ماشینهای سنکرون

● 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.
از مهمترین تحولاتی که در این دهه در زمینه ژنراتورهای ابررسانا صورت گرفت می‌توان به نتایج پروژه سوپرجی‌ام که از دهه قبل در ژاپن آغاز شده بود، اشاره کرد. حاصل این پروژه ساخت و تست سه مدل رتور ابررسانا برای یک استاتور بود. مدل اول که در ترکیب با استاتور، خروجی MW۷۹ را می‌داد در سال ۱۹۹۷ و مدل دوم در سال ۱۹۹۸ با خروجی MW۷/۷۹ تست شد. نهایتاً مدل سوم که دارای یک سیستم تحریک پاسخ سریع بود در سال ۱۹۹۹ تست و در شبکه قدرت نصب شد.
با بکارگیری مواد ابررسانای دمابالا در این دهه، تکنولوژی ژنراتورهای سنکرون ابررسانا وارد مرحله جدیدی شد. کمپانی جنرال الکتریک طراحی، ساخت و تست یک سیم‌پیچ دمابالا را در اواسط این دهه به پایان رساند. در ادامه، همکاری وستینگهاوس و شرکت ابررسانای آمریکا به طراحی یک ژنراتور ابررسانای دما‌بالای ۴ قطب، rpm۱۸۰۰، Hz۶۰ انجامید.
این دهه شاهد پیشرفتهای مهمی در زمینه سیستمهای تحریک مانند ظهور سیستمهای تحریک استاتیک الکترونیکی بود. استفاده از اینگونه سیستمها باعث انعطاف‌پذیری در طراحی سیستمهای تحریک و جذب مشکلات نگهداری جاروبک در اکسایترهای گردان می‌شد. یکی از اولین نمونه‌های این سیستمها در سال ۱۹۹۷ توسط آقای شافر از کمپانی باسلر الکتریک آلمان ارایه شد.
در این مقطع زمانی کاربرد سیستمهای دیجیتال در تحریک ژنراتورها آغاز شد. یکی از اولین نمونه‌های سیستم تحریک دیجیتالی، سیستمی بود که در سال ۱۹۹۹ توسط آقای ارسگ از دانشگاه زاگرب کرواسی ارایه شد.
در ادامه تلاشهای صورت گرفته برای بهبود خنک‌سازی، شرکت زیمنس- وستینگهاوس طرح یک ژنراتور بزرگ با خنک‌سازی هوایی را در سال ۱۹۹۹ ارایه داد. ارایه این طرح آغازی بر تغییر طرحهای خنک‌سازی از هیدروژنی به هوایی بود. استفاده از عایقهای استاتور نازک دمابالا و کاربرد محاسبات کامپیوتری دینامیک شاره موجب اقتصادی شدن این طرح نسبت به خنک‌سازی هیدروژنی شد.
پایان دهه ۹۰ مصادف با ظهور تکنولوژی پاورفرمر بود. در اوایل بهار سال ۱۹۹۸ دکتر لیجون از کمپانی ABB سوئد، ایده تولید انرژی الکتریکی در ولتاژهای بالا را ارایه کرد. مهمترین ویژگی این طرح استفاده از کابلهای فشار قوی پلی‌اتیلن متقاطع معمول در سیستمهای انتقال و توزیع در سیم‌پیچی استاتور است.
در این طرح به علت سطح ولتاژ بسیار بالا از کابلهای استوانه‌ای به منظور حذف تخلیه جزیی و کرونا استفاده می‌شود.
در سال ۱۹۹۸ اولین نمونه پاورفرمر در نیروگاه پرجوس واقع در شمال سوئد نصب شد. این پاورفرمر دارای ولتاژ نامی KV۴۵، توان نامی MVA۱۱ و سرعت نامی rpm۶۰۰ بود.
یکی از مسائل مهم مطرح در پاورفرمر فیکس شدن دقیق کابلها در شیارها به منظور جلوگیری از تخریب لایه بیرونی نیمه هادی کابل در اثر لرزشها است. به این منظور کابلها را با استفاده از قطعات مثلثی سیلیکون – رابر فیکس می‌کنند.
به علت پایین بودن جریان سیم‌پیچ استاتور پاورفرمر تلفات مسی ناچیز است، لذا استفاده از یک مدار خنک‌سازی آبی کافی است. سیستم خنک‌سازی دمای عملکرد کابلها را در حدود ۷۰ درجه سانیگراد نگه می‌دارد، در حالی که طراحی عایقی کابلها برای دمای نامی ۹۰ درجه انجام شده است. لذا می‌توان پاورفرمر را بدون مشکل خاصی زیر اضافه بار برد.
● جمعبندی تحولات دهه ۱۹۹۰
با بررسی مقالات IEEE این دهه (۱۵۷ مقاله) در موضوعات مختلف مرتبط با ژنراتور سنکرون به نتایج زیر می‌رسیم:
۱) تمرکز موضوعی مقالات
۲) فعالیت روی ژنراتورهای ابررسانای دمابالا آغاز شد.
۳) کاربرد سیستمهای تحریک استاتیک و دیجیتال گسترش یافت.
۴) روشهای کاهش لرزش حین عملکرد ژنراتور مورد توجه قرار گرفت.
