ساختمان و اساس کار ژنراتور (4)

ژنراتورها وموتورهاي الكتريكي

ژنراتورها و موتورهاي الكتريكي گروه از وسايل استفاده شده جهت تبديل انرژي مكانيكي به انرژي الكتريكي يا برعكس . توسط وسايل الكترومغناطيس هستند . يك ماشيني كه انرژي الكتريكي به مكانيكي تبديل مي كند موتورنام دارد.و ماشيني كه انرژي مكانيكي را به انرژي الكتريكي تبديل مي كند ژنراتور يا آلترناتور يامتناوب كننده يا دينام ناميده مي شود .
دو اصل فيزيكي مرتبط با عملكردموتورهاوژنراتور ها وجود دارد. اولين اصل فيزيكي اصل القايي الكترومغناطيسي كشف شده توسط مايكل فارادي دانشمند بريتانيايي است. اگر يك هادي در ميان يك ميدان مغناطيسي حركت كند يا اگر طول يك حلقه ي القايي ساكني جهت تغيير استفاده شود. يك جريان ايجاد مي شود يا القا مي شود در كنتاكنتور بحث اين اصل اين است كه در مورد واكنش الكترومغناطيسي بحث مي كند و اين كه اين واكنش در ابتدا توسط آندر مري آمپر در سال 1820 كه دانشمند فرانسوي است كشف شد.اگر يك جريان از ميان يك كنتاكتور كه در ميدان مغناطيسي قرار گرفتند عبور كند . ميدان نيروي مكانيكي بر آن وارد مي كند .
ساده ترين ماشيني هاي ديناموالكتريك ديسك ديناميكي است كه توسعه يافته توسط افرادي است كه آن شامل يك صفحه ي مسي پيچيده شده است. كه اين پيچش از مركز تالبه وجود دارد .و بين قطبهاي يك آهنرباي سمبر اسبي است .
وقتي ديسك مي چرخد يك جريان بين مركز ديسك ولبه ي آن توسط عملكرد ميدان آهنربا القا مي شود كه ديسك يا صفحه ميتواند ساخته شود. جهت عمل كردن به عنوان يك موتور توسط بكار بردن يك ولتاژ بين لبه ي ديسك و مركزش كه اين به علت چرخش ديسك به دنده بدليل نيروي توليد شده توسط واكنش مغناطيس است . ميدان مغناطيسي آهن رباي دائم به اندازه ي كافي براي كار كردن كافي است . كه حتي به عنوان يك موتور يا دينام كوچك بكار مي رود ( كار مي كند). در نتيجه براي ماشين هاي بزرگتر آهنرباي بزرگتري بكار مي رود. هم موتور ها وهم ژنراتورها داراي دو اصل هستند : قسمتها وميدان كه آهنرباي الكترومغناطيسي با سيم پيچ هايش و آرميچر و ساختاري كه از كنتاكتور حمايت مي كند و كار قطع ميدان مغناطيسي وحمل جريان القا شده ژنراتور يا جريان ناگهاني به موتور را دارد است. آرميچر معموﻸ هسته ي نرم آهني اطراف سيم هاي القايي كه دور سيم پيچ ها پيچيده شده اند است.

موتور هاي AC:

دو نوع اساسي موتور ها طراحي شده اند براي عمل كردن بر روي جريان متناوب پولي فاز موتور هاي سنكرون و موتور هاي القايي موتور هاي سنكرون اساسآ يك تناوب گر(آلترناتور) سه فاز است كه بصورت معكوس كار مي كند. آهنربا هاي ميدان روي رتور پيچيده شده اند توسط جريان مستقيم تحريك شده اند و سيم پيچ آرميچر به سه قسمت تقسيم مي شود و با جريان متناوب سه فاز تغذيه مي شوند . تغيير موج هاي سه فاز جرياندر آرميچر واكنش متغيير مغناطيس را با قطبهاي آهنربا هاي ميدان سبب مي شوند. و چرخش ميدان با يك سرعت ثابت كه اي سرعت ثابت توسط فركانس جريان در خط قدرت AC تعيين مي شود را سبب مي گردند سرعت موتور سنكرون در وسايل خاصي سودمند است. همچنين در كاربدهايي كه بار مكانيكي روي موتور خيلي زياد مي شود و نيز موتور هاي سنكرون نمي توانند استفاده شوند. بخاطر اينكه اگر موتور سرعتش كاسته شود تحت بار آن يك مرحله عقب مي ماند . در واقع يك پله كاسته مي شود با فركانس جريان و منجر به توقف موتور مي شود موتور هاي سنكرون مي توانند ساخته شوند براي عملكرد از يك منبع قدرت تك فاز توسط با شاكل شدن عناصر مدار مناسب كه يك ميدان مغناطيسي چرخش را سبب مي شود ساده ترين موتور هاي الكتريكي نوع قفس سنجابي موتور هاي القايي استفاده شده بايد يك تغذيه سه فاز مي باشد استاتور يا ارميچر ساكن از موتور قفس سنجابي شامل سه سيم پيچ ثابت مشابه با آرميچر موتور سنكرون مي باشد عصر چرخشي متشكل از يك هسته: در قسمتي كه يك سري از كنتاكتور ها سنگين نظم داده ومنظم شده اند وقرار گرفته اند بصورت يك دايره در اطراف شافت (ميله) و موازي با آن برداشتني هستند كنتاكتور هاي روتور به شكل قفسه اي استوانه اي و مشابه به ان استفاده مي شوند بصورت سنجابي (كار مي كنند) جريان سه فاز در سيم پيچ هاي استاتور جاري مي شوند و يك ميدان مغناطيسي چرخشي توليد مي كند. اين ميدان يك جريان در كنتاكتور هاي نوع قفسه اي القا مي كند . واكنش مغناطيسي بين ميدان چرخشي و كنتاكتور هاي حامل جريان روتور روتور را به حركت در مي اورند. اگر روتور دقيقآ با سرعت يكساني به مانند ميدان مغناطيسي بچرخد هيچ جرياني در آن القا نخواهد شد. و از اين رو روتور با سرعت سنكرون نبايد به حركت درايد. در عمل سرعتهاي چرخش روتور و ميدان در حدود 2 تا 5 درصد با هم تفاوت دارند. اين تفا وت سرعت بعنوان لغزش معروف است. متور ها با روتور هاي قفس سنجابي مي توانند استفاده شوند روي جريان متناوب تكفاز بوسيله نظم هاي مختلفي از القا و ظرفيت و بر اساس اين دو مورد كه ولتاژ تكفاز را اصلاح مي كند و تغيير مي دهد و آن را به ولتاژ فاز تبديل مي كند چنين موتور هايي بعنوان موتور هاي فاز شكاف (Spelat Phase) مشخص و معروفند يا موتور هاي تعديل كننده يا كند از سر(متور هاي خازني) بر اساس نظم و ترتيب آن ها استفاده مي شوند.
موتور هاي قفس سنجابي تكفاز گشتاور شروع(راه اندازي) زيادي ندارند. و براي به كار انداختن در حالي كه گشتاور زياد است موتور هاي خنثي القايي استفاده مي شود . يك موتور خنثي القايي ممكن است از نوع فاز شكاف باشد. يا از نوع تعديل كننده اما يك سوئيچ يا اتو ماتيك يا دستي دارد كه اجازه مي دهد جريان بين جاروبك هاي كموتاتور وقتي موتور شروع به حركت مي كند. جاري شود و اتصالات كوتاه همه اجزاي كموتاتور بعد از اينكه موتور به يك سرعت تقسيم مي شوند . موتور هاي دفع القايي يا خنثي القايي به اي خاطر ناميده شده اند . كه گشتاور راه اندازيشان وابسته است به دفع بين روتور و استاتور و گشتاورشان در زمان راه اندازي وابسته است به القا موتورهاي سيم پيچي شده ي سري با كموتاتور ها كه بر روي جريان متناوب با جريان مستقيم عمل مي كنند. موتور هاي يونيورسال ناميده مي شوند. آن ها معمولآ فقط در اندازه هاي كوچك ساخته مي شوند و معمولآ در مصارف خانگي كاربرد دارند.

