Sincronizzazione sincrona AC della macchina

Fonte: Ali Bazzi, Dipartimento di Ingegneria Elettrica, Università del Connecticut, Storrs, CT.

I generatori sincroni trifase a rotore avvolto sono la principale fonte di energia elettrica in tutto il mondo. Richiedono un motore principale e un eccitatore per generare energia. Il motore principale può essere una turbina filata da fluido (gas o liquido), quindi le fonti del fluido possono essere acqua che scorre da una diga attraverso un lungo ugello, vapore dall'acqua evaporato usando carbone bruciato, ecc. La maggior parte delle centrali elettriche tra cui carbone, nucleare, gas naturale, olio combustibile e altri utilizzano generatori sincroni.

L'obiettivo di questo esperimento è comprendere i concetti di regolazione delle uscite di tensione e frequenza di un generatore sincrono trifase, seguito dalla sincronizzazione con la rete. Vengono inoltre dimostrati gli effetti della corrente di campo e delle variazioni di velocità sulla potenza di uscita del generatore.

Le macchine sincrone si basano sullo stesso concetto di campo magnetico rotante introdotto per le macchine a induzione CA. Le correnti trifase, che fluiscono nello statore della macchina, producono un campo magnetico rotante di grandezza costante alla frequenza desiderata. La differenza tra le macchine sincrone e asincrone è che queste ultime hanno avvolgimenti corti o una "gabbia di scoiattolo" sul lato del rotore, mentre le macchine sincrone hanno un campo magnetico fisso sul lato del rotore. Questo campo magnetico è fornito da un eccitatore o da magneti permanenti. Le macchine sincrone a magneti permanenti stanno diventando sempre più comuni a causa della loro elevata efficienza e delle dimensioni compatte, ma in genere utilizzano materiale di terre rare, che è indesiderabile dal punto di vista della disponibilità strategica dei materiali. Il termine sincrono è usato perché il campo magnetico del rotore, che è indipendente dallo statore, si blocca sul campo magnetico rotante e fa ruotare il rotore alla stessa velocità (o velocità sincrona) del campo magnetico rotante dello statore.

Gli eccitatori forniscono il campo DC per il generatore e possono essere spazzolati o brushless. La configurazione utilizzata in questa dimostrazione è un eccitatore spazzolato, in cui la CC viene applicata all'avvolgimento del rotore (campo) della macchina sincrona attraverso spazzole interne e collettori rotanti. Anche l'eccitazione a magneti permanenti è possibile, ma oltre lo scopo di questo esperimento.

Per collegare il generatore di un impianto alla rete elettrica, tre fattori nelle tensioni di uscita del generatore devono corrispondere a quelli della rete: grandezza, frequenza e sequenza di fase. Mentre i sincronizzatori automatici sono solitamente utilizzati nelle grandi centrali elettriche, in questo video viene utilizzato un metodo semplice per la sincronizzazione manuale. Questo metodo è il "metodo a tre lampade". Il metodo prevede l'ispezione visiva di avere le tre fasi sul lato generatore e sul lato griglia della stessa grandezza, frequenza e sequenza di fase quando tutte le lampade si spendono a causa delle tensioni corrispondenti, la cui quantità differenziale, vista dalle lampade, è zero.

Dopo la sincronizzazione, e una volta che il generatore è legato alla rete, il controllo della velocità non è più necessario per questa dimostrazione, poiché la rete agisce come un "bus infinito" in cui la dinamica del generatore ha un effetto minimo sulla rete. Pertanto, la frequenza e la tensione del generatore vengono lette esattamente come quelle sul lato della rete. Ma c'è ancora qualche effetto del motore principale: se il motore principale cerca di accelerare il generatore, la velocità del generatore non cambia, ma piuttosto, il generatore produce più energia nella rete. Ad esempio, se si presume che il generatore sia ideale, l'aumento della velocità aumenta efficacemente la potenza meccanica in ingresso, ma poiché la velocità è fissa, la coppia in ingresso aumenta e, quindi, la potenza elettrica in uscita del generatore aumenta. Tuttavia, se il motore principale cerca di rallentare il generatore, la coppia diminuisce e, ad un certo punto, inverte il segno, facendo sì che il generatore riduca la sua potenza di uscita fino a quando il flusso di potenza non viene invertito e agisce come un motore.

