+- تالار گفتگوی کیش تک/ kishtech forum (http://forum.kishtech.ir)
+-- انجمن: پردیس فناوری کیش (http://forum.kishtech.ir/forumdisplay.php?fid=1)
+--- انجمن: مهندسی الکترونیک و الکتروتکنیک (http://forum.kishtech.ir/forumdisplay.php?fid=169)
+--- موضوع: نيروگاه های آبی:(بخش چهارم تحریک) (/showthread.php?tid=41298)
نيروگاه های آبی:(بخش چهارم تحریک) - Murtaza - 17-05-2020
سیستم تحریک:
به القای ولتاژ در روتور ماشین سنکرون (که خاصیت الکترو مغناطیس پیدا کرده) تحریک ماشین گفته میشود و بنابراین سیستمی که جریان را تغذیه می کند سیستم تحریک نامیده می شود.
مقدار جریان تغذیه شده به طور مستقیم به نیروی الکترومغناطیسی و در نتیجه به سطح ولتاژ القا شده برروی استاتور بستگی دارد. برای ژنراتور سنکرون سیم پیچی میدان (که مغناطیس شده) همیشه برروی روتور قرار دارد و این بدان علت است که مقدار جریان در سیم پیچی میدان بسیار کمتر از سیم پیچ استاتور می باشد ودر نتیجه ترتیب حرکت شفت آسانتر است و از همه مهمتر تعداد زغالها یکی کمتر و اسلیپ رینگ و زغالها حامل جریان کمتری می باشد. اگر سیم پیچی میدان روی استاتور قرار بگیرد حجم سیم پیچی بیشتر میشود و در نتیجه ترتیب حرکت شفت سخت تر خواهد شد.
اجزای تشکیل دهنده سیستم تحریک :
تولید جریان روتور: روتور ماشین باید به وسیله جریانی تغذیه شود به عنوان مثال: روتور ماشین بوسیله یک مبدل الکترونیکی پر قدرت تغذیه شود (این روش مستقیم است) و یا یک جریان کوچک، ماشین تحریک را تغذیه می کند که به طور منظم جریان روتور زیاد می شود. (روش غیر مستقیم)
منبع تغذیه: سیستم تحریک به منظور تولید جریان به منبع تغذیه نیاز دارد منبع تغذیه به دو صورت تغذیه موازی و تغذیه سری کاربرد دارد. تغذیه موازی تغذیه ای است که از ترمینالهای ماشین گرفته میشود و تغذیه سری تغذیه ای است که از تغذیه کمکی گرفته میشود.
سیستم تنظیم کننده خودکار ولتاژ (میکروکنترلر ): میکروکنترلر یک کنترل کننده حلقه بسته است که سیگنالی متناسب با ولتاژ خروجی ژنراتور را با یک ولتاژ مبنای ثابت مقایسه نموده و خطای ولتاژ به دست آمده را جهت کنترل خروجی سیستم تحریک مورد استفاده قرار می دهد. اگر بار ژنراتور تغییر کند ولتاژ خروجی ژنراتور نیز تغییر می کند که این منجر به ارسال سیگنال خطا می گردد. خطای ولتاژ بوسیله تنظیم کننده ولتاژ تقویت شده و جهت کاهش یا افزایش میزان تحریک مورد استفاده قرار میگیرد تا ولتاژ خروجی ژنراتور را به مقدار اصلی خود برگرداند. پاسخ سریع و پایدار میکروکنترلر1 به تغییرات بار از اهمیت ویژه ای برخوردار است. میکروکنترلر ولتاژ خروجی ژنراتور را از طریق ترانسفورماتور ولتاژ مربوط به خود دریافت می نماید. سیگنال ولتاژ سپس یکسو و صاف شده و با ولتاژ مبنا مقایسه می گردد. امکان تغییر ولتاژ مبنا با توجه به نیاز سیستم توسط اپراتور وجود دارد. علاوه بر وظیفه اصلی کنترل ولتاژ، وظایف حیاتی دیگری بعهده میکروکنترلر است. میکروکنترلر شامل حلقه های کنترلی دیگری برای کنترل حدی مگاوار و فلوی اضافی می باشد.
کنترل تحریک:علاوه بر حلقه کنترل ولتاژ، تجهیزات مدرن تحریک شامل تعدادی مدارهای محدود کننده جنبی می باشند که بصورت کنترل کننده های موازی با مدار کنترل ولتاژ کار می کنند و در صورتیکه متغیر محدود شونده از حد تعیین شده تجاوز کند، جانشین سیگنال ولتاژ می باشد.
محدود کننده جریان روتور:سیستم های تحریک قادر به تأمین جریان تحریکی بیش از میزان مورد نیاز ژنراتور برای کار در حالت حداکثر بار پیوسته مجاز هستند این قابلیت فوق العاده، در مواقعی که خطایی در سیستم اتفاق می افتد و احتیاج به توان راکتیو اضافی برای تقویت گشتاور سنکرون روتور است، مورد استفاده قرار می گیرد. البته این جریان اضافی تحریک بایستی از نظر زمانی گردد تا گرم شدن بیش از حد روتور منجرب به از بین رفتن عایق هادیهای روتور نگرددبرای جلوگیری از گرم شدن بیش از حد روتور مدار محدود کننده جریان روتور جریانهای تحریک بیش از 110% حداکثر بار پیوسته مجاز را آشکار می سازد. هنگام خطا، میکروکنترلر با افزایش جریان تحریک وارد عمل می گردد و معمولاً این وضعیت چند میلی ثانیه بیشتر دوام نداشته و کلید، مدار اتصال کوتاه را قطع می کند. برای حداکثر پشتیبانی معمولاً بعد از تأخیری در حدود 5 ثانیه مدار محدود کننده جریان روتورها سیگنالی که با سیگنال ارسالی از میکروکنترلر مخالفت کند، ارسال نموده و جریان تحریک را به محدوده مجاز تقلیل می دهد.
محدود کننده مگاوار:تجهیزات مدرن میکروکنترلر توانایی کنترل کار ژنراتور در زوایای بار 130 تا 140 درجه را دارند که مربوط به حالت گذرا می باشد و معمولاً کار ژنراتور تا زاویه 75 درجه محدود می گردد. توان راکتیو پیش فاز مجاز ژنراتور با مربع ولتاژ خروجی ژنراتور تغییر می کند و اگر تحریک ژنراتور کم باشد بزرگ شدن زاویه بار ( ) خیلی زود ژنراتور را به حالتی می کشاند که از شبکه توان راکتیو بگیرد. برای اینکه از این حالت جلوگیری شود، عملاً وقتی مقدار بخار توربین زیاد می گردد و یا به عبارت دیگر توان ورودی از توربین به ژنراتور افزایش می یابد، بایستی جریان تحریک ژنراتورنیز متناسب با آن افزایش یابد ضمناً یک محدود کننده مگاوار در میکروکنترلرAVR تعبیه گردیده است که در صورتی که مقدار توان راکتیو پیش فاز ژنراتور از حد تعیین شده ای تجاوز کند، کار اصلیمیکروکنترلرAVR که کنترل ولتاژ در مقداری ثابت است، را تحت الشعاع قرار داده و جریان تحریک را به مقداری بالا می برد که زاویه بارافزایش نیابد و به این شکل از ناپایدار شدن ژنراتور جلوگیری می کند.
محدود کننده شار اضافی: این یک کنترل حلقه بسته است که نسبت ولتاژ به فرکانس را به هنگام کار غیر سنکرون ژنراتور آشکار می سازد و در صورتیکه از میزان از قبل تعیین شده تجاوز نماید محدود کننده، سیگنالی ارسال می کند که تحریک را کاهش می دهد و از فلوی اضافی در ترانسفورماتور واحد جلوگیری می کند.
ورودیها به سیستم تحریک: 1- منبع تغذیه اصلی به سیستم تحریک که به طور مستقیم از ترمینالهای ژنراتور و از طریق ترانس تحریک برداشت می شود 2- ترانس ولتاژ ها و ترانس جریان ها به منظور تنظیم ولتاژ ژنراتور ، از ترمینالهای خروجی ژنراتور نمونه ولتاژ و جریان برداشت می شود.
