Transcript 5.1 โครงสร้างเครื่องกำเนิดไฟฟ้า

บทที่ 5 เครื่ องกําเนิดไฟฟ ากระแสสลับ
(AC Generator)
5.1 โครงสร้างเครื่ องกําเนิ ดไฟฟ้ า
5.2 Phasor Diagram of an AC Generator
5.3 Voltage Characteristic Curves and Voltage
Regulation of an AC Generator
5.4 การทดลองหา Synchronous Impedance ของ
AC Generator
5.5 Rating ของ AC Generator
5.6 ประสิ ทธิภาพ (Efficiency)
5.1 โครงสร้ างเครื่องกาเนิดไฟฟ้า
(a) Armature winding
เป็ นขดลวดที่จ่ายกระแสไฟฟ้ าออกไป สําหรับเครื่ องกําเนิดไฟฟ้ า ขนาดใหญ่จะ
สร้างให้อยูก่ บั ที่ (เป็ นสเตเตอร์)
โครงสร้างเครื่ องกําเนิดไฟฟ้ า (ต่อ)
โครงสร้างเครื่ องกําเนิดไฟฟ้ า (ต่อ)
(a)
(b)
 เมื่อเครื่ องกําเนิดไฟฟ้ า
หมุน 1 รอบ รู ปที่ 5.3 (a)
จะได้สญ
ั ญาณไฟฟ้ า 1
cycle = 2 rad = 360
รู ปที่ 5.3 (b) จะได้
สัญญาณไฟฟ้ า 2 cycle =
4 rad = 720
โครงสร้างเครื่ องกําเนิดไฟฟ้ า (ต่อ)
(b) โรเตอร์
เครื่ องกําเนิดไฟฟ้ าขนาดใหญ่จะใช้ข้ วั แม่เหล็กเป็ นตัวหมุน เนื่องจากกระแสที่จะ
กระตุน้ ให้เกิดขั้วแม่เหล็กจะน้อยกว่ากระแสที่จ่ายออกมาจาก Armature winding
มาก ทําให้การส่ งผ่านกระแสเข้าไปที่ตวั หมุน (โรเตอร์) ทําได้ง่ายกว่า
โครงสร้างเครื่ องกําเนิดไฟฟ้ า (ต่อ)
 ความเร็ วของเครื่ องกําเนิ ดไฟฟ้ า จะวัดเป็ นรอบต่อนาที (rpm)
f คือความถี่ และ P คือจํานวนขั้ว
โครงสร้างเครื่ องกําเนิดไฟฟ้ า (ต่อ)
 องศาไฟฟ้ า จากรู ปที่ 5.3 จะพบว่าเครื่ อง 2 ขั้ว หมุน 1 รอบ (ทาง
กล) จะให้ waveform = 2 rad = 360 ไฟฟ้ า, เครื่ อง 4 ขั้ว หมุน 1
รอบ (ทางกล) จะให้ waveform = 22 = 4 rad = 720 ไฟฟ้ า
5.2 Phasor Diagram of an AC Generator
 เครื่ องกําเนิดไฟฟ้ ากระแสสลับ จะมีขดลวด 3 ชุด แต่ละชุดจะมีค่า
ความต้านทาน Effective Resistance) Ra เป็ น /เฟส เมื่อเครื่ องกําเนิด
ไฟฟ้ านี้จ่ายไฟให้กบั ผูใ้ ช้กจ็ ะเกิด Armature mmf ซึ่ งจะทําให้เกิด
ฟลักซ์เรี ยกว่า Armature Reaction มีผลทําให้เกิดแรงดันตกขณะจ่าย
โหลด นัน่ คือ Armature reaction flux มีผลทําให้เกิด Reactance ค่า
หนึ่งขึ้นมา เมื่อรวมกับค่า Leakage reactance ของ Armature winding
แล้วจะได้ค่า Reactance รวม เรี ยกว่า Synchronous reactance (Xs)
Phasor Diagram of an AC Generator (ต่อ)
Phasor Diagram of an AC Generator (ต่อ)
 ฟลักซ์แม่เหล็กที่กาํ เนิดโดย Field current ลําพังจะคงที่ตราบเท่าที่ Field
current คงที่ ดังนั้น แรงดัน E0 ที่กาํ เนิดโดยฟลักซ์น้ ีจะคงที่ การเปลี่ยนแปลง
ที่เกิดขึ้นที่แรงดันที่ข้วั (Et) จะเกิดจากการเปลี่ยน Magnitude และมุมเฟสของ
IaXs และ IaRa ดังรู ปที่ 5.5
Phasor Diagram of an AC Generator (ต่อ)
Phasor Diagram of an AC Generator (ต่อ)
5.3 Voltage Characteristic Curves and Voltage
Regulation of an AC Generator
 รู ปที่5.7 แสดงให้เห็นถึง ความแตกต่างระหว่าง Terminal voltage, vt
เมื่อจ่ายโหลดกับ No-load terminal voltage, E0 จะขึ้นอยูอ่ ย่างมากกับ
Power factor ของโหลดและขนาดของ Armature current
Voltage Characteristic Curves and Voltage