آلتر ناتور هاي جريان متناوب(AC)(آلتر ناتور ها) ژنراتوها:

همانتور كه در بالا گفته شد يك ژنراتور ساده بدون كموتاتور توليد خواهد كرد كه يك جريان الكتريكي كه متناوب مي شوند.در مسير همانطور كه آرميچر مي چرخد چنين جريان متناوبي مزيت زيادي دارد . براي اتقال توان الكتريكي و از اين رو بشترين ژنراتور هاي اللتريكي بزرگ از نوع AC هستند.در ساده ترين شكلش يك ژنراتور AC فقط در دو حالت خاص فرق مي كند با ژنراتور DC پايانه هاي سيم پيچ آرميچرش بيرون هستند. براي حلقه هاي لغزان جزئي شده جامد روي شافت(ميله)ژنراتو بجاي كموتاتور و سيم پيچ هاي ميذان توسط يك منبع DC خارجي تغذيه انرژي مي شوند. تا اينكه توسط خود ژنراتور اين كار انجام مي شود. ژنراتور هاي AC سرعت پاييني با تعداد زيادي در حدود 100 قطب ساخته مي شوند. هم براي بهبود بازده شان و هم براي دست يافتن به فركانس دلخواه به آساني. آلترناتور ها با توربين هاي سرعت بالا راه اندازي مي شوند. همچنين اغلب ماشين هاي دو قطبي هستند. فركانس جريان گرفته شده توسط ژنراتو AC مساوي است با نيمي از تعداد قطبها و تعداد چرخش آرميچر در هر ثانيه. اغلب مطلوب است در مورد ژنراتور كه واتژ بالايي وجود داشته باشد و آرميچر هاي در حال چرخش در چنين كاربرد هايي صرف عمل نمي كنند. بخاطر احتمال جرقه زني بين جاروبكها و حلقه هاي لغزان و خطر شكستهاي مكانيكي كه ممكن است سبب اتصال كوتاه شود . آلترناتور ها بنا بر اين با يك سيم پيچ ساكن كه بدور يك روتور مي چرخد . و اين روتور شامل تعدادي اهنرباي مغناطيسي ميدان هستندساخته مي شوند اصل عملكرد آنها دقيقآ مشابه عملكرد ژنراتور هاي AC توصيف شده اند. بجز اينكه ميدان مغناطيسي(نسبت به كنتاكتور هاي آرميچر) به حركت در مي ايند. جريان توليد شده توسط آلترناتور هاي توصيف شده در بالا به يك پيك مي رسد و به صفر ختم مي شوند و به يك پيك منفي افت مي كنند. و دوباره به سمت صفر مي آيند. و در چند زمان در واقع چندين بار در هر ثانيه بسته به فركانس كه ماشين طراحي شده چنين جريان را جريان متناوب تكفاز ناميده اند. همچنين اگر آرميچر در داخل دو سيم پيچ قرار گيرد. كه اين سيم پيچ ها از زاويه ها و گوشه هاي راست يكديگر كشيده شده اند و با اتصالات خارجي مجزا تهيه شده اند. دو موج جريان توليد خواهد شد. هر كدام در ماكزيممش خواهد بود وقتي كه ديگري به صفر برسد .چنين جرياني را جريان متناوب سه فاز ناميده اند. اگر سه سيم پيچ ارميچر با زواياي 120درجه با يكديگر قرار گيرند جريان به شكل موج سه برابر و كريپل توليد خواهد شد كه به آن جريان متناوب سه فاز گفته مي شود. يك تعداد زيادتري از فازها ممكن است با افرايش تعداد سيم پيچها بدست آمده باشند و گرفته شوند در ارميچر اما در مهندسي برق مدرن جريان متناوب سه فاز بسيا پر كاربرد است و آلترناتور سه فاز ماشيني دينامو الكتريكي است كه بطور كلي براي توليد قدرت الكتريكي (يا توان الكتريكي) بكار مي رود. ولتاژ خاي بالاي 13200 در آلترناتور ها رايج ترند.

