اصول پایه ای و برانگیختگی

اصول پایه ای و برانگیختگی

4.2.5 اصول پایه ای و برانگیختگی

اطلاع داشتن از اصول پایه ای مولد های AC و سیستم های برانگیختگی مولد در ارتباط با واکنش بارگیری ناپایدار، فعل و انفعال رگلاتور ولتاژ با بار، و واکنش سیستم برانگیختگی نسبت به کاستی های خروجی مولد امری ضروری است.

یک مولد انرژی مکانیکی چرخشی را به انرژی الکتریکی تبدیل می کند. همان گونه که در شکل 8 در صفحه ی 41 مشخص است، مولد اساسا از یک آرمیچر و یک قسمت نگه دارنده (محور ثابت؟) تشکیل شده است. آرمیچر صفحه ی مولد را حمل می کند (به صورت 4 میله نشان داده شده است)، که توسط موتور به چرخش در می آید. انرژی صفحه توسط منبع DC، که مولد راه انداز نامیده می شود و به انتهای + و – سیم کشی های صفحه متصل است، فراهم می شود. مولد به گونه ای طراحی شده است که زمانی که موتور آرمیچر را به کار می اندازد، خطوط نیروی میدان مغناطیسی به صورت عمودی در طول سیم کشی های محور ثابت قطع می شوند، و ولتاژ در عامل سیم کشی محور ثابت را به وجود می آورند. هر زمان که قطبیت تغییر می کند (دوبار در هر گردش در مولد های چهار ستونه) ولتاژ در عامل سیم کشی معکوس می شود. به طور معمول، یک مولد 4 برابر محل سیم کشی بیشتری از آن چه که نشان داده شده است دارد، و احتمال دارد خروجی ای سینوسی، متناوب و یک یا سه مرحله ای داشته باشد.

            شکل 8. بخش متقاطع مولد 4 ستونه (محور ثابت، سیم کشی های محور ثابت، آرمیچر، خطوط مغناطیسی نیرو)

ولتاژ تولید شده در هر عامل سیم کشی به نیروی میدان (که می تواند با تراکم بالاتر خطوط نیرو نشان داده شود)، سرعت قطع عوامل سیم کشی توسط خطوط نیرو (rpm) و طول توده بستگی دارد. لذا به منظور تغییر دادن ولتاژ خروجی مولدی با اندازه و سرعت عملیاتی داده شده، باید قدرت میدان را تغییر داد. این امر توسط رگلاتور ولتاژ که جریان خروجی مولد راه انداز را کنترل می کند انجام می شود.

مولد ها به سیستم های راه انداز خود برانگیخته یا جدا برانگیخته مجهز هستند.

            4.2.5.1 مولد های خود برانگیخته

سیستم برانگیختگی یک مولد خود برانگیخته از طریق استفاده (انشعاب گرفتن) از نیروی خروجی مولد و با استفاده از رگلاتور ولتاژ اتوماتیک (AVR) انجام می شود. رگلاتور ولتاژ و فرکانس خروجی مولد را دریافت می کند، آن ها را با مقادیر توصیه شده مقایسه می کند و سپس خروجی DC تنظیم شده ای را به سیم کشی میدانی مولد راه انداز می فرستد. میدان مولد راه انداز خروجی AC را در آرمیچر راه انداز ایجاد می کند، که بر روی محور در حال چرخش و انرژی دار مولد است. خروجی مولد راه انداز توسط دیودهای در حال چرخش و بر محور مولد مستقیم شده تا DC را برای آرمیچر اصلی (میدان مولد) فراهم کند. رگلاتور ولتاژ به محض احساس تغییر در ولتاژ و فرکانس خروجی به دلیل تغییر در بار، جریان مولد راه انداز را افزایش یا کاهش می دهد، و لذا قدرت میدانی مولد افزایش یا کاهش پیدا می کند. خروجی مولد مستقیما با نیروی میدانی تناسب دارد. به شکل 9 در صفحه 42 رجوع شد.

به طور معمول سیستم راه انداز یک مولد خود برانگیخته ارزان ترین سیستم موجود از یک تولید کننده است. در صورتی که دستگاه مولد نسبت به نوع کاربرد اندازه متناسبی داشته باشد، این سیستم سرویسی مناسب را در هرگونه شرایط اجرایی ارائه می دهد. مزیت سیستم خود برانگیخته نسبت به سیستم های جدا برانگیخته این است که سیستم خود برانگیخته به طور ذاتی در برابر شرایط جریان کوتاه متقارن قادر به محافظت از خود است چرا که میدان “افت می کند”. لذا نیازی به یک جریان خط اصلی شکن برای محافظت از مولد و گردانندگان سطح اول پخش نیست و در انتها هزینه ی نصب سیستم پایین تر می آید.

