ژنراتور الکتریکی

[samaneh66 10265]

در این ژنراتور آرمیچر با سیم پیچ تحریك به صورت سری قرار می گیرد. از آنجا كه جریان بار از سیم پیچ آرمیچر و سیم پیچ تحریك عبور كند باید سیم پیچ تحریك دارای سطح مقطع زیاد و تعداد دور كم باشد. مدار الكتریكی مولد سری و روابط آن بصورت زیر است.

 

 

 

 

 

 

 

IS : جریان مدار تحریك سری RS : مقاومت سیم پیچ تحریك سری

مشخصه بی باری مولد سری: (VT = f(IL) n = const)

برای بدست آوردن مشخصه خارجی مولد سری دور مولد را به دور نامی می رسانیم، اول حداكثر مقاومت بار را در مدار قرار میدهیم در این حالت با عبور جریان كم از آرمیچر و تحریك، فوران اگر مخالف پسماند نباشد نیرومحركه القایی زیاد میشود كه در نتیجه ولتاژ خروجی افزایش می یابد با كاهش مقاومت بار جریان تحریك كه برابر با جریان بار و آرمیچر است زیاد شده و قطبها را اشباع می كند و در نتیجه فوران ثابت می ماند و چون دور هم ثابت است نیرومحركه ثابت می ماند اما ولتاژ خروجی به دلایل زیر كاهش می یابد:

 

 

 

1- افت ولتاژ در هادی های آرمیچر 2- افت ولتاژ در سیم پیچی تحریك 3- افت ولتاژ بر اثر عكس العمل مغناطیسی آرمیچر

كاربرد مولد سری: مورد استفاده مولد سری خیلی كم است چون ولتاژ دو سر آرمیچر بر اثر تغییر جریان بار به طور قابل ملاحظه ای تغییر می كند. در عین حال از این مولد بعنوان جبران كننده افت ولتاژ خطوط جریان مستقیم استفاده میشود

[spow 44197]

ژنراتورهاي القايي يا آسنكرون

 

 

يكي از حالت‌هاي عملكردي ماشين‌هاي الكتريكي القايي (آسنكرون)، حالت ژنراتوري است، بدين معني كه در شرايط خاص كاري، مي‌تواند انرژي مكانيكي دريافتي را به انژري الكتريكي تبديل كند. از اين پديده در برخي از نيروگاههاي آبي كوچك در نقاط مختلف دنيا استفاده شده است. با توجه به اينكه در كشور ما نيز جايگاههاي فراوان جهت احداث نيروگاههاي آبي كوچك وجود دارد و فعاليت‌هايي نيز در زمينه شناسايي، طراحي و اجراي آنها در جريان است، ضروري است مسائل فني و اقتصادي استفاده از اين ژنراتورها مورد بررسي قرار گيرد.

در اين مقاله كه عمدتاً از يكي از گزارشات فني يكي از سازندگان اقتباس شده است، ژنراتور القايي به صورت فشرده توضيح داده شده است.

 

ژنراتور القايي، يك موتور القايي از نوع روتور قفس سنجابي است كه با يك محرك اوليه در مافوق سرعت سنكرون گردانده و براي توليد نيروي برق استفاده مي‌شود و ساختار و مشخصه‌هاي آن عيناً مثل روتور القايي است.

ساختارهاي روتور و ياتاقانهاي آن براي تحمل سرعت فرار توربين طراحي شده است.

 

مشخصه‌هاي الكتريكي

وقتي يك موتور القايي با ولتاژ نامي و در حالت بي‌باري مورد بهره‌برداري قرار مي‌گيرد، با سرعتي مي‌چرخد كه فقط براي توليد گشتاور لازم براي غلبه بر افت ناشي از اصطكاك و افت ناشي از مقاومت هوا كافي باشد. اگر يك نيروي مكانيكي خارجي برابر با اين افت‌ها به موتور القايي در همان جهت چرخش اعمال شود،‌روتور آن به سرعت سنكرون خواهد رسيد.

هنگامي كه روتور در سرعت سنكرون مي‌چرخد، روتور با همان سرعت ميدان مغناطيسي ناشي از ولتاژ تغذيه مي‌‌چرخد وولتاژ ثانويه‌اي القاء نمي‌شود زيرا فلوي مغناطيسي هيچيك از هاديهاي ثانويه را قطع نمي‌كند و هيچ جرياني از سيم‌پيچهاي روتور نمي‌گذرد و فقط جريان تحريك در سيم‌پيچهاي اوليه جريان مي‌يابد.

در صورتي كه روتور بواسطه يك نيروي خارجي در سرعتي بالاتر از سرعت سنكرون خود، چرخش كند، جهت ولتاژ القايي ثانويه خلاف موقعي خواهد بود كه بعنوان موتور القايي چرخش مي‌كرد، زيرا سرعت چرخش‌ هادي روتور فراتر از سرعت چرخش ميدان مغناطيسي مي‌شود و گشتاوري كه چرخش روتور را كند مي‌كند بين جريان ثانويه ناشي از اين ولتاژ القايي و ميدان مغناطيسي ايجاد شده و واحد مثل يك ژنراتور كار مي‌كند. يعني، توان مكانيكي خارجي اعمال شده به توان الكتريكي تبديل مي‌شود كه در سيم‌پيچهاي اوليه توليد شده‌اند.

همانطوري كه قبلاً توضيح داده شده، ژنراتور القايي يك موتور القايي است كه مافوق سرعت سنكرون كار مي‌كند، مزايا و معايب آن در مقايسه با ژنراتور سنكرون بشرح زير است:

 

مزاياي ژنراتور القايي

1- چون به سيستم تحريك احتياج ندارد و ساختمان آن ساده است در نتيجه تعمير و نگهداري آن آسان است.

 

 

2- راه‌اندازي و بهره‌برداري از آن آسان است، زيرا نيازي به سنكرونيزاسيون يا تنظيم تحريك ندارد.

 

 

3- جريان اتصال كوتاه آن كم است و زمان كاهش آن در مقايسه با ماشينهاي سنكرون كوتاهتر است، زيرا در هنگام اتصال كوتاه، تحريك قطع مي‌شود و جريان اتصال كوتاه فقط در يك مدت فوق‌العاده كوتاه جريان مي‌يابد تا اينكه فلوي مغناطيسي ناپديد شود.

 

 

4- چون هميشه بطور موازي با ژنراتور سنكرون كار مي‌كند و هرگز مستقلاً مورد بهره‌برداري قرار نمي‌گيرد، به ژنراتور سرعت نيازي ندارد.

 

 

5- وقتي بار پس زده مي‌شود، جريان تحريك قطع مي‌شود و ولتاژ ناپديد مي‌شود و لذا هيچگونه صدمه و خسارتي به بخشهاي عايقي دستگاه از جانب ولتاژ اضافي صرفنظر از ميزان افزايش سرعت رخ نمي‌دهد.

 

 

6- وقتي ولتاژ سيستم افت مي‌كند، جريان تحريك خودبه‌خود كاهش مي‌يابد.

 

 

7- جون گاورنر سرعت مورد استفاده قرار نمي‌گيرد، لذا تا حدي كه سرعت آن از سرعت مجاز توربين هيدروليكي بيشتر نشود به توليد انرژي ادامه مي‌دهد.

 

 

8- در مواقعي كه سيستم دچار اختلال مي‌شود، اين دستگاه مي‌تواند به صورت پايدار و بدون قطع شدن به كار خود ادامه دهد.

 

 

 

معايب ژنراتور القايي

1- فقط وقتي مثل يك ژنراتور كار مي‌كند كه با ماشين سنكرون موازي شده باشد و نمي‌تواند مستقلاً توليد برق كند.

 

 

2- چون جريان اوليه ژنراتور در ارتباط با ولتاژ خروجي در پيش‌فاز است. (يعني با ضريب قدرت پيش فاز ژنراتور سنكرون مطابقت مي‌كند)

 

 

3- ضريب قدرت جريان بار بوسيله ضريب قدرت بار تعيين نمي‌شود، بلكه بوسيله ضريب قدرت ذاتي خود ژنراتور تعيين مي‌شود.

اين بدان معني است كه ضريب قدرت بوسيله ظرفيت تعيين مي‌شود و قابل كنترل نيست. ژنراتور سنكروني كه بطور موازي به ژنراتور القايي متصل شده است. بايد علاوه بر جريان تاخير فاز مورد نياز بار جريان تحريك مورد نياز ژنراتور القايي را هم تامين كند.

بنابراين، ضريب قدرت ژنراتور سنكرون بدتر شده و ظرفيت قابل حصول آن نيز كاهش مي‌يابد. اين امر هم‌چنين باعث افزايش تلفات در خطوط انتقال مي‌شود.

براي جبران اين تلفات لازم است از كندانسورها استفاده شود.

 

 

4- در بهره‌برداري موازي، جريان هجومي بالايي جريان مي‌يابد و ولتاژ سيستم راتحت تاثير قرار مي‌دهد.

 

 

5- به طور كلي، ماشينهاي القايي با سرعتهاي پايين و قطبهاي زياد، نسبت به ماشينهاي سنكرون از لحاظ ضريب قدرت و ابعاد ماشين نامرغوبتر هستند.

 

ملاحظات:

ظرفيت كندانسور تصحيح‌كننده قدرت از معادله زير تعيين مي‌شود:

COSØ: ضريب قدرت ژنراتور القايي

COSØ: مقدار تصحيح شده ضريب قدرت به منظور جلوگيري از خود تحريكي ژنراتور القايي، نبايد ظرفيت كندانسور بسيار زياد باشد. معمولاً COSØ برابر 95/0 انتخاب مي‌شود.

 

 

 

پديده ناپايداري ژنراتورهاي القايي

 

جريان هجومي در بهره‌برداري موازي

جريان اتصال ژنراتورهاي القايي به شبكه، با باز كردن پره‌هاي هادي توربين، سرعت ژنراتور بتدريج افزايش داده مي‌شود و پس از آنكه رله سرعت نشان داد كه لغزش ژنراتور از مقدار معيني كمتر شده است، ژنراتور به شبكه متصل خواهد شد.

جريان هجومي در لغزشهاي كوچك نيز وجود دارد، حتي اگر ژنراتور درهنگام اتصال به شبكه كاملاً سنكرون شده باشد.

اين جريان از نظر تئوري دو برابر جريان حالت روتور قفل شده است. به هر حال اين جريان گذرا در يك زمان خيلي كوتاه و حداكثر پس از 10 سيكل از بين مي‌رود.

 

 

 

اتصال كوتاه سه‌فاز ناگهاني

وقتي اتصال كوتاهي در ژنراتور القايي حين بهره برداري بروز مي‌كند، جريانهاي تحريك بسيار منابع از بين مي‌روند. بهر‌حال، فلوي مغناطيسي هسته آهني آن به نقطه صفر كاهش نمي‌يابد. بنابراين يك جريان اتصال كوتاه در مدت فوق‌العاده كوتاه جريان مي‌يابد تا اينكه به نقطه صفر برسد.

حداكثر مقدار اين جريان حدوداً برابر با مقدار جريان هجومي است.

اين جريان معمولاً چند با حداكثر 10 سيكل و به مقدار بسيار ناچيزي كاهش مي‌يابد، لذا سبب بروز جريان اتصال كوتاه پايدار و بادوام نمي‌شود.

 

 

اتصال كوتاه تك‌فاز

وقتي اتصال كوتاه بين دو خط بروز مي‌كند، حداكثر جريان اتصال كوتاه حدوداً 3√ برابر جريان روتور قفل شده خواهد بود.

 

 

پديده خود تحريكي

خود تحريكي هنگامي بروز مي‌كند كه ژنراتور و كندانسورها با هم از سيستم قطع شوند كه در نتيجه عايق ژنراتور يا كندانسورها ممكن است با افزايش ولتاژ آسيب ببيند.

خودتحريكي در حالتي بوجود مي‌آيد كه ژنراتور توسط جريان پيش‌فازي كه به كندانسور (خازن) تحويل مي‌دهد تحريك شود.

مقدار اين ولتاژ با استفاده از منحني اشباع بي‌باري ژنراتور و مشخصه‌هاي ولتاژ و جريان كندانسور تعيين مي‌شود.

