FIRÇASIZ UYARMA SİSTEMİ

UDK : 621.313.3.013.8

Fırçasız Uyarma Sistemi*

Yazan :

T. L. DILLMAN

Çeviren : Erdoğan ATABERK TEK

ÖZET Geçen 10 yılda, yüksek cevap verme oranları olan cihazlar aranmıştır. Şimdi yeni bir gelişme olmuş, ekonomik olarak sistem stabilitesini gerçekleştirmekte, yüksek başlangıç cevabı kul­ lanılmaya başlanmıştır. Bugün, -fırçasız uyarma sistemi isteneni vermektedir.

SUMMARY Hıgher response ratios have been called for in the past decade. Now there is a new development: high inıtıal response •for use where it is an economically desirable method of achieving system stability. Today, brushless exciter response keeps up wıth needs.

1. GiRiŞ Modern güç şebekelerinin stabilite limitlerini hesaplamakta, generatör uyarma sisteminin ka­ rakteristikleri, önemli bir rol oynar. Bir uyarıcı sistem, senkron generatörün uyarılması için kontrol edilen bir doğru akım verir. Uyarıcı sistem, regülatörlü ve elle kumandalı olur. Uya­ rıcının cevabı, belirli şartlar altında, uyarıcının çıkış gerilimindeki değişmeler oranının bir öl­ çüsüdür. Genel olarak, uyarıcı cevabının hızlı olması, güç sisteminin stabil kalma yeteneğine etki derecesi, daha geniş ölçüde olmaktadır. Uyarıcının cevabı; uyarıcı zaman sabitesinin, uyarıcı doyma özelliklerinin ve uyarıcı alan ge­ riliminin bir fonksiyonudur. Zaman bakımından gecikmeler ve regülatörün özellikleri, uyarıcının cevabına dahil edilmemiş fakat uyarma sistemi cevap eğrisine dahil edilmiştir. Bu husus, fırçasız uyarma sisteminde olduğu gibi uyarıcı cevabında da incelenmelidir. (*) Povvcr Engineering'ın Mart 1972 sayısından çevrilmiştir.

2. UYARMA SİSTEMİ Fırçasız uyarma sistemine, alternatör (yardımcı alternatör) — doğrultucudan oluşan ana uyarıcı ve daimi mıknatıslı generatörden oluşan pilot uyarıcı dahildir ve her ikisi de doğrudan doğruya senkron generatör miline bağlıdır (Şekil 1). Bu yardımcı alternatörün alanı, daimi mıknatıslı pilot generatörden temin edilir. Bu generatörün, bir grup dönen daimi mıknatısı (senkron generatör miliyle birlikte) ve sabit tri-faze endüvi sargıları vardır. Bu trifaze endüvi sargılarının çıkış gerilim frekansı 420 Hz dir ve güç amplifikatöründe, kontrollü trifaze akım tam dalga tiristör köprüleri tarafından doğrultulur. Güç amplifikatörünün kontrol edilmiş DA çıkışı, yardımcı alternatör alanının uyarılmasını sağlar. Yardımcı alternatörün dönen sargılarının (senkron generatör miliyle birlikte) trifaze çıkışı, mille birlikte dönen redresör sistemini besler. Dönen redresör sisteminin DA çıkışı ise, esas senkron generatörün alanını besler. Sigortalar, diyot arızası halinde uyarıcı sar-

gıları korumak için, dönen diyotlara seri bağ­ lanır. Fazla diyotlar o şekildedir ki, faz başına ümitlenmiş sayıda diyot arızalarının generatör çıkışına etkisi olmamaktadır. Arızalanmış sigor­ talar sistemin işlemesi anında meydana çıkanhr.

eğrisiyle alandaki ÎR düşümü arasındaki geri­ lim farkı ki, buna fark gerilimi denir; alan bo­ yunca ek akım geçmesine neden olur. Şekil 3 de bir takım uyarma doyma eğrileri gösterilmiştir. Baştaki doyma eğrisinin başlangıç kısmı, kutuplar arasındaki hava aralığından do-

Generotorun doıtnı

Fırcosız

mıknatıslı pilot uyarıcısı uyarıcı

AA Esas senk. generotor

Mili t don b en k

ırl kte|

ı nlor

ısı n

[N]

| Diyot- -

ı

L1

y^*"1^

Suç Trafosu -4 ı

X

*» /GEN \ __

Akım Tr ^/—x-x

^^/

Alternotbr ; • ;

endüvısi J , ÎSİgorJ !

Serili m «L

TT

|_

Alternotör olanı

7 irtibatı

JsîrTrnf

^evresıj !