کاستی های سیستم خود برانگیخته عبارتند از:

  • ممکن است انتخاب مولدی بزرگ تر برای فراهم کردن عملکرد شروع موتور قابل قبول تر الزامی باشد.
  • دستگاه های خود برانگیخته برای انرژی رساندن به میدان بر مغناطیسم پس مانده متکی باشد. اگر مغناطیسم پس مانده کافی نباشد، باید با منبع نیروی DC میدان را انرژی دار کرد.
  • ممکن است این سیستم در برابر جریان های معیوب تا آن اندازه مقاومت نکند که قطع کننده های جریان رشته ی پایین را قطع کند.

            شکل 9. مولد خود برانگیخته

            شکل 10. مولد جدا برانگیخته (PMG)

            4.2.5.2 مولد های جدا برانگیخته

سیستم برانگیختگی مولد جدا برانگیخته شبیه سیستم مولد خودبرانگیخته است، با این تفاوت که مولد مغناطیسی دائمی در انتهای محور مولد اصلی به رگلاتور ولتاژ انرژی می رساند. به شکل 10 در صفحه ی 42 مراجعه کنید. جریان برانگیختگی توسط بارهای مولد تحت تاثیر قرار نمیگیرد، چرا که خود منبع مستقلی از نیرو است. مولد قادر است جریان دو یا سه بار درجه دار شده را در حدود ده ثانیه حفظ کند. به این دلایل، سیستم های برانگیختگی مولد جدا برانگیخته برای مواردی که قابلیت شروع به کار موتور بهتر، کارکرد قابل قبول با بارهای غیر خطی و کارکرد طولانی تر مدار کوتاه مورد نیاز است پیشنهاد می شود. در صورت استفاده از این سیستم برانگیختگی محافظت از مولد در برابر شرایط خرابی مدار ضروری است چرا که مولد ممکن است آن قدر کار کند تا خراب شود. سیستم کنترل “پاور کامند” همراه با “امپ سنتری” محافظت لازم را با حفظ جریان مدار کوتاه و خاموش کردن دستگاه مولد قبل از صدمه دیدن دینام در هنگامی که خرابی مدار ادامه دار است فراهم می کند. به بخش پنج در صفحه ی 67 به منظور یافتن اطلاعات بیشتر در این مورد مراجعه شود.

            4.2.5.3 بار گذاری ناپایدار

یک دستگاه مولد، بدون توجه به نوع سیستم برانگیختگی، از جنبه ی نیروی موتور (kW) و ولت آمپر مولد (kVA) منبع نیروی محدودی است. بدین دلیل، تغییر بار منجر به انحراف ناپایدار در ولتاژ و فرکانس می شود. شدت و طول این انحراف ها اصولا تحت تاثیر شاخصه های بار و اندازه ی دینام نسبت به بار است. یک دستگاه مولد در مقایسه با مبدل کاربردی معمول منبع آمپدانس نسبتا بالایی است.

شرح ولتاژ معمولی در مورد استفاده از بار و قطع آن در شکل 11 صفحه ی 44 نشان داده شده است. در سمت چپ نمودار ولتاژ ثابت بدون بار در سطح 100 درصدی ولتاژ درجه بندی شده تنظیم می شود. هنگامی که باری به کار بسته شود، ولتاژ بلافاصله پایین می آید. رگلاتور ولتاژ کاهش ولتاژ را حس کرده و با افزایش جریان میدانی به منظور جبران کردن ولتاژ درجه بندی شده واکنش نشان میدهد. زمان بازیابی ولتاژ مدت زمان بین به کار بستن بار و بازگشت ولتاژ به پوشش تنظیم ولتاژ است (به صورت ± 2% نشان داده می شود). به طور معمول، کاهش ولتاژ ابتدائی در زمانی که 100% بار درجه بندی شده ی دستگاه مولد (در  PF0.8) در گام اول متصل است بین 15 تا 45 درصد ولتاژ سطحی است. بازیابی به میزان ولتاژ سطحی بسته به ماهیت بار و طرح دستگاه مولد بین 1 تا 10 ثانیه طول می کشد.