۵) در اوایل دهه رویکرد طراحان بهبود عملکرد سیستمهای خنک‌سازی هیدروژنی بود، اما در اواخر دهه سیستمهای خنک‌سازی با هوا به دلایل زیر مجدداً مورد توجه قرار گرفتند:
الف) تولید عایقهای استاتور نازکتر با مقاومت حرارتی پایینتر
ب) ظهور روشهای محاسبات کامپیوتری دینامیک شاره
ج) ارزانی و سادگی ساخت سیستمهای خنک‌سازی با هوا
۶) تکنولوژی پاورفرمر ابداع شد.
۷) 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
همچون دهه‌های پیش، روند روزافزون استفاده از روشهای عددی خصوصاً‌روش اجزاء محدود ادامه یافت. آقای زولیانگ یک روش اجزاء محدود جدید را با بهره‌گیری از عناصر قوسی شکل در مختصات استوانه‌ای ارایه کرد. مزایای این روش دقت زیاد و فرمولبندی ساده بود. این روش برای تحلیل میدان درشکلهای استوانه‌ای مانند ماشینهای الکتریکی بسیار مناسب است.
در سال ۲۰۰۴ آقای شولت روش نوینی برای طراحی ماشینهای الکتریکی ارایه داد که ترکیبی 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 تکامل طرح اولیه استفاده می‌شد. به این ترتیب زمان و هزینه مورد نیاز طراحی کاهش می‌یافت.
در زمینه عایق تلاشها جهت بهبود هدایت گرمایی در سال ۲۰۰۱ به ارایه یک سیستم با هدایت گرمایی بالا توسط کمپانیهای 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 کرد. در سال ۲۰۰۲ کمپانی جنرال‌الکتریک برنامه‌ای را با هدف ساخت و تست یک ژنراتور MVA۱۰۰ آغاز کرده است. هسته رتور و استاتور این ژنراتور مانند ژنراتورهای معمولی است. هدف این است که یک رتور معمولی بتواند میدان حاصل از سیم‌پیچی ابررسانا را بدون اشباع شدن از خودعبور دهد. مهمترین قسمتهای این پروژه، سیم‌پیچ میدان دمابالا و سیستم خنک‌سازی است
از سال ۲۰۰۰ به بعد فعالیتهای گسترده‌ای در جهت ساخت و نصب پاورفرمرها صورت گرفته است که نتیجه آن نصب چندین پاورفرمر در نیروگاههای مختلف است. این پاورفرمها و مشخصات آنها عبارتند از:
▪ پاورفرمر نیروگاه توربو ژنراتوری اسکیلزتونا سوئد با مشخصات KV۱۳۶، MVA۴۲، rpm۳۰۰۰
▪ پاورفرمر نیروگاه هیدرو ژنراتوری پرسی سوئد با مشخصات kv۱۵۵، MVA۷۵، rpm۱۲۵
▪ پاورفرمر نیروگاه هیدروژنراتوری هلجبرو سوئد با مشخصات KV۷۸، MVA۲۵، rpm۴/۱۱۵
▪ پاورفرمر نیروگاه هیدرو ژنراتوری میلرگریک کانادا با مشخصات KV۲۵، MVA۸/۳۲، rpm۷۲۰
▪ پاورفرمر نیروگاه هیدروژنراتوری کاتسورازاوا با مشخصات KV۶۶، MVA۹، rpm۵/۴۲۸
● جمعبندی تحولات ۲۰۰۰ به بعد
با بررسی مقالات IEEE این سالها (۱۴۹ مقاله) در موضوعات مختلف مرتبط با ژنراتور سنکرون به نتایج زیر می‌رسیم:
۱) تمرکز موضوعی مقالات
۲) تلاشهای زیادی برای بهبود هدایت حرارتی عایق سیم‌پیچی استاتور خنک شونده با هوا با هدف رسیدن به ظرفیتهای بالاتر صورت گرفت.
۳) پاورفرمرها در نیروگاههای مختلف نصب شدند.
۴) فعالیت روی پروژه‌های ژنراتورهای ابررسانای دمابالا آغاز شده در دهه قبل ادامه یافت.
۵) کاربرد سیستمهای تحریک دیجیتال به خصوص سیستمهای با چند ریزپردازنده گسترش یافت.
۶) 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 KV۱۷۰ برای نیروگاههای توربو ژنراتوری و KV۲۰۰ برای نیروگاههای هیدروژنراتوری ساخته خواهند شد و امید است که سطح ولتاژ خروجی آنها به KV۴۰۰ 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.
▪ موتور آسنکرون با روتور قفسه ای (Squirrel Cage Rotor)
▪ روتور قفسه سنجابی (Squirrel Cage Rotor)
از یک عده میله مسی یا آلومینیومی که در شیارهای محیطی استوانه آهنی‌ کار گذاشته است.که بر دو نوع است که نوع اول از میله های‌ گرد تشکیل شده است و در نوع دوم از میله های مستطیلی و یا به شکل دو دایره که به هم متصل و یا جدا از هم هستند تشکیل میشود .
روتور های قفسه ای یک طبقه ، گشتاور خوبی در شروع به کار ندارند .
روتور های قفسه ای دو طبقه ، گشتاور خوبی در شروع به کار دارند .
آیا می دانید چرا شیارها در روی روتور مورب می باشد ؟ با مورب کردن شیارها ، لرزش و صداهای‌ موتور جلوگیری می کند. همچنین از تمایل روتور به ایستادن و قفل شدن در موقع راه اندازی جلوگیری می کند .
