تحقیق مقاله ماشین های سنکرون

ماشین های سنکرون

ماشین سنکرون همواره یکی از مهمترین عناصر شبکه قدرت بوده و نقش کلیدی در تولید انرژی الکتریکی و کاربردهای خاص دیگر ایفاء کرده است.

تاریخچه وساختار

ماشین سنکرون همواره یکی از مهمترین عناصر شبکه قدرت بوده و نقش کلیدی در تولید انرژی الکتریکی و کاربردهای خاص دیگر ایفاء کرده است.

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.
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 نتیجه این تحقیقات، یک سیستم به اصطلاح رزین ریچ عرضه شد که در آن رزین در نوارها و یا وارنیش مورد استفاده بین لایه‌ها قرار می‌گرفت.
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 MVA۲۰۰ با سرعت rpm۱۸۰۰ 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 rpm۳۶۰۰ 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 MVA۱۵۰۰ 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
در این دهه تحول مهمی در فرآیند عایق کاری ژنراتور رخ داد. قبل از سال ۱۹۷۵ اغلب عایقها را توسط رزینهای محلول در ترکیبات آلی فرار اشباع می‌کردند. در این فرآیند، ترکیبات مذکور تبخیر و در جو منتشر می‌شد. با توجه به وضع قوانین زیست محیطی و آغاز نهضت سبز در اوایل دهه ۱۹۷۰، محدودیتهای شدیدی بر میزان انتشار این مواد اعمال شد که حذف آنها را از این فرآیند در پی داشت. در نتیجه استفاده از مواد سازگار با محیط زیست در تولید و تعمیر ماشینهای الکتریکی مورد توجه قرار گرفت. استفاده از رزینهای با پایه آبی یکی از اولین پیشنهاداتی بود که مطرح شد، اما یک راه‌حل جامعتر که امروزه نیز مرسوم است، کاربرد چسبهای جامد بود. در همین راستا تولید نوارهای میکای رزین ریچ بدون حلال نیز توسعه یافت.
از دیگر پیشرفتهای مهم این دهه ظهور ژنراتورهای ابررسانا بود. یک ماشین ابررسانا عموماً‌از یک سیم‌پیچ میدان ابررسانا و یک سیم‌پیچ آرمیچر مسی تشکیل شده است. هسته رتور عموماً آهنی نیست، چرا که 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 کننده شار بین قطبها عمل کند. عدم استفاده از آهن، موجب کاهش راکتانس سنکرون (به حدود pu۵/۰- ۳/۰) در این ماشینها شده که طبعاً موجب پایداری دینامیکی بهتر می‌شود. همانطور که اشاره شد، اولین ماده ابررسانای تجاری نیوبیوم- تیتانیوم بود که تا دمای ۵ درجه کلوین خاصیت ابررسانایی داشت. البته در دهه‌های بعد پیشرفت این صنعت به معرفی مواد ابررسانایی با دمای عملکرد ۱۱۰ درجه کلوین انجامید. براین اساس مواد ابررسانا را به دو گروه دما پایین مانند نیوبیوم – تیتانیوم و دما بالا مانند BSCCO-۲۲۲۳ تقسیم می‌کنند. از اوایل دهه ۱۹۷۰ تحقیقات بر روی ژنراتورهای ابررسانا با استفاده از هادیهای دما پایین آغاز شد. در این دهه کمپانی وستینگهاوس تحقیقات برای ساخت یک نمونه دوقطبی را با استفاده هادیهای دماپایین آغاز کرد. نتیجه این پروژه ساخت و تست یک ژنراتور MVA۵ در سال ۱۹۷۲ بود.
در سال ۱۹۷۰ کمپانی جنرال الکتریک ساخت یک ژنراتور ابررسانا را با استفاده از هادی‌های دماپایین، با هدف نصب در شبکه آغاز کرد.
ساخت و تست این ژنراتور MVA۲۰، دو قطب و rpm۳۶۰۰ در سال ۱۹۷۹ به پایان رسید. در این ماشین از روش طراحی هسته هوایی بهره‌ گرفته شده بود و سیم‌پیچ میدان آن توسط هلیم مایع خنک می‌شد. این ژنراتور، بزرگترین ژنراتور ابررسانای تست شده تا آن زمان (۱۹۷۹) بود.