در ناحيه ولتاژهاي زير نقطه «Ve» ولتاژ ژنراتور تمايل به افزايش دارد زيرا جريان تحريك تامين شده زير «Ve» در مقايسه با جريان تحريك مورد نياز بيشتر است. در ناحيه ولتاژهاي بالا نقطه «Ve» ولتاژ ژنراتور به دليل رابطه معكوس كاهش پيدا مي‌كند. بنابراين، در اين مثال ولتاژ خود تحريكي نقطه «Ve» خواهد بود كه دو منحني همديگر را قطع كرده‌اند.

اگر ظرفيت كندانسور كم باشد، شيب خط مشخصه ولتاژ جريان افزازيش خواهد يافت و «Ve» به تدريج پايين مي‌افتد و وقتي از نقطه‌اي مشخص پايين‌تر بيايد، با منحني اشباع در حالت بي‌باري ژنراتور تقاطع نخواهد كرد وپديده خودتحريكي به وجود نخواهد آمد.

افزايش سرعت در ژنراتور القايي نياز به توجه ويژه دارد. با افزايش سرعت، منحني اشباع در حالت بي‌باري و ولتاژ كندانسور و منحني مشخصه‌هاي جريان به سمت منحني‌هاي ديگري انتقال مي‌يابد.

تحت اين شرايط، ولتاژهاي خودتحريكي قوي ممكن است بوجود آيند.

 

 

سيستم بهره‌برداري و كنترل

همانطوري كه قبلاً توضيح داده شده، سنكرونيزاسيون براي بهره برداري از ژنراتورهاي القايي در حالت موازي الزامي نيست، همچنين گاورنر سرعت توربين را مي‌توان حذف كرد، زيرا اين ژنراتورها هيچگاه مستقلاً مورد بهره‌برداري قرار نمي‌گيرند.

 

 

 

راه‌اندازي

وقتي شرايط راه‌اندازي توربين هيدروليك (آبي) فراهم باشد، فرمان راه‌اندازي صادر مي‌شود و پره‌هاي هادي بتدريج باز مي‌شوند و توربين هيدروليكي شروع به چرخش مي‌كند.

پره‌هاي هادي موقتاً در وضعيت مربوط به راه‌اندازي متوقف مي‌شوند. سپس، توربين هيدروليكي به تدريج شتاب مي‌گيرد و در ‎آغاز از سرعت سنكرون پيشي گرفته و سپس به آن برمي‌گردد.

 

 

 

بهره‌برداري موازي

چنانچه تنظيم مقدار بازشدگي دريچه‌هاي متناظر با حالت بي‌باري قبلاً به دست آمده باشد، در فاصله زماني‌اي كه سرعت توربين در هنگام راه‌اندازي از سرعت سنكرون بيشتر مي‌شود و مجدداً به سرعت سنكرون برمي‌گردد، تفاضل حداكثر سرعت توربين و سرعت سنكرون به كمترين مقدار كاهش داده خواهد شد. موازي كردن ژنراتور، در فاصله زماني فوق‌الذكر بايد انجام شود. هنگامي‌كه رله سرعت، لغزش ژنراتور را كمتر از 3 درصد تشخيص داد بريگر مربوط به موازي كردن، فرمان وصل دريافت خواهد كرد.

به عنوان نمونه، مشخصات اصلي تعدادي از نيروگاههاي آبي كه در كشور اتريش در برخي از استانهاي آن احداث شده است و در آنها از ژنراتور آسنكرون استفاده شده است. ذيلاً ليست شده است.

اين جزوه مربوط به شركت الين است.

 

 

بارگذاري

پس از كامل شدن عمليات راه‌اندازي، ميزان بار واحد توسط گاورنر تراز آب كنترل خواهد شد. دريچه‌هاي هادي، متناسب با سطح آب مخزن بالادست گشوده خواهند شد و ژنراتور القايي بار لازم را با افزايش لغزش توليد خواهد كرد.

 

 

 

توقف آهسته

پره‌هاي هادي را به طرف موقعيت بازشدگي مربوط به حالت بي‌باري بتدريج ببنديد و دژنكتور موازي را نزديك وضعيت لغزش صفر باز كنيد. پس از اينكه پره‌هاي هادي كاملاً بسته شد و بعد از آنكه سرعت ژنراتور به زير 30 درصد كاهش يافت، ترمز مكانيكي اعمال شده و سرعت را به صفر مي‌رساند.

 

 

 

از كار افتادن (SHUT DOWN)

اگر در حين كار ژنراتور القايي بطور ناگهاني قطع بار روي دهد، چنانچه باز شدگي پره‌هاي هادي بدون تغيير بماند، بديهي است كه سرعت توربين افزايش خواهد يافت.

معمولاً توربينها به گاورنرهايي مجهز هستند كه اضافه سرعت را حس كرده و فوراً اقدام به بستن پره‌هاي هادي مي‌‌كند.

بهرحال توربينهاي ژنراتورهاي القايي به اينگونه گاورنرها مجهز نيستند.

پره‌هاي هادي بايد سريعاً با استفاده از سيگنال كنتاكت كمكي دژنكتور و يا عملكرد رله اضافه سرعت بسته شوند.

بهرحال توربينهاي ژنراتورهاي القايي به اينگونه گاورنرهاي مجهز نيستند.

پره‌هاي هادي بايد سريعاً با استفاده از سيگنال كنتاكت كمكي دژنكتور و يا عملكرد رله اضافه سرعت بسته شوند.

لذا چنانچه دژنكتور نيروگاه دچار «تريپ» شود مشكلي بوجود نخواهد آمد و از كنتاكت كمكي آن مي‌توان استفاده كرد. هنگامي كه دژنكتور انتهاي خط ارتباطي قطع شود، پره‌هاي هادي پس از آنكه رله اضافه سرعت عمل كرد، بسته خواهند شد.

به هر حال رله اضافه سرعت به نحوي تنظيم شده است كه در سرعتهاي 105 درصد تا 110 درصد سرعت نامي عمل مي‌كند. بدليل اينكه مدتي طول مي‌كشد تا اينكه پره‌هاي هادي شروع به تغيير وضعيت بدهند، افزايش سرعت اجتناب‌ناپذير است.

در ژنراتورهاي القايي، قطع بار به معني فرو نشستن ولتاژ تحريك در چند سيكل است. اين پديده از بروز صدمات به عايق در اثر ولتاژ اضافي جلوگيري مي‌كند. بعلاوه، هيچ افزايش در فركانس، با توجه به فرونشستن سريع ولتاژ، بوجود نخواهد آمد و بنابراين جاي هيچ نگراني از سرعتهاي اضافي در موتورهاي كمكي كه به شبكه داخلي نيروگاه متصل هستند وجود نخواهد داشت.

[spow 44197]

سلام دوستان عزیز

یک فایل دیگر درزمینه ژنراتورها

موفق باشید

 

برای مشاهده این محتوا لطفاً ثبت نام کنید یا وارد شوید.

• ورود
• یا
• ثبت نام

 

[spow 44197]

میدان مغناطیسی در عملِ تبدیلِ انرژی‌هایِ مکانیکی و الکتریکی به یکدیگر، نقش رابط را برعهده دارد. در ماشین‌های الکتریکی، میدان‌های مغناطیسی را به سه دسته تقسیم می‌کنند:

 

1. میدان‌های ساکن نسبت به مکان و ثابت نسبت به زمان، یا به اختصارا میدان‌های ساکن و ثابت (constant fields)
   
2. میدان‌های ساکن نسبت به مکان و متغیر نسبت به زمان، یا به اختصار میدان‌های ساکن و متغیر که به آنها میدان‌های نوسانی می‌گویند (pulsating fields)
   
3. میدان‌های دوار (rotating fields)
   

میدان‌های ساکن و ثابت

 

این میدان‌ها در مکان ساکن هستند و حرکتی ندارند. و مقدار (شدت) آنها نیز ثابت است و تغییرات زمانی ندارد.

از اینکه شدت این میدان‌ها ثابت است می‌توان نتیجه گرفت که عامل ایجاد کننده‌ی این میدان یک جریان DC و یا یک آهنربای دائم می‌تواند باشد. (جریان ac معمولا منجر به ایجاد میدانی می‌شود که شدت آن متغیر است)

نمونه:

میدان تحریک (استاتور) و نیز میدان آرمیچر ماشین DC (نسبت به ناظر روی آرمیچر)، هر دو جزو میدان‌های ساکن و ثابت هستند.

این میدان‌ها معمولا با تغذیه‌ی یک سیم‌پیچ ساکن توسط یک جریان دائم، ایجاد می‌گردند. (یک رله‌ی DC)

در شکل زیر فرم میدان ساکن و ثابت استاتور یک ماشین دی‌سی دو قطب رسم شده است.

برای مشاهده این محتوا لطفاً ثبت نام کنید یا وارد شوید.

• ورود
• یا
• ثبت نام

چگالی شار در شکاف هوایی یک ماشین جریان دائم دوقطب

 

[

این شکل در واقع از باز کردن استاتور یک ماشین دی‌سی که به صورت زیر بوده به دست می‌آید:

برای مشاهده این محتوا لطفاً ثبت نام کنید یا وارد شوید.

• ورود
• یا
• ثبت نام

خطوط شار مغناطیسی حاصل از استاتور یک ماشین دی‌سی

 

]

به کمک سری فوریه می‌توان نشان داد که معادله‌ی میدان موج شکل اول، تنها دارای هارمونیک فرد است. برای هارمونیک اصلی این نوع میدان داریم:

که در آن Bm ماکزیمم چگالی شار هارمونیک اصلی، P تعداد زوج قطب‌های استاتور، و آلفا زوایه‌ی مکانی حول محیط شکاف هوایی ماشین می‌باشد.

همان طور که مشخص است، اندازه‌ی این میدان تابعی مکان است، ولی به زمان وابسته نیست. (با این حال، کل میدان در فضا ساکن است، هر چند مقدار آن در هر نقطه به مکان بستگی دارد)

یادآوری: میدان برآیند سیم‌پیچ‌های روتور یک ماشین DC در جهت ذغال‌های آن است و این میدان هم نسبت به ناظر روی روتور، ثابت و ساکن است و هارمونیک اصلی آن کاملا مشابه استاتور بدست می‌آید.

میدان نوسانی

 

موقعیت کلی میدان نوسانی در فضا، ساکن است، یعنی محل ماکسیمم‌ها و صفرهای آن تغییر نمی‌کند. اما مقدار این میدان در هر نقطه از شکاف هوایی (به غیر از نقاط صفر میدان) ثابت نبوده و متغیری از زمان است.

هر سیم‌پیچ ساکنی که با برق متاوب تغذیه شود می‌تواند یک میدان نوسانی ایجاد کند. مثلا میدان حاصل از سیم‌پیچ‌های ترانس تکفاز یا رله‌ی ac، یا یکی از سیم‌پیچ‌های استاتور ماشین سنکرون یا آسنکرون سه فاز [میدان حاصل از یک فاز تنها را در نظر بگیرید و نه میدان برآیند را].

از آنجا که میدان نوسانی در واقع یک موج نوسان‌کننده‌ی ساکن است، لذا معادله‌ی آن (با فرض توزیع مکانی سینوسی و تغییرات زمانی سینوسی)، به صورت حاصلضرب یک سینوسِ مکان در یک سینوسِ زمان خواهد بود. یعنی به صورت زیر:

[اگر مبدا زمان یا مکان را جای دیگری بگیریم می‌توان سینوس و کسینوس‌ها را تبدیل کرد، بنابراین اگر با فرم‌های دیگر این معادله رو به رو شدید تعجب نکنید]

معادله‌ی فوق به ازای P=1 (ماشین دوقطب) در شکل زیر رسم شده است:

برای مشاهده این محتوا لطفاً ثبت نام کنید یا وارد شوید.

• ورود
• یا
• ثبت نام

میدان نوسانی دوقطب

 

همان طور که مشاهده می‌شود، در دو نقطه میدان همیشه صفر است (به ازای هر زوج قطب دو نقطه‌ی صفر داریم)

میدان دوار

 

میدان دوار یک موج متحرک است که دارای دامنه‌ی ثابت می‌باشد.

این میدان با سرعت ثابتی حول شکاف هوایی ماشین دوران می‌کند.