▪ مزایای موتور آسنکرون با روتور قفسه ای :
۱) راه اندازی موتور آسنکرون با روتور قفسه ای بر خلاف موتور سنکرون خیلی ساده میباشد یعنی نه به موتور فرعی و نه به جریان دائم که در موتورهای سنکرون مورد احتیاج بود ، احتیاج دارد.
۲) ساختمان این موتور ساده است .
۳) امکان افزایش بار در آنها زیاد است .
۴) سرعت آن در بارهای مختلف تقریباً ثابت است .
۵) ضریب قدرت بهتری نسبت به موتور آسنکرون با روتور سیم پیچی‌ شده دارد .
▪ معایب موتور آسنکرون با روتور قفسه ای :
۱) در موقع شروع به کار جریان زیادی‌ از شبکه میگیرد .
۲) گشتاور شروع به کار آن کم می‌باشد .
۳) در موقعیکه بار آن به حد کافی نیست ضریب قدرتش کم است .
۴) در مقابل تغییر فشار الکتریکی حساسیت دارد .
۵) تنظیم تعداد دور آنها مشکل می باشد .
موارد استفاده و کاربرد موتورهای آسنکرون :
۱) موتور آسنکرون با روتور سنجابی که روتور آن دارای یک قفسه هادی است : برای قدرتهای کم و غالباً به صورت تک فاز ساخته می شوند . موارد کاربرد آن موتورهای کولر و لباسشوئی و و یخچال و غیره می باشد .
۲) موتور آسنکرون با روتور سنجابی که روتور آن دارای دو قفسه هادی است : دارای‌ گشتاور شروع به کار خوب و جریان راه اندازی آنها نیز نسبتاً کم است بنابراین میتوان از این موتور در جاهایی که قدرت زیاد احتیاج است استفاده شود .
● روتور قفسه سنجابی (Squirrel Cage Rotor)
از یک عده میله مسی یا آلومینیومی که در شیارهای محیطی استوانه آهنی‌ کار گذاشته است.که بر دو نوع است که نوع اول از میله های‌ گرد تشکیل شده است و در نوع دوم از میله های مستطیلی و یا به شکل دو دایره که به هم متصل و یا جدا از هم هستند تشکیل میشود .
روتور های قفسه ای یک طبقه ، گشتاور خوبی در شروع به کار ندارند .
روتور های قفسه ای دو طبقه ، گشتاور خوبی در شروع به کار دارند .
آیا می دانید چرا شیارها در روی روتور مورب می باشد ؟ با مورب کردن شیارها ، لرزش و صداهای‌ موتور جلوگیری می کند. همچنین از تمایل روتور به ایستادن و قفل شدن در موقع راه اندازی جلوگیری می کند .
▪ مزایای موتور آسنکرون با روتور قفسه ای :
۱) راه اندازی موتور آسنکرون با روتور قفسه ای بر خلاف موتور سنکرون خیلی ساده میباشد یعنی نه به موتور فرعی و نه به جریان دائم که در موتورهای سنکرون مورد احتیاج بود ، احتیاج دارد.
۲) ساختمان این موتور ساده است .
۳) امکان افزایش بار در آنها زیاد است .
۴) سرعت آن در بارهای مختلف تقریباً ثابت است .
۵) ضریب قدرت بهتری نسبت به موتور آسنکرون با روتور سیم پیچی‌ شده دارد .
▪ معایب موتور آسنکرون با روتور قفسه ای :
۱) در موقع شروع به کار جریان زیادی‌ از شبکه میگیرد .
۲) گشتاور شروع به کار آن کم می‌باشد .
۳) در موقعیکه بار آن به حد کافی نیست ضریب قدرتش کم است .
۴) در مقابل تغییر فشار الکتریکی حساسیت دارد .
۵) تنظیم تعداد دور آنها مشکل می باشد .
موارد استفاده و کاربرد موتورهای آسنکرون :
۱) موتور آسنکرون با روتور سنجابی که روتور آن دارای یک قفسه هادی است : برای قدرتهای کم و غالباً به صورت تک فاز ساخته می شوند . موارد کاربرد آن موتورهای کولر و لباسشوئی و و یخچال و غیره می باشد .
۲) موتور آسنکرون با روتور سنجابی که روتور آن دارای دو قفسه هادی است : دارای‌ گشتاور شروع به کار خوب و جریان راه اندازی آنها نیز نسبتاً کم است بنابراین میتوان از این موتور در جاهایی که قدرت زیاد احتیاج است استفاده شود .
● موتورهای جریان متناوبAC
۱) موتورهای سنکرون
۲) موتورهای آسنکرون
موتورهای آسنکرون به علت نداشتن کلکتور و سادگی ساختمان آن بیشتر از موتور سنکرون متداول است.
▪ مزایای موتور سنکرون:
۱) این موتور دارای ضریب قدرت مناسب و قابل تنظیم است.
۲) بازده عالی دارد.
۳) در مقابل نوسان ولتاژ حساسیت ندارد.
۴) امکان بکار بردن آن به طور مستقیم با ولتاژ زیاد وجود دارد.
۵) با تحریک مناسب هیچگونه قدرت راکتیو مصرف نمیکند و فقط قدرت اکتیو مناسب می گیرد.
۶) از این موتور میتوان به عنوان مولد قدرت راکتیو برای بالا بردن ضریب قدرت خط استفاده کرد.
