سير تكاملي ژنراتورهاي سنكرون

واضح آرشیو وب فارسی:فان پاتوق: (از ابتدا تا پايان دهه 1980)
هدف از انجام اين تحقيق بررسي سير تحقيقات انجام شده با موضوع طراحي ژنراتور سنكرون است. به اين منظور، بررسي مقالات منتشر شده IEEE كه با اين موضوع مرتبط بودند، در دستور كار قرار گرفت. به عنوان اولين قدم كليه مقالات مرتبط در دهه.هاي مختلف جستجو و بر مبناي آنها يك تقسيم.بندي موضوعي انجام شد. سپس سعي شد بدون پرداختن به جزييات، سيرتحولات استخراج. شود. رويكرد كلي اين بوده است كه تحولات داراي كاربرد صنعتي بررسي شود.
با توجه به گستردگي موضوع و حجم مطالب، اين گزارش در دو بخش ارايه شده است. در بخش اول ابتدا پيشرفتهاي اوليه ژنراتورهاي سنكرون از آغاز تا دهه 1970 بررسي شده است و در ادامه تحولات دهه.هاي 1970 و 1980 به تفصيل مورد توجه قرار گرفته.اند. در پايان هر دهه يك جمعبندي از كل فعاليتهاي صورت گرفته ارايه و سعي شده است ارتباط منطقي پيشرفتهاي هر دهه با دهه.هاي قبل و بعد بيان شود.
ماشين سنكرون همواره يكي از مهمترين عناصر شبكه قدرت بوده و نقش كليدي در توليد انرژي الكتريكي و كاربردهاي خاص ديگر ايفاء كرده است.
ساخت اولين نمونه ژنراتور سنكرون به انتهاي قرن 19 برمي.گردد. مهمترين پيشرفت انجام شده در آن سالها احداث اولين خط بلند انتقال سه فاز از لافن به فرانكفورت آلمان بود. دركانون اين تحول؛ يك هيدروژنراتور سه فاز 210 كيلووات قرار گرفته بود.

عليرغم مشكلات موجود در جهت افزايش ظرفيت وسطح ولتاژ ژنراتورها، در طول سالهاي بعد تلاشهاي گسترده.اي براي نيل به اين مقصود صورت گرفت.
مهمترين محدوديتها در جهت افزايش ظرفيت، ضعف عملكرد سيستمهاي عايقي و نيز روشهاي خنك.سازي بود. در راستاي رفع اين محدوديتها تركيبات مختلف عايقهاي مصنوعي، استفاده از هيدروژن براي خنك.سازي و بهينه.سازي روشهاي خنك.سازي با هوا نتايج موفقيت.آميزي را در پي داشت به نحوي كه امروزه ظرفيت ژنراتورها به بيش از MVA1600 افزايش يافته است.
در جهت افزايش ولتاژ، ابداع پاورفرمر در انتهاي قرن بيستم توانست سقف ولتاژ توليدي را تا حدود سطح ولتاژ انتقال افزايش دهد به نحوي كه برخي محققان معتقدند در سالهاي نه چندان دور، ديگر نيازي به استفاده از ترانسفورماتورهاي افزاينده نيروگاهي نيست.
همچنين امروزه تكنولوژي ژنراتورهاي ابررسانا بسيار مورد توجه است. انتظار مي.رود با گسترش اين تكنولوژي در ژنراتورهاي آينده، ظرفيتهاي بالاتر در حجم كمتر قابل دسترسي باشند.
تاريخچه
ژنراتور سنكرون تاريخچه.اي بيش از صد سال دارد. اولين تحولات ژنراتور سنكرون در دهه 1880 رخ داد. در نمونه.هاي اوليه مانند ماشين جريان مستقيم، روي آرميچر گردان يك يا دو جفت سيم.پيچ وجود داشت كه انتهاي آنها به حلقه.هاي لغزان متصل مي.شد و قطبهاي ثابت روي استاتور، ميدان تحريك را تامين مي.كردند. به اين طرح اصطلاحاً قطب خارجي مي.گفتند. در سالهاي بعد نمونه ديگري كه در آن محل قرار گرفتن ميدان و آرميچر جابجا شده بود مورد توجه قرار گرفت. اين نمونه كه شكل اوليه ژنراتور سنكرون بود، تحت عنوان ژنراتور قطب داخلي شناخته و جايگاه مناسبي در صنعت.برق پيدا كرد. شكلهاي مختلفي از قطبهاي مغناطيسي و سيم.پيچهاي ميدان روي رتور استفاده شد، در حالي كه سيم.پيچي استاتور، تكفاز يا سه.فاز بود. محققان بزودي دريافتند كه حالت بهينه از تركيب سه جريان متناوب با اختلاف فاز نسبت به هم بدست مي.آيد. استاتور از سه جفت سيم.پيچ تشكيل شده بود كه در يك طرف به نقطه اتصال ستاره و در طرف ديگر به خط انتقال متصل بودند.
در واقع ايده ماشين جريان متناوب سه فاز، مرهون تلاشهاي دانشمندان برجسته.اي مانند نيكولا تسلا، گاليلئو فراريس، چارلز برادلي، دبروولسكي، هاسلواندر بود.
