Synchronisation de Machine synchrone AC

Source : Ali Bazzi, département de génie électrique, Université du Connecticut, Storrs, CT.

Moteur triphasé plaie-rotor Générateurs synchrones sont la principale source d’énergie électrique dans le monde entier. Ils exigent un moteur et un excitateur afin de produire de l’électricité. L’auteur principal peut être une turbine filée par un fluide (gaz ou liquide), donc les sources du fluide peut être l’eau ruisseler un barrage à travers une buse longue, vapeur d’eau évaporée à l’aide de charbon brûlé, etc.. Plus centrales, y compris le charbon, nucléaire, gaz naturel, mazout et autres utilisent des générateurs synchrones.

L’objectif de cette expérience est de comprendre les concepts d’ajuster les sorties de tension et la fréquence d’un générateur synchrone triphasé, suivi en synchronisant il avec la grille. Les effets du courant d’excitation et les variations de la vitesse sur la puissance de sortie du générateur sont également illustrées.

Machines synchrones s’appuient sur le même concept de champ magnétique rotatif qui a été introduit pour les machines à induction AC. Courants triphasé, qui coule dans le stator de la machine, produisent un champ magnétique tournant d’amplitude constante à la fréquence désirée. La différence entre les machines synchrones et asynchrones, c’est que ce dernier a court-circuité enroulements ou une « cage d’écureuil » du côté du rotor, tandis que les machines synchrones ont un champ magnétique fixe sur le côté du rotor. Ce champ magnétique est fourni soit par un excitateur ou d’aimants permanents. Machines synchrones à aimants permanents sont devenues plus fréquentes en raison de leur haute efficacité et taille compacte, mais généralement, ils utilisent le matériel de terre rare, qui n’est pas souhaitable du point de vue stratégique disponibilité matérielle. Le terme synchrone est utilisé parce que le champ magnétique du rotor, qui est indépendant du stator, se verrouille au champ magnétique rotatif et entraîne le rotor de tourner à la même vitesse (ou la vitesse synchrone) dans le champ magnétique tournant du stator.

Excitateurs offrent le domaine DC pour le générateur et peuvent être brossé ou brushless. La configuration utilisée dans cette démonstration est un excitateur brossé, où le DC est appliqué à l’enroulement du rotor (champ) de la machine synchrone par le biais de brosses internes et les bagues collectrices. Excitation de l’aimant permanent est également possible, mais pas dans le cadre de cette expérience.

Afin de connecter le générateur à une seule usine au réseau électrique, trois facteurs dans le générateur de sortie tensions doivent correspondre à ceux de la grille : amplitude, fréquence et ordre des phases. Alors que les synchronisateurs automatiques sont généralement utilisés dans grandes centrales électriques, une méthode simple est utilisée dans cette vidéo pour une synchronisation manuelle. Cette méthode est la « méthode de la lampe à trois ». La méthode fournit le contrôle visuel d’avoir les trois phases sur le côté du générateur et du côté de la grille de la même amplitude, de fréquence et séquence de phase quand toutes les lampes s’éteindre en raison de la tension correspondante, dont le montant différentiel, vu par les lampes, est zéro.

Après la synchronisation et une fois que le générateur est liée à la grille, régulateur de vitesse n’est plus nécessaire pour cette démonstration, puisque la grille agit comme un « bus infini », où la dynamique de la génératrice ont un effet minime sur la grille. Ainsi, la fréquence et la tension du générateur lire exactement comme ceux du côté de la grille. Mais il y a encore des effets de l’auteur principal : si l’ensamble tente d’accélérer le générateur, la vitesse de la génératrice ne change pas, mais au contraire, le générateur produit plus de puissance dans la grille. Par exemple, si le générateur est considéré comme idéal, augmentant la vitesse effectivement augmente la puissance mécanique absorbée, mais étant donné que la vitesse est fixe, l’entrée couple augmente et donc, la puissance électrique du générateur augmente. Toutefois, si l’auteur principal tente de ralentir le générateur, le couple diminue et, à un certain moment, inverse le signe, causant la génératrice réduire sa puissance de sortie jusqu'à ce que le flux de puissance sont inversé, et il agit comme un moteur.