خروجیها از سیستم تحریک: خروجی اصلی از سیستم تحریک ولتاژ سیستم تحریک است که از سیم پیچی روتور و از طریق لغزش حلقه عبور داده می شود (وقتی می خواهیم انرژی را از جای ثابت به یک جای متحرک و مخصوصا دوار انتقال دهیم احتیاج به لغزش حلقه داریم چرا که در صورت نبود آن٬ اگر بخواهیم انرژی را از طریق کابل به قسمت دوار انتقال دهیم کابل پاره خواهد شد و برای جلوگیری از این کار از لغزش حلقه استفاده می شود).
پیغام ها (از قبیل هشدار و خطا ها) که از سیستم تحریک به سیستم کنترل فرستاده میشوند.
وظایف سیستم تحریک:
نگه داشتن عملکرد ژنراتور در منطقه ایمنی که این کار با محدود کردن جریان میدان ماشین انجام می شود. به عنوان مثال محدودیت جریان میدان، محدودیت جریان استاتور، محدودیت ولتاژ، محدودیت جریان زیر تحریک و غیره
مانیتور کردن و نشان دادن مشکل در اجزای سیستم تحریک به عنوان مثال ایجاد مشکل در دمای روتور، دمای ترانسفورماتور، اتصال زمین روتور، شکست دیود در حال چرخش و ...در هر سیستم تحریک با عملکرد منظم جریان٬ میدان تولید می شود (در سیستم تحریک ، سیستم کنترل با سرعت بالایی ساخته شده است و این سرعت بالا یکی از مزایای این سیستم تحریک به شمار می رود) سیستم تحریک کامل و خوب علاوه بر انجام محدودیتها و عمل حفاظت، باید دارای یک سیستم نمایش دهنده و یا جهت اعلام خطا باشد.
رفتار الکتریکی: جریان تحریک، ولتاژ ماشین، توان راکتیو.
رفتار مکانیکی: سرعت ماشین ، گشتاور ماشین (قدرت یا توان در هر واحد سیستم).
کمیات اصلی یک ژنراتور سنکرون:
قدرت مفید: حداکثر توان پیوسته ژنراتورهای بزرگ معمولاً برحسب مگاوات براساس ولتاژ، جریان نامی و ضریب توانی که ژنراتور برای آن طراحی شده بیان می گردد. حداکثر توان پیوسته بر حسب مگاوات آمپر و براساس ولتاژ و جریان استاتور نیز می تواند بیان گردد حداکثر توان پیوسته یک ژنراتور علاوه بر مسائل اقتصادی به عوامل زیر نیز مربوط می شود.
تواناییهای ساخت از قبیل محور روتور و غیره
میزان تقاضای سیستم یا شبکه مرتبط با ژنراتور
با توجه به آخرین پیشرفتهای فن آوری و سیستمهای قدرت فعلی، حداکثر توان خروجی ژنراتور دوقطبی در حدود 1000 مگاولت آمپر و چهار قطبی در حدود 1500 مگاولت آمپر است.
ضریب توان: ضریب توان یک ژنراتور با توجه به توان خروجی آن تعیین می گردد. بند 27 از استاندارد IEC 34-3 ضریب توان توربوژنراتورهای خنک شونده بوسیله هیدروژن و یا آب را به صورت زیر تعیین می کند.
0.8 پس فاز: برای ژنراتورهای با توان خروجی تا 125 مگاوات
0.8 پس فاز: برای ژنراتورهای با توان خروجی 160 تا 500 مگاوات
0.9 پس فاز: برای ژنراتورهای با توان خروجی 630 مگاوات و بیشتر
افزایش ضریب توان باعث کاهش ظرفیت ژنراتور (برحسب مگاولت آمپر ثابت) و همچنین اندازه آن می گردد که نتیجه آن کاهش قیمت ژنراتور خواهد بود. به همین خاطر در صورت عدم نیاز شبکه به میزان مگاوار حاصل از مقدار ضریب توان نامی اقتصادی خواهد بود که از ضریب توانهای بالاتر استفاده شود.
ولتاژ نامی: در نیروگاه با توجه به اینکه ژنراتور به ترانسفورماتور اصلی متصل می گردد در انتخاب ولتاژ ژنراتور که ولتاژ اولیه ترانسفورماتور را تشکیل می دهد آزادی عمل وجود دارد و میتوان ولتاژ خروجی ژنراتور را در مقدار بهینه آن تعیین نمود. مقدار این ولتاژ با توجه به توان خروجی واحد و نوع سیستم خنک کن تغییر می کند. در سیستم خنک کن غیر مستقیم با هیدروژن افزایش ولتاژ و متعاقب آن تقویت عایق سیم پیچ با مشکلاتی همراه است (تقویت عایق سیم پیچ انتقال حرارت از سیم پیچ را مشکلتر می کند) و مناسبتر است که مسیرهای موازی سیم پیچ را برای کار در جریان بیشتر و ولتاژ پایین تر افزایش داد. بر خلاف سیستم خنک کن غیر مستقیم که محدودیتی در ظرفیت واحد بوجود می آورد.در سیستم خنک کن مستقیم که خنک کردن از میان هادیها صورت می گیرد امکان استفاده از ولتاژهای بالاتر و متعاقب آن افزایش ظرفیت واحد میسر است.
سرعت گردش: سرعت گردش اکثر توربو ژنراتورها 3000 دور در دقیقه است (ژنراتور دو قطبی) این سرعت با توجه به مسائل فنی و اقتصادیدر طراحی توربینهای بخار تعیین می گردد سرعت کاربردی بعدی 1500 دور در دقیقه است (ژنراتور چهار قطبی) که در این سرعت با توان مساوی ، توربین بخار بسیار حجیم تر خواهد بود. سرعت گردش توربینهای بخار نیروگاههای هسته ای و در ننتیجه ژنراتورهای گردنده بوسیله این توربینها 1500 دور در دقیقه انتخاب می گردد. با توجه به اینکه اختلالات شبکه می تواند موجب دور گرفتن روتور گردد، استاندارد IEC 34-3 آزمایش اضافه سرعت روتور را در 1/2 برابر سرعت نامی برای مدت دو دقیقه توصیه می کند.
حالتهای عملکرد ژنراتور:
1. حالت بی باری : ماشین در سرعت نامی خودش راه اندازی می شود و بریکر ژنراتور باز است وسرعت ماشین بوسیله توربین تنظیم می شود.
2. ماشین باردار شده و عملکرد به صورت موازی با دیگر ماشینهایی که به شبکه بسیار بزرگ (شبکه بی نهایت) وصل شده اند. ماشین تنها یک ژنراتور کوچک است که با یک شبکه کامل مقایسه می شود بنابراین تاثیر واقعی حتی برروی ولتاژ شبکه و یا فرکانس شبکه نمی تواند بگذارد.
3. ماشین باردار شده و عملکرد تکی آن در حالت بی باری (عملکرد جزیره ای)
ویژگیهای ژنراتور بی بار:
مقدار نیروی محرکه القا شده به جریان تحریک و سرعت وابسته است. در عملکرد بی باری جریان استاتور صفر است.
ولتاژ ترمینال ماشین ماشین = نیروی محرکه القا شده[1], Ug=Ep
در مقادیر پایین تر از جریان تحریک ، رابطه بین جریان تحریک و ولتاژ ترمینال خطی است با این حال بالاتر از یک سطح مشخص جریان، ماشین وارد حالت اشباع می شود. بیشتر ماشینها برای اینکه ولتاژ نامی ماشین تنها در اطراف ناحیه اشباع باقی بمانند طراحی می شوند. وقتی دامنه ولتاژ ژنراتور افزایش می یابد رابطه خطی بین جریان تحریک و ولتاژ ژنراتور بیشتر یا کمتر خواهد شد. زمانی که ولتاژ ژنراتور از مقدار نامی بیشتر شود (از حد مجاز بالاتر رود) در نتیجه اشباع اتفاق می افتد. اگر تمایل داشته باشیم افزایش ولتاژ ژنراتور اضافه تر از مقدار نامی باشد جریان تحریک باید بالاتر از حد معمول افزایش داده شود.
ژنراتور زیر بار:
ماشین حالا به شبکه اتصال داده شده است. توربین مقداری بار تحویل میدهد و باعث می شود جریان شارش یابد. سیستم تحریک می تواند مقدار نیروی محرکه القا شده ماشین را تغییر دهد اما تاثیر آن بر شبکه ناچیز در نظر گرفته می شود.
