ELM1_007 מכונות סינכרוניות

→ קודם: ELM1_006הבא: ELM1_008 ←

שימו לב!

איור 7.1: לא בחומר.

מבוא

גנרטורי זרם חילופין (AC) מכונים בדרך כלל גנרטורים סינכרוניים או אלטרנטורים. מכונה סינכרונית, בין אם היא גנרטור או מנוע, פועלת במהירות סינכרונית, כלומר, במהירות בה השדה המגנטי הנוצר ע”י סלילי השדה מסתובב. הביטוי למהירות הסינכרונית בסיבובים לדקה ():

כאשר הוא התדירות בהרץ () ו- הוא מספר הקטבים במכונה. לכן, עבור גנרטור סינכרוני עם ארבעה קטבים המיועד לייצר הספק בתדירות , מהירות הסיבוב חייבת להיות . כל ניסיון לטעון את המנוע הסינכרוני ולהוציא אותו מהסינכרוניזם יכריח אותו להפסיק לייצר כוח. במהלך הדיון שלנו על גנרטור זרם ישר (DC) הבנו שהכוח האלקטרומגנטי (emf) המושרה ע”י ליפוף העוגן הוא מהסוג AC. לכן, אנו יכולים להמיר גנרטור DC לגנרטור AC ע”י (א) החלפת הקומוטטור שלו בסט של טבעות החלקה ו-(ב) סיבוב העוגן במהירות קבועה (סינכרונית). הרעיון הוא חדשני אך אינו מוכן ליישום מעשי מהסיבות שנזכיר בקצרה.

אנו גם נזכור שהתנועה היחסית של מוליך ביחס לשדה המגנטי אחראית לכא”מ המושרה במוליך. במילים אחרות, מנקודת מבט של הכא”מ המושרה באמת לא משנה אם המוליך (סליל) מסתובב בשדה מגנטי נייח, או שהשדה המגנטי מסתובב והמוליך נייח. התצורה הקודמת היא המועדפת על גנרטורי DC והאחרונה עבור גנרטורי AC. לכן, הסטטור של גנרטור סינכרוני מכונה עוגן, והרוטור של הגנרטור הסינכרוני נושא את ליפופי השדה כדי לספק את השטף הדרוש.

יש מספר סיבות לבנייה ה”הפוכה” של גנרטור סינכרוני:

1. גודל וקיבולת: רוב הגנרטורים הסינכרוניים בנויים בגדלים הרבה יותר גדולים מהמקבילים ה-DC שלהם. עלייה בהספק הגנרטור מחייבת מוליכים עבים יותר בליפוף העוגן כדי לשאת זרמים גבוהים ולצמצם הפסדי נחושת.

2. חיבור ישיר לרשת: מאחר שהפלט של גנרטור סינכרוני הוא AC, מוליכי העוגן בסטטור יכולים להיות מחוברים ישירות לקו התמסורת. זה מבטל את הצורך בטבעות החלקה עבור פלט ההספק.

3. קירור יעיל: מאחר שרוב החום מיוצר ע”י ליפוף העוגן, חבר חיצוני נייח יכול להיות מקורר בצורה יעילה יותר מחבר פנימי מסתובב.

מבנה של מכונה סינכרונית

הרכיבים הבסיסיים של מכונה סינכרונית הם הסטטור, המכיל את מוליכי העוגן, ורוטור, המספק את השדה הדרוש כפי שמתואר להלן.

סטטור

הסטטור, המכונה גם העוגן, של מכונה סינכרונית עשוי מלמינציות דקות של פלדה בעלת חדירות גבוהה כדי להפחית את הפסדי הליבה. הסטטור מוחזק יחד ע”י המסגרת הסטטור. המסגרת מיועדת לא רק לשאת את השטף אלא לספק תמיכה מכנית לגנרטור הסינכרוני. הפנים של הסטטור מכילים חריצים כדי להכיל מוליכי עוגן עבים (סלילים או ליפופים). מוליכי העוגן מאורגנים סימטרית לכל ליפוף תלת-פאזי מאוזן. כדי להבטיח פלט תלת-פאזי מאוזן, מספר החריצים לקוטב לפאזה חייב להיות מספר שלם.
הכא”מ המושרה לכל פאזה בגנרטורים סינכרוניים גדולים הוא בקילו-וולט () עם יכולת לשאת בהספק במגה-וולט-אמפר ().