1. moteur primaire initialisation

Le moteur primaire dans cette expérience est le dynamomètre, qui fonctionne comme un moteur qui fait tourner le rotor de la génératrice (champ).

1. Assurez-vous que l’interrupteur-sectionneur moteur triphasé, moteur synchrone interrupteur et interrupteur du moteur DC sont tous éteints.
2. Vérifiez que le thyristor est à 0 %.
3. Câblez le thyristor à la prise de courant triphasé et le programme d’installation illustré à la Fig. 1.
   1. Utilisez le commutateur de moteur triphasé sur le côté de la machine synchrone « S₁. »
   2. Notez que « S₁» et l’installation de trois lampes sont en parallèle.
   3. Notez également les polarités des sondes multimètre numérique puissant.
   4. Vérifiez que l’interrupteur « Démarrer/Exécuter » est dans la position « Start ».
4. La valeur « R_F» résistance maximale.
5. Laissez le thyristor à 0 % et abandonner « S₁».
6. Allumez l’interrupteur-sectionneur moteur triphasé.
   1. Allumez la haute tension d’alimentation DC.
   2. Assurez-vous que toutes les connexions sont claires les bornes d’alimentation.
   3. Appuyez sur la « V / je DIS » bouton sur l’alimentation pour afficher la tension et les points de fonctionnement actuels. Réglez le bouton de tension à 15 V.
   4. Appuyez sur « Start » sur le panneau d’alimentation DC. Le dynamomètre doit avoir un grand courant transitoire provenant de l’alimentation CC. Si sa lumière « OCT » s’allume, augmentation de la limite de surintensité.
7. La machine doit tourner lentement.
   1. Augmenter la tension de sortie d’alimentation DC pour environ 160 V.
   2. Mesurer la vitesse de rotation arbre.
   3. Ajuster la tension d’alimentation afin d’atteindre la vitesse de rotation de 1800 t/mn.
   4. Enregistrer le courant continu et la tension sur l’écran de l’approvisionnement.
8. Laisse la configuration intacte et ne pas éteindre une partie de l’équipement.

Figure 1 : Une configuration schématique pour l’expérience de la génératrice synchrone triphasée. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

2. synchronisant les générateurs synchrones avec la grille

1. Allumez l’interrupteur Start/Run du côté de la machine synchrone sur « Run ». Les trois lampes devraient s’allumer maintenant.
   1. Régler « R_F» et la tension d’alimentation par itération pour atteindre V_G= 120 V et réglez la fréquence de la V_G sur le wattmètre numérique à 60 Hz. valeurs au sein de +/-2 % sont acceptables.
   2. Augmentez légèrement la sortie VARIAC pour atteindre V_AC1= 120 V.
2. À ce stade, la grille fournit 120 V à une fréquence de 60 Hz.
   1. Record tension, courant et lectures de puissance sur les deux wattmètres. N’ignorez pas les signes en face de n’importe quel nombre en mètres +/-.
3. Les lampes doivent changer leur modèle d’éclairage.
   1. Si les lampes tous aller dim et lumineux en même temps, puis le générateur et le réseau ont la même séquence de phase. Appelons a, b et c pour la séquence de trois phases en cours d’utilisation.
   2. Si les lampes de cycle, comme lumières d’arbre de Noël, puis le générateur et le réseau ont des séquences de phase différente, où l'on a, b et c et l’autre est a-c-b sur l’ensemble des lampes.
      1. Dans ce cas, tournez le thyristor à 0 %.
      2. Appuyez sur « Stop » sur le panneau d’alimentation électrique.
      3. Réduire le réglage de tension DC retour à 15V.
      4. Passer les phases « b » et « c » du côté VARIAC.
      5. Répétez toutes les étapes ci-dessus, en commençant à l’étape 2.1.
4. Cette étape nécessite une action rapide : À l’instant que toutes les lumières s’éteindre, allumer « S₁». Les feux devraient tous rester au large, puisque « S₁» exercera désormais un court-circuit entre les bornes.
5. Le générateur est maintenant synchronisé avec la grille. Enregistrer la tension, le courant et lectures de puissance sur les deux wattmètres. Ne pas ignorer les signes.
6. Le programme d’installation laisse intacte.

