nafise sadeghi
6th December 2008, 01:22 AM
هدف از انجام این تحقیق بررسی سیر تحقیقات انجام شده با موضوع طراحی ژنراتور سنكرون است. به این منظور، بررسی مقالات منتشر شده IEEE كه با این موضوع مرتبط بودند، در دستور كار قرار گرفت. به عنوان اولین قدم كلیه مقالات مرتبط در دهه‌های مختلف جستجو و بر مبنای آنها یك تقسیم‌بندی موضوعی انجام شد.
سپس سعی شد بدون پرداختن به جزییات، سیرتحولات استخراج شود. رویكرد كلی این بوده است كه تحولات دارای كاربرد صنعتی بررسی شود.
با توجه به گستردگی موضوع و حجم مطالب، این گزارش در دو بخش ارایه شده است. در بخش اول ابتدا پیشرفتهای اولیه ژنراتورهای سنكرون از آغاز تا دهه ۱۹۷۰ بررسی شده است و در ادامه تحولات دهه‌های ۱۹۷۰ و ۱۹۸۰ به تفصیل مورد توجه قرار گرفته‌اند. در پایان هر دهه یك جمعبندی از كل فعالیتهای صورت گرفته ارایه و سعی شده است ارتباط منطقی پیشرفتهای هر دهه با دهه‌های قبل و بعد بیان شود.
ماشین سنكرون همواره یكی از مهمترین عناصر شبكه قدرت بوده و نقش كلیدی در تولید انرژی الكتریكی و كاربردهای خاص دیگر ایفاء كرده است.
ساخت اولین نمونه ژنراتور سنكرون به انتهای قرن ۱۹ برمی‌گردد. مهمترین پیشرفت انجام شده در آن سالها احداث اولین خط بلند انتقال سه فاز از لافن به فرانكفورت آلمان بود. دركانون این تحول؛ یك هیدروژنراتور سه فاز ۲۱۰ كیلووات قرار گرفته بود.
علیرغم مشكلات موجود در جهت افزایش ظرفیت وسطح ولتاژ ژنراتورها، در طول سالهای بعد تلاشهای گسترده‌ای برای نیل به این مقصود صورت گرفت.
مهمترین محدودیتها در جهت افزایش ظرفیت، ضعف عملكرد سیستمهای عایقی و نیز روشهای خنك‌سازی بود. در راستای رفع این محدودیتها تركیبات مختلف عایقهای مصنوعی، استفاده از هیدروژن برای خنك‌سازی و بهینه‌سازی روشهای خنك‌سازی با هوا نتایج موفقیت‌آمیزی را در پی داشت به نحوی كه امروزه ظرفیت ژنراتورها به بیش از MVA۱۶۰۰ 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 كه برخی محققان معتقدند در سالهای نه چندان دور، دیگر نیازی به استفاده از ترانسفورماتورهای افزاینده نیروگاهی نیست.
همچنین امروزه تكنولوژی ژنراتورهای ابررسانا بسیار مورد توجه است. انتظار می‌رود با گسترش این تكنولوژی در ژنراتورهای آینده، ظرفیتهای بالاتر در حجم كمتر قابل دسترسی باشند.
● تاریخچه
ژنراتور سنكرون تاریخچه‌ای بیش از صد سال دارد. اولین تحولات ژنراتور سنكرون در دهه ۱۸۸۰ رخ داد. در نمونههای اولیه مانند ماشین جریان مستقیم، روی آرمیچر گردان یك یا دو جفت سیم‌پیچ وجود داشت كه انتهای آنها به حلقه‌های لغزان متصل می‌شد و قطبهای ثابت روی استاتور، میدان تحریك را تامین می‌كردند.
به این طرح اصطلاحاً قطب خارجی می‌گفتند. در سالهای بعد نمونه دیگری كه در آن محل قرار گرفتن میدان و آرمیچر جابجا شده بود مورد توجه قرار گرفت. این نمونه كه شكل اولیه ژنراتور سنكرون بود، تحت عنوان ژنراتور قطب داخلی شناخته و جایگاه مناسبی در صنعت‌برق پیدا كرد. شكلهای مختلفی از قطبهای مغناطیسی و سیم‌پیچهای میدان روی رتور استفاده شد، در حالی كه سیم‌پیچی استاتور، تكفاز یا سه‌فاز بود.
محققان بزودی دریافتند كه حالت بهینه از تركیب سه جریان متناوب با اختلاف فاز نسبت به هم بدست می‌آید. استاتور از سه جفت سیم‌پیچ تشكیل شده بود كه در یك طرف به نقطه اتصال ستاره و در طرف دیگر به خط انتقال متصل بودند.
در واقع ایده ماشین جریان متناوب سه فاز، مرهون تلاشهای دانشمندان برجسته‌ای مانند نیكولا تسلا، گالیلئو فراریس، چارلز برادلی، دبروولسكی، هاسلواندر بود.