▪ معایب موتور سنکرون:
۱) یک وسیله راه اندازی اولیه که موتور کمکی و غیره می باشد احتیاج دارد.
۲) علاوه بر جریان متناوب برای سیم پیچ استاتور ، جریان دائم برای قطبهای آن هم مورد احتیاج است در نتیجه قیمت ماشین را نسبت به مشابه خود بالا میبرد.
۳) سرعت آن ثابت است در نتیجه قابل تنظیم نیست.
۴) نداشتن تحمل اضافه بار ( در صورتیکه خیلی زیادتر از حد مجاز به آن بار دهند میایستد و دوباره بایستی آنرا راه اندازی کرد.)
▪ کاربرد موتور سنکرون:
به خاطر راه اندازی مشکل موتور سنکرون ، مورد استفاده آن محدود است.
به خاطر سرعت ثابت آن، در مواردیکه دور ثابت نیاز باشد، استفاده می شود. در وسایل دقیق مانند ساعتهای الکتریکی و گرام و ....
کاربرد مهم موتور سنکرون ، برای اصلاح Cos&#۹۶۶; است. بار روی آن قرار نداده یعنی موتور بدون بار کار میکند در این حالت موتور سنکرون را خازن سنکرون گویند.
۱) موتور آسنکرون با روتور قفسه ای (Sq
۲) موتور آسنکرون با روتور قفسه ای (Squirrel Cage Rotor)
● روتور قفسه سنجابی (Squirrel Cage Rotor)
از یک عده میله مسی یا آلومینیومی که در شیارهای محیطی استوانه آهنی کار گذاشته است.که بر دو نوع است که نوع اول از میله های گرد تشکیل شده است و در نوع دوم از میله های مستطیلی و یا به شکل دو دایره که به هم متصل و یا جدا از هم هستند تشکیل میشود .
روتور های قفسه ای یک طبقه ، گشتاور خوبی در شروع به کار ندارند .
روتور های قفسه ای دو طبقه ، گشتاور خوبی در شروع به کار دارند .
آیا می دانید چرا شیارها در روی روتور مورب می باشد ؟ با مورب کردن شیارها ، لرزش و صداهای موتور جلوگیری می کند. همچنین از تمایل روتور به ایستادن و قفل شدن در موقع راه اندازی جلوگیری می کند .
▪ مزایای موتور آسنکرون با روتور قفسه ای
راه اندازی موتور آسنکرون با روتور قفسه ای بر خلاف موتور سنکرون خیلی میباشد یعنی نه به موتور فرعی و نه به جریان دائم که در موتورهای سنکرون مورد احتیاج بود ، احتیاج دارد. ۱
ساختمان این موتور ساده است . ۲
سرعت آن در بارهای مختلف تقریباً ثابت است .۳
ضریب قدرت بهتری نسبت به موتور آسنکرون با روتور سیم پیچی‌۴ شده دارد .
ساده
▪ معایب موتور آسنکرون با روتور قفسه ای :
۱) در موقع شروع به کار جریان زیادی از شبکه میگیرد .
۲) گشتاور شروع به کار آن کم میباشد .
۳) در موقعیکه بار آن به حد کافی نیست ضریب قدرتش کم است .
۴) در مقابل تغییر فشار الکتریکی حساسیت دارد .
۵) تنظیم تعداد دور آنها مشکل می باشد .
▪ موارد استفاده و کاربرد موتورهای آسنکرون :
۱) موتور آسنکرون با روتور سنجابی که روتور آن دارای یک قفسه هادی است : برای قدرتهای کم و غالباً به صورت تک فاز ساخته می شوند . موارد کاربرد آن موتورهای کولر و لباسشوئی و و یخچال و غیره می باشد .
۲) موتور آسنکرون با روتور سنجابی که روتور آن دارای دو قفسه هادی است : دارای گشتاور شروع به کار خوب و جریان راه اندازی آنها نیز نسبتاً کم است بنابراین میتوان از این موتور در جاهایی که قدرت زیاد احتیاج است استفاده شود .
ماشینهای سنکرون به دو دسته تقسیم می شود:
الف) ژنراتور سنکرون یا آلتروناتور
ب) موتور سنکرون
البته نوعی ماشین سنکرون به نام «کمپانستور» (compensator ) یا اصلاح کننده ضریب توان نیز در صنایع موجود است. این ماشینها نیز از دو قسمت تشکیل شده است که قسمت متحرک این ماشینها را «روتور» و قسمت ساکن آنها را «استاتور» می گویند. رتور ماشینهای سنکرون از لحاظ ساختمان دو دسته است. ماشینهای سنکرون با قطب صاف و ماشینهای با قطب برجسته؛ و همچنین ماشینهای سنکرون - بسته به آنکه نوع وسیله گرداننده روتور آنها چه توربینی باشد - به این صورت تقسیم می شود:
۱) توربو ژنراتور:
در این وسیله، گرداننده روتور توربین بخار است و چون توربین بخار جزء ماشینهای تند گرد است. بنابر این، توربو ژنراتور قطبهای صاف دارد و این ماشین توانایی ایجاد دورهای بسیار بالا را در قدرتهای زیاد دارد. امروزه، اغلب توربو ژنراتورها را دو قطبی می سازند؛ چون با افزایش سرعت گردش کار توربینهای بخار با صرفه تر و ارزانتر تمام می شود.