نمونه‌هایی از میدان دوار:

برای نمونه می‌توان به میدان دوارِ ناشی از سیم پیچِ سه فازِ متعادل، هنگامی که با جریانِ سه فازِ متقارن تغذیه می‌شود اشاره کرد. چنین میدانی در استاتور ماشین‌های آسنکرون و سنکرونِ سه‌فاز و از برآیندِ میدان‌هایِ حاصل از سیم‌پیچی‌های استاتور تولید می‌شود. همچنین میدان حاصل از سیم‌پیچ روتور ماشین سنکرون از همین نوع است.

[استاتور ماشین آسنکرون سه فاز و سنکرون سه فاز، از نظر ساختار مشابه هم هستند]

روش‌های تولید میدان دوار:

میدان دوار را می‌توان از راه‌های مختلفی ایجاد نمود. سه روش اصلی تولید میدان دوار عبارتند از:

 

1. توسط دوران یک میدان ثابت
   
2. توسط سیم‌پیچ سه‌فاز
   
3. توسط سیم‌پیچ دوفاز متعادل
   

ایجاد میدان دوار با استفاده از یک میدان ثابت

 

این روش در روتور ماشین سنکرون دیده می‌شود.

برای مشاهده این محتوا لطفاً ثبت نام کنید یا وارد شوید.

• ورود
• یا
• ثبت نام

میدان دوار ناشی از استاتور ماشین سنکرون

 

هر گاه روتور توسط یک جریان دائم تغذیه گردد و با سرعت ثابت دوران داده شود. در شکاف هوایی ماشین یک میدان دوار ایجاد خواهد شد.

ایجاد میدان دوار با استفاده از سیم‌پیچ سه‌فاز

 

هرگاه سیم‌پیچ سفازی با P زوج قطب، توسط جریان سه فاز متقارنی با فرکانس f تغذیه گردد، میدان ایجاد شده با سرعت ثابت n نسبت به خود سیم‌پیچ‌ها به دوران در می‌آید. که در آن n به صورت زیر بدست می‌آید:

[f و p، ترم‌های الکتریکی و مکانیکی موثردر سرعت میدان دوار هستند]

برای اثبات این مطلب فرض می‌کنیم:

 

• توزیع مکانی میدان هرفاز سینوسی است (به عبارت دیگر تنها هارمونیک اصلی را در نظر می‌گیریم)
  
• جریان سیم‌پیچ‌ها سه فاز و به قرار زیر است:
  

با توجه به آنچه در مورد میدان نوسانی گفتیم، مشخص است که هر یک از فازها به تنهایی یک میدان نوسانی تولید می‌کند. در ادامه نشان خواهیم داد که برآیند این میدان‌ها، یک میدان دوار می‌سازد.

برای مشاهده این محتوا لطفاً ثبت نام کنید یا وارد شوید.

• ورود
• یا
• ثبت نام

سیم پیچ سه فاز دو قطب

 

مطابق شکل بالا، فاز a را به عنوان مبدا اختیار می‌کنیم. و نتیجتا برای چگالی شار نوسانی فاز a خواهیم داشت:

برای دو فاز دیگر با در نظر گرفتن ۱۲۰ درجه اختلاف فاز مکانی بین محور فازها داریم:

در این معادلات، Bها مقادیر دامنه‌ی موج نوسانی فازها هستند که تابعی از زمان می‌باشند و بستگی به جریان فاز مورد نظر دارند. با صرف نظر کردن از اشباع آهن مقدار B به صورت زیر قابل محاسبه است:

[b (چگالی شار مغناطیسی)، بار جریان رابطه‌ی مستقیم دارد، و با توجه به اینکه جریان به صورت یک موج سینوسی (کسینوسی) است، می‌توان به این روابط رسید]

در این روابط Bm مقدار ماکسیمم دامنه‌ی موج نوسانی فازهاست و متناسب با Im می‌باشد.

میدان برآیند شکاف هوایی، از جمع میدان‌های نوسانی سه فاز به دست می‌آید (اصل جمع یا سوپرپوزیشن):

با استفاده از رابطه‌ی مثلثاتیِ

می‌توان مجموع یاد شده را به صورت زیر نوشت:

از آنجایی که مجموع موله‌های سمت راست برابر صفر می‌شود داریم:

از نظر ریاضی، این معادله، معادله‌ی یک موج دوار (متحرک) دوقطب است که با دامنه‌ی ثابت

تحت سرعت زاویه‌‌ای ω در جهت مثبت α، دوران می‌کند و نسبت به مکان، دارای توزیع سینوسی است.

[علامت منفی ωt، جهت دوران را مشخص می‌کند]

اگر میدانی داری P زوج قطب باشد، معادله به صورت زیر در می‌آید:

در این معادله علامت منفی موج مستقیم (دوران در جهت مثبت) و علامت مثبت برای موج معکوس (دوران در جهت منفی) بکار می‌رود.

در شکل زیر موقعیت میدان دوار نسبت به زمان برای یک ماشین چهارقطب رسم شده است.

[

]

برای مشاهده این محتوا لطفاً ثبت نام کنید یا وارد شوید.

• ورود
• یا
• ثبت نام

میدان دوار یک ماشین چهار قطب

 

سرعت میدان دوار

 

موج دوار با فرکانس زاویه‌ای الکتریکی

گردش می‌کند، نتیجتا سرعت مکانیکی میدان به صورت زیر محاسبه می‌شود:

(1)

(2)

(1),(2) –>

–>

توجه داشته باشید که واحد

، دور بر دقیقه است. اگر بر حسب دور بر ثانیه حساب کنیم بدست می‌آید.

نکته‌ی دیگر در این محاسبات آن است که P، تعداد زوج قطب‌هاست، بنابراین این فرمول با فرمولی که در درس ماشین احتمالا با آن روبه‌رو شده‌اید تفاوتی ندارد. (

)

و توضیح آخر اینکه f فرکانس جریان تغذیه است.

مثال

میدانِ دوارِ یک سیم‌پیچِ سه فازِ دوقطب که توسط جریان‌هایِ سه‌فاز تغذیه می‌گردد را در نظر بگیرید. با فرض اینکه توزیع مکانی میدان نوسانی فازها سینوسی باشد، موقعیت میدان دوار را در لحظه‌ای که جریان فاز a ماکسیمم و مثبت است تعیین کنید.

پاسخ

ابتدا ببینیم جریان فاز a در چه لحظه‌ای بیشینه است. اگر مبدا زمان را مطابق همان چیزهایی که تا به حال گفته شده در نظر بگیریم. جریان فاز a از فرمول کلی زیر پیروی می‌کند:

مشخص است که بیشینه‌ی این معادله در لحظه‌ی t=0 خواهد بود. بنابراین در لحظه‌ای که جریان فاز a ماکزیمم و مثبت است، جریان دوفاز دیگر به صورت زیر است:

پس دو جریان دیگر، منفی و نصف مقدار Ia هستند.

برای دامنه‌ی چگالی شار ایجاد شده توسط هر یک از فازها در ماشین (طبق همان فرمول‌هایی که گفته شد) داریم:

بنابراین میدان کل از جمع جبری سه موج کسینوسی در امتداد محور فازها که دارای ماکزیمم‌مقادیر فوق باشند، بدست می‌آید.

در شکل زیر میدان ناشی از هر یک از سه فاز به همراه میدان برآیند، به ازای مقادیر مختلف زاویه رسم شده است:

برای مشاهده این محتوا لطفاً ثبت نام کنید یا وارد شوید.

• ورود
• یا
• ثبت نام

توزیع میدان در نقاط مختلف فاصله‌ی هوایی در لحظه‌ی صفر (سبز:فاز اول، آبی: فاز دوم، قرمز: فاز سوم، مشکی: برآیند)

 

[برای رسم این شکل از برنامه‌ی زیر در نرم‌افزار MATLAB استفاده شده است:

clear all

close all

alpha=0:0.01:2*pi

Bm=1

f=50

w=2*pi*f

t=0

Ba=Bm*cos(w*t)

Bb=Bm*cos(w*t+2*pi/3)

Bc=Bm*cos(w*t-2*pi/3)

ba=Ba*cos(alpha)

bb=Bb*cos(alpha+2*pi/3)

bc=Bc*cos(alpha-2*pi/3)

p=plot(alpha,ba,'g')

hold on

plot(alpha,bb,'b')

plot(alpha,bc,'r')

plot(alpha,0)

plot(alpha,ba+bb+bc,'k')

saveas(p,'meidan','png')

]

مشاهده می‌گردد که دامنه‌ی موج کل، ۳/۲ ماکسیمم دامنه‌ی موج نوسانی یک فاز است. ضمنا میدان کل در این لحظه منطبق بر میدان فاز a می‌باشد.

به طور کلی می‌توان نتیجه گرفت محور میدان دوار در هر لحظه، بر محور فازی که جریان آن ماکسیمم است، منطبق می‌باشد. (روشی ساده برای پیدا کردن جهت میدان دوار در هر لحظه)

هر گاه لحظات دیگری از سیکل تغییرات جریان سه فاز در نظر گرفته شود و میدان کل برای آن لحظات رسم گردد، تغییرات میدان دوار و در نتیجه حرکت آن مشاهده خواهد شد می‌بینیم که میدان دوار مطابق شکل مترکی که دیدیم حرکت می‌کند.

تمرین:

میدان کل را برای لحظه‌ای که جریان فاز a به اندازه‌ی ۳۰ درجه از ماکزیممش گذشته است رسم کنید و نتیجه بگیرید که میدان به اندازه‌ی ۳۰ درجه نسبت به مثال قبل به سمت راست (مثبت) حرکت کرده است.

بررسی میدان روتور ماشین آسنکرون

 

استاتور موتور آسنکرون در روتور آن یک جریان سه فاز متعادل القا می‌کند که این جریان سه فاز خودش منجر به تولید یک میدان دورانی می‌شود که در نهایت بین این میدان و میدان استاتور کوپل ایجاد شده و گشتاور تولید می‌گردد.

در ماشین آسنکرون، سرعت میدان روتور با سرعت روتور برابر نیست. در ادامه می‌خواهیم نشان دهیم که سرعت میدان روتور برابر سرعت میدان استاتور است.

فرض می‌کنیم ماشین دارای لغزش s باشد. از ماشین ۲ به یاد دارید که لغزش به صورت زیر تعریف می‌شود:

(لغزش= تفاوت سرعت استاتور و روتور تقسیم بر سرعت استاتور)

اگر در این فرمول به جای n از معادل الکتریکی آن یعنی f استفاده کنیم (واحد چرخش را از دور بر دقیقه به دور بر ثانیه تغییر دهیم)، و سپس فرمول را باز آرایی کنیم به فرمول زیر می‌رسیم:

سرعت قطع شدن سیم‌پیچ‌های روتور توسط میدان استاتور

است و بنابراین فرکانس ولتاژ القایی در روتور نیز همین مقدار خواهد بود:

مسلما فرکانس ولتاژ و جریان روتور با هم برابر هستند. بنابراین میدان دوار روتور هم نسبت به ناظر روی روتور دارای فرکانس

خواهد بود. اما سرعت میدان دوار روتور نسبت به ناظر روی استاتور از جمع این این سرعت با سرعت مکانیکی روتور به دست می‌آید یعنی .

اگر در رابطه به جای

از معادل آن یعنی $latex(1-s)f_s$ استفاده کنیم و رابطه را ساده کنیم به می‌رسیم. یعنی سرعت میدان دوار روتور نسبت به ناظر روی استاتور، برابر سرعت میدان دوار استاتور است.

ایجاد میدان دوار با استفاده از سیم‌پیچ دوفاز متعادل

 

هر گاه یک سیم‌پیچ دوفاز متعادل (منظور از متعادل بودن این است که اختلاف مکانی بین محور فازها برابر باشد و سیم‌پیچ‌ها مشابه باشند)، توسط سیستم جریانی دوفاز متعادل تغذیه گردد (در سیستم دوفاز متعادل جریان‌ها با هم ۹۰ درجه اختلاف دارند) یک میدان دوار ایجاد خواهد شد که با دامنه‌ی ثابت و سرعت n=60f/P دور بر دقیقه (rpm)، نسبت به خود سیم‌پیچ‌ها، دوران خواهد داشت.

برای مشاهده این محتوا لطفاً ثبت نام کنید یا وارد شوید.