Regulation of an AC Generator (ต่อ)
 Voltage Regulation (V.R.) เป็ นค่าที่บอกลักษณะสมบัติของเครื่ อง
กําเนิดไฟฟ้ าว่า เมื่อจ่ายโหลดแล้วมีลกั ษณะของแรงดันตกมากน้อย
เพียงไร (Speed และ Field current คงที่)
Voltage Characteristic Curves and Voltage
Regulation of an AC Generator (ต่อ)
 รู ปที่ 5.8 แสดงการ
เปลี่ยนแปลงของแรงดันที่
ขั้ว เมื่อโหลดเปลี่ยนแปลง
ที่ค่าเพาเวอร์ แฟคเตอร์ของ
โหลด 3 ค่า โดยที่กระแส
Field และความเร็ วคงที่
Voltage Characteristic Curves and Voltage
Regulation of an AC Generator (ต่อ)
 ตัวอย่างที่ 5.1 เครื่ องกําเนิดไฟฟ้ าแบบเฟสเดียว มีกระแสจ่ายโหลด
เต็มที่ 416 A ที่ 2,400 V ขดลวด Armature มีความต้านทาน 0.1  และ
Synchronous reactance 3  จงหา Voltage regulation ที่ 100% P.F. และ
ที่ 80% P.F. lagging current, แรงดันที่ full load = 2,400 V
วิธีทา
กระแส Full-load = 416 A
แรงดันตกที่ความต้านทาน = IaRa = 416  0.1 = 41.6 = 42 V
แรงดันตกที่ Synchronous reactance = IaXs = 416  3 = 1,248 V
Voltage Characteristic Curves and Voltage
Regulation of an AC Generator (ต่อ)
Voltage Characteristic Curves and Voltage
Regulation of an AC Generator (ต่อ)
5.4 การทดลองหา Synchronous Impedance ของ
AC Generator
5.4 การทดลองหา Synchronous Impedance ของ
AC Generator
การทดสอบหา No-load saturation curve
(1) ขับ Generator ที่ความเร็ วพิกดั
(2) ปรับค่า If พร้อมกับวัดค่า E0 ที่ If ต่างๆ
การทดลองหา Synchronous Impedance
ของ AC Generator (ต่อ)
การทดสอบหา Short-ckt. Armature current curve
(1) ลดค่า If ให้มีค่าน้อยๆ หรื อไม่มีเลย
(2) Short-ckt. ที่ปลายขั้วของเครื่ องกําเนิดไฟฟ้ าด้วยแอมมิเตอร์
(3) ค่อยๆเพิ่ม If พร้อมกับวัดค่า Ia ที่ If ต่างๆ
การทดลองหา Synchronous Impedance
ของ AC Generator (ต่อ)
การทดลองหา Synchronous Impedance
ของ AC Generator (ต่อ)
การทดลองหา Synchronous Impedance
ของ AC Generator (ต่อ)
ตัวอย่างที่ 5.2 เครื่ องกําเนิดไฟฟ้ า 3 เฟส ต่อแบบ Y มีกระแสจ่ายออกที่
Full load 240 A ที่ 2,400 V ที่ค่ากระแส Field คงที่ค่าหนึ่ง No-load
voltage ระหวางขั้ว = 2,400 V และกระแสลัดวงจรที่แต่ละเฟส = 465 A
ความต้านทานขดลวดแต่ละเฟส = 0.1 
จงหา (a) Synchronous reactance ต่อเฟส
(b) Voltage Regulation ที่ Full load, 100% P.F. โดยที่แรงดัน
Full load ระหว่างขั้ว = 2,400 V
การทดลองหา Synchronous Impedance
ของ AC Generator (ต่อ)
การทดลองหา Synchronous Impedance
ของ AC Generator (ต่อ)
การทดลองหา Synchronous Impedance
ของ AC Generator (ต่อ)
5.5 Rating ของ AC Generator
AC Generator ถูกออกแบบและมีการกําหนดพิกดั แรงดันและพิกดั
กระแส เพื่อไม่ให้เกิด Overheat เนื่องจากจ่ายโหลดเกิน แต่เนื่องจาก ถ้า
บอกพิกดั เอาต์พทุ เป็ น kW จะทําให้ตอ้ งไปขึ้นกับค่า P.F. ของโหลดที่ต่อ
อยู่ ดังนั้นการระบุค่าพิกดั ของเครื่ องจึงระบุเป็ น kVA ซึ่ งเป็ นอิสระจาก
ค่า P.F. (คิดที่ P.F. = 1)