۲) هیدرو ژنراتور:
در این وسیله، گرداننده رتور توربین آبی است و چون توربین آبی دارای دور کم است، بنابر این هیدرو ژنراتور دارای قطب برجسته بوده و دارای سرعت کم است.
۳) دیزل ژنراتور:
در قدرتهای کوچک و اضطراری، وسیله گرداننده رتور دیزل است که در این مورد هم قطبهای روتور آن قطب برجسته است. مولدهای AC یا آلترناتورها درست مثل مولدهای dc بر اساس القای الکترومغناطیسی کار می کنند؛ آنها نیز شامل سیم پیچ آرمیچر و میدانی مغناطیسی است. با این همه، اختلاف مهمی بین این دو وجود دارد: در حالی که در ژنراتورهای dc آرمیچر چرخیده می شود و سامانه میدان ثابت است، در آلترناتورها آرایش عکس وجود دارد.
هر موتور سنکرون از نظر الکتریکی مشابه آلترناتور یا ژنراتور ac است . در حقیقت، به طور نظری هر ماشین سنکرون را می توان به جای آلترناتور استفاده کرد که به طور مکانیکی راه اندازی شده است؛ و یا به عنوان موتوری استفاده کرد که به صورت الکتریکی راه اندازی شده باشد. بیشتر موتورهای سنکرون دارای مقدار نامی ۱۵۰ کیلووات تا ۱۵ مگاوات بود و دارای محدوده سرعتی rpm۱۵۰ تا rpm۱۸۰۰ کار می کنند .بعضی از ویژگیهای جالب توجه در هر موتور سنکرون عبارت است از :
۱) هم در سرعت سنکرون کار می کند و هم کار نمی کند؛ یعنی در حال کار سرعت را ثابت نگه می دارد. تنها روش برای تغییر سرعت آن تغییر دادن در شیوه تغذیه است.
۲) ذاتاً خود راه انداز نبوده و مجبور است تا سرعت سنکرون با استفاده از وسیله خاص تا رسیدن به حالت سنکرون به حرکت درآید.
۳) توانایی عمل کردن در محدوده وسیعی از ضریب قدرتهای پس فاز و پیش فاز را دارد؛ پس ممکن است برای مقاصد تصحیح توان و نیز برای تغذیه گشتاور و راه اندازی بارها استفاده گردد
شکل مقابل، اساس کار موتورهای سنکرون را نشان می دهد؛ به این صورت که با به چرخش درآمدن آهنربای نعلی شکل، آهنربای کوچک نیز به حرکت در می آید. چون قطب N آهنربای کوچک کنار قطب S آهنربای نعلی شکل قرار دارد، همدیگر را جذب می کنند و قفل مغناطیسی بوجود می آورند که بصورت همزمان شروع به چرخش می کنند. در عمل استاتور موتورهای سنکرون سه فاز را سیم پیچی می کنند. زمانی که استاتور را به شبکه وصل می کنیم، میدان گردان بوجود می آید که با سرعت سنکرون می چرخد. روتور این موتورها نیز سیم پیچی شده است که توسط منبع DC تغذیه می شود. روتور نیز میدان مغناطیسی ثابتی ایجاد می کند. برای راه اندازی موتور سنکرون، ابتدا روتور را به سرعت سنکرون می رسانیم و بعد جریان استاتور را وصل می کنیم. در این صورت، قفل مغناطیسی به وجود می آید و موتور پس از قطع محرک اولیه، با سرعت سنکرون می چرخد.
▪ نکته ۱: ماشین سنکرون، ماشینی است که هم بعنوان ژنراتور سنکرون و هم بعنوان موتور سنکرون می تواند به کار رود.
▪ نکته ۲: از این موتور برای اصلاح ضریب قدرت در کارخانه ها استفاده می شود.
● اصول چرخش موتورهای آسنکرون (غیرهمزمان
شکل روبرو، اصول چرخش موتورهای آسنکرون را نشان می دهد؛ به این صورت که با به حرکت درآمدن آهنربای نعلی شکل در میله های قفس جریانی بوجود می آید. در نتیجه این جریان، میله ها نیز شروع به حرکت می کنند (میله حامل جریان در میدان). حرکت آهنربا و قفس همیشه بصورت غیرهمزمان خواهد بود. این موتورها بخاطر ساختمان ساده ای که دارند، در صنعت بیشترین استفاده را دارند. به این موتورها، موتورهای القائی یا روتور قفس سنجابی می گویند. در عمل، وقتی استاتور این موتورها را به شبکه وصل می کنیم، میدان دوار سنکرون بوجود می آید. میله های روتور داخل این میدان شروع به چرخش می کنند؛ یعنی همیشه سرعت روتور کمتر از سرعت سنکرون استاتور خواهد بود.
میدان دوار:شرط بوجود آمدن میدان دوار یا حوزه مغناطیس دوار، وجود اختلاف فاز زمانی و مکانی ۱۲۰ درجه سیم پیچها در داخل استاتور است.
