[Zohreh Gholami]

ساختمان و اساس کار ژنراتورها

مقدمه:
هدف از انجام این تحقیق بررسی سیر تحقیقات انجام شده با موضوع ژنراتورها(ساختمان و اساس کار و سیر تکاملی ژنراتوها به خصوص ژنراتورهای 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 آن ها استخراج شد.

ژنراتورها همواره یکی از مهم ترین 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 ۱۹ برمی گردد. مهم ترین پیشرفت انجام شده در آن سال ها احداث اولین خط بلند انتقال سه فاز از لافن به فرانکفورت آلمان بود. در کانون این تحول، یک هیدروژنراتور سه فاز ۲۱۰ کیلو وات قرار گرفته بود. عیلرغم مشکلات موجود در جهت افزایش ظرفیت و سطح ولتاژ ژنراتورها، در طول سال های بعد تلاش های گسترده ای برای نیل به این هدف صورت گرفت. مهم ترین محدودیت ها در جهت افزایش و سطح ولتاژ ژنراتورها، ضعف عملکرد سیستم های عایقی و نیز روش های خنک سازی بود. در راستای رفع این محدودیت ها ترکیبات مختلف عایق های مصنوعی، استفاده از هیدروژن برای خنک سازی و بهینه سازی روش های خنک سازی با هوا نتایج موفقیت آمیزی را در پی داشت به نحوی که امروزه ظرفیت ژنراتورها به بیش از ۱۶۰۰DC 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.


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 می شود 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 معمولاً 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:
۱) 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.
۲) هیدرو ژنراتورها: 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.
۳) دیزل ژنراتورها: در قدرت های کوچگ و اظطراری وسیله گرداننده رتور دیزل است که در این موره هم قطب های رتور آن برجسته می باشد.


ساختمان و اساس کار ژنراتور سنکرون
در یک ژنراتور سنکرون یک جریان dc به سیم پیچ رتور اعمال می گردد تا یک میدان مغناطیسی رتور اعمال می گردد تا یک میدان مغناطیسی رتور اعمال می گردد تا یک میدان مغناطیسی رتور تولید شود. سپس روتور مربوط به ژنراتور به وسیله یک محرک اصلی چرخاند می شود، تا یک میدان مغناطیسی دوار در ماشین به وجود 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 ها ی میدان به سیم پیچ هایی گفته می شود که میدان مغناطیسی اصلی را در ماشین تولید می کند. عبارت سیم پیچ های آرمیچر به سیم پیچ هایی اطلاق می شود که ولتاژ اصلی در آن القاء می شود برای ماشین های سنکرون، سیم پیچ های میدان در رتور است.

روتور ژنراتور سنکرون در اصل یک آهن ربای الکتریکی بزرگ است. قطب های مغناطیسی در رتور می تواند از نوع برجسته و غیر برجسته باشد. کلمه برجسته به معنی (قلمبیده )است و قطب برجسته یک قطب مغناطیسی خارج شده از سطح رتور می باشد. از طرف دیگر یک قطب برجسته، یک قطب مغناطیسی هم سطح با سطح رتور است. یک رتور غیر برجسته یا صاف معمولاً برای موارد ۲ یا چهار قطبی به کار می روند. در حالی که رتور های برجسته برای ۴ قطب یا بیشتر مورد استفاده هستند. چون در رتور میدان مغناطیسی متغییر 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 ۲ روش موجود است:
۱- از یک منبع بیرونی به رتور با رینگ های لغزان و جاروبک .
۲- فراهم نمودن توان DCاز یک منبع توان DC ، که مستقیماً روی شفت ژنراتورسنکرون 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 باید مرتباً 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 می رود. 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 می گردد. 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 به وجود 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 معمولاً 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 ۵۰ یا ۶۰ هرتز تولید می شود و از ژنراتور بسته به تعداد قطب ها باید با سرعت ثابتی بچرخد مثلاً برای تولید توان ۶۰هرتز در یک ماشین دو قطب رتور باید با سرعت ۳۶۰۰ دور در دقیقه بچرخد. برای تولید توان ۵۰هرتز در یک ماشین ۴ قطب، رتور باید با سرعت ۱۵۰۰ دور دردقیقه دوران کند. سرعت مورد نیاز یک فرکانس مفروض همیشه از معادله زیر قابل محاسبه است:
Fe = فرکانس
V = 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 مستقیماً 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:
۱- اعوجاج موجود در میدان مغناطیسی فاصله هوا به علت جریان جاری در استاتور که به آن عکس العمل آرمیچر می گویند.
۲- خود القایی بوبین های آرمیچر
۳- مقاومت بوبین های آرمیچر
۴- تاثیر شکل قطب ها ی برجسته رتور

