سرویس آموزش و ازمون برق نیوز: ژنراتور‌ها همواره یکی از مهمترین عناصر شبکه قدرت بوده و نقش کلیدی در تولید انرژی و کاربردهای خاص دیگر ایفاء کرده است. ساخت اولین نمونه ژنراتور (سنکرون) به انتهای قرن 19 برمی گردد. مهمترین پیشرفت انجام شده در آن سال‌ها احداث اولین خط بلند انتقال سه فاز از لافن به فرانکفورت آلمان بود.

 

در کانون این تحول، یک هیدروژنراتور سه فاز 210 کیلو وات قرار گرفته بود. عیلرغم مشکلات موجود در جهت افزایش ظرفیت و سطح ولتاژ ژنراتورها، در طول سالهای بعد تلاشهای گسترده‌ای برای نیل به این هدف صورت گرفت. مهمترین محدودیت‌ها در جهت افزایش و سطح ولتاژ ژنراتور‌ها، ضعف عملکرد سیستمهای عایقی و نیز روشهای خنک سازی بود.

 

در راستای رفع این محدودیت‌ها ترکیبات مختلف عایقهای مصنوعی، استفاده از هیدروژن برای خنک سازی و بهینه سازی روشهای خنک سازی با هوا نتایج موفقیت آمیزی را در پی داشت به نحوی که امروزه ظرفیت ژنراتور‌ها به بیش از 1600DC افزایش یافته است. در جهت افزایش ولتاژ، ابداع پاورفرمر در انتهای قرن بیستم توانست سقف ولتاژ تولیدی را تا حدود سطح ولتاژ انتقال افزایش دهد. به نحوی که برخی محققان معتقدند در سالهای نه چندان دور، دیگر نیازی به استفاده از ترانسفورماتورهای افزاینده نیروگاهی نیست.

همچنین امروزه تکنولوژی ژنراتورهای ابررسانا بسیار مورد توجه است، انتظار می‌رود با گسترش این تکنولوژی در ژنراتورهای آینده، ظرفیتهای بالاتر در حجم کمتر قابل دسترسی باشند. ژنراتورها:ماشین هایی هستند که انرژی مکانیکی را از محرک اصلی به یک توان الکتریکی در ولتاژ و فرکانس خاصی تبدیل می‌نماید.

 

کلمه سنکرون به این حقیقت اشاره دارد که فرکانس الکتریک این ماشین با سرعت گردش مکانیکی شفت قفل شده است، ژنراتورسنکرون برای تولید بخش اعظم توان الکتریکی در سرتاسر جهان به کار می‌رود.
دو اصل فیزیکی مرتبط با عملکرد ژنراتور‌ها وجود دارد. اولین اصل فیزیکی اصل القائی الکترومغناطیسی کشف شده توسط مایکل فاراده دانشمند بریتانیایی است. اگر یک هادی در یک میدان مغناطیسی حرکت کند یا اگر طول یا حلقه‌ی القائی ساکنی جهت تغییر استفاده شود. یک جریان ایجاد میشود یا القاء می‌شود. اگر یک جریان از میان یک کنتاکتور که در میدان مغناطیسی قرار گرفته، عبور کند میدان، نیروی مکانیکی بر آن وارد می‌کند.

 

 

 

ژنراتور‌ها دارای دو اصل هستند: قسمت‌ها و میدان که آهنربای الکترو مغناطیسی با سیم پیچ هایش و آرمیچر و ساختاری که از کنتاکتورحمایت می‌کند و کار قطع میدان مغناطیسی و حمل جریان القاء شده ژنراتور یا جریان ناگهانی به موتور را دارد است. آرمیچر معمولا" هسته‌ی نرم آهنی اطراف سیم‌های القائی که دور سیم پیچ‌ها پیچیده شده اند، است.

ژنراتور‌ها از دو قسمت تشکیل شده اند: قسمت متحرک را رتور و قسمت ساکن آن را استاتور می‌گویند. رتور‌ها نیز از نظر ساختمان دو دسته اند: ماشین‌های قطب صاف و ماشین‌های قطب برجسته.
همچنین ژنراتور‌ها بسته به آنکه نوع وسیله گرداننده رتور آن‌ها چه نوع توربینی باشد به صورت زیر تقسیم می‌شوند: 1) توربو ژنراتورها: در این وسیله گرداننده رتور، توربین بخار است و، چون توربین بخار جزء ماشین‌های تند گرد است بنابراین توربوژنراتور دارای قطب‌های صاف بوده و این ماشین توانائی ایجاد دورهای بسیاربالا را در قدرت‌های زیاد دارد امروزه اغلب توربوژنراتور‌ها را دو قطبی می‌سازند، چون با افزایش سرعت گردش کار توربین‌های بخار با صرفه‌تر وارزان ترتمام می‌شود. 2) هیدرو ژنراتور‌ها: در آن وسیله گرداننده رتور توربین آبی است و، چون توربین آبی دارای دور کم است بنابراین هیدروژنراتور دارای قطب برجسته بوده و دارای سرعت کم می‌باشد. 3) دیزل ژنراتور‌ها: در قدرت‌های کوچگ و اظطراری وسیله گرداننده رتور دیزل است که در این موره هم قطب‌های رتور آن برجسته می‌باشد.