در سال ۱۹۷۹ وستینگهاوس و اپری ساخت یک ژنراتور ابررسانای MVA۳۰۰ را آغاز کردند. این پروژه در سال ۱۹۸۳ به علت شرایط بازار جهانی با توافق طرفین لغو شد.
در همین زمینه کمپانی زیمنس ساخت ژنراتورهای دماپایین را در اوایل دهه ۱۹۷۰ شروع کرد. در این مدت یک نمونه رتور و یک نمونه استاتور با هسته آهنی برای ژنراتور MVA ۸۵۰ با سرعت rpm۳۰۰۰ ساخته شد، اما به دلیل مشکلاتی تست عملکرد واقعی آن انجام نشد.
در این دهه آلستوم نیز طراحی یک رتور ابررسانا برای یک توربو ژنراتور سنکرون را آغاز کرد. این رتور در یک ماشین MW۲۵۰ به کار رفت.
با توجه به اهمیت خنک‌سازی در کارکرد مناسب ژنراتورهای ابررسانا، همگام با توسعه این صنعت، طرحهای خنک‌سازی جدیدی ارایه شد. در ۱۹۷۷ اقای لاسکاریس یک سیستم خنک‌سازی دوفاز (مایع- گاز) برای ژنراتورهای ابررسانا ارایه کرد. در این طرح بخشی از سیم‌پیچ در هلیم مایع قرار می‌گرفت و با جوشش هلیم دردمای ۲/۴ کلوین خنک می‌شد. جداسازی مایع ازگاز توسط نیروی گریز از مرکز ناشی از چرخش رتور صورت می‌گرفت.
● جمع‌بندی تحولات دهه ۱۹۷۰
تمرکز اکثر تحقیقات بر روی کاربرد مواد ابررسانا در ژنراتورها بوده است.
۱) استفاده از روشهای کامپیوتری برای تحلیل و طراحی ماشینهای الکتریکی آغاز شد.
۲) حلالها از سیستمهای عایق کاری حذف شدند و تکنولوژی رزین ریچ بدون حلال ارایه شد.
● تحولات دهه ۱۹۸۰
در این دهه نیز همچون دهه‌های گذشته سیستم‌های عایقی از زمینه‌های مهم تحقیقاتی بوده است. در این دهه آلستوم یک فرمول جدید اپوکسی بدون حلال کلاس F در ترکیب با گلاس فابریک و نوع خاصی از کاغذ میکا با نام تجاری دورتناکس را ارایه داد. این سیستم عایق کاری دارای استحکام مکانیکی بیشتر، استقامت عایقی بالاتر، تلفات دی‌الکتریک پایینتر و مقاومت حرارتی کمتری نسبت به نمونه‌‌های قبلی بود.
در ادامه کار بر روی پروژه‌های ابررسانا، در سال ۱۹۸۸ سازمان توسعه تکنولوژی صنعتی و انرژیهای نو ژاپن پروژه ملی ۱۲ ساله سوپر جی‌ام را آغاز کرد که نتیجه آن در دهه‌های بعدی به ثمر رسید.
سیستم‌های خنک‌سازی ژنراتورهای ابررسانا هنوز در حال پیشرفت بودند. در این زمینه می‌توان به ارایه طرح سیستم خنک‌سازی تحت فشار توسط انستیتو جایری ژاپن اشاره کرد. این طرح که در سال ۱۹۸۵ ارایه شد دارای یک مبدل حرارتی پیشرفته و یک مایع‌ساز هلیم با ظرفیت ۳۵۰ 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 کرد. مهمترین خصوصیت آهنرباهای نئودیمیوم- آهن- بورون انرژی مغناطیسی (BHmax) بالای آنهاست که سبب می شود قیمت هر واحد انرژی مغناطیسی کاهش یابد. علاوه بر این، انرژی زیاد تولیدی امکان به کارگیری آهنرباهای کوچکتر را نیز فراهم می‌کند، بنابراین اندازه سایر اجزا ماشین از قبیل قطعات آهن و سیم‌پیچی نیز کاهش می‌یابد و در نتیجه ممکن است هزینه کل کمتر شود. شایان ذکر است حجم بالایی از تحقیقات انجام شده این دهه در زمینه ژنراتورهای بدون جاروبک و خودتحریکه برای کاربردهای خاص بوده که به علت عمومیت نیافتن در صنعت ژنراتورهای نیروگاهی از شرح آنها صرفنظر می شود.
جمع‌بندی تحولات دهه ۱۹۸۰
با بررسی مقالات IEEE این دهه (۴۱ مقاله) در موضعات مختلف مرتبط با ژنراتور سنکرون به نتایج زیر می‌رسیم:
۱) تمرکز موضوعی مقالات در شکل نشان داده شده است.
۲) روشهای قبلی عایق کاری به منظور کاهش مقاومت حرارتی عایق بهبود یافت.
