بررسی انواع سیستم تحریک آلترناتور

سیستم تحریک آلترناتور را می توان به عنوان سیستمی تعریف کرد که جریان میدان را برای سیم پیچ روتور یک آلترناتور سنکرون فراهم می کند. طراحی مناسب یک سیستم تحریک، قابلیت اطمینان عملکرد، پایداری و پاسخ گذرا کوتاه را تضمین می کند.

در طول ۲۰ سال گذشته، پیشرفت های حاصل شده در حوزه الکترونیک قدرت و فن آوری های بی سیم، سبب ایجاد نوآوری و امکان های بیشتر در طراحی سیستم های تحریک شده است. در حال حاضر روش های تحریک استاتیک ( که در آنها سیم پیچ میدان از طریق جاروبک ها و حلقه های لغزنده (slip rings) نصب شده روی شفت، تغذیه می شوند.) در مواردی که پاسخ سریع دینامیکی (Fast Dynamic Response) مورد نیاز باشد، ترجیح داده می شود. با این حال این سیستم تحریک مشکلات نگهداری و ایمنی دارد، چراکه مشکل سایش جاروبک ها و یا جرقه زنی رخ می دهد.

روش های تحریک بدون جاروبک (که در آنها توان سیم پیچ میدان از طریق القای الکترومغناطیسی و بدون کنتاکت های لغزنده تغذیه می شود.) این چالش ها را مرتفع می کند. اما در مقابل این نوع سیستم تحریک، دارای پرفورمانس ضعیفتر دینامیکی بوده و دسترسی مستقیم به سیم پیچی میدان برای اهداف حفاظتی و اندازه گیری را از دست می دهند. بعلاوه نیاز به نصب یک ماشین دوار کمکی بر روی شفت آلترناتور (یا موتور) می باشند. با این اوصاف چنین محدودیت هایی با پیشرفت هایی رخ داده بشدت کمتر شده است.

همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است، اولین سیستم های تحریک بر پایه تحریک کننده های DC بودند، این سیستم ها از ژنراتورهای DC به عنوان منبع تغذیه استفاده می کردند که توسط یک موتور جدا یا توسط شفت آلترناتور اصلی تغذیه شده و جریان DC را طریق حلقه های لغزنده به سیم پیچ میدان  تامین می کردند. این سیستم های تحریک در سیستم های تجاری و در طی سالهای ۱۹۲۰ تا ۱۹۶۰ مورد استفاده بودند ولی امروزه فقط ارزش تاریخی دارند چراکه این سیستم ها پس از سالهای ۱۹۶۰ کاملا باسیستم های تحریک AC جایگزین شدند.
رایج ترین سیستم های تحریک  مورد استفاده از دهه ۱۹۶۰ را می توان به سه طبقه تقسیم بندی کرد. سیستم های تحریک استاتیک، بدون جاروبک و Embedded (یا یکپارچه)

سیستم های تحریک استاتیک

سیستم های تحریک استاتیک غالباً برای ژنراتورهای سنکرون های با توان های نامی بزرگ استفاده می شود. ژنراتورهایی با توان نامی در حد چندین MVA، که نیاز به پاسخ سریع از حیث پرفورمانس دینامیک هستند.

شکل زیر یک نمونه کلاسیک از این نوع سیستم ها را نمایش می دهد که شامل دو پل SCR شش پالسی (یعنی SCR1 و SCR2 در شکل) به صورت موازی به مدار میدان WFSM متصل شده است. هر یک از این دو با کنترل کننده یکسو ساز مخصوص به خود (C1 و C2) نمایش داده شده است. در این ساختار، پل های SCR معمولاً در حالت hot-standby کار می کنند، به این معنی که درصورتیکه یکی از آنها جریان تحریک را تامین می کند، دیگری در حالت آماده به کار باقی می ماند. زمانی که یک خطا در پل Active رخ می دهد،این پل بطور خودکار غیر فعال شده  و پل Standby بطور خودکار وارد عمل می شود. این کار بدون هیچ گونه مداخله دستی رخ می دهد. به عنوان یک رویکرد جایگزین، تقسیم جریان فعال بین یکسو کننده های این سیستم ها پیشنهاد شده است. المان های دیگر در این سیستم، سیستم تخلیه میدان (Field Discharger) و سیستم قطع کننده مدار (FCB) و AVR است که دستورات را به ترتیب به کنترل کننده های پل SCR می دهد تا ولتاژ آلترناتور اصلی را از طریق یک حلقه کنترل در مقدار دلخواه خود حفظ کند.

دو نوع کلاسیک سیستم های تحریک، یعنی سیستم سورس پتانسیل Potential Source و سورس کامپاند Compound source در شکل زیر نشان داده شده است.