האורך הציר של ליבת הסטטור הוא קצר יחסית עבור גנרטורים איטיים, בקוטר גדול. הגנרטורים האלה הם בעלי קטבים רבים והם פתוחים בשני הקצוות לקירור עצמי. הם מותקנים במקומות בהם נוצר כוח הידרואלקטרי.

האורך הציר של גנרטורים במהירות גבוהה בעלי או קטבים יכול להיות פי כמה מהקוטר שלהם. גנרטורים אלה דורשים זרימת אוויר תחת קירור והם סגורים לחלוטין. הם משמשים כאשר הרוטורים מונעים ע”י טורבינות גז או קיטור.

רוטור

שני סוגי רוטורים משמשים בעיצוב של גנרטורים סינכרוניים: הרוטור הגלילי (cylindrical rotor) והרוטור הקוטב הקמור (salient-pole rotor). הרוטור מסתובב במהירות סינכרונית ע”י מניע ראשי כגון טורבינת קיטור. לרוטור יש מספר קטבים זהה לסטטור, והליפוף השדה של הרוטור נושא זרם DC כדי לייצר שטף קבוע לכל קוטב. ליפוף השדה מקבל בדרך כלל את כוחו מגנרטור DC של או . גנרטור ה-DC עשוי להיות מונע ע”י אותו מניע ראשי שמניע את הגנרטור הסינכרוני או ע”י מנוע חשמלי נפרד.

הרוטור קוטב בולט משמש בגנרטורים באיטיות ובמהירות בינונית מכיוון שהפסדי הרוח קטנים במהירויות אלה. הוא מורכב מקבוצה זוגית של קטבים מלמניציות הפונים החוצה. כל קוטב מעוצב בצורה “זנב יונה” (dove-tail) כך שהוא נכנס לחריץ טריזי או מוברג לגלגל מגנטי הנקרא “עכביש” (spider). ליפוף השדה ממוקם סביב כל קוטב, כפי שמצוין באיור 7.1. הקטבים חייבים להתחלף בקוטביות.

איור 7.2: רוטור קוטב קמור. (Guru, 2001).

הרוטור הגלילי משמש בגנרטורי טורבו במהירות גבוהה בעלי או קטבים. הוא עשוי מגליל פלדה חלק מחושל עם מספר חריצים על ההיקף החיצוני שלו. החריצים מיועדים להכיל את סלילי השדה, כפי שמוצג באיור 7.2. הבנייה הגלילית מציעה את היתרונות הבאים:

1. היא מביאה לפעולה שקטה במהירות גבוהה.
2. היא מספקת איזון טוב יותר מהרוטור הקוטב הבולט.
3. היא מפחיתה את הפסדי הרוח.

איור 7.3: רוטור גלילי בן 4 קטבים. (Guru, 2001).

ליפופי עוגן

הסטטורים (עוגנים) של רוב הגנרטורים הסינכרוניים מלופפים בשלושה ליפופים נפרדים ועצמאיים לייצור כוח תלת-פאזי. כל ליפוף אמור לייצג פאזה אחת של גנרטור תלת-פאזי. שלושת הליפופים זהים בדיוק בצורה ובמבנה אך הם מוזזים זה מזה בדיוק חשמליים כדי להבטיח שהכא”מ המושרה בליפופים אלה הוא בדיוק מחוץ לפאזה בזמן. הליפופים התלת-פאזיים עשויים להיות מחוברים ליצירת חיבור כוכב () או משולש (). אם הליפופים מחוברים פנימית ליצירת חיבור , הנקודה הנייטרלית מובאת גם החוצה כדי שניתן יהיה לחבר אותה לקרקע למטרות הפעלה בטוחה.