 

ساختمان و اساس کار ژنراتور سنکرون:در یک ژنراتور سنکرون یک جریان DC به سیم پیچ رتور اعمال می‌گردد تا یک میدان مغناطیسی رتور تولید شود. سپس رتور مربوط به ژنراتور به وسیله محرک اصلی چرخانده میشود، تا یک میدان مغناطیسی دوار در ماشین بوجود آید. این میدان مغناطیسی، یک ولتاژ سه فاز را در سیم پیچ‌های استاتور ژنراتور القاء می‌نماید.

در یک ماشین دو عبارت در توصیف سیم پیچ‌ها بسیار مورد استفاده است یکی سیم پیچ‌های میدان و دیگری سیم پیچ‌های آرمیچر. بطور کلی عبارت سیم پیچ‌های میدان به سیم پیچ هایی گفته می‌شود که میدان مغناطیسی اصلی را در ماشین تولید می‌نماید و عبارت سیم پیچ‌های آرمیچر به سیم پیچ هایی اتلاق می‌شود که ولتاژ اصلی در آن القاء می‌شود. برای ماشین‌های سنکرون، سیم پیچ‌های میدان در رتور است.

رتور ژنراتور سنکرون در اصل یک آهنربای الکتریکی بزرگ است. قطب‌های مغناطیسی در رتور می‌تواند از نوع برجسته یا غیر برجسته باشد. کلمه برجسته به معنی قلمبیده است و قطب برجسته، یک قطب مغناطیسی خارج شده از سطح رتور می‌باشد. ازطرف دیگر، یک قطب برجسته یک قطب مغناطیسی هم سطح با سطح رتور است.

 

یک رتور غیر برجسته یا صاف معمولا" برای موارد 2 یا 4 قطبی بکار می‌روند. در حالی که رتورهای برجسته برای 4 قطب یا بیشتر مورد استفاده هستند. چون در رتور میدان مغناطیسی متغیر است برای کاهش تلفات، آن را از لایه‌های نازک می‌سازند. به مدار میدان در رتور باید جریان ثابتی اعمال شود، چون رتور می‌چرخد، نیاز به آرایش خاصی برای رساندن توان DC به سیم پیچ‌های میدانش دارد برای انجام این کار 2 روش موجود است:

1) تهیه توان DC از یک منبع بیرونی به رتور با رینگ‌های لغزان و جاروبک.
2) فراهم نمودن توان DC از یک منبع توان DC که مستقیما" روی شفت ژنراتورهای سنکرون نصب می‌شود.

 

ساختمان و اساس کار ژنراتور سنکروندر یک ژنراتور سنکرون یک جریان dc به سیم پیچ رتور اعمال می‌گردد تا یک میدان مغناطیسی رتور اعمال می‌گردد تا یک میدان مغناطیسی رتور اعمال می‌گردد تا یک میدان مغناطیسی رتور تولید شود.

 

سپس روتور مربوط به ژنراتور به وسیله یک محرک اصلی چرخاند می‌شود، تا یک میدان مغناطیسی دوار در ماشین به وجود آید. این میدان مغناطیسی یک ولتاژ سه فاز را در سیم پیچ‌های استاتور ژنراتور القاء می‌نماید.
در یک ماشین دو عبارت در توصیف سیم پیچ‌ها بسیار مورد استفاده است: یکی سیم پیچ‌های میدان و دیگری سیم پیچ‌های آرمیچر. بطور کلی عبارت سیم پیچ ها‌ی میدان به سیم پیچ هایی گفته می‌شود که میدان مغناطیسی اصلی را در ماشین تولید می‌کند.

 

عبارت سیم پیچ‌های آرمیچر به سیم پیچ هایی اطلاق می‌شود که ولتاژ اصلی در آن القاء می‌شود برای ماشین‌های سنکرون، سیم پیچ‌های میدان در رتور است. روتور ژنراتور سنکرون در اصل یک آهن ربای الکتریکی بزرگ است. قطب‌های مغناطیسی در رتور می‌تواند از نوع برجسته و غیر برجسته باشد.