OTOMATİK | l

r

ı^ in Regülatör. |

| REGÜLATÖRÜ

GER UM

Ul . |

\ \Tins t ör

Regülatör L

Şekil 1. Fırçasız ikaz sisteminde daimî mıknatıslı pilot uyarıcı, alternatör - redresör ana uyarıcı kısımları vardır. Her ikisi de doğrudan doğruya esas generatör şaftına bağlıdır.

Bu sistem, kollektörü, bilezikleri ve kömür fır­ çalan tamamen ortadan kaldırmıştır. Bütün güç, senkron generatör milinde doğar. Bu yüz­ den, sistemdeki herhangi bir arıza, uyarma kay­ nağını etkilemez.

3. UYARICININ KARAKTERİSTİKLERİ

Şekil 2 tipik bir pilot uyarıcı regülasyon eğrisi­

ni gösterir. Bu eğrinin eğimi, endüvi reaksiyo­

nunun artmasına ve endüvi akımı artmasıyla

ilgili olarak ÎR düşümüne bağlıdır. Regülatörün

aşın yükte çalışması sırasında, uyarma alanın­

da meydana gelen, en yüksek alan direnç doğrultusunun ve

akım pilot

uIfyamrmaxa,

j-m dü­

zeltilmiş eğrisinin kesim noktasıyla belirir (k).

Pilot uyananın çıkışı, alternatif akım olduğu

için, bu eğri önce DA değerlerine çevrilmelidir.

j-m doğrusu ohm kanunu kullanılarak sapta­

nır. lam

Euy=arIm. aRfadlainr.ı

Rdfi,reişnlceitdmire

sıcaklığındaki top­ (Şekil 2). k nokta­

sında, alan boyunca ÎR düşümü, tam olarak

verilen gerilime eşittir ve devre dengelenir. Bu

denge noktasına ulaşılmadan önce, regülasyon

layı meydana gelen bir doğrudur. F noktasında

magnetik kısımlar doymaya başlar ve eğri lineerlikten çıkar. Belirli bir alan akımında, sabit

dirençli yük doyma eğrisi, baştaki eğriden daha

az bir gerilimde doymaya uğrar. Nedeni, endüvi"

reaksiyonu, ÎR düşümü ve diyot komütasyonunun etkisidir. Isının etkisini gözönüne

almazsak, yükte max ile kesiştiği

doyma nokta,

eğrisinin, uyancının

çaallaınşaablialemcıeğIif

en yüksek sabit alan gerilimidir. Bu, Şekil 2 de

Şekil

Pilot uyorıcı

m

Amo

If (mox)

ÎR

2.

Pilot uyancının düzeltilmiş eğrisi,

uyancı alanından geçirilecek olan max.

aküm bulmada kullanılır.

skailpdtaenŞaenkIifl

max. ile aynı değerdedir. Aynı şe­ 3, uyananın a—d tavan gerilimini,

a—e ise boştaki tavan gerilimini gösterir, a—b

ile generatörün nominal yükteki alan gerilimi

yani generatör nominal yükte çalışırken gene­

ratörün alan uçları arasında ölçülen gerilim

gösterilmiştir.

yük durumunda, regülatör tarafından, uyarma

alan devresine uygulanacak en yüksek DA ge­

rilimine eşit bir gerilime ayar edilerek, sabit

bir DA uyarma

a,Vladnc

gerilimi, bu R reostası üzerinden devresine uygulanır. Bu hal eğer

regülatör devredeyse yapılır (Regülatör normal

olarak uyarıcı ile denenmez).

Boşta doyma

«(Boştaki tavan gerilimi)

d (Nominal tavan gerilimi)

, (ikaz nominal ~"c gerilimi) ^ b (Nominal yükte alan gerilimi)

.Sabit dirençli yükte doyma

Kısa devre anahtarı

Alan direnci =Rf Alan Şekil 4. Cevap testinde uyarıcının sargı bağlan­ tısı. Zaman

If(max) ikaz alanı amp (DA)

Şekil 3. Uyarıcı doyma eğrisi ise, uyarıcının çalışabileceği en yüksek sabit gerilimi bulmada kullanılır^

Uyarıcı alan devresinin endüktansı P, N ve dd0ır.- üe orantılıdır.

Burada; N toplam akı

kutup ve P

dbeaşbınüatündekvuirt,up0lt akr usteurpi

başına olarak

bağlanmış addedilerek, kutup sayısını gösterir.

Kutup başına toplam akı, veya 0,: yararlı akı­

ya, yani, hava aralığı akısı ile kaçak akıların

toplamına eşittir. Böylece doyma arttıkça, alan

devresi endüktansının azaldığı kolaylıkla görü­

lebilir.