هاسلواندر اولین ژنراتور سنكرون سه فاز را در سال ۱۸۸۷ ساخت كه توانی در حدود ۸/۲ كیلووات را در سرعت ۹۶۰ دور بر دقیقه (فركانس ۳۲ هرتز) تولید می‌كرد. این ماشین دارای آرمیچر سه فاز ثابت و رتور سیم‌پیچی شده چهار قطبی بود كه میدان تحریك لازم را تامین می‌كرد. این ژنراتور برای تامین بارهای محلی مورد استفاده قرار می‌گرفت.
در سال ۱۸۹۱ برای اولین بار تركیب ژنراتور و خط بلند انتقال به منظور تامین بارهای دوردست با موفقیت تست شد. انرژی الكتریكی تولیدی این ژنراتور توسط یك خط انتقال سه فاز از لافن به نمایشگاه بین‌المللی فرانكفورت در فاصله ۱۷۵ كیلومتری منتقل می‌شد. ولتاژ فاز به فاز ۹۵ ولت، جریان فاز ۱۴۰۰ آمپر و فركانس نامی ۴۰ هرتز بود. رتور این ژنراتور كه برای سرعت ۱۵۰ دور بر دقیقه طراحی شده بود، ۳۲ قطب داشت.
قطر آن ۱۷۵۲ میلیمتر و طول موثر آن ۳۸۰ میلیمتر بود.
جریان تحریك توسط یك ماشین جریان مستقیم تامین می‌شد. استاتور آن ۹۶ شیار داشت كه در هر شیار یك میله مسی به قطر ۲۹ میلیمتر قرار می‌گرفت. از آنجا كه اثر پوستی تا آن زمان شناخته نشده بود، سیم‌پیچی استاتور متشكل از یك میله برای هر قطب / فاز بود. بازده این ژنراتور ۵/۹۶% بود كه در مقایسه با تكنولوژی آن زمان بسیار عالی می‌نمود. طراحی و ساخت این ژنراتور را چارلز براون انجام داد.
در آغاز، اكثر ژنراتورهای سنكرون 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 یكی از زمینه‌های مهم در بحث ژنراتورهای سنكرن، سیستم عایقی است. مواد عایقی اولیه مورد استفاده مواد طبیعی مانند فیبرها، سلولز، ابریشم، كتان، پشم و دیگر الیاف طبیعی بودند.
همچنین رزینهای طبیعی بدست آمده از گیاهان و تركیبات نفت خام برای ساخت مواد عایقی مورد استفاده قرارمی‌گرفتند. در سال ۱۹۰۸ تحقیقات روی عایقهای مصنوعی توسط دكتر بایكلند آغاز شد. در طول جنگ جهانی اولی رزینهای آسفالتی كه بیتومن نامیده می‌شدند، برای اولین بار همراه با قطعات میكا جهت عایق شیار در سیم‌پیچهای استاتور توربوژنراتورها مورد استفاده قرار گرفتند.
این قطعات در هر دو طرف، با كاغذ سلولز مرغوب احاطه می‌شدند. در این روش سیم‌پیچهای استاتور ابتدا با نوارهای سلولز و سپس با دو لایه نوار كتان پوشیده می‌شدند. سیمپیچها در محفظه‌ای حرارت می‌دیدند و سپس تحت خلا قرار می‌گرفتند. بعد از چند ساعت عایق خشك و متخلخل حاصل می‌شد. سپس تحت خلا، حجم زیادی از قیر داغ روی سیمپیچها ریخته می‌شد.
در ادامه محفظه با گاز نیتروژن خشك با فشار ۵۵۰ كیلو پاسكال پر و پس از چند ساعت گاز نیتروژن تخلیه و سیمپیچها در دمای محیط خنك و سفت می‌شدند. این فرآیند وی پی‌آی نامیده می‌شد.
در اواخر دهه ۱۹۴۰ كمپانی جنرال الكتریك به منظور بهبود سیستم عایق سیم‌پیچی استاتور تركیبات اپوكسی را برگزید. در نتیجه این تحقیقات، یك سیستم به اصطلاح رزین ریچ عرضه شد كه 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 اكثر این خطاها بروز پدیده جدا شدن نوار یا ترك خوردن آن است.
این پدیده به علت انبساط و انقباض ناهماهنگ هادی مسی و هسته آهنی به وجود می‌آمد. برای حل این مشكل بعد از جنگ جهانی دوم محققان شركت وستینگهاوس كار آزمایشگاهی را بر روی پلی‌استرهای جدید آغاز كرده و سیستمی با نام تجاری ترمالاستیك عرضه كردند.
نسل بعدی عایقها كه در نیمه اول دهه ۱۹۵۰ مورد استفاده قرار گرفتند، كاغذهای فایبرگلاس بودند.
