سیر تكاملی ژنراتورهای سنكرون

[آریوبرزن 13988]

سیر تكاملی ژنراتورهای سنكرون

(از ابتدا تا پایان دهه 1980)

 

هدف 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.

[آریوبرزن 13988]

تاریخچه

 

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.

[آریوبرزن 13988]

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.

[آریوبرزن 13988]

تحولات دهه 1970

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:

 

1- 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.

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

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

[آریوبرزن 13988]

تحولات دهه 1980

 

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.

[آریوبرزن 13988]

تحولات دهه 1990

 

در این دهه نیز همچون دهه‌های گذشته تلاشهای زیادی در جهت بهبود سیستمهای عایقی صورت گرفت. در این میان می‌توان به ارایه سیستمهای عایق میكاپال كه توسط كمپانی جنرال الكتریك از تركیب انواع آلكیدها و اپوكسیها در سال 1990 بدست آمده بود، اشاره كرد. درسال 1992 شركت وستینگهاوس الكتریك یك سیستم جدید عایق سیم‌پیچ رتور كلاس F را ارایه كرد. این سیستم شامل یك لایه اپوكسی ‌گلاس بود كه با چسب پلی‌آمید- اپوكسی روی هادی مسی چسبانده می‌شد. مقاومت در برابر خراشیدگی، استرسهای الكتریكی و مكانیكی و كاهش زوال حرارتی از مزایای این سیستم بود. گروه صنعتی ماشینهای الكتریكی و توربین نانجینگ عایق سیم‌پیچ رتور جدیدی از جنس نومكس اشباع شده با وارنیش چسبی را در سال 1998 ارایه كرد. از مهمترین مزایای این سیستم می‌توان به انعطاف‌پذیری و استقامت عایقی، بهبود اشباع شوندگی با وارنیش، تمیزكاری آسان و عدم جذب رطوبت اشاره كرد. در اواخر دهه 1990 تلاشهایی برای افزایش هدایت گرمایی عایقها صورت گرفت. آقای میلر از شركت زیمنس- وستینگهاوس روشی را ارایه كرد كه در آن لایه پركننده مورد استفاده در طرحهای قبلی به وسیله رزینهای مخصوصی جایگزین می‌شد. مزیت اصلی این روش پرشدن فاصله هوایی بین لایه پركننده و دیواره استاتور بود كه موجب می‌شد هدایت گرمایی عایق استاتور به طرز چشمگیری افزایش پیدا كند.

دراین دهه مسائل مكانیكی در عملكرد ماشینهای سنكرون بیشتر مورد توجه قرار گرفت. در سال 1993 آقای جانگ از دانشگاه بركلی روشی برای كاهش لرزش در ژنراتورهای آهنربای دائم ارایه كرد. لرزش در ژنراتورهای آهنربای دائم در اثر نیروهای جذبی اعمال شده توسط آهنرباهای دائم گردان به استاتور است. در این روش لرزشها با استفاده از سنسورهای ماكسول، روش اجزاء محدود و بسط فوریه مورد بررسی قرار می‌گرفت و نهایتاً برای كاهش لرزشها، ابعاد هندسی جدیدی برای آهنرباها ارایه می‌شد البته با این شرط كه كارایی ماشین افت نكند.

 

همزمان با پیشرفتهای مذكور، افزایش سرعت و حافظه كامپیوترها و ظهور نرم‌افزارهای قدرتمند موجب شد تا راه برای استفاده از كامپیوترها در تحلیل و طراحی ژنراتورهای سنكرون بیش از پیش باز شود. در سال 1995 آقای كوان روشی برای طراحی سیستمهای خنك‌سازی با هیدروژن ارایه كرد كه بر مبنای محاسبات كامپیوتری دینامیك شاره پایه‌ریزی شده بود. دراین روش بااستفاده از یك مدل معادل سیستم خنك‌سازی، توزیع دما در بخشهای مختلف ژنراتور پیش‌بینی می‌شد.

 

نحوه پیاده‌سازی سیستمهای خنك‌سازی نیز از جمله موضوعاتی بود كه مورد توجه قرار گرفت. در سال 1995 اقای آیدیر تاثیر مكان حفره‌های تهویه برمیدان مغناطیسی ژنراتور سنكرون را با استفاده از روش اجزاء محدود مورد بررسی قرار داد و نشان داد كه انتخاب مكان مناسب حفره‌های تهویه جهت جلوگیری از افزایش جریان مغناطیس‌كنندگی و پدیده اشباع بسیار حائز اهمیت است. مكان حفره‌ها تاثیر قابل توجهی بر شار یوغ دارد.