3. effet de la variation du champ courant

1. Réglez « R_F» dans environ cinq étapes de sa position maximale sur position minimum et acter ce qui suit pour chaque étape : arbre de vitesse ; Couple à l’arbre et le signe ; Tension, courant et lectures de puissance sur les deux wattmètres ; Tension et courants lectures sur l’alimentation CC.
2. Si cette variation « R_F» fournit le même signe pour toutes les lectures de puissance :
   1. Ajustez légèrement la sortie d’alimentation DC pour atteindre un débit de puissance inverse de/dans la machine synchrone.
   2. N’oubliez pas que puissance négative signifie que la machine est production d’énergie électrique.
3. Ajuster la tension d’alimentation DC en cinq étapes sans dépasser un total DC courant sur l’affichage de l’approvisionnement de 3,5 a. Record ce qui suit pour chaque étape : arbre de vitesse ; Couple à l’arbre et le signe ; Tension, courant et lectures de puissance sur les deux wattmètres ; Tension et courants lectures sur l’alimentation CC.
4. Garder la configuration intact.

4. démontage de l’installation

La séquence suivante doit être suivie avant le démontage de l’installation :

1. Tourner le thyristor à 0 %.
2. Désactiver la sortie de l’alimentation en appuyant sur « Stop ».
3. Quand les machines tournantes, appuyer sur l’interrupteur « Démarrer/Exécuter » à la position « Start » et de couper la tension « S₁. »
4. Éteignez l’interrupteur-sectionneur moteur triphasé.
5. Démonter l’installation.

La vitesse désirée de l’ensamble est fixée à 1 800 tr/min, puisque la machine synchrone a quatre pôles (P) et fonctionne à une fréquence f= 60 Hz, donc la vitesse synchrone est 120f/P= 1 800 tr/min.

Lors de la synchronisation de la machine synchrone (générateur) vers la grille, motrice de la machine permet la rotation, mais un champ magnétique du rotor de la machine doivent être fourni. Ceci est réalisé en utilisant l’alimentation DC, qui alimente la bobine du rotor et génère le champ magnétique du rotor. Tension ca est induite sur le côté du stator par le champ magnétique DC tournant sur le rotor, et la force du champ magnétique du rotor est définie par le bloc d’alimentation DC. Afin d’augmenter graduellement la tension de sortie AC côté stator, le bloc d’alimentation DC est accéléré lentement.

Une fois la tension désirée est atteinte, les lampes de cycle. À l’aide de phase « a », comme par exemple, on suppose que la tension côté réseau est 170cos(120πt) V qui a une tension de RMS de 120 V = 170/sqrt(2) et une fréquence de 60 Hz (2π * 60 rad/s). Une fois la phase de la machine « a » arrive à 170cos(120πt) V, la tension aux bornes de la lampe devient nulle et la lampe s’éteint. Toutefois, il est très difficile d’avoir les deux tensions à la même phase et tension de la machine est probablement 170cos(120πt + φ) V où φ est une différence de phase différente de zéro. En réglant l’amplitude de la tension, en utilisant le champ de rotor DC et la fréquence, à l’aide de la vitesse, du moteur primaire la sur chacune des phases de la machine ainsi que leurs tensions de grille côté correspondantes doivent correspondre en raison des perturbations mineures de tension et de fréquence.

Si l’ordre de phases d’a-b-c de la grille est remplie avec une autre séquence a-c-b de la machine, les lampes de cycle les tensions à travers les lampes jamais correspondre à zéro sur les trois phases en même temps.

La machine fonctionne comme un générateur lorsque les lectures de pouvoir montrent des flux de puissance dans la grille contre dans la machine. Ceci peut être noté sur les mesureurs de puissance.

Génératrices synchrones sont l’épine dorsale de la production d’électricité dans les centrales dans le monde entier. Synchronisation d’un générateur au réseau est devenu pratique courante et est généralement automatisé en faisant correspondre les séquences de phase et grandeurs tension fréquence du générateur sur la grille. Contrôle de la tension en utilisant le champ magnétique du rotor est réalisée à l’aide de « excitateurs », tandis que le contrôle de fréquence est réalisé à l’aide de la commande de vitesse d’une turbine ou un moteur primaire, fournissant la rotation à l’aide de vapeur, du vent, l’eau ou autres liquides. Commandes de fréquence sont habituellement obtenues à l’aide de « gouverneurs ».