هاسلواندر اولين ژنراتور سنكرون سه فاز را در سال 1887 ساخت كه تواني در حدود 8/2 كيلووات را در سرعت 960 دور بر دقيقه (فركانس 32 هرتز) توليد مي.كرد. اين ماشين داراي آرميچر سه فاز ثابت و رتور سيم.پيچي شده چهار قطبي بود كه ميدان تحريك لازم را تامين مي.كرد. اين ژنراتور براي تامين بارهاي محلي مورد استفاده قرار مي.گرفت.
در سال 1891 براي اولين بار تركيب ژنراتور و خط بلند انتقال به منظور تامين بارهاي دوردست با موفقيت تست شد. انرژي الكتريكي توليدي اين ژنراتور توسط يك خط انتقال سه فاز از لافن به نمايشگاه بين.المللي فرانكفورت در فاصله 175 كيلومتري منتقل مي.شد. ولتاژ فاز به فاز 95 ولت، جريان فاز 1400 آمپر و فركانس نامي 40 هرتز بود. رتور اين ژنراتور كه براي سرعت 150 دور بر دقيقه طراحي شده بود، 32 قطب داشت. قطر آن 1752 ميليمتر و طول موثر آن 380 ميليمتر بود. جريان تحريك توسط يك ماشين جريان مستقيم تامين مي.شد. استاتور آن 96 شيار داشت كه در هر شيار يك ميله مسي به قطر 29 ميليمتر قرار مي.گرفت. از آنجا كه اثر پوستي تا آن زمان شناخته نشده بود، سيم.پيچي استاتور متشكل از يك ميله براي هر قطب / فاز بود. بازده اين ژنراتور 5/96% بود كه در مقايسه با تكنولوژي آن زمان بسيار عالي مي.نمود. طراحي و ساخت اين ژنراتور را چارلز براون انجام داد.
در آغاز، اكثر ژنراتورهاي سنكرون براي اتصال به توربينهاي آبي طراحي مي.شدند، اما بعد از ساخت توربينهاي بخار قدرتمند، نياز به توربوژنراتورهاي سازگار با سرعت بالا احساس شد. در پاسخ به اين نياز اولين توربورتور در يكي از زمينه.هاي مهم در بحث ژنراتورهاي سنكرن، سيستم عايقي است. مواد عايقي اوليه مورد استفاده مواد طبيعي مانند فيبرها، سلولز، ابريشم، كتان، پشم و ديگر الياف طبيعي بودند. همچنين رزينهاي طبيعي بدست آمده از گياهان و تركيبات نفت خام براي ساخت مواد عايقي مورد استفاده قرارمي.گرفتند. در سال 1908 تحقيقات روي عايقهاي مصنوعي توسط دكتر بايكلند آغاز شد. در طول جنگ جهاني اولي رزين.هاي آسفالتي كه بيتومن ناميده مي.شدند، براي اولين بار همراه با قطعات ميكا جهت عايق شيار در سيم.پيچهاي استاتور توربوژنراتورها مورد استفاده قرار گرفتند. اين قطعات در هر دو طرف، با كاغذ سلولز مرغوب احاطه مي.شدند. در اين روش سيم.پيچهاي استاتور ابتدا با نوارهاي سلولز و سپس با دو لايه نوار كتان پوشيده مي.شدند. سيم.پيچها در محفظه.اي حرارت مي.ديدند و سپس تحت خلا قرار مي.گرفتند. بعد از چند ساعت عايق خشك و متخلخل حاصل مي.شد. سپس تحت خلا، حجم زيادي از قير داغ روي سيم.پيچ.ها ريخته مي.شد. در ادامه محفظه با گاز نيتروژن خشك با فشار 550 كيلو پاسكال پر و پس از چند ساعت گاز نيتروژن تخليه و سيم.پيچها در دماي محيط خنك و سفت مي.شدند. اين فرآيند وي پي.آي ناميده مي.شد.
در اواخر دهه 1940 كمپاني جنرال الكتريك به منظور بهبود سيستم عايق سيم.پيچي استاتور تركيبات اپوكسي را برگزيد. در نتيجه اين تحقيقات، يك سيستم به اصطلاح رزين ريچ عرضه شد كه در آن رزين در نوارها و يا وارنيش مورد استفاده بين لايه.ها قرار مي.گرفت.
در دهه.هاي 1940 تا 1960 همراه با افزايش ظرفيت ژنراتورها و در نتيجه افزايش استرسهاي حرارتي، تعداد خطاهاي عايقي به طرز چشمگيري افزايش يافت. پس از بررسي مشخص شد علت اكثر اين خطاها بروز پديده جدا شدن نوار يا ترك خوردن آن است. اين پديده به علت انبساط و انقباض ناهماهنگ هادي مسي و هسته آهني به وجود مي.آمد. براي حل اين مشكل بعد از جنگ جهاني دوم محققان شركت وستينگهاوس كار آزمايشگاهي را بر روي پلي.استرهاي جديد آغاز كرده و سيستمي با نام تجاري ترمالاستيك عرضه كردند.
نسل بعدي عايقها كه در نيمه اول دهه 1950 مورد استفاده قرار گرفتند، كاغذهاي فايبرگلاس بودند. در ادامه در سال 1955 يك نوع عايق مقاوم در برابر تخليه جزيي از تركيب 50 درصد رشته.هاي فايبرگلاس و 50 درصد رشته.هاي PET بدست آمد كه روي هادي پوشانده مي.شد و سپس با حرارت دادن در كوره.هاي مخصوص، PET ذوب شده و روي فايبرگلاس را مي.پوشاند. اين عايق بسته به نياز به صورت يك يا چند لايه مورد استفاده قرار مي.گرفت. عايق مذكور با نام عمومي پلي.گلاس و نام تجاري داگلاس وارد بازار شد.
