دانلود مقاله تنظیم کننده اتوماتیک ولتاژ

ژنراتور سنکرون (6 و 4) در این فصل ابتدا به شرح ساختمان داخلی ژنراتور سنکرون می پردازیم و سپس مدل ریاضی و مدار معادل آن مطرح می شود.

ساختمان داخلی و اصول کار: هر ماشین الکتریکی و الکترونیکی دارای دو قسمت می باشد، یک قسمت گردنده به نام موتور و دیگری قسمت ساکن، استاتوره و رتور به وسیله یک فاصله هوایی کوچک از یکدیگر جدا شده اند.

استاتور یک استوانه توخالی است و از مواد فرومغناطیسی ساخته شده است.

درون استاتور شیارهای طولی تعبیه شده است.

این استوانه تو خالی از ورقه های نازک به هم چسبنده به وجود می‌آید، درون شیارها کلانهایی سیم پیچ قرار می گیرند و طوری به هم اتصال داده شده اند که سیم پیچ جداگانه را تشکیل می دهد.

لذا استاتور هم درون شیارهای خود سیسم پیچ ها را جای می دهد و هم برای میدان مغناطیسی حاصله ای ار رتور یک مسیر برگشتی با مقاومت مغناطیسی کم ایجاد می‌کند.

رتور نیز استوانه تو پر بوده و از مواد فرومغناطیسی ساخته شده است، سیم پیچ تحریک بر روی رتور قرار دارد و این سیم پیچ به منبع تغذیه DC موسوم به تحریک کننده متصل می شود.

عمل سیم پیچ تحریک ایجاد یک میدان مغناطیسی قوی است و چون رتور می تواند درون استاتور بچرخد لذا این میدان سیم پیچ استاتور را قطع کرده و بر طبق قانون القای فارادی در آنها ولتاژ القا می‌کند.

رتور استاتور طوری طراحی می شوند که هنگام گردش رتور تحت سرعت ثابتی در هر یک از سیم پیچ ها استاتور ولتاژی سینوسی القا شود.

این سه ولتاژ از نظر دامنه با یکدیگر برابر بوده و فقط با یکدیگر 120 درجه اختلاف فازی زمانی دارند.

اگر این سه سیم پیچ استاتور را به صورت سه فاز به هم متصل کنیم یک مولد سه فاز خواهیم داشت.

باید دانست که به خاطر ملاحظات عملی سیم پیچ های استاتور بهصورت ستاره به یکدیگر متصل می شوند.

ایده اصلی عملکرد یک ژنراتور را می توان توسط بحث درباره ولتاژ القا شده در آرمیچر یک ژنراتور سنکرون ساده تکفاز از روی شکل 1-1 درک کرد.

سیم پیچ میدان تحریک (سیم پیچ رتور) توسط یک جریان مستقیم که توسط جاروبکهای لغزنده روی کلکتور وارد سیم پیچی می شوند تغذیه می شوند.

سیم پیچی آرمیچر نیز شامل یک کلاف N دروری است که سطح مقطع آن در محیط داحخلی استاتور جای داده شده است.

مفتول هائی که دو طرف این کلاف را تشکیل می هند موازی محور ژنراتور بوده و با یکدیگر سری شده اند.

رتور با سرعت ثابت توسط یک منبع قدرت مکانیکی که به محور ژنراتور متصل است می چرخد مسیر شار مغناطیسی درشکل به صورت نقطه چین رسم شده است.

توزیع چگالی شار در B در فاصله هوائی تابعی از زاویه پیرامون فاصله هوائی است که در شکل a-2-1 نشان داده شده است.

توزیع موج چگالی شار را می توان با شکل دادن صحیح صفحات قطبها به صورت سینوسی درآورد.

هنگامی که رتور می چرخد شار موجی شکل توسط دو طرف کلاف () جاروب می شود.

ولتاژ منتجه کلاف در شکل b-2-1 که یک تابع زمانی است دارای شکل موجی شبیه موج چگالی شار B می باشد.

در نتیجه یک دور چرخش کامل رتور دو قطبی یک سیکل کامل ولتاژ در آرمیچر القا می شود.