در ادامه در سال ۱۹۵۵ یك نوع عایق مقاوم در برابر تخلیه جزیی از تركیب ۵۰ درصد رشته‌های فایبرگلاس و ۵۰ درصد رشته‌های PET بدست آمد كه روی هادی پوشانده می‌شد و سپس با حرارت دادن در كوره‌های مخصوص، PET ذوب شده و روی فایبرگلاس را می‌پوشاند. این عایق بسته به نیاز به صورت یك یا چند لایه مورد استفاده قرار می‌گرفت. عایق مذكور 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 خنك‌سازی بوده‌اند. خنك‌سازی در ژنراتورهای اولیه توسط هوا انجام می‌گرفت. بهترین نتیجه بدست آمده با این روش خنك‌سازی یك ژنراتور MVA۲۰۰ با سرعت rpm۱۸۰۰ بود كه در سال ۱۹۳۲ در منطقه بروكلین نیویورك نصب شد.
اما با افزایش ظرفیت ژنراتورها نیاز به سیستم خنك‌سازی موثرتری احساس شد. ایده خنك‌سازی با هیدروژن اولین بار در سال ۱۹۱۵ توسط ماكس 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 الكتریك اولین توربوژنراتور تجاری خنك شونده با هیدروژن را روانه بازار كرد.
این تكنولوژی در اروپا بعد از سال ۱۹۴۵ رایج شد. در دهه‌های ۱۹۵۰ و ۱۹۶۰ روشهای مختلف خنك‌سازی مستقیم مانند خنك‌سازی سیم‌پیچ استاتور با گاز، روغن و آب پا به عرصه ظهور گذاشتند تا آنجا كه در اواسط دهه ۱۹۶۰ اغلب ژنراتورهای بزرگ با آب خنك می‌شدند. ظهور تكنولوژی خنك‌سازی مستقیم موجب افزایش ظرفیت ژنراتورها به میزان MVA۱۵۰۰ شد.
یكی از تحولات برجسته‌ای كه در دهه ۱۹۶۰ به وقوع پیوست تولید اولین ماده ابررسانای تجاری یعنی نیوبیوم- تیتانیوم بود كه در دهه‌های بعدی بسیار مورد توجه قرار گرفت.
● تحولات دهه ۱۹۷۰
در این دهه تحول مهمی در فرآیند عایق كاری ژنراتور رخ داد. قبل از سال ۱۹۷۵ اغلب عایقها را توسط رزینهای محلول در تركیبات آلی فرار اشباع می‌كردند. در این فرآیند، تركیبات مذكور 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 كه حذف آنها را از این فرآیند در پی داشت. در نتیجه استفاده از مواد سازگار با محیط زیست در تولید و تعمیر ماشینهای الكتریكی مورد توجه قرار گرفت. استفاده از رزینهای با پایه آبی یكی از اولین پیشنهاداتی بود كه مطرح شد، اما یك راه‌حل جامعتر كه امروزه نیز مرسوم است، كاربرد چسبهای جامد بود.
در همین راستا تولید نوارهای میكای رزین ریچ بدون حلال نیز توسعه یافت.از دیگر پیشرفتهای مهم این دهه ظهور ژنراتورهای ابررسانا بود. یك ماشین ابررسانا عموماً‌از یك سیم‌پیچ میدان ابررسانا و یك سیم‌پیچ آرمیچر مسی تشكیل شده است. هسته رتور عموماً آهنی نیست، چرا كه 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 كننده شار بین قطبها عمل كند.
عدم استفاده از آهن، موجب كاهش راكتانس سنكرون (به حدود pu۵/۰- ۳/۰) در این ماشینها شده كه طبعاً موجب پایداری دینامیكی بهتر می‌شود. همانطور كه اشاره شد، اولین ماده ابررسانای تجاری نیوبیوم- تیتانیوم بود كه تا دمای ۵ درجه كلوین خاصیت ابررسانایی داشت. البته در دهه‌های بعد پیشرفت این صنعت به معرفی مواد ابررسانایی با دمای عملكرد ۱۱۰ درجه كلوین انجامید. براین اساس مواد ابررسانا را به دو گروه دما پایین مانند نیوبیوم – تیتانیوم و دما بالا مانند BSCCO-۲۲۲۳ تقسیم می‌كنند. از اوایل دهه ۱۹۷۰ تحقیقات بر روی ژنراتورهای ابررسانا با استفاده از هادیهای دما پایین آغاز شد. در این دهه كمپانی وستینگهاوس تحقیقات برای ساخت یك نمونه دوقطبی را با استفاده هادیهای دماپایین آغاز كرد. نتیجه این پروژه ساخت و تست یك ژنراتور MVA۵ در سال ۱۹۷۲ بود.
در سال ۱۹۷۰ كمپانی جنرال الكتریك ساخت یك ژنراتور ابررسانا را با استفاده از هادیهای دماپایین، با هدف نصب در شبكه آغاز كرد.
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 خنك می‌شد. این ژنراتور، بزرگترین ژنراتور ابررسانای تست شده تا آن زمان (۱۹۷۹) بود.
در سال ۱۹۷۹ وستینگهاوس و اپری ساخت یك ژنراتور ابررسانای MVA۳۰۰ را آغاز كردند. این پروژه در سال ۱۹۸۳ به علت شرایط بازار جهانی با توافق طرفین لغو شد.