ژنراتور الکتریکی

یک ژنراتور الکتریکی دستگاهی است که از یک منبع انرژی مکانیکی تولید انرژی الکتریکی می‌کند. این فرآیند را تولید الکتریسته می‌نامند.
قبل از اینکه ارتباط بین مغناطیس و الکتریسته کشف شود، ژنراتورها از اصول الکتروستاتیک بهره می‌بردند. ماشین ویمشارت از القای الکتروستاتیک یا تأثیر کردن استفاده می‌کرد. ژنراتور واندوگراف از اثر تریبوالکتریک برق مالشی برای جدا سازی بارهای الکتریکی با استفاده از اصطکاک بین عایقها استفاده می‌کرد. ژنراتورهای الکتروستاتیک کارآمد نیستند و تنها برای آزمایشات علمی که نیازمند ولتاژهای بالا است، مناسب هستند.

فارادی

در سال 1831–1832م مایکل فارادی کشف کرد که بین دو سر یک هادی الکتریکی که بصورت عمود بر یک میدان مغناطیسی حرکت می‌کند، اختلاف پتانسیلی ایجاد می‌شود. او اولین ژنراتور الکترومغناطیسی را بر اساس این اثر ساخت که از یک صفحه مسی دوار بین قطبهای یک آهنربای نعل اسبی تشکیل شده بود. این وسیله یک جریان مستقیم کوچک را تولید می کرد.

دینامو

دینامو اولین ژنراتور الکتریکی قادر به تولید برق برای صنعت بود و کماکان مهمترین ژنراتور مورد استفاده در قرن بیست و یکم است. دینامو از اصول الکترومغناطیس برای تبدیل چرخش مکانیکی به یک جریان الکتریکی متناوب ، استفاده می‌کند. اولین دینامو بر اساس اصول فارادی در سال 1832 توسط هیپولیت پیکسی که یک سازنده تجهیزات بود، ساخته شد. این وسیله دارای یک آهنربای دائم بود که توسط یک هندل گردانده می‌شد. آهنربای چرخنده بگونه‌ای قرار داده می‌شد که یک تکه آهن که با سیم پوشانده شده بود، از قطبهای شمال و جنوب آن عبور می‌کرد. پیکسی کشف کرد که آهنربای چرخنده ، هر بار که یک قطبش از سیم پیچ عبور می‌کند، تولید یک پالس جریان در سیم می‌کند. به علاوه قطبهای شمال و جنوب آهنربا جریانها را در جهتهای مختلف القا می‌کنند. پیکسی توانست با اضافه کردن یک کموتاتور جریان متناوب تولیدی به این روش را به جریان مستقیم تبدیل کند.

دیناموی گرام

به هر حال هر دوی این طرحها دارای مشکل یکسانی بودند: آنها پرشهای جریانی القا می‌کردند که از هیچ چیز پیروی نمی‌کرد. یک دانشمند ایتالیایی به نام آنتونیو پاسینوتی این مسأله را با جایگزینی سیم پیچ چرخنده توسط یک سیم پیچ حلقه‌ای که او با سیم پیچی یک حلقه آهنی درست کرده بود، حل کرد. این بدان معنی بود که آهنربا همواره از بخشی سیم پیچ عبور می‌کرد که این مسأله موجب یکنواختی جریان خروجی می‌شد. زنوب گرام چند سال بعد در حین طراحی اولین نیروگاه تجاری در پاریس در دهه 1870م ، این طرح را دوباره ابداع کرد. طراحی وی با نام دینامی گرام معروف است. نسخه‌های مختلف و تغییرات زیادی از آن هنگام تا کنون در این طراحی بوجود آمده است، اما ایده اصلی چرخش یک حلقه بی پایان از سیم ، کماکان قلب تمامی دیناموهای پیشرفته باقی ماند.