از این رو فرکانس ولتاژ بر حسب سیکل بر ثانیه (هرتز) مساوی گردش رتور در ثانیه است یعنی فرکانس الکتریکی با سرعت مکانیکی همزمان (سنکرونیزه) شده است و بدین علت چنین ماشین هایی را سنکرون می گویند یک ماشین سنکرون دو قطبی باید 3000 درو در دقیقه بچرخد.

تا ولتاژی با فرکانس 50 هرتز تولید نماید.

بسیاری از ماشین های سنکرون دارای قطب های بیشتر از دو می باشد.

شکل 3-1 یک مولد چهار قطبی تک فاز مقدماتی را نشان می دهد.

سیم پیچی آرمیچر شامل دو کلاف و می باشد که به طور سری به هم متصل شده اند.

پهنای هر کلاف نصف طول موج شار می باشد.

در این حالت ولتاژ تولید شده دو سیکل کامل را در هر چرخش رتور طی می‌کند.

فرکانس ولتاژ تولید شده دو برابر سرعت چرخش بر ثانیه است.

(بر حسب هرتز) سیم پیچی میدان توزیع شده در شیارها قرار دارد و طوری پیچیده شده تا تولید یک میدان سینوسی در فاصله هوایی بنماید.

بعلت مزایای سیستم سه فاز در تولید، انتقال و مصرف، در قدرت های زیاد از مولد های سنکرون سه فاز استفاده می شود.

برای تولید یک مجموعه سه فازه که فازها به اندازه 120 درجه الکتریکی در زمان با هم فاصله دارند باید از سه کلاف که 120 درجه الکتریکی باهم فاصله دارند استفاده کرد.

در شکل 6-1 یک ماشین دو قطبی سه فاز با یک کلاف در هر فاز را نشان می دهد.

فازها توسط N و S مشخص شده اند.

در یک ماشین چهار قطبی مقدماتی مانند شکل b-6-1 محیط استاتور باید شامل دو مجموعه کلاف باشد به طوری که در یک ماشین P قطبی مجموعه کلاف باید وجود داشته باشد.

در شکل b-6-1 برای آنکه ولتاژ های هر فاز با هم جمع شوند دو کلاف درهر ماه به طور سری متصل شده اند.

سه فاز ممکن است به صورت یا Y به هم متصل شوند..

موقعی که یک مولد سنکرون قدرت به بار تحویل می دهد جریان آرمیچر تولید شاری در فاصله هوائی می نماید که با سرعت سنکرون می چرخد.

این شار نسبت به شار تولید شده توسط جریان میدان تحریک عکس العمل نشان می دهد و گشتاور الکترومغناطیسی ناشی از برایند این دو میدان مغناطیسی می باشد.

در ژنراتور گشتاور الکترومغناطیسی یا چرخش مخالفت می نماید و برای نگهداری عمل چرخش یک گشتاور مکانیکی باید از طرف محرک اولیه اعمال شود.

ناگفته نماند که اگر تقسیم چگالی شار در قطب ها سینوسی باشد نیروی الکتروموتوری emf القا شده در آرمیچر از یک رابطه سینوسی پیروری می‌کند و اگر منحنی فضایی میدان مغناطیسی شامل رمونیک های بالا باشد نیروی الکتروموتوری القا شده نیز بدون هارمنونیک نخواهد بود، در نتیجه می توان گفت که توزیع چگالی شار در قطب ها در موقع گردش آزاد رتور (بدون بار)درست با تغییرات زمانی تغییرات نیروی الکتروموتوری در سیم پیچ های استاتور مطابقت دارد.

2-1مدار معادل مولدهای انرژی الکتریکی همواره دارای مقاومت داخلی می باشد که در مولد های جریان متناوب این مقاومت داخلی ترکیبی از مقاومت اهمی و راکتانس سلفی می باشد در مولد های جریان متناوب سنکرون مقدار اهمی نسبت به راکنانس سلفی خیلی کوچک است و معمولا ازآن در محاسبات صرفنظر می کنند.