● مدار سنکرون و آسنکرون
بلوک دیاگرام یک مدار ترتیبی در شکل نشان داده شده است ، این مدار شامل یک مدار ترکیبی است که عناصر حافظه برای تشکیل یک مسیر فیدبک به آن متصل شده اند . عناصر حافظه قطعاتی هستند که می توانند اطلاعات دودویی را در خود ذخیره نمایند .این اطلاعات در هر زمان مفروض در آنها مشخص کننده ی حالت مدار است. مدار ترتیبی ، اطلاعات دودویی را از ورودی ها دریافت می کند و این ورودی ها به همراه حالت عناصر حافظه ، یک مقدار دودویی را درپایه های خروجی مشخص می نمایند. آنها هم چنین مشخص می کنند که در چه وضعیتی عناصرحافظه تغییر حالت می دهند . بلوک دیاگرام مربوطه نشان میدهد که خروجی های یک مدار ترتیبی نه تنها تابعی از ورودی های مدار بلکه تابعی از حالت عناصر حافظه نیز می باشند . همچنین حالت بعدی عناصر حافظه نیز تابعی از ورودی ها و حالت قعلی آنها ست بنابر این یک مدار ترتیبی بوسیله ی ترتیب زمانی ورودی ها و حالت داخلی اش مشخص می گردد .
مدارهای ترتیبی از نظر مسائل زمانی سیگنال هایشان به دو نوع اساسی سنکرون و آسنکرون طبقه بندی می شوند.
یک مدار ترتیبی سنکرون ، سیستمی است که از روی سیگنالهایش در فواصل گسسته ی زمانی میتوان عملکردش را تعیین نمود و در مقابل ، عملکرد یک مدار ترتیبی آسنکرون به ترتیب تغییر سیگنالهای ورودی آن که می توانند در هر لحظه از زمان روی مدار تأثیر بگذارند وابسته است.
عناصر حافظه ای که بطور معمول در مدارهای ترتیبی آسنکرون بکار می روند قطعات تأخیر زمانی هستند . قابلیت حافظه ی یک قطعه ی تأخیر زمانی ناشی از این حقیقت است که این قطعه به زمان محدودی برای انتشار در داخل خود نیاز دارد . تأخیر انتشار داخلی یک گیت منطقی در عمل برای ایجاد تأخیرمورد نیاز کافی است ، بنابراین نیازی به واحدهای فیزیکی تأخیر زمانی وجود ندارد.
در سیستم های آسنکرون از نوع گیت ، عناصر حافظه ی شکل مورد نظر از گیت هایی تشکیل شده اند که تأخیرانتشارشان حافظه ی مورد نظر را بوجود می آورد . بنابراین یک مدار ترتیبی آسنکرون را می توان بصورت یک مدار ترکیبی که دارای فیدبک می باشد در نظر گرفت . بدلیل وجود فیدبک در میان گیت های منطقی ، یک مدار ترتیبی آسنکرون می تواند در لحظاتی از زمان ناپایدار باشد که مسئله ناپایداری مشکلات بسیاری به طراح تحمیل می نماید.
با توجه به تعریف یک سیستم ترتیبی سنکرون ، این سیستم می بایست سیگنال هایی را بکار گیرد که فقط در لحظات گسسته ی زمانی روی حافظه اش اثر می گذارند یک روش برای رسیدن به این هدف ، استفاده از پالس هایی با تداوم محدود در سیستم است بطوری که بیانگر ۱ منطقی و پالس دیگر ( یا نبود پالس ) نشان دهنده ی ۰منطقی باشد . مشکل استفاده از چنین پالسهایی این است که هر دو پالسی که از منابع مستقل به ورودی های یک گیت می رسند ، تأخیرشان در داخل آن گیت قابل پیش بینی نخواهد بود که بتدریج از هم جدا شده و نهایتأ عملیات غیرقابل اعتمادی را نتیجه خواهند داد.
سیستم های ترتیبی سنکرون عملأ برای پالسهای دودویی از نوسان کننده های ثابتی مانند سطوح ولتاژ استفاده می کنند . همزمانی این پالس ها با استفاده از قطعات زمانی ، که تولید کننده اصلی پالس ساعت نام دارند ، انجام می شود که این قطعات دنباله ای پریودیک از پالسهای ساعت را تولید می کنند . نحوه ی توزیع پالسهای ساعت در سیستم بگونه ای است که عناصر حافظه فقط به هنگام رسیدن یکی از پالسها تحریک می شود . در عمل پالسهای ساعت به همراه پالسهایی که تغییر لازمه را در عناصر حافظه ایجاد می کنند به گیت های AND اعمال می شوند . بنابر این گیت های AND فقط در زمان رسیدن پالسهای ساعت می توانندسیگنال ها را انتقال دهند . مدار های ترتیبی سنکرونی که از پالسهای ساعت در ورودی های عناصر حافظه ی خود استفاده می کنند مدارهای ترتیبی با پالس ساعت نامیده می شوند که کاربرد بسیار وسیعی دارند و غالبأ با آنها مواجه می شویم . آنها مشکل ناپایداری در نگهداری اطلاعات را ندارند و مسائل زمانی شان بسادگی قابل تقسیم به بخشهای گسسته ی مستقل است که هر کدام از این قسمت ها بطور جداگانه در نظر گرفته می شوند .
عناصرحافظه ای که در مدارهای ترتیبی با پالس ساعت بکار می روند فلیپ فلاپ نامیده می شوند . فلیپ فلاپ ها سلولهای دودویی هستند که قادر به ذخیره ی یک بیت از اطلاعات می باشند . مدار یک فلیپ فلاپ دارای دو خروجی است ، یک برای مقدارطبیعی بیت ذخیره شده در آن و دیگری برای متمم آن .
