Sincronización de máquinas de CA

Fuente: Ali Bazzi, Departamento de ingeniería eléctrica, Universidad de Connecticut, Storrs, CT.

Trifasicos generadores síncronos de rotor de herida son la principal fuente de energía eléctrica en todo el mundo. Necesitan un motor y un excitador para generar energía. El motor puede ser una turbina por fluido (gas o líquido), así las fuentes de lo fluidos puede ser agua de una presa a través de una boquilla larga, vapor de agua evaporado utilizando carbón quemado, etcetera. Más plantas de energía como carbón, nuclear, gas natural, fuel-oil y otros utilizan generadores síncronos.

El objetivo de este experimento es entender los conceptos de ajuste de las salidas de voltaje y frecuencia de un generador síncrono trifásico, seguido por sincronizar con la red. También se demuestran los efectos del campo actual y las variaciones de velocidad en el generador de potencia de salida.

Máquinas síncronas se basan en el mismo concepto de campo magnético giratorio que se introdujo para las máquinas de inducción de AC. Tres fases, corrientes en el estator de la máquina, producen un campo magnético giratorio de magnitud constante a una frecuencia deseada. La diferencia entre las máquinas sincrónicas y asincrónicas es que este último ha puesto en cortocircuito bobinas o una "jaula de ardilla" en el lado del rotor, mientras que máquinas síncronas tienen un campo magnético fijo en el lado del rotor. Este campo magnético es proporcionado o por un excitador o imanes permanentes. Máquinas síncronas de imán permanente son cada vez más comunes debido a su alta eficiencia y tamaño compacto, pero por lo general utilizan material de tierras raras, que no es deseable desde una perspectiva estratégica de la disponibilidad material. El término síncrono se utiliza porque el campo magnético de rotor, que es independiente del estator, bloquea el campo magnético giratorio y hace que el rotor gire a la misma velocidad (o velocidad síncrona) como campo de magnético giratorio del estator.

Excitadores proveen el campo DC para el generador y pueden ser cepillado o sin escobillas. La configuración utilizada en esta demostración es un excitador del cepillado, donde DC es aplicado a la bobina de rotor (campo) de la máquina síncrona a través de internos escobillas y anillos rozantes. Excitación de imán permanente es también posible pero más allá del alcance de este experimento.

Para conectar el generador en una planta a la red eléctrica, tres factores en el generador de salida voltajes deben coincidir con los de la red: la magnitud, frecuencia y secuencia de fase. Mientras sincronizadores automáticos se utilizan normalmente en grandes plantas de energía, se utiliza un método sencillo en este video para la sincronización manual. Este método es el método de"tres lámparas". El método proporciona la inspección visual de tener las tres fases en el generador y la red de la misma magnitud, frecuencia y secuencia de fase, cuando todas las lámparas se apagan debido a los voltajes correspondientes, cuyo monto diferencial, visto por las lámparas, es cero.

Después de sincronización y una vez que el generador está vinculado a la red, control de velocidad ya no es necesario para esta demostración, ya que la red actúa como un "bus infinito" donde la dinámica del generador tiene un efecto mínimo sobre la red. Así, la frecuencia y el voltaje del generador leer exactamente como ésos en el lado de la red. Pero todavía hay un cierto efecto de la fuerza motriz: Si el motor intenta acelerar el generador, la velocidad del generador no cambia, pero más bien, el generador produce más potencia en la red. Por ejemplo, si el generador se supone para ser ideal, aumenta la velocidad efectiva aumenta la energía mecánica de entrada, pero ya que la velocidad es fija, la entrada del esfuerzo de torsión aumenta y por lo tanto, la potencia eléctrica de salida del generador aumenta. Sin embargo, si el motor intenta frenar el generador, el par disminuye y, en algún momento, invierte la señal, haciendo que el generador disminuir su potencia de salida hasta que se invierte el flujo de energía, y actúa como un motor.

1. fuerza motriz-inicialización

El prime-mover en este experimento es el dinamómetro, que funciona como un motor que gira el rotor del generador (campo).