با توجه به این مطلب مداد معادل یک فاز ژنراتور سنکرون در شکل 7-1 آمده است.

شکل 7-1 مدار معادل با توجه به مدار معادل (1-1) علامت نمایشگر مقادیر فاز وری می باشد.

چون شار در فاصله هوایی به صورت سینوسی توزیع شده است.

و ژنراتور با سرعت زاویه الکتریکی چرخاننده می شود داریم: (2-1) E نیروی محرکه القایی در استاتور، N تعداد دور سیسم پیچی هر فاز استاتور فرکانس ولتاژ القا شده و حداکثر شار در فاصله هوائی می باشد.

وابسته به جریان تحریک می باشد.

لذا نیروی محرکه القایی وابسته به جریان تحریک و فرکانس ولتاژ القا شده (سرعت چرخش رتور) می باشد یا: (3-1) 2- تحریک (3 و 4) 1-2- مقدمه ولتاژ تحریک باید از حالت بی باری تا بارنامی ژنراتور در حدود 5/2 باربر یا بیشتر قابلیت تنظیم و تغییر داشته باشد.

در حالتی که در اثر سیم های انتقال انترژی بی باری، بار ژنراتور خازنی می گردد و باید تحریک بی باری ژنراتور نیز کوچکتر گردد.

از این جهت ولتاژ تحریک ژنراتور های بزرگ که به شبکه های با قدرت زیاد متصل هستند و ولتاژ ترمینال آنها توسط شبکه تعیین میگردد باید تقریباً بین صفر و ولتاژی که در موقع اضافه بار لازم است قابل تنظیم باشد، همچنین لازم است که ولتاژ تحریک ژنراتور توسط تنظیم کننده ولتاژ حتی الامکان به طور سریع تنظیم گردد تا در موقعی که ضربه های بار به ژنراتور وارد می شود افت ولتاژ تا آنجا که ممکن است کوچک نگه داشته شود.

به طور کلی ژنراتور همزمان با تغییرات بار ژنراتور تغییر می‌کند و تنها راه برای ثابت نگه داشتن ولتاژ ترمینال تنظیم جریان تحریک ژنراتور و یا به عبارت دیگر تنظیم ولتاژ سیم پیچی تحریک می باشد.

این عمل به کمک تنظیم کننده ولتاژ انجام می گیرد این دستگاه ولتاژ تحریک را متناسب با افت ولتاژ ژنراتور تنظیم می‌کند.

عواملی که باعث تغییر ولتاژ ژنراتور می شود عبارتند از: ضریب توان و شدت جریان بار، سرعت چرخش و درجه حرارت برای دستگاه تنظیم ولتاژ باید مستقل از عامل بوجود آورنده تغییر ولتاژ باشد.

تنظیم ولتاژ تحریک ژنراتور برای تنظیم و تثبیت ولتاژ ترمینال همیشه با یک ثابت زمانی قابل توجهی همراه است و نمی تواند به طول همزمان صورت گیرد.

2-2-انواع متداول تحریک 1-2-1 تحریک مستقیم در ژنراتور های جریان متناوب با تحریک مستقیم جریان تحریک مستقیماً از ترمینال ژنراتور دریافت می شود.

لذا تغییرات جزئی بار روی جریان تحریک به طور مستقیم و همزمان موثر واقع می شود.

چنین ژنراتورهای فاقد ژنراتور تحریک مستقل هستند و جریان تحریک بدون بار ژنراتور توسط ولتاژ پس مانده مغناطیسی تامین می شود.

چون ژنراتور زیر بار به جریان تحریک بیشتری نیاز دارد این جریان بدون تاخیر و کاملا همزمان از جریان بار ژنراتور گرفته می شود و به این ترتیب علاوه بر جریان اختلاف فاز جریان نیز در جریان تحریک شده موثر می باشد.

تنها اشکال این نوع تحریک تنظیم آن در موقعی است که تغییرات ولتاژ در اثر سرعت چرخش رتور و یا درجه حرارت بوجود آمده باشد.

این عیب توسط دستگاه جبران کننده خاصی برطرف می گردد.