הליפוף דו-שכבתי משמש לעתים קרובות ללפף את העוגן של גנרטור סינכרוני. ליפוף דו-שכבתי דורש מספר זהה של סלילים זהים כמספר החריצים בסטטור. צד אחד של כל סליל נמצא בחצי התחתון של חריץ, והצד השני של אותו סליל ממלא את החצי העליון של חריץ אחר. כדי למקם את הסלילים באופן הזה, הסלילים חייבים להיות מלופפים מראש על תבניות הליפוף ולאחר מכן מוכנסים לחריצים.

מספר הסלילים לפאזה (או מספר החריצים לפאזה עבור ליפוף דו-שכבתי) חייב להיות מספר שלם. מאחר שהסלילים חייבים להיות מחולקים שווה בשווה בין הקטבים, מספר הסלילים (חריצים) לקוטב לפאזה חייב גם להיות מספר שלם. במילים אחרות, אם הוא מספר החריצים בעוגן, הוא מספר הקטבים, ו- הוא מספר הפאזות, אז מספר הסלילים לקוטב לפאזה הוא:

כאשר חייב להיות מספר שלם. מספר הסלילים לקוטב לפאזה, , מכונה בדרך כלל קבוצת פאזה או חגורת פאזה. כאשר הסטטור של גנרטור סינכרוני תלת-פאזי, בן קטבים יש לו חריצים, מספר הסלילים בכל קבוצת פאזה הוא . יש קבוצות פאזה (קטבים פאזות). כל הסלילים בקבוצת פאזה ( במקרה זה) מחוברים בטור.

כל סליל בקבוצת פאזה יכול להיות מלופף כסליל פסיעה מלאה. במילים אחרות, כל סליל בעוגן יכול להיות עשוי להתפרש על חשמליים. מאחר שהכא”מ המושרה בסליל ששני צידיו תחת מרכזי קטבים מנוגדים הוא מרבי, התיאוריה מציעה שימוש בסלילי פסיעה מלאה מנקודת מבט של כא”מ מושרה. עם זאת, סליל פסיעה מלאה משמש רק לעתים רחוקות. במקום זאת, הגנרטורים מלופפים עם סלילי פסיעה חלקית מהסיבות הבאות:

1. הפחתת הרמוניות: סליל פסיעה חלקית מעוצב נכון מפחית את ההרמוניות המעוותות ומייצר צורת גל סינוסואידי אמיתית יותר.

2. חיסכון בנחושת: סליל פסיעה חלקית מקצר את חיבורי הקצה של הליפופים ובכך לא רק חוסך נחושת אלא גם מפחית את הפסד הנחושת בסליל.

3. ניהול קל יותר: סליל קצר יותר קל יותר לניהול ומפחית את הצטברות סיבוב הקצה בשני צידי המחסנית של הסטטור.

4. הפחתת הפסדים: חיסול ההרמוניות בתדירות גבוהה גם מפחית את ההפסדים המגנטיים בגנרטור.

החיסרון של סליל פסיעה חלקית הוא שהכא”מ המושרה בו קטן יותר מאשר בסליל פסיעה מלאה. הסיבה היא שהשטף הכולל המקושר לסליל הפסיעה החלקית קטן יותר מזה של סליל הפסיעה המלאה. היחס בין השטף המקושר לסליל הפסיעה החלקית לשטף שיקושר לסליל פסיעה מלאה נקרא מקדם הפסיעה. בהמשך, נפתח משוואה לקביעת מקדם הפסיעה.