 

از مهمترین تحولاتی كه در این دهه در زمینه ژنراتورهای ابررسانا صورت گرفت می‌توان به نتایج پروژه سوپرجی‌ام كه از دهه قبل در ژاپن آغاز شده بود، اشاره كرد. حاصل این پروژه ساخت و تست سه مدل رتور ابررسانا برای یك استاتور بود. مدل اول كه در تركیب با استاتور، خروجی MW79 را می‌داد در سال 1997 و مدل دوم در سال 1998 با خروجی MW7/79 تست شد. نهایتاً مدل سوم كه دارای یك سیستم تحریك پاسخ سریع بود در سال 1999 تست و در شبكه قدرت نصب شد.

 

با بكارگیری مواد ابررسانای دمابالا در این دهه، تكنولوژی ژنراتورهای سنكرون ابررسانا وارد مرحله جدیدی شد. كمپانی جنرال الكتریك طراحی، ساخت و تست یك سیم‌پیچ دمابالا را در اواسط این دهه به پایان رساند. در ادامه، همكاری وستینگهاوس و شركت ابررسانای آمریكا به طراحی یك ژنراتور ابررسانای دما‌بالای 4 قطب، rpm1800، Hz60 انجامید.

 

این دهه شاهد پیشرفتهای مهمی در زمینه سیستمهای تحریك مانند ظهور سیستمهای تحریك استاتیك الكترونیكی بود. استفاده از اینگونه سیستمها باعث انعطاف‌پذیری در طراحی سیستمهای تحریك و جذب مشكلات نگهداری جاروبك در اكسایترهای گردان می‌شد. یكی از اولین نمونه‌های این سیستمها در سال 1997 توسط آقای شافر از كمپانی باسلر الكتریك آلمان ارایه شد.

 

در این مقطع زمانی كاربرد سیستمهای دیجیتال در تحریك ژنراتورها آغاز شد. یكی از اولین نمونه‌های سیستم تحریك دیجیتالی، سیستمی بود كه در سال 1999 توسط آقای ارسگ از دانشگاه زاگرب كرواسی ارایه شد.

 

در ادامه تلاشهای صورت گرفته برای بهبود خنك‌سازی، شركت زیمنس- وستینگهاوس طرح یك ژنراتور بزرگ با خنك‌سازی هوایی را در سال 1999 ارایه داد. ارایه این طرح آغازی بر تغییر طرحهای خنك‌سازی از هیدروژنی به هوایی بود. استفاده از عایقهای استاتور نازك دمابالا و كاربرد محاسبات كامپیوتری دینامیك شاره موجب اقتصادی شدن این طرح نسبت به خنك‌سازی هیدروژنی شد.

پایان دهه 90 مصادف با ظهور تكنولوژی پاورفرمر بود. در اوایل بهار سال 1998 دكتر لیجون از كمپانی ABB سوئد، ایده تولید انرژی الكتریكی در ولتاژهای بالا را ارایه كرد. مهمترین ویژگی این طرح استفاده از كابلهای فشار قوی پلی‌اتیلن متقاطع معمول در سیستمهای انتقال و توزیع در سیم‌پیچی استاتور است.

 

در این طرح به علت سطح ولتاژ بسیار بالا از كابلهای استوانه‌ای به منظور حذف تخلیه جزیی و كرونا استفاده می‌شود.

 

در سال 1998 اولین نمونه پاورفرمر در نیروگاه پرجوس واقع در شمال سوئد نصب شد. این پاورفرمر دارای ولتاژ نامی KV45، توان نامی MVA11 و سرعت نامی rpm600 بود.

یكی از مسائل مهم مطرح در پاورفرمر فیكس شدن دقیق كابلها در شیارها به منظور جلوگیری از تخریب لایه بیرونی نیمه هادی كابل در اثر لرزشها است. به این منظور كابلها را با استفاده از قطعات مثلثی سیلیكون – رابر فیكس می‌كنند.

 

به علت پایین بودن جریان سیم‌پیچ استاتور پاورفرمر تلفات مسی ناچیز است، لذا استفاده از یك مدار خنك‌سازی آبی كافی است. سیستم خنك‌سازی دمای عملكرد كابلها را در حدود 70 درجه سانیگراد نگه می‌دارد، در حالی كه طراحی عایقی كابلها برای دمای نامی 90 درجه انجام شده است. لذا می‌توان پاورفرمر را بدون مشكل خاصی زیر اضافه بار برد.

 

جمعبندی تحولات دهه 1990

با بررسی مقالات IEEE این دهه (157 مقاله) در موضوعات مختلف مرتبط با ژنراتور سنكرون به نتایج زیر می‌رسیم:

1- تمركز موضوعی مقالات

2- فعالیت روی ژنراتورهای ابررسانای دمابالا آغاز شد.