در ادامه شکل زیر دیگر روش های تحریک کلاسیک را نمایش می دهد که اخیرا معرفی شده اند.

جدول زیر بطور خلاصه این شش روش را مقایسه کرده است.

سیستم تحریک بدون جاروبک

چهار روش متداول تحریک عبارتند از:

• شانت یا خود تحریک Shunt or Self Excited
• سیستم تقویت تحریک Excitation Boost System (EBS)
• ژنراتور مگنت دائمی (PMG) Permanent Magnet Generator
• سیم پیچ کمکی (AUX) Auxiliary Winding

هر روش مزایای منحصر به فرد خود را دارد. همه روش ها از یک تنظیم کننده ولتاژ خودکار (AVR) برای تامین خروجی DC به استاتور تحریک استفاده می کنند. خروجی AC روتور تحریک کننده به یک ورودی DC برای روتور ژنراتور اصلی اصلاح می شود. سیستم های پیشرفته تر از ورودی اضافی به AVR استفاده می کنند. در ادامه ساختار، عملکرد و کاربرد هر روش را بررسی می‌کند و شامل نمودارها و تصاویر برای هر یک می‌شود.

فروش دیزل ژنراتور در برندهای پرکینز، کامینز، ولوو و دوسان در مجموعه دیزل صنعت

تنظیم کننده ولتاژ اتوماتیک (AVR)

ساختار AVR بسته به سیستم تحریک مورد استفاده متفاوت است.  در همه حالات، AVR ورودی را از استاتور ژنراتور در حال چرخیدن دریافت می کنند. AVR هایی با قابلیت دریافت ورودی دوم برای کاهش یا حذف هارمونیک های داخلی ناشی از سیگنال های فیدبک بار برای کاربردهایی که درآن بار غیر خطی است استفاده می شوند. دو نوع رایج مورد استفاده عبارتند از:

• یکسو کننده کنترل شده سیلیکونی (SCR) – سطح توان را از استاتور می خواند و  ولتاژ تحریک را تعیین می کند. این روش هنگام استفاده با بارهای غیر خطی می تواند باعث ایجاد مشکل شود.
• ترانزیستور اثر میدان (FET) – سطح توان را از استاتور می خواند و بر این مبنا سیگنال مدوله شده با عرض پالس (PWM)  را تولید و به سیستم تحریک ارال می کند. از این نوع AVR می توان به عنوان برای روشهای مختلف تحریک استفاده کرد.

شانت یا خود تحریک

روش شنت دارای یک طراحی ساده و مقرون به صرفه برای تامین برق ورودی به AVR است. این روش نیازی به قطعات اضافی یا سیم کشی ندارد. در صورت بروز مشکلات، عیب‌یابی با اجزای کمتر و سیم‌کشی برای اعتبارسنجی ساده‌تر می‌شود.

با چرخاندن ژنراتور، استاتور ولتاژ ورودی را به AVR می رساند. علاوه بر این AVR دارای سنسورهایی است که خروجی استاتور را نظارت می کنند.

AVR انرژی تحریک کننده را تامین می کند و به جریان DC یکسو می شود. جریان برای خروجی بار به استاتور القا می شود.

بزرگترین اشکال این سیستم این است که AVR تحت تأثیر باری است که ژنراتور تغذیه می کند. هنگامی که بار افزایش می یابد، ولتاژ شروع به کاهش می کند و AVR باید جریان بیشتری را به تحریک کننده برای پشتیبانی از تقاضا ارائه دهد. این AVR را به محدودیت های خود سوق می دهد. اگر AVR فراتر از محدوده آن فشار داده شود، میدان تحریک فرو می ریزد. ولتاژ خروجی به مقدار کمی کاهش می یابد.

اگر یک اتصال کوتاه در منبع تغذیه AVR رخ دهد، ژنراتور منبع تحریک نخواهد داشت. این باعث از دست رفتن توان خروجی ژنراتور می شود.

ژنراتورهای با روش شنت یا خود تحریکی را می توان در بارهای خطی (بار ثابت) استفاده کرد. کاربردهایی که دارای بارهای غیر خطی (بار متغیر) هستند برای ژنراتورهایی با این روش تحریک توصیه نمی شود. هارمونیک های مرتبط با بارهای غیر خطی می توانند باعث خرابی میدان تحریک شوند.

سیستم تقویت تحریک (EBS)

سیستم EBS از همان اجزای اصلی تشکیل شده است که ورودی ها را به AVR و خروجی ها را از آن دریافت می کنند. اجزای اضافی در این سیستم عبارتند از:
ماژول کنترل تقویت تحریک (EBC).
ژنراتور تقویت کننده تحریک (EBG).
EBG در انتهای محرک دینام نصب شده است. ظاهر فیزیکی همان آهنربای دائمی است. EBG با چرخش شفت ژنراتور برق کنترل کننده را تامین می کند.

