سیر تکاملی ژنراتورهای سنکرون
سیر تکاملی ژنراتورهای سنکرون
قسمت های چرخشی و ثابت یک ماشین الکتریکی را می توان به ترتیب روتور و استاتور نامید. روتور یا استاتور ماشین های الکتریکی به عنوان یک قطعه تولید کننده انرژی عمل می کند و به آن آرماتور گفته می شود. از الکترومغناطیس ها یا آهنرباهای دائمی که بر روی استاتور یا روتور نصب شده اند برای تهیه میدان مغناطیسی یک دستگاه برقی استفاده می شود. ژنراتوری که در آن از آهنربای دائمی به جای سیم پیچ استفاده می شود تا زمینه تحریک را فراهم کند، به عنوان مولد همزمان آهنربا آهنربای دائمی یا به سادگی به عنوان مولد سنکرون شناخته می شود. ژنراتور سنکرون به ژنراتوری گفته میشود که با سرعت ثابت میچرخد تا ولتاژ و جریان با فرکانس ثابت را تولید بنماید.
در کشور ما این فرکانس 50 هرتز میباشد این بدین معنی است که روتور با سرعت 1500 دور در دقیقه میچرخد . چنانچه این سرعت کم یا زیاد بشود فرکانس تغییر خواهد کرد و این تغییر فرکانس به شبکه توزیع آسیب خواهد رساند. به همین دلیل تجهیزاتی در سیستم توزیع استفاده میگردد تا هیچ وقت فرکانس تغییر نکند. به عبارت دیگر مولد با سیستم توزیع سنکرون میباشد.
ساخت ژنراتور سنکرون
به طور کلی، ژنراتور سنکرون از دو بخش روتور و استاتور تشکیل شده است. قسمت روتور از قطب های میدانی و قسمت استاتور از رساناهای آرماتور تشکیل شده است. چرخش قطب های میدانی در حضور هادی های آرماتور باعث ایجاد ولتاژ متناوب می شود که منجر به تولید برق می شود.
این ژنراتور چگونه کار می‌کند؟
جریان مستقیم “DC” در ژنراتور سنکرون به سیم پیچ روتور وارد میشود تا یک میدان مغناطیسی اطراف روتور ایجاد کند. این روتور به وسیله یک نیروی خارجی به چرخش در آمده و بدینگونه یک میدان مغناطیسی در درون ماشین ژنراتور ایجاد میشود. میدان مغناطیسی ایجاد شده در سیم پیچ‌های استاتور یک مجموعه ولتاژ سه فاز القاء‌شده ایجاد می‌کند. هرچقدر میزان چرخش روتور بیشتر باشد، فرکانس و میزان برق تولید شده ژنراتور سنکرون هم بیشتر میشود. در ژنراتور سنکرون سیم پیچ‌های میدان مغناطیسی در روتور قرار می‌گیرند و روتورِ ژنراتور مانند یک الکترومغناطیس بزرگ عمل می‌کند. روتور قطبهای مغناطیسی دارد که این قطبهای مغناطیسی به صورت برجسته و صاف هستند. قطب برجسته از سطح روتور برآمدگی دارد و قطب صاف هم سطح با آن است. روتورهایی که قطب صاف دارند معمولا برای دستگاه‌های دو یا چهارقطبی به کار می‌روند.