3- كاربرد سیستمهای تحریك استاتیك و دیجیتال گسترش یافت.

4- روشهای كاهش لرزش حین عملكرد ژنراتور مورد توجه قرار گرفت.

5- در اوایل دهه رویكرد طراحان بهبود عملكرد سیستمهای خنك‌سازی هیدروژنی بود، اما در اواخر دهه سیستمهای خنك‌سازی با هوا به دلایل زیر مجدداً مورد توجه قرار گرفتند:

الف) تولید عایقهای استاتور نازكتر با مقاومت حرارتی پایینتر

ب) ظهور روشهای محاسبات كامپیوتری دینامیك شاره

ج) ارزانی و سادگی ساخت سیستمهای خنك‌سازی با هوا

6- تكنولوژی پاورفرمر ابداع شد.

7- رویكرد طراحان از افزایش ظرفیت ژنراتورها به سمت ارایه طرحهای برنده- برنده یعنی كیفیت و هزینه مورد قبول برای مشتری و تولید‌كننده تغییر كرد.

[آریوبرزن 13988]

تحولات 2000 به بعد

 

همچون دهه‌های پیش، روند روزافزون استفاده از روشهای عددی خصوصاً‌روش اجزاء محدود ادامه یافت. آقای زولیانگ یك روش اجزاء محدود جدید را با بهره‌گیری از عناصر قوسی شكل در مختصات استوانه‌ای ارایه كرد. مزایای این روش دقت زیاد و فرمولبندی ساده بود. این روش برای تحلیل میدان درشكلهای استوانه‌ای مانند ماشینهای الكتریكی بسیار مناسب است.

 

در سال 2004 آقای شولت روش نوینی برای طراحی ماشینهای الكتریكی ارایه داد كه تركیبی از روش اجزاء محدود و روشهای تحلیلی بود. از روش تحلیلی برای طراحی اولیه بر مبنای گشتاور، جریان و سرعت نامی و از روش اجزاء محدود برای تحلیل دقیق میدانها به منظور تكامل طرح اولیه استفاده می‌شد. به این ترتیب زمان و هزینه مورد نیاز طراحی كاهش می‌یافت.

 

در زمینه عایق تلاشها جهت بهبود هدایت گرمایی در سال 2001 به ارایه یك سیستم با هدایت گرمایی بالا توسط كمپانیهای توشیبا و ونرول ایزولا انجامید. اثر بهبود هدایت گرمایی دراین سیستم نسبت به سیستم معمول مشهود است.

 

در زمینه ژنراتورهای ابررسانا می‌توان به تحولات زیر اشاره كرد. در سال 2002 كمپانی جنرال‌الكتریك برنامه‌ای را با هدف ساخت و تست یك ژنراتور MVA100 آغاز كرده است. هسته رتور و استاتور این ژنراتور مانند ژنراتورهای معمولی است. هدف این است كه یك رتور معمولی بتواند میدان حاصل از سیم‌پیچی ابررسانا را بدون اشباع شدن از خودعبور دهد. مهمترین قسمتهای این پروژه، سیم‌پیچ میدان دمابالا و سیستم خنك‌سازی است

 

از سال 2000 به بعد فعالیتهای گسترده‌ای در جهت ساخت و نصب پاورفرمرها صورت گرفته است كه نتیجه آن نصب چندین پاورفرمر در نیروگاههای مختلف است. این پاورفرمها و مشخصات آنها عبارتند از:

 

• پاورفرمر نیروگاه توربو ژنراتوری اسكیلزتونا سوئد با مشخصات KV136، MVA42، rpm3000

• پاورفرمر نیروگاه هیدرو ژنراتوری پرسی سوئد با مشخصات kv155، MVA75، rpm125

• پاورفرمر نیروگاه هیدروژنراتوری هلجبرو سوئد با مشخصات KV78، MVA25، rpm4/115

• پاورفرمر نیروگاه هیدرو ژنراتوری میلرگریك كانادا با مشخصات KV25، MVA8/32، rpm720

• پاورفرمر نیروگاه هیدروژنراتوری كاتسورازاوا با مشخصات KV66، MVA9، rpm5/428

 

جمعبندی تحولات 2000 به بعد

 

با بررسی مقالات IEEE این سالها (149 مقاله) در موضوعات مختلف مرتبط با ژنراتور سنكرون به نتایج زیر می‌رسیم:

1- تمركز موضوعی مقالات

2- تلاشهای زیادی برای بهبود هدایت حرارتی عایق سیم‌پیچی استاتور خنك شونده با هوا با هدف رسیدن به ظرفیتهای بالاتر صورت گرفت.

