ระบบจ่ายกำลังเร้า

ระบบส่งกำลังสนามแม่เหล็ก

บทนิยาม

ระบบส่งกำลังสนามแม่เหล็กเป็นส่วนประกอบที่สำคัญในเครื่องกำเนิดไฟฟ้าซิงโครนัส มีหน้าที่ในการจ่ายกระแสไฟฟ้าที่จำเป็นให้กับขดลวดโรเตอร์ หรือพูดง่ายๆ คือ ออกแบบมาเพื่อสร้างฟลักซ์แม่เหล็กโดยผ่านกระแสไฟฟ้าเข้าไปในขดลวดสนาม คุณสมบัติหลักที่กำหนดระบบส่งกำลังสนามแม่เหล็กที่ดีคือความน่าเชื่อถืออย่างไม่เปลี่ยนแปลงในทุกสถานการณ์การทำงาน การควบคุมที่ง่าย บำรุงรักษาง่าย มีความเสถียร และมีการตอบสนองทางทรานเซียนท์อย่างรวดเร็ว

ปริมาณของการกระตุ้นที่เครื่องกำเนิดไฟฟ้าซิงโครนัสต้องการขึ้นอยู่กับหลายปัจจัย เช่น กระแสโหลด ปัจจัยกำลังของโหลด และความเร็วในการหมุนของเครื่อง กระแสโหลดที่มากขึ้น ความเร็วที่ต่ำลง และปัจจัยกำลังที่ล่าช้าจะต้องการการกระตุ้นในระบบมากขึ้น

ในระบบการกระตุ้น แต่ละเครื่องกำเนิดไฟฟ้ามักจะมีเครื่องกระตุ้นของตนเอง ซึ่งทำงานเป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้า ในระบบการกระตุ้นแบบรวมศูนย์ จะใช้เครื่องกระตุ้นสองเครื่องหรือมากกว่าเพื่อจ่ายพลังงานให้กับบัสบาร์ แม้ว่าวิธีการรวมศูนย์นี้จะประหยัดต้นทุน แต่หากเกิดข้อผิดพลาดในระบบอาจส่งผลกระทบต่อเครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่ทำงานภายในโรงไฟฟ้า

ประเภทของระบบการกระตุ้น

ระบบการกระตุ้นสามารถแบ่งออกเป็นหลายประเภท โดยมีสามประเภทที่สำคัญที่สุดคือ ระบบการกระตุ้นแบบกระแสตรง (DC Excitation System) ระบบการกระตุ้นแบบกระแสสลับ (AC Excitation System) และระบบการกระตุ้นแบบคงที่ (Static Excitation System) นอกจากนี้ยังมีประเภทย่อยอื่นๆ เช่น ระบบการกระตุ้นโรเตอร์และระบบการกระตุ้นแบบไร้แปรง ซึ่งจะได้กล่าวถึงรายละเอียดในภายหลัง

ระบบการกระตุ้นแบบกระแสตรง

ระบบการกระตุ้นแบบกระแสตรงประกอบด้วยเครื่องกระตุ้นสองเครื่อง คือ เครื่องกระตุ้นหลักและเครื่องกระตุ้นรอง วงจรควบคุมแรงดันอัตโนมัติ (AVR) มีบทบาทสำคัญในระบบนี้โดยปรับเอาต์พุตของเครื่องกระตุ้น เพื่อควบคุมแรงดันที่เทอร์มินอลเอาต์พุตของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า ข้อมูลจากทรานสฟอร์เมอร์กระแสเข้า AVR เป็นการป้องกัน ทำให้กระแสของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าจำกัดในกรณีที่เกิดข้อผิดพลาด

เมื่อเบรกเกอร์สนามอยู่ในตำแหน่งเปิด ตัวต้านทานระบายสนามจะเชื่อมต่อกับขดลวดสนาม เนื่องจากขดลวดสนามมีความเหนี่ยวนำสูง ตัวต้านทานนี้มีความจำเป็นในการกระจายพลังงานที่สะสมไว้ ทำให้ป้องกันส่วนประกอบของระบบจากการเสียหายเนื่องจากแรงดันที่ถูกเหนี่ยวนำ

ระบบการกระตุ้นแบบกระแสตรง (ต่อ)

ทั้งเครื่องกระตุ้นหลักและเครื่องกระตุ้นรองสามารถจ่ายพลังงานได้สองวิธี คือ ผ่านเพลาหลักของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าซิงโครนัสโดยตรง หรือโดยมอเตอร์ภายนอกที่แยกต่างหาก เครื่องกระตุ้นที่ขับเคลื่อนโดยตรงมักเป็นตัวเลือกที่นิยม เพราะสามารถรักษาความสมบูรณ์ของระบบการทำงานของหน่วย ทำให้กระบวนการกระตุ้นไม่ได้รับผลกระทบจากข้อแทรกแซงภายนอก