مهمترين استرسهاي وارد بر عايق استرسهاي حرارتي است. بنابراين سيستم.هاي عايقي همواره در ارتباط تنگاتنگ با سيستم.هاي خنك.سازي بوده.اند. خنك.سازي در ژنراتورهاي اوليه توسط هوا انجام مي.گرفت. بهترين نتيجه بدست آمده با اين روش خنك.سازي يك ژنراتور MVA200 با سرعت rpm1800 بود كه در سال 1932 در منطقه بروكلين نيويورك نصب شد. اما با افزايش ظرفيت ژنراتورها نياز به سيستم خنك.سازي موثرتري احساس شد. ايده خنك.سازي با هيدروژن اولين بار در سال 1915 توسط ماكس شولر مطرح شد. تلاش او براي ساخت چنين سيستمي از 1928 آغاز و در سال 1936 با ساخت اولين نمونه با سرعت rpm3600 به نتيجه رسيد. در سال 1937 جنرال الكتريك اولين توربوژنراتور تجاري خنك شونده با هيدروژن را روانه بازار كرد. اين تكنولوژي در اروپا بعد از سال 1945 رايج شد. در دهه.هاي 1950 و 1960 روشهاي مختلف خنك.سازي مستقيم مانند خنك.سازي سيم.پيچ استاتور با گاز، روغن و آب پا به عرصه ظهور گذاشتند تا آنجا كه در اواسط دهه 1960 اغلب ژنراتورهاي بزرگ با آب خنك مي.شدند. ظهور تكنولوژي خنك.سازي مستقيم موجب افزايش ظرفيت ژنراتورها به ميزان MVA1500 شد.
يكي از تحولات برجسته.اي كه در دهه 1960 به وقوع پيوست توليد اولين ماده ابررساناي تجاري يعني نيوبيوم- تيتانيوم بود كه در دهه.هاي بعدي بسيار مورد توجه قرار گرفت.

تحولات دهه 1970
در اين دهه تحول مهمي در فرآيند عايق كاري ژنراتور رخ داد. قبل از سال 1975 اغلب عايقها را توسط رزينهاي محلول در تركيبات آلي فرار اشباع مي.كردند. در اين فرآيند، تركيبات مذكور تبخير و در جو منتشر مي.شد. با توجه به وضع قوانين زيست محيطي و آغاز نهضت سبز در اوايل دهه 1970، محدوديتهاي شديدي بر ميزان انتشار اين مواد اعمال شد كه حذف آنها را از اين فرآيند در پي داشت. در نتيجه استفاده از مواد سازگار با محيط زيست در توليد و تعمير ماشينهاي الكتريكي مورد توجه قرار گرفت. استفاده از رزينهاي با پايه آبي يكي از اولين پيشنهاداتي بود كه مطرح شد، اما يك راه.حل جامعتر كه امروزه نيز مرسوم است، كاربرد چسبهاي جامد بود. در همين راستا توليد نوارهاي ميكاي رزين ريچ بدون حلال نيز توسعه يافت.
از ديگر پيشرفتهاي مهم اين دهه ظهور ژنراتورهاي ابررسانا بود. يك ماشين ابررسانا عموماً.از يك سيم.پيچ ميدان ابررسانا و يك سيم.پيچ آرميچر مسي تشكيل شده است. هسته رتور عموماً آهني نيست، چرا كه آهن به دليل شدت بالاي ميدان توليدي توسط سيم.پيچي ميدان اشباع مي.شود. فقط در يوغ استاتور از آهن مغناطيسي استفاده مي.شود تا به عنوان شيلد و همچنين منتقل كننده شار بين قطبها عمل كند. عدم استفاده از آهن، موجب كاهش راكتانس سنكرون (به حدود pu5/0- 3/0) در اين ماشينها شده كه طبعاً موجب پايداري ديناميكي بهتر مي.شود. همانطور كه اشاره شد، اولين ماده ابررساناي تجاري نيوبيوم- تيتانيوم بود كه تا دماي 5 درجه كلوين خاصيت ابررسانايي داشت. البته در دهه.هاي بعد پيشرفت اين صنعت به معرفي مواد ابررسانايي با دماي عملكرد 110 درجه كلوين انجاميد. براين اساس مواد ابررسانا را به دو گروه دما پايين مانند نيوبيوم – تيتانيوم و دما بالا مانند BSCCO-2223 تقسيم مي.كنند. از اوايل دهه 1970 تحقيقات بر روي ژنراتورهاي ابررسانا با استفاده از هاديهاي دما پايين آغاز شد. در اين دهه كمپاني وستينگهاوس تحقيقات براي ساخت يك نمونه دوقطبي را با استفاده هاديهاي دماپايين آغاز كرد. نتيجه اين پروژه ساخت و تست يك ژنراتور MVA5 در سال 1972 بود.
در سال 1970 كمپاني جنرال الكتريك ساخت يك ژنراتور ابررسانا را با استفاده از هادي.هاي دماپايين، با هدف نصب در شبكه آغاز كرد.