مفاهیم

دانستن این مطلب مهم است که ژنراتور تولید جریان الکتریکی می‌کنند و نه بار الکتریکی که در سیمهای سیم پیچی‌اش وجود دارد. این تا حدودی شبیه یک پمپ آب است که ایجاد یک جریان آب می‌کند اما خود آب را ایجاد نمی‌کند. ژنراتورهای الکتریکی دیگری هم وجود دارند، اما بر اساس دیگر پدیده‌های الکتریکی نظیر: پیزو الکتریسته و هیدرو دینامیک مغناطیسی ، ساختار یک دینامو شبیه یک موتور الکتریکی است و تمام انواع عمومی دیناموها می‌توانند مانند موتورها کار کنند. همچنین تمامی انواع عمومی موتورهای الکتریکی می‌توانند مانند یک ژنراتور کار کنند.
ژنراتورهاي الكتريكي اصلاح شده داراي بازده و قابليت اعتماد بيشتري هستند.
ژنراتورهاي‌ توربيني‌ در بيش‌ از 100 سال‌ پيش‌ كه‌ براي‌ اولين‌ بار وارد عرصه‌ كاري‌شدند با هوا خنك‌ مي‌شدند. با اين‌ حال‌ همچنان‌ كه‌ خروجي‌ واحد ژنراتور افزايش‌ پيدا كردنياز به‌ خنك‌كنندگي‌ موثر افزايش‌ يافت‌. اين‌ نياز منجر به‌ تكميل‌ ژنراتورهايي‌ شد كه‌ باهيدروژن‌ و آب‌، خنك‌ مي‌شدند. هدايت‌ حرارتي‌ هيدروژن‌، هفت‌ برابر هوا بوده‌ و با همان‌فشار مطلق‌، چگالي‌ آن‌ يك‌ دهم‌ هواست‌.
پيش‌ از انتخاب‌ نوع‌ سيستم‌خنك‌كنندگي‌ مورد استفاده‌ براي‌ ژنراتور، دوموضوع‌ عمده‌ وجود دارد كه‌ عبارتند از:اندازه‌ مگاولت‌ آمپر ژنراتور و يك‌ سايت‌ هوابا كيفيت‌ خوب‌. با وجود اين‌ كه‌خنك‌كنندگي‌ با هوا نوعا براي‌ واحدهاي‌كوچكتر استفاده‌ مي‌شود هم‌ اكنون‌ اصلاح‌فن‌آوريهاي‌ جديد به‌ هوا اين‌ امكان‌ رامي‌دهد تا براي‌ ژنراتورهايي‌ كه‌ حداكثر30مگاولت‌ آمپر ظرفيت‌ دارند مورد استفاده‌قرار گيرد. ژنراتورهاي‌ الكتريكي‌، حجم‌ زيادي‌ ازهوا را مصرف‌ مي‌كنند. در جايي‌ كه‌ كيفيت‌هوا مساله‌ ساز نيست‌ ژنراتورها با سيستم‌خنك‌كنندگي‌ هواي‌ باز كه‌ بازده‌ بالايي‌ از نظرفيلتراسيون‌ و آب‌ بندي‌ محوري‌ تحت‌ فشاردارند بهترين‌ انتخاب‌ و همچنين‌ داراي‌حداقل‌ هزينه‌ است‌.
سايتهاي‌ نيروگاه‌ قدرت‌ كه‌ داراي‌ ذرات‌ريز و سولفور قابل‌ ملاحظه‌ هستند بايدژنراتورهايي‌ را كه‌ خنك‌كنندگي‌ آنها با آب‌ وهواي‌ محبوس‌ انجام‌ مي‌شود مورد بررسي‌قرار دهند. اين‌ ژنراتورها چنانچه‌ داراي ‌سيستم‌ خنك‌ كنندگي‌ با آب‌ و آب‌ بندي‌محوري‌ تحت‌ فشار با فيلترهاي‌ هواي‌جبراني‌ باشند از نظر فيزيكي‌ بزرگتر هستند.ژنراتورهايي‌ كه‌ خنك‌كنندگي‌ آنها با آب‌ وهواي‌ محبوس‌ صورت‌ مي‌گيرد ازژنراتورهايي‌ كه‌ خنك‌كنندگي‌ آنها با هواي‌ بازانجام‌ مي‌شود گران‌تر بوده‌ و بازده‌ كمتري‌ نيزدارند.
با اين‌ همه‌ در حالي‌ كه‌ ذرات‌ ريز، يك‌موضوع‌ قابل‌ بررسي‌ است‌ و وقتي‌ كه‌مساله‌اي‌ از نظر ذخيره‌سازي‌ هيدروژن‌ درنيروگاه‌ وجود ندارد عموما ژنراتورهايي‌ كه‌ باهيدروژن‌ خنك‌ مي‌شوند انتخاب‌ مناسبي‌ به‌نظر مي‌رسد. با وجود آن‌ كه‌ اين‌ نوع‌ ازژنراتور گرانترين‌ نوع‌ است‌ ولي‌ بالاترين‌بازده‌ را دارد.

سيستم هاي‌ خنك‌ كنندگي‌

طراحي‌ واحدهايي‌ كه‌ با هيدروژن‌خنك‌ مي‌شوند در مقايسه‌ با ژنراتورهايي‌ كه‌با هوا خنك‌ مي‌شوند پيچيده‌تر است‌.سيستمهايي‌ كه‌ با هيدروژن‌ خنك‌ مي‌شوندبه‌ محفظه‌اي‌ كه‌ در مقابل‌ فشار مقاوم‌ باشد ونيز به‌ آب‌ بندي‌ خاص‌ و يك‌ دستگاه‌ تهويه‌گازي‌ نياز دارند. علاوه‌ بر آن‌ سيستمهايي‌ كه‌با هيدروژن‌ خنك‌ مي‌شوند قبل‌ از آن‌ كه‌براي‌ تعمير و نگهداري‌ از سرويس‌ خارج‌شوند بايد با دي‌ اكسيد كربن‌ پاكسازي‌ شوند. همچنين‌ قبل‌ از آن‌ كه‌ مجددٹ از هيدروژن‌ پرشوند و به‌ سرويس‌ بازگردند لازم‌ است‌ بادي‌اكسيد كربن‌ پاكسازي‌ شوند. با وجود آن‌كه‌ ژنراتورهايي‌ كه‌ با هوا خنك‌ مي‌شوند ازنظر فيزيكي‌ بزرگتر از ژنراتورهايي‌ هستند كه‌با هيدروژن‌ خنك‌ مي‌شوند، با اندازه‌ يكسان ‌داراي‌ هزينه‌ اوليه‌ كمتري‌ هستند. به‌ علاوه‌تعمير آنها ساده‌تر و با هزينه‌ كمتر است‌.ژنراتورهاي‌ بزرگي‌ كه‌ با هوا خنك‌ شده‌ ومتعلق‌ به‌ شركت‌ آلستوم‌ هستند عمومٹمجهز به‌ سيستم‌ خنك‌كنندگي‌ آب‌ - هواي ‌محبوس‌ (TEWAC) هستند. در سيستم‌خنك‌كنندگي‌ آب‌ - هوا، ژنراتور به‌ وسيله‌هوا خنك‌ مي‌شود. هواي‌ گرم‌ پس‌ از آن‌ كه‌در خنك‌كن‌هاي‌ آب‌ - هوا سرد شد مجددٹوارد سيكل‌ مي‌شود. در اين‌ واحدهاهاديهاي‌ سيم‌پيچ‌ ميدان‌ روتور تو خالي‌ بوده‌و به‌ صورت‌ محوري‌ خنك‌ مي‌شوند. برخلاف‌ بخش‌ فعال‌ ژنراتورهاي‌ قديمي‌ كه‌ باهوا خنك‌ مي‌شوند، سيم‌پيچهاي‌ ميدان‌جديدتر در هر ماشين‌ داراي‌ دو بخش‌خنك‌كن‌ است‌. در بخش‌ اول‌ جريان‌ هوا اززير استوانه‌ انتهايي‌ مي‌گذرد و قبل‌ از خروج‌به‌ داخل‌ هادي‌ تو خالي‌ جريان‌ پيدا مي‌كند.جريان‌ هواي‌ خنك‌ كن‌ براي‌ بخش‌ دوم‌ ازطريق‌ يك‌ شيار فرعي‌ كه‌ در زير سيم‌ پيچ‌تعبيه‌ شده‌ است‌ صورت‌ مي‌گيرد.
هسته‌ استاتور كه‌ به‌ شكل‌ محوري‌ به‌اتاقهايي‌ تقسيم‌ شده‌ است‌ هواي‌ خنك‌ كننده‌براي‌ استاتور را فراهم‌ مي‌آورد. اين‌ كار باجريان‌ متناوب‌ هوا به‌ داخل‌ و به‌ بيرون‌اتاقكهاي‌ تهويه‌ انجام‌ مي‌شود.
توليدكنندگان‌ با اضافه‌ كردن‌ اتاقكهاي‌تهويه‌ بيشتر نسبت‌ به‌ ماشينهاي‌ ژنراتور كوتاهتر قديمي‌ توانسته‌اند ميزان‌خنك‌كنندگي‌ ژنراتور را بهينه‌ كنند. طبق‌گزارش‌ آلستوم‌، بهينه‌ سازي‌ خنك‌كنندگي‌ واين‌ واقعيت‌ كه‌ هم‌ اكنون‌ خروجيهاي‌بيشتري‌ براي‌ هواي‌ خنك‌ كن‌ روتور وجوددارد توزيع‌ دما در سيم‌پيچ‌ استاتور و هسته‌را يكنواخت‌ كرده‌ است‌.