เครื่องกระตุ้นหลักมักมีแรงดันประมาณ 400 โวลต์ และความจุประมาณ 0.5% ของความจุของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า อย่างไรก็ตาม ในเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเทอร์โบ ปัญหาเกี่ยวกับเครื่องกระตุ้นมักพบบ่อย เนื่องจากความเร็วในการหมุนสูงทำให้เกิดการสึกหรอมากขึ้น ทำให้เครื่องกระตุ้นเสี่ยงต่อการชำรุด ดังนั้น เครื่องกระตุ้นที่ขับเคลื่อนโดยมอเตอร์แยกต่างหากจะถูกติดตั้งเป็นหน่วยสำรอง พร้อมที่จะทำงานแทนในกรณีที่เครื่องกระตุ้นหลักมีปัญหา

ระบบการกระตุ้นแบบกระแสสลับ

ระบบการกระตุ้นแบบกระแสสลับรวมเครื่องกำเนิดไฟฟ้าและวงจรเต็มคลื่นไธริสเตอร์ ทั้งสองส่วนเชื่อมต่อกับเพลาหลักของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าหลักโดยตรง เครื่องกระตุ้นหลักในระบบนี้สามารถทำงานในสองโหมด คือ โหมดการกระตุ้นเอง ซึ่งสร้างสนามแม่เหล็กของตนเองเพื่อผลิตเอาต์พุตไฟฟ้า หรือโหมดการกระตุ้นแยก ซึ่งพึ่งพาแหล่งพลังงานภายนอกเพื่อเริ่มกระบวนการกระตุ้น ระบบการกระตุ้นแบบกระแสสลับสามารถแบ่งออกเป็นสองประเภท ซึ่งมีลักษณะเฉพาะของตนเอง ซึ่งจะได้กล่าวถึงรายละเอียดในภายหลัง

ระบบการกระตุ้นไธริสเตอร์หมุน

ตามที่แสดงในภาพประกอบ ระบบการกระตุ้นไธริสเตอร์หมุนประกอบด้วยส่วนหมุนที่มีการระบุโดยเส้นประ ส่วนนี้ประกอบด้วยเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับ สนามคงที่ และอาร์เมเจอร์หมุน เอาต์พุตจากเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับผ่านวงจรเต็มคลื่นไธริสเตอร์ กระแสตรงที่แปลงแล้วถูกจ่ายไปยังขดลวดสนามของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าหลัก ทำให้สามารถสร้างสนามแม่เหล็กที่จำเป็นสำหรับการทำงานของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า

ในระบบการกระตุ้นไธริสเตอร์หมุน ขดลวดสนามของเครื่องกำเนิดไฟฟ้ายังได้รับพลังงานผ่านวงจรเต็มคลื่นเพิ่มเติม เครื่องกระตุ้นสามารถสร้างแรงดันโดยใช้ฟลักซ์แม่เหล็กที่เหลืออยู่ หน่วยจ่ายพลังงานร่วมกับกลไกควบคุมเต็มคลื่น สร้างสัญญาณทริกเกอร์ที่ควบคุมได้อย่างแม่นยำ ในโหมดการทำงานอัตโนมัติ แรงดันสัญญาณของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าถูกเฉลี่ยก่อนแล้วเปรียบเทียบโดยตรงกับค่าการปรับแรงดันที่ตั้งโดยผู้ปฏิบัติงาน ในขณะที่ในโหมดการทำงานด้วยมือ กระแสการกระตุ้นของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าจะเปรียบเทียบกับค่าอ้างอิงแรงดันที่ปรับด้วยมือแยกต่างหาก

ระบบการกระตุ้นแบบไร้แปรง

ระบบการกระตุ้นแบบไร้แปรงแสดงในภาพด้านล่าง ด้วยส่วนหมุนที่ถูกบรรจุอยู่ภายในสี่เหลี่ยมประ ส่วนนี้ประกอบด้วยเครื่องกำเนิดไฟฟ้า วงจรเต็มคลื่น เครื่องกระตุ้นหลัก และเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแม่เหล็กถาวร ทั้งเครื่องกระตุ้นหลักและเครื่องกระตุ้นรองถูกขับเคลื่อนโดยเพลาหลักของเครื่อง เครื่องกระตุ้นหลักมีสนามคงที่และอาร์เมเจอร์หมุน เอาต์พุตของอาร์เมเจอร์หมุนเชื่อมต่อกับขดลวดสนามของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าหลักผ่านเต็มคลื่นซิลิคอน ทำให้มีการโอนพลังงานไฟฟ้าสำหรับการกระตุ้นที่ราบรื่นและไม่มีแปรง