כדי להמחיש את מיקום ליפופי הפאזה בחריצים של גנרטור סינכרוני, אנו מניחים את ההנחות הבאות:

1. כל הסלילים זהים.
2. כל סליל הוא סליל פסיעה חלקית כל עוד קבוצת פאזה מכילה יותר מסליל אחד.
3. כל הסלילים בקבוצת פאזה מחוברים בטור.
4. כל קבוצת פאזה פורשת חשמליים (פסיעה מלאה אחת). לכן, הסלילים בקבוצת פאזה חייבים להתמקם בצורה כזו שהקצה ההתחלתי של הסליל הראשון נמצא תחת תחילת קוטב והקצה המסיים של הסליל ה- נמצא תחת קצה הזנב של הקוטב.

הזווית החשמלית ממרכז חריץ אחד למרכז חריץ סמוך נקראת התפרסות החריץ או פסיעת החריץ. התפרסות הסליל או פסיעת הסליל, מספר החריצים הנפרשים ע”י כל סליל, יכולה להיות מבוטאת במונחים של מעלות חשמליות או מספר החריצים, כפי שמודגם בדוגמה הבאה.

דוגמה:

איור 7.4: לגנרטור סינכרוני תלת-פאזי, בן קטבים יש חריצים. קבעו את פסיעת החריץ, פסיעת הסליל, ומספר הסלילים בקבוצת פאזה. שרטטו את מיקום הסלילים עבור אחת הפאזות.

פתרון:
מאחר שיש חריצים בסטטור, מספר הסלילים עבור ליפוף דו-שכבתי הוא גם . מספר הסלילים לפאזה הוא . מספר הסלילים לכל קוטב לפאזה (קבוצת פאזה) הוא . לכן, . מספר החריצים (סלילים) לכל קוטב הוא . מאחר שקוטב אחד מתפרש על חשמליים, פסיעת החריץ היא חשמליים. במילים אחרות, הזווית החשמלית ממרכז חריץ אחד למרכז חריץ סמוך היא .

מיקום הסלילים עבור פאזה אחת של גנרטור סינכרוני בן קטבים מוצג באיור 7.3. החריצים ממוספרים לנוחות מ- עד . התפרסות הקוטב עבור קבוצת פאזה כוללת רק חצי מחריץ וחצי מחריץ . הקצה ההתחלתי של סליל , , ממוקם בחריץ . הקצה ההתחלתי של סליל , , חייב להתמקם בחריץ . מאחר שיש רק שני סלילים בקבוצת פאזה, הקצה המסיים של סליל , , חייב להתמקם בחריץ מכיוון שהתפרסות הקוטב היא חריצים.

דרך נוספת לקבוע את התפרסות הקוטב היא לספור את מספר השיניים. מכיוון שמספר השיניים הנפרשות ע”י סליל זהה למספר החריצים הנפרשים על ידו, קוטב חייב להתפרש על שיניים. יש בדיוק שיניים בין חריץ לחריץ . ברגע שקבענו איפה למקם את הקצה המסיים של סליל , אנו יודעים מיד איפה למקם את הקצה המסיים של סליל . הוא חייב לעבור לחריץ מכיוון שכל הסלילים זהים. שימו לב שכל סליל נפרש על חריצים או שיניים. לכן, פסיעת הסליל היא חשמליים.

קבוצת הפאזה מתחילה במקום בו קבוצת הפאזה מסתיימת. לכן, הקצה ההתחלתי של סליל 1 עבור קבוצת פאזה חייב להמקם בחריץ 7, וכן הלאה.

סלילי פאזה A עבור הגנרטור הסינכרוני עם קטבים, תלת-פאזי, ו- חריצים. (Guru, 2001).

איור 7.4 מציג דרך נוספת לקבוע את מיקום הסלילים ובכך את פסיעת הסליל. זה מכונה דיאגרמה מפותחת.

דיאגרמת פסיעה מפותחת המציינת את מיקום סלילי פאזה A עבור הגנרטור הסינכרוני עם קטבים, תלת-פאזי, ו- חריצים. (Guru, 2001).

→ קודם: ELM1_006הבא: ELM1_008 ←