در همین زمینه كمپانی زیمنس ساخت ژنراتورهای دماپایین را در اوایل دهه ۱۹۷۰ شروع كرد. در این مدت یك نمونه رتور و یك نمونه استاتور با هسته آهنی برای ژنراتور MVA ۸۵۰ با سرعت rpm۳۰۰۰ ساخته شد، اما به دلیل مشكلاتی تست عملكرد واقعی آن انجام نشد.
در این دهه آلستوم نیز طراحی یك رتور ابررسانا برای یك توربو ژنراتور سنكرون را آغاز كرد. این رتور در یك ماشین MW۲۵۰ به كار رفت.
با توجه به اهمیت خنك‌سازی در كاركرد مناسب ژنراتورهای ابررسانا، همگام با توسعه این صنعت، طرحهای خنك‌سازی جدیدی ارایه شد. در ۱۹۷۷ اقای لاسكاریس یك سیستم خنك‌سازی دوفاز (مایع- گاز) برای ژنراتورهای ابررسانا ارایه كرد. در این طرح بخشی از سیم‌پیچ در هلیم مایع قرار می‌گرفت و با جوشش هلیم دردمای ۲/۴ كلوین خنك می‌شد. جداسازی مایع ازگاز توسط نیروی گریز از مركز ناشی از چرخش رتور صورت می‌گرفت.
▪ جمعبندی تحولات دهه ۱۹۷۰
با بررسی مقالات IEEE این دهه (۲۸ مقاله) در موضوعات مختلف مرتبط با ژنراتور سنكرون به نتایج زیر می‌رسیم:
۱) شایان ذكر است بررسی كل مقالات در دهه‌های مختلف نشان می‌دهد كه زمینه‌های اصلی مورد توجه طرحهای بدون جاروبك، سیستمهای خنك‌سازی، سیستمهای تحریك، روشهای عددی، سیستم عایقی، ملاحظات مكانیكی، ژنراتور آهنربای دائم، پاورفرمر و ژنراتورهای ابررسانا بوده‌اند. تمركز اكثر تحقیقات بر روی كاربرد مواد ابررسانا در ژنراتورها بوده است.
۲) استفاده از روشهای كامپیوتری برای تحلیل و طراحی ماشینهای الكتریكی آغاز شد.
۳) حلالها از سیستمهای عایق كاری حذف شدند و تكنولوژی 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 یك فرمول جدید اپوكسی بدون حلال كلاس F در تركیب با گلاس فابریك و نوع خاصی از كاغذ میكا با نام تجاری دورتناكس را ارایه داد. این سیستم عایق كاری دارای استحكام مكانیكی بیشتر، استقامت عایقی بالاتر، تلفات دی‌الكتریك پایینتر و مقاومت حرارتی كمتری نسبت به نمونههای قبلی بود.
در ادامه كار بر روی پروژه‌های ابررسانا، در سال ۱۹۸۸ سازمان توسعه تكنولوژی صنعتی و انرژیهای نو ژاپن پروژه ملی ۱۲ ساله سوپر جی‌ام را آغاز كرد كه نتیجه آن در دهه‌های بعدی به ثمر رسید.
سیستمهای خنك‌سازی ژنراتورهای ابررسانا هنوز در حال پیشرفت بودند. در این زمینه می‌توان به ارایه طرح سیستم خنك‌سازی تحت فشار توسط انستیتو جایری ژاپن اشاره كرد. این طرح كه در سال ۱۹۸۵ ارایه شد دارای یك مبدل حرارتی پیشرفته و یك 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 كرد. مهمترین خصوصیت آهنرباهای نئودیمیوم- آهن- بورون انرژی مغناطیسی (BHmax) بالای آنهاست كه سبب می شود قیمت هر واحد انرژی مغناطیسی كاهش یابد. علاوه بر این، انرژی زیاد تولیدی امكان به كارگیری آهنرباهای كوچكتر را نیز فراهم می‌كند، بنابراین اندازه سایر اجزا ماشین از قبیل قطعات آهن و سیم‌پیچی نیز كاهش می‌یابد و در نتیجه ممكن است هزینه كل كمتر شود. شایان ذكر است حجم بالایی از تحقیقات انجام شده این دهه در زمینه ژنراتورهای بدون جاروبك و خودتحریكه برای كاربردهای خاص بوده كه 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 سنكرون به نتایج زیر می‌رسیم:
۱) تمركز موضوعی مقالات در شكل نشان داده شده است.
۲) روشهای قبلی عایق كاری به منظور كاهش مقاومت حرارتی عایق بهبود یافت.
۳) مطالعات وسیعی روی ژنراتورهای سنكرون بدون جاروبك بدون تحریك صورت گرفت.
۴) فعالیت روی پروژه‌های ژنراتورهای ابررسانای آغاز شده در دهه قبل ادامه یافت.
۵) سیستمهای خنك‌سازی جدیدی برای ژنراتورهای ابررسانا ارایه شد.