وقتی یک ژنراتور کار می کند و بارهای سیستم را تغذیه می کند آنگاه:
۱- توان مستقیم و رآکتیو تولیدی بوسیله ژنراتور برابر با مقدار توان تقاضا شده بوسیله بار متصل شده به آن است.
۲- نقاط تنظیم گاورنر ژنراتور ، فرکانس کار سیستم قدرت را کنترل می نماید.
۳- 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.


مولد های AC یا آلترناتورها:
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 تا اینکه توسط خود ژنراتور این کار انجام شود. ژنراتور ها ی AC سرعت پایینی با تعداد زیادی قطب در حدود ۱۰۰ 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 قطب ها 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.


ژنراتور ها با ولتاژ بالا:
شرکت ABB اخیرا ژنراتوری با ولتاژ بالا ابداع کرده است. این ژنراتور بدون نیاز به ترانسفورماتور افزاینده بطور مستقیم به شبکه قدرت متصل می گردد. ایده جدید به کار گرفته شده در این طرح استفاده از کابل به عنوان سیم پیچ استاتور می باشد. ژنراتور ولتاژ بالا برای هر کاربرد در نیروگاه های حرارتی و آبی مناسب می باشد. راندمان بالا، کاهش هزینه های تعمیر و نگهداری، تلفات کمتر، تأثیرات منفی کمتر بر محیط زیست (با توجه به مواد به کار رفته) از مزایای این نوع ژنراتور می باشد. ژنراتور ولتاژ بالا در مقایسه با ژنراتورهای معمولی در ولتاژ بالا و جریان پائین کار می کند. ماکزیمم ولتاژ خروجی این ژنراتور با تکنولوژی کابل محدود می گردد که در حال حاضر با توجه به تکنولوژی بالای ساخت کابلها میتوان ولتاژ آنرا تا سطح ۴۰۰ کیلو ولت طراحی نمود. هادی استفاده شده در ژنراتور ولتاژ بالا به صورت دوار می باشد در حالی که در ژنراتورهای معمولی این هادی به صورت مثلثی می باشد در نتیجه میدان الکتریکی در ژنراتورهای ولتاژ بالا یکنواخت تر می باشد. ابعاد سیم پیچ بر اساس ولتاژ سیستم و ماکزیمم قدرت ژنراتور تعیین می گردد. در ژنراتورهای ولتاژ بالا لایه خارجی کابل در تمام طول کابل زمین می گردد، این امر موجب می شود که میدان الکتریکی در طول کابل محدود گردد و دیگر مانند ژنراتورهای معمولی نیاز به کنترل میدان در ناحیه انتهایی سیم پیچ نباشد.

جزئی ( Partialdischarge) در هیچ ناحیه ای از سیم پیچ وجود ندارد و همچنین ایمنی افراد بهره بردار و یا تعمیرکار افزایش می یابد. سربندیها و اتصالات معمولا در فضای خالی مورد دسترس در محل انجام می گیرد، بنابراین محل این اتصالات در یک 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 ممکن است زیر ژنراتور و یا خارج از قاب استاتور ( Statorframe ) انجام گیرد. بدین ترتیب اتصالات و سربندی ها ، مشکلات ناشی از ارتعاشات و لرزش های به وجود آمده در ماشین های معمولی را نخواهند داشت.

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

مقایسه جریان اتصال کوتاه در نیروگاه مجهز به ژنراتور ولتاژ بالا با نیروگاه مجهز به ژنراتور معمولی نشان می دهد که به دلیل اینکه در نیروگاه با ژنراتور ولتاژ بالا راکتانس ترانسفورماتور حذف می گردد جریان های خطا کوچکتر می باشد.