ماژول کنترل EBC به صورت موازی به AVR و محرک متصل است. EBC سیگنال را از AVR دریافت می کند. در صورت نیاز، کنترل کننده سطوح مختلفی از جریان تحریک را در سطوحی که به نیازهای سیستم بستگی دارد، به محرک می رساند.

منبع تغذیه اضافی به سیستم تحریک، نیازهای بار را پشتیبانی می کند. این به ژنراتور اجازه می دهد تا ولتاژ تحریک را راه اندازی و بازیابی کند.

این سیستم تحریک برای کاربردهای برق پیوسته توصیه نمی شود. برای کاربردهای برق اضطراری یا پشتیبان در نظر گرفته شده است. هنگامی که ژنراتور شروع به کار می کند، سیستم EBS تا رسیدن به سرعت کار خاموش می شود. EBG همچنان در حال تولید برق است اما کنترل کننده آن را مسیریابی نمی کند.

سیستم امکان پاسخ دینامیکی را فراهم می کند، هزینه کمتری دارد و شرایط لازم برای تامین جریان اتصال کوتاه ۳۰۰% را برآورده می کند. بارهای غیر خطی مانند راه اندازی موتور در مقایسه با روش Shunt یا Self Excited بهبود می یابند.

ژنراتور مغناطیسی دائمی (PMG)

تحریک PMG
ژنراتورهای مجهز به آهنرباهای دائمی از جمله شناخته شده ترین روش های تحریک جداگانه هستند. یک آهنربای دائمی روی انتهای محرک شفت ژنراتور نصب شده است.

PMG وقتی شفت ژنراتور می چرخد، توان ایزوله ای را به AVR می دهد. AVR هنگام تامین بارهای غیر خطی از توان اضافی استفاده می کند. راه اندازی موتورها

هنگامی که شفت ژنراتور در حال چرخش است، یک شکل موج ۳ فاز تمیز، ایزوله و بدون وقفه ایجاد می شود.

برخی از مزایای استفاده از ژنراتورهای مجهز به روش تحریک PMG عبارتند از:
میدان تحریک فرو نمی ریزد و اجازه می دهد تا خطاهای اتصال کوتاه پایدار پاک شوند.
تغییر بار بر میدان تحریک تأثیر نمی گذارد.
ولتاژ در راه اندازی اولیه ایجاد می شود و به مغناطیس باقی مانده در میدان بستگی ندارد.
در هنگام راه اندازی موتور، میدان تحریک به دلیل کمبود منبع AVR فرو نمی ریزد.
سیستم PMG وزن و اندازه را به انتهای ژنراتور اضافه می کند. این متداول ترین روش تحریک برای کاربردهایی است که از موتورهایی استفاده می کنند که راه اندازی و خاموش می شوند و سایر بارهای غیر خطی.

سیم پیچ کمکی (AUX)

تحریک سیم پیچ کمکی

روش سیم پیچ کمکی سالهاست که مورد استفاده قرار می گیرد. کاربردها از کاربردهای دریایی تا صنعتی را شامل می شود و در تاسیسات بزرگتر کاربردی تر است.

این روش دارای یک میدان تحریک مجزا است، اما از یک جزء متصل به انتهای محرک شفت ژنراتور استفاده نمی کند. این روش ها از چرخش شفت و یک آهنربا یا ژنراتور دائمی برای تامین تحریک اضافی استفاده می کنند.

یک سیم پیچ تک فاز اضافی در استاتور نصب می شود. همانطور که شفت ژنراتور ولتاژ تغذیه سیم پیچ های اصلی استاتور به AVR را مانند تمام روش های ذکر شده در بالا می چرخاند.

سیم پیچ تک فاز اضافی ولتاژ را به AVR تامین می کند. این باعث ایجاد ولتاژ تحریک اضافی در هنگام تامین بارهای غیر خطی می شود.

برای کاربردهای بار خطی می توان از روش های تحریک EBS، PMG و AUX استفاده کرد. تحریک شنت مقرون به صرفه ترین روش است.

برای کاربردهای بار غیر خطی می توان از روش های تحریک EBS، PMG و AUX استفاده کرد. تحریک PMG رایج ترین و پرکاربردترین است.

جهت مشاوره خرید و استعلام قیمت دیزل ژنراتور، نصب و راه اندازی، راهنمایی، گارانتی و مشخصات فنی با کارشناسان دیزل صنعت تماس بگیرید. (۳۳۳۵۹۸۱۸ – ۰۴۱ )