ساخت و تست اين ژنراتور MVA20، دو قطب و rpm3600 در سال 1979 به پايان رسيد. در اين ماشين از روش طراحي هسته هوايي بهره. گرفته شده بود و سيم.پيچ ميدان آن توسط هليم مايع خنك مي.شد. اين ژنراتور، بزرگترين ژنراتور ابررساناي تست شده تا آن زمان (1979) بود.
در سال 1979 وستينگهاوس و اپري ساخت يك ژنراتور ابررساناي MVA300 را آغاز كردند. اين پروژه در سال 1983 به علت شرايط بازار جهاني با توافق طرفين لغو شد.
در همين زمينه كمپاني زيمنس ساخت ژنراتورهاي دماپايين را در اوايل دهه 1970 شروع كرد. در اين مدت يك نمونه رتور و يك نمونه استاتور با هسته آهني براي ژنراتور MVA 850 با سرعت rpm3000 ساخته شد، اما به دليل مشكلاتي تست عملكرد واقعي آن انجام نشد.
در اين دهه آلستوم نيز طراحي يك رتور ابررسانا براي يك توربو ژنراتور سنكرون را آغاز كرد. اين رتور در يك ماشين MW250 به كار رفت.
با توجه به اهميت خنك.سازي در كاركرد مناسب ژنراتورهاي ابررسانا، همگام با توسعه اين صنعت، طرحهاي خنك.سازي جديدي ارايه شد. در 1977 اقاي لاسكاريس يك سيستم خنك.سازي دوفاز (مايع- گاز) براي ژنراتورهاي ابررسانا ارايه كرد. در اين طرح بخشي از سيم.پيچ در هليم مايع قرار مي.گرفت و با جوشش هليم دردماي 2/4 كلوين خنك مي.شد. جداسازي مايع ازگاز توسط نيروي گريز از مركز ناشي از چرخش رتور صورت مي.گرفت.
جمع.بندي تحولات دهه 1970
با بررسي مقالات IEEE اين دهه (28 مقاله) در موضوعات مختلف مرتبط با ژنراتور سنكرون به نتايج زير مي.رسيم:
1- شايان ذكر است بررسي كل مقالات در دهه.هاي مختلف نشان مي.دهد كه زمينه.هاي اصلي مورد توجه طرحهاي بدون جاروبك، سيستمهاي خنك.سازي، سيستمهاي تحريك، روشهاي عددي، سيستم عايقي، ملاحظات مكانيكي، ژنراتور آهنرباي دائم، پاورفرمر و ژنراتورهاي ابررسانا بوده.اند. تمركز اكثر تحقيقات بر روي كاربرد مواد ابررسانا در ژنراتورها بوده است.
2- استفاده از روشهاي كامپيوتري براي تحليل و طراحي ماشينهاي الكتريكي آغاز شد.
3- حلالها از سيستمهاي عايق كاري حذف شدند و تكنولوژي رزين ريچ بدون حلال ارايه شد.
تحولات دهه 1980
در اين دهه نيز همچون دهه.هاي گذشته سيستم.هاي عايقي از زمينه.هاي مهم تحقيقاتي بوده است. در اين دهه آلستوم يك فرمول جديد اپوكسي بدون حلال كلاس F در تركيب با گلاس فابريك و نوع خاصي از كاغذ ميكا با نام تجاري دورتناكس را ارايه داد. اين سيستم عايق كاري داراي استحكام مكانيكي بيشتر، استقامت عايقي بالاتر، تلفات دي.الكتريك پايينتر و مقاومت حرارتي كمتري نسبت به نمونه..هاي قبلي بود.
در ادامه كار بر روي پروژه.هاي ابررسانا، در سال 1988 سازمان توسعه تكنولوژي صنعتي و انرژيهاي نو ژاپن پروژه ملي 12 ساله سوپر جي.ام را آغاز كرد كه نتيجه آن در دهه.هاي بعدي به ثمر رسيد.
سيستم.هاي خنك.سازي ژنراتورهاي ابررسانا هنوز در حال پيشرفت بودند. در اين زمينه مي.توان به ارايه طرح سيستم خنك.سازي تحت فشار توسط انستيتو جايري ژاپن اشاره كرد. اين طرح كه در سال 1985 ارايه شد داراي يك مبدل حرارتي پيشرفته و يك مايع.ساز هليم با ظرفيت 350 ليتر بر ثانيه بود.
در اين مقطع شاهد تحقيقاتي در زمينه مواد آهن.رباي دائم بوديم. استفاده از آهنرباهاي نئوديميوم – آهن- بورون در اين دهه تحول عظيمي در ساخت ماشينهاي آهنرباي دائم ايجاد كرد. مهمترين خصوصيت آهنرباهاي نئوديميوم- آهن- بورون انرژي مغناطيسي (BHmax) بالاي آنهاست كه سبب مي شود قيمت هر واحد انرژي مغناطيسي كاهش يابد. علاوه بر اين، انرژي زياد توليدي امكان به كارگيري آهنرباهاي كوچكتر را نيز فراهم مي.كند، بنابراين اندازه ساير اجزا ماشين از قبيل قطعات آهن و سيم.پيچي نيز كاهش مي.يابد و در نتيجه ممكن است هزينه كل كمتر شود. شايان ذكر است حجم بالايي از تحقيقات انجام شده اين دهه در زمينه ژنراتورهاي بدون جاروبك و خودتحريكه براي كاربردهاي خاص بوده كه به علت عموميت نيافتن در صنعت ژنراتورهاي نيروگاهي از شرح آنها صرفنظر مي شود.