مهم ترین تفاوت بین یک دستگاه مولد و یک دستگاه کاربردی این است که در زمان به کار بردن ناگهانی بار در مورد دستگاه کاربردی، تغییر فرکانس به طور معمول رخ نمی دهد. هنگامی که بارها در مورد یک دستگاه مولد به کار می روند rpm (فرکانس) دستگاه افت می کند. دستگاه باید تغییر در سرعت را متوجه شد و میزان سوخت خود را به طور مجدد تنظیم کند تا در سطح باری جدید خود تنظیم را انجام دهد. تا زمانی که بار و درجه سوخت متناسب جدیدی به دست آید، فرکانس به جای این که سطحی باشد متفاوت است. به طور معمول، کاهش فرکانس در زمانی که 100% باز درجه بندی شده در گام اول اضافه می شود بین 5 تا 15 درصد فرکانس سطحی کاهش پیدا می کند. ممکن است پروسه ی بازیابی چندین ثانیه طول بکشد.

            شکل 11. شرح ولتاژ معمول در استفاده و قطع بار

نکته: همه ی دستگاه های مولد معمول قادر نیستند 100% بار دفع کننده را در یک مرحله بپذیرند.

عملکرد بین دستگاه های مولد متفاوت است چرا که در شاخصه های رگلاتور ولتاژ، پاسخ دستگاه کنترل سرعت، طرح مکش موتور سیستم سوختی (عادی یا با استفاده از افزون گر) و چگونگی متناسب بودن موتورها و مولد ها تفاوت وجود دارد. هدفی مهم در طراحی دستگاه مولد محدود کردن انحراف ولتاژ و فرکانس به سطوح قابل قبول است.

            4.2.5.4 نمودارهای اشباع مولد

نمودارهای اشباع مولد ولتاژ خروجی مولد برای بارهای متفاوت را در حالتی که جریان اصلی سیم کشی میدان تغییر کرده است را نشان می دهند. برای یک مولد معمولی نشان داده شده، منحنی اشباع بدون بار A خط ولتاژ درجه بندی شده ی دستگاه مولد را در حالتی رد می کند که جریان میدان تقریبا 18 آمپر است. به عبارتی دیگر، تقریبا با 18 آمپر جریان میدانی نیاز است تا ولتاژ خروجی درجه بندی شده ی بدون بار حفظ شود. منحنی اشباع بار کامل B نشانگر این مساله است که در حالتی که نیروی بار کامل 0.8 باشد، مقدار تقریبی 38 آمپر جریان میدانی جهت حفظ ولتاژ خروجی مولد درجه بندی شده لازم است. به شکل 12 در صفحه ی 45 مراجعه شود.

            4.2.5.5 واکنش سیستم برانگیختگی

جریان میدان را نمی توان به طور همزمان با واکنش به تغییر بار عوض کرد. رگلاتور، میدان برانگیخته کننده، و میدان اصلی همگی مقادیر زمانی ثابتی دارند که باید اضافه شوند. رگلاتور ولتاژ واکنش نسبتا سریعی دارد، در حالی که میدان اصلی واکنشی بسیار آهسته تر از میدان برانگیخته کننده دارد چرا که چندین برابر بزرگ تر است. باید به این مساله توجه داشت که واکنش یک سیستم خود برانگیخته تقریبا با واکنش سیستم جدا برانگیخته یکسان است چرا که مقدار ثابت زمان برای میدان های اصلی و برانگیخته کننده عاملی بسیار مهم در این مساله به شمار می روند، و در هر دو سیستم رواج دارند.

نیروی میدانی با در نظر گرفتن تمامی اجزاء سیستم برانگیختگی طراحی می شود تا زمان ریکاوری را بهبود بخشد. این نیرو باید به اندازه باشد که زمان ریکاوری را به حداقل برساند، اما نباید به حدی باشد که منجر به عدم ثبات (فراتر از حد معمول) شده و یا بر موتور (که منبع محدودی از نیرو است) غلبه کند. شکل 13 در صفحه ی 45 را ببینید.