شكستن‌ مانع‌ 300 كيلوولت‌ آمپري‌

انجام‌ اصلاحات‌، طي‌ چند سال‌ اخير برروي‌ طراحي‌ ژنراتورهايي‌ كه‌ با هوا خنك‌مي‌شوند سبب‌ شده‌ است‌ كه‌ واحدهايي‌توليد شود كه‌ تا چند سال‌ گذشته‌ فقط باژنراتورهايي‌ كه‌ با هيدروژن‌ خنك‌ مي‌شوند امكان‌پذير بود. درطول‌ چهار دهه‌ گذشته‌ظرفيت‌ ژنراتورهايي‌ كه‌ با هوا خنك‌مي‌شوند از 90 مگاولت‌ آمپر به‌ بيش‌ از 300مگاولت‌ آمپر افزايش‌ يافته‌ است‌.
يكي‌ از توليدكنندگان‌ (آلستوم‌) خروجي‌ژنراتورهايي‌ كه‌ با هوا خنك‌ مي‌شوند را تا33 درصد افزايش‌ داده‌ است‌. اين‌ كار باافزايش‌ قطر روتور و طول‌ فعال‌ آن‌ به‌ ميزان‌10 درصد اجرا شده‌ است‌. افزايش‌ خطي‌ژنراتور نيز حجم‌ Slot (يكي‌ از شيارهاي‌نگهدارنده‌ رسانا در سطح‌ روتور يا استاتوريك‌ ماشين‌ گردنده‌ الكتريكي‌) را بزرگتر كرده‌و در نتيجه‌ سيم‌پيچهاي‌ بيشتري‌ قابل‌ اضافه‌كردن‌ بود.
متاسفانه‌ وقتي‌ قطر روتور افزايش‌ داده‌مي‌شود اتلاف‌ سيم‌پيچ‌ نيز افزايش‌ مي‌يابد.بخش‌ قابل‌ توجهي‌ از اتلاف‌ سيم‌ پيچي‌ناشي‌ از اصطكاك‌ سطح‌ است‌.
ژنراتورها ديگري‌ كه‌ توسط آلستوم‌تكميل‌ شده‌ يك‌ ماشين‌ 50 هرتز 500مگاولت‌ آمپري‌ است‌. اين‌ ماشين‌ يك‌پيشرفت‌ عمده‌ در فن‌ آوري‌ ژنراتورهايي‌ كه‌با هوا خنك‌ مي‌شوند بوده‌ و خنك‌كنندگي‌آن‌ به‌ شكل‌ معكوس‌ امكان‌پذير شد. درخنك‌كنندگي‌ معكوس‌، فنها در بالا دست‌كولر قرار مي‌گيرند و به‌ اين‌ ترتيب‌ بخش‌فعال‌ ژنراتور به‌ طور مستقيم‌ و بدون ‌هيچ‌گونه‌ پيش‌ گرمايشي‌ از هوايي‌ كه‌ ازكولرها مي‌آيد بهره‌مند مي‌شود. هوايي‌ كه‌ به‌طور مستقيم‌ از فنها تامين‌ شده‌ است‌همچنان‌ كه‌ از درون‌ فن‌ عبور مي‌كند،پيش‌گرم‌ مي‌شود.
هوا در پايين‌ دست‌ كولرها در ابتدا ازيك‌ ناحيه‌ مخلوط عبور مي‌كند كه‌ توزيع ‌همگني‌ از هواي‌ سرد را به‌ ورودي‌ ژنراتورمي‌رساند. حتي‌ اگر يك‌ كولر، خارج‌ ازسرويس‌ باشد اين‌ نوع‌ از خنك‌كنندگي‌ به‌ژنراتور اين‌ امكان‌ را مي‌دهد كه‌ با75 درصداز خروجي‌ اسمي‌ خود كار كند.
محفظه‌ ژنراتور 500 مگاولت‌ آمپرآلستوم‌ كه‌ با هوا خنك‌ مي‌شود كاملاجوشكاري‌ شده‌ و داراي‌ ياتاقانهايي‌ است‌ كه‌بر روي‌ محفظه‌اي‌ نصب‌ شده‌ و از يك‌سيستم‌ خنك‌كننده‌ بسته‌ استفاده‌ مي‌كند.ابتكار طراحي‌ عمده‌ ديگر آن‌ است‌ كه‌ژنراتور با راه‌ آهن‌ قابل‌ حمل‌ونقل‌ است‌.