● پیدا کردن سرسیم های موتور آسنکرون Uvw-xyz
آیا می دانید اگر موتور آسنکرونی سه فازی داشته باشیم و ۶ سر سیم ، که سر سیم های آن مشخص نیست ، چه باید کرد ؟؟
اگر این سر سیم ها اشتباه وصل شود در عملکرد موتور چه تغییری حاصل می شود ؟
در سایتها و وبلاگهای مختلف در این موضوع مطالبی دیدم که اشتباه یا ناقص بیان شده ، سعی کردم مطالب و تجربیاتی که در زمینه سیم پیچی داشتم در اختیار شما دوستان قرار دهم . امیدوارم مطالب مورد استفاده تان قرار گیرد . خوشحال می شوم بتوانم از تجربیات شما نیز استفاده کنم .
▪ تعیین آرایش کلافها در شیار :
موتورهای سه فاز از سه سیم پیچ تشکیل شده که هر کدام از این سیم پیچها ۳/۱ شیارهای استاتور را اشغال می کند . این سیم پیچها به فاز اول (R) ، فاز دوم (S) ، فاز سوم (T) شناسایی می شوند . سیم پیچی که از فاز R تغذیه می کند شروع سیم پیچی را (U ) و انتهای آنرا با ( X )
سیم پیچی که از فاز S تغذیه می کند شروع سیم پیچی را (V ) و انتهای آنرا با ( Y )
سیم پیچی که از فاز T تغذیه می کند شروع سیم پیچی را (W ) و انتهای آنرا با ( Z )
▪ برای یافتن سر سیم ها* :
ابتدا باید دو سر هر کلاف را پیدا کنید از مولتی متر یا هر روش دیگری که می شناسید .( یک سر مولتی متر را به یک سر سیم گرفته ، سر دیگر مولتی متر را با ۵ سر سیم باقی مانده امتحان می کنید . هر کدام که راه داد ، آن یک کلاف سیم پیچ است . )
اگر سیم پیچ U-X را از ولتاژ متناوب تغذیه کنیم . در سیم پیچ ( ۴-۳ ) و ( ۶-۲ ) نصف ولتاژ تغذیه القا می شود .
اگر اختلاف سطح ولتاژ بین ( ۲-۱ ) و ( ۳-۱ ) حدود ۵/۱ برابر ولتاژ تغذیه U-X باشد. اتصال صحیح است در این صورت ما بین ترمینالهای ( ۲و۳ ) اختلاف پتانسیل صفر خواهد بود .
اگر اختلاف سطح بین ( ۱و۳ ) کمتر از اختلاف سطح تغذیه باشد در این صورت جای( ۴و۳ ) را با یکدیگر عوض می کنیم .
اگر اتصال سیم پیچها به صورت مثلث باشد . ابتدا ستاره اتصال داده و با معلوم شدن سرها ، سیم پیچ را مجدداً به صورت مثلث اتصال می دهیم .
▪ اشتباه در سرسیم ها :
همانطور که می دانیم موتور سه فاز از سه سیم پیچ تشکیل شده است.که هر کدام از سیم پیچها ۳/۱ شیارهای استاتور را اشغال کرده و باعث تشکیل قطب در موتور می شود و قطب ها حرکت دورانی به روتورمی دهد . حال اگر سر سیمی تغییر کند در موتور ایجاد قطب نمی شود و موتور حرکت نمی کند و می تواند باعث سوختن موتور شود .
قبل از انجام کار اگر بار روی موتور قرار دارد بار را از روی موتور بردارید. ( تسمه یا ....)
این مطالب را به صورت خلاصه نوشته ام انتقاد یا پیشنهادی دارید خوشحال می*شوم بیان کنید ؟
مطالب گفته شده برای کسانی که کار سیم پیچی کرده اند بهتر و روشنتر است .
برای آشنایی بیشتر کتاب زیر را پیشنهاد می کنم :
▪ محاسبه و طراحی موتورهای القایی سه فاز
▪ مبادله آسنکرون
مبادله آسنکرون به شکل کاراکتر - کاراکتر صورت می گیرد و برای مخابره سریال (Serial Communication ) به کار کی رود . مثل مبادله از طریق مودم یا چاپگر سری . در مبادله آسنکرون هر داده کاراکتری یک بیت شروع ( Start bit ) دارد که مبین شروع آن کاراکتر است و همچنین یک یا دو بیت پایان که تعیین کننده پایان آن کاراکتر می باشد . یک کاراکتر ممکن است از پنج شش هفت یا هشت بیت تشکیل شده باشد . به دنبال بیت های داده یک بیت توازن (Parity bit) وجود دارد که دریافت کننده آن را به منظور خطایابی مورد استفاده قرار می دهد . پس از اینکه بیت parity ارسال شد سیگنال حداقل باید برای مدت زمان یک بیت دارای ارزش یک ( ۱ ) شود تا پایان کاراکتر را معین کند . بیت جدید شروع ( Start bit ) موجب می شود که وسیله دریافت کننده از آمدن یک کارکتر داده آگاه شود و ساعت خود را سنکرون ( همزمان ) کند . از آنجایی که ساعت های کامپوترهای ارسال کننده و دریافت کننده به طور پیوسته سنکرون نیستند بنابراین ارسال کننده ار بیت شروع برای تنظیم کردن ساعت دریافت کننده استفاده می کند . همچنین کامپیوتر دریافت کنده دارای برنامه ای است که تعداد بیت های هر کاراکتری را که از طرف فرستنده ارسال می شود تشخیص دهد
▪ مبادله سنکرون
بعضی مواقع احتیاج به ارسال بلوک های بزرگ داده ها داریم . مثل خواندن بک فایل از روی یک دیسک و یا انتقال اطلاعات ار یک کامپوتر به یک چاپگرکه مبادله سنکرون یک روش مفید با راندمان بالابرای انتقال بلوک های بزرگ داده - با استفاده از فواصل زمانی برای سنکرون نمودن - می باشد .
