Synchronisation von Drehstrom-Synchronmaschinen

Quelle: Ali Bazzi, Department of Electrical Engineering, University of Connecticut, Storrs, CT.

Schleifringläufer Drehstrom-synchrone-Generatoren sind die wichtigste Quelle der elektrischen Energie weltweit. Sie benötigen einen Prime Mover und ein Exciter um Strom zu erzeugen. Der Prime Mover kann eine Turbine von Fluid (Gas oder Flüssigkeit) gesponnen werden, damit Wasser einen Damm durch eine lange Düse werden die Quellen der Flüssigkeit kann Dampf aus Wasser verdunstet über verbrannte Kohle usw.. Die meisten nutzen Kraftwerke einschließlich Kohle, Atomkraft, Erdgas, Heizöl und andere Synchrongeneratoren.

Das Ziel dieses Experiments ist zu verstehen, die Konzepte zur Anpassung der Spannung und Frequenz Ausgänge ein Dreiphasen-Synchron-Generator, gefolgt von mit dem Netz synchronisiert. Die Auswirkungen der Feldstrom und Geschwindigkeit-Variationen auf die Generator-Ausgangsleistung sind auch demonstriert.

Synchronmaschinen verlassen sich auf das gleiche rotierenden Magnetfeld-Konzept, das für AC Induktion Maschinen eingeführt wurde. Drehstrom-Ströme in der Maschine Stator, produzieren ein rotierendes Magnetfeld der konstante Größe bei einer gewünschten Frequenz. Der Unterschied zwischen den synchronen und asynchronen Maschinen ist, dass letztere kurzgeschlossen hat Wicklungen oder ein "Käfigläufer" auf der Rotor-Seite, während Synchronmaschinen ein festes Magnetfeld auf der Rotor-Seite haben. Dieses Magnetfeld wird entweder durch ein Exciter oder Permanentmagnete bereitgestellt. Permanent-Magnet-Synchronmaschinen werden immer häufiger durch ihre hohe Effizienz und kompakte Größe, aber in der Regel nutzen sie seltene Erden Material, das aus Sicht der strategischen Materialverfügbarkeit unerwünscht ist. Der Begriff synchrone ist verwendet, da der Rotor Magnetfeld, die unabhängig von den Stator, die rotierenden Magnetfeld sperrt und bewirkt, den Rotor dass zu drehen mit derselben Geschwindigkeit (oder synchrone Drehzahl) als rotierendes Magnetfeld des Stators.

Erreger der Generator DC Bereich vorsehen und können gebürstet oder brushless. Das Setup verwendet in dieser Demo ist eine gebürstete Exciter, wo DC auf die Rotorwicklung (Feld) von der Synchronmaschine durch interne Bürsten und Schleifringe angewendet. Permanentmagnet-Erregung ist auch möglich, aber würde den Rahmen dieses Experiment.

Um den Generator in einer Anlage an das Stromnetz anschließen, drei Faktoren im Generator Ausgang Spannungen müssen mit denen des Stromnetzes übereinstimmen: Größe, Häufigkeit und Phasenfolge. Während automatische Synchronisierungen in der Regel in großen Kraftwerken genutzt werden, ist eine einfache Methode für die manuelle Synchronisierung in diesem Video verwendet. Diese Methode ist das "drei-Lamp-Verfahren." Die Methode bietet die Sichtprüfung mit drei Phasen auf der Generator und Netz-Seite der gleichen Stärke, Häufigkeit und Phasenfolge, wenn alle Lampen schalten Sie aufgrund der passenden Spannungen, deren Differenzbetrag, gesehen durch die Lampen ist Null.

Nach der Synchronisierung, und einmal den Generator ist gebunden an das Stromnetz, entfällt Drehzahlregelung für diese Demonstration, da das Raster wie eine "unendliche Bus" wirkt, wo die Generator-Dynamik nur minimale Auswirkungen auf das Gitter haben. So, die Frequenz und Spannung des Generators lesen genau wie diejenigen auf der Netz-Seite. Aber es noch gewisse Wirkung des Prime Mover gibt: Wenn die Antriebsmaschine versucht, um den Generator zu beschleunigen, die Generatordrehzahl sich nicht ändert, sondern vielmehr der Generator mehr Strom in das Netz erzeugt. Zum Beispiel, wenn der Generator angenommen wird, ideal, Erhöhung der Geschwindigkeit effektiv erhöht die mechanische Eingangsleistung, aber da die Geschwindigkeit festgelegt wird, die Eingabe Drehmoment erhöht und damit die elektrische Leistung des Generators erhöht. Jedoch wenn die Antriebsmaschine versucht, um den Generator zu verlangsamen, das Drehmoment sinkt und zu einem bestimmten Zeitpunkt kehrt das Vorzeichen, wodurch des Generators zur Verringerung seiner Ausgangsleistung bis Kraftfluss ist umgekehrt, und es wie ein Motor wirkt.