تاریخچه
ژنراتور سنکرون تاریخچه‌ای بیش از صد سال دارد. اولین تحولات ژنراتور سنکرون در دهه ۱۸۸۰ رخ داد. در نمونه‌های اولیه مانند ماشین جریان مستقیم، روی آرمیچر گردان یک یا دو جفت سیم‌پیچ وجود داشت که انتهای آنها به حلقه‌های لغزان متصل می‌شد و قطبهای ثابت روی استاتور، میدان تحریک را تامین می‌کردند. به این طرح اصطلاحاً قطب خارجی می‌گفتند. در سالهای بعد نمونه دیگری که در آن محل قرار گرفتن میدان و آرمیچر جابجا شده بود مورد توجه قرار گرفت. این نمونه که شکل اولیه ژنراتور سنکرون بود، تحت عنوان ژنراتور قطب داخلی شناخته و جایگاه مناسبی در صنعت‌برق پیدا کرد. شکلهای مختلفی از قطبهای مغناطیسی و سیم‌پیچهای میدان روی رتور استفاده شد، در حالی که سیم‌پیچی استاتور، تکفاز یا سه‌فاز بود. محققان بزودی دریافتند که حالت بهینه از ترکیب سه جریان متناوب با اختلاف فاز نسبت به هم بدست می‌آید. استاتور از سه جفت سیم‌پیچ تشکیل شده بود که در یک 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 نیکولا تسلا، گالیلئو فراریس، چارلز برادلی، دبروولسکی، هاسلواندر بود. هاسلواندر اولین ژنراتور سنکرون سه فاز را در سال ۱۸۸۷ ساخت که توانی در حدود ۸/۲ کیلووات را در سرعت ۹۶۰ دور بر دقیقه (فرکانس ۳۲ هرتز) تولید می‌کرد. این ماشین دارای آرمیچر سه فاز ثابت و رتور سیم‌پیچی شده چهار قطبی بود که میدان تحریک لازم را تامین می‌کرد. این ژنراتور برای تامین بارهای محلی مورد استفاده قرار می‌گرفت. در سال ۱۸۹۱ برای اولین بار ترکیب ژنراتور و خط بلند انتقال به منظور تامین بارهای دوردست با موفقیت تست شد. انرژی الکتریکی تولیدی این ژنراتور توسط یک خط انتقال سه فاز از لافن به نمایشگاه بین‌المللی فرانکفورت در فاصله ۱۷۵ کیلومتری منتقل می‌شد. ولتاژ فاز به فاز ۹۵ ولت، جریان فاز ۱۴۰۰ آمپر و فرکانس نامی ۴۰ هرتز بود. رتور این ژنراتور که برای سرعت ۱۵۰ دور بر دقیقه طراحی شده بود، ۳۲ قطب داشت. قطر آن ۱۷۵۲ میلیمتر و طول موثر آن ۳۸۰ میلیمتر بود. جریان تحریک توسط یک ماشین جریان مستقیم تامین می‌شد. استاتور آن ۹۶ شیار داشت که در هر شیار یک میله مسی به قطر ۲۹ میلیمتر قرار می‌گرفت. از آنجا که اثر پوستی تا آن زمان شناخته نشده بود، سیم‌پیچی استاتور متشکل از یک میله برای هر قطب / فاز بود. بازده این ژنراتور ۵/۹۶% بود که در مقایسه با تکنولوژی آن زمان بسیار عالی می‌نمود. طراحی و ساخت این ژنراتور را چارلز براون انجام داد. در آغاز، اکثر ژنراتورهای سنکرون 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 یکی از زمینه‌های مهم در بحث ژنراتورهای سنکرن، سیستم عایقی است. مواد عایقی اولیه مورد استفاده مواد طبیعی مانند فیبرها، سلولز، ابریشم، کتان، پشم و دیگر الیاف طبیعی بودند. همچنین رزینهای طبیعی بدست آمده از گیاهان و ترکیبات نفت خام برای ساخت مواد عایقی مورد استفاده قرارمی‌گرفتند. در سال ۱۹۰۸ تحقیقات روی عایقهای مصنوعی توسط دکتر بایکلند آغاز شد. در طول جنگ جهانی اولی رزینهای آسفالتی که بیتومن نامیده می‌شدند، برای