دانلود مقاله تنظیم کننده اتوماتیک ولتاژ

ژنراتور سنکرون (6 و 4)

در این فصل ابتدا به شرح ساختمان داخلی ژنراتور سنکرون می پردازیم و سپس مدل ریاضی و مدار معادل آن مطرح می شود.

ساختمان داخلی و اصول کار:

هر ماشین الکتریکی و الکترونیکی دارای دو قسمت می باشد، یک قسمت گردنده به نام موتور و دیگری قسمت ساکن، استاتوره و رتور به وسیله یک فاصله هوایی کوچک از یکدیگر جدا شده اند. استاتور یک استوانه توخالی است و از مواد فرومغناطیسی ساخته شده است. درون استاتور شیارهای طولی تعبیه شده است. این استوانه تو خالی از ورقه های نازک به هم چسبنده به وجود می‌آید، درون شیارها کلانهایی سیم پیچ قرار می گیرند و طوری به هم اتصال داده شده اند که سیم پیچ جداگانه را تشکیل می دهد. لذا استاتور هم درون شیارهای خود سیسم پیچ ها را جای می دهد و هم برای میدان مغناطیسی حاصله ای ار رتور یک مسیر برگشتی با مقاومت مغناطیسی کم ایجاد می‌کند.

رتور نیز استوانه تو پر بوده و از مواد فرومغناطیسی ساخته شده است، سیم پیچ تحریک بر روی رتور قرار دارد و این سیم پیچ به منبع تغذیه DC موسوم به تحریک کننده متصل می شود. عمل سیم پیچ تحریک ایجاد یک میدان مغناطیسی قوی است و چون رتور می تواند درون استاتور بچرخد لذا این میدان سیم پیچ استاتور را قطع کرده و بر طبق قانون القای فارادی در آنها ولتاژ القا می‌کند. رتور استاتور طوری طراحی می شوند که هنگام گردش رتور تحت سرعت ثابتی در هر یک از سیم پیچ ها استاتور ولتاژی سینوسی القا شود. این سه ولتاژ از نظر دامنه با یکدیگر برابر بوده و فقط با یکدیگر 120 درجه اختلاف فازی زمانی دارند.

اگر این سه سیم پیچ استاتور را به صورت سه فاز به هم متصل کنیم یک مولد سه فاز خواهیم داشت. باید دانست که به خاطر ملاحظات عملی سیم پیچ های استاتور بهصورت ستاره به یکدیگر متصل می شوند.

ایده اصلی عملکرد یک ژنراتور را می توان توسط بحث درباره ولتاژ القا شده در آرمیچر یک ژنراتور سنکرون ساده تکفاز از روی شکل 1-1 درک کرد.

سیم پیچ میدان تحریک (سیم پیچ رتور) توسط یک جریان مستقیم که توسط جاروبکهای لغزنده روی کلکتور وارد سیم پیچی می شوند تغذیه می شوند. سیم پیچی آرمیچر نیز شامل یک کلاف N دروری است که سطح مقطع آن  در محیط داحخلی استاتور جای داده شده است. مفتول هائی که دو طرف این کلاف را تشکیل می هند موازی محور ژنراتور بوده و با یکدیگر سری شده اند. رتور با سرعت ثابت توسط یک منبع قدرت مکانیکی که به محور ژنراتور متصل است می چرخد مسیر شار مغناطیسی درشکل به صورت نقطه چین رسم شده است. توزیع چگالی شار در B در فاصله هوائی تابعی از زاویه  پیرامون فاصله هوائی است که در شکل a-2-1 نشان داده شده است.

توزیع موج چگالی شار را می توان با شکل دادن صحیح صفحات قطبها به صورت سینوسی درآورد. هنگامی که رتور می چرخد شار موجی شکل توسط دو طرف کلاف () جاروب می شود.

ولتاژ منتجه کلاف در شکل b-2-1 که یک تابع زمانی است دارای شکل موجی شبیه موج چگالی شار B می باشد.

در نتیجه یک دور چرخش کامل رتور دو قطبی یک سیکل کامل ولتاژ در آرمیچر القا می شود. از این رو فرکانس ولتاژ بر حسب سیکل بر ثانیه (هرتز) مساوی گردش رتور در ثانیه است یعنی فرکانس الکتریکی با سرعت مکانیکی همزمان (سنکرونیزه) شده است و بدین علت چنین ماشین هایی را سنکرون می گویند یک ماشین سنکرون دو قطبی باید 3000 درو در دقیقه بچرخد.  تا ولتاژی با فرکانس 50 هرتز تولید نماید. بسیاری از ماشین های سنکرون دارای قطب های بیشتر از دو می باشد. شکل 3-1 یک مولد چهار قطبی تک فاز مقدماتی را نشان می دهد.

سیم پیچی آرمیچر شامل دو کلاف  و  می باشد که به طور سری به هم متصل شده اند. پهنای هر کلاف نصف طول موج شار می باشد. در این حالت ولتاژ تولید شده دو سیکل کامل را در هر چرخش رتور طی می‌کند. فرکانس ولتاژ تولید شده دو برابر سرعت چرخش بر ثانیه است. (بر حسب هرتز)

سیم پیچی میدان توزیع شده در شیارها قرار دارد و طوری پیچیده شده تا تولید یک میدان سینوسی در فاصله هوایی بنماید.