(1) Prime Mover Initialisierung

Die Antriebsmaschine in diesem Experiment ist das Dynamometer, die als Motor arbeitet, die der Generator-Rotor (Feld) dreht.

1. Stellen Sie sicher, dass alle die Dreiphasen-Trennschalter, Synchronmotor Switch und DC-motor-Schalter ausgeschaltet sind.
2. Prüfen Sie, ob die VARIAC bei 0 %.
3. Verdrahten Sie die VARIAC mit Drehstrom-Steckdose und verbinden Sie das Setup in Abb. 1 dargestellt.
   1. Verwenden Sie den Drehstrom-Schalter auf der Synchronmaschine Seite als "S₁".
   2. Beachten Sie, dass "S₁" und die drei-Lampe-Setup parallel sind.
   3. Beachten Sie auch die Polaritäten der digitale Zähler Sonden.
   4. Überprüfen Sie, dass der "Start/ausführen" Schalter in der Position "Start".
4. Maximalen Widerstand "R_F" gesetzt.
5. Lassen Sie die VARIAC bei 0 % und lassen Sie Weg "S₁".
6. Der Drehstrom-Trennschalter einschalten.
   1. Schalten Sie die Hochspannung DC-Stromversorgung.
   2. Stellen Sie sicher, dass alle Verbindungen von den Anschlussklemmen klar.
   3. Drücken Sie die "V / ich DIS" Taste auf dem Angebot zur Anzeige der Spannung und aktuellen Betriebspunkte. Passen Sie die Spannung Regler bis 15 V.
   4. Drücken Sie "Start" DC Versorgung. Das Dynamometer sollte einen großen transienten Strom aus der DC-Versorgung gezogen haben. Wenn ihr "OCT" Licht anmacht, erhöhen Sie der Überstrom-Limit.
7. Die Maschine sollte langsam gedreht.
   1. Die DC Versorgung Ausgangsspannung auf rund 160 V zu erhöhen.
   2. Messen Sie die Drehzahl der Welle.
   3. Passen Sie die Versorgungsspannung um 1800 u/min Drehzahl zu erreichen.
   4. Aufzeichnung der DC-Strom und Spannung auf dem Display der Versorgung.
8. Lassen Sie die Einstellung unverändert und schalten Sie die Geräte nicht.

Abbildung 1 : Eine schematische Setup für das drei-Phasen-synchron-Generator-Experiment. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

(2) synchronisieren die synchronen-Generator mit dem Netz

1. Schalten Sie den Schalter Start/Ausführen der Synchronmaschine Seite auf "Run". Die drei Lampen sollten jetzt einschalten.
   1. Stellen Sie "R_F" und die Versorgungsspannung iterativ V_Gzu erreichen = 120 V, und stellen Sie die Frequenz des V_G auf die digitale Leistungsmesser bis 60 Hz. Werte innerhalb von +/-2 % sind zulässig.
   2. Leicht erhöht VARIAC Erreichung V_AC1= 120 V.
2. In diesem Stadium ist das Raster 120 V bei einer Frequenz von 60 Hz zur Verfügung.
   1. Rekord Spannung, Strom und macht Lesungen auf beide Stromzähler. Umgekehrten Vorzeichen vor einer beliebigen Anzahl auf den Meter nicht außer acht lassen.
3. Die Lampen sollten ihre Beleuchtung Muster ändern.
   1. Wenn alle Lampen hell und dunkel zur gleichen Zeit gehen, haben der Generator und das Gitter die gleiche Phasenfolge. Nennen Sie es a-b-c für die drei-Phasen-Sequenz im Einsatz.
   2. Wenn die Lampen Zyklus wie Weihnachtsbaum leuchtet, dann der Generator und das Gitter andere Phase Sequenzen haben, wo man a-b-c und das andere ist a-c-b ist in einer Gruppe von Lampen.
      1. In diesem Fall wiederum die VARIAC wieder auf 0 %.
      2. Drücken Sie "Stop" auf das Power Supply Panel.
      3. Reduzieren Sie die DC Spannungseinstellung zurück zu 15 V.
      4. Der VARIAC Seite Phasen "b" und "c" einschalten.
      5. Wiederholen Sie die obigen Schritte ab Schritt 2.1.
4. Dieser Schritt erfordert schnelles Handeln: Schalten Sie in dem Augenblick, die alle Lichter ausschalten ein "S₁". Die Lichter sollten alle ab, bleiben, da "S₁" jetzt als ein Kurzschluss an ihren Klemmen handelt.
5. Der Generator ist nun mit dem Netz synchronisiert. Aufzeichnen der Spannung, Strom und macht Lesungen auf beide Stromzähler. Ignorieren Sie Zeichen nicht.
6. Lassen Sie die Einstellung unverändert.