اولین بار همراه با قطعات میکا جهت عایق شیار در سیم‌پیچهای استاتور توربوژنراتورها مورد استفاده قرار گرفتند. این قطعات در هر دو طرف، با کاغذ سلولز مرغوب احاطه می‌شدند. در این روش سیم‌پیچهای استاتور ابتدا با نوارهای سلولز و سپس با دو لایه نوار کتان پوشیده می‌شدند. سیمپیچها در محفظه‌ای حرارت می‌دیدند و سپس تحت خلا قرار می‌گرفتند. بعد از چند ساعت عایق خشک و متخلخل حاصل می‌شد. سپس تحت خلا، حجم زیادی از قیر داغ روی سیمپیچها ریخته می‌شد. در ادامه محفظه با گاز نیتروژن خشک با فشار ۵۵۰ کیلو پاسکال پر و پس از چند ساعت گاز نیتروژن تخلیه و سیمپیچها در دمای محیط خنک و سفت می‌شدند. این فرآیند وی پی‌آی نامیده می‌شد. در اواخر دهه ۱۹۴۰ کمپانی جنرال الکتریک به منظور بهبود سیستم عایق سیم‌پیچی استاتور ترکیبات اپوکسی را برگزید. در دهه‌های ۱۹۴۰ تا ۱۹۶۰ 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 اکثر این خطاها بروز پدیده جدا شدن نوار یا ترک خوردن آن است. این پدیده به علت انبساط و انقباض ناهماهنگ هادی مسی و هسته آهنی به وجود می‌آمد. برای حل این مشکل بعد از جنگ جهانی دوم محققان شرکت وستینگهاوس کار آزمایشگاهی را بر روی پلی‌استرهای جدید آغاز کرده و سیستمی با نام تجاری ترمالاستیک عرضه کردند. نسل بعدی عایقها که در نیمه اول دهه ۱۹۵۰ مورد استفاده قرار گرفتند، کاغذهای فایبرگلاس بودند. در ادامه در سال ۱۹۵۵ یک نوع عایق مقاوم در برابر تخلیه جزیی از ترکیب ۵۰ درصد رشته‌های فایبرگلاس و ۵۰ درصد رشته‌های PET بدست آمد که روی هادی پوشانده می‌شد و سپس با حرارت دادن در کوره‌های مخصوص، PET ذوب شده و روی فایبرگلاس را می‌پوشاند. این عایق بسته به نیاز به صورت یک یا چند لایه مورد استفاده قرار می‌گرفت. عایق مذکور 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 خنک‌سازی بوده‌اند. خنک‌سازی در ژنراتورهای اولیه توسط هوا انجام می‌گرفت. بهترین نتیجه بدست آمده با این روش خنک‌سازی یک ژنراتور MVA200 با سرعت rpm1800 بود که در سال ۱۹۳۲ در منطقه بروکلین نیویورک نصب شد. اما با افزایش ظرفیت ژنراتورها نیاز به سیستم خنک‌سازی موثرتری احساس شد. ایده خنک‌سازی با هیدروژن اولین بار در سال ۱۹۱۵ توسط ماکس شولر مطرح شد. تلاش او برای ساخت چنین سیستمی از ۱۹۲۸ آغاز و در سال ۱۹۳۶ با ساخت اولین نمونه با سرعت rpm3600 به نتیجه رسید. در سال ۱۹۳۷ جنرال الکتریک اولین توربوژنراتور تجاری خنک شونده با هیدروژن را روانه بازار کرد. این تکنولوژی در اروپا بعد از سال ۱۹۴۵ رایج شد. در دهه‌های ۱۹۵۰ و ۱۹۶۰ روشهای مختلف خنک‌سازی مستقیم مانند خنک‌سازی سیم‌پیچ استاتور با گاز، روغن و آب پا به عرصه ظهور گذاشتند تا آنجا که در اواسط دهه ۱۹۶۰ اغلب ژنراتورهای بزرگ با آب خنک می‌شدند. ظهور تکنولوژی خنک‌سازی مستقیم موجب افزایش ظرفیت ژنراتورها به میزان MVA1500 شد. یکی از تحولات برجسته‌ای که در دهه ۱۹۶۰ به وقوع پیوست تولید اولین ماده ابررسانای تجاری یعنی نیوبیوم- تیتانیوم بود که در دهه‌های بعدی بسیار مورد توجه قرار گرفت.