1. Asegúrese que el interruptor de desconexión trifásica interruptor de motor síncrono e interruptor motor de la C.C. todos estén apagados.
2. Compruebe que el VARIAC es 0%.
3. El VARIAC de alambre a la salida trifásica y conecte la configuración que se muestra en la figura 1.
   1. Utilice el interruptor de tres fases en el lado de la máquina síncrona como "S₁."
   2. Tenga en cuenta que son «S₁» y la instalación de tres lámparas en paralelo.
   3. También tenga en cuenta la polaridad de las puntas de prueba de medidor de potencia digital.
   4. Compruebe que el interruptor de "Inicio/ejecutar" está en la posición "Start".
4. Establecer "R_F" a la resistencia máxima.
5. El VARIAC de dejar en 0% y dejar "S₁".
6. Encienda el interruptor de desconexión de tres fases.
   1. Encienda el fuente de alimentación de alto voltaje.
   2. Asegúrese que todas las conexiones estén libres de los terminales de alimentación.
   3. Presione el "V / DIS" botón en la fuente para mostrar la tensión y puntos de operación actuales. Ajuste la perilla de tensión de 15 V.
   4. Pulsa "Start" en el panel de alimentación de CC. El dinamómetro debe tener una gran corriente transitoria de la fuente. Si enciende su luz de "OCT", aumentar el límite de la sobreintensidad de corriente.
7. La máquina debe girar lentamente.
   1. Aumentar la tensión de salida de alimentación DC a alrededor de 160 V.
   2. Medir la velocidad de giro del eje.
   3. Ajustar la tensión de alimentación con el fin de alcanzar la velocidad de rotación de 1800rpm.
   4. Registro de la corriente continua y voltaje en la pantalla de la fuente.
8. Dejar intacta la configuración y no apague el dispositivo cualquiera de los equipos.

Figura 1 : Una configuración esquemática del experimento de generador síncrono trifásico. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

2. sincronizar el generador síncrono con la red

1. El interruptor Start/Run en el lado de la máquina síncrona a "Ejecutar". Ahora deben encender tres lámparas.
   1. Ajustar "R_F" y la tensión de alimentación de forma iterativa para lograr V_G= 120 V y ajustar la frecuencia de la V_G en el metro de energía digital a 60 Hz. valores dentro de +-2% son aceptables.
   2. Aumente ligeramente la salida del VARIAC para lograr V_AC1= 120 V.
2. En esta etapa, la red proporciona 120 V a una frecuencia de 60 Hz.
   1. Registro voltaje, corriente y lecturas de energía en ambos medidores de potencia. No ignore +/-signos delante de cualquier número en los metros.
3. Las lámparas deben cambiar su patrón de iluminación.
   1. Si las lámparas todos ir brillante y tenue a la vez, entonces el generador y la red tienen la misma secuencia de fase. Llame al a-b-c de la secuencia de tres fases en el uso.
   2. Si las luces de ciclo, como árbol de Navidad se enciende, entonces el generador y la red de secuencias de fase diferentes, donde uno es a-b-c y el otro es a-c-b en el conjunto de lámparas.
      1. En este caso, gire el VARIAC a 0%.
      2. Pulse "Stop" en el panel de suministro de energía.
      3. Reducir el ajuste de voltaje de DC a 15 V.
      4. Cambiar las fases "b" y "c" en el lado VARIAC.
      5. Repita los pasos anteriores comenzando en el paso 2.1.
4. Este paso requiere una acción rápida: En el momento que apaguen todas las luces, encender "S₁". Las luces deben permanecer todos, puesto que «S₁» ahora actúa como un corto circuito en sus terminales.
5. El generador ahora se sincroniza con la red. Registrar el voltaje, corriente y lecturas de energía en ambos medidores de potencia. No ignore las señales.
6. Dejar la configuración intacta.

