נושא : תפקידה של מערכת הערעור

בס"ד ‏יום שני 03 אפריל 2023

הקדמה

התפקיד הבסיסי של מערכת עירור הוא לספק זרם ישר רציף לליפופי המכונה הסינכרונית, תכונה זו מתאפשרת בזכות מערכת בקרה עם משוב ומערכות הגנה בשביל להבטיח שהמכונה הסינכרונית מופעלת בתוך עקומת PQ שלה. המטרה של מערכת עירור תלויה ביישום:

1. עבור גנרטורים סינכרוניים – שמירה על מתח יציאה קבוע.
2. עבור מנועים סינכרוניים – שמירה על מקדם הספק קבוע.

עקרון פעולה של המכונה הסינכרונית

המכונה הסינכרונית, המורכבת מרוטור וסטטור, מייצרת זרמי AC תוך שימוש בעקרון השראות האלקטרומגנטית. זרם ה-DC העובר דרך ליפופי הרוטור ומייצר שדה מגנטי סטטי. כאשר הרוטור מסובב על ידי כוח מכני סיבובי (מנוע קיטור ,דיזל ,בנזין ,רוח ,מים , ועוד), גם השדה המגנטי מסובב, מכיוון שהרוטור נמצא בתוך הסטטור השדה המגנטי המסתובב יוצר שטף מגנטי משתנה כשהוא חוצה את ליפופי הסטטור. השטף המגנטי המשתנה גורם לזרם חילופין בליפופי הסטטור של המכונה הסינכרונית. מערכת העירור נחוצה מאחר וללא זרם עירור, המכונה אומנם תסתובב מכאנית אך ללא המתח המופעל על ליפופי הרוטור אין היווצרות של שדה מגנטי בליבת הרוטור וכתוצאה מכך לא נוצר מתח מושרה בליפופי הסטטור של המכונה החשמלית.

מערכת הערעור

עירעור היא הטכניקה ליצירת שדה מגנטי באמצעות זרם חשמלי. מערכת העירור היא מערכת המשמשת לאספקת זרם ישר הנדרש לליפוף הרוטור של המכונה הסינכרונית, באמצעות הזרם הזורם דרך סלילי הרוטור נוצר שטף מגנטי השטף המגנטי בתהליך הסיבוב כל פעם חוצה סלילים אחרים של הסטטור ובכך נוצר מתח מושרה על סלילי הסטטור כל פעם על סלילים אחרים וכיוונים אחרים ובכך נוצר לנו מתח חילופין מושרה . גודלו של זרם העירור תלוי במהירות המכונה, זרם העומס ומקדם הספק של העומס ו באמצעות מערכת העירור ניתן לשלוט על

1. מתח
2. מקדם הספק של המערכת

כאשר זרם העומס גבוה, המהירות נמוכה יותר, ומקדם ההספק של המערכת בפיגור ומערכת עירור נדרשת לספק יותר זרם ערעור לרוטור.
מערכת הערעור הינה מערכת המבוססת על לולאה סגורה – והיא משתמשת במערכות בקרה עם משוב על מנת לווסת את יציאת המתח של הגנרטור. בבקרת לולאה סגורה, יציאת המתח של הגנרטור מנותב בחזרה לבקר ויסות המתח (AVR) ומשווה את היציאה לנקודת קבועה, והשגיאה בין נקודת ההגדרה לפלט משמשת לחישוב תגובת מערכת הערעור.

איך נעביר את מתח העירור אל הרוטור ?

יש לנו 2 שיטות עיקריות לעביר את זרם העירור אל הגנרטור

1. מברשות
2. ערעור עצמי באמצעות דיודות מסתובבות (ניתן לקרוא על שיטה זו במאמר נפרד שכתבתי פה)
אנחנו נתמקד במברשות

בעת סיבוב הרוטור נדרש להעביר את זרם העירור אל ציר הרוטור אך המתח מגיע מבחוץ ולא ניתן לחבר את מוליכי הערעור בצורה קשיחה ועל כן נדרש להשתמש בשיטה מסוימת והיא הולכת ככה
על ציר הרוטור נתקין טבעות החלקה , טבעות ההחלקה מתחברות באופן קשיח אל ציר הרוטור והן מסתובבות בייחד עם סלילי הרוטור מתחברים אל החלק המוליך של טבעות החלקה באופן קשיח , תושבת המברשות מתחברת אל בסיס הגנרטור באופן סטטי , ואילו המברשות מתחברות בצד אחד באופן קשיח אל מוליכי הערעור ובצד השני אינה מחוברות אלא המברשת נלחצת אל טבעות ההחלקה באמצעות קפיץ הדוחף את המברשת אל טבעת ההחלקה.

מדוע נשתמש במברשות

המברשת נבחרה לצורך הפחתה של הנזק למנוע, על ידי הובלת הזרם הערעור בין החלקים הנייחים והנעים של המכונה הסינכרונית, ובמקום שחלק אינטגרלי מהמכונה הסינכרונית יישחק בתהליך זה, נבחרו חלקים מוליכים ורכים הניתנים להחלפה בקלות שנועדו להישחק במקום לפגום במכונה הסינכרונית.

ממה עשויות המברשות ?