تحولات دهه ۱۹۷۰
شایان ذکر است بررسی کل مقالات در دهه‌های مختلف نشان می‌دهد که زمینه‌های اصلی مورد توجه طرحهای بدون جاروبک، سیستمهای خنک‌سازی، سیستمهای تحریک، روشهای عددی، سیستم عایقی، ملاحظات مکانیکی، ژنراتور آهنربای دائم، پاورفرمر و ژنراتورهای ابررسانا بوده‌اند. تمرکز اکثر تحقیقات بر روی کاربرد مواد ابررسانا در ژنراتورها بوده است. استفاده از روشهای کامپیوتری برای تحلیل و طراحی ماشینهای الکتریکی آغاز شد. 1. حلالها از سیستمهای عایق کاری حذف شدند و تکنولوژی رزین ریچ بدون حلال ارایه شد.
تحولات دهه ۱۹۸۰
با بررسی مقالات IEEE این دهه (۴۱ مقاله) در موضعات مختلف مرتبط با ژنراتور سنکرون به نتایج زیر می‌رسیم:
- روشهای قبلی عایق کاری به منظور کاهش مقاومت حرارتی عایق بهبود یافت.
- مطالعات وسیعی روی ژنراتورهای سنکرون بدون جاروبک بدون تحریک صورت گرفت.
- فعالیت روی پروژه‌های ژنراتورهای ابررسانای آغاز شده در دهه قبل ادامه یافت.
- سیستمهای خنک‌سازی جدیدی برای ژنراتورهای ابررسانا ارایه شد.
- روش اجزای محدود در طراحی و تحلیل ژنراتورهای سنکرون خصوصاً ژنراتورهای آهنربای دائم به شکل گسترده‌ای مورد استفاده قرار گرفت.
هدف از انجام این تحقیق بررسی سیر تحقیقات انجام شده با موضوع طراحی ژنراتور سنکرون است. به این منظور، بررسی مقالات منتشر شده در IEEE که با این موضوع مرتبط بودند، در دستور کار قرار گرفت. به عنوان اولین قدم کلیه مقالات مرتبط در دهه‌های مختلف جستجو و بر مبنای آنها یک تقسیم‌بندی موضوعی انجام شد. سپس سعی شد بدون پرداختن به جزییات، سیر تحولات استخراج شود. رویکرد کلی این بوده که تحولات دارای کاربرد صنعتی بررسی شوند. با توجه به گستردگی موضوع و حجم مطالب این گزارش در دو بخش ارایه شده است. در بخش اول پیشرفتهای ژنراتورهای سنکرون از آغاز تا انتهای دهه ۱۹۸۰ بررسی شد. در این بخش تحولات این صنعت از ابتدای دهه ۱۹۹۰ تاکنون مورد توجه قرار گرفته است. در پایان هر دهه یک جمعبندی از کل 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.
تحولات دهه ۱۹۹۰
با بررسی مقالات IEEE این دهه (۱۵۷ مقاله) در موضوعات مختلف مرتبط با ژنراتور سنکرون به نتایج زیر می‌رسیم:
- تمرکز موضوعی مقالات ۲-فعالیت روی ژنراتورهای ابررسانای دمابالا آغاز شد.
- کاربرد سیستمهای تحریک استاتیک و دیجیتال گسترش یافت.
- روشهای کاهش لرزش حین عملکرد ژنراتور مورد توجه قرار گرفت.
- در اوایل دهه رویکرد طراحان بهبود عملکرد سیستمهای خنک‌سازی هیدروژنی بود،
- تکنولوژی پاورفرمر ابداع شد.
- رویکرد طراحان از افزایش ظرفیت ژنراتورها به سمت ارایه طرحهای برنده- برنده یعنی کیفیت و هزینه مورد قبول برای مشتری و تولید‌کننده تغییر کرد.
تحولات ۲۰۰۰ به بعد
با بررسی مقالات IEEE این سالها (۱۴۹ مقاله) در موضوعات مختلف مرتبط با ژنراتور سنکرون به نتایج زیر می‌رسیم:
- تمرکز موضوعی مقالات
- تلاشهای زیادی برای بهبود هدایت حرارتی عایق سیم‌پیچی استاتور خنک شونده با هوا با هدف رسیدن به ظرفیتهای بالاتر صورت گرفت.