3. efecto de la variación de corriente de campo

1. Ajuste "R_F" en unos cinco pasos desde su posición máximo a mínimo y anote lo siguiente para cada paso: eje de velocidad; Esfuerzo de torsión del eje y signo; Voltaje, corriente y potencia lecturas en ambos medidores de potencia; Voltaje y lecturas de corriente en la fuente de DC.
2. Si esta variación "R_F" proporciona el mismo signo para todas las lecturas de energía:
   1. Ajustar un poco la salida de la fuente DC para lograr un flujo de corriente inversa en la máquina síncrona.
   2. Recuerde que poder negativo significa que la máquina es generación de energía eléctrica.
3. Ajustar la tensión de alimentación DC en 5 pasos sin sobrepasar un total DC actual en la pantalla de alimentación de 3,5 a. Registro siguiente para cada paso: eje de velocidad; Esfuerzo de torsión del eje y signo; Voltaje, corriente y potencia lecturas en ambos medidores de potencia; Voltaje y lecturas de corriente en la fuente de DC.
4. Mantener intacta la configuración.

4. Desmontaje de la instalación

Debe seguir la siguiente secuencia antes de desmontar la instalación:

1. A su vez el VARIAC de nuevo a 0%.
2. Apague la fuente de potencia de salida presionando "Stop".
3. Cuando las máquinas deje de girar, girar el interruptor de "Inicio/ejecutar" a la posición "Start" y apagar "S₁".
4. Apague el interruptor de desconexión de tres fases.
5. Desmontar la instalación.

La velocidad deseada de la motriz se encuentra a 1.800 RPM ya que la máquina síncrona tiene cuatro postes (P) y opera a una frecuencia f= 60 Hz, por lo tanto la velocidad síncrona es 120f/P= 1.800 RPM.

Cuando sincronización de la máquina síncrona (generador) a la red, motriz de la máquina proporciona la rotación, pero debe proporcionar un campo magnético en el rotor de la máquina. Esto se consigue utilizando la fuente de corriente continua, que suministra a la bobina del rotor y el campo magnético de rotor se construye. Voltaje de CA es inducido en el lado del estator rotativo DC campo magnético en el rotor, y la fuerza del campo magnético de rotor es fijada por la fuente de alimentación. Con el fin de aumentar gradualmente la tensión de salida del estator del lado AC, la fuente de alimentación es aumentada lentamente.

Una vez lograda la tensión deseada, ciclo de las lámparas. Uso de la fase "a" como por ejemplo, se supone que el voltaje de la rejilla del lado es 170cos(120πt) V que tiene un voltaje RMS de 120 V = 170/sqrt(2) y una frecuencia de 60 Hz (2π * 60 rad/s). Una vez la fase de la máquina "a" llega a 170cos(120πt) V, el voltaje en los terminales de la lámpara se convierte en cero y la lámpara se apaga. Sin embargo, es muy difícil de tener ambos voltajes en la misma fase y voltaje de la máquina es más probable que 170cos(120πt + φ) V donde φ es una diferencia de fase cero. Ajustando la magnitud de voltaje, utilizando el campo del rotor de DC y la frecuencia, usando la velocidad de la motriz, deben coincidir con los voltajes en cada una de las fases de la máquina y sus correspondientes tensiones de rejilla lateral debido a los disturbios de tensión y la frecuencia menores.

Si se cumple la secuencia de fase de a-b-c de la red con otra secuencia a-c-b de la máquina, las lámparas de ciclo como los voltajes a través de las lámparas nunca suman cero en las tres fases al mismo tiempo.

La máquina funciona como generador cuando las lecturas de potencia flujo de potencia en la red versus en la máquina. Esto puede notarse en los medidores de potencia.

Los generadores síncronos son el eje de generación de electricidad en centrales eléctricas en todo el mundo. Sincronizar un generador a la red se ha convertido en habitual y es típicamente automático comparando las secuencias de fase, magnitudes de voltaje y frecuencias del generador a la red. Control de tensión con el campo magnético de rotor se consigue utilizando "excitadores", mientras que la frecuencia se controla mediante el control de la velocidad de una turbina o motor primario, proporcionando giro mediante vapor, viento, agua u otros líquidos. Controles de frecuencia generalmente se logran utilizando «gobernantes.»