3. Auswirkungen der aktuellen Feld variation

1. "R_F" in etwa fünf Stufen von seine maximale Position auf niedrigste Position anpassen, und zeichnen Sie die folgenden für jeden Schritt: Wellendrehzahl; Drehmoment Welle und Zeichen; Spannung, Strom und macht Lesungen auf beide Stromzähler; Spannung und aktuelle Messwerte auf der DC-Versorgung.
2. Wenn diese "R_F" Variante dasselbe Vorzeichen für alle macht Lesungen bietet:
   1. Stellen Sie leicht die DC Ausgang um eine Rückleistung fließen aus/in die Synchronmaschine zu erreichen.
   2. Denken Sie daran, dass negative Energie bedeutet, dass die Maschine Strom erzeugt wird.
3. Passen Sie die DC Spannung in fünf Schritten ohne Überschreitung ein total Gleichstrom auf dem Angebot Display von 3,5 A. Datensatz die folgenden für jeden Schritt: Wellendrehzahl; Drehmoment Welle und Zeichen; Spannung, Strom und macht Lesungen auf beide Stromzähler; Spannung und aktuelle Messwerte auf der DC-Versorgung.
4. Das Setup intakt zu halten.

4. zerlegen das Setup

Die folgende Sequenz sollte vor der Demontage der Einrichtung beachten:

1. Schalten Sie die VARIAC wieder auf 0 %.
2. Schalten Sie die Stromversorgung durch Drücken der "Stop".
3. Wenn die Maschinen nicht drehen mehr, drehen Sie den "Start/ausführen" Schalter "Startposition", und schalten Sie "S₁".
4. Schalten Sie die Dreiphasen-Trennschalter.
5. Zerlegen Sie das Setup.

Die gewünschte Drehzahl der Antriebsmaschine ist bei 1.800 u/min eingestellt, da die Synchronmaschine vier Pole (P hat) und mit einer Frequenz f arbeitet= 60 Hz, also Synchrondrehzahl 120f/P= 1.800 u/min.

Bei der Synchronisierung der Synchronmaschine (Generator) an das Netz bietet die Maschine Antriebsmaschine Drehung, aber ein magnetisches Feld auf der Maschine Rotor bereitgestellt werden. Dies geschieht mit Hilfe der DC-Stromversorgung, die die Rotor Spule liefert und baut das Magnetfeld des Rotors. Wechselspannung durch das rotierende DC Magnetfeld des Rotors auf der Seite der Stator induziert wird wird, und die Stärke des Magnetfeldes Rotor durch das DC-Netzteil. Um den Stator-Seite AC Ausgangsspannung allmählich zu erhöhen, ist die DC-Stromversorgung langsam hochgefahren.

Sobald die gewünschte AC-Spannung erreicht ist, fahren die Lampen. Mit phase "a" als ein Beispiel, es wird angenommen, dass die Netz-Seite Spannung 170cos(120πt) V hat eine RMS-Spannung von 120 V = 170/sqrt(2) und einer Frequenz von 60 Hz (2π * 60 rad/s). Einmal die Maschine Phase kommt "a" bei 170cos(120πt) V, die Spannung über der Lampe Klemmen wird Null und die Kontrolllampe ausschaltet. Allerdings ist es sehr schwierig, beide Spannungen in der gleichen Phase haben, und die Maschine Spannung ist am wahrscheinlichsten 170cos(120πt + φ) V wo φ eine Phasendifferenz Null ist. Durch die Anpassung der Spannung Größenordnung, mit der DC-Rotor-Feld und die Frequenz, mit der Antriebsmaschine Geschwindigkeit, sollten die Spannungen auf der Maschine Phasen und ihre entsprechenden Raster-Seite Spannungen durch geringe Spannung und Frequenz Störungen übereinstimmen.

Wenn die Phasenfolge des a-b-c aus dem Netz mit einer anderen Reihenfolge a-c-b aus der Maschine erfüllt ist, fahren die Lampen wie die Spannungen über die Lampen nie summieren sich auf allen drei Phasen gleichzeitig auf Null.

Die Maschine arbeitet als Generator, wenn macht Lesungen in die Maschine macht fließen in das Netz im Vergleich zu zeigen. Dies kann auf den Stromzähler vermerkt werden.

Synchrone-Generatoren sind das Rückgrat der Stromerzeugung in Kraftwerken weltweit. Einen Generator, um das Netz zu synchronisieren ist gängige Praxis geworden und ist in der Regel durch den Abgleich der Phase Sequenzen, Größen Spannung und Frequenzen des Generators an das Netz automatisiert. Spannungsregelung mit dem Magnetfeld des Rotors erfolgt über "Erreger", während Frequenzregelung die Drehzahlregelung einer Turbine oder Antriebsmaschine erreicht wird, Bereitstellung von Drehung mit Dampf, Wind, Wasser oder andere Flüssigkeiten verwenden. Frequenzsteuerungen sind in der Regel erreicht mit "Präsidenten."