بررسي‌ اصلاحات‌

در حالي‌ كه‌ بيش‌ از 20 سال‌ از كار اغلب‌نيروگاههاي‌ قدرت‌ ايالات‌متحده‌ مي‌گذرد متخصصان‌ نيروگاههاي‌ توليد برق‌ در جست‌و جوي‌ راههايي‌ بوده‌اند تا قابليت‌ اعتماد ودر دسترس‌ بودن‌ ژنراتورهاي‌ قديمي‌ رابهبود بخشند. غير از جايگزيني‌ ژنراتورها،برخي‌ از ژنراتورهاي‌ قديمي‌تر را معمولا مي‌توان‌ با سيم‌ پيچي‌ مجدد استاتورها ونوكردن‌ exciter (ژنراتور كمكي‌ كوچكي‌ كه‌جريان‌ ميداني‌ لازم‌ را براي‌ ژنراتوري‌ باجريان‌ متناوب‌ فراهم‌ مي‌كند) اصلاح‌ كرد.
دبليوجي‌ مور مدير مهندسي‌ كويل‌برق‌ ملي‌ در كلمبوس‌ اوهايو مي‌گويد كه‌ درهنگام‌ اصلاح‌ و بازسازي‌ ژنراتورهاي‌الكتريكي‌، يكي‌ از اولين‌ مراحل‌، آن‌ است‌ كه‌شرايط فورجينگ‌ روتور ارزيابي‌ شود.
در غير از مواردي‌ كه‌ مسائل‌ جدي‌ بروز كندجايگزين‌ كردن‌ روتور، لازم‌ نيست‌. هرگونه‌تركي‌ كه‌ در سوراخها پيدا شود عموما ازفركانس‌ پايين‌ و ناشي‌ از تنشهاي‌ چرخشي‌در اثناي‌ شروع‌ بكار و توقف‌ واحد است‌.
با اين‌ همه‌ چنين‌ تركهايي‌ را نبايد ناديده‌گرفت‌ چرا كه‌ مي‌توانند منجر به‌ گسيختگي‌كاتاستروفيك‌ روتور شوند. به‌ گفته‌ >مور<قبل‌ از بازگرداندن‌ يك‌ روتور قديمي‌تر به‌سرويس‌ بايد سوراخها به‌ طور كامل‌ بازرسي‌شوند تا شرايط كيفي‌ آنها براي‌ كاركرددرازمدت‌ تاييد شود.
علاوه‌ بر بازرسي‌ چشمي‌ سوراخ‌،آزمايشهاي‌ مغناطيسي‌ و ماوراي‌ بنفش‌UT نيز بايد اجرا شود. هرگونه‌ مسأله‌سطحي‌ را مي‌توان‌ با سنگ‌ زدن‌ سوراخ‌،اصلاح‌ كرد. با اين‌ حال‌، تركهاي‌ عميق‌تر بايدبا سوراخ‌ كردن‌ برداشته‌ شوند.
محلهاي‌ دندانه‌ دار روتور مي‌تواند درشعاعهاي‌ ماهيچه‌اي‌ بالاي‌ دندانه‌، ايجادترك‌ كند. اين‌ سوراخها را مي‌توان‌ با بازرسي‌چشمي‌، آزمايش‌ با جريان‌ گردابي‌ (آزمايش‌غير تخريبي‌ كه‌ در آن‌ تغيير امپدانس‌ يك‌كويل‌ آزمايش‌ كه‌ به‌ نزديك‌ نمونه‌ هادي‌آورده‌ شده‌ است‌ جريانهاي‌ گردابي‌ ايجادشده‌ به‌ وسيله‌ كويل‌ را از خود نشان‌ مي‌دهدو در نتيجه‌ برخي‌ از خواص‌ يا معايب‌ نمونه‌را آشكار مي‌كند)، نافذ رنگي‌ (مايعي‌ داراي‌رنگ‌ كه‌ براي‌ تشخيص‌ تركها يا ساير معايب‌سطحي‌ مواد غير مغناطيسي‌ بكار مي‌رود) ويا با آزمايش‌ ذرات‌ مغناطيسي‌ مرطوب‌،آشكار كرد. با اين‌ همه‌ >مور< مي‌گويد: >هيچ‌گزارشي‌ از وقفه‌ اجباري‌ ناشي‌ از تركهاي‌دندانه‌دار، ثبت‌ نشده‌ است‌. تركهاي‌ كوچك‌را مي‌توان‌ با بزرگ‌ كردن‌ شعاع‌ ماهيچه‌،برداشت‌ به‌ طور ي‌ كه‌ در عين‌ حال‌ تركهاي‌بزرگتر نياز به‌ برداشتن‌ بالاي‌ دندانه‌ها وسپس‌ بازسازي‌ يك‌ حلقه‌ حايل‌ طولاني‌تردارند<.
هنگامي‌ كه‌ رطوبت‌، وجود داشته‌ باشد حلقه‌هاي‌ حايل‌ غير مغناطيسي‌ از جنس‌5Cr 18Mn نسبت‌ به‌ تنش‌ ترك‌ خوردگي‌تاثير پذيرند و در اثناي‌ هر گونه‌ اصلاح‌ژنراتور بايد تعويض‌ شوند. معمولا اين‌ نوع‌حلقه‌ها با حلقه‌هايي‌ از جنس‌18 Cr 18Mn تعويض‌ مي‌شوند. طبق‌گزارش‌ G.E. فولاد ضد زنگ‌ غير مغناطيسي‌18-18 نسبت‌ به‌ تنش‌ ترك‌ خوردگي‌ مقاوم‌است‌.
ترك‌ خوردگي‌ شيار فنري‌ شبه‌ بست‌(نوعي‌ فنر كه‌ به‌ عنوان‌ بست‌ استفاده‌مي‌شود) به‌ وسيله‌ نيروهاي‌ متناوب‌ حلقه‌حايل‌ مخروطي‌ در حال‌ كشش‌ بالاي‌دندانه‌ها ايجاد مي‌شود. با اين‌وجود >مور< مي‌گويد: اين‌ تركها به‌ سادگي‌ بايك‌ آزمايش‌ نفوذ پذيري‌ فلورسنت‌ مغناطيسي‌ مرطوب‌، آشكار مي‌شوند. مشابه‌ترك‌ خوردگي‌ دندانه‌ روتور، تركهاي‌ درون‌شيار فنر شبه‌ بست‌ را مي‌توان‌ با بزرگ‌ كردن‌شعاع‌، اصلاح‌ كرد.