• ورود
• یا
• ثبت نام

سیم‌پیچ دوفاز متعادلِ دوقطبه

 

[همان طور که دیده می‌شود، در سیستم دوفازه‌ی متقارن سیم‌پیچ‌ها ۹۰ درجه اختلاف فاز دارند]

همانند شکل بالا، یک سیم‌پیچ دوفاز متعادل دوقطبه را در نظر می‌گیریم. این دو فاز توسط جریان‌های دوفاز متعادل که معادلات آنها به قرار زیر است تغذیه می‌شوند.

میدانی که توسط هر یک از فازها ایجاد می‌گردد یک میدان نوسانی است که معادلات آن با انتخاب محور فاز a به عنوان مبدا به قرار زیر خواهد بود:

به کمک اصل جمع و با استفاده از رابطه‌ی مثلثاتی‌ای که در مورد میدان دوار هم استفاده کردیم میدان کل به صورت زیر بدست می‌آید:

همان طور که مشاهده می‌شود، دامنه‌ی موج دوار ایجاد شده برابر دامنه‌ی ماکسیمم موج‌های نوسانی فازها می‌باشد.

در حالت کلی که سیم‌پیچ دوفاز داری P زوج‌قطب باشد داریم:

توصیه می‌کنم برای درک بهتر میدان‌های الکترومغناطیسی در ماشین‌های الکتریکی حتما

برای مشاهده این محتوا لطفاً ثبت نام کنید یا وارد شوید.

• ورود
• یا
• ثبت نام

از نحوه‌ی تشکیل میدان در ماشین‌های الکتریکی را ببینید.

 

منبع وبلاگ دالبا

[سمندون 19437]

تاریخچه

تمرکز مولدهای الکتریکی از زمانی ممکن شد که با رشد علم امکان تغییر ولتاژ الکتریکی متناوب و در نتیجه افزایش آن در طول خطوط انتقال انرژی و کاهش آن در انتهای خطوط به وسیله ترانسفورماتورها فراهم شد.

از سال ۱۸۸۱ تاکنون و برای بیش از ۱۲۰ سال انرژی الکتریکی به منظور تغذیه مصرف کننده‌های انسانی به وسیله منابع مختلف تامین می‌شود. اولین مولدهای الکتریکی با انرژی آب و ذغال سنگ کار می‌کردند و امروزه بخش عظیمی از انرژی الکتریکی به وسیله ذغال سنگ, انرژی هسته‌ای, گاز طبیعی, هیدروالکتریک و نفت تولید می‌شود که البته در میان منابعی مانند انرژی خورشیدی, انرژی جزر و مدی, انرژی بادی و انرژی زمین گرمایی نیز نقش کوچکی ایفا می‌کنند. روش‌های تولید انرژی الکتریکی

[سمندون 19437]

نیروگاه

نیروگاه مجموعه‌ای از تأسیسات صنعتی است که برای تولید انرژی الکتریکی از آن استفاده می‌شود. نیروگاه‌ها بسته به نوع تکنولوژی به کار رفته در آنها و منابع انرژی در دسترس متفاوت هستند.

وظیفه اصلی یک نیروگاه تبدیل انرژی از دیگر شکل‌های آن مانند انرژی شیمیایی, انرژی هسته‌ای, انرژی پتانسیل گرانشی و ... به انرژی الکتریکی است. وظیفه اصلی در تقریباً همه نیروگاه‌ها بر عهده مولد یا ژنراتور است، ماشینی دوار که انرژی مکانیکی را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند. انرژی مورد نیاز برای چرخاندن یک ژنراتور از راه‌های مختلفی تامین می‌شود و عموماً به میزان دسترسی به منابع مختلف انرژی در آن منطقه و دانش فنی گروه سازنده بستگی دارد.

[سمندون 19437]

توربین‌ها

امروزه توربین‌های متصل به ژنراتورهای الکتریکی بیشترین حجم انرژی الکتریکی را تولید می‌کنند. توربین‌ها به وسیله یک سیال به چرخش درمی‌آیند که نقش واسطه حامل انرژی را ایفا می‌کند. در این میان سیال‌های زیر به دلیل داشتن خصوصیات مناسب بیشتر مورد استفاده قرار می‌گیرند:

• بخار: ابتدا آب به وسیله حرارت تولید شده از شکافت هسته‌ای و یا سوختن سوخت‌ها (ذغال سنگ, گاز طبیعی و یا نفت) به جوش می‌آید و سپس از این بخار برای به حرکت درآوردن پره‌های توربین استفاده می‌شود. در بعضی از نیروگاه‌ها جدید از انرژی خورشیدی برای تامین انرژی استفاده می‌شود. در این روش از صفحات خورشیدی مخروطی شکل برای متمرکز کردن نور خورشید و به جوش آوردن آب استفاده می‌شود. از روش‌های جدید دیگری که برای تامین انرژی برای گرم کردن آب به کار می‌رود می‌توان به استفاده از انرژی زمین گرمایی نیز اشاره کرد.

• آب: در این حالت پره‌های توربین به وسیله آب به حرکت در می‌آیند. این انرژی می‌تواند از حرکت آب پشت یک سد و یا حرکت آب یه وسیله نیروی جزر و مد تامین گردد.

• باد: بیشتر توربین‌های بادی انرژی خود را از حرکت طبیعی باد به دست می‌آورند. اما در بعضی توربین‌ها فشار باد به صورت مصنوعی از طریق انرژی نور خورشید و یا سوختن سوخت‌ها به وجود می‌آید.

• گازهای داغ: در این حالت توربین‌ها به طور مستقیم به وسیله گازهای تولیدی از سوختن سوخت‌های فسیلی به حرکت در می‌آیند.

توربین‌های گازی مرکب انرژی خود را به طور هم‌زمان از آب و فشار گاز می‌گیرند. در این نیروگاه‌ها انرژی مورد نیاز به وسیله سوختن گاز طبیعی و از طریق گازهای داغ در یک توربین گازی تامین می‌گردد و از مازاد انرژی برای گرم کردن آب و تبدیل بیشتر انرژی استفاده می‌شود. راندمان این نیروگاه‌ها معمولاً بالاتر از ۶۰٪ است.

[سمندون 19437]

موتورهای احتراق داخلی

برای تولید انرژی الکتریکی در مقادیر یا مقیاس‌های پایین معمولاً از موتورهای الکتریکی که به وسیله سوخت دیزل، بیوگاز و یا گاز طبیعی به حرکت در می‌آیند استفاده می‌شود. از موتورهای دیزل معمولاً برای سیستم‌های پشتیبانی و یا برق اضطراری در ولتاژهای پایین استفاده می‌شود. اما بیوگاز معمولاً در محل تولید یعنی در مکان‌هایی مانند محل‌های دفع زباله یا فاضلاب سوزانده می‌شود و به وسیله یک موتور متناوب و یا میکروتوربین به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود.

باتری خورشیدی

برعکس صفحات متمرکز کننده نور خورشید برای ایجاد حرارت، باتری‌های خورشیدی نور خورشید را به طور مستقیم به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کنند. با این که استفاده از نور خورشید رایگان است و نور خورشید در بسیار از مناطق به راحتی قابل دسترسی است اما قیمت تمام شده برق تولیدی از این روش در مقایسه با تولید با روش‌های تولید انرژی الکتریکی در سطح کلان (نیروگاه‌ها) گران تر تمام می‌شود. همچنین راندمان پایین سلول‌های خورشیدی سیلیکونی (نزدیک به ۳۰٪) استفاده از آنها را با مشکل روبه‌رو کرده‌است. امروزه از باتری‌های خورشیدی معمولاً در مناطق دورافتاده‌ای که امکان دسترسی به شبکه برق وجود ندارد و یا به عنوان منبع الکتریکی تکمیلی در واحدهای مسکونی یا تجاری استفاده می‌شود. پیشرفت‌های اخیر در زمینه ساخت باتری‌های خورشیدی و همچنین یارانه‌های در نظر گرفته شده به وسیله انجمن‌های محیط زیست باعث شده تا روند پیشرفت و استفاده از این منابع روزبه‌روز رشد کند.

[سمندون 19437]

منابع

•

برای مشاهده این محتوا لطفاً ثبت نام کنید یا وارد شوید.

• ورود
• یا
• ثبت نام

•

برای مشاهده این محتوا لطفاً ثبت نام کنید یا وارد شوید.

• ورود
• یا
• ثبت نام

برای مشاهده این محتوا لطفاً ثبت نام کنید یا وارد شوید.

• ورود
• یا
• ثبت نام

[hossain 64]

منبع تغذيه اي كه تهيه مي كنيد به مسايل حرارتي آن توجه كنيد. اگر منبع تغذيه اي كه تهيه مي كنيد در هنگام كار كردن از لحاظ حرارتي دماي قابل قبولي نداشته باشد در اين صورت براي خنك كردن منبع نياز به فن خواهيد داشت و بايد به نوبه خود هزينه اي براي تهيه فن، سيم كشيهاي مورد نياز و مدارات خاص آن صرف كنيد. امروزه مواد جديدي به بازار آمده كه حرارت را بهتر انتقال مي دهند و در كنار استفاده از قطعات با كيفيت بهتر و همچنين رعايت نكات طراحي باعث بهبود قابل توجه در مسايل حرارتي مي شود.

بعضي منابع ساخته شده از دماي 0 درجه سلسيوس تا دماي 50 درجه سلسيوس و با حداكثر توان خروجي به صورت هوا خنك( Natural air convection cooling ) كار مي كنند.

نكته بسيار مهم ديگري كه درهنگام خريد منبع تغذيه بايد به آن توجه كنيد پايداري حرارتي منبع تغذيه مي باشد. اين بدان معناست كه منبع تغذيه در بازه دمايي كه كار ميكند بايد ولتاژ خروجي را تا ميزان خطايي كه قابل قبول است و جزء استانداردهاي منبع تغذيه مي باشد ثابت نگه دارد. اين مسأله به خاطر آن است كه سيستمي كه شما طراحي مي كنيد امكان دارد در مكانهاي متفاوتي در كشور نصب گردد كه بازه دمايي زيادي را در بر مي گيرد و همچنين چون سيستم براي كاركرد در تمامي فصول سال مي باشد در نتيجه باز هم از اين نظر منبع تغذيه شما بايد قابليت كار كردن در بازه دمايي زيادي را داشته باشد. همچنين امكان دارد سيستمي كه شما طراحي مي كنيد در كنار ديگر دستگاههاي ديگر نصب شود كه آنها هم به نوبه خود به دليل توان مصرفي كه دارند باعث مي شود كه تا حدودي دماي سيستم افزايش يابد كه در اين صورت باز هم منبع تغذيه بايد بتواند ولتاژ مورد نياز دستگاههاي شما را تا خطاي قابل قبولي ثابت نگه دارد.

مثالي كه براي اين مساله مي توان آورد سيستمهاي مخابراتي مي باشد كه هم بايد در مكانهاي شهري در دسترس نصب شوند و هم در مكانهاي دورافتاده. بنابراين دستگاهها بايد بتوانند در بازه دمايي زيادي كار كنند. حتي ممكن است در مكانهاي با آب و هواي خشك دماي داخل اتاق يا مكاني كه سيستم در آن نصب مي شود تا 70 درجه سلسيوس نيز برسد. بنابراين امروزه مهندسي كنترل دما در طراحي منابع تغذيه سوييچينگ يك مساله حياتي مي باشد.

پايداري حرارتي در منابع تغذيه با يك عدد مشخص مي شود كه اصطلاحا به آن Output temperature coefficient مي گويند.

براي رنج كاركرد دمايي با پايداري حرارتي بسيار خوب، اين ميزان خطا كمتر از 0.02 ± درصد به ازاي هر درجه سلسيوس تغييرات دماي سيستم مي باشد.

نكته ديگري كه در هنگام خريد منبع تغذيه بايد به آن توجه كنيد ثابت ماندن ولتاژهاي خروجي ( به ميزان قابل قبول ) در رنج كاركرد ولتاژ ورودي منبع تغذيه مي باشد. بازه ولتاژي كه منبع تغذيه، در ورودي با آن كار مي كند باعث مي شود كه سيستم با حداكثر توان خروجي در اكثر شبكه هاي موجود در كشور با ولتاژهاي مختلف كار كند.