مقدار نیروی محرکه القا شده درونی ماشین هنوز هم بوسیله جریان تحریک تعیین و مشخص می شود با این حال ولتاژ ترمینال ماشین همچنین با نیروی بیشتر به شبکه بستگی دارد. اگر ماشین زیر بار است شارش جریان در سیم پیچ های استاتور که سبب افت ولتاژ در راکتانس سنکرون است اتفاق می افتد اگر جریان تحریک ثابت باقی بماند ولتاژ ترمینال ماشین مقداری کاهش داده میشود در اینجا عملکرد سیستم تحریک برای جلوگیری کردن از این افت ولتاژ بوسیله تغییر دادن جریان تحریک می باشد.
نیازهای شبکه استاتیکی میکروکنترلر:
نیازهای اساسی از سیستمهای تنظیم کننده ولتاژ خودکار که باید در یک شبکه فرضی تحت شرایط ثابت در نظر گرفته شود عبارتند از:
1. ولتاژ اتصال مصرف کننده باید در محدوده قابل قبول نگهداری شود. چرا که تجهیزاتی که مصرف کننده بکار می برد برای ولتاژ مشخص طراحی شده اند.
2. توزیع توان راکتیو پایدار در میان چند ژنراتور:
ژنراتورها می توانند توان راکتیو تولید و یا جذب کنند. به منظور داشتن یک عملکرد پایدار، ضروری است که توان راکتیو در میان ژنراتورها تقسیم شود.
3. توزیع توان راکتیو در سیستم شبکه باید کمترین تلفات را در خط ایجاد کند و با پایداری خوب و همچنین همراه با تغییرات بار باشد. اگر شبکه ای عملکرد خوبی داشته باشد، داشتن تعدادی راه برای اداره کردن گره ولتاژها در نقاط متغیر و متنوع در شبکه ضروری است که این کار می تواند بوسیله سیستم های تحریک و ترانسفورماتورهای مجهز به تپ انجام داده شود.
4. ژنراتور باید همیشه در محدوده عملکرد امن کار انجام دهد.
تولید و مصرف توان راکتیو:
اگر ولتاژ ترمینال ژنراتور بر حسب پریونیت بسیار بزرگتر از ولتاژ شبکه بر حسب پریونیت باشد توان راکتیو تولیدمی شود. اگر توان راکتیو صادر شود، پس ولتاژ ژنراتور بر حسب پریونیت بسیار بزرگتر از ولتاژ شبکه بر حسب پریونیت خواهد بود. بنابراین ژنراتور سهم به سزایی در ثابت نگه داشتن ولتاژ شبکه در سطح بالا انجام می دهد.
اگر ولتاژ ترمینال بر حسب پریونیت از ولتاژ شبکه بر حسب پریونیت کمتر باشد توان راکتیو توسط ژنراتور مصرف می شود. بنابراین ژنراتور سهم به سزایی در ثابت نگه داشتن ولتاژ شبکه در پائین انجام میدهد.
مقایسه گاورنر و میکروکنترلر:
توان اکتیو به خروجی مکانیکی نیروگاه(گاورنر) بستگی دارد. و توان راکتیو به سیستم تحریک بستگی دارد. تضمین توزیع پایدار توان راکتیو بر عهده میکروکنترلرAVR می باشد.
توان اکتیو در شبکه:
اگر مقدار توان حقیقی تولید شده از مقدار توان استفاده شده بیشتر باشد سرعت شبکه افزایش می یابد. اگر مقدار توان حقیقی تولید شده از مقدار توان استفاده شده کمتر باشد سرعت شبکه کاهش می یابد. به منظور نگهداری فرکانس پایدار، بیشتر توربین ها از تنظیم کردن دروپ بر بالای تنظیم قدرتشان استفاده می کنند. به عبارت دیگر اگر سرعت سقوط کند گاورنر توان حقیقی را افزایش می دهد حتی اگر قدرت ثابت برای تنظیم نقطه موجود باشد.
توان راکتیو در شبکه:
اگر توان راکتیو تولید شده از مقدار توان استفاده شده بیشتر باشد ولتاژ شبکه افزایش می یابد. اگر مقدار توان راکتیو تولید شده از مقدار توان راکتیو استفاده شده کمتر باشد ولتاژ شبکه کاهش می یابد.
درمیکروکنترلرAVR ممکن است به ماشین مشخصات مختلف بوسیله تنظیم کردن دروپ1 (افت فرکانس) اعمال شود .
تفاوت بین دراپ و دروپ1 چیست؟
وقتی که ژنراتور را مورد بررسی قرار می دهیم توربین را نیز می توانیم بررسی کنیم. ژنراتور و توربین دو مقوله مانند هم می باشند رفتارهای ژنراتور و توربین مانند هم می باشند. ژنراتور قبل از وصل شدن به شبکه هر گونه تغییر در جریان تحریک باعث افزایش سطح ولتاژ ژنراتور میشود. وقتی ژنراتور به شبکه وصل می شود چون ژنراتور به شبکه بینهایت وصل شده هر گونه تغییر در جریان تحریک خودش را به صورت ولتاژ نشان نمی دهد چون در حقیقت ولتاژ ژنراتور همان ولتاژ شبکه است و ولتاژ از شبکه به ژنراتور اعمال میشود و ژنراتور یک عنصر کوچک است پس هر گونه تغییر در جریان تحریک خودش را به صورت مگاوار نشان می دهد و ولتاژ ژنراتور هیچگونه تغییری نمی یابد. اگر مشکلی ناگهانی ایجاد شود خودش را به صورت تغییر در سطح ولتاژ شبکه نشان می دهد این افت ولتاژ را دراپ می گویند. اگر توربین را در نظر بگیریم توربین قبل از وصل به شبکه هر گونه افزایش در آب توربین خود را به صورت افزایش سرعت و فرکانس نشان می دهد. بعد از پارالل شدن اگر آب خروجی را افزایش بدهیم خود را به صورت افزایش مگاوات نشان می دهد. تغییرات ناگهانی فرکانس در هنگام سوئیچینگ را دروپ می گویند.
سیستم تحریک ژنراتور:
جریان تحریک توربو ژنراتورهای اولیه توسط ژنراتورهای DC که با محور ژنراتور کوپل بوده اند، تأمین می گردید. در این سیستم تحریک، سیگنال کنترل DC توسط کنترل تحریک به سیم پیچ تحریک ثابت ژنراتور DC اعمال شده و جریان مستقیم تولید شده توسط آرمیچر گردان آن از طریق محور گردنده ژنراتور اصلی و یا محور یک موتور مجزا به گردش در می آید. در هر حالت یک کموتاتور در تحریک DC و نیز جاروبک و رینگ های جمع کننده روی سیم پیچ روتور ژنراتور اصلی جهت انتقال جریان DCمورد نیاز می باشد
.
انواع سیستمهای تحریک:
1-سیستم تحریک استاتیک: برق متناوب AC بعد از یکسو شدن توسط تعدادی ذغال به روتور ژنراتور اصلی می رود و آنرا تحریک می کند. در این روش همه جریان تحریک درون یک محفظه ثابت که یکسو کننده ها در آن قرار دارند ساخته می شود و به همین دلیل آن را روش استاتیک گویند.
برق AC مورد نیاز یکسو کننده معمولا از سه فاز خروجی ژنراتور گرفته می شود و از آنجا که ولتاژ خروجی ژنراتور تا قبل از تهیه جریان تحریک بسیار پائین است (به علت پسماند مغناطیسی ولتاژ کمی ایجاد می شود) و نمی تواند سیستم تحریک را تغذیه کند٬ پس لازم است در شروع تحریک از باطریخانه کمک بگیریم و با وصل آن به سیم پیچ توسط کلید ولتاژ خروجی ژنراتور را به حدی برسانیم که بتواند سیستم تحریک را تغذیه کند و بعد باطریها را قطع کنیم.
2-سیستم تحریک دینامیک: در این روش حداقل از یک ژنراتور هم محور با ژنراتور اصلی استفاده شده که این ژنراتور یک ژنراتور DC می‌باشد. درون یک محفظه ثابت (یکسو کننده و کنترل ولتاژ) یک برق DC کوچک (مثلا 2 الی 3 آمپر)تهیه کرده و به عنوان جریان تحریک به استاتور (قطب آهن ربای دائم) ژنراتور DC می دهیم.ولتاژ القایی در روتور آن توسط کلکتور و ذغال گرفته شده و به روتور ژنراتور اصلی داده می شود.
در حال حاضر سه نوع سیستم تحریک برای ژنراتورهای بزرگ مورد استفاده قرار می گیرند که عبارتند از:
سیستم تحریک استاتیک: در این نوع سیستم تحریک توان لازم برای تحریک ژنراتور از خود ژنراتور گرفته می شود و به هیچ ماشین تحریکی که با محور ژنراتور کوپل شده باشد نیاز نیست.