جمع.بندي تحولات دهه 1980
با بررسي مقالات IEEE اين دهه (41 مقاله) در موضعات مختلف مرتبط با ژنراتور سنكرون به نتايج زير مي.رسيم:
1- تمركز موضوعي مقالات در شكل نشان داده شده است.
2- روشهاي قبلي عايق كاري به منظور كاهش مقاومت حرارتي عايق بهبود يافت.
3- مطالعات وسيعي روي ژنراتورهاي سنكرون بدون جاروبك بدون تحريك صورت گرفت.
4- فعاليت روي پروژه.هاي ژنراتورهاي ابررساناي آغاز شده در دهه قبل ادامه يافت.
5- سيستمهاي خنك.سازي جديدي براي ژنراتورهاي ابررسانا ارايه شد.
6- روش اجزاي محدود در طراحي و تحليل ژنراتورهاي سنكرون خصوصاً ژنراتورهاي آهنرباي دائم به شكل گسترده.اي مورد استفاده قرار گرفت.
از ابتداي دهه 1990 تاكنون
مهندس مهدي ثواقبي فيروزآبادي- دكتر ابوالفضل واحدي- مهندس حسين هوشيار

هدف از انجام اين تحقيق بررسي سير تحقيقات انجام شده با موضوع طراحي ژنراتور سنكرون است. به اين منظور، بررسي مقالات منتشر شده در IEEE كه با اين موضوع مرتبط بودند، در دستور كار قرار گرفت. به عنوان اولين قدم كليه مقالات مرتبط در دهه.هاي مختلف جستجو و بر مبناي آنها يك تقسيم.بندي موضوعي انجام شد. سپس سعي شد بدون پرداختن به جزييات، سير تحولات استخراج شود. رويكرد كلي اين بوده كه تحولات داراي كاربرد صنعتي بررسي شوند.
با توجه به گستردگي موضوع و حجم مطالب اين گزارش در دو بخش ارايه شده است. در بخش اول پيشرفتهاي ژنراتورهاي سنكرون از آغاز تا انتهاي دهه 1980 بررسي شد. در اين بخش تحولات اين صنعت از ابتداي دهه 1990 تاكنون مورد توجه قرار گرفته است. در پايان هر دهه يك جمعبندي از كل فعاليتهاي صورت گرفته ارايه و سعي شده است ارتباط منطقي بين پيشرفتهاي هر دهه با دهه.هاي قبل و بعد بيان شود.
در پايان گزارش با توجه به تحقيقات انجام شده و در حال انجام، تلاش شده نمايي از پيشرفتهاي عمده مورد انتظار در سالهاي آينده ترسيم شود.

تحولات دهه 1990
در اين دهه نيز همچون دهه.هاي گذشته تلاشهاي زيادي در جهت بهبود سيستمهاي عايقي صورت گرفت. در اين ميان مي.توان به ارايه سيستمهاي عايق ميكاپال كه توسط كمپاني جنرال الكتريك از تركيب انواع آلكيدها و اپوكسيها در سال 1990 بدست آمده بود، اشاره كرد. درسال 1992 شركت وستينگهاوس الكتريك يك سيستم جديد عايق سيم.پيچ رتور كلاس F را ارايه كرد. اين سيستم شامل يك لايه اپوكسي .گلاس بود كه با چسب پلي.آميد- اپوكسي روي هادي مسي چسبانده مي.شد. مقاومت در برابر خراشيدگي، استرسهاي الكتريكي و مكانيكي و كاهش زوال حرارتي از مزاياي اين سيستم بود. گروه صنعتي ماشينهاي الكتريكي و توربين نانجينگ عايق سيم.پيچ رتور جديدي از جنس نومكس اشباع شده با وارنيش چسبي را در سال 1998 ارايه كرد. از مهمترين مزاياي اين سيستم مي.توان به انعطاف.پذيري و استقامت عايقي، بهبود اشباع شوندگي با وارنيش، تميزكاري آسان و عدم جذب رطوبت اشاره كرد. در اواخر دهه 1990 تلاشهايي براي افزايش هدايت گرمايي عايقها صورت گرفت. آقاي ميلر از شركت زيمنس- وستينگهاوس روشي را ارايه كرد كه در آن لايه پركننده مورد استفاده در طرحهاي قبلي به وسيله رزينهاي مخصوصي جايگزين مي.شد. مزيت اصلي اين روش پرشدن فاصله هوايي بين لايه پركننده و ديواره استاتور بود كه موجب مي.شد هدايت گرمايي عايق استاتور به طرز چشمگيري افزايش پيدا كند.
دراين دهه مسائل مكانيكي در عملكرد ماشينهاي سنكرون بيشتر مورد توجه قرار گرفت. در سال 1993 آقاي جانگ از دانشگاه بركلي روشي براي كاهش لرزش در ژنراتورهاي آهنرباي دائم ارايه كرد. لرزش در ژنراتورهاي آهنرباي دائم در اثر نيروهاي جذبي اعمال شده توسط آهنرباهاي دائم گردان به استاتور است. در اين روش لرزشها با استفاده از سنسورهاي ماكسول، روش اجزاء محدود و بسط فوريه مورد بررسي قرار مي.گرفت و نهايتاً براي كاهش لرزشها، ابعاد هندسي جديدي براي آهنرباها ارايه مي.شد البته با اين شرط كه كارايي ماشين افت نكند.