مثلا اگر ولتاژ ورودي منبع تغذيه برق شهر ( در مورد منابعي كه ورودي آنها ولتاژ AC است ) يا باتري ( در مورد منابعي كه ورودي آنها ولتاژ DC است ) باشد به دليل آن كه ولتاژ ورودي داراي خطا مي باشد و ثابت نيست در اين صورت منبع تغذيه بايد قابليت ثابت نگه داشتن ولتاژهاي خروجي را ( تا ميزان خطاي قابل قبول ) داشته باشد. ثابت ماندن ولتاژهاي خروجي منبع تغذيه با تغييرات ولتاژ ورودي را اصطلاحا Line regulation مي گويند.

براي منابع تغذيه داراي Line regulation خوب در خروجي، اين ميزان خطا كمتر از 0.5 ± درصد به ازاي رنج كاركرد ولتاژ ورودي منبع تغذيه مي باشد.

نكته ديگري كه در هنگام خريد منبع تغذيه بايد به آن توجه كنيد ثابت ماندن ولتاژهاي خروجي منبع تغذيه ( به ميزان قابل قبول ) در برابر تغييرات بار خروجي مي باشد. زيرا امكان دارد سيستمي كه شما طراحي مي كنيد همواره مقدار جريان ثابتي از خروجي نكشد. ثابت ماندن ولتاژهاي خروجي منبع تغذيه با تغييرات جريان خروجي را اصطلاحا Load regulation مي گويند.

براي منابع تغذيه داراي Load regulation خوب در خروجي، اين ميزان خطا كمتر از 0.5 ± درصد به ازاي رنج كاركرد جريان خروجي منبع تغذيه ( از % 10 تا % 100 جريان خروجي منبع تغذيه ) مي باشد.

نكته مهم ديگري كه در هنگام خريد منبع تغذيه بايد به آن توجه كنيد مسايل حفاظتي منبع تغذيه مي باشد. مثلا بايد به وجود يا عدم وجود حفاظتهاي زير در يك منبع تغذيه توجه كنيد :

■ حفاظت در برابر اتصال كوتاه شدن خروجي

( Output Short Circuit Protection )

■ حفاظت در برابر افزايش ولتاژخروجي منبع از حدي معين

( Output Over Voltage Protection )

■ حفاظت در برابر كاهش ولتاژخروجي منبع از حدي معين

( Output Under Voltage Protection )

■ حفاظت در برابر افزايش ولتاژ ورودي منبع از حدي معين

( Input Over Voltage Protection )

■ حفاظت در برابر كشيدن توان اضافه تر از توان كلي اسمي دستگاه

( Total Output Over Power Protection )

■ حفاظت در برابر كشيدن توان اضافه تر از توان اسمي هر يك از خروجيها

( Output Over Power Protection )

■ حفاظت در برابر اتصال معكوس ولتاژ ورودي در منابعي كه به ورودي آنها ولتاژ DC وصل ميشود

( Reverse Input Voltage Protection )

همين طور يكي از مسايل بسيار مهمي كه بايد در هنگام خريد منبع تغذيه به آن توجه كنيد مقدار عايق بودن ولتاژ ورودي از ولتاژهاي خروجي و همچنين مقدار عايق بودن بدنه دستگاه ( كه معمولا آن را به Earth وصل مي كنند ) از ولتاژهاي ورودي و خروجي دستگاه مي باشد. اين كه ببينيد در سيستم خود به چه ميزان ولتاژ عايقي نياز داريد و اين كه منبعي كه تهيه مي كنيد اين ميزان عايقي را دارا مي باشد يا نه. زيرا در هر صورت بايد اين احتمال را بدهيد كه اگر در ورودي منبع تغذيه ولتاژ ناگهاني زيادي بر اثر وجود خطا در سيستم انتقال برق بيافتد در اين صورت منبع تغذيه بايد توانايي اين كه خود و سيستم شما را در برابر اين ولتاژ ناگهاني محافظت كند، داشته باشد. در اين حالت سيستمهاي حفاظتي منبع تغذيه وارد عمل مي شوند و اجازه عبور اين ولتاژ ناگهاني را به خود منبع تغذيه و نهايتا سيستم شما نمي دهند و يا اين كه در بدترين حالت اگر خود منبع بسوزد ولي باز هم نبايد براي سيستم شما اتفاقي بيفتد و سيستم شما بايد سالم باقي بماند. در اين حالت ميزان عايقي ولتاژ ورودي از ولتاژهاي خروجي و همچنين ميزان عايقي بدنه از ولتاژهاي خروجي و يا ورودي مهم مي باشد.

حال با در نظر گرفتن موارد بالا تازه متوجه مي شويد كه همه منابع موجود در بازار شبيه هم نيستند.

بعضي منابع تغذيه داراي ويژگيهاي مثبت زير نيز مي باشد :

1 ) منابع طراحي شده، در هنگام روشن شدن به آرامي روشن مي شوند ( Soft Start ) تا جريان اوليه هجومي ( Input Inrush Current Limiting ) را محدود كنند.

2 ) قابليت نصب آسان :

براي نصب نياز به هيچ گونه ابزار خاص يا آموزش ويژه اي ندارند كه اين موضوع زماني كه بخواهيد منابع ما را در مكانهاي مختلف و توسط افراد متفاوت در دستگاههاي خود نصب كنيد يك مزيت مهم مي باشد.

فقط كافيست كه ولتاژ ورودي منبع را وصل كنيد و ولتاژهاي خروجي آن را هم به سيستم خود وصل كنيد.

همچنين نحوه قرارگيري پيچها براي نصب دستگاه به گونه اي است كه بتوان به راحتي براي مقاصد تعمير يا كارهاي ديگر، دستگاه را باز كرد.

3 ) وجود LED در ولتاژهاي ورودي و خروجي منبع تغذيه اجازه تشخيص زودهنگام خطا در ورودي و خروجيها را مي دهد.

4 ) حداقل فضا و حجم

اندازه و حجم يك سيستم يك مساله مهم مي باشد. اين مساله نه تنها باعث كاهش هزينه ها و مدارات به كار رفته در سيستم مي شود بلكه باعث مي شود فضا را نيز كوچكتر كنيم و همچنين باعث مي شود سيستم خود را از مكانهاي سربسته بزرگ به فضاهاي باز كوچكتر ببريم ( مثلا در سيستمهاي مخابراتي ).

[spow 44197]

دانلود کتابی باارزش درزمینه تولید توان به وسیله میکروتوربین ها

حتما دانلود کنید کتابیست عالی

 

M. J. Moore - Micro-turbine Generators

Publisher: Wiley | 2002-12-30 | ISBN: 1860583911 | PDF | 108 pages | 10.97 MB

 

Please appreciate my work to rock these links:

 

برای مشاهده این محتوا لطفاً ثبت نام کنید یا وارد شوید.

• ورود
• یا
• ثبت نام

 

برای مشاهده این محتوا لطفاً ثبت نام کنید یا وارد شوید.

• ورود
• یا
• ثبت نام

 

برای مشاهده این محتوا لطفاً ثبت نام کنید یا وارد شوید.

• ورود
• یا
• ثبت نام

 

[am in 25041]

هدف از انجام این تحقیق بررسی سیر تحقیقات انجام شده با موضوع ژنراتورها(ساختمان و اساس کار و سیر تکاملی ژنراتوها بخصوص ژنراتور های سنکرون ) است . به این منظور ، بررسی مقالات منتشر شده که با این موضوع مرتبط بودند و جمع آوری خلاصه مطالبی از منابع صورت گرفت و بعد چکیده آنها استخراج شد .

ژنراتورها همواره یکی از مهمترین عناصر شبکه قدرت بوده و نقش کلیدی در تولید انرژی و کاربردهای خاص دیگر ایفاء کرده است . ساخت اولین نمونه ژنراتور (سنکرون) به انتهای قرن 19 برمی گردد.

مهمترین پیشرفت انجام شده در آن سالها احداث اولین خط بلند انتقال سه فاز از لافن به فرانکفورت آلمان بود. در کانون این تحول ، یک هیدروژنراتور سه فاز 210 کیلو وات قرار گرفته بود. عیلرغم مشکلات موجود در جهت افزایش ظرفیت و سطح ولتاژ ژنراتورها، در طول سالهای بعد تلاشهای گسترده ای برای نیل به این هدف صورت گرفت. مهمترین محدودیتها در جهت افزایش و سطح ولتاژ ژنراتورها ، ضعف عملکرد سیستمهای عایقی و نیز روشهای خنک سازی بود .

در راستای رفع این محدودیتها ترکیبات مختلف عایقهای مصنوعی، استفاده از هیدروژن برای خنک سازی و بهینه سازی روشهای خنک سازی با هوا نتایج موفقیت آمیزی را در پی داشت به نحوی که امروزه ظرفیت ژنراتورها به بیش از 1600mva افزایش یافته است

در جهت افزایش ولتاژ ، ابداع پاورفرمر در انتهای قرن بیستم توانست سقف ولتاژ تولیدی را تا حدود سطح ولتاژ انتقال افزایش دهد. به نحوی که برخی محققان معتقدند در سالهای نه چندان دور ، دیگر نیازی به استفاده از ترانسفورماتورهای افزاینده نیروگاهی نیست.

همچنین امروزه تکنولوژی ژنراتورهای ابررسانا بسیار مورد توجه است، انتظار می رود با گسترش این تکنولوژی در ژنراتورهای آینده ، ظرفیتهای بالاتر در حجم کمتر قابل دسترسی باشند.

[am in 25041]

ژنراتورها ماشین هایی هستند که انرژی مکانیکی را از محرک اصلی به یک توان الکتریکی در ولتاژ و فرکانس خاصی تبدیل می نماید.کلمه سنکرون به این حقیقت اشاره دارد که فرکانس الکتریک این ماشین با سرعت گردش مکانیکی شفت قفل شده است ، ژنراتورسنکرون برای تولید بخش اعظم توان الکتریکی در سرتاسر جهان به کار می رود.

دو اصل فیزیکی مرتبط با عملکرد ژنراتورها وجود دارد. اولین اصل فیزیکی اصل القائی الکترومغناطیسی کشف شده توسط مایکل فاراده دانشمند بریتانیایی است. اگر یک هادی در یک میدان مغناطیسی حرکت کند یا اگر طول یا حلقه ی القائی ساکنی جهت تغییر استفاده شود. یک جریان ایجاد میشود یا القاء می شود.

اگر یک جریان از میان یک کنتاکتور که در میدان مغناطیسی قرار گرفته ، عبور کند میدان ، نیروی مکانیکی بر آن وارد می کند.

ژنراتور ها دارای دو اصل هستند: قسمتها و میدان که آهنربای الکترو مغناطیسی با سیم پیچ هایش و آرمیچر و ساختاری که از کنتاکتورحمایت می کند و کار قطع میدان مغناطیسی و حمل جریان القاء شده ژنراتور یا جریان ناگهانی به موتور را دارد است .آرمیچر معمولا" هسته ی نرم آهنی اطراف سیم های القائی که دور سیم پیچ ها پیچیده شده اند ، است .

ژنراتور ها از دو قسمت تشکیل شده اند: قسمت متحرک را رتور و قسمت ساکن آن را استاتور می گویند . رتور ها نیز از نظر ساختمان دو دسته اند: ماشین های قطب صاف و ماشین های قطب برجسته.

همچنین ژنراتورها بسته به آنکه نوع وسیله گرداننده رتور آنها چه نوع توربینی باشد به صورت زیر تقسیم می شوند:

 

1. توربو ژنراتورها: در این وسیله گرداننده رتور ، توربین بخار است و چون توربین بخار جزء ماشین های تند گرد است بنابراین توربوژنراتور دارای قطب های صاف بوده و این ماشین توانائی ایجاد دورهای بسیاربالا را در قدرت های زیاد دارد امروزه اغلب توربوژنراتورها را دو قطبی می سازند چون با افزایش سرعت گردش کار توربین های بخار با صرفه تر وارزان ترتمام می شود.
   
2. هیدرو ژنراتور ها : در آن وسیله گرداننده رتور توربین آبی است و چون توربین آبی دارای دور کم است بنابراین هیدروژنراتور دارای قطب برجسته بوده و دارای سرعت کم می باشد.
   
3. دیزل ژنراتور ها : در قدرت های کوچگ و اظطراری وسیله گرداننده رتور دیزل است که در این موره هم قطب های رتور آن برجسته می باشد.
   

[am in 25041]

در یک ژنراتور سنکرون یک جریان dc به سیم پیچ رتور اعمال می گردد تا یک میدان مغناطیسی رتور تولید شود. سپس رتور مربوط به ژنراتور به وسیله محرک اصلی چرخانده میشود ، تا یک میدان مغناطیسی دوار در ماشین بوجود آید.این میدان مغناطیسی ، یک ولتاژ سه فاز را در سیم پیچ های استاتور ژنراتور القاء می نماید.