 

کلمه برجسته به معنی (قلمبیده) است و قطب برجسته یک قطب مغناطیسی خارج شده از سطح رتور می‌باشد. از طرف دیگر یک قطب برجسته، یک قطب مغناطیسی هم سطح با سطح رتور است. یک رتور غیر برجسته یا صاف معمولاً برای موارد 2 یا چهار قطبی به کار می‌روند. در حالی که رتور‌های برجسته برای 4 قطب یا بیشتر مورد استفاده هستند.

 

چون در رتور میدان مغناطیسی متغییر است برای کاهش تلفات، آن را از لایه‌های نازک می‌سازند. به مدار میدان در رتور باید جریان ثابتی اعمال شود. چون رتور می‌چرخد نیاز به آرایش خاصی برای رساندن توان DC به سیم پیچ‌های میدانش دارد. برای انجام این کار 2 روش موجود است:

 

1 - از یک منبع بیرونی به رتور با رینگ‌های لغزان و جاروبک.

2 - فراهم نمودن توان DC از یک منبع توان DC، که مستقیما" روی شفت ژنراتورسنکرون نصب میشود.

 

رینگ‌های لغزان بطور کامل شفت ماشین را احاطه می‌کنند، ولی از آن جدا هستند. یک انتهای سیم پیچ DC به هر یک از دو انتهای رینگ لغزان در شفت موتور سنکرون متصل است و یک جاروبک ثابت روی هررینگ لغزان سر می‌خورد. جاروبک‌ها بلوکی از ترکیبات گرافیک مانند هستند که الکتریسیته را به راحتی هدایت می‌کنند، ولی اصطکاک خیلی کمی دارند و لذا روی رینگ‌ها خوردگی بوجود نمی‌آورد.

 

اگر سمت مثبت منبع ولتاژ DC به یک جاروبک و سر منفی به جاروبک دیگروصل می‌شود. آنگاه ولتاژ ثابتی به سیم پیچ، جدااز مکان و سرعت زاویه‌ای آن، میدان درتمام مدت اعمال می‌شود. رینگ‌های لغزان و جاروبک‌ها به هنگام اعمال ولتاژ DC چند مشکل برای سیم پیچ‌های میدان ماشین سنکرون تولید می‌کنند آن‌ها نگهداری را در ماشین افزایش می‌دهند، زیرا جاروبک بایدمرتبا" به لحاظ سائیدگی چک شود.

 

علاوه برآن، افت ولتاژ جاروبک ممکن است تلفات قابل توجه توان را همراه با جریان‌های میدان به دنبال داشته باشد. علیرغم این مشکلات رینگ‌های لغزان روی همه ماشین‌های سنکرون کوچک‌تر بکار میرود. زیرا راه اقتصادی‌تر برای اعمال جریان میدان موجود نیست. در موتور‌ها و ژنراتورهای بزرگ‌تر، از محرک‌های بی جاروبک استفاده می‌شود تا جریان میدان DC را به ماشین برسانند یک محرک بی جاروبک، یک ژنراتور AC کوچکی است که مدار میدان آن روی استاتور و مدار آرمیچر آن روی رتور نصب است خروجی سه فاز ژنراتور محرک یکسو شده و جریان مستقیم توسط یک مدار یکسو ساز سه فاز که روی شفت ژنراتور نصب است حاصل می‌شود که بطور مستقیم به مدار میدان DC اصلی اعمال میگردد.

 

با کنترل جریان میدان DC کوچکی از ژنراتور محرک (که روی استاتور نصب می‌شود) می‌توان جریان میدان را روی ماشین اصلی و بدون استفاده از رینگ‌های لغزان و جاروبک‌ها تنظیم کرد. چون اتصال مکانیکی هرگز بین رتور و استاتور بوجود نمی‌آید، یک محرک جاروبک نسبت به نوع حلقه‌های لغزان و جاروبک‌ها، به نگهداری کمتری نیاز دارد.

 

برای اینکه تحریک ژنراتور بطور کامل مستقل از منابع تحریک بیرونی باشد، یک محرک پیلوت کوچکی اغلب در سیستم لحاظ میگردد. محرک پیلوت، یک ژنراتور AC کوچک با مگنت‌های (آهن ربا) دائمی نصب شده بر روی شفت رتور و یک سیم پیچ روی استاتور است. این محرک انرژی را برای مدار میدان محرک بوجود می‌آورد که این به نوبه خود مدار میدان ماشین اصلی را کنترل می‌نماید. اگر یک محرک پیلوتروی شفت ژنراتور نصب شود آن گاه هیچ توان الکتریکی خارجی برای راندمان ژنراتور لازم نیست.