۳) مطالعات وسیعی روی ژنراتورهای سنکرون بدون جاروبک بدون تحریک صورت گرفت.
۴- فعالیت روی پروژه‌های ژنراتورهای ابررسانای آغاز شده در دهه قبل ادامه یافت.
۵) سیستمهای خنک‌سازی جدیدی برای ژنراتورهای ابررسانا ارایه شد.
۶) روش اجزای محدود در طراحی و تحلیل ژنراتورهای سنکرون خصوصاً ژنراتورهای آهنربای دائم به شکل گسترده‌ای مورد استفاده قرار گرفت.
● از ابتدای دهه ۱۹۹۰ تاکنون
مهندس مهدی ثواقبی فیروزآبادی- دکتر ابوالفضل واحدی- مهندس حسین هوشیار
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
در این دهه نیز همچون دهه‌های گذشته تلاشهای زیادی در جهت بهبود سیستمهای عایقی صورت گرفت. در این میان می‌توان به ارایه سیستمهای عایق میکاپال که توسط کمپانی جنرال الکتریک از ترکیب انواع آلکیدها و اپوکسیها در سال ۱۹۹۰ بدست آمده بود، اشاره کرد. درسال ۱۹۹۲ شرکت وستینگهاوس الکتریک یک سیستم جدید عایق سیم‌پیچ رتور کلاس F را ارایه کرد. این سیستم شامل یک لایه اپوکسی ‌گلاس بود که با چسب پلی‌آمید- اپوکسی روی هادی مسی چسبانده می‌شد. مقاومت در برابر خراشیدگی، استرسهای الکتریکی و مکانیکی و کاهش زوال حرارتی از مزایای این سیستم بود. گروه صنعتی ماشینهای الکتریکی و توربین نانجینگ عایق سیم‌پیچ رتور جدیدی از جنس نومکس اشباع شده با وارنیش چسبی را در سال ۱۹۹۸ ارایه کرد. از مهمترین مزایای این سیستم می‌توان به انعطاف‌پذیری و استقامت عایقی، بهبود اشباع شوندگی با وارنیش، تمیزکاری آسان و عدم جذب رطوبت اشاره کرد. در اواخر دهه ۱۹۹۰ تلاشهایی برای افزایش هدایت گرمایی عایقها صورت گرفت. آقای میلر از شرکت زیمنس- وستینگهاوس روشی را ارایه کرد که در آن لایه پرکننده مورد استفاده در طرحهای قبلی به وسیله رزینهای مخصوصی جایگزین می‌شد. مزیت اصلی این روش پرشدن فاصله هوایی بین لایه پرکننده و دیواره استاتور بود که موجب می‌شد هدایت گرمایی عایق استاتور به طرز چشمگیری افزایش پیدا کند.
دراین دهه مسائل مکانیکی در عملکرد ماشینهای سنکرون بیشتر مورد توجه قرار گرفت. در سال ۱۹۹۳ آقای جانگ از دانشگاه برکلی روشی برای کاهش لرزش در ژنراتورهای آهنربای دائم ارایه کرد. 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 ماکسول، روش اجزاء محدود و بسط فوریه مورد بررسی قرار می‌گرفت و نهایتاً برای کاهش لرزشها، ابعاد هندسی جدیدی برای آهنرباها ارایه می‌شد البته با این شرط که کارایی ماشین افت نکند.
همزمان با پیشرفتهای مذکور، افزایش سرعت و حافظه کامپیوترها و ظهور نرم‌افزارهای قدرتمند موجب شد تا راه برای استفاده از کامپیوترها در تحلیل و طراحی ژنراتورهای سنکرون بیش از پیش باز شود. در سال ۱۹۹۵ آقای کوان روشی برای طراحی سیستمهای خنک‌سازی با هیدروژن ارایه کرد که بر مبنای محاسبات کامپیوتری دینامیک شاره پایه‌ریزی شده بود. دراین روش بااستفاده از یک مدل معادل سیستم خنک‌سازی، توزیع دما در بخشهای مختلف ژنراتور پیش‌بینی می‌شد.
نحوه پیاده‌سازی سیستمهای خنک‌سازی نیز از جمله موضوعاتی بود که مورد توجه قرار گرفت. در سال ۱۹۹۵ اقای آیدیر تاثیر مکان حفره‌های تهویه برمیدان مغناطیسی ژنراتور سنکرون را با استفاده از روش اجزاء محدود مورد بررسی قرار داد و نشان داد که انتخاب مکان مناسب حفره‌های تهویه جهت جلوگیری از افزایش جریان مغناطیس‌کنندگی و پدیده اشباع بسیار حائز اهمیت است. مکان حفره‌ها تاثیر قابل توجهی بر شار یوغ دارد