در یک ماشین دو عبارت در توصیف سیم پیچ ها بسیار مورد استفاده است یکی سیم پیچ های میدان و دیگری سیم پیچ های آرمیچر. بطور کلی عبارت سیم پیچ های میدان به سیم پیچ هایی گفته می شود که میدان مغناطیسی اصلی را در ماشین تولید می نماید و عبارت سیم پیچ های آرمیچر به سیم پیچ هایی اتلاق می شود که ولتاژ اصلی در آن القاء می شود . برای ماشین های سنکرون ، سیم پیچ های میدان در رتور است.

رتور ژنراتور سنکرون در اصل یک آهنربای الکتریکی بزرگ است . قطب های مغناطیسی در رتور می تواند از نوع برجسته یا غیر برجسته باشد . کلمه برجسته به معنی قلمبیده است و قطب برجسته ، یک قطب مغناطیسی خارج شده از سطح رتور می باشد. ازطرف دیگر ، یک قطب برجسته یک قطب مغناطیسی هم سطح با سطح رتور است . یک رتور غیر برجسته یا صاف معمولا" برای موارد 2 یا 4 قطبی بکار می روند . در حالی که رتورهای برجسته برای 4 قطب یا بیشتر مورد استفاده هستند. چون در رتور میدان مغناطیسی متغیر است برای کاهش تلفات ، آن را از لایه های نازک می سازند. به مدار میدان در رتور باید جریان ثابتی اعمال شود ، چون رتور می چرخد ، نیاز به آرایش خاصی برای رساندن توان dc به سیم پیچ های میدانش دارد برای انجام این کار 2 روش موجود است :

1. تهیه توان dc از یک منبع بیرونی به رتور با رینگ های لغزان و جاروبک .
   
2. فراهم نمودن توان dc از یک منبع توان dc که مستقیما" روی شفت ژنراتورهای سنکرون نصب می شود.
   

رینگ های لغزان بطور کامل شفت ماشین را احاطه می کنند ولی از آن جدا هستند. یک انتهای سیم پیچ DC به هر یک از دو انتهای رینگ لغزان در شفت موتور سنکرون متصل است و یک جاروبک ثابت روی هررینگ لغزان سر می خورد . جاروبک ها بلوکی از ترکیبات گرافیک مانند هستند که الکتریسیته را به راحتی هدایت می کنند ولی اصطکاک خیلی کمی دارند و لذا روی رینگ ها خوردگی بوجود نمی آورد. اگر سمت مثبت منبع ولتاژ DC به یک جاروبک و سر منفی به جاروبک دیگروصل می شود. آنگاه ولتاژ ثابتی به سیم پیچ ، جدااز مکان و سرعت زاویه ای آن ، میدان درتمام مدت اعمال می شود. رینگ های لغزان و جاروبک ها به هنگام اعمال ولتاژ DC چند مشکل برای سیم پیچ های میدان ماشین سنکرون تولید می کنند آنها نگهداری را در ماشین افزایش می دهند ، زیرا جاروبک بایدمرتبا" به لحاظ سائیدگی چک شود. علاوه برآن ، افت ولتاژ جاروبک ممکن است تلفات قابل توجه توان را همراه با جریان های میدان به دنبال داشته باشد . علیرغم این مشکلات رینگ های لغزان روی همه ماشین های سنکرون کوچک تر بکار میرود. زیرا راه اقتصادی تر برای اعمال جریان میدان موجود نیست .

در موتور ها و ژنراتورهای بزرگ تر ، از محرک های بی جاروبک استفاده می شود تا جریان میدان DC را به ماشین برسانند یک محرک بی جاروبک ، یک ژنراتور AC کوچکی است که مدار میدان آن روی استاتور و مدار آرمیچر آن روی رتور نصب است خروجی سه فاز ژنراتور محرک یکسو شده و جریان مستقیم توسط یک مدار یکسو ساز سه فاز که روی شفت ژنراتور نصب است حاصل می شود که بطور مستقیم به مدار میدان DC اصلی اعمال میگردد. با کنترل جریان میدان DC کوچکی از ژنراتور محرک (که روی استاتور نصب می شود) می توان جریان میدان را روی ماشین اصلی و بدون استفاده از رینگ های لغزان و جاروبک ها تنظیم کرد. چون اتصال مکانیکی هرگز بین رتور و استاتور بوجود نمی آید ، یک محرک جاروبک نسبت به نوع حلقه های لغزان و جاروبک ها ، به نگهداری کمتری نیاز دارد. برای اینکه تحریک ژنراتور بطور کامل مستقل از منابع تحریک بیرونی باشد، یک محرک پیلوت کوچکی اغلب در سیستم لحاظ میگردد . محرک پیلوت ، یک ژنراتور AC کوچک با مگنت های (آهن ربا ) دائمی نصب شده بر روی شفت رتور و یک سیم پیچ روی استاتور است . این محرک انرژی را برای مدار میدان محرک بوجود می آورد که این به نوبه خود مدار میدان ماشین اصلی را کنترل می نماید . اگر یک محرک پیلوتروی شفت ژنراتور نصب شود آن گاه هیچ توان الکتریکی خارجی برای راندمان ژنراتور لازم نیست .

بسیاری از ژنراتور های سنکرون که دارای محرک های بی جاروبک هستند ، دارای رینگ های لغزان و جاروبک نیز هستند بنابراین یک منبع اضافی جریان میدان DC در موارد اضطراری در اختیار است . استاتور ژنراتور های سنکرون معمولا" در دو لایه ساخته می شوند : خود سیم پیچ توزیع شده و گام های کوچک دارد تا مولفه های هارمونیک ولتاژ ها و جریان های خروجی را کاهش دهد .

چون رتور باسرعتی برابر باسرعت میدان مغناطیسی می چرخد ، توان الکتریکی با فرکانس 50 یا 60 هرتز تولید می شود و از ژنراتور بسته به تعداد قطب ها باید با سرعت ثابتی بچرخد مثلا" برای تولید توان 60هرتز در یک ماشین دو قطب رتور باید با سرعت 3600 دور در دقیقه بچرخد . برای تولید توان 50هرتز در یک ماشین 4 قطب ، رتور باید با سرعت 1500 دور دردقیقه دوران کند . سرعت مورد نیاز یک فرکانس مفروض همیشه از معادله زیر قابل محاسبه است :

برای مشاهده این محتوا لطفاً ثبت نام کنید یا وارد شوید.

• ورود
• یا
• ثبت نام

f = فرکانس

n = سرعت مکانیکی

P = تعداد قطب ها

ولتاژ القایی در استاتور به شار در ماشین ، فرکانس یا سرعت چرخش ، و ساختمان ماشین بستگی دارد . ولتاژ تولیدی داخلی مستقیما" متناسب با شار و سرعت است ولی خود شار به جریان جاری در مدار میدان رتور بستگی دارد. .ولتاژ درونی برابر ولتاژ خروجی نیست چندین فاکتور ، عامل اختلاف بین این دو هست :

 

1. اعوجاج موجود در میدان مغناطیسی فاصله هوا به علت جریان جاری در استاتور که به آن عکس العمل آرمیچر می گویند.
   
2. خود القایی بوبین های آرمیچر
   
3. مقاومت بوبین های آرمیچر
   
4. تاثیر شکل قطب ها ی برجسته رتور
   

وقتی یک ژنراتور کار می کند و بار های سیستم را تغذیه می کند آنگاه :

 

1. توان مستقیم و رآکتیو تولیدی بوسیله ژنراتور برابر با مقدار توان تقاضا شده بوسیله بار متصل شده به آن است .
   
2. نقاط تنظیم گاورنر ژنراتور ، فرکانس کار سیستم قدرت را کنترل می نماید.
   
3. جریان میدان ( یانقاط تنظیم رگولاتور میدان ) ولتاژ پایانه سیستم قدرت را کنترل می نماید.
   

این وضعیتی است که در ژنراتورهای جدا و به فواصل دور از هم وجود دارد.

[am in 25041]

مولد های ac یا آلترناتورها درست مثل مولدهای dc براساس القاء الکترومغناطیس کار می کنند ، آنها نیز شامل یک سیم پیچ آرمیچر و یک میدان مغناطیسی هستند اما یک اختلاف مهم بین این دو وجود دارد ، در حالی که در ژنراتورهای dc آرمیچر چرخیده می شود و سیستم میدان ثابت است در آلترناتورها آرایش عکس وجود دارد.

آلترناتورها یک ژنراتور ساده بدون کموتاتور ، یک جریان الکتریکی متناوب تولید می کنند ، چنین جریان متناوبی مزیت زیادی دارد برای انتقال توان الکتریکی و از این رو بیشتر ژنراتورهای الکتریکی بزرگ از نوع ac هستند. ژنراتور ac در دو حالت خاص با ژنراتور dc فرق می کند . پایانه های سیم پیچ آرمیچرش بیرون هستند . برای حلقه های لغزان جزئی شده ی جامد روی شفت (میله ) ژنراتور به جای کموتاتور و سیم پیچ های میدان توسط یک منبع dc خارجی تغذیه انرژی می شود تااینکه توسط خود ژنراتور این کار انجام شود . ژنراتور ها ی ac سرعت پایینی با تعداد زیادی قطب در حدود 100 قطب ساخته می شوند. هم برای بهبود بازه شان و هم برای دست یافتن به فرکانس دلخواه به آسانی . آلترناتورها با توربین های سرعت بالا راه اندازی می شوند . فرکانس جریان گرفته شده توسط ژنراتور ac مساوی است با نیمی از تعداد قطبها و تعداد چرخش آرمیچر در ثانیه.

بخاطر احتمال جرقه زنی بین جاروبک ها و حلقه های لغزان و خطر شکستهای مکانیکی که ممکن است سبب اتصال کوتاه شود. آلترناتورها به یک سیم پیچ ساکن که بدور یک رتور می چرخد و این رتور شامل تعدادی آهنربای مغناطیسی میدان هستند ساخته می شوند. اصل عملکرد آنها نیز دقیقا" مشابه عملکرد ژنراتورهای ac توصیف شده اند.

[am in 25041]

شركت ABB اخیرا ژنراتوری با ولتاژ بالا ابداع كرده است . این ژنراتور بدون نیاز به ترانسفورماتور افزاینده بطور مستقیم به شبكه قدرت متصل می گردد . ایده جدید بكار گرفته شده در این طرح استفاده از كابل به عنوان سیم پیچ استاتور می باشد . ژنراتور ولتاژ بالا برای هر كاربرد در نیروگاههای حرارتی و آبی مناسب می باشد . راندمان بالا ، كاهش هزینه های تعمیر و نگهداری ، تلفات كمتر ، تأثیرات منفی كمتر بر محیط زیست ( با توجه به مواد بكار رفته ) از مزایای این نوع ژنراتور می باشد . ژنراتور ولتاژ بالا در مقایسه با ژنراتورهای معمولی در ولتاژ بالا و جریان پائین كار می كند . ماكزیمم ولتاژ خروجی این ژنراتور با تكنولوژی كابل محدود می گردد كه در حال حاضر با توجه به تكنولوژی بالای ساخت كابلها میتوان ولتاژ آنرا تا سطح 400 كیلو ولت طراحی نمود . هادی استفاده شده در ژنراتور ولتاژ بالا بصورت دوار می باشد در حالیكه در ژنراتورهای معمولی این هادی بصورت مثلثی می باشد در نتیجه میدان الكتریكی در ژنراتورهای ولتاژ بالا یكنواخت تر می باشد . ابعاد سیم پیچ بر اساس ولتاژ سیستم و ماكزیمم قدرت ژنراتور تعیین می گردد . در ژنراتورهای ولتاژ بالا لایه خارجی كابل در تمام طول كابل زمین می گردد ، این امر موجب می شود كه میدان الكتریكی در طول كابل محدود گردد و دیگر مانند ژنراتورهای معمولی نیاز به كنترل میدان در ناحیه انتهایی سیم پیچ نباشد .

