Hidroelektrik santrallerde kullanılan senkron generatörler için statik uyartım sistemi tasarımı ve uygulaması
Design and implementation of static excitation system for synchronous generator used in hydroelectric power plants
Yazar: MUSTAFA ERSAN
Danışman: DOÇ. DR. ERDAL IRMAK
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Bu çalışmada; elektrik santrallerinde kullanılan senkron generatörler için 30 kW'lık bir statik uyartım sistemi tasarımı ve uygulaması yapılmıştır. Bu amaçla, 274A ve 87V uyartım sargısı değerlerine sahip bir senkron generatörün uyartım ihtiyacını karşılayacak şekilde tam dalga tam kontrollü doğrultucu kullanılmıştır. Otomatik voltaj düzenleyici (AVR) yazılımında oluşturulan çalışma şartlarına göre, senkronizasyon öncesi generatörün gerilimi ve sonrasında ise reaktif gücü veya güç katsayı ayarlanabilmektedir. Doğrultucunun kontrolü için mikrodenetleyici tabanlı maliyeti düşük, hızlı ve kararlı bir ana kontrol ünitesi (MCU) tasarlanmıştır. Gerçek bir hidroelektrik santralde yer alan uyartım transformatörünün gücü, laboratuvar ortamında ayarlı bir alternatif gerilim kaynağı kullanılarak sağlanmış ve kontrollü doğrultucunun girişine uygulanmıştır. Sıfır geçiş dedektörleri ile kontrollü doğrultucunun giriş tarafından ölçülen sinyaller MCU tarafından algılanarak tristörlerin kontrolü için gerekli yüksek frekanslı tetikleme komutları üretilmektedir. Uyartım akımını doğrudan etkileyen tristör tetikleme açıları AVR tarafından gerçek zamanlı çalışma şartlarına göre otomatik olarak belirlenmekte ve daha sonra MCU'ya sayısal formatta gönderilmektedir. Sistem, gerçek bir hidroelektrik santralin çalışma şartları göz önüne alınarak geliştirildiği için uyartım akımı, gerilimi, generatör akımı, gerilimi, gücü, güç katsayısı, frekans gibi parametreler kapalı döngü kontrol için kullanılmış ve tüm bu parametreler görsel kontrolü kolaylaştırmak amacıyla dokunmatik bir kullanıcı paneli (HMI) üzerinde ayrıca kullanıcıya sunulmuştur. Kullanıcı uyartım sistemi ile ilgili tüm çalışma fonksiyonlarını, limit ve koruma değerini HMI üzerinden ayarlayabilmektedir. Üst otomasyon sistemleri ile haberleşmede sayısal kontrolün yanında Modbus TCP/IP haberleşme protokolü üzerinden veri alışverişine imkân sağlanmıştır.  Böylece adaptasyonu kolay, maliyeti düşük ve tepki süresi yüksek bir statik uyartım sistem tasarımı ve uygulaması gerçekleştirilmiştir.

Abstract:
In this study, design and implementation of a 30 kW static excitation system have been realized for synchronous generators employed in electrical power plants. For this purpose, a full wave fully controlled rectifier has been used to meet the excitation requirement of a synchronous generator that has 274A and 87V excitation winding parameters. According to the operational cases created into the automatic voltage regulator (AVR) software, the generator voltage can be adjusted before the synchronization and its reactive power or power factor can be controlled after the synchronization. In order to control the rectifier, a microcontroller-based, low cost, fast and stable master control unit (MCU) has been designed. The power of the excitation transformer in a real hydroelectric plant has been provided by using an alternating voltage source in the laboratory environment and then applied to the input of the controlled rectifier. The signals measured from the input side of the controlled rectifier by the zero crossing detectors have been sensed by the MCU so that generating the high frequency switching signals required to control the thyristors. The triggering angles of thyristors which directly affect the excitation current have been automatically determined by the AVR according to the real time operational conditions and then sent to the MCU in digital format. Since the system has been achieved by considering the operational cases of a real hydroelectric power plant, some parameters such as excitation current and voltage, generator current and voltage, the power, the power factor and the frequency have been used to provide a closed-loop control and also all the parameters have been shown on a human machine interface (HMI) to facilitate the visual control. By using this HMI, the user can execute all operational functions and set all limit and protection controls related to the excitation system. In addition to digital control in communication with the upper automation systems, data exchange is also possible via Modbus TCP / IP communication protocol. Thus, design and application of a powerful static excitation system have been realized ensuring such advantages as easy adaptation, low cost and high response time.