            شکل 12. نمودار اشباع مولد معمول

            شکل 13. شاخصه های واکنش سیستم برانگیختگی

            4.2.5.6 واکنش شروع موتور

هنگامی که موتورها آغاز به کار کنند، کاهشی در ولتاژ آغازگر رخ می دهد که اساسا شامل کاهش ولتاژی آنی به علاوه ی کاهش ولتاژی که در نتیجه ی واکنش سیستم برانگیختگی رخ داده می شود. شکل 14 در صفحه ی 46 نشانگر این دو عامل است که با یکدیگر کاهش ولتاژ ناپایدار را نشان می دهند. کاهش ولتاژ آنی حاصل جریان چرخشی قفل شده ی موتور مقاومت واکنشی فرو ناپایدار دستگاه مولد است. این امر قبل از آنکه سیستم برانگیختگی بتواند با افزایش جریان میدانی  واکنش نشان دهد رخ میدهد و لذا تحت تاثیر توع سیستم برانگیختگی قرار نمیگیرد. ممکن است این کاهش ولتاژ اولیه کاهش ولتاژ های بیشتری را به همراه داشته باشد که توسط عملکرد “همتایی گشتاور” رگلاتور ولتاژ به وجود می آید و ولتاژ را “roll off” می کند تا در صورت کاهش سرعت شدید موتور بار آن را خالی کند. یک دستگاه مولد باید به صورتی طراحی شود که زمان ریکاوری را بهبود بخشد، و در عین حال از عدم ثبات و یا کار کشیدن بیش از حد از موتور جلوگیری کند.

            4.2.5.7 چرخش قفل شده ی kVA

جریان آغازگر موتور (چرخش قفل شده) شش برابر جریان درجه بندی شده است و تا زمانی که موتور به سرعت درجه بندی شده ای که در شکل 15 در صفحه ی 47 نشان داده شده نرسد به طور چشمگیری کاهش پیدا نمی کند. این جریان های “درون شتاب” موتور منجر به کاهش ولتاژ مولد می شوند. در ضمن، نیروی موتور لازم برای شروع به کار موتور هنگامی که موتور به میزان تقریبی 80 درصد سرعت درجه بندی شده برسد، در میزان سه برابر نیروی درجه بندی شده ی موتور اوج می گیرد. اگر موتور دستگاه سه برابر نیروی درجه بندی شده ی موتور را نداشته باشد، رگلاتور ولتاژ، ولتاژ مولد را “roll off” می کند تا بار موتور دستگاه را تا میزانی خالی کند که بتواند آن را حمل کند. تا زمانی که گشتاور موتور حین شتاب گرفتن بیشتر از گشتاور بار باشد، موتور قادر است بار را تا آخرین سرعت شتاب دهد. به طور معمول ریکاوری 90 درصدی ولتاژ درجه بندی شده (81 درصد گشتاور موتور) قابل قبول است چرا که تنها افزایشی نامحسوس در زمان شتاب گیری موتور به وجود می آورد.

            شکل 14. کاهش ولتاژ ناپایدار

            شکل 15. شاخصه های موتور شروع کننده ی طول خطی معمول

            4.2.5.8 افت ولتاژ ادامه دار

همان طور که در شکل 16 صفحه ی 48 نشان داده شده است، بعد از کاهش شدید ولتاژ ناپایدار که به مدت نسبتا کوتاهی (معمولا کمتر از 10 دوره اما برابر با چند ثانیه) رخ می دهد، دوره ریکاوری ولتاژ ادامه داری روی می دهد. همانند آن چه که در شکل 17 صفحه ی 48 دیده می شود، بیشینه ی kVA شروع موتور در برگه ی مشخصات دستگاه مولد بیشینه ی kVA ای است که مولد می تواند آن را حفظ کند و در عین حال قادر باشد به 90 درصد ولتاژ درجه بندی شده برگردد. باید به این نکته توجه داشت که این بیشینه تنها عملکرد ترکیبی مولد، مولد راه انداز و AVR است. عملکرد شروع موتور یک دستگاه مولد علاوه بر خود مولد، به موتور و رگلاتور ولتاژ و سرعت موتور بستگی دارد.