 

بسیاری از ژنراتور‌های سنکرون که دارای محرک‌های بی جاروبک هستند، دارای رینگ‌های لغزان و جاروبک نیز هستند بنابراین یک منبع اضافی جریان میدان DC در موارد اضطراری در اختیار است. استاتور ژنراتور‌های سنکرون معمولا" در دو لایه ساخته می‌شوند: خود سیم پیچ توزیع شده و گام‌های کوچک دارد تا مولفه‌های هارمونیک ولتاژ‌ها و جریان‌های خروجی را کاهش دهد. چون رتور باسرعتی برابر باسرعت میدان مغناطیسی می‌چرخد، توان الکتریکی با فرکانس 50 یا 60 هرتز تولید می‌شود و از ژنراتور بسته به تعداد قطب‌ها باید با سرعت ثابتی بچرخد مثلا" برای تولید توان 60 هرتز در یک ماشین دو قطب رتور باید با سرعت 3600 دور در دقیقه بچرخد.

 

برای تولید توان 50 هرتز در یک ماشین 4 قطب، رتور باید با سرعت 1500 دور دردقیقه دوران کند. سرعت مورد نیاز یک فرکانس مفروض همیشه از معادله زیر قابل محاسبه است:

ولتاژ القایی در استاتور به شار در ماشین، فرکانس یا سرعت چرخش، و ساختمان ماشین بستگی دارد. ولتاژ تولیدی داخلی مستقیما" متناسب با شار و سرعت است، ولی خود شار به جریان جاری در مدار میدان رتور بستگی دارد.. ولتاژ درونی برابر ولتاژ خروجی نیست چندین فاکتور، عامل اختلاف بین این دو هست:

1 - اعوجاج موجود در میدان مغناطیسی فاصله هوا به علت جریان جاری در استاتور که به آن عکس العمل آرمیچر می‌گویند.

2 - خود القایی بوبین‌های آرمیچر
3 - مقاومت بوبین‌های آرمیچر
4 - تاثیر شکل قطب ها‌ی برجسته رتوروقتی یک ژنراتور کار می‌کند و بار‌های سیستم را تغذیه می‌کند آنگاه: 1 - توان مستقیم و رآکتیو تولیدی بوسیله ژنراتور برابر با مقدار توان تقاضا شده بوسیله بار متصل شده به آن است.
2 - نقاط تنظیم گاورنر ژنراتور، فرکانس کار سیستم قدرت را کنترل می‌نماید.
3 - جریان میدان (یانقاط تنظیم رگولاتور میدان) ولتاژ پایانه سیستم قدرت را کنترل می‌نماید.

این وضعیتی است که در ژنراتورهای جدا و به فواصل دور از هم وجود دارد. مولد‌های AC یا آلترناتورها:مولد‌های AC یا آلترناتور‌ها درست مثل مولدهای DC براساس القاء الکترومغناطیس کار می‌کنند، آن‌ها نیز شامل یک سیم پیچ آرمیچر و یک میدان مغناطیسی هستند، اما یک اختلاف مهم بین این دو وجود دارد، در حالی که در ژنراتورهای DC آرمیچر چرخیده می‌شود و سیستم میدان ثابت است در آلترناتور‌ها آرایش عکس وجود دارد.

 

آلترناتور‌ها یک ژنراتور ساده بدون کموتاتور، یک جریان الکتریکی متناوب تولید می‌کنند، چنین جریان متناوبی مزیت زیادی دارد برای انتقال توان الکتریکی و از این رو بیشتر ژنراتورهای الکتریکی بزرگ از نوع AC هستند. ژنراتور AC در دو حالت خاص با ژنراتور DC فرق می‌کند. پایانه‌های سیم پیچ آرمیچرش بیرون هستند. برای حلقه‌های لغزان جزئی شده‌ی جامد روی شفت (میله) ژنراتور به جای کموتاتور و سیم پیچ‌های میدان توسط یک منبع DC خارجی تغذیه انرژی می‌شود تااینکه توسط خود ژنراتور این کار انجام شود. ژنراتور ها‌ی AC سرعت پایینی با تعداد زیادی قطب در حدود 100 قطب ساخته می‌شوند.