4. UYARICININ CEVAP ORANI

Zamana itibar edilen yöntemde, uyarıcının ce­ vabı veya uyarıcı cevap oranı; genellikle cevap verme hızı olarak tanımlanır. Şekil 4, deneyde kullanılan uyarma devresi bağlantısını ve Şekil 5 de cevap verme oranı deneyi sırasında elde edilen tipik eğrileri gösterir. Bu deney, fabrika­ da aşağıdaki şekilde ve sırada yapılır:

62. Uyarıcı, nominal hızda ve yüksüz olarak, uyarılmadan çalıştırılır.

63.

Sabit bir resine, R

DreAosgtaesriıliümzeVridncd, eunyavreıcriıliarlavne

dev bu

ta en yüksek değerinde tutulur. R reostası,

tam

Boşto tovon perilimi

Şekli 5.

Cevap

j^—^_______Nomınol yükteki •• OSsonıyeO-Um oenlımıVRL

oranı testi sırasında alınan tipik

eğriler.

64.

Uyarma, DA çıkış gerilimi, na seri olarak bağlanan R

Vre0o, ustyaasrımylaaa,lanı

genera

törün eşit

nominal

yükteki,

VRL,

gerilimine

olacak şekilde ayarlanır.

65. Uyarma devresine seri olarak bağlanan ve

başlangıç durumu yukarıda açıklanan R

tası, ani olarak kısa devre edilir. Alan

dIfevğeerçlıekrıişnegerilimi V0, stabil tavan

yükseltilir. Uyarma artış eğrisinin en son

stabil

değeri, boştaki tavan gerilimini verir. Bu

deney

süresince çıkış

gerilimi

Vf,

If

ve

gerilimi kaydedi

V0,

duyarlı

osilograf

üzerine

lir.

Cevap, a—b doğrusu çizilerek hesaplanır, a—b

doğrusu cevap olarak kabul edilir ve abc üç­

dgaekniintianraallıaanlıa, nçaıkeışşitgtierri(laim—icVs0ıfıerğdrainsin0i,n5

altın­ sani­

yeye kadar uzanır). Bu işlemin benzerleri 2. ya­

rı periyodlar (aralıklar) için yapılır. Uyarıcının

cevabı (cb) geriliminin 0,5 saniyeye olan bölü­

müne veya 2 (cb) V/sn ye eşittir ve doğrultulan ikinci yarım aralık (periyod) gerilimi, ge­ rilim değişimi ortalamasını gösterir. Cevap ora­ nı, uyarıcı cevabının nominal yükte alan geri­ limine veya 2 (cb) nin V^ ye bölümüne eşittir. Tarifin formüle edildiği andaki, sistemin ortala­ ma gücünün, doğal elektromekanik salınırnları, 1. yan aralığa (periyoda) rastladığından, 2. yarı aralık (periyod )seçilmiştir. Gerçekte, çizilen eğrinin eğimi başlangıç nokta­ sındaki gerilimin değerine bakmaksızın verilen herhangi bir gerilimdeki eğimine eşittir (Yani, Aynı ünitede, 450 ve 500 V luk, başlangıç gerili­ mini haiz iki eğri, 500 V un üzerinde çakışır). Böylece, verilen bir uyarmanın cevabı, genera'törün nominal yükte alan gerilimindeki herhangi bir değişme ile değişebileceği görülmektedir. Çünkü generatörün nominal yükte alan gerili­ mindeki herhangi bir değişimi ile a—b cevap doğrusunun başlangıç noktası ve eğimi değişmiş olmaktadır. Nominal yükte alan gerilimi yük­ seldikçe, diğer parametrelerin değişmediği farzedilirse, uyarıcı cevabı ve cevap oranı azalır. Aynı zamanda, belirli bir nominal yükte alan gerilimi için, cevap oram, uyarıcı zaman sabi­ tesinin ve boştaki tavan geriliminin bir fonk­ siyonudur. Sonuçta, boştaki tavan gerilimi, alternatörün doyma özellikleri (yani boştaki doyma eğrisi) ile ve uyarıcı alan uçlarındaki gerilimin genliği ile belirlenir.