- پاورفرمرها در نیروگاههای مختلف نصب شدند.
- فعالیت روی پروژه‌های ژنراتورهای ابررسانای دمابالا آغاز شده در دهه قبل ادامه یافت.
- کاربرد سیستمهای تحریک دیجیتال به خصوص سیستمهای با چند ریزپردازنده گسترش یافت.
- استفاده از روشهای عددی در طراحی و آنالیز ژنراتورهای سنکرون به ویژه سیستمهای خنک‌سازی بسیار گسترش یافت.
نتیجه‌گیری
ژنراتورهای سنکرون همواره حجم عمده‌ای از تحقیقات را در دهه‌های مختلف به خود اختصاص داده‌اند، تا جایی که بعد از گذشت بیش از ۱۰۰ سال از ارایه اولین نوع ژنراتور سنکرون همچنان شاهد ظهور تکنولوژیهای جدید دراین عرصه هستیم. تکنولوژیهای کلیدی کماکان مسائل عایق کاری و خنک‌سازی هستند. تکنولوژی پیشرفته تولید ژنراتور و ریسک بالقوه موجود باعث شده است تعداد سازندگان مستقل ژنراتور کاهش یابد متاسفانه، علی‌رغم اینکه بالا بردن نقطه زانویی اشباع مواد مغناطیسی می‌تواند تاثیر به سزایی در پیشرفت ژنراتورها داشته باشد، تاکنون دستاورد مهمی در این زمینه حاصل نشده است. البته تلاشهایی در گذشته برای کاهش تلفات الکتریکی لایه‌های هسته صورت گرفته است، اما پیشرفتهای حاصله منوط به کاهش ضخامت لایه‌ها یا افزایش غیرقابل قبول قیمت آنهاست. متاسفانه پیشرفت مهمی نیز در آینده پیش‌بینی نمی‌شود. نیاز امروزه بازار ژنراتورهایی است که به نحوی پکیج شده باشند که به راحتی در سایت قابل نصب باشند. پکیجهایی که از یکپارچگی بالایی برخوردارند به طوری که نویز حاصل از عملکرد 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 تحریک نیز در این پکیجها تعبیه شده است و تقریباً بی‌نیاز از نگهداری هستند. پیش‌بینی میشود روند جایگزینی سیستمهای خنک‌سازی هیدروژنی به وسیله سیستمهای خنک سازی با هوا ادامه یابد و این در حالی است که بهبود بازده سیستمهای خنک‌سازی هیدروژنی همچنان مورد توجه است. با توجه به حجم گسترده تحقیقات در حال انجام روی ژنراتورهای ابررسانای دمابالا، تولید گسترده اینگونه ژنراتورها در آینده نزدیک 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 کردن سیمهای دمابالا به منظور ایجاد شکل سه‌بعدی مناسب سیم‌پیچی رتور درنواحی انتهایی سیم‌پیچ
• استفاده از سیم‌پیچی لایه‌‌ای به جای سیم‌پیچی‌های پنکیک به منظور حداقل سازی اتصالات بین کویلها از موضوعات قابل توجه دیگری که پیش‌بینی میشود صنعت ژنراتور را در سالهای آینده تحت تاثیر قراردهد، تولید انبوه پاورفرمر و رسیدن به سطوح بالاتر ولتاژ است به طوریکه در آینده نزدیک پاور فرمرهایی با ولتاژ KV170 برای نیروگاههای توربو ژنراتوری و KV200 برای نیروگاههای هیدروژنراتوری ساخته خواهند شد و امید است که سطح ولتاژ خروجی آنها به KV400 هم برسد. انتظار می‌رود پیشرفت سیستمهای عایقی ادامه یابد. ممکن است از تکنولوژیهای جدید عایقی مانند سیستمهای عایق پلیمری پیشرفته استفاده شود و این سیستمها بتوانند با نوارهای میکا-گلاس امروزی رقابت کنند. این پیشرفتها می‌تواند به بهبود کابلهای پاور فرمر نیز بینجامد.
نظر خود را بنویسید