روش کار به این صورت است که یک ترانسفورماتور، ولتاژ ژنراتور را به سطح بیشترین ولتاژ مورد نیاز سیستم تحریک تبدیل می کند وسپس در مبدل تریستوری جریان متناوب یکسو شده و از طریق جاروبک به سیم پیچ تحریک که بروی روتور سوار شده منتقل می گردد. یک کلید قطع تحریک بین جاروبکها و مبدل تریستوری قرار داده شده است. هنگامی که خطایی بر روی ژنراتور اتفاق می افتد کلید قطع تحریک، جریان تحریک را قطع نموده و سیم پیچ تحریک را به مقاومتی که دارای مقاومت غیر ثابت متناسب با ولتاژ است متصل می سازد. میدان تحریک به این صورت بسرعت کاهش می یابد. در سیستم تحریک استاتیک، ولتاژ تحریک ژنراتور می تواند بطور لحظه ای با تغییر زاویه آتش تریستورها تغییر یابد و به این صورت تغییرات سریع در جریان تحریک و کنترل بهینه ژنراتور امکان پذیر است. بنابراین ثابت زمانی کم از مزایای این سیستم است. ضمناً قابلیت تعمیر تجهیزات این نوع سیستم تحریک به هنگام کار به علت ساکن بودن آسانتر از سیستمهای تحریک با قطعات گردان است.(تعمیر سیستمهای تحریک استاتیکی آسانتر از سیستمهای تحریک دینامیکی است)
در سیستم تحریک استاتیک نیازی به تحریک اصلی نیست و این موجب کاهش طول محور ژنراتور، کاهش ابعاد طولی سالن توربین – ژنراتور و کارکرد روان تر ژنراتور به دلیل کوتاهتر شدن محور و یکنواخت شدن دوران خواهد شد.
سیستم تحریک مشتمل بر تحریک کننده اصلی سه فاز و دیودهای ثابت: در این نوع سیستم تحریک توان مورد نیاز به وسیله تحریکی که با محور ژنراتور کوپل است، تأمین می گردد. جریان سه فاز تولیدی تحریک کننده اصلی بوسیله دیودهای ثابت یکسو شده و سپس از طریق جاروبک به سیم پیچ تحریک تزریق می گردد. تغذیه میدان تحریک کننده اصلی از طریق پایلوت اکسایتر که یک ژنراتور با مغناطیس دائم است صورت می گیرد. تغییرات ولتاژ خروجی ژنراتور وابسته به تغییر جریان خروجی تحریک کننده اصلی سه فاز و تغییر جریان خروجی تحریک کننده اصلی نیز به تغییر جریان میدان آن است لذا سرعت پاسخ این سیستم تحریک به اندازه سیستم تحریک استاتیک نیست. علاوه بر ثابت زمانی نسبتاً زیاد در پاسخ به ولتاژ خروجی ژنراتور نسبت به تغییرات سیگنال مرجع، وجود حلقه و جاروبک در سیستم و طول زیاد محور که باعث عدم یکنواختی دوران و طویل شدن سالن توربین- ژنراتور از دیگر معایب این سیستم می باشد.
سیستم تحریک بدون جاروبک : هنگامی که تحریک از طریق دیودهای گردان صورت می گیرد، توان لازم برای تحریک ژنراتور اصلی از طریق آرمیچر گردان تحریک کننده اصلی که مستقیماً با محور ژنراتور کوپل شده است، تأمین می گردد که شبیه به سیستم تحریک با دیودهای ثابت است. پایلوت اکسایتر جریان لازم برای میدان تحریک کننده اصلی را تأمین می کند.
شدت میدان ژنراتور، بوسیله کنترل ولتاژ تحریک کننده اصلی از طریق تغییر زاویه آتش در مبدل تریستوری صورت می گیرد که از سرعت پاسخ بالایی برخوردار نیست. لازم به ذکر است که تحریک کننده اصلی در این سیستم تحریک، یک ماشین سنکرون با آرمیچرگردان است و سیم پیچهای میدان آن در استاتور قرار گرفته که ولتاژ متناوبی را در روتور القاءمی کند. دیودهای گردان، جریان خروجی از آرمیچرگردان را یکسو نموده و آن را مستقیماً و بدون جاروبک به روتور ژنراتور منتقل می سازند. در این سیستم با توجه به عدم وجود جاروبک، کارکرد بدون نیاز به تعمیرات سیستم، برای مدت طولانی میسر است. علاوه بر این طول محور در این نوع سیستم کوتاهتراست. ضمناً با توجه به اینکه در این سیستم تحریک، دیودهای یکسوساز به علت متحرک بودن مستقیماً در دسترس نیستند، لازم است جهت قابلیت اطمینان بالاتر سیستم، قطعاتی که صدمه می بینند بطور خودکار از مدار خارج شوند و با قطعات سالم که در داخل سیستم تعبیه شده اند تعویض گردند. در این سیستم تحریک، استفاده از کلید قطع تحریک اصلی ژنراتور به دلیل گردان بودن سیستم امکانپذیر نیست و فقط قطع تغذیه میدان تحریک کننده سه فاز اصلی ممکن است. و بنابراین زمان از بین رفتن تحریک ژنراتور اصلی طولانی تر می گردد.
از معایب سیستم تحریک فوق، ثابت زمانی زیاد و عدم امکان تخلیه میدان روی مقاومت های تخلیه در مواقع ضروری و زیاد بودن زمان تخلیه میدان تحریک است.
انتخاب سیستم تحریک ژنراتور:
برای انتخاب سیستم تحریک مناسب برای ژنراتور باید به موارد زیر توجه کرد:
توان خروجی سیستم تحریک:میزان توان مورد نیاز خروجی سیستم تحریک وابسته به ظرفیت نامی ژنراتور، نسبت اتصال کوتاه و ضریب توان است. ژنراتور با ظرفیت نامی بزرگتر، نسبت اتصال کوتاه بزرگتر و ضریب توان پس فاز کوچکتر نیاز به نیروی محرکه مغناطیسی بزرگتر و بنابراین توان خروجی بیشتر سیستم تحریک دارد.
ولتاژ نامی سیستم تحریک: ولتاژ مستقیمی که سیستم تحریک جهت تولید جریان نامی تحریک برای شرایط کاری تعریف شده قادر به تولید آن است ولتاژ نامی سیستم تحریک نامیده می شود. ولتاژهای نامی سیستم تحریک مختلفی از بیش از 300 ولت تا حدود 600 ولت برای ژنراتورهای با ظرفیت 250 مگاوات بکار رفته است. مقدار این ولتاژ بستگی به طراحی سازنده دارد.
سقف ولتاژ تحریک: به هنگام زیاد شدن بار، ولتاژ خروجی ژنراتور کاهش می یابد برای بازگردانیدن سریع این ولتاژ به مقدار تنظیم شده لازم است که ولتاژ سیستم تحریک به سرعت بالا رود حداکثر ولتاژی که سیستم تحریک قادر به کار در آن است را سقف ولتاژ تحریک می نامند. طبق استانداردBS حداقل مقدار سقف ولتاژ تحریک 4/1 برابر ولتاژ نامی سیستم تحریک برای حداقل 10 ثانیه است.
عایق سیم پیچ تحریک: سیستم عایقی سیم پیچ تحریک به خاطر ولتاژهای پائین تر مورد استفاده در سیستم تحریک دارای مشکلات طراحی کمتری نسبت به عایق سیم پیچ استاتور است. ولتاژهای کار سیم پیچ تحریک در محدوده 125 تا 600 ولت و گاهی کمی بیشتر است. البته حالات گذرا برای مثال قطع تحریک در بار کامل ممکن است منجر به بوجود آمدن ولتاژهای چندین برابر ولتاژ نامی برای کوتاه مدت گردد. به همین خاطر استاندارد IEC تست ولتاژ سیم پیچ تحریک را در چندین برابر ولتاژ نامی سیم پیچ تحریک به شرح زیر پیشنهاد می کند
برای ولتاژ نامی تا 500 ولت٬ 10 برابر ولتاژ نامی تحریک با حداقل 1500 ولت
برای ولتاژ نامی 500 ولت به بالا٬ 4000 ولت به اضافه دو برابر ولتاژ نامی تحریک
ساختمان کلی تنظیم تحریک:
دو نوع سیستم تحریک (استاتیک و دینامیک) داریم. در نوع استاتیک تمام جریان تحریک درون یک محفظه ثابت تهیه می شد ولی در سیستم دینامیک یک جریان تحریک کوچک (جریان تحریک کمکی) درون یک محفظه ثابت تهیه می شود و به ژنراتور تحریک کننده می رود و از روتور ژنراتور تحریک کننده به دیودهای چرخان و از آنجا به ژنراتور اصلی می رود.