באופן כללי ישנם סוגים שונים של מברשות

1. מברשות פחמן קשות

אחד מחומרי הגלם החשובים ביותר הוא פחמן, ועם סוגים שונים של תרכובות פחם או תרכובת זפת, חומר הגלם לרוב יהיה מעובד בצורות שונות על ידי ערבוב, ריסוק , מעבר במכבש לצורך עיבוד צורה רצויה ותנור בטמפרטורות של עד 1200 מעלות צלזיוס. מברשות פחמן קשות משמשות בעיקר במכונות קטנות הדורשות מברשות חזקות. העומס החשמלי והתרמי המותר עבור מברשות פחמן קשות הוא נמוך למדי והגמישות שלהן מגבילה את השימוש בהן למכונות עם מהירויות היקפיות של עד 20 מ' לשנייה.

2. פחמן גרפיט

מעובד כמו מברשות פחמן קשות ותוספת גרפית וזפת כמקשר בין השניים, צורתו מעוצבת על ידי מכבש ומטופל בחום בדומה לפחמן קשה בטמפרטורות כדי לענות על צורכי התנגדות. תחום היישום העיקרי של מברשות פחמן גרפיט הוא לתחום ביניים בין אלו של מברשות פחמן אלקטרוגרפיט ומברשות קשות. יכולת עיבוד הצורה שלהם טובות יותר ואילו כושר ההולכה החשמלי שלהם נמוך יותר מאשר במקרה של מברשות אלקטרוגרפיט. במברשות פחמן גרפיט משמשים במכונות שבהן לא ניתן להשתמש במברשות אלקטרוגרפיט בשל יכולת הליטוש והעיבוד הנמוכה שלהן, ובהן מברשות פחמן קשות אינן מתאימות בגלל תכונות המעבר הנמוכות שלהן. מברשות פחמן גרפיט תוכננו במיוחד עבור מנועים ומכונות DC קטנות.

3. מברשות מעורבבות בשרף

חומר הגלם הוא גרפיט גבישי טבעי מעורבב בשרף נלחצות ומטופל בחום בתהליך מיוחד. היתרון של מברשות אלו הוא מתח מגע גבוה ועמידות מכאנית גבוהה ועמידות טובה לחמצון. מאפיינים אלה הם בעלי ערך רב עבור מכונות עם דרישות לאמינות הפעלה גבוה. וחסרונותיהם של מברשות אלו הם התנגדות המגע הגבוהה גורמת לאיבוד הספק משמעותי עקב מפל מתח גבוה בנקודת חיבור זה עלול להוביל להידרדרות הקשר של השרף והרס של המברשת. לכן תחום היישום העיקרי של מברשות מלוכדות בשרף מכסה את כל המכונות עם דרישות אמינות אספקה גבוה אך עם צפיפות זרם ערעור במברשות נמוכה יחסית. אלו הם מנועים תלת פאזי ומכונות קטנות בשל האלסטיות הנמוכה שלהן, מברשות מלוכדות בשרף משמשות בדרך כלל רק עד 35 מ' לשנייה.

4. מברשות אלקטרוגרפיט

מברשות אלקטרוגרפיט מטופלות באופן זהה למברשות פחמן גרפית אך עם שלב נוסף שבהם הם מטופלים בחום נוסף בטמפרטורות של עד 2500 מעלות צלזיוס. זה הופך את חומר הפחמן לצורה גבישית של גרפיט סינטטי, הנקרא אלקטרוגרפיט חומר בעל מוליכות חשמלית וטרמית טובה. הגמישות והעמידות שלו משתפרים ותכונות הליטוש שלו נמוכות בדרך כלל ממברשות פחמן קשות או גרפיט. בהתאם להרכב החומרים הבסיסיים, ניתן לייצר מברשות בעלות מאפיינים משתנים מאוד ,מברשות אלקטרוגרפיט מכסות טווח רחב מאוד החל ממברשות קשות ועד לדרגות אלסטיות מאוד בעלות יכולות תנועה יוצאות דופן. בגלל כל המאפיינים הללו, מברשות אלקטרוגרפיט נמצאות כמעט בכל סוגי המכונות הסינכרוניות , אם כי הם משמשים בעיקר במכונות גדולות עם דרישות חשמליות, תרמיות ומכניות גבוהות.

5. מברשות משולבות מתכת וגרפית

זוהי בעצם מברשת שחומר הגלם שלה הינו אבקה של גרפית ואבקה של מתכות המתכת הנפוצה ביותר היא נחושת אלקטרוליטית. ליישומים מסוימים משתמשים גם באבקות כסף, ברזל, עופרת ושאר אבקות מתכת. בהתאם לפרופורציה של גרפיט ומתכת, תכונות החיכוך הטובות של הגרפיט או המוליכות הגבוהה של המתכת שולטות. המגע וההתנגדות הפנימית קטנים יחסית. מנקודת מבט זו, קבוצה זו היא ההפך ממעמד הגרפיט המיוחד. כתוצאה מכך, תחום היישום מכסה את כל סוגי המכונות עם זרם ערעור במברשת גבוהים, עם או בלי דרישות תנועה גבוהות, כגון טבעות החלקה ומכונות מתח נמוך. בשל האלסטיות הנמוכה שלהן, ניתן להשתמש במברשות המשולבות גרפיט ומתכת רק במהירויות של עד כ-30 מ' לשנייה

הגנות

קיימות פונקציות בממסרי ההגנה של הגנרטור האחראיות להגנה על גנרטורים סינכרונית, וקיימות פונקציות ייעודיות להגנה על מערכת העירור שנועדה להגביל את פעולת הגנרטור במצב לא רצוי אשר עלול להעמיד את הגנרטור או את כל המערכת בסיכון.
פונקציות קריטיות השייכות למערכת הערעור הן

1. ערעור יתר (OEL)
2. תת ערעור (UEL)
3. איבוד ערעור (LOE)