10 dersten 9.

Senkron Makineler

Neredeyse her konvansiyonel santral — kömür, gaz, nükleer, hidroelektrik — aynı makineyle biter: senkron jeneratör. Şebeke Kararlılığı rotasındaki her kavramın arkasında da bu makine vardır: atalet, rotor açısı, türbin regülatörleri, uyartım, güç sistemi dengeleyicileri. Bu ders, hepsi için gereken modeli donanımdan başlayarak kurar.

Stator, rotor, uyartım

Stator (endüvi)

Sabit dış kısım; jeneratör yükseltici transformatörü üzerinden şebekeye bağlı üç fazlı bir sargı taşır. Çıkış gücü buradan akar.

Rotor (alan)

Dönen iç kısım; doğru akımla beslenen bir alan sargısı taşır. Dönerken statorda üç fazlı gerilim endükleyen döner bir manyetik alan oluşturur.

Uyartım sistemi

Rotorun DC alan akımını sağlar ve otomatik gerilim regülatörü (AVR) tarafından kontrol edilir. Daha fazla alan akımı, daha yüksek iç gerilim demektir.

Türbin ve regülatör

Tahrik makinesi mile mekanik moment verir; türbin regülatörü buhar, gaz ya da su akışını ve dolayısıyla mekanik gücü ayarlar.

İki rotor tasarımı vardır. Buhar ve gaz türbinleri hızlı döner, bu yüzden jeneratörleri iki ya da dört kutuplu, uzun ve ince bir silindirik rotor kullanır. Su türbinleri yavaş döner, bu yüzden jeneratörleri çevresine çok sayıda kutup yerleştirilmiş kısa ve geniş bir çıkık kutuplu rotor kullanır.

Neden senkron deniyor

Kararlı durumda rotor, şebeke frekansının ve kutup sayısının belirlediği hızda döner — ne daha hızlı ne daha yavaş:

Yani 50 Hz'lik bir şebekedeki iki kutuplu bir turbojeneratör 3000 d/dk, dört kutuplu bir jeneratör 1500 d/dk, 40 kutuplu bir hidroelektrik jeneratörü ise yalnızca 150 d/dk ile döner. Aynı şebekedeki tüm senkron makineler elektriksel olarak aynı frekansa kilitlidir — Şebeke Kararlılığı rotasının "senkronizmada kalmak" derken kastettiği tam olarak budur.

Mekanik girer, elektrik çıkar: moment dengesi

Türbin rotoru mekanik momentle ileri iter; şebeke ise verilen güçle orantılı elektriksel momentle onu geri tutar. Kararlı durumda ikisi eşittir ve hız sabittir. Farklılaştıklarında — bir arıza elektriksel yükü aniden ortadan kaldırdığı ya da bir regülatör buhar valflerini açtığı için — rotor hızlanır ya da yavaşlar. Birim değerlerle bu, salınım denklemidir:

Bu tek denklem makineyi sonraki iki derse bağlar: H, atalet dersindeki atalet sabitidir; δ ise arızadan sonraki davranışı geçici kararlılığı belirleyen rotor açısıdır.

Fazör modeli: bir reaktansın arkasındaki gerilim

Kararlı durum çalışmalarında silindirik rotorlu bir makine, alan akımıyla ayarlanan bir iç gerilim E'nin senkron reaktans X_s arkasında, uç gerilimi V'ye bağlı olarak modellenir. δ, E ile V arasındaki açı olmak üzere verdiği güç şudur:

İlk denklem, Şebeke Kararlılığı rotası boyunca kullanılan güç-açı eğrisidir. İkincisi alan akımının ne yaptığını gösterir: E'yi V'nin üzerine çıkarırsan makine reaktif güç verir (aşırı uyartımlı); altına indirirsen reaktif güç çeker (düşük uyartımlı).

Üç zaman ölçeği için üç reaktans

Bir arıza olduğunda rotorun alan ve amortisör sargılarında endüklenen akımlar değişime kısa bir süre karşı koyar; bu yüzden makine ilk anda kararlı duruma göre çok daha "sert" görünür. Bu durum üç reaktansla modellenir; silindirik rotorlu bir turbojeneratör için makinenin kendi anma değerine göre tipik birim değerler şöyledir:

Alt geçici X″d

Yaklaşık 0,12–0,25 p.u. Arızanın ilk birkaç periyodunu belirler; dolayısıyla kesicilerin kesmesi gereken tepe kısa devre akımını da.

Geçici X′d

Yaklaşık 0,15–0,4 p.u. Kabaca ilk saniyeyi belirler; klasik geçici kararlılık modellerinin bunu kullanmasının sebebi budur.

Senkron Xd

Yaklaşık 1,0–2,3 p.u. Amortisör ve alan geçici olayları sönümlendikten çok sonraki kararlı durumu belirler.

Dolayısıyla aynı makine büyük ve hızla sönümlenen bir arıza akımı verir: bir sonraki ders, bu akımı hesaplarken X″d'yi jeneratörün pozitif bileşen empedansı olarak kullanır.

Yetenek diyagramı

Bir jeneratör her P ve Q kombinasyonunu veremez. P–Q yetenek diyagramı; stator akım sınırı (sabit MVA çemberi), yüksek aşırı uyartımda rotor ısınma sınırı, türbinin maksimum gücü ve kararlılığı ile stator paket uçlarını koruyan bir düşük uyartım sınırıyla çevrilidir. Operatörler ve şebeke yönetmelikleri bu zarfın içinde çalışır — reaktif güç desteğinin gerçek bir maliyeti olmasının bir sebebi de budur.