سيم‌ پيچها و عايق‌ بندي‌

سيم‌ پيچهاي‌ مسي‌ روتور، عمرنامحدودي‌ دارند ولي‌ وقتي‌ كه‌ يك‌ روتورتحت‌ تاثير گرماي‌ بيش‌ از حد قرار گيرد،مس‌، نرم‌ مي‌شود. اگر مس‌ بيش‌ از حد نرم‌شده‌ باشد، آزمايش‌، سختي‌ آن‌ را تعيين‌خواهد كرد. >مور< مي‌گويد: بازرسي‌ چشمي‌بايد هرگونه‌ اعوجاج‌ اضافي‌ را مشخص‌ كند.
ترك‌ خوردگي‌ درپيچهاي‌ مسي‌ روتور درروتورهايي‌ كه‌ روي‌ حلقه‌هاي‌ حايل‌ آن‌محور كوتاهي‌ نصب‌ شده‌ باشد عادي‌ است‌.
اين‌ ترك‌ خوردگيها را مي‌توان‌ با يك‌ آزمايش‌نافذ رنگي‌ بررسي‌ كرد. سيم‌ پيچهاي‌ مسي‌باز پخت‌ شده‌ با مقاومت‌ كم‌ كه‌ در واحدهاي ‌قديمي‌ نصب‌ شده‌اند بايد با نوعي‌ مس‌ بامقاومت‌ بيشتر جابه‌جا شوند. طبق‌ گفته‌>مور< اين‌ ماده‌ (مس‌ با مقاومت‌ بيشتر)نسبت‌ به‌ تغيير شكل‌، مقاوم‌ است‌. متاسفانه‌يك‌ سيم‌ پيچ‌ باز پيچيده‌ شده‌ جديد مسي‌ ازمسهاي‌ قديمي‌ كه‌ مجددا استفاده‌ شده‌ باشدگرانتر است‌.
اصلاحاتي‌ كه‌ در عايق‌ بندي‌ و صفحات‌لغزش‌ از جنس‌ ماده‌اي‌ با ضريب‌ اصطكاك‌ كم‌ انجام‌ شده‌ است‌ اعوجاج‌ سيم‌پيچهاي‌روتور را به‌ حداقل‌ رسانده‌ و كاركردژنراتورها را اصلاح‌ كرده‌ است‌ برخلاف‌سيم‌پيچهاي‌ روتوري‌ كه‌ به‌ صورت‌ اقتصادي‌مجددا پيچيده‌ شده‌ باشند عموما با سيم‌پيچهاي‌ استاتور جايگزين‌ مي‌شوند. باپيشرفتهايي‌ كه‌ هم‌ اكنون‌ در سيستمهاي‌عايق‌ بندي‌ انجام‌ شده‌، عايق‌بندي‌ كمتري‌مورد نياز است‌.
كاربرد ژنراتورهاي‌ الكتريكي‌ دراثردرجه‌ حرارت‌ حداكثر مجاز رساناهاي‌ مسي‌در سيم‌ پيچهاي‌ استاتور و نيز دراثر انتقال‌حرارت‌ در درون‌ عايق‌بندي‌، محدود شده‌است‌. با اين‌ وجود كاركرد ژنراتور در درجه‌ حرارتهاي‌ بالاتر براي‌ مس‌هاي‌ هادي‌ درهنگامي‌ امكان‌پذير است‌ كه‌ كلاس‌ حرارتي‌بالاتري‌ براي‌ ماده‌ عايق‌ بندي‌، استفاده‌ شده‌باشد. واضح‌ است‌ كه‌ با كاركرد ژنراتور دردرجه‌ حرارتهاي‌ بالاتر، خروجي‌ ژنراتور افزايش‌ پيدا مي‌كند. هم‌ اكنون‌ براي‌ كاركردژنراتور در درجه‌ حرارتهاي‌ بالاتر، موادجديدي‌ وجود دارد. به‌ دليل‌ اين‌ كه‌عايق‌بندي‌ جديد، مقاومت‌ حرارتي‌ كمتري‌دارد انتقال‌ حرارت‌ ميله‌هاي‌ استاتور، بهبودپيدا كرده‌ و خروجي‌ ژنراتور افزايش‌ مي‌يابد.
با وجود آن‌ كه‌ براي‌ ژنراتورهاي‌ بزرگترهنوز هم‌ روش‌ خنك‌ كنندگي‌ به‌ وسيله‌هيدروژن‌ مورد استفاده‌ قرار مي‌گيرداصلاحات‌ اخير در سيستمهاي‌ خنك‌كنندگي‌با هوا و همچنين‌ عايق‌ بندي‌ به‌ روش‌ خنك‌كنندگي‌ با هوا اجازه‌ داده‌ است‌ تا باسيستمهاي‌ خنك‌كنندگي‌ به‌ وسيله‌ هيدروژن‌براي‌ ژنراتورهايي‌ كه‌ حداكثر ظرفيت‌ آنها500 مگاولت‌آمپر است‌ رقابت‌ كنند. طبق‌نظر سازندگان‌، استفاده‌ از ژنراتورهايي‌ كه‌ باهوا خنك‌ مي‌شوند و ظرفيتشان‌ بيش‌ از50مگاولت‌ آمپر باشد موضوعي‌ است‌ كه‌فقط زمان‌، آن‌ را حل‌ خواهد كرد.