با استفاده از یک ارتباط خارجی که پالسهای ساتعت را حمل می کند می توان ارسال کنننده و دریافت کننده را سنکرون کرد . پالس ساعت بیان کننده سرعت ارسال داده می باشد و از آن برای اندهزه گیری سرعت تبادل اتلاعات استفتده می شود . برای این منظور به یک خط ارتباطی اضافی جهت حمل پالس های ساعت نیاز است ولی در شبکه فقط از یک رسانه برای ارسال اطلاعات و پالس ساعت استفاده می شود . بنابراین هر دو سیگنال داده ها و پالس ساعت طوری کددهی می شوند که سیگنال سنکرون در آنها مستتر باشد . انجام این کار توسط روش کددهی منچستر تفاضلی Differnet امکان پذیر است.
▪ بالابرهای بدون گیربکس با موتورهای سنکرون و آسنکرون
موتورهای مورد استفاده در بالابرهای بدون گیربکس را موتورهای سنکرون می نامند. این موتورها به موتورهای DC بدون زغال (Brushless) و یا اختصاراً موتورهای بدون زغال معروف اند. زیرا این موتورها از نظر مشخصه های فنی کاملاً شبیه موتورهای DC بوده ولی فاقد زغال می باشند.
سابقه کاربرد این گونه موتورها در صنعت به ۲۰ سال پیش بر می گردد. از این گونه موتورها در ماشین افزارها، ماشین های مورد استفاده در صنعت چوب، ماشین های بسته بندی و مشابه آنها استفاده می شده است. مدت کوتاهی است که از کاربرد این گونه موتورها در صنعت آسانسور نیز استفاده می شود.
در این گونه موتورها، سیم پیچی استاتور در داخل قرار دارد و موتور که مگنت های دایمی بر روی آن قرار دارند در سطح بیرونی واقع شده اند و از سطح خارجی موتور به عنوان دیسک ترمز استفاده می شود. نیروی وارده توسط مگنت های دایمی از قطر محیط چرخش آنها مستقل می باشد و به دلیل همین امتیاز است که می توان آنها را در بزرگترین قطر ممکن چرخش داد تا بدین ترتیب حداکثر گشتاور موردنیاز حاصل شود.
در نتیجه در این گونه موتورها اگرچه قطر آنها بین (۸۰-۵۰ سانتیمتر) افزایش پیدا می کند اما پهنای موتور به صورت قابل توجهی کاهش می یابد و لذا مجموعه ابعاد این نوع بالاتر حتی نسبت به کوچکترین بالابرهای گیربکسی بسیار کوچکتر است. برای دستیابی به گشتاور موردنیاز در این گونه موتورها استفاده از یک ردیف مگنت دایمی در دایره ای با قطر بالا کافی به نظر می رسد. همچنین دراین گونه موتورهای سنکرون امکان افزایش قطب های موتور (تا حد ۱۰۰ قطب) فقط با افزایش قطر موتور امکان پذیر می باشد بدون این که طول و (پهنای ) موتور افزایش یابد. در حقیقت، پهنای این موتورها با پهنای مگنت های دایمی نسبت مستقیم دارد. به عنوان مثال برای یک آسانسور ۸نفره با سرعت یک متر بر ثانیه در سیستم ۱: ۲ پهنای این مگنت ها کمتر از ۴ سانتی متر می باشد. مگنت ها گاهی با فاصله حدود ۳۰ میلیمتر از یکدیگر چیده می شوند. استفاده از تعداد زیادی قطب سبب کاهش اندازه واکنش آرمیچر در لبه های قطب گردیده و به طبع آن ضخامت قطب ها (و هزینه آنها) کاهش می یابد.این به نوبه خود سبب کاهش ضخامت استاتور گردیده و دستگاه بالابر دارای ابعاد کوچکتر خواهد شد. قسمت های فعال استاتور و موتور در چنین حالتی به صورت دو تاج روبروی هم قرار می گیرند.
در یک چنین حالتی به بهای افزایش پیچیدگی و هزینه های تولید، ابعاد موتور تا حد قابل توجهی کاهش می یابد. با توجه به پهنای بسیار کم این موتورها، در ابتدای کار از آنها در آسانسورهای بدون موتورخانه استفاده می شد. امروزه با پیشرفت دانش ساخت و فن آوری صنعتی استفاده از این بالابرها در آسانسورهای سرعت پایین نیز در حال گسترش است.

موضوع تحقیق : موتور های سنکرون وآسنکرون
استاد : جناب آقای مهندس عرب پور
تهیه کننده : اسماعیل قدیری
منابع :
http://www.majidonline.com -۱
http://www.parslift.com-۲
http://teletext.irib.ir-۳
http://sanat-bargh.blogfa.com/۸۵۰۳.aspx-۴
http://www.ewa.ir/modules-۵
کتاب محاسبه و طراحی موتورهای القایی ۳ فاز -۶
اسماعیل قدیری