همانطور که میدانیم اختلاف سطح ژنراتور با تغییر کردن جریان تحریک شده به طور نمایی تغییر می‌کند و عواملی که باید در تنظیم جریان تحریک موثر باشند عبارت از جریان بار، ضریب توان و درجه حرارت می باشد.

موثر ترین عامل در تنظیم، جریان بار و ضریب توان می باشد.

این دو کمیت باید به طریق در تنظیم جریان تحریک دخالت داده شوند تا ولتاژ ترمینال ژنراتور تابعی از جریان و ضریب توان بار نباشد.

شکل 1-2 مدار تحریک ژنراتوری را نشان می دهد.

این ژنراتور همانطور که دیده می شود توسط پس ماند مغناطیسی قطبها به شرح زیر تحریک می گردد.

ولتاژی که در اثر پس ماند مانند مغناطیسی در سیم پیچ استاتور القا می شود به کمک سلف D تبدیل به جریان می شود.

شکل1-2- تحریم مستقیم جریان به کمک یکسو کننده پل Gl یکسو می شود و از سیم پیچی تحریک f ژنراتور G گذشته و ولتاژ ژنراتور را تا ولتاژ نامی بالا می برد.

مقاومت سلفی سلف D و مقاومت سیم پیچی تحریک طوری محاسبه می شوند که جریان تحریک بدون بار لازم بوجود آید.

مقدار این جریان به کمک منحنی بدون بار ژنراتور و خط مقاومت طبق شکل 2-2 تعیین می شود.

شکل 2-2- تعیین اندازه سلف اضافه تحریکی که باید متناسب با جریان و ضریب توان بار باشد توسط ترانسفورمر جریان St تامین می شود.

به این طریق جریان ثانویه ترانسفورمر جریان St متناسب با بار ژنراتور می باشد، با جریان جمع شده و پس از یکسو شدن توسط پل Gl مدارش را از طریق سیم پیچ تحریک F می بندند.

در شکل 1-2 برآیند این دو جریان در اختلاف فاز خاصی نشان داده شده است.

اگرضریب توان یک باشد () جریان با جریان دارای اختلاف فاز 90 درجه می باشد و به طور هندسی با هم جمع می شوند و برآیند آنها می باشد.

در صورتی که ضریب توان بار صفر باشد () جریان بار و جریان هم فاز هستند و به طور جبری با یکدیگر جمع می شوند و برآیند آنها می باشد.

(a نسبت تبدیل ترانسفورمر جریان St می باشد.) چنانکه دیده می شود جریان بار نه تنها از نظر قدر مطلق بلکه از نظر اختلاف فاز در جریان تحریک موثر واقع می شود.

با کمپوند کردن به طریق فوق جریان تحریک متناسب با ضریب توان طوری تغییر می‌کند که ولتاژ ترمینال ژنراتور ثابت بماند.

این نوع کمپوند کردن باعث می شود اولا جریان تحریک بسیار سریع تنظیم شود زیرا تغییرات جریان ثانویه ترانسفورمر جریان St به طور همزمان با تغییرات جریان اولیه صورت می گیرد، ثانیاً به علت اینکه تنظیم بر روی یک مدار بسته اثر نمی کند و مدار تنظیم باز است در ضمن تنظیم، ولتاژ ژنراتور نوسانی نمیشود و تنظیم بسیار آرام و یکنواخت صورت می گیرد.

2-2-2- تحریک بدون جاروبیک تحریک ژنراتورهای بزرگ احتیاج به جریان های بسیار بزرگ دارد که ساختن ژنراتورهای جریان دائم با قدرت زیاد به علت وجود کلکتور و جاروبیک و اصولاً کموتاسیون امروزه با مشکلات زیادی مواجه است.

بدین جهت برای تحریک ژنراتورهای بزرگ ابتدا از ماشین جریان متناوب سه فاز استفاده شد، به طوری که جریان سه فاز توسط دیودهای ثابت یکسو شده و به کمک کابل جاروبک و رینگ به سیم پیچی قطبهای گردان ژنراتور هدایت می شد.

سپس با از میان رفتن کلکتور