موتور شدن ژنراتور در اثر برگشت وات (حفاظت توربین بخار)

ژنراتورها باید انرژی الکتریکی به شبکه بدهند و هیچگاه از شبکه انرژی نگیرند . از این جهت در گذشته (در حدود 30 سال پیش) ژنراتورها را با یک رلۀ واتمتری مجهز می کردند ، بطوریکه این رلۀ واتمتری در موقع برعکس شدن جهت انرژی ، عمل کرده و ژنراتور را از مدار قطع می کرد .
این قطع کردن ژنراتور در موقع برگشت وات لازم نیست ، زیرا برگشت وات ضرری به ژنراتور واردنمی کند ، بلکه پس از قدری پاندولی و نوسانی شدن ، ژنراتور مجدداً حالت عادی خود را باز می یابد و به کار خود ادامه می دهد . از این جهت امروزه رلۀ برگشت وات جهت قطع ژنراتور در موقع تغییر جهت دادن انرژی الکتریکی به کار برده نمی شود ، بلکه برای حفاظت توربین از آن استفاده می شود .
در لوله های بخار رسان توربین بخار ممکن است دو اشکال پیش آید :
یکی اینکه در اثر ترکیدن و یا سوراخ شدن لولۀ بخار ، عمل رساندن بخار به توربین قطع گردد . در این صورت اگر این ژنراتور بطور موازی با ژنراتورهای دیگر بسته شده باشد ، از شبکه انرژی الکتریکیمی گیرد و به صورت موتور به گردش خود ادامه می دهد و توربین را با دور سنکرون می گرداند .
در حالت دوم ممکن است دریچۀ بخار بسته شده ولی به دلیل جذب نبودن سوپاپ خروجی ، بخار صد در صد قطع نگردیده باشد و مقداری بخار به داخل توربین نشت کند بطوریکه حجم بخاری که وارد توربین می شود بیشتر از مقداری باشد که برای گرداندن توربین بدون بار لازم است . در صورتیکه در این حالت ژنراتور از شبکه قطع گردد ، توربین سرعت گرفته و دور آن آنقدر زیاد می شود که به اصطلاح سبب از جا کندن توربین و خورد شدن یاطاقانهای آن می شود .
تنها وسیله ای که در این دو حالت از توربین حفاظت می کند ، رلۀ برگشت وات است . رلۀ برگشت وات معمولاً یک رلۀ اندوکسیونی است که دارای دو حوزۀ عمود بر هم با اختلاف فاز 90 درجه و یک صفحۀ آلومینیومی است .

معرفی نرم افزار MICAA براي بررسي وضعيت سيم پيچها در موتورها و ژنراتورها

سيستم MICAA يكي از ابزارهاي مهم نگهداري غير مستقيم است كه به استفاده كنندگان كمك مي كند تا خطر وقوع عيب در سيم پيچي هاي روتور و استاتور و ورقه هاي هسته موتورها و ژنراتورهاي بزرگ را تشخيص دهند .
استفاده گسترده از MICAA توسط استفاده كنندگان و صنايع سراسر دنيا باعث شده كه از وقوع خطا در ماشينهاي در حال كار جلوگيري شده ، مراقبت از سيم پيچها در نيروگاه بهبود يافته و هزينه ها كاهش يابد .
سيستم MICAA كه ابداعي توسط IRIS با همكاري EPRI مي باشد، حاصل صرف ميليونها دلار براي انجام تحقيقات صنعتي و تجارب بهره برداري از نيروگاهها است .

برخي از ويژگيهاي MICAA به شرح زير مي باشد :

از تعميرات و از سرويس خارج كردن هاي غيرضروري اجتناب مي شود زيرا MICAA قادر است با دقت كامل مشكلات ماشين را تشخيص و طبقه بندي كند.

MICAA آزمايشات زائد و پر هزينه را با دسته بندي آزمايشات و بررسي اينكه كدام روش با توجه به وضعيت سيم پيچي يك ماشين خاص مناسب تر خواهد بود ، حذف مي كند.

هنگامي كه از MICAA بعنوان قسمتي از يك برنامه نگهداري جامع و غيرمستقيم استفاده مي شود مي توان وضعيت نامناسب موتورها و ژنراتورها را تشخيص داده و پيش از اينكه دچار حادثه شوند نسبت به تعمير آنها اقدام نمود .

هزينه ها محدود شده و امكانات نيروگاه را مي توان تنها به تجهيزاتي كه نياز به رسيدگي دارند معطوف نمود.

افراد كم تجربه تر مي توانند بيشتر اطلاعات مناسب براي فرايند تشخيص را جمع آوري كرده و افراد مجرب فرصت مي يابند كه تنها بر روي ماشينهايي كه وجود مشكل در آنها تشخيص داده شده متمركز شوند.

بانك اطلاعاتي MICAA بطور دائم نگهداري شده و با ايجاد كلمه رمز ورود، ميتوان از دسترسي افراد غير مجاز به آن جلوگيري نمود و بدين ترتيب قابليت اطمينان آنرا بالا برد.

قابليت ذخيره دائمي داده ها در MICAA ، دسترسي به سابقه كامل بهره برداري هريك از اجزاء روتور ،استاتور و هسته را فراهم مي كند. هنگامي كه يك جزء از يك ماشين به ماشين ديگر انتقال مي يابد، سابقه بهره برداري ، آزمايش و تشخيص نقص آن نيز به سهولت به پرونده اطلاعاتي ماشين جديد فرستاده مي شود .

بانك اطلاعاتي جامع MICAA داراي قابليت هاي گرافيكي براي رسم نتايج آزمايش براي هر ماشين است .

ويژگي Tech Help سيصد صفحه اي شامل صدها نمودار و عكس ، حتي افراد نا آشنا با ماشين هاي دوار را با توضيح مكانيزم خطا در استاتور و روتور آموزش داده و آنها را قادر مي سازد تا آزمايشات و بررسي هاي كارشناسانه بر روي ماشين ها انجام دهند.

MICAA مي تواند بر روي هر نوع كامپيوتر شخصي كه از سيستم عامل ويندوز استفاده مي كند، اجرا شود.

MICAA با يك يا چند استفاده كننده مي تواند كار كند. هم با محيطLAN و هم با محيط WAN سازگار است .
منابع:
شركت IRIS POWER ENGINEERING
www.irispower.com
turanim.blogfa.com
http://www.ewa.ir/
Power Engineering/ July 2001
mamalbargh.persianblog.com
www.kamalkamali.blogfa.com
www.barghkar.blogfa.com
www.kamalkamali.blogfa.com
daneshnameh.roshd.ir
مهندس حسين هوشيار- دكتر ابوالفضل واحدي- مهندس مهدي ثواقبي فيروز‌آبادي
ماهنامه صنعت برق
وبلاگ برق- شبکه های انتقال و توزیع
/خ