۶) روش اجزای محدود در طراحی و تحلیل ژنراتورهای سنكرون خصوصاً ژنراتورهای آهنربای دائم به شكل گسترده‌ای مورد استفاده قرار گرفت.
منبع:
بانک اطلاعات مهندسی برق
سپس سعی شد بدون پرداختن به جزییات، سیرتحولات استخراج شود. رویكرد كلی این بوده است كه تحولات دارای كاربرد صنعتی بررسی شود.
با توجه به گستردگی موضوع و حجم مطالب، این گزارش در دو بخش ارایه شده است. در بخش اول ابتدا پیشرفتهای اولیه ژنراتورهای سنكرون از آغاز تا دهه ۱۹۷۰ بررسی شده است و در ادامه تحولات دهه‌های ۱۹۷۰ و ۱۹۸۰ به تفصیل مورد توجه قرار گرفته‌اند. در پایان هر دهه یك جمعبندی از كل فعالیتهای صورت گرفته ارایه و سعی شده است ارتباط منطقی پیشرفتهای هر دهه با دهه‌های قبل و بعد بیان شود.
ماشین سنكرون همواره یكی از مهمترین عناصر شبكه قدرت بوده و نقش كلیدی در تولید انرژی الكتریكی و كاربردهای خاص دیگر ایفاء كرده است.
ساخت اولین نمونه ژنراتور سنكرون به انتهای قرن ۱۹ برمی‌گردد. مهمترین پیشرفت انجام شده در آن سالها احداث اولین خط بلند انتقال سه فاز از لافن به فرانكفورت آلمان بود. دركانون این تحول؛ یك هیدروژنراتور سه فاز ۲۱۰ كیلووات قرار گرفته بود.
علیرغم مشكلات موجود در جهت افزایش ظرفیت وسطح ولتاژ ژنراتورها، در طول سالهای بعد تلاشهای گسترده‌ای برای نیل به این مقصود صورت گرفت.
مهمترین محدودیتها در جهت افزایش ظرفیت، ضعف عملكرد سیستمهای عایقی و نیز روشهای خنك‌سازی بود. در راستای رفع این محدودیتها تركیبات مختلف عایقهای مصنوعی، استفاده از هیدروژن برای خنك‌سازی و بهینه‌سازی روشهای خنك‌سازی با هوا نتایج موفقیت‌آمیزی را در پی داشت به نحوی كه امروزه ظرفیت ژنراتورها به بیش از MVA۱۶۰۰ 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 كه برخی محققان معتقدند در سالهای نه چندان دور، دیگر نیازی به استفاده از ترانسفورماتورهای افزاینده نیروگاهی نیست.
همچنین امروزه تكنولوژی ژنراتورهای ابررسانا بسیار مورد توجه است. انتظار می‌رود با گسترش این تكنولوژی در ژنراتورهای آینده، ظرفیتهای بالاتر در حجم كمتر قابل دسترسی باشند.
● تاریخچه
ژنراتور سنكرون تاریخچه‌ای بیش از صد سال دارد. اولین تحولات ژنراتور سنكرون در دهه ۱۸۸۰ رخ داد. در نمونههای اولیه مانند ماشین جریان مستقیم، روی آرمیچر گردان یك یا دو جفت سیم‌پیچ وجود داشت كه انتهای آنها به حلقه‌های لغزان متصل می‌شد و قطبهای ثابت روی استاتور، میدان تحریك را تامین می‌كردند.
به این طرح اصطلاحاً قطب خارجی می‌گفتند. در سالهای بعد نمونه دیگری كه در آن محل قرار گرفتن میدان و آرمیچر جابجا شده بود مورد توجه قرار گرفت. این نمونه كه شكل اولیه ژنراتور سنكرون بود، تحت عنوان ژنراتور قطب داخلی شناخته و جایگاه مناسبی در صنعت‌برق پیدا كرد. شكلهای مختلفی از قطبهای مغناطیسی و سیم‌پیچهای میدان روی رتور استفاده شد، در حالی كه سیم‌پیچی استاتور، تكفاز یا سه‌فاز بود.
محققان بزودی دریافتند كه حالت بهینه از تركیب سه جریان متناوب با اختلاف فاز نسبت به هم بدست می‌آید. استاتور از سه جفت سیم‌پیچ تشكیل شده بود كه در یك طرف به نقطه اتصال ستاره و در طرف دیگر به خط انتقال متصل بودند.
در واقع ایده ماشین جریان متناوب سه فاز، مرهون تلاشهای دانشمندان برجسته‌ای مانند نیكولا تسلا، گالیلئو فراریس، چارلز برادلی، دبروولسكی، هاسلواندر بود.
هاسلواندر اولین ژنراتور سنكرون سه فاز را در سال ۱۸۸۷ ساخت كه توانی در حدود ۸/۲ كیلووات را در سرعت ۹۶۰ دور بر دقیقه (فركانس ۳۲ هرتز) تولید می‌كرد. این ماشین دارای آرمیچر سه فاز ثابت و رتور سیم‌پیچی شده چهار قطبی بود كه میدان تحریك لازم را تامین می‌كرد. این ژنراتور برای تامین بارهای محلی مورد استفاده قرار می‌گرفت.
