سیستم تحریک

سیستم تحریک

تعریف

سیستم تحریک یک مولفه مهم در ماشین‌های همزمان است که وظیفه تأمین جریان میدان لازم به پیچه روتور را بر عهده دارد. به طور ساده، این سیستم طراحی شده است تا با عبور جریان الکتریکی از پیچه میدان، فلکس مغناطیسی تولید کند. ویژگی‌های کلیدی که یک سیستم تحریک ایده‌آل را تعریف می‌کنند شامل قابلیت اطمینان بی‌پایان در تمامی سناریوهای عملیاتی، مکانیزم‌های کنترل ساده، نگهداری آسان، پایداری و پاسخ ترانزیانت سریع است.

مقدار تحریک مورد نیاز یک ماشین همزمان بستگی به عوامل متعددی دارد، از جمله جریان بار، عامل توان بار و سرعت دورانی ماشین. جریان‌های بار بزرگتر، سرعت‌های کمتر و عوامل توان تأخیری نیاز به سطح بالاتری از تحریک در سیستم دارند.

در یک سیستم تحریک، معمولاً هر مولد خود یک تحریک‌کننده دارد که به عنوان یک مولد عمل می‌کند. در یک سیستم تحریک مرکزی، دو یا چند تحریک‌کننده برای تأمین انرژی به باربر استفاده می‌شوند. اگرچه این رویکرد مرکزی از نظر هزینه‌ای مقرون به صرفه است، اما خطایی در سیستم می‌تواند تأثیر منفی بر مولدهای کارکنان در نیروگاه داشته باشد.

نوع‌های سیستم تحریک

سیستم تحریک می‌تواند به طور غالب به چند نوع تقسیم‌بندی شود، با سه نوع زیر مهم‌ترین آنها هستند: سیستم تحریک DC، سیستم تحریک AC و سیستم تحریک استاتیک. علاوه بر این، زیرنوع‌هایی مانند سیستم تحریک روتر و سیستم تحریک بدون فرش وجود دارد که در زیر به طور دقیق توضیح داده خواهد شد.

سیستم تحریک DC

سیستم تحریک DC شامل دو تحریک‌کننده است: تحریک‌کننده اصلی و تحریک‌کننده هدایتی. تنظیم‌کننده ولتاژ خودکار (AVR) نقش کلیدی در این سیستم با تنظیم خروجی تحریک‌کننده‌ها ایفا می‌کند. این تنظیم به منظور کنترل دقیق ولتاژ ترمینال خروجی مولد است. ورودی از ترانسفورماتور جریان به AVR به عنوان یک محافظ عمل می‌کند تا مطمئن شود جریان مولد در شرایط خرابی محدود شود.

وقتی که قطع‌کننده میدان در وضعیت باز است، یک مقاومت تخلیه میدان به طور موازی با پیچه میدان متصل می‌شود. با توجه به ماهیت بسیار القایی پیچه میدان، این مقاومت برای پخش انرژی ذخیره شده ضروری است، بنابراین اجزای سیستم از آسیب ناشی از ولتاژهای القایی محافظت می‌شوند.

سیستم تحریک DC (ادامه)

هر دو تحریک‌کننده اصلی و هدایتی می‌توانند به دو روش تغذیه شوند: یا مستقیماً توسط محور اصلی ماشین همزمان یا مستقل توسط یک موتور خارجی. تحریک‌کننده‌های مستقیم‌ران شده معمولاً انتخاب محبوب‌تر هستند. این به این دلیل است که آنها تمامیت سیستم عملیاتی واحد را حفظ می‌کنند و مطمئن می‌شوند که فرآیند تحریک از اختلالات خارجی تأثیر نمی‌پذیرد.

تحریک‌کننده اصلی معمولاً ولتاژ حدود ۴۰۰ ولت دارد و ظرفیت آن حدود ۰٫۵٪ ظرفیت مولد است. با این حال، در توربو-مولدها مشکلات با تحریک‌کننده‌ها نسبتاً رایج است. سرعت‌های دورانی بالای این دستگاه‌ها باعث افزایش سایش و خستگی می‌شود که تحریک‌کننده‌ها را به شکستن آسان‌تر می‌کند. برای حل این مشکل، تحریک‌کننده‌های مستقل موتور-ران شده به عنوان واحدهای پشتیبان نصب می‌شوند تا در صورت خرابی تحریک‌کننده‌های اصلی جایگزین شوند.

سیستم تحریک AC

سیستم تحریک AC یک مولد و یک پل تی‌آریستر را که مستقیماً به محور اصلی مولد متصل شده‌اند، یکپارچه می‌کند. تحریک‌کننده اصلی در این سیستم می‌تواند در دو حالت کار کند: خود تحریک، که در آن میدان مغناطیسی خود را تولید می‌کند تا خروجی الکتریکی تولید کند، یا تحریک جداگانه، که از یک منبع تغذیه خارجی برای شروع فرآیند تحریک استفاده می‌کند. سیستم تحریک AC می‌تواند به دو دسته متمایز تقسیم شود، هر کدام با ویژگی‌های خاص خود که در زیر به طور دقیق‌تری بررسی خواهد شد.

سیستم تحریک تی‌آریستر چرخان

همانطور که در شکل همراه نشان داده شده است، سیستم تحریک تی‌آریستر چرخان دارای یک بخش چرخان واضح است که با یک خط مقطعی مشخص شده است. این سیستم شامل یک تحریک‌کننده AC، یک میدان ثابت و یک آرماتور چرخان است. خروجی از تحریک‌کننده AC از طریق یک مدار مستطیلی کامل تی‌آریستر رکتیفایر تبدیل می‌شود. این خروجی مستقیم جریان DC تبدیل شده به پیچه میدان مولد اصلی تحویل داده می‌شود، که به تولید میدان مغناطیسی لازم برای عملکرد مولد کمک می‌کند.