3- پاورفرمرها در نیروگاههای مختلف نصب شدند.

4- فعالیت روی پروژه‌های ژنراتورهای ابررسانای دمابالا آغاز شده در دهه قبل ادامه یافت.

5- كاربرد سیستمهای تحریك دیجیتال به خصوص سیستمهای با چند ریزپردازنده گسترش یافت.

6- استفاده از روشهای عددی در طراحی و آنالیز ژنراتورهای سنكرون به ویژه سیستمهای خنك‌سازی بسیار گسترش یافت.

[آریوبرزن 13988]

نتیجه‌گیری

 

ژنراتورهای سنكرون همواره حجم عمده‌ای از تحقیقات را در دهه‌های مختلف به خود اختصاص داده‌اند، تا جایی كه بعد از گذشت بیش از 100 سال از ارایه اولین نوع ژنراتور سنكرون همچنان شاهد ظهور تكنولوژیهای جدید دراین عرصه هستیم. تكنولوژیهای كلیدی كماكان مسائل عایق كاری و خنك‌سازی هستند.

تكنولوژی پیشرفته تولید ژنراتور و ریسك بالقوه موجود باعث شده است تعداد سازندگان مستقل ژنراتور كاهش یابد.

متاسفانه، علی‌رغم اینكه بالا بردن نقطه زانویی اشباع مواد مغناطیسی می‌تواند تاثیر به سزایی در پیشرفت ژنراتورها داشته باشد، تاكنون دستاورد مهمی در این زمینه حاصل نشده است. البته تلاشهایی در گذشته برای كاهش تلفات الكتریكی لایه‌های هسته صورت گرفته است، اما پیشرفتهای حاصله منوط به كاهش ضخامت لایه‌ها یا افزایش غیرقابل قبول قیمت آنهاست. متاسفانه پیشرفت مهمی نیز در آینده پیش‌بینی نمی‌شود.

نیاز امروزه بازار ژنراتورهایی است كه به نحوی پكیج شده باشند كه به راحتی در سایت قابل نصب باشند. پكیجهایی كه از یكپارچگی بالایی برخوردارند به طوری كه نویز حاصل از عملكرد ژنراتور را در خود نگاه می‌دارند، در برابر شرایط جوی مقاومند، ترانسفورماتور جریان و ترانسفورماتور ولتاژ دارند، نقطه نوترال در آنهاتعبیه شده و حفاظت اضافه ولتاژ دارند. همچنین سیستم تحریك نیز در این پكیجها تعبیه شده است و تقریباً بی‌نیاز از نگهداری هستند.

 

پیش‌بینی می‌شود روند جایگزینی سیستمهای خنك‌سازی هیدروژنی به وسیله سیستمهای خنك سازی با هوا ادامه یابد و این در حالی است كه بهبود بازده سیستمهای خنك‌سازی هیدروژنی همچنان مورد توجه است.

با توجه به حجم گسترده تحقیقات در حال انجام روی ژنراتورهای ابررسانای دمابالا، تولید گسترده اینگونه ژنراتورها در آینده نزدیك قابل پیش‌بینی است. پیشرفتهای مورد نیاز در این زمینه به شرح زیر است:

 

• تولید هادیهای رشته‌ای و استفاده از آنها به جای نوارهای دمابالای امروزی جهت افزایش چگالی جریان

• افزایش قابلیت خم كردن سیمهای دمابالا به منظور ایجاد شكل سه‌بعدی مناسب سیم‌پیچی رتور درنواحی انتهایی سیم‌پیچ

• استفاده از سیم‌پیچی لایه‌‌ای به جای سیم‌پیچی‌های پنكیك به منظور حداقل سازی اتصالات بین كویلها

از موضوعات قابل توجه دیگری كه پیش‌بینی می‌شود صنعت ژنراتور را در سالهای آینده تحت تاثیر قراردهد، تولید انبوه پاورفرمر و رسیدن به سطوح بالاتر ولتاژ است به طوریكه در آینده نزدیك پاور فرمرهایی با ولتاژ kv170 برای نیروگاههای توربو ژنراتوری و kv200 برای نیروگاههای هیدروژنراتوری ساخته خواهند شد و امید است كه سطح ولتاژ خروجی آنها به kv400 هم برسد.

 

انتظار می‌رود پیشرفت سیستمهای عایقی ادامه یابد. ممكن است از تكنولوژیهای جدید عایقی مانند سیستمهای عایق پلیمری پیشرفته استفاده شود و این سیستمها بتوانند با نوارهای میكا-گلاس امروزی رقابت كنند. این پیشرفتها می‌تواند به بهبود كابلهای پاور فرمر نیز بینجامد.