1. Inizializzazione di Prime-Mover

Il motore principale in questo esperimento è il dinamometro, che funziona come un motore che fa girare il rotore del generatore (campo).

1. Assicurarsi che l'interruttore di disconnessione trifase, l'interruttore del motore sincrono e l'interruttore del motore CC siano tutti spenti.
2. Controllare che il VARIAC sia allo 0%.
3. Collegare il VARIAC alla presa trifase e collegare la configurazione mostrata in Fig. 1.
   1. Utilizzare l'interruttore trifase sul lato macchina sincrona come "S₁".
   2. Si noti che "S_1"e la configurazione a tre lampade sono in parallelo.
   3. Si noti anche le polarità delle sonde del misuratore di potenza digitale.
   4. Verificare che l'interruttore "Start/Run" sia in posizione "Start".
4. Impostare "R_F"alla massima resistenza.
5. Lasciare il VARIAC allo 0% e lasciare "S_1"spento.
6. Accendere l'interruttore di disconnessione trifase.
   1. Accendere l'alimentatore CC ad alta tensione.
   2. Assicurarsi che tutte le connessioni siano chiare dai terminali di alimentazione.
   3. Premere il pulsante "V/I DIS" sull'alimentazione per visualizzare i punti di funzionamento di tensione e corrente. Regolare la manopola di tensione a 15 V.
   4. Premere "Start" sul pannello di alimentazione CC. Il dinamometro dovrebbe avere una grande corrente transitoria prelevata dall'alimentazione CC. Se la spia "OCT" si accende, aumentare il limite di sovracorrente.
7. La macchina dovrebbe girare lentamente.
   1. Aumentare la tensione di uscita dell'alimentazione CC a circa 160 V.
   2. Misurare la velocità di rotazione dell'albero.
   3. Regolare la tensione di alimentazione per raggiungere una velocità di rotazione di 1800 RPM.
   4. Registrare la corrente CONTINUA e la tensione sul display di alimentazione.
8. Lasciare intatta la configurazione e non spegnere nessuna delle apparecchiature.

Figura 1: Configurazione schematica per l'esperimento del generatore sincrono trifase. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

2. Sincronizzazione del generatore sincrono con la rete

1. Cambiare l'interruttore Start/Run sul lato della macchina sincrona su "Esegui". Le tre lampade dovrebbero ora accendersi.
   1. Regolare "R_F"e la tensione di alimentazione in modo iterativo per ottenere V_G= 120 V e regolare la frequenza del V_G sul misuratore di potenza digitale a 60 Hz. Valori entro +/- 2% sono accettabili.
   2. Aumentare leggermente l'uscita VARIAC per ottenere V_AC1= 120 V.
2. In questa fase, la rete fornisce 120 V a una frequenza di 60 Hz.
   1. Registra le letture di tensione, corrente e potenza su entrambi i misuratori di potenza. Non ignorare i segni +/- davanti a qualsiasi numero sui contatori.
3. Le lampade dovrebbero cambiare il loro modello di illuminazione.
   1. Se le lampade si illuminano e si attenuano allo stesso tempo, il generatore e la griglia hanno la stessa sequenza di fasi. Chiamatelo a-b-c per la sequenza trifase in uso.
   2. Se le lampade si ciclo, come le luci dell'albero di Natale, allora il generatore e la griglia hanno sequenze di fasi diverse, dove una è a-b-c e l'altra è a-c-b attraverso il set di lampade.
      1. In questo caso, riportare il VARIAC allo 0%.
      2. Premere "Stop" sul pannello di alimentazione.
      3. Ridurre l'impostazione della tensione CC a 15 V.
      4. Commutazione delle fasi "b" e "c" sul lato VARIAC.
      5. Ripetere tutti i passaggi precedenti, a partire dal passaggio 2.1.
4. Questo passaggio richiede un'azione rapida: Nell'istante in cui tutte le luci si spendono, accendi "S₁". Le luci dovrebbero rimanere tutte spente, poiché "S_1"ora agisce come un cortocircuito attraverso i loro terminali.
5. Il generatore è ora sincronizzato con la rete. Registrare le letture di tensione, corrente e potenza su entrambi i misuratori di potenza. Non ignorare i segni.
6. Lasciare intatta la configurazione.