همزمان با پيشرفتهاي مذكور، افزايش سرعت و حافظه كامپيوترها و ظهور نرم.افزارهاي قدرتمند موجب شد تا راه براي استفاده از كامپيوترها در تحليل و طراحي ژنراتورهاي سنكرون بيش از پيش باز شود. در سال 1995 آقاي كوان روشي براي طراحي سيستمهاي خنك.سازي با هيدروژن ارايه كرد كه بر مبناي محاسبات كامپيوتري ديناميك شاره پايه.ريزي شده بود. دراين روش بااستفاده از يك مدل معادل سيستم خنك.سازي، توزيع دما در بخشهاي مختلف ژنراتور پيش.بيني مي.شد.
نحوه پياده.سازي سيستمهاي خنك.سازي نيز از جمله موضوعاتي بود كه مورد توجه قرار گرفت. در سال 1995 اقاي آيدير تاثير مكان حفره.هاي تهويه برميدان مغناطيسي ژنراتور سنكرون را با استفاده از روش اجزاء محدود مورد بررسي قرار داد و نشان داد كه انتخاب مكان مناسب حفره.هاي تهويه جهت جلوگيري از افزايش جريان مغناطيس.كنندگي و پديده اشباع بسيار حائز اهميت است. مكان حفره.ها تاثير قابل توجهي بر شار يوغ دارد.
از مهمترين تحولاتي كه در اين دهه در زمينه ژنراتورهاي ابررسانا صورت گرفت مي.توان به نتايج پروژه سوپرجي.ام كه از دهه قبل در ژاپن آغاز شده بود، اشاره كرد. حاصل اين پروژه ساخت و تست سه مدل رتور ابررسانا براي يك استاتور بود. مدل اول كه در تركيب با استاتور، خروجي MW79 را مي.داد در سال 1997 و مدل دوم در سال 1998 با خروجي MW7/79 تست شد. نهايتاً مدل سوم كه داراي يك سيستم تحريك پاسخ سريع بود در سال 1999 تست و در شبكه قدرت نصب شد.
با بكارگيري مواد ابررساناي دمابالا در اين دهه، تكنولوژي ژنراتورهاي سنكرون ابررسانا وارد مرحله جديدي شد. كمپاني جنرال الكتريك طراحي، ساخت و تست يك سيم.پيچ دمابالا را در اواسط اين دهه به پايان رساند. در ادامه، همكاري وستينگهاوس و شركت ابررساناي آمريكا به طراحي يك ژنراتور ابررساناي دما.بالاي 4 قطب، rpm1800، Hz60 انجاميد.
اين دهه شاهد پيشرفتهاي مهمي در زمينه سيستمهاي تحريك مانند ظهور سيستمهاي تحريك استاتيك الكترونيكي بود. استفاده از اينگونه سيستمها باعث انعطاف.پذيري در طراحي سيستمهاي تحريك و جذب مشكلات نگهداري جاروبك در اكسايترهاي گردان مي.شد. يكي از اولين نمونه.هاي اين سيستمها در سال 1997 توسط آقاي شافر از كمپاني باسلر الكتريك آلمان ارايه شد.
در اين مقطع زماني كاربرد سيستمهاي ديجيتال در تحريك ژنراتورها آغاز شد. يكي از اولين نمونه.هاي سيستم تحريك ديجيتالي، سيستمي بود كه در سال 1999 توسط آقاي ارسگ از دانشگاه زاگرب كرواسي ارايه شد.
در ادامه تلاشهاي صورت گرفته براي بهبود خنك.سازي، شركت زيمنس- وستينگهاوس طرح يك ژنراتور بزرگ با خنك.سازي هوايي را در سال 1999 ارايه داد. ارايه اين طرح آغازي بر تغيير طرحهاي خنك.سازي از هيدروژني به هوايي بود. استفاده از عايقهاي استاتور نازك دمابالا و كاربرد محاسبات كامپيوتري ديناميك شاره موجب اقتصادي شدن اين طرح نسبت به خنك.سازي هيدروژني شد.
پايان دهه 90 مصادف با ظهور تكنولوژي پاورفرمر بود. در اوايل بهار سال 1998 دكتر ليجون از كمپاني ABB سوئد، ايده توليد انرژي الكتريكي در ولتاژهاي بالا را ارايه كرد. مهمترين ويژگي اين طرح استفاده از كابلهاي فشار قوي پلي.اتيلن متقاطع معمول در سيستمهاي انتقال و توزيع در سيم.پيچي استاتور است.
در اين طرح به علت سطح ولتاژ بسيار بالا از كابلهاي استوانه.اي به منظور حذف تخليه جزيي و كرونا استفاده مي.شود.
در سال 1998 اولين نمونه پاورفرمر در نيروگاه پرجوس واقع در شمال سوئد نصب شد. اين پاورفرمر داراي ولتاژ نامي KV45، توان نامي MVA11 و سرعت نامي rpm600 بود.