بعلت مزایای سیستم سه فاز در تولید، انتقال و مصرف، در قدرت های زیاد از مولد های سنکرون سه فاز استفاده می شود. برای تولید یک مجموعه سه فازه که فازها به اندازه 120 درجه الکتریکی در زمان با هم فاصله دارند باید از سه کلاف که 120 درجه الکتریکی باهم فاصله دارند استفاده کرد. در شکل 6-1 یک ماشین دو قطبی سه فاز با یک کلاف در هر فاز را نشان می دهد. فازها توسط N و S مشخص شده اند.

در یک ماشین چهار قطبی مقدماتی مانند شکل b-6-1 محیط استاتور باید شامل دو مجموعه کلاف باشد به طوری که در یک ماشین P قطبی  مجموعه کلاف باید وجود داشته باشد. در شکل b-6-1 برای آنکه ولتاژ های هر فاز با هم جمع شوند دو کلاف درهر ماه به طور سری متصل شده اند.

سه فاز ممکن است به صورت  یا Y به هم متصل شوند..

موقعی که یک مولد سنکرون قدرت به بار تحویل می دهد جریان آرمیچر تولید شاری در فاصله هوائی می نماید که با سرعت سنکرون می چرخد.

این شار نسبت به شار تولید شده توسط جریان میدان تحریک عکس العمل نشان می دهد و گشتاور الکترومغناطیسی ناشی از برایند این دو میدان مغناطیسی می باشد. در ژنراتور گشتاور الکترومغناطیسی یا چرخش مخالفت می نماید و برای نگهداری عمل چرخش یک گشتاور مکانیکی باید از طرف محرک اولیه اعمال شود. ناگفته نماند که اگر تقسیم چگالی شار در قطب ها سینوسی باشد نیروی الکتروموتوری emf القا شده در آرمیچر از یک رابطه سینوسی پیروری می‌کند و اگر منحنی فضایی میدان مغناطیسی شامل رمونیک های بالا باشد نیروی الکتروموتوری القا شده نیز بدون هارمنونیک نخواهد بود، در نتیجه می توان گفت که توزیع چگالی شار در قطب ها در موقع گردش آزاد رتور (بدون بار)درست با تغییرات زمانی تغییرات نیروی الکتروموتوری در سیم پیچ های استاتور مطابقت دارد.

2-1مدار معادل

مولدهای انرژی الکتریکی همواره دارای مقاومت داخلی می باشد که در مولد های جریان متناوب این مقاومت داخلی ترکیبی از مقاومت اهمی و راکتانس سلفی می باشد در مولد های جریان متناوب سنکرون مقدار اهمی نسبت به راکنانس سلفی خیلی کوچک است و معمولا ازآن در محاسبات صرفنظر می کنند. با توجه به این مطلب مداد معادل یک فاز ژنراتور سنکرون در شکل 7-1 آمده است.

شکل 7-1 مدار معادل

با توجه به مدار معادل

                                                                                (1-1)

علامت  نمایشگر مقادیر فاز وری می باشد. چون شار در فاصله هوایی به صورت سینوسی توزیع شده است. و ژنراتور با سرعت زاویه الکتریکی  چرخاننده می شود داریم:

                 (2-1)                   

 وابسته به جریان تحریک  می باشد.

لذا نیروی محرکه القایی وابسته به جریان تحریک و فرکانس ولتاژ القا شده (سرعت چرخش رتور) می باشد یا:

                                                                                     (3-1)          

2- تحریک (3 و 4)

1-2- مقدمه

ولتاژ تحریک باید از حالت بی باری تا بارنامی ژنراتور در حدود 5/2 باربر یا بیشتر قابلیت تنظیم و تغییر داشته باشد. در حالتی که در اثر سیم های انتقال انترژی بی باری، بار ژنراتور خازنی می گردد و باید تحریک بی باری ژنراتور نیز کوچکتر گردد. از این جهت ولتاژ تحریک ژنراتور های بزرگ که به شبکه های با قدرت زیاد متصل هستند و ولتاژ ترمینال آنها توسط شبکه تعیین میگردد باید تقریباً بین صفر و ولتاژی که در موقع اضافه بار لازم است قابل تنظیم باشد، همچنین لازم است که ولتاژ تحریک ژنراتور توسط تنظیم کننده ولتاژ حتی الامکان به طور سریع تنظیم گردد تا در موقعی که ضربه های بار به ژنراتور وارد می شود افت ولتاژ تا آنجا که ممکن است کوچک نگه داشته شود.

به طور کلی ژنراتور همزمان با تغییرات بار ژنراتور تغییر می‌کند و تنها راه برای ثابت نگه داشتن ولتاژ ترمینال تنظیم جریان تحریک ژنراتور و یا به عبارت دیگر تنظیم ولتاژ سیم پیچی تحریک می باشد. این عمل به کمک تنظیم کننده ولتاژ انجام می گیرد این دستگاه ولتاژ تحریک را متناسب با افت ولتاژ ژنراتور تنظیم می‌کند.

عواملی که باعث تغییر ولتاژ ژنراتور می شود عبارتند از: ضریب توان و شدت جریان بار، سرعت چرخش و درجه حرارت برای دستگاه تنظیم ولتاژ باید مستقل از  عامل بوجود آورنده تغییر ولتاژ باشد. تنظیم ولتاژ تحریک ژنراتور برای تنظیم و تثبیت ولتاژ ترمینال همیشه با یک ثابت زمانی قابل توجهی همراه است و نمی تواند به طول همزمان صورت گیرد.