شده و از همانجا به روتور اصلی متصل می گردد.
در حال حاضر سه نوع سیستم تحریک برای ژنراتورهای بزرگ مورد استفاده قرار می گیرند که عبارتند از:
- سیستم تحریک استاتیک
- سیستم تحریک مشتمل بر تحریک کننده اصلی سه فاز و دیودهای ثابت
- سیستم تحریک بدون جاروبک
انواع اكسايتر :
در عمل انواع مختلفي اكسايتر مورد استفاده قرار مي گيرد كه انواع معمول آن عبارتند از:
اكسايتر با رئوستاي تحت كنترل (سيستم اوليه):
در ابتدا سيستم كلي با پاسخ كند را در نظر مي گيريم كه در شكل بالا تركيب كلي سيستم را مي توان ملاحظه كرد كه اين نوع سيستم شامل اكسايتر با كنترل اتوماتيك و يا دستي ميدان تحريك مي باشد.
در اين نوع مدار شماتيك، رگولاتور ولتاژ، دامنه ولتاژ را اندازه گرفته و بر حسب دامنه ولتاژ درصد و تغيير مقدار مقاومت رئوستا و تنظيم آن به وسيله سيستم مكانيكي را برآورده مي سازد.
يك نوع آن كه به طور مستقيم روي رئوستا عمل مي كند شامل سيم پيچ تنظيم كننده بوده كه روي (همان حلقه لغزنده روي رئوستا مي باشد) عمل كرده و در اثر گردش آن و لغزيدن برجستگي هادي كه از جنس نقره (به عنوان هادي) مي باشند قسمتي از رئوستا اتصال كوتاه شده و مقدار مقاومت آن تغيير خواهد كرد.
در عمل در اثر افزايش ولتاژ خروجي ژنراتور ، ولتاژ DC خروجي يكسوكننده افزايش مي يابد كه خود اين عمل موجب افزايش جريان داخل سيم پيچ رگولاتور گشته و در اثر اين عمل به طور مكانيكي و از طريق سولونوئيد تغيير مقاومت ميدان اكسايتر حاصل خواهد شد.
اين كاهش در فلوي ميدان اكسايتر كه ناشي از تغيير مقاومت ميدان اكسايتر و يا به عبارتي ناشي از كم شدن ولتاژ دو سر آن مي باشد، موجب كم شدن جريان سيم پيچ ميدان تحريك ژنراتور شده و در نهايت موجب كاهش ولتاژ خروجي آن مي گردد.
سيستم كنترل ميدان تحريك به وسيله اكسايتر با ژنراتور DC كموتاتوردار:
اين نوع اكسايتر كه از طريق ژنراتور DC كموتاتور دار عمل تحريك را انجام مي دهد داراي دو تقويت كننده در ميدان فيدبك مي باشد كه يكي از آنها تقويت كننده گردان (آمپيلي داين) و ديگري تقويت كننده مغناطيسي مي باشد.
شكل (زیر) نشان دهنده يك چنين سيستمي مي باشد كه مركب از تقويت كننده گردان (آمپلي داين) در مدار ميدان تحريك مي باشد.
اين تقويت كننده براي تغذيه مطلوب ميدان اكسايتر تعبيه شده كه باعث مي شود سرعت پاسخ آن از حالت سيستم خود تحريک به مراتب بهتر باشد.
سيستم ديگري كه مشابه اكسايتر قبلي مي باشد در شكل (زیر) مشاهده مي شود كه تقويت كننده آن از نوع تقويت كننده مغناطيسي استاتيكي مي باشد كه منبع تغذيه آن عبارت از مجموعه موتور ژنراتور با مغناطيس دائم مي باشد كه فركانس اين منبع تغذيه را تا 420HZ افزايش مي دهند تا از اين طريق بتوانند پاسخ تقويت كننده را تا جاي ممكن سريعتر گردانند.
بايستي توجه نمود كه اكسايتر موجود در اين سيستم داراي دو سيستم كنترل ميدان مي باشد كه يكي از آنها به منظور تقويت و ديگري به عنوان خود تنظيم به كار مي رود.
سومين نوع كنترل ميدان موجود براي خود تحريكي به صورت دستي مي باشد كه از اين كنترل در صورتي كه تقويت كننده از مدار خارج باشد مي توان استفاده كرد.
سيستمهاي كنترل ميدان تحريك با استفاده از اكسايتر با يكسوكننده و آلترناتور:
با پيشرفت تكنولوژي و با دسترسي با يكسوكننده هاي نيمه هادي (ديود) با جريان زياد استفاده از سيستمهاي ديگري امكان پذير گشته كه در اين سيستمها اكسايتر يك ژنراتور AC بوده كه خروجي آن را بعد از يكسوكردن به عنوان جريان ميدان تحريك ژنراتور اصلي به كار مي برند.
در مدارهاي كنترل اين نوع سيستمها از المانهاي نيمه هادي استفاده مي شود كه اين عمل موجب افزايش سرعت پاسخ سيستم مي گردد.
در اين نوع سيستم خروجي آلترناتور بعد از يكسوشدن از طريق جاروبك ها به سيم پيچ ميدان ژنراتور اصلي اعمال مي شود.