3. Effetto della variazione della corrente di campo

1. Regolare "R_F"in circa cinque passaggi dalla sua posizione massima alla posizione minima e registrare quanto segue per ogni passo: Velocità dell'albero; Coppia dell'albero e segno; Letture di tensione, corrente e potenza su entrambi i misuratori di potenza; Letture di tensione e corrente sull'alimentazione CC.
2. Se questa variazione "R_F"fornisce lo stesso segno per tutte le letture di potenza:
   1. Regolare leggermente l'uscita di alimentazione CC per ottenere un flusso di potenza inverso da/verso la macchina sincrona.
   2. Ricorda che la potenza negativa significa che la macchina sta generando energia elettrica.
3. Regolare la tensione di alimentazione CC in cinque passaggi senza superare una corrente continua totale sul display di alimentazione di 3,5 A. Registrare quanto segue per ogni passaggio: Velocità dell'albero; Coppia dell'albero e segno; Letture di tensione, corrente e potenza su entrambi i misuratori di potenza; Letture di tensione e corrente sull'alimentazione CC.
4. Mantenere intatta la configurazione.

4. Smontaggio del setup

Prima di smontare l'installazione, è necessario seguire la seguente sequenza:

1. Riportare variaC allo 0%.
2. Spegnere l'uscita dell'alimentatore premendo "Stop".
3. Quando le macchine smettono di ruotare, capovolgere l'interruttore "Start/Run" in posizione "Start" e spegnere "S_1".
4. Spegnere l'interruttore di disconnessione trifase.
5. Smontare la configurazione.

La velocità desiderata del motore principale è impostata a 1.800 RPM poiché la macchina sincrona ha quattro poli (P) e opera ad una frequenza f= 60 Hz, quindi la velocità sincrona è 120f/P= 1.800 RPM.

Quando si sincronizza la macchina sincrona (generatore) con la griglia, il motore principale della macchina fornisce la rotazione, ma deve essere fornito un campo magnetico sul rotore della macchina. Ciò si ottiene utilizzando l'alimentatore CC, che alimenta la bobina del rotore e costruisce il campo magnetico del rotore. La tensione CA è indotta sul lato dello statore dal campo magnetico DC rotante sul rotore e l'intensità del campo magnetico del rotore è impostata dall'alimentatore DC. Al fine di aumentare gradualmente la tensione di uscita CA lato statore, l'alimentazione CC viene accelerata lentamente.

Una volta raggiunta la tensione CA desiderata, le lampade si ciclo. Usando la fase "a" come esempio, si presume che la tensione lato griglia sia 170cos(120πt) V che ha una tensione RMS di 120 V = 170 / sqrt (2) e una frequenza di 60 Hz (2π * 60 rad / s). Una volta che la fase "a" della macchina arriva a 170cos (120πt) V, la tensione attraverso i terminali della lampada diventa zero e la lampada si spegne. Tuttavia, è molto difficile avere entrambe le tensioni nella stessa fase e la tensione della macchina è molto probabilmente 170cos (120πt + φ) V dove φ è una differenza di fase diversa da zero. Regolando l'entità della tensione, utilizzando il campo del rotore DC e la frequenza, utilizzando la velocità del motore principale, le tensioni su ciascuna delle fasi della macchina e le corrispondenti tensioni lato griglia dovrebbero corrispondere a causa di disturbi minori di tensione e frequenza.

Se la sequenza di fase di a-b-c dalla griglia viene soddisfatta con un'altra sequenza a-c-b dalla macchina, le lampade si cicliano poiché le tensioni attraverso le lampade non si sommano mai a zero su tutte e tre le fasi contemporaneamente.

La macchina funziona come un generatore quando le letture di potenza mostrano il flusso di potenza nella rete rispetto alla macchina. Questo può essere notato sui misuratori di potenza.

I generatori sincroni sono la spina dorsale della produzione di elettricità nelle centrali elettriche di tutto il mondo. La sincronizzazione di un generatore con la rete è diventata una pratica standard ed è in genere automatizzata abbinando le sequenze di fase, le grandezze di tensione e le frequenze del generatore alla rete. Il controllo della tensione utilizzando il campo magnetico del rotore è ottenuto utilizzando "eccitatori", mentre il controllo della frequenza è ottenuto utilizzando il controllo della velocità di una turbina o di un motore primario, fornendo rotazione utilizzando vapore, vento, acqua o altri fluidi. I controlli di frequenza sono solitamente ottenuti usando "governatori".