5.5 Rating ของ AC Generator
ตัวอย่างที่ 5.3 เครื่ องกําเนิดไฟฟ้ าแบบเฟสเดียว สามารถจ่ายกระแสได้
100 A ที่ 2,400 V จงหาค่าเอาต์พทุ ของเครื่ องเป็ น kVA และ kW ถ้า P.F.
ของโหลด = 80%
5.5 Rating ของ AC Generator
ตัวอย่างที่ 5.4 เครื่ องกําเนิดไฟฟ้ าแบบ 3 เฟส สามารถจ่ายกระแสได้
100 A ที่แรงดันไฟฟ้ าระหว่างขั้ว 2,400 V จงหาค่าเอาท์พทุ ของเครื่ อง
เป็ น kVA และ kW ถ้า P.F. ของโหลด = 80%
5.6 ประสิ ทธิภาพ (Efficiency)
โดยทัว่ ๆไป เครื่ องกําเนิดไฟฟ้ ากระแสสลับจะสามารถวัดเอาต์พทุ ได้
โดยง่าย แต่จะวัดเพาเวอร์ อินพุทได้ยากกว่ามากหลายเท่า เพราะจะเป็ น
เครื่ องขับที่ใช้พลังนํ้า แก๊ส หรื อนํ้ามัน เป็ นต้น เราจึงคิดประสิ ทธิภาพ
โดยการวัด Losses ของเครื่ องทั้งหมด แล้วนํามาบวกกับเอาต์พทุ ก็จะได้
อินพุท นัน่ คือ
ประสิ ทธิภาพ (Efficiency) (ต่อ)
Losses ของเครื่ องประกอบด้วย...
(1) Armature Cu loss ทั้ง 3 เฟส (3 ขดลวด) = 3 Ia2Ra
(2) Field Loss = If2Rf = vf If
(3) Friction, Windage และ Core loss
ประสิ ทธิภาพ (Efficiency) (ต่อ)
ตัวอย่างที่ 5.5 เครื่ องกําเนิดไฟฟ้ าแบบ 3 เฟส 2,400 V, 500 kVA, 60 Hz
ต่อแบบ Y มีขอ้ มูลต่างๆดังนี้
Mechanical และ Iron loss = 12 kW
Field current ที่ Full load, 100% P.F. = 53 A
Field current ที่ Full load, 80% P.F. = 65 A
ความต้านทานของ Armature winding = 0.38 /phase,
Exciter voltage มีค่าคงที่ที่ 125 V
จงคํานวณหา Full-load efficiency เมื่อ P.F. ของโหลด =
100% และ 80%
ประสิ ทธิภาพ (Efficiency) (ต่อ)
ประสิ ทธิภาพ (Efficiency) (ต่อ)
แบบฝึ กหัด เครื่ องกําเนิดไฟฟ้ าขนาด 9,500 kVA, 24 kV ต่อแบบ Y 50
Hz มีค่า Ra = 0.1 /phase ค่า XS = 30 /phase
(a) จงหา Voltage Regulation ของเครื่ องนี้ เมื่อเครื่ องจ่ายกําลังไฟฟ้ าที่
Full load ที่พิกดั แรงดัน และความถี่ P.F. ของโหลด = 0.9 lagging
(b) ถ้า P.F. ของโหลด = 0.85 lagging current จงหาประสิ ทธิภาพของ
เครื่ องที่ Full load ถ้า If = 50 A ที่ 220 Vdc ค่า Friction+Windage และ
Core loss = 75 kW