            شکل 16. افت ولتاژ ادامه دار

            شکل 17. نمودار معمول افت ولتاژ ناپایدار مولد NEMA در مقایسه با KVA شروع موتور

            4.2.5.9 واکنش خطا

واکنش خطای جریان کوتاه مولد های خودبرانگیخته و جدا برانگیخته متفاوت است. یک مولد خود برانگیخته مولدی با “میدان افت کرده” محسوب می شود چرا که در زمانی که ترمینال های خروجی مولد کوتاه شده اند (چه کوتاه سازی 3 مرحله ای و یا L-L کوتاه شده در طول مراحل حسی) میدان افت می کند. یک مولد جدا برانگیخته می تواند میدان مولد را حین یک جریان کوتاه حفظ کند چرا که برانگیختگی توسط مولد مغناطیسی دائمی جدایی فراهم می شود. شکل 18 در صفحه ی 49 نشان گر واکنش جریان مدار کوتاه متقارن سه مرحله ای معمول مولد های خود و جدا برانگیخته است. جریان مدار کوتاه ابتدائی در ظاهر هشت تا ده برابر جریان مولد درجه بندی شده است و عملکردی از واکنش متقابل نیمه پایدار مولد می باشد ((1/X”d . برای چند چرخه ی اول (A)، عملا تفاوتی در واکنش بین مولد های خود و جدا برانگیخته وجود ندارد چرا که در زمان محو شدن انرژی میدانی، این دو منحنی کاهش جریان مدار کوتاه یکسانی را دنبال می کنند. بعد از چند چرخه ی اول (B)، یک مولد خود برانگیخته آنقدر منحنی کاهش مدار کوتاه را ادامه می دهد تا به جریان صفر برسد. یک مولد جدا برانگیخته، به دلیل گرفتن انرژی میدانی خود از منبعی مستقل، می تواند 2.5 تا 3 برابر جریان درجه بندی شده را با به کار گرفتن خطای سه مرحله ای حفظ کند. این میزان جریان را می توان تا ده ثانیه حفظ کرد، بدون اینکه به دینام صدمه ای وارد شود.

شکل 19 در صفحه ی 50 راه دیگری برای نشان دادن تفاوت واکنش به خطاهای سه مرحله ای است. اگر مولد خود برانگیخته باشد، ولتاژ و جریان در زمانی که جریان به بالاتر از خمیدگی منحنی افزایش پیدا کند به صفر می رسد. یک مولد جدا برانگیخته می تواند مدار کوتاه مستقیمی را حفظ کند چرا که برای نیروی برانگیختگی به ولتاژ خروجی مولد نیاز ندارد.

            4.2.5.10 دماهای سیم کشی مدار کوتاه

مشکلی که باید در حفظ جریان مدار کوتاه به آن توجه داشت این است که مولد ممکن است قبل از اینکه مدار شکن به کار بیفتد تا جلوی خرابی مدار را بگیرد صدمه ببیند. جریان های مدار کوتاه می توانند به سرعت سیم کشی های نگهدارنده ی مولد را بیش از داغ کنند. به عنوان مثال، یک مدار اتصال کوتاه L-N نامتعادل در یک مولد جدا برانگیخته ای که برای حفظ جریان درجه بندی شده ی سه برابر طراحی شده است منجر به ایجاد جریانی 7.5 برابر جریان درجه بندی شده می شود. در آن سطح از جریان، با فرض این که دمای اولیه ی سیم کشی 155 درجه سلسیوس باشد، در کمتر از پنج دقیقه سیم کشی به 300 درجه سلسیوس می رسد – دمایی که در آن صدمات فوری و دائمی به سیم کشی وارد می شود. یک مدار اتصال کوتاه L-L نامتعادل چند ثانیه بیشتر نیاز دارد تا سیم کشی ها را به دمای 300 درجه سلسیوس برساند، و یک مدار اتصال کوتاه متعادل نیز کمی دیرتر این کار را انجام می دهد. به شکل 20 در صفحه ی 50 و بخش 5.4.3 در صفحه ی 106 مراجعه کنید.

            شکل 18. واکنش متوازن جریان اتصال کوتاه سه مرحله ای

            شکل 19. قابلیت مدار کوتاه

            شکل 20. دماهای تقریبی سیم کشی مدار کوتاه

همان طور که خواننده می تواند از این بخش طولانی از فصل در مورد موارد اصولی و برانگیختگی متوجه شود، تنها دو شکل اساسی سیستم های برانگیختگی بر شاخصه های عملکردی بسیار متنوعی تاثیرگذار هستند. عملکرد ثابت یکنواخت، شرایط ناپایدار، شروع به کار موتور، واکنش به خطا و دیگر موارد توسط این سیستم تحت تاثیر واقع می شوند. این تاثیرات در شاخصه ها اهمیت والایی در بررسی عملکرد سیستم دارند. در پایین خلاصه ای در مورد شاخصه های متمایز کننده ی سیستم های خود و جدا برانگیخته آمده است.

  • خود برانگیخته
    • کاهش ولتاژ بیشتر
    • افت میدان
    • حسگر معمول تک مرحله ای
    • تاب کمتر در برابر بارهای غیر خطی
    • شروع کننده ی موتور ضعیف تر

 

  • جدا برانگیخته
    • کاهش ولتاژ کمتر
    • جریان خطای حفظ شده
    • حسگر RMS سه مرحله ای
    • امنیت بیشتر در برابر بارهای غیر خطی
    • شروع کننده ی موتور بهتر