 

هم برای بهبود بازه شان و هم برای دست یافتن به فرکانس دلخواه به آسانی. آلترناتور‌ها با توربین‌های سرعت بالا راه اندازی می‌شوند. فرکانس جریان گرفته شده توسط ژنراتور AC مساوی است با نیمی از تعداد قطب‌ها و تعداد چرخش آرمیچر در ثانیه. بخاطر احتمال جرقه زنی بین جاروبک‌ها و حلقه‌های لغزان و خطر شکستهای مکانیکی که ممکن است سبب اتصال کوتاه شود. آلترناتور‌ها به یک سیم پیچ ساکن که بدور یک رتور می‌چرخد و این رتور شامل تعدادی آهنربای مغناطیسی میدان هستند ساخته می‌شوند. اصل عملکرد آن‌ها نیز دقیقا" مشابه عملکرد ژنراتورهای AC توصیف شده اند.

 

ژنراتور‌ها با ولتاژ بالا:شرکت ABB اخیرا ژنراتوری با ولتاژ بالا ابداع کرده است. این ژنراتور بدون نیاز به ترانسفورماتور افزاینده بطور مستقیم به شبکه قدرت متصل می‌گردد. ایده جدید بکار گرفته شده در این طرح استفاده از کابل به عنوان سیم پیچ استاتور می‌باشد. ژنراتور ولتاژ بالا برای هر کاربرد در نیروگاههای حرارتی و آبی مناسب می‌باشد.

 

راندمان بالا، کاهش هزینه‌های تعمیر و نگهداری، تلفات کمتر، تأثیرات منفی کمتر بر محیط زیست (با توجه به مواد بکار رفته) از مزایای این نوع ژنراتور می‌باشد. ژنراتور ولتاژ بالا در مقایسه با ژنراتورهای معمولی در ولتاژ بالا و جریان پائین کار می‌کند.

 

ماکزیمم ولتاژ خروجی این ژنراتور با تکنولوژی کابل محدود می‌گردد که در حال حاضر با توجه به تکنولوژی بالای ساخت کابل‌ها میتوان ولتاژ آنرا تا سطح 400 کیلو ولت طراحی نمود. هادی استفاده شده در ژنراتور ولتاژ بالا بصورت دوار می‌باشد در حالیکه در ژنراتورهای معمولی این هادی بصورت مثلثی می‌باشد در نتیجه میدان الکتریکی در ژنراتورهای ولتاژ بالا یکنواخت‌تر می‌باشد.

 

ابعاد سیم پیچ بر اساس ولتاژ سیستم و ماکزیمم قدرت ژنراتور تعیین می‌گردد. در ژنراتورهای ولتاژ بالا لایه خارجی کابل در تمام طول کابل زمین می‌گردد، این امر موجب می‌شود که میدان الکتریکی در طول کابل محدود گردد و دیگر مانند ژنراتورهای معمولی نیاز به کنترل میدان در ناحیه انتهایی سیم پیچ نباشد.

جزیی (Partialdischarge) در هیچ ناحیه‌ای از سیم پیچ وجود ندارد و همچنین ایمنی افراد بهره بردار و یا تعمیرکار افزایش می‌یابد. سربندی‌ها و اتصالات معمولا در فضای خالی مورد دسترس در محل انجام می‌گیرد، بنابراین محل این اتصالات در یک نیروگاه نسبت به نیروگاه دیگر متفاوت می‌باشد، اما در هر حال این اتصالات در خارج از هسته استاتور می‌باشد، برای مثال اتصالات و سربندی‌ها ممکن است زیر ژنراتور و یا خارج از قاب استاتور (Statorframe) انجام گیرد.

 

بدین ترتیب اتصالات و سربندی‌ها، مشکلات ناشی از ارتعاشات و لرزش‌های بوجود آمده در ماشین‌های معمولی را نخواهند داشت. در طرح کنونی ژنراتور ولتاژ بالا دو نوع سیستم خنک کنندگی وجود دارد، روتور و سیم پیچ‌های انتهایی توسط هوا خنک می‌گردند در حالیکه استاتور توسط آب خنک می‌گردد.

 

سیستم خنک کنندگی آب شامل لوله‌های XLPE قرار گرفته شده در هسته استاتور می‌باشد که آب از این لوله‌ها جریان می‌یابد و هسته استاتور را خنک نگه می‌دارد. مقایسه جریان اتصال کوتاه در نیروگاه مجهز به ژنراتور ولتاژ بالا با نیروگاه مجهز به ژنراتور معمولی نشان می‌دهد که به دلیل اینکه در نیروگاه با ژنراتور ولتاژ بالا راکتانس ترانسفورماتور حذف می‌گردد جریانهای خطا کوچکتر می‌باشد.