5. UYARICI ZAMAN SABİTESÎNlN KÜÇÜL­ TÜLMESİ

Uyarıcı zaman sabitesi şöyle küçültülür: 66. Ana kutup magnetik akısını taşıyan bütün alternatör bağlantılarını haddeden geçirerek. Haddeden geçirme, girdap endüksiyon akılarını çok miktarda azaltır. Lenz kanununa göre ise bu endüksiyon akıları ana kutup akı değişiklik lerine karşıdır. 67. Kutup başlığında söndürücü sargılan çıkar tarak ve ana kutup saplamalarını, ana kutup göbek saçından yalıtarak. Bu şekilde, ana ku tup akısmdaki kısa devreler ortadan kaldırılmış olur. 68. Endüktansı azaltacak yönde bütün devreleri gerekli şekilde tasarımlayarak. Genel olarak, enerji sistemi üzerinde, uyarıcıla­ rın cevap oranları ne kadar yüksek olursa, o sistemin geçici kararlılığı (stabilitesi) da o oran­ da iyi olur. Bir sistemin geçici kararlılığı (stabilitesi), enerji sisteminde ani ve geniş bir arızayı takiben, senkronizasyonda kalarak, ayarlanmış bir değer­ de hat gerilimini yeniden düzeltebilme yetene­ ğidir. Böyle bir bozukluk sistemdeki anza ile, büyük bir yükün aniden devre dışı olmasıyle, generatör yükünün atılması veya üretim gücünün ani bir değişikliğe uğramasıyla meydana gelebilir. Halen ABD de işleyen ve hidrolik olmayan üni­ telerin çoğunun uyarıcı cevap oranlan 0,5 dir ve nominal tavan gerilimleri, nominal uyarıcı geriliminin % 30 ile % 120 si arasındadır (Hid­ rolik ünitelerin, genellikle uzun enerji nakil hat­ tından dolayı yüksek cevap oranlan vardır). Bu­ nunla birlikte, son on yılda işletmeler için, ye­ ni ünitelerin daha yüksek cevap oranlı yapıl­ ması yaygın hale gelmemiştir. Sistem kararlı­ lığı (stabilite) çalışmaları ise, bunun, geçici sis­ tem karalılığını meydana getirmede ekonomik yönden, önemli bir etken olduğunu göstermek­ tedir. Fırçasız uyarıcılar, genel olarak 2,0 a ka­ dar garantili cevap oranlarıyle kullanılmakta­ dır.

6. YÜK ALTINDA UYARICI CEVABI Mevcut IEEE tarifleri ile saptanmamış olması­ na rağmen, yükte cevap oranları, yüksüz cevap oranı ile aynı şekilde 'Saptanır. Yalnız, uyancı, genellikle 75°C deki generatör alan direncine eşit değerde omik bir direnç ile yüklenir. Uyan­ anın daima, yüklü halde, yüksüz haldekinden daha düşük bir cevap oranı vardır .Zira, nomi­ nal yükteki tavan gerilimi, yüksüz tavan gerili­ minden daha azdır. Böylece a—b cevap doğ­ rusu eğimi, yüksüz halde çizilen eğriden daima daha fazladır. Yük altmda, garantili cevap oranı 2,0 olan fırçasız uyancılar halen kullanılmakta­ dır. Haliyle, bu ünitelerin, yüksüz durumda 2,0 dan daha yüksek cevap oranlan vardır.

7. YÜKSEK BAŞLANGIÇ CEVABI Geçmiş yıllarda, yüksek cevap özellikleri olan, uyarma sistemlerine karşı büyük gerek duyul­ maktaydı, örneğin, bir generatörün, yüksek hat empedans bileşenli, uzun enerji nakil hatlan varsa —ki bu empedans bir anza anında sis­ temdeki generatörler arasında, geniş faz açılannın doğmasını gerektirebilir— çok hızlı ceva­ bın sistem kararlılığını elde etmede, ekonomik bakımdan oldukça olumlu bir yol olabileceği, sistem çahşmalan sayesinde öğrenilmiş bulu­ nulmaktadır. Hızlı cevap oranı tarifi çerçevesinde düşünecek olursak, eğer cevap verme, 1,5 saniyelik uzun bir süreyi kapsıyorsa, bunun uygun bir şekil ol­ madığı açıkça gözükür. Bu nedenle, yüksek baş­ langıç cevaplı uyarma sistemi için enerji üreti­ mi komisyonu, IEEE uyarma sistemleri alt ko­ misyonunun, senkron makinalar için uyarma sistem tarifleri başlıklı raporunda, yeni bir ta­ nımlama teklif edilmiştir (IEEE Güç Cihazlan ve Sistemleri Bölümü, cilt PAS-88, No. 8 Ağus­ tos 69). Böyle bir sistem mutlaka, 0,1 saniyede veya daha az bir zamanda nominal tavan geri-

limir.in % 95 e ulaşma olanağına sahip olmalı­ dır. 6000 KW lık fırçasız bir uyarma sistemi 0,016 saniyede, nominal tavan geriliminin % 95 ine ulaşan bir olanakta yapılmış ve denenmiş­ tir. Bu olanağa küçük zaman sabitli uyarıcı ile elde edilen, yüksek alan gerilimi sayesinde ula­ şılır. Uyarıcının, küçük zaman sabitinin ve yüksek aian geriliminin önemi, devre kapatıldıktan son­ raki zamanda Şekil 4 deki alan devresi gibi ba­ sit bir endüktif devrenin analizi ile anlaşılabi­ lir.

di dt

t = o da i mak için,

I0

başlangıç

durumunda

i

yi

bul

V

de + loP

R£ r L

yazılır. Burada p uyarıcı zaman sabitidir.