در سال ۱۸۹۱ برای اولین بار تركیب ژنراتور و خط بلند انتقال به منظور تامین بارهای دوردست با موفقیت تست شد. انرژی الكتریكی تولیدی این ژنراتور توسط یك خط انتقال سه فاز از لافن به نمایشگاه بین‌المللی فرانكفورت در فاصله ۱۷۵ كیلومتری منتقل می‌شد. ولتاژ فاز به فاز ۹۵ ولت، جریان فاز ۱۴۰۰ آمپر و فركانس نامی ۴۰ هرتز بود. رتور این ژنراتور كه برای سرعت ۱۵۰ دور بر دقیقه طراحی شده بود، ۳۲ قطب داشت.
قطر آن ۱۷۵۲ میلیمتر و طول موثر آن ۳۸۰ میلیمتر بود.
جریان تحریك توسط یك ماشین جریان مستقیم تامین می‌شد. استاتور آن ۹۶ شیار داشت كه در هر شیار یك میله مسی به قطر ۲۹ میلیمتر قرار می‌گرفت. از آنجا كه اثر پوستی تا آن زمان شناخته نشده بود، سیم‌پیچی استاتور متشكل از یك میله برای هر قطب / فاز بود. بازده این ژنراتور ۵/۹۶% بود كه در مقایسه با تكنولوژی آن زمان بسیار عالی می‌نمود. طراحی و ساخت این ژنراتور را چارلز براون انجام داد.
در آغاز، اكثر ژنراتورهای سنكرون 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 یكی از زمینه‌های مهم در بحث ژنراتورهای سنكرن، سیستم عایقی است. مواد عایقی اولیه مورد استفاده مواد طبیعی مانند فیبرها، سلولز، ابریشم، كتان، پشم و دیگر الیاف طبیعی بودند.
همچنین رزینهای طبیعی بدست آمده از گیاهان و تركیبات نفت خام برای ساخت مواد عایقی مورد استفاده قرارمی‌گرفتند. در سال ۱۹۰۸ تحقیقات روی عایقهای مصنوعی توسط دكتر بایكلند آغاز شد. در طول جنگ جهانی اولی رزینهای آسفالتی كه بیتومن نامیده می‌شدند، برای اولین بار همراه با قطعات میكا جهت عایق شیار در سیم‌پیچهای استاتور توربوژنراتورها مورد استفاده قرار گرفتند.
این قطعات در هر دو طرف، با كاغذ سلولز مرغوب احاطه می‌شدند. در این روش سیم‌پیچهای استاتور ابتدا با نوارهای سلولز و سپس با دو لایه نوار كتان پوشیده می‌شدند. سیمپیچها در محفظه‌ای حرارت می‌دیدند و سپس تحت خلا قرار می‌گرفتند. بعد از چند ساعت عایق خشك و متخلخل حاصل می‌شد. سپس تحت خلا، حجم زیادی از قیر داغ روی سیمپیچها ریخته می‌شد.
در ادامه محفظه با گاز نیتروژن خشك با فشار ۵۵۰ كیلو پاسكال پر و پس از چند ساعت گاز نیتروژن تخلیه و سیمپیچها در دمای محیط خنك و سفت می‌شدند. این فرآیند وی پی‌آی نامیده می‌شد.
در اواخر دهه ۱۹۴۰ كمپانی جنرال الكتریك به منظور بهبود سیستم عایق سیم‌پیچی استاتور تركیبات اپوكسی را برگزید. در نتیجه این تحقیقات، یك سیستم به اصطلاح رزین ریچ عرضه شد كه 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 اكثر این خطاها بروز پدیده جدا شدن نوار یا ترك خوردن آن است.
این پدیده به علت انبساط و انقباض ناهماهنگ هادی مسی و هسته آهنی به وجود می‌آمد. برای حل این مشكل بعد از جنگ جهانی دوم محققان شركت وستینگهاوس كار آزمایشگاهی را بر روی پلی‌استرهای جدید آغاز كرده و سیستمی با نام تجاری ترمالاستیك عرضه كردند.
نسل بعدی عایقها كه در نیمه اول دهه ۱۹۵۰ مورد استفاده قرار گرفتند، كاغذهای فایبرگلاس بودند.
در ادامه در سال ۱۹۵۵ یك نوع عایق مقاوم در برابر تخلیه جزیی از تركیب ۵۰ درصد رشته‌های فایبرگلاس و ۵۰ درصد رشته‌های PET بدست آمد كه روی هادی پوشانده می‌شد و سپس با حرارت دادن در كوره‌های مخصوص، PET ذوب شده و روی فایبرگلاس را می‌پوشاند. این عایق بسته به نیاز به صورت یك یا چند لایه مورد استفاده قرار می‌گرفت. عایق مذكور 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 خنك‌سازی بوده‌اند. خنك‌سازی در ژنراتورهای اولیه توسط هوا انجام می‌گرفت. بهترین نتیجه بدست آمده با این روش خنك‌سازی یك ژنراتور MVA۲۰۰ با سرعت rpm۱۸۰۰ بود كه در سال ۱۹۳۲ در منطقه بروكلین نیویورك نصب شد.