جزیی ( Partialdischarge) در هیچ ناحیه ای از سیم پیچ وجود ندارد و همچنین ایمنی افراد بهره بردار و یا تعمیركار افزایش می یابد . سربندیها و اتصالات معمولا در فضای خالی مورد دسترس در محل انجام می گیرد ، بنابراین محل این اتصالات در یك نیروگاه نسبت به نیروگاه دیگر متفاوت می باشد ، اما در هر حال این اتصالات در خارج از هسته استاتور می باشد ، برای مثال اتصالات و سربندیها ممكن است زیر ژنراتور و یا خارج از قاب استاتور ( Statorframe ) انجام گیرد . بدین ترتیب اتصالات و سربندیها ، مشكلات ناشی از ارتعاشات و لرزش های بوجود آمده در ماشین های معمولی را نخواهند داشت .

در طرح كنونی ژنراتور ولتاژ بالا دو نوع سیستم خنك كنندگی وجود دارد ، روتور و سیم پیچ های انتهایی توسط هوا خنك می گردند در حالیكه استاتور توسط آب خنك می گردد . سیستم خنك كنندگی آب شامل لوله های XLPE قرار گرفته شده در هسته استاتور می باشد كه آب از این لوله ها جریان می یابد و هسته استاتور را خنك نگه می دارد .

مقایسه جریان اتصال كوتاه در نیروگاه مجهز به ژنراتور ولتاژ بالا با نیروگاه مجهز به ژنراتور معمولی نشان می دهد كه به دلیل اینكه در نیروگاه با ژنراتور ولتاژ بالا راكتانس ترانسفورماتور حذف می گردد جریانهای خطا كوچكتر می باشد .

[am in 25041]

دف از انجام این تحقیق بررسی سیر تحقیقات انجام شده با موضوع طراحی ژنراتور سنكرون است. به این منظور، بررسی مقالات منتشر شده ieee كه با این موضوع مرتبط بودند، در دستور كار قرار گرفت. به عنوان اولین قدم كلیه مقالات مرتبط در دهه‌های مختلف جستجو و بر مبنای آنها یك تقسیم‌بندی موضوعی انجام شد. سپس سعی شد بدون پرداختن به جزییات، سیرتحولات استخراج‌ شود. رویكرد كلی این بوده است كه تحولات دارای كاربرد صنعتی بررسی شود.

با توجه به گستردگی موضوع و حجم مطالب، این گزارش در دو بخش ارایه شده است. در بخش اول ابتدا پیشرفتهای اولیه ژنراتورهای سنكرون از آغاز تا دهه 1970 بررسی شده است و در ادامه تحولات دهه‌های 1970 و 1980 به تفصیل مورد توجه قرار گرفته‌اند. در پایان هر دهه یك جمعبندی از كل فعالیتهای صورت گرفته ارایه و سعی شده است ارتباط منطقی پیشرفتهای هر دهه با دهه‌های قبل و بعد بیان شود. ماشین سنكرون همواره یكی از مهمترین عناصر شبكه قدرت بوده و نقش كلیدی در تولید انرژی الكتریكی و كاربردهای خاص دیگر ایفاء كرده است.

ساخت اولین نمونه ژنراتور سنكرون به انتهای قرن 19 برمی‌گردد. مهمترین پیشرفت انجام شده در آن سالها احداث اولین خط بلند انتقال سه فاز از لافن به فرانكفورت آلمان بود. دركانون این تحول؛ یك هیدروژنراتور سه فاز 210 كیلووات قرار گرفته بود.

علیرغم مشكلات موجود در جهت افزایش ظرفیت وسطح ولتاژ ژنراتورها، در طول سالهای بعد تلاشهای گسترده‌ای برای نیل به این مقصود صورت گرفت.

مهمترین محدودیتها در جهت افزایش ظرفیت، ضعف عملكرد سیستمهای عایقی و نیز روشهای خنك‌سازی بود. در راستای رفع این محدودیتها تركیبات مختلف عایقهای مصنوعی، استفاده از هیدروژن برای خنك‌سازی و بهینه‌سازی روشهای خنك‌سازی با هوا نتایج موفقیت‌آمیزی را در پی داشت به نحوی كه امروزه ظرفیت ژنراتورها به بیش از mva1600 افزایش یافته است.

در جهت افزایش ولتاژ، ابداع پاورفرمر در انتهای قرن بیستم توانست سقف ولتاژ تولیدی را تا حدود سطح ولتاژ انتقال افزایش دهد به نحوی كه برخی محققان معتقدند در سالهای نه چندان دور، دیگر نیازی به استفاده از ترانسفورماتورهای افزاینده نیروگاهی نیست.

همچنین امروزه تكنولوژی ژنراتورهای ابررسانا بسیار مورد توجه است. انتظار می‌رود با گسترش این تكنولوژی در ژنراتورهای آینده، ظرفیتهای بالاتر در حجم كمتر قابل دسترسی باشند.

[am in 25041]

ژنراتور سنكرون تاریخچه‌ای بیش از صد سال دارد. اولین تحولات ژنراتور سنكرون در دهه 1880 رخ داد. در نمونه‌های اولیه مانند ماشین جریان مستقیم، روی آرمیچر گردان یك یا دو جفت سیم‌پیچ وجود داشت كه انتهای آنها به حلقه‌های لغزان متصل می‌شد و قطبهای ثابت روی استاتور، میدان تحریك را تامین می‌كردند. به این طرح اصطلاحاً قطب خارجی می‌گفتند. در سالهای بعد نمونه دیگری كه در آن محل قرار گرفتن میدان و آرمیچر جابجا شده بود مورد توجه قرار گرفت. این نمونه كه شكل اولیه ژنراتور سنكرون بود، تحت عنوان ژنراتور قطب داخلی شناخته و جایگاه مناسبی در صنعت‌برق پیدا كرد. شكلهای مختلفی از قطبهای مغناطیسی و سیم‌پیچهای میدان روی رتور استفاده شد، در حالی كه سیم‌پیچی استاتور، تكفاز یا سه‌فاز بود. محققان بزودی دریافتند كه حالت بهینه از تركیب سه جریان متناوب با اختلاف فاز نسبت به هم بدست می‌آید. استاتور از سه جفت سیم‌پیچ تشكیل شده بود كه در یك طرف به نقطه اتصال ستاره و در طرف دیگر به خط انتقال متصل بودند.

در واقع ایده ماشین جریان متناوب سه فاز، مرهون تلاشهای دانشمندان برجسته‌ای مانند نیكولا تسلا، گالیلئو فراریس، چارلز برادلی، دبروولسكی، هاسلواندر بود.

هاسلواندر اولین ژنراتور سنكرون سه فاز را در سال 1887 ساخت كه توانی در حدود 8/2 كیلووات را در سرعت 960 دور بر دقیقه (فركانس 32 هرتز) تولید می‌كرد. این ماشین دارای آرمیچر سه فاز ثابت و رتور سیم‌پیچی شده چهار قطبی بود كه میدان تحریك لازم را تامین می‌كرد. این ژنراتور برای تامین بارهای محلی مورد استفاده قرار می‌گرفت.

در سال 1891 برای اولین بار تركیب ژنراتور و خط بلند انتقال به منظور تامین بارهای دوردست با موفقیت تست شد. انرژی الكتریكی تولیدی این ژنراتور توسط یك خط انتقال سه فاز از لافن به نمایشگاه بین‌المللی فرانكفورت در فاصله 175 كیلومتری منتقل می‌شد. ولتاژ فاز به فاز 95 ولت، جریان فاز 1400 آمپر و فركانس نامی 40 هرتز بود. رتور این ژنراتور كه برای سرعت 150 دور بر دقیقه طراحی شده بود، 32 قطب داشت. قطر آن 1752 میلیمتر و طول موثر آن 380 میلیمتر بود. جریان تحریك توسط یك ماشین جریان مستقیم تامین می‌شد. استاتور آن 96 شیار داشت كه در هر شیار یك میله مسی به قطر 29 میلیمتر قرار می‌گرفت. از آنجا كه اثر پوستی تا آن زمان شناخته نشده بود، سیم‌پیچی استاتور متشكل از یك میله برای هر قطب / فاز بود. بازده این ژنراتور 5/96% بود كه در مقایسه با تكنولوژی آن زمان بسیار عالی می‌نمود. طراحی و ساخت این ژنراتور را چارلز براون انجام داد.

در آغاز، اكثر ژنراتورهای سنكرون برای اتصال به توربینهای آبی طراحی می‌شدند، اما بعد از ساخت توربینهای بخار قدرتمند، نیاز به توربوژنراتورهای سازگار با سرعت بالا احساس شد. در پاسخ به این نیاز اولین توربورتور در یكی از زمینه‌های مهم در بحث ژنراتورهای سنكرن، سیستم عایقی است. مواد عایقی اولیه مورد استفاده مواد طبیعی مانند فیبرها، سلولز، ابریشم، كتان، پشم و دیگر الیاف طبیعی بودند. همچنین رزینهای طبیعی بدست آمده از گیاهان و تركیبات نفت خام برای ساخت مواد عایقی مورد استفاده قرارمی‌گرفتند. در سال 1908 تحقیقات روی عایقهای مصنوعی توسط دكتر بایكلند آغاز شد. در طول جنگ جهانی اولی رزین‌های آسفالتی كه بیتومن نامیده می‌شدند، برای اولین بار همراه با قطعات میكا جهت عایق شیار در سیم‌پیچهای استاتور توربوژنراتورها مورد استفاده قرار گرفتند. این قطعات در هر دو طرف، با كاغذ سلولز مرغوب احاطه می‌شدند. در این روش سیم‌پیچهای استاتور ابتدا با نوارهای سلولز و سپس با دو لایه نوار كتان پوشیده می‌شدند. سیم‌پیچها در محفظه‌ای حرارت می‌دیدند و سپس تحت خلا قرار می‌گرفتند. بعد از چند ساعت عایق خشك و متخلخل حاصل می‌شد. سپس تحت خلا، حجم زیادی از قیر داغ روی سیم‌پیچ‌ها ریخته می‌شد. در ادامه محفظه با گاز نیتروژن خشك با فشار 550 كیلو پاسكال پر و پس از چند ساعت گاز نیتروژن تخلیه و سیم‌پیچها در دمای محیط خنك و سفت می‌شدند. این فرآیند وی پی‌آی نامیده می‌شد.

در اواخر دهه 1940 كمپانی جنرال الكتریك به منظور بهبود سیستم عایق سیم‌پیچی استاتور تركیبات اپوكسی را برگزید. در نتیجه این تحقیقات، یك سیستم به اصطلاح رزین ریچ عرضه شد كه در آن رزین در نوارها و یا وارنیش مورد استفاده بین لایه‌ها قرار می‌گرفت.

در دهه‌های 1940 تا 1960 همراه با افزایش ظرفیت ژنراتورها و در نتیجه افزایش استرسهای حرارتی، تعداد خطاهای عایقی به طرز چشمگیری افزایش یافت. پس از بررسی مشخص شد علت اكثر این خطاها بروز پدیده جدا شدن نوار یا ترك خوردن آن است. این پدیده به علت انبساط و انقباض ناهماهنگ هادی مسی و هسته آهنی به وجود می‌آمد. برای حل این مشكل بعد از جنگ جهانی دوم محققان شركت وستینگهاوس كار آزمایشگاهی را بر روی پلی‌استرهای جدید آغاز كرده و سیستمی با نام تجاری ترمالاستیك عرضه كردند.

نسل بعدی عایقها كه در نیمه اول دهه 1950 مورد استفاده قرار گرفتند، كاغذهای فایبرگلاس بودند. در ادامه در سال 1955 یك نوع عایق مقاوم در برابر تخلیه جزیی از تركیب 50 درصد رشته‌های فایبرگلاس و 50 درصد رشته‌های PET بدست آمد كه روی هادی پوشانده می‌شد و سپس با حرارت دادن در كوره‌های مخصوص، PET ذوب شده و روی فایبرگلاس را می‌پوشاند. این عایق بسته به نیاز به صورت یك یا چند لایه مورد استفاده قرار می‌گرفت. عایق مذكور با نام عمومی پلی‌گلاس و نام تجاری داگلاس وارد بازار شد.