این محفظه ثابت که همان سیستم تحریک می باشد چیست؟
در حقیقت وسیله ای است که یک برق AC از شبکه یا از ژنراتور اصلی می گیرد و از آن طرف به ما یک برق DC برای تحریک ژنراتور تحریک کننده (روش دینامیک) می دهد. پس مسلماً یکی از اجزاء آن باید یک پل یکسو کننده (اصلی) باشد که از برق AC ورودی یک برق DC به عنوان ولتاژ تحریک کمکی بسازد. از طرف دیگر می خواهیم این برق DC قابل تنظیم باشد چرا که لازم است در مواقع گوناگون جریان تحریک را تغییر داد. بنابراین لازم است این پل (یکسو کننده) قابل کنترل باشد.
در سیستمهای تحریک جدید به این منظور از تریستور استفاده می کنند با تغییر زمان پالسهای ارسالی به تریستورها، مقدار ولتاژ خروجی پل یکسو کننده (جریان تحریک) را تغییر می دهند. تریستورها برای آتش شدن احتیاج به پالس دارند. پس قسمت لازم دیگر برای یک سیستم تحریک قسمت سازنده پالس است. از طرف دیگر برای عملکرد اتوماتیک سیستم تحریک باید زمان پالسهای ارسالی به تریستورها در مواقع لزوم بطور اتوماتیک عوض شود.برای این کار لازم است که سیستم تحریک یک قسمت کنترل هم داشته باشد. قسمت کنترل با توجه به پارامترهای خبری و مرجع که به آن داده می شود یک ولتاژ DC متغیر بنام ولتاژ کنترل تهیه می کند و به قسمت سازنده پالس می دهد٬ سازنده پالس هم با توجه به مقدار این پالسها را تغییر می دهد. چون در داخل سیستم تحریک از اجزاء الکترونیکی استفاده می شود و آنها برای تغذیه احتیاج به ولتاژهای DC مختلف دارند.لذا قسمت ضروری دیگر سیستم تحریک، قسمت تغذیه داخلی آن است که با استفاده از ولتاژ AC ورودی، ولتاژهای DC مختلف برای تغذیه قسمتهای داخلی سیستم را تهیه می کند و بالاخره یک سیتسم تحریک اتوماتیک باید یک قسمت تهیه خبر هم داشته باشد تا سیگنالهایی متناسب باولتاژ خروجی ژنراتور و مگاوار (جریان راکتور) خروجی ژنراتور و خود جریان تحریک تهیه کند. این سه خبر برای هر سیستم تحریک اتوماتیک ضروری می باشند.
اگر قسمت کنترل از ولتاژ خروجی ژنراتور خبر نداشته باشد با تغییر یک عامل مثلاً دور ژنراتور و یا جریان تحریک آن ولتاژ خروجی ژنراتور هم تغییر می کند ولی اگر قسمت کنترل کننده از ولتاژ خروجی خبر داشته باشد با مشاهده تغییر ولتاژ ژنراتور جریان تحریک را طوری عوض می کند و تغییر می دهد که ولتاژ ژنراتور به مقدار تنظیم شده خودش برگردد.
خبر از مگاوار خروجی هم حتماً لازم است چرا که مانند حالت قبل وصل ژنراتور به شبکه می خواهیم مگاوار را برای مقدار ثابتی تنظیم کنیم. اگر قسمت کنترل از مگاوار خروجی خبر نداشته باشد (مگاوار با تغییر جریان تحریک تغییر می کند) نمی تواند جریان تحریک را طوری تنظیم کند که مگاوار ثابت بماند.
خبر از جریان تحریک هم لازم است چرا که اگر جریان تحریک از حدی بیشتر و یا کمتر شود احتمال ایجاد اشکالاتی در ژنراتور (از قبیل سوختن سیم پیچ تحریک) وجود دارد. پس باید قسمت کنترل از جریان تحریک خبر داشته باشد تا در صورت خارج شدن از حدش آنرا محدود نماید.
اكسايتر با رئوستاي تحت كنترل:
در ابتدا سيستم كلي با پاسخ كند را در نظر مي گيريم كه اين نوع سيستم شامل اكسايتر با كنترل اتوماتيك و يا دستي ميدان تحريك مي باشد. در اين نوع مدار شماتيك، رگولاتور ولتاژ، دامنه ولتاژ را اندازه گرفته و بر حسب دامنه ولتاژ درصد و تغيير مقدار مقاومت رئوستا و تنظيم آن به وسيله سيستم مكانيكي را برآورده ميسازد. يك نوع آن كه به طور مستقيم روي رئوستا عمل مي كند شامل سيم پيچ تنظيم كننده بوده كه روي (همان حلقه لغزنده روي رئوستا مي باشد) عمل كرده و در اثر گردش آن و لغزيدن برجستگي هادي كه از جنس نقره (به عنوان هادي) مي باشند قسمتي از رئوستا اتصال كوتاه شده و مقدار مقاومت آن تغيير خواهد كرد.
در عمل در اثر افزايش ولتاژ خروجي ژنراتور ، ولتاژ DC خروجي يكسوكننده افزايش مي يابد كه خود اين عمل موجب افزايش جريان داخل سيم پيچ رگولاتور گشته و در اثر اين عمل به طور مكانيكي و از طريق سولونوئيد تغيير مقاومت ميدان اكسايتر حاصل خواهد شد. اين كاهش در فلوي ميدان اكسايتر كه ناشي از تغيير مقاومت ميدان اكسايتر و يا به عبارتي ناشي از كم شدن ولتاژ دو سر آن مي باشد، موجب كم شدن جريان سيم پيچ ميدان تحريك ژنراتور شده و در نهايت موجب كاهش ولتاژ خروجي آن مي گردد.
دو وسيله اضافي ديگر كه مي توان به سيستم بالا اضافه كرد كه عبارتند از: ترانسفورماتور مستهلك كننده و جبران كننده جريان.
ترانسفورماتور مستهلك كننده یک وسيله الكتريكي براي مستهلك كردن حركتهاي زائد پلانگر متحرك مي باشد و جبران كننده جريان براي كنترل و تقسيم بار اكتيو در بين ژنراتورهادي كه به صورت موازي با هم قرار گرفته و شبكه را تغذيه مي كنند به كار مي رود . مقاومت ترانس جريان و جبران كننده جريان افت ولتاژي متناسب با جريان خط در مدار به وجود مي آورد. ارتباط فازي طوري مي باشد كه در مورد جريان پس فاز كه مبين توليد توان راكتيو مي باشد ولتاژ دو سر مقاومت جبران كننده جريان با ولتاژ ترانس ولتاژ جمع شده و موجب كم شدن ولتاژ اكسايتر مي گردد و با افزايش اختلاف فاز جريان (در حالت پس فازي) كه موجب افزايش قدرت راكتيو خروجي گرديده و در نتيجه اين عمل موجب تقسيم متعادل توان راكتيو بين ژنراتورهاي موازي با شبكه كه آن را تغذيه مي كنند خواهد شد .
تركيب ديگري براي اين نوع اكسايتر عبارتست از اكسايتر اصلي با سيستم پایلوت،در اين نوع سيستم كنترل ميدان تحريك اكسايتر مستقل از ولتاژ خروجي اكسايتر بوده و سرعت پاسخ آن به مراتب سريعتر از سيستم خود تحريك با اكسايتر اصلي مي باشد.
كنترل اين سيستم مشابه كنترل حالت خود تحريك مي باشد چرا كه محرك رئوستاي اين نوع سيستم هم الكترومكانيكي بوده و در مقايسه با سيستمهاي مدرن پاسخ آن كند مي باشد ولي با اين وصف پاسخ آن سريعتر از نوع خود تحريك مي باشد. اولين تغييري كه در سيستم اوليه مي توان داد اضافه كردن تقويت كننده در مسير فيدبك مي باشد كه موجب تقويت ولتاژ خطاي شده و در نتيجه موجب تغييرات سريع اكسايتر خواهد شد و مي توان نتيجه گرفت كه اين عمل به سيستم سرعت عمل خواهد بخشيد. هر چه ژنراتورهاي موجود در شبكه پرقدرت گشته و سيستم به هم پيوسته گسترده تر مي گردد سيستم كنترل ميدان متحرك پيچيده تر مي گردد.