اما با افزایش ظرفیت ژنراتورها نیاز به سیستم خنك‌سازی موثرتری احساس شد. ایده خنك‌سازی با هیدروژن اولین بار در سال ۱۹۱۵ توسط ماكس 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 الكتریك اولین توربوژنراتور تجاری خنك شونده با هیدروژن را روانه بازار كرد.
این تكنولوژی در اروپا بعد از سال ۱۹۴۵ رایج شد. در دهه‌های ۱۹۵۰ و ۱۹۶۰ روشهای مختلف خنك‌سازی مستقیم مانند خنك‌سازی سیم‌پیچ استاتور با گاز، روغن و آب پا به عرصه ظهور گذاشتند تا آنجا كه در اواسط دهه ۱۹۶۰ اغلب ژنراتورهای بزرگ با آب خنك می‌شدند. ظهور تكنولوژی خنك‌سازی مستقیم موجب افزایش ظرفیت ژنراتورها به میزان MVA۱۵۰۰ شد.
یكی از تحولات برجسته‌ای كه در دهه ۱۹۶۰ به وقوع پیوست تولید اولین ماده ابررسانای تجاری یعنی نیوبیوم- تیتانیوم بود كه در دهه‌های بعدی بسیار مورد توجه قرار گرفت.
● تحولات دهه ۱۹۷۰
در این دهه تحول مهمی در فرآیند عایق كاری ژنراتور رخ داد. قبل از سال ۱۹۷۵ اغلب عایقها را توسط رزینهای محلول در تركیبات آلی فرار اشباع می‌كردند. در این فرآیند، تركیبات مذكور 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 كه حذف آنها را از این فرآیند در پی داشت. در نتیجه استفاده از مواد سازگار با محیط زیست در تولید و تعمیر ماشینهای الكتریكی مورد توجه قرار گرفت. استفاده از رزینهای با پایه آبی یكی از اولین پیشنهاداتی بود كه مطرح شد، اما یك راه‌حل جامعتر كه امروزه نیز مرسوم است، كاربرد چسبهای جامد بود.
در همین راستا تولید نوارهای میكای رزین ریچ بدون حلال نیز توسعه یافت.از دیگر پیشرفتهای مهم این دهه ظهور ژنراتورهای ابررسانا بود. یك ماشین ابررسانا عموماً‌از یك سیم‌پیچ میدان ابررسانا و یك سیم‌پیچ آرمیچر مسی تشكیل شده است. هسته رتور عموماً آهنی نیست، چرا كه 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 كننده شار بین قطبها عمل كند.
عدم استفاده از آهن، موجب كاهش راكتانس سنكرون (به حدود pu۵/۰- ۳/۰) در این ماشینها شده كه طبعاً موجب پایداری دینامیكی بهتر می‌شود. همانطور كه اشاره شد، اولین ماده ابررسانای تجاری نیوبیوم- تیتانیوم بود كه تا دمای ۵ درجه كلوین خاصیت ابررسانایی داشت. البته در دهه‌های بعد پیشرفت این صنعت به معرفی مواد ابررسانایی با دمای عملكرد ۱۱۰ درجه كلوین انجامید. براین اساس مواد ابررسانا را به دو گروه دما پایین مانند نیوبیوم – تیتانیوم و دما بالا مانند BSCCO-۲۲۲۳ تقسیم می‌كنند. از اوایل دهه ۱۹۷۰ تحقیقات بر روی ژنراتورهای ابررسانا با استفاده از هادیهای دما پایین آغاز شد. در این دهه كمپانی وستینگهاوس تحقیقات برای ساخت یك نمونه دوقطبی را با استفاده هادیهای دماپایین آغاز كرد. نتیجه این پروژه ساخت و تست یك ژنراتور MVA۵ در سال ۱۹۷۲ بود.
در سال ۱۹۷۰ كمپانی جنرال الكتریك ساخت یك ژنراتور ابررسانا را با استفاده از هادیهای دماپایین، با هدف نصب در شبكه آغاز كرد.
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 خنك می‌شد. این ژنراتور، بزرگترین ژنراتور ابررسانای تست شده تا آن زمان (۱۹۷۹) بود.
در سال ۱۹۷۹ وستینگهاوس و اپری ساخت یك ژنراتور ابررسانای MVA۳۰۰ را آغاز كردند. این پروژه در سال ۱۹۸۳ به علت شرایط بازار جهانی با توافق طرفین لغو شد.
در همین زمینه كمپانی زیمنس ساخت ژنراتورهای دماپایین را در اوایل دهه ۱۹۷۰ شروع كرد. در این مدت یك نمونه رتور و یك نمونه استاتور با هسته آهنی برای ژنراتور MVA ۸۵۰ با سرعت rpm۳۰۰۰ ساخته شد، اما به دلیل مشكلاتی تست عملكرد واقعی آن انجام نشد.