تحريك آلترناتور اين نوع اكسايتر به صورت شنت (موازي) مي باشد كه كنترل ميدان تحريك آن از طريق تغيير زاويه آتش تريستورها انجام مي گيرد كه براي تغيير اين زاويه آتش از يك مدار كنترل الكترونيكي استفاده مي گردد.
اين نوع كنترل بسيار سريع مي باشد چرا كه زمان لازم براي تغيير زاويه آتش در مقايسه با ثابت زماني هاي موجود در سيستم بسيار كم بوده و از آن مي توان صرف نظر نمود.
سيستم كنترل ميدان تحريك با سيستم اكسايتر با يكسوكننده مركب:
دسته ديگر از سيستمهاي تحريك عبارت از اكسايترهادي با يكسوكننده هاي مركب مي باشند كه نمونه اي از اين نوع سيستم را در شكل (زیر) مشاهده مي كنيم.
اين نوع سيستم را از جهتي شبيه سيستم خود تحريك ژنراتور AC اصلي مي توان دانست و بايد توجه داشته باشيم كه قدرت ورودي اكسايتر از ترمينال خروجي استاتور ژنراتور تأمين مي شود و نه از توان مكانيكي محور ژنراتور طبق نمونه هاي قبلي ذكر شده.
فيدبك الكتريكي بوسيله يك راكتور قابل اشباع كنترل شده و اين كنترل به دو منظور به كار رفته است كه يكي براي كنترل خروجي AC و ديگري براي كنترل منبع تغذيه هاي داخلي خود اكسايتر مي باشد. اين سيستم يك سيستم كاملاً ساكن مي باشد و اين مسئله براي وسايل يدكي مهمترين مسئله مي تواند باشد. اين سيستم به طور كلي براي استفاده در واحدهاي كوچك طراحي شده است ولي اين اصول مي تواند عيناً براي واحدهاي بزرگتر هم صادق باشد.
سيستم كنترل ميدان تحريك با اكسايتر از نوع يكسوكننده مركب و اكسايتر با يكسوكننده و منبع تغذيه از نوع ولتاژي:
تغيير مناسبي كه در سيستم يكسوكننده مركب مي توان داد عبارت از اضافه كردن يكسوكننده ديگري مي باشد كه خروجي آن با خروجي فيدبك خود تحريك جمع شده و موجب دستيابي به كنترلهاي اضافي روي ميدان تحريك شود كه اين مسئله را در شكل (زیر) مي توان مشاهده كرد.
چنانچه در شكل (بالا) مشخص مي باشد در اين سيستم كنترل، رگولاتور ولتاژ يك سيستم يكسوكننده ثانوي بوده و تقويت كننده ترينيستات ناميده مي شود. اين سيستم به منظور دستيابي به كنترل ميدان تحريك ذكر شده طراحي شده است و چنانچه مشاهده مي شود سيستمي كاملاً ساكن بوده و ذاتاً بسيار سريع مي باشد و ثابتهاي زماني تنها از راكتور و رگولاتور ظاهر مي شوند.
سيستم كنترل ميدان تحريك با اكسايتر متشكل از يكسوكننده با منبع تغذيه از نوع ولتاژي:
آخرين نوع از سيستمهاي ميدان تحريك عبارت از نوع خود تحريك ژنراتور اصلي مي باشد كه در آن عمل يكسوكنندگي به جاي ديود توسط تريستورها انجام مي گيرد.
یک نوع از اين سيستم را در شكل (زیر) مي توان مشاهده كرد.
این سیستم داراي رگولاتور ولتاژ ساكن با تغذيه ولتاژ جريان بوده و از پارامترهاي ميدان تحريك سيگنالهاي لازم براي تحريك گيت تريستورها گرفته مي شود كه عمل كنترل تريستورها از طريق اين سيگنال ها مي باشد . اين نوع سيستم كنترل بسيار سريع مي باشد چرا كه هيچ تأخير زماني در آن موجود نبوده و تغيير زاويه آتش تريستورها بدون تأخير زماني انجام مي گيرد.
پیشنهاد میکنم مقاله “حفاظت های ژنراتور قدرت” را از دست ندهید !
با سپاس بخاطر مطالب مفیدتان. آیا استفاده از AVR دوکاناله (استفاده از سیستم پشتیبان برای AVR) الزامی است؟ اگر الزامی است برای چه توانی؟
در حالی که استفاده از AVR دو کاناله در یک سیستم تحریک ژنراتور برق اجباری نیست، داشتن یک سیستم پشتیبان برای AVR می تواند قابلیت اطمینان و افزونگی بیشتری را در صورت خرابی فراهم کند. داشتن چندین کانال می تواند اطمینان حاصل شود که ژنراتور همچنان به کار خود ادامه می دهد و در صورت بروز خطا یا مشکل در AVR اولیه، یک منبع تغذیه پایدار فراهم می کند. در نهایت، تصمیم به استفاده از یک سیستم پشتیبان برای AVR به الزامات خاص و نیازهای قابلیت اطمینان سیستم تولید برق بستگی دارد.