نیازهای اساسی از سیستمهای تنظیم کننده ولتاژ خودکار که باید در یک شبکه فرضی تحت شرایط ثابت در نظر گرفته شود عبارتند از:
1. ولتاژ اتصال مصرف کننده باید در محدوده قابل قبول نگهداری شود. چرا که تجهیزاتی که مصرف کننده بکار می برد برای ولتاژ مشخص طراحی شده اند.
2. توزیع توان راکتیو پایدار در میان چند ژنراتور:
ژنراتورها می توانند توان راکتیو تولید و یا جذب کنند. به منظور داشتن یک عملکرد پایدار، ضروری است که توان راکتیو در میان ژنراتورها تقسیم شود.
3. توزیع توان راکتیو در سیستم شبکه باید کمترین تلفات را در خط ایجاد کند و با پایداری خوب و همچنین همراه با تغییرات بار باشد. اگر شبکه ای عملکرد خوبی داشته باشد، داشتن تعدادی راه برای اداره کردن گره ولتاژها در نقاط متغیر و متنوع در شبکه ضروری است که این کار می تواند بوسیله سیستم های تحریک و ترانسفورماتورهای مجهز به تپ انجام داده شود.
4. ژنراتور باید همیشه در محدوده عملکرد امن کار انجام دهد.
تولید و مصرف توان راکتیو:
اگر ولتاژ ترمینال ژنراتور بر حسب پریونیت بسیار بزرگتر از ولتاژ شبکه بر حسب پریونیت باشد توان راکتیو تولیدمی شود. اگر توان راکتیو صادر شود، پس ولتاژ ژنراتور بر حسب پریونیت بسیار بزرگتر از ولتاژ شبکه بر حسب پریونیت خواهد بود. بنابراین ژنراتور سهم به سزایی در ثابت نگه داشتن ولتاژ شبکه در سطح بالا انجام می دهد.
اگر ولتاژ ترمینال بر حسب پریونیت از ولتاژ شبکه بر حسب پریونیت کمتر باشد توان راکتیو توسط ژنراتور مصرف می شود. بنابراین ژنراتور سهم به سزایی در ثابت نگه داشتن ولتاژ شبکه در پائین انجام میدهد.
مقایسه گاورنر و میکروکنترلر:
توان اکتیو به خروجی مکانیکی نیروگاه(گاورنر) بستگی دارد. و توان راکتیو به سیستم تحریک بستگی دارد. تضمین توزیع پایدار توان راکتیو بر عهده میکروکنترلرAVR می باشد.
توان اکتیو در شبکه:
اگر مقدار توان حقیقی تولید شده از مقدار توان استفاده شده بیشتر باشد سرعت شبکه افزایش می یابد. اگر مقدار توان حقیقی تولید شده از مقدار توان استفاده شده کمتر باشد سرعت شبکه کاهش می یابد. به منظور نگهداری فرکانس پایدار، بیشتر توربین ها از تنظیم کردن دروپ بر بالای تنظیم قدرتشان استفاده می کنند. به عبارت دیگر اگر سرعت سقوط کند گاورنر توان حقیقی را افزایش می دهد حتی اگر قدرت ثابت برای تنظیم نقطه موجود باشد.
توان راکتیو در شبکه:
اگر توان راکتیو تولید شده از مقدار توان استفاده شده بیشتر باشد ولتاژ شبکه افزایش می یابد. اگر مقدار توان راکتیو تولید شده از مقدار توان راکتیو استفاده شده کمتر باشد ولتاژ شبکه کاهش می یابد.
درمیکروکنترلرAVR ممکن است به ماشین مشخصات مختلف بوسیله تنظیم کردن دروپ1 (افت فرکانس) اعمال شود .
تفاوت بین دراپ و دروپ1 چیست؟
وقتی که ژنراتور را مورد بررسی قرار می دهیم توربین را نیز می توانیم بررسی کنیم. ژنراتور و توربین دو مقوله مانند هم می باشند رفتارهای ژنراتور و توربین مانند هم می باشند. ژنراتور قبل از وصل شدن به شبکه هر گونه تغییر در جریان تحریک باعث افزایش سطح ولتاژ ژنراتور میشود. وقتی ژنراتور به شبکه وصل می شود چون ژنراتور به شبکه بینهایت وصل شده هر گونه تغییر در جریان تحریک خودش را به صورت ولتاژ نشان نمی دهد چون در حقیقت ولتاژ ژنراتور همان ولتاژ شبکه است و ولتاژ از شبکه به ژنراتور اعمال میشود و ژنراتور یک عنصر کوچک است پس هر گونه تغییر در جریان تحریک خودش را به صورت مگاوار نشان می دهد و ولتاژ ژنراتور هیچگونه تغییری نمی یابد. اگر مشکلی ناگهانی ایجاد شود خودش را به صورت تغییر در سطح ولتاژ شبکه نشان می دهد این افت ولتاژ را دراپ می گویند. اگر توربین را در نظر بگیریم توربین قبل از وصل به شبکه هر گونه افزایش در آب توربین خود را به صورت افزایش سرعت و فرکانس نشان می دهد. بعد از پارالل شدن اگر آب خروجی را افزایش بدهیم خود را به صورت افزایش مگاوات نشان می دهد. تغییرات ناگهانی فرکانس در هنگام سوئیچینگ را دروپ می گویند.
سیستم تحریک ژنراتور:
جریان تحریک توربو ژنراتورهای اولیه توسط ژنراتورهای DC که با محور ژنراتور کوپل بوده اند، تأمین می گردید. در این سیستم تحریک، سیگنال کنترل DC توسط کنترل تحریک به سیم پیچ تحریک ثابت ژنراتور DC اعمال شده و جریان مستقیم تولید شده توسط آرمیچر گردان آن از طریق محور گردنده ژنراتور اصلی و یا محور یک موتور مجزا به گردش در می آید. در هر حالت یک کموتاتور در تحریک DC و نیز جاروبک و رینگ های جمع کننده روی سیم پیچ روتور ژنراتور اصلی جهت انتقال جریان DCمورد نیاز می باشد
.
انواع سیستمهای تحریک:
1-سیستم تحریک استاتیک: برق متناوب AC بعد از یکسو شدن توسط تعدادی ذغال به روتور ژنراتور اصلی می رود و آنرا تحریک می کند. در این روش همه جریان تحریک درون یک محفظه ثابت که یکسو کننده ها در آن قرار دارند ساخته می شود و به همین دلیل آن را روش استاتیک گویند.
برق AC مورد نیاز یکسو کننده معمولا از سه فاز خروجی ژنراتور گرفته می شود و از آنجا که ولتاژ خروجی ژنراتور تا قبل از تهیه جریان تحریک بسیار پائین است (به علت پسماند مغناطیسی ولتاژ کمی ایجاد می شود) و نمی تواند سیستم تحریک را تغذیه کند٬ پس لازم است در شروع تحریک از باطریخانه کمک بگیریم و با وصل آن به سیم پیچ توسط کلید ولتاژ خروجی ژنراتور را به حدی برسانیم که بتواند سیستم تحریک را تغذیه کند و بعد باطریها را قطع کنیم.
2-سیستم تحریک دینامیک: در این روش حداقل از یک ژنراتور هم محور با ژنراتور اصلی استفاده شده که این ژنراتور یک ژنراتور DC می‌باشد. درون یک محفظه ثابت (یکسو کننده و کنترل ولتاژ) یک برق DC کوچک (مثلا 2 الی 3 آمپر)تهیه کرده و به عنوان جریان تحریک به استاتور (قطب آهن ربای دائم) ژنراتور DC می دهیم.ولتاژ القایی در روتور آن توسط کلکتور و ذغال گرفته شده و به روتور ژنراتور اصلی داده می شود.
در حال حاضر سه نوع سیستم تحریک برای ژنراتورهای بزرگ مورد استفاده قرار می گیرند که عبارتند از:
سیستم تحریک استاتیک: در این نوع سیستم تحریک توان لازم برای تحریک ژنراتور از خود ژنراتور گرفته می شود و به هیچ ماشین تحریکی که با محور ژنراتور کوپل شده باشد نیاز نیست.