در این دهه آلستوم نیز طراحی یك رتور ابررسانا برای یك توربو ژنراتور سنكرون را آغاز كرد. این رتور در یك ماشین MW۲۵۰ به كار رفت.
با توجه به اهمیت خنك‌سازی در كاركرد مناسب ژنراتورهای ابررسانا، همگام با توسعه این صنعت، طرحهای خنك‌سازی جدیدی ارایه شد. در ۱۹۷۷ اقای لاسكاریس یك سیستم خنك‌سازی دوفاز (مایع- گاز) برای ژنراتورهای ابررسانا ارایه كرد. در این طرح بخشی از سیم‌پیچ در هلیم مایع قرار می‌گرفت و با جوشش هلیم دردمای ۲/۴ كلوین خنك می‌شد. جداسازی مایع ازگاز توسط نیروی گریز از مركز ناشی از چرخش رتور صورت می‌گرفت.
▪ جمعبندی تحولات دهه ۱۹۷۰
با بررسی مقالات IEEE این دهه (۲۸ مقاله) در موضوعات مختلف مرتبط با ژنراتور سنكرون به نتایج زیر می‌رسیم:
۱) شایان ذكر است بررسی كل مقالات در دهه‌های مختلف نشان می‌دهد كه زمینه‌های اصلی مورد توجه طرحهای بدون جاروبك، سیستمهای خنك‌سازی، سیستمهای تحریك، روشهای عددی، سیستم عایقی، ملاحظات مكانیكی، ژنراتور آهنربای دائم، پاورفرمر و ژنراتورهای ابررسانا بوده‌اند. تمركز اكثر تحقیقات بر روی كاربرد مواد ابررسانا در ژنراتورها بوده است.
۲) استفاده از روشهای كامپیوتری برای تحلیل و طراحی ماشینهای الكتریكی آغاز شد.
۳) حلالها از سیستمهای عایق كاری حذف شدند و تكنولوژی 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 یك فرمول جدید اپوكسی بدون حلال كلاس F در تركیب با گلاس فابریك و نوع خاصی از كاغذ میكا با نام تجاری دورتناكس را ارایه داد. این سیستم عایق كاری دارای استحكام مكانیكی بیشتر، استقامت عایقی بالاتر، تلفات دی‌الكتریك پایینتر و مقاومت حرارتی كمتری نسبت به نمونههای قبلی بود.
در ادامه كار بر روی پروژه‌های ابررسانا، در سال ۱۹۸۸ سازمان توسعه تكنولوژی صنعتی و انرژیهای نو ژاپن پروژه ملی ۱۲ ساله سوپر جی‌ام را آغاز كرد كه نتیجه آن در دهه‌های بعدی به ثمر رسید.
سیستمهای خنك‌سازی ژنراتورهای ابررسانا هنوز در حال پیشرفت بودند. در این زمینه می‌توان به ارایه طرح سیستم خنك‌سازی تحت فشار توسط انستیتو جایری ژاپن اشاره كرد. این طرح كه در سال ۱۹۸۵ ارایه شد دارای یك مبدل حرارتی پیشرفته و یك 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 كرد. مهمترین خصوصیت آهنرباهای نئودیمیوم- آهن- بورون انرژی مغناطیسی (BHmax) بالای آنهاست كه سبب می شود قیمت هر واحد انرژی مغناطیسی كاهش یابد. علاوه بر این، انرژی زیاد تولیدی امكان به كارگیری آهنرباهای كوچكتر را نیز فراهم می‌كند، بنابراین اندازه سایر اجزا ماشین از قبیل قطعات آهن و سیم‌پیچی نیز كاهش می‌یابد و در نتیجه ممكن است هزینه كل كمتر شود. شایان ذكر است حجم بالایی از تحقیقات انجام شده این دهه در زمینه ژنراتورهای بدون جاروبك و خودتحریكه برای كاربردهای خاص بوده كه 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 سنكرون به نتایج زیر می‌رسیم:
۱) تمركز موضوعی مقالات در شكل نشان داده شده است.
۲) روشهای قبلی عایق كاری به منظور كاهش مقاومت حرارتی عایق بهبود یافت.
۳) مطالعات وسیعی روی ژنراتورهای سنكرون بدون جاروبك بدون تحریك صورت گرفت.
۴) فعالیت روی پروژه‌های ژنراتورهای ابررسانای آغاز شده در دهه قبل ادامه یافت.
۵) سیستمهای خنك‌سازی جدیدی برای ژنراتورهای ابررسانا ارایه شد.
۶) روش اجزای محدود در طراحی و تحلیل ژنراتورهای سنكرون خصوصاً ژنراتورهای آهنربای دائم به شكل گسترده‌ای مورد استفاده قرار گرفت.
منبع:
بانک اطلاعات مهندسی برق