در سیستم تحریک تی‌آریستر چرخان، پیچه میدان مولد نیز از طریق یک مدار رکتیفایر اضافی تغذیه می‌شود. تحریک‌کننده قادر به ایجاد ولتاژ خود با استفاده از فلکس مغناطیسی باقی‌مانده است. واحد تغذیه الکتریکی، در ارتباط با مکانیسم کنترل رکتیفایر، سیگنال‌های تحریک دقیقاً کنترل شده تولید می‌کند. در حالت عملیاتی خودکار، سیگنال ولتاژ مولد ابتدا میانگین می‌شود و سپس مستقیماً با مقدار تنظیم ولتاژ توسط اپراتور مقایسه می‌شود. در مقابل، در حالت دستی، جریان تحریک مولد با یک مرجع ولتاژ جداگانه و دستی مقایسه می‌شود.

سیستم تحریک بدون فرش

سیستم تحریک بدون فرش در شکل زیر نشان داده شده است، با اجزای چرخان آن به وضوح در یک مستطیل خط مقطعی قرار گرفته است. این سیستم پیشرفته شامل یک مولد، یک رکتیفایر، یک تحریک‌کننده اصلی و یک مولد مولد دائم مغناطیسی است. هر دو تحریک‌کننده اصلی و هدایتی توسط محور اصلی دستگاه ران شده‌اند. تحریک‌کننده اصلی دارای یک میدان ثابت و یک آرماتور چرخان است. خروجی آرماتور چرخان مستقیماً از طریق رکتیفایرهای سیلیکون به پیچه میدان مولد اصلی متصل می‌شود، که انتقال بی‌فرش و هموار انرژی الکتریکی برای اهداف تحریک را تضمین می‌کند.

تحریک‌کننده هدایتی یک مولد دائم مغناطیسی محور-ران شده است. این دستگاه دارای مغناطیس‌های دائمی چرخان که به محور متصل شده‌اند و یک آرماتور ثابت سه‌فاز است. این آرماتور انرژی را از طریق رکتیفایرهای سیلیکون به میدان تحریک‌کننده اصلی تحویل می‌دهد، که در نهایت به تحریک مولد اصلی کمک می‌کند. علاوه بر این، در یک پیکربندی دیگر، تحریک‌کننده هدایتی، همچنان یک مولد دائم مغناطیسی محور-ران شده، از پل‌های تی‌آریستر سه‌فاز کامل-موج فاز-کنترل شده برای تغذیه تحریک‌کننده اصلی استفاده می‌کند.

سیستم تحریک بدون فرش چندین مزیت قابل توجه دارد. با حذف استفاده از کموناتورها، جمع‌کننده‌ها و فرش، نیاز به نگهداری به طور قابل توجهی کاهش می‌یابد. همچنین دارای ثابت زمانی بسیار کوتاه است، با زمان پاسخ کمتر از ۰٫۱ ثانیه. این ثابت زمانی کوتاه عملکرد دینامیکی سیگنال کوچک سیستم را بهبود می‌بخشد و به آن اجازه می‌دهد به اختلالات الکتریکی کوچک به سرعت و دقیق‌تر واکنش نشان دهد. علاوه بر این، ادغام سیگنال‌های پایدارسازی سیستم قدرت اضافی را ساده می‌کند، که برای حفظ پایداری شبکه ضروری است.

سیستم تحریک استاتیک

در سیستم تحریک استاتیک، تغذیه الکتریکی مستقیماً از مولد گرفته می‌شود. این امر از طریق یک ترانسفورماتور سه‌فاز ستاره/دلتا متصل شده انجام می‌شود. پیچه اصلی این ترانسفورماتور به باربر مولد متصل است، در حالی که پیچه ثانویه توابع متعددی را ایفا می‌کند. این پیچه انرژی را به رکتیفایر تحویل می‌دهد که جریان متناوب را به جریان مستقیم برای اهداف تحریک تبدیل می‌کند. علاوه بر این، انرژی الکتریکی را به مدار کنترل شبکه و تجهیزات الکتریکی مرتبط دیگر تأمین می‌کند، تا عملکرد هموار سیستم تحریک و کنترل تضمین شود.

سیستم تحریک استاتیک دارای زمان پاسخ بسیار کوتاه است، که به آن اجازه می‌دهد به تغییرات شرایط الکتریکی به سرعت واکنش نشان دهد. این پاسخ سریع، به نوبه خود، عملکرد دینامیکی برجسته‌ای را ارائه می‌دهد که به سیستم اجازه می‌دهد حتی تحت بارهای متغیر و تقاضاهای الکتریکی مختلف عملکرد پایداری داشته باشد.

یکی از مزایای کلیدی این سیستم در توانایی کاهش قابل توجه هزینه‌های عملیاتی است. با حذف تحریک‌کننده‌های سنتی، این سیستم از زیان‌های ویندیج—انرژی تلف شده به دلیل اصطکاک بین اجزای متحرک و هوا—کاسته می‌شود. علاوه بر این، بدون نیاز به نگهداری منظم پیچه‌های تحریک‌کننده، هزینه‌های نگهداری به طور قابل توجهی کاهش می‌یابد. این ویژگی‌های صرفه‌جویی در هزینه سیستم تحریک استاتیک را به یک گزینه اقتصادی جذاب برای مجموعه وسیعی از کاربردها تبدیل می‌کند.