روش کار به این صورت است که یک ترانسفورماتور، ولتاژ ژنراتور را به سطح بیشترین ولتاژ مورد نیاز سیستم تحریک تبدیل می کند وسپس در مبدل تریستوری جریان متناوب یکسو شده و از طریق جاروبک به سیم پیچ تحریک که بروی روتور سوار شده منتقل می گردد. یک کلید قطع تحریک بین جاروبکها و مبدل تریستوری قرار داده شده است. هنگامی که خطایی بر روی ژنراتور اتفاق می افتد کلید قطع تحریک، جریان تحریک را قطع نموده و سیم پیچ تحریک را به مقاومتی که دارای مقاومت غیر ثابت متناسب با ولتاژ است متصل می سازد. میدان تحریک به این صورت بسرعت کاهش می یابد. در سیستم تحریک استاتیک، ولتاژ تحریک ژنراتور می تواند بطور لحظه ای با تغییر زاویه آتش تریستورها تغییر یابد و به این صورت تغییرات سریع در جریان تحریک و کنترل بهینه ژنراتور امکان پذیر است. بنابراین ثابت زمانی کم از مزایای این سیستم است. ضمناً قابلیت تعمیر تجهیزات این نوع سیستم تحریک به هنگام کار به علت ساکن بودن آسانتر از سیستمهای تحریک با قطعات گردان است.(تعمیر سیستمهای تحریک استاتیکی آسانتر از سیستمهای تحریک دینامیکی است)
در سیستم تحریک استاتیک نیازی به تحریک اصلی نیست و این موجب کاهش طول محور ژنراتور، کاهش ابعاد طولی سالن توربین – ژنراتور و کارکرد روان تر ژنراتور به دلیل کوتاهتر شدن محور و یکنواخت شدن دوران خواهد شد.
سیستم تحریک مشتمل بر تحریک کننده اصلی سه فاز و دیودهای ثابت: در این نوع سیستم تحریک توان مورد نیاز به وسیله تحریکی که با محور ژنراتور کوپل است، تأمین می گردد. جریان سه فاز تولیدی تحریک کننده اصلی بوسیله دیودهای ثابت یکسو شده و سپس از طریق جاروبک به سیم پیچ تحریک تزریق می گردد. تغذیه میدان تحریک کننده اصلی از طریق پایلوت اکسایتر که یک ژنراتور با مغناطیس دائم است صورت می گیرد. تغییرات ولتاژ خروجی ژنراتور وابسته به تغییر جریان خروجی تحریک کننده اصلی سه فاز و تغییر جریان خروجی تحریک کننده اصلی نیز به تغییر جریان میدان آن است لذا سرعت پاسخ این سیستم تحریک به اندازه سیستم تحریک استاتیک نیست. علاوه بر ثابت زمانی نسبتاً زیاد در پاسخ به ولتاژ خروجی ژنراتور نسبت به تغییرات سیگنال مرجع، وجود حلقه و جاروبک در سیستم و طول زیاد محور که باعث عدم یکنواختی دوران و طویل شدن سالن توربین- ژنراتور از دیگر معایب این سیستم می باشد.
سیستم تحریک بدون جاروبک : هنگامی که تحریک از طریق دیودهای گردان صورت می گیرد، توان لازم برای تحریک ژنراتور اصلی از طریق آرمیچر گردان تحریک کننده اصلی که مستقیماً با محور ژنراتور کوپل شده است، تأمین می گردد که شبیه به سیستم تحریک با دیودهای ثابت است. پایلوت اکسایتر جریان لازم برای میدان تحریک کننده اصلی را تأمین می کند.
شدت میدان ژنراتور، بوسیله کنترل ولتاژ تحریک کننده اصلی از طریق تغییر زاویه آتش در مبدل تریستوری صورت می گیرد که از سرعت پاسخ بالایی برخوردار نیست. لازم به ذکر است که تحریک کننده اصلی در این سیستم تحریک، یک ماشین سنکرون با آرمیچرگردان است و سیم پیچهای میدان آن در استاتور قرار گرفته که ولتاژ متناوبی را در روتور القاءمی کند. دیودهای گردان، جریان خروجی از آرمیچرگردان را یکسو نموده و آن را مستقیماً و بدون جاروبک به روتور ژنراتور منتقل می سازند. در این سیستم با توجه به عدم وجود جاروبک، کارکرد بدون نیاز به تعمیرات سیستم، برای مدت طولانی میسر است. علاوه بر این طول محور در این نوع سیستم کوتاهتراست. ضمناً با توجه به اینکه در این سیستم تحریک، دیودهای یکسوساز به علت متحرک بودن مستقیماً در دسترس نیستند، لازم است جهت قابلیت اطمینان بالاتر سیستم، قطعاتی که صدمه می بینند بطور خودکار از مدار خارج شوند و با قطعات سالم که در داخل سیستم تعبیه شده اند تعویض گردند. در این سیستم تحریک، استفاده از کلید قطع تحریک اصلی ژنراتور به دلیل گردان بودن سیستم امکانپذیر نیست و فقط قطع تغذیه میدان تحریک کننده سه فاز اصلی ممکن است. و بنابراین زمان از بین رفتن تحریک ژنراتور اصلی طولانی تر می گردد.
از معایب سیستم تحریک فوق، ثابت زمانی زیاد و عدم امکان تخلیه میدان روی مقاومت های تخلیه در مواقع ضروری و زیاد بودن زمان تخلیه میدان تحریک است.
انتخاب سیستم تحریک ژنراتور:
برای انتخاب سیستم تحریک مناسب برای ژنراتور باید به موارد زیر توجه کرد:
توان خروجی سیستم تحریک:میزان توان مورد نیاز خروجی سیستم تحریک وابسته به ظرفیت نامی ژنراتور، نسبت اتصال کوتاه و ضریب توان است. ژنراتور با ظرفیت نامی بزرگتر، نسبت اتصال کوتاه بزرگتر و ضریب توان پس فاز کوچکتر نیاز به نیروی محرکه مغناطیسی بزرگتر و بنابراین توان خروجی بیشتر سیستم تحریک دارد.
ولتاژ نامی سیستم تحریک: ولتاژ مستقیمی که سیستم تحریک جهت تولید جریان نامی تحریک برای شرایط کاری تعریف شده قادر به تولید آن است ولتاژ نامی سیستم تحریک نامیده می شود. ولتاژهای نامی سیستم تحریک مختلفی از بیش از 300 ولت تا حدود 600 ولت برای ژنراتورهای با ظرفیت 250 مگاوات بکار رفته است. مقدار این ولتاژ بستگی به طراحی سازنده دارد.
سقف ولتاژ تحریک: به هنگام زیاد شدن بار، ولتاژ خروجی ژنراتور کاهش می یابد برای بازگردانیدن سریع این ولتاژ به مقدار تنظیم شده لازم است که ولتاژ سیستم تحریک به سرعت بالا رود حداکثر ولتاژی که سیستم تحریک قادر به کار در آن است را سقف ولتاژ تحریک می نامند. طبق استانداردBS حداقل مقدار سقف ولتاژ تحریک 4/1 برابر ولتاژ نامی سیستم تحریک برای حداقل 10 ثانیه است.
عایق سیم پیچ تحریک: سیستم عایقی سیم پیچ تحریک به خاطر ولتاژهای پائین تر مورد استفاده در سیستم تحریک دارای مشکلات طراحی کمتری نسبت به عایق سیم پیچ استاتور است. ولتاژهای کار سیم پیچ تحریک در محدوده 125 تا 600 ولت و گاهی کمی بیشتر است. البته حالات گذرا برای مثال قطع تحریک در بار کامل ممکن است منجر به بوجود آمدن ولتاژهای چندین برابر ولتاژ نامی برای کوتاه مدت گردد. به همین خاطر استاندارد IEC تست ولتاژ سیم پیچ تحریک را در چندین برابر ولتاژ نامی سیم پیچ تحریک به شرح زیر پیشنهاد می کند
برای ولتاژ نامی تا 500 ولت٬ 10 برابر ولتاژ نامی تحریک با حداقل 1500 ولت
برای ولتاژ نامی 500 ولت به بالا٬ 4000 ولت به اضافه دو برابر ولتاژ نامی تحریک
ساختمان کلی تنظیم تحریک:
دو نوع سیستم تحریک (استاتیک و دینامیک) داریم. در نوع استاتیک تمام جریان تحریک درون یک محفظه ثابت تهیه می شد ولی در سیستم دینامیک یک جریان تحریک کوچک (جریان تحریک کمکی) درون یک محفظه ثابت تهیه می شود و به ژنراتور تحریک کننده می رود و از روتور ژنراتور تحریک کننده به دیودهای چرخان و از آنجا به ژنراتور اصلی می رود.