يكي از مسائل مهم مطرح در پاورفرمر فيكس شدن دقيق كابلها در شيارها به منظور جلوگيري از تخريب لايه بيروني نيمه هادي كابل در اثر لرزشها است. به اين منظور كابلها را با استفاده از قطعات مثلثي سيليكون – رابر فيكس مي.كنند.
به علت پايين بودن جريان سيم.پيچ استاتور پاورفرمر تلفات مسي ناچيز است، لذا استفاده از يك مدار خنك.سازي آبي كافي است. سيستم خنك.سازي دماي عملكرد كابلها را در حدود 70 درجه سانيگراد نگه مي.دارد، در حالي كه طراحي عايقي كابلها براي دماي نامي 90 درجه انجام شده است. لذا مي.توان پاورفرمر را بدون مشكل خاصي زير اضافه بار برد.

جمعبندي تحولات دهه 1990
با بررسي مقالات IEEE اين دهه (157 مقاله) در موضوعات مختلف مرتبط با ژنراتور سنكرون به نتايج زير مي.رسيم:
1- تمركز موضوعي مقالات
2- فعاليت روي ژنراتورهاي ابررساناي دمابالا آغاز شد.
3- كاربرد سيستمهاي تحريك استاتيك و ديجيتال گسترش يافت.
4- روشهاي كاهش لرزش حين عملكرد ژنراتور مورد توجه قرار گرفت.
5- در اوايل دهه رويكرد طراحان بهبود عملكرد سيستمهاي خنك.سازي هيدروژني بود، اما در اواخر دهه سيستمهاي خنك.سازي با هوا به دلايل زير مجدداً مورد توجه قرار گرفتند:
الف) توليد عايقهاي استاتور نازكتر با مقاومت حرارتي پايينتر
ب) ظهور روشهاي محاسبات كامپيوتري ديناميك شاره
ج) ارزاني و سادگي ساخت سيستمهاي خنك.سازي با هوا
6- تكنولوژي پاورفرمر ابداع شد.
7- رويكرد طراحان از افزايش ظرفيت ژنراتورها به سمت ارايه طرحهاي برنده- برنده يعني كيفيت و هزينه مورد قبول براي مشتري و توليد.كننده تغيير كرد.

تحولات 2000 به بعد
همچون دهه.هاي پيش، روند روزافزون استفاده از روشهاي عددي خصوصاً.روش اجزاء محدود ادامه يافت. آقاي زوليانگ يك روش اجزاء محدود جديد را با بهره.گيري از عناصر قوسي شكل در مختصات استوانه.اي ارايه كرد. مزاياي اين روش دقت زياد و فرمولبندي ساده بود. اين روش براي تحليل ميدان درشكلهاي استوانه.اي مانند ماشينهاي الكتريكي بسيار مناسب است.
در سال 2004 آقاي شولت روش نويني براي طراحي ماشينهاي الكتريكي ارايه داد كه تركيبي از روش اجزاء محدود و روشهاي تحليلي بود. از روش تحليلي براي طراحي اوليه بر مبناي گشتاور، جريان و سرعت نامي و از روش اجزاء محدود براي تحليل دقيق ميدانها به منظور تكامل طرح اوليه استفاده مي.شد. به اين ترتيب زمان و هزينه مورد نياز طراحي كاهش مي.يافت.
در زمينه عايق تلاشها جهت بهبود هدايت گرمايي در سال 2001 به ارايه يك سيستم با هدايت گرمايي بالا توسط كمپانيهاي توشيبا و ونرول ايزولا انجاميد. اثر بهبود هدايت گرمايي دراين سيستم نسبت به سيستم معمول مشهود است.
در زمينه ژنراتورهاي ابررسانا مي.توان به تحولات زير اشاره كرد. در سال 2002 كمپاني جنرال.الكتريك برنامه.اي را با هدف ساخت و تست يك ژنراتور MVA100 آغاز كرده است. هسته رتور و استاتور اين ژنراتور مانند ژنراتورهاي معمولي است. هدف اين است كه يك رتور معمولي بتواند ميدان حاصل از سيم.پيچي ابررسانا را بدون اشباع شدن از خودعبور دهد. مهمترين قسمتهاي اين پروژه، سيم.پيچ ميدان دمابالا و سيستم خنك.سازي است
از سال 2000 به بعد فعاليتهاي گسترده.اي در جهت ساخت و نصب پاورفرمرها صورت گرفته است كه نتيجه آن نصب چندين پاورفرمر در نيروگاههاي مختلف است. اين پاورفرمها و مشخصات آنها عبارتند از:
• پاورفرمر نيروگاه توربو ژنراتوري اسكيلزتونا سوئد با مشخصات KV136، MVA42، rpm3000
• پاورفرمر نيروگاه هيدرو ژنراتوري پرسي سوئد با مشخصات kv155، MVA75، rpm125
• پاورفرمر نيروگاه هيدروژنراتوري هلجبرو سوئد با مشخصات KV78، MVA25، rpm4/115
• پاورفرمر نيروگاه هيدرو ژنراتوري ميلرگريك كانادا با مشخصات KV25، MVA8/32، rpm720
• پاورفرمر نيروگاه هيدروژنراتوري كاتسورازاوا با مشخصات KV66، MVA9، rpm5/428

جمعبندي تحولات 2000 به بعد
با بررسي مقالات IEEE اين سالها (149 مقاله) در موضوعات مختلف مرتبط با ژنراتور سنكرون به نتايج زير مي.رسيم:
1- تمركز موضوعي مقالات
2- تلاشهاي زيادي براي بهبود هدايت حرارتي عايق سيم.پيچي استاتور خنك شونده با هوا با هدف رسيدن به ظرفيتهاي بالاتر صورت گرفت.