Yukardaki denklemin zamana göre differansiyelinı alırsak,

di

Vdc-I0Rf_p -Rft

_ yüksek gerihm

—Rjt

P

Ü~

t = O + iken

di _ yüksek gerili m

sonucu elde edilir.

Böylece, alan gerilimındeki ani artışı doğuran, uyarıcı alan akımının, başlangıç değerindeki ar­ tış hızı, regülatör tarafından hasıl edilecek yük­ sek gerilimle doğru orantılı ve alan devresinin endüktansı ile de ters orantılı olduğu görülür. Alan akımının yüksek başlangıç değerindeki ko­ lay değişimi, güç sisteminin dinamik kararlılı­ ğını arttıracak olan, uyarma sistemlerine, ek kontrol sistemi konmasını kolaylaştırır. Küçük genlikli, uzun vadeli sistem bozukluklarında, hat gerilimini, ayarlanmış bir değerde sabit tu­ tabilme yeteneği, sistemin sahip olduğu dina­ mik kararlılığının (stabilitesinin) bir ölçüsüdür. Doğal olarak, yüksek başlangıç cevaplı uyarıcı­ nın tavan gerilimi, kısa zamanda güç sisteminin geçici kararlılığını düzeltir.

8. CEVAP ÜZERİNE BİRKAÇ SÖZ ideal uyarma sistemi, sıfır anında nominal ta­ van gerilimini doğurabilire yeteneğine sahip olan sistemdir ve nominal tavan gerilimi yeteri kadar yüksek bir gerilimi sağlayabilecek dü2jeyde olmalıdır ki, böylece generatör alan akı­ mında olacak herhangi bir değişiklik, önemsiz bir zaman aralığında gerçekleşebilsin. Bu ideal sistemin yüksek nominal tavan gerilimi, gene­ ratör alan devresinin oldukça yüksek endüktansını yenmek için gereklidir (Şekil 6). Pratikte böyle bir sistem birçok proje sorunlarını ortaya çıkarır, ideale, biraz önce üzerinde durulan yüksek başlangıç cevaplı sistemle yaklaşılır. Bununla biriikte, Şekil 6 dan da görüleceği gi­ bi, hızlı cevaplı uyarıcının tek amacı; generatör hava aralığı magnetik akısını sağlayan, genera­ tör alan akımı olduğundan, generatör alan akımındaki hızlı değişmeleri sağlıyabilmektir. Re­ gülatörden gelen işarete göre, generatör alan akımındaki değişmelerin hızı, generatör alan za­ man sabitinin ve uyarma sistemi karakteristik­ lerinin bir fonksiyonudur. Bu zaman sabitiyse, sadece generatorün magnetik özelliklerinin bir fonksiyonu olmayıp, aynı zamanda, generatorün bağlı olduğu sistem empedansınuı da bir fonk­ siyonudur. Böylece kararlılık çalışmaları yapar­ ken, bütün sistem karakteristiklerini, döner sis­ temin ataletini, kesici açma zamanlarını, türbin buhar valflarının özelliklerini ve regülatörün özelliklerini v.b. gözönüne almalıdır.

o c

Nomınol tavan gerilimi

E

o.

£

N D

3Eo "

rZomon

Zomon

Şekil 6. İdeal ikaz sisteminde cevap eğrileri yüksek nominal tavan gerilimi hemen hemen sıfır anında generatör alan akı­ mındaki ani değişmelerle elde edilir.

Normal olarak uyarıcı, regülatör ve generatör tek bir ünite halinde bir araya getirilip denenemez. Bununla birlikte, uyarıcı geriliminin değiş­ me hızını inceleyen yöntemler, güç sistemleri­ nin geçici performansını saptamakta, ileri adım­ lar atılmasını sağlamıştır. Bugüne dek, fırçasız uyarıcılar, şebeke gereksin­ melerini yeterli derecede karşılamakta ve gele­ cekte de, bu gerçeğin devam edeceğine inanıl­ maktadır.