این محفظه ثابت که همان سیستم تحریک می باشد چیست؟
در حقیقت وسیله ای است که یک برق AC از شبکه یا از ژنراتور اصلی می گیرد و از آن طرف به ما یک برق DC برای تحریک ژنراتور تحریک کننده (روش دینامیک) می دهد. پس مسلماً یکی از اجزاء آن باید یک پل یکسو کننده (اصلی) باشد که از برق AC ورودی یک برق DC به عنوان ولتاژ تحریک کمکی بسازد. از طرف دیگر می خواهیم این برق DC قابل تنظیم باشد چرا که لازم است در مواقع گوناگون جریان تحریک را تغییر داد. بنابراین لازم است این پل (یکسو کننده) قابل کنترل باشد.
در سیستمهای تحریک جدید به این منظور از تریستور استفاده می کنند با تغییر زمان پالسهای ارسالی به تریستورها، مقدار ولتاژ خروجی پل یکسو کننده (جریان تحریک) را تغییر می دهند. تریستورها برای آتش شدن احتیاج به پالس دارند. پس قسمت لازم دیگر برای یک سیستم تحریک قسمت سازنده پالس است. از طرف دیگر برای عملکرد اتوماتیک سیستم تحریک باید زمان پالسهای ارسالی به تریستورها در مواقع لزوم بطور اتوماتیک عوض شود.برای این کار لازم است که سیستم تحریک یک قسمت کنترل هم داشته باشد. قسمت کنترل با توجه به پارامترهای خبری و مرجع که به آن داده می شود یک ولتاژ DC متغیر بنام ولتاژ کنترل تهیه می کند و به قسمت سازنده پالس می دهد٬ سازنده پالس هم با توجه به مقدار این پالسها را تغییر می دهد. چون در داخل سیستم تحریک از اجزاء الکترونیکی استفاده می شود و آنها برای تغذیه احتیاج به ولتاژهای DC مختلف دارند.لذا قسمت ضروری دیگر سیستم تحریک، قسمت تغذیه داخلی آن است که با استفاده از ولتاژ AC ورودی، ولتاژهای DC مختلف برای تغذیه قسمتهای داخلی سیستم را تهیه می کند و بالاخره یک سیتسم تحریک اتوماتیک باید یک قسمت تهیه خبر هم داشته باشد تا سیگنالهایی متناسب باولتاژ خروجی ژنراتور و مگاوار (جریان راکتور) خروجی ژنراتور و خود جریان تحریک تهیه کند. این سه خبر برای هر سیستم تحریک اتوماتیک ضروری می باشند.
اگر قسمت کنترل از ولتاژ خروجی ژنراتور خبر نداشته باشد با تغییر یک عامل مثلاً دور ژنراتور و یا جریان تحریک آن ولتاژ خروجی ژنراتور هم تغییر می کند ولی اگر قسمت کنترل کننده از ولتاژ خروجی خبر داشته باشد با مشاهده تغییر ولتاژ ژنراتور جریان تحریک را طوری عوض می کند و تغییر می دهد که ولتاژ ژنراتور به مقدار تنظیم شده خودش برگردد.
خبر از مگاوار خروجی هم حتماً لازم است چرا که مانند حالت قبل وصل ژنراتور به شبکه می خواهیم مگاوار را برای مقدار ثابتی تنظیم کنیم. اگر قسمت کنترل از مگاوار خروجی خبر نداشته باشد (مگاوار با تغییر جریان تحریک تغییر می کند) نمی تواند جریان تحریک را طوری تنظیم کند که مگاوار ثابت بماند.
خبر از جریان تحریک هم لازم است چرا که اگر جریان تحریک از حدی بیشتر و یا کمتر شود احتمال ایجاد اشکالاتی در ژنراتور (از قبیل سوختن سیم پیچ تحریک) وجود دارد. پس باید قسمت کنترل از جریان تحریک خبر داشته باشد تا در صورت خارج شدن از حدش آنرا محدود نماید.
اكسايتر با رئوستاي تحت كنترل:
در ابتدا سيستم كلي با پاسخ كند را در نظر مي گيريم كه اين نوع سيستم شامل اكسايتر با كنترل اتوماتيك و يا دستي ميدان تحريك مي باشد. در اين نوع مدار شماتيك، رگولاتور ولتاژ، دامنه ولتاژ را اندازه گرفته و بر حسب دامنه ولتاژ درصد و تغيير مقدار مقاومت رئوستا و تنظيم آن به وسيله سيستم مكانيكي را برآورده ميسازد. يك نوع آن كه به طور مستقيم روي رئوستا عمل مي كند شامل سيم پيچ تنظيم كننده بوده كه روي (همان حلقه لغزنده روي رئوستا مي باشد) عمل كرده و در اثر گردش آن و لغزيدن برجستگي هادي كه از جنس نقره (به عنوان هادي) مي باشند قسمتي از رئوستا اتصال كوتاه شده و مقدار مقاومت آن تغيير خواهد كرد.
در عمل در اثر افزايش ولتاژ خروجي ژنراتور ، ولتاژ DC خروجي يكسوكننده افزايش مي يابد كه خود اين عمل موجب افزايش جريان داخل سيم پيچ رگولاتور گشته و در اثر اين عمل به طور مكانيكي و از طريق سولونوئيد تغيير مقاومت ميدان اكسايتر حاصل خواهد شد. اين كاهش در فلوي ميدان اكسايتر كه ناشي از تغيير مقاومت ميدان اكسايتر و يا به عبارتي ناشي از كم شدن ولتاژ دو سر آن مي باشد، موجب كم شدن جريان سيم پيچ ميدان تحريك ژنراتور شده و در نهايت موجب كاهش ولتاژ خروجي آن مي گردد.
دو وسيله اضافي ديگر كه مي توان به سيستم بالا اضافه كرد كه عبارتند از: ترانسفورماتور مستهلك كننده و جبران كننده جريان.
ترانسفورماتور مستهلك كننده یک وسيله الكتريكي براي مستهلك كردن حركتهاي زائد پلانگر متحرك مي باشد و جبران كننده جريان براي كنترل و تقسيم بار اكتيو در بين ژنراتورهادي كه به صورت موازي با هم قرار گرفته و شبكه را تغذيه مي كنند به كار مي رود . مقاومت ترانس جريان و جبران كننده جريان افت ولتاژي متناسب با جريان خط در مدار به وجود مي آورد. ارتباط فازي طوري مي باشد كه در مورد جريان پس فاز كه مبين توليد توان راكتيو مي باشد ولتاژ دو سر مقاومت جبران كننده جريان با ولتاژ ترانس ولتاژ جمع شده و موجب كم شدن ولتاژ اكسايتر مي گردد و با افزايش اختلاف فاز جريان (در حالت پس فازي) كه موجب افزايش قدرت راكتيو خروجي گرديده و در نتيجه اين عمل موجب تقسيم متعادل توان راكتيو بين ژنراتورهاي موازي با شبكه كه آن را تغذيه مي كنند خواهد شد .
تركيب ديگري براي اين نوع اكسايتر عبارتست از اكسايتر اصلي با سيستم پایلوت،در اين نوع سيستم كنترل ميدان تحريك اكسايتر مستقل از ولتاژ خروجي اكسايتر بوده و سرعت پاسخ آن به مراتب سريعتر از سيستم خود تحريك با اكسايتر اصلي مي باشد.
كنترل اين سيستم مشابه كنترل حالت خود تحريك مي باشد چرا كه محرك رئوستاي اين نوع سيستم هم الكترومكانيكي بوده و در مقايسه با سيستمهاي مدرن پاسخ آن كند مي باشد ولي با اين وصف پاسخ آن سريعتر از نوع خود تحريك مي باشد. اولين تغييري كه در سيستم اوليه مي توان داد اضافه كردن تقويت كننده در مسير فيدبك مي باشد كه موجب تقويت ولتاژ خطاي شده و در نتيجه موجب تغييرات سريع اكسايتر خواهد شد و مي توان نتيجه گرفت كه اين عمل به سيستم سرعت عمل خواهد بخشيد. هر چه ژنراتورهاي موجود در شبكه پرقدرت گشته و سيستم به هم پيوسته گسترده تر مي گردد سيستم كنترل ميدان متحرك پيچيده تر مي گردد.