เครื่องกระตุ้นรองเป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแม่เหล็กถาวรที่ขับเคลื่อนโดยเพลา มีแม่เหล็กถาวรหมุนที่ติดอยู่บนเพลาและอาร์เมเจอร์สามเฟสคงที่ อาร์เมเจอร์นี้จ่ายพลังงานให้กับสนามของเครื่องกระตุ้นหลักผ่านเต็มคลื่นซิลิคอน ทำให้ช่วยในการกระตุ้นเครื่องกำเนิดไฟฟ้าหลัก นอกจากนี้ ในการกำหนดค่าอื่น เครื่องกระตุ้นรอง ซึ่งยังเป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแม่เหล็กถาวรที่ขับเคลื่อนโดยเพลา ใช้วงจรเต็มคลื่นควบคุมเฟสไธริสเตอร์สามเฟสเพื่อจ่ายพลังงานให้กับเครื่องกระตุ้นหลัก

ระบบการกระตุ้นแบบไร้แปรงมีข้อดีหลายประการ โดยการกำจัดการใช้คอมมิวเตเตอร์ คอลเลคเตอร์ และแปรง ทำให้ลดความต้องการในการบำรุงรักษามากขึ้น นอกจากนี้ยังมีค่าคงที่เวลาสั้น โดยมีเวลาตอบสนองน้อยกว่า 0.1 วินาที ค่าคงที่เวลานี้สั้นทำให้ระบบมีประสิทธิภาพทางไดนามิกสูงในการตอบสนองต่อการรบกวนทางไฟฟ้าเล็กๆ น้อยๆ ยิ่งขึ้น ทำให้สามารถตอบสนองอย่างรวดเร็วและแม่นยำต่อการรบกวนทางไฟฟ้าเล็กๆ น้อยๆ ได้ดียิ่งขึ้น นอกจากนี้ยังทำให้ง่ายต่อการรวมสัญญาณเสริมเพื่อการควบคุมความเสถียรของระบบไฟฟ้า ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญในการรักษาความเสถียรของระบบไฟฟ้า

ระบบการกระตุ้นแบบคงที่

ในระบบการกระตุ้นแบบคงที่ แหล่งจ่ายไฟฟ้ามาจากเครื่องกำเนิดไฟฟ้าโดยตรง ซึ่งทำได้ผ่านตัวแปลงแรงดันสามเฟสแบบสตาร์/เดลตา ขดลวดหลักของตัวแปลงแรงดันเชื่อมต่อกับบัสบาร์ของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า ในขณะที่ขดลวดรองทำหน้าที่หลายอย่าง จ่ายพลังงานให้กับวงจรเต็มคลื่นซึ่งแปลงกระแสสลับเป็นกระแสตรงสำหรับการกระตุ้น นอกจากนี้ยังจ่ายพลังงานไฟฟ้าให้กับวงจรควบคุมระบบและอุปกรณ์ไฟฟ้าอื่นๆ ที่เกี่ยวข้อง ทำให้ระบบการกระตุ้นและการควบคุมทำงานอย่างราบรื่น

ระบบการกระตุ้นแบบคงที่มีเวลาตอบสนองที่สั้นมาก ทำให้สามารถตอบสนองอย่างรวดเร็วต่อการเปลี่ยนแปลงของสภาพไฟฟ้า ความรวดเร็วในการตอบสนองนี้ทำให้ระบบมีประสิทธิภาพทางไดนามิกสูง ทำให้สามารถรักษาการทำงานอย่างเสถียรแม้ภายใต้โหลดที่เปลี่ยนแปลงและความต้องการทางไฟฟ้าที่แตกต่างกัน

หนึ่งในข้อดีหลักของระบบนี้คือความสามารถในการลดต้นทุนการดำเนินงานอย่างมาก โดยการกำจัดเครื่องกระตุ้นแบบดั้งเดิม ทำให้ลดการสูญเสียจากการหมุน - ซึ่งเป็นพลังงานที่สูญเสียเนื่องจากการเสียดสีระหว่างส่วนที่เคลื่อนที่กับอากาศรอบข้าง นอกจากนี้ยังไม่จำเป็นต้องบำรุงรักษาขดลวดของเครื่องกระตุ้นอย่างสม่ำเสมอ ทำให้ค่าใช้จ่ายในการบำรุงรักษาลดลงอย่างมาก คุณสมบัติในการประหยัดต้นทุนเหล่านี้ทำให้ระบบการกระตุ้นแบบคงที่เป็นตัวเลือกที่มีความคุ้มค่าทางเศรษฐกิจสำหรับหลากหลายแอปพลิเคชัน