مهمترین استرسهای وارد بر عایق استرسهای حرارتی است. بنابراین سیستم‌های عایقی همواره در ارتباط تنگاتنگ با سیستم‌های خنك‌سازی بوده‌اند. خنك‌سازی در ژنراتورهای اولیه توسط هوا انجام می‌گرفت. بهترین نتیجه بدست آمده با این روش خنك‌سازی یك ژنراتور MVA200 با سرعت rpm1800 بود كه در سال 1932 در منطقه بروكلین نیویورك نصب شد. اما با افزایش ظرفیت ژنراتورها نیاز به سیستم خنك‌سازی موثرتری احساس شد. ایده خنك‌سازی با هیدروژن اولین بار در سال 1915 توسط ماكس شولر مطرح شد. تلاش او برای ساخت چنین سیستمی از 1928 آغاز و در سال 1936 با ساخت اولین نمونه با سرعت rpm3600 به نتیجه رسید. در سال 1937 جنرال الكتریك اولین توربوژنراتور تجاری خنك شونده با هیدروژن را روانه بازار كرد. این تكنولوژی در اروپا بعد از سال 1945 رایج شد. در دهه‌های 1950 و 1960 روشهای مختلف خنك‌سازی مستقیم مانند خنك‌سازی سیم‌پیچ استاتور با گاز، روغن و آب پا به عرصه ظهور گذاشتند تا آنجا كه در اواسط دهه 1960 اغلب ژنراتورهای بزرگ با آب خنك می‌شدند. ظهور تكنولوژی خنك‌سازی مستقیم موجب افزایش ظرفیت ژنراتورها به میزان MVA1500 شد.

یكی از تحولات برجسته‌ای كه در دهه 1960 به وقوع پیوست تولید اولین ماده ابررسانای تجاری یعنی نیوبیوم- تیتانیوم بود كه در دهه‌های بعدی بسیار مورد توجه قرار گرفت.

[am in 25041]

در این دهه تحول مهمی در فرآیند عایق كاری ژنراتور رخ داد. قبل از سال 1975 اغلب عایقها را توسط رزینهای محلول در تركیبات آلی فرار اشباع می‌كردند. در این فرآیند، تركیبات مذكور تبخیر و در جو منتشر می‌شد. با توجه به وضع قوانین زیست محیطی و آغاز نهضت سبز در اوایل دهه 1970، محدودیتهای شدیدی بر میزان انتشار این مواد اعمال شد كه حذف آنها را از این فرآیند در پی داشت. در نتیجه استفاده از مواد سازگار با محیط زیست در تولید و تعمیر ماشینهای الكتریكی مورد توجه قرار گرفت. استفاده از رزینهای با پایه آبی یكی از اولین پیشنهاداتی بود كه مطرح شد، اما یك راه‌حل جامعتر كه امروزه نیز مرسوم است، كاربرد چسبهای جامد بود. در همین راستا تولید نوارهای میكای رزین ریچ بدون حلال نیز توسعه یافت.

از دیگر پیشرفتهای مهم این دهه ظهور ژنراتورهای ابررسانا بود. یك ماشین ابررسانا عموماً‌از یك سیم‌پیچ میدان ابررسانا و یك سیم‌پیچ آرمیچر مسی تشكیل شده است. هسته رتور عموماً آهنی نیست، چرا كه آهن به دلیل شدت بالای میدان تولیدی توسط سیم‌پیچی میدان اشباع می‌شود. فقط در یوغ استاتور از آهن مغناطیسی استفاده می‌شود تا به عنوان شیلد و همچنین منتقل كننده شار بین قطبها عمل كند. عدم استفاده از آهن، موجب كاهش راكتانس سنكرون (به حدود pu5/0- 3/0) در این ماشینها شده كه طبعاً موجب پایداری دینامیكی بهتر می‌شود. همانطور كه اشاره شد، اولین ماده ابررسانای تجاری نیوبیوم- تیتانیوم بود كه تا دمای 5 درجه كلوین خاصیت ابررسانایی داشت. البته در دهه‌های بعد پیشرفت این صنعت به معرفی مواد ابررسانایی با دمای عملكرد 110 درجه كلوین انجامید. براین اساس مواد ابررسانا را به دو گروه دما پایین مانند نیوبیوم – تیتانیوم و دما بالا مانند BSCCO-2223 تقسیم می‌كنند. از اوایل دهه 1970 تحقیقات بر روی ژنراتورهای ابررسانا با استفاده از هادیهای دما پایین آغاز شد. در این دهه كمپانی وستینگهاوس تحقیقات برای ساخت یك نمونه دوقطبی را با استفاده هادیهای دماپایین آغاز كرد. نتیجه این پروژه ساخت و تست یك ژنراتور MVA5 در سال 1972 بود.

در سال 1970 كمپانی جنرال الكتریك ساخت یك ژنراتور ابررسانا را با استفاده از هادی‌های دماپایین، با هدف نصب در شبكه آغاز كرد.

ساخت و تست این ژنراتور MVA20، دو قطب و rpm3600 در سال 1979 به پایان رسید. در این ماشین از روش طراحی هسته هوایی بهره‌ گرفته شده بود و سیم‌پیچ میدان آن توسط هلیم مایع خنك می‌شد. این ژنراتور، بزرگترین ژنراتور ابررسانای تست شده تا آن زمان (1979) بود.

در سال 1979 وستینگهاوس و اپری ساخت یك ژنراتور ابررسانای MVA300 را آغاز كردند. این پروژه در سال 1983 به علت شرایط بازار جهانی با توافق طرفین لغو شد.

در همین زمینه كمپانی زیمنس ساخت ژنراتورهای دماپایین را در اوایل دهه 1970 شروع كرد. در این مدت یك نمونه رتور و یك نمونه استاتور با هسته آهنی برای ژنراتور MVA 850 با سرعت rpm3000 ساخته شد، اما به دلیل مشكلاتی تست عملكرد واقعی آن انجام نشد.

در این دهه آلستوم نیز طراحی یك رتور ابررسانا برای یك توربو ژنراتور سنكرون را آغاز كرد. این رتور در یك ماشین MW250 به كار رفت.

با توجه به اهمیت خنك‌سازی در كاركرد مناسب ژنراتورهای ابررسانا، همگام با توسعه این صنعت، طرحهای خنك‌سازی جدیدی ارایه شد. در 1977 اقای لاسكاریس یك سیستم خنك‌سازی دوفاز (مایع- گاز) برای ژنراتورهای ابررسانا ارایه كرد. در این طرح بخشی از سیم‌پیچ در هلیم مایع قرار می‌گرفت و با جوشش هلیم دردمای 2/4 كلوین خنك می‌شد. جداسازی مایع ازگاز توسط نیروی گریز از مركز ناشی از چرخش رتور صورت می‌گرفت. جمع‌بندی تحولات دهه 1970

 

با بررسی مقالات IEEE این دهه (28 مقاله) در موضوعات مختلف مرتبط با ژنراتور سنكرون به نتایج زیر می‌رسیم:

شایان ذكر است بررسی كل مقالات در دهه‌های مختلف نشان می‌دهد كه زمینه‌های اصلی مورد توجه طرحهای بدون جاروبك، سیستمهای خنك‌سازی، سیستمهای تحریك، روشهای عددی، سیستم عایقی، ملاحظات مكانیكی، ژنراتور آهنربای دائم، پاورفرمر و ژنراتورهای ابررسانا بوده‌اند. تمركز اكثر تحقیقات بر روی كاربرد مواد ابررسانا در ژنراتورها بوده است.

استفاده از روشهای كامپیوتری برای تحلیل و طراحی ماشینهای الكتریكی آغاز شد.

 

1. حلالها از سیستمهای عایق كاری حذف شدند و تكنولوژی رزین ریچ بدون حلال ارایه شد.
   

[am in 25041]

در این دهه نیز همچون دهه‌های گذشته سیستم‌های عایقی از زمینه‌های مهم تحقیقاتی بوده است. در این دهه آلستوم یك فرمول جدید اپوكسی بدون حلال كلاس F در تركیب با گلاس فابریك و نوع خاصی از كاغذ میكا با نام تجاری دورتناكس را ارایه داد. این سیستم عایق كاری دارای استحكام مكانیكی بیشتر، استقامت عایقی بالاتر، تلفات دی‌الكتریك پایینتر و مقاومت حرارتی كمتری نسبت به نمونه‌‌های قبلی بود.

در ادامه كار بر روی پروژه‌های ابررسانا، در سال 1988 سازمان توسعه تكنولوژی صنعتی و انرژیهای نو ژاپن پروژه ملی 12 ساله سوپر جی‌ام را آغاز كرد كه نتیجه آن در دهه‌های بعدی به ثمر رسید.

سیستم‌های خنك‌سازی ژنراتورهای ابررسانا هنوز در حال پیشرفت بودند. در این زمینه می‌توان به ارایه طرح سیستم خنك‌سازی تحت فشار توسط انستیتو جایری ژاپن اشاره كرد. این طرح كه در سال 1985 ارایه شد دارای یك مبدل حرارتی پیشرفته و یك مایع‌ساز هلیم با ظرفیت 350 لیتر بر ثانیه بود.

در این مقطع شاهد تحقیقاتی در زمینه مواد آهن‌ربای دائم بودیم. استفاده از آهنرباهای نئودیمیوم – آهن- بورون در این دهه تحول عظیمی در ساخت ماشینهای آهنربای دائم ایجاد كرد. مهمترین خصوصیت آهنرباهای نئودیمیوم- آهن- بورون انرژی مغناطیسی (BHmax) بالای آنهاست كه سبب می شود قیمت هر واحد انرژی مغناطیسی كاهش یابد. علاوه بر این، انرژی زیاد تولیدی امكان به كارگیری آهنرباهای كوچكتر را نیز فراهم می‌كند، بنابراین اندازه سایر اجزا ماشین از قبیل قطعات آهن و سیم‌پیچی نیز كاهش می‌یابد و در نتیجه ممكن است هزینه كل كمتر شود. شایان ذكر است حجم بالایی از تحقیقات انجام شده این دهه در زمینه ژنراتورهای بدون جاروبك و خودتحریكه برای كاربردهای خاص بوده كه به علت عمومیت نیافتن در صنعت ژنراتورهای نیروگاهی از شرح آنها صرفنظر می شود. جمع‌بندی تحولات دهه 1980

 

با بررسی مقالات IEEE این دهه (41 مقاله) در موضعات مختلف مرتبط با ژنراتور سنكرون به نتایج زیر می‌رسیم:

 

1. تمركز موضوعی مقالات در شكل نشان داده شده است.
   
2. روشهای قبلی عایق كاری به منظور كاهش مقاومت حرارتی عایق بهبود یافت.
   
3. مطالعات وسیعی روی ژنراتورهای سنكرون بدون جاروبك بدون تحریك صورت گرفت.
   
4. فعالیت روی پروژه‌های ژنراتورهای ابررسانای آغاز شده در دهه قبل ادامه یافت.
   
5. سیستمهای خنك‌سازی جدیدی برای ژنراتورهای ابررسانا ارایه شد.
   
6. روش اجزای محدود در طراحی و تحلیل ژنراتورهای سنكرون خصوصاً ژنراتورهای آهنربای دائم به شكل گسترده‌ای مورد استفاده قرار گرفت.
   

هدف از انجام این تحقیق بررسی سیر تحقیقات انجام شده با موضوع طراحی ژنراتور سنكرون است. به این منظور، بررسی مقالات منتشر شده در IEEE كه با این موضوع مرتبط بودند، در دستور كار قرار گرفت. به عنوان اولین قدم كلیه مقالات مرتبط در دهه‌های مختلف جستجو و بر مبنای آنها یك تقسیم‌بندی موضوعی انجام شد. سپس سعی شد بدون پرداختن به جزییات، سیر تحولات استخراج شود. رویكرد كلی این بوده كه تحولات دارای كاربرد صنعتی بررسی شوند.

با توجه به گستردگی موضوع و حجم مطالب این گزارش در دو بخش ارایه شده است. در بخش اول پیشرفتهای ژنراتورهای سنكرون از آغاز تا انتهای دهه 1980 بررسی شد. در این بخش تحولات این صنعت از ابتدای دهه 1990 تاكنون مورد توجه قرار گرفته است. در پایان هر دهه یك جمعبندی از كل فعالیتهای صورت گرفته ارایه و سعی شده است ارتباط منطقی بین پیشرفتهای هر دهه با دهه‌های قبل و بعد بیان شود.

در پایان گزارش با توجه به تحقیقات انجام شده و در حال انجام، تلاش شده نمایی از پیشرفتهای عمده مورد انتظار در سالهای آینده ترسیم شود.