3- پاورفرمرها در نيروگاههاي مختلف نصب شدند.
4- فعاليت روي پروژه.هاي ژنراتورهاي ابررساناي دمابالا آغاز شده در دهه قبل ادامه يافت.
5- كاربرد سيستمهاي تحريك ديجيتال به خصوص سيستمهاي با چند ريزپردازنده گسترش يافت.
6- استفاده از روشهاي عددي در طراحي و آناليز ژنراتورهاي سنكرون به ويژه سيستمهاي خنك.سازي بسيار گسترش يافت.

نتيجه.گيري
ژنراتورهاي سنكرون همواره حجم عمده.اي از تحقيقات را در دهه.هاي مختلف به خود اختصاص داده.اند، تا جايي كه بعد از گذشت بيش از 100 سال از ارايه اولين نوع ژنراتور سنكرون همچنان شاهد ظهور تكنولوژيهاي جديد دراين عرصه هستيم. تكنولوژيهاي كليدي كماكان مسائل عايق كاري و خنك.سازي هستند.
تكنولوژي پيشرفته توليد ژنراتور و ريسك بالقوه موجود باعث شده است تعداد سازندگان مستقل ژنراتور كاهش يابد.
متاسفانه، علي.رغم اينكه بالا بردن نقطه زانويي اشباع مواد مغناطيسي مي.تواند تاثير به سزايي در پيشرفت ژنراتورها داشته باشد، تاكنون دستاورد مهمي در اين زمينه حاصل نشده است. البته تلاشهايي در گذشته براي كاهش تلفات الكتريكي لايه.هاي هسته صورت گرفته است، اما پيشرفتهاي حاصله منوط به كاهش ضخامت لايه.ها يا افزايش غيرقابل قبول قيمت آنهاست. متاسفانه پيشرفت مهمي نيز در آينده پيش.بيني نمي.شود.
نياز امروزه بازار ژنراتورهايي است كه به نحوي پكيج شده باشند كه به راحتي در سايت قابل نصب باشند. پكيجهايي كه از يكپارچگي بالايي برخوردارند به طوري كه نويز حاصل از عملكرد ژنراتور را در خود نگاه مي.دارند، در برابر شرايط جوي مقاومند، ترانسفورماتور جريان و ترانسفورماتور ولتاژ دارند، نقطه نوترال در آنهاتعبيه شده و حفاظت اضافه ولتاژ دارند. همچنين سيستم تحريك نيز در اين پكيجها تعبيه شده است و تقريباً بي.نياز از نگهداري هستند.
پيش.بيني مي.شود روند جايگزيني سيستمهاي خنك.سازي هيدروژني به وسيله سيستمهاي خنك سازي با هوا ادامه يابد و اين در حالي است كه بهبود بازده سيستمهاي خنك.سازي هيدروژني همچنان مورد توجه است.
با توجه به حجم گسترده تحقيقات در حال انجام روي ژنراتورهاي ابررساناي دمابالا، توليد گسترده اينگونه ژنراتورها در آينده نزديك قابل پيش.بيني است. پيشرفتهاي مورد نياز در اين زمينه به شرح زير است:
• توليد هاديهاي رشته.اي و استفاده از آنها به جاي نوارهاي دمابالاي امروزي جهت افزايش چگالي جريان
• افزايش قابليت خم كردن سيمهاي دمابالا به منظور ايجاد شكل سه.بعدي مناسب سيم.پيچي رتور درنواحي انتهايي سيم.پيچ
• استفاده از سيم.پيچي لايه..اي به جاي سيم.پيچي.هاي پنكيك به منظور حداقل سازي اتصالات بين كويلها
از موضوعات قابل توجه ديگري كه پيش.بيني مي.شود صنعت ژنراتور را در سالهاي آينده تحت تاثير قراردهد، توليد انبوه پاورفرمر و رسيدن به سطوح بالاتر ولتاژ است به طوريكه در آينده نزديك پاور فرمرهايي با ولتاژ KV170 براي نيروگاههاي توربو ژنراتوري و KV200 براي نيروگاههاي هيدروژنراتوري ساخته خواهند شد و اميد است كه سطح ولتاژ خروجي آنها به KV400 هم برسد.
انتظار مي.رود پيشرفت سيستمهاي عايقي ادامه يابد. ممكن است از تكنولوژيهاي جديد عايقي مانند سيستمهاي عايق پليمري پيشرفته استفاده شود و اين سيستمها بتوانند با نوارهاي ميكا-گلاس امروزي رقابت كنند. اين پيشرفتها مي.تواند به بهبود كابلهاي پاور فرمر نيز بينجامد.

مهندس حسين هوشيار- دكتر ابوالفضل واحدي- مهندس مهدي ثواقبي فيروز.آبادي ماهنامه صنعت برق

این صفحه را در گوگل محبوب کنید

[ارسال شده از: فان پاتوق]

[مشاهده در: www.funpatogh.com]

[تعداد بازديد از اين مطلب: 826]