ژنراتور نيروگاه آبي

ژنراتــــــور مهمترين بخــــش نيــــروگاه آبي اســـت كه انـــــرژي مكـــــانيكي دورانـــي را تبديـــــل به انرژي الكــــتريكي مــي‎كند و از دو بخــــش اصلــــي روتــور و استاتور تشكيل شده است.
ژنراتورهاي نوع سنكرون عمودي شامل بخش‎هاي زير مي‎باشند:
– قاب استاتور(Stator Frame)
– هسته استاتور( Stator Core)
– سيم‎پيچ استاتور(ُStator Winding)
– روتور(Rotor)
– حلقه مورق روتور(Rotor Rim)
– قطبها(Poles)
– ياتاقان‎هاي كف‎گرد(Thrust Bearing)
– ياتاقان‎هاي هادي(Guide Bearing)
– سيستم روانكاري هيدوراستاتيك(Hydrostatic lubrication system)
– سيستم خنك‎كننده Cooling system
– واحد ترمز و بالابري (Braking and jacking unit)

استاتور فريم يا قاب استاتور(Stator Frame)
قاب استاتـــــور از اجـــــزاء فـولادي نورد شده ســــاخته شـده است كه هســـته، سـيم‎پيچ و اجـــزاء جــــانبي اســـتاتور نظـــيركولرهــاي هوايي-آبي را روي خـــــود جـــاي مي‎دهد. قاب اســـتاتور با ســـاختار خـــاص خود كل وزن روتــور را از طــريق براكــت تراست تحمل مي‎نمـــايد. عـــلاوه بر نيــروهاي ناشي از گشــتار و وزن خود استاتـــور، قاب استاتـــور وزن كليه اجراء گردان (ژنراتــور و توربيــــن)، وزن براكـــت تراست و بارهـاي ناشـــي از فشــــار هيدروليـــكي را از طريق سل پليت ها يا حلقه‎هـــاي نگهدارنده به فونداسيــــون منتقل مي‎نمـــايد. دريچه‎هـــاي خـــروج هـــوا نيز در قـــاب استاتـور تعبيه شده است.در شكل زير مي توانيد نماي استاتور فريم يك ژنراتور آبي با توان ۸۱ مگاولت آمپر را مشاهده نماييد.

هسته استاتور (Stator Core)

هستة استاتور مسيري با رلوكتانس مغناطيسي پايين جهت عبور شار مغناطيسي فراهم مي سازد. قطر داخلي استاتور بوسيلة گشتاور در حجم( Torque Per Volume) و اثر لختي GD² تعيين مي شود.
هستة استاتور از دو قسمت تشكيل شده است :
۱- ( يوغYoke ) : قسمتي است كه بين شيار و قطر خارجي قرار مي گيرد.
۲- (Teeth دندانه ها) : قسمتهايي از هسته كه بين شيارها قرار مي گيرد.

قسمتهاي انتهايي هسته ، جهت كاهش دماي ناشي از عبور شار مغناطيسي به روش خاصي تهيه مي شوند و معمولا“ در اين قسمتها فاصلة هوايي بيشتر از مركز هسته مي باشد. شيارها در بدنة هستة استاتور پانچ مي شوند و محل قرار گرفتن سيم پيچي استاتور مي باشند.
ورقه هاي هسته از سيليكن با تلفات پايين و مقاوم در برابر پيري ( Non-Aging ) و با ضخامت ۵/۰ ميليمتر تهيه مي شوند. اين ورقه ها از هر دو طرف با لايه هاي وارنيش عايق شده اند ( عايق كلاس F ). هسته بر روي Stator Frame نصب مي شود و در ضمن هنگام ورقه چيني ، ورقه‌هاي لايه‌هاي مختلف بر روي يكديگر همپوشاني دارند. براي محكم كردن ورقه ها ، از تعدادي Pressure Finger كه بر روي Clamping Plate جوش مي شوند و همچنين از تعدادي پيچ با مقطع دم‌چلچله‌اي (DoveTail ) استفاده مي‌شود و ورقه ها به همديگر پرس مي شوند. در ماشينهاي بزرگ از تعدادي Clamping Bolt كه از هسته نيز عايق مي باشند براي استحكام بيشتر استفاده مي كنند.

هسته استاتــور شامل صفحات دينامو كم تلفات است كه ضخامت هر يك ۵/۰ ميليمتر مي‎باشد. براي خنك كردن هسته ، تعدادي كانال درون هسته جاسازي شده است كه جنس اين كانالها از تعدادي ميله هاي غيرمغناطيسي كه بر روي ورقه هاي سيليكون با ضخامت ۶۵/۰ ميليمتر جوش مي شوند، تشكيل شده است. جريان هوا از درون اين كانالها عبور كرده و هسته را خنك مي كند.
شيارهايي در داخلي ورقه‎ها تعبيه شده‎اند تا امكان استقرار سيم‎پيچ‎هاي استاتور فراهم گردد. وقتي كه سيم‎پيچ‎ها در شيارها قرار گرفتند توسط گوه‎هايي عايق به شكل دم چلچله در محل خود ثابت شده و محل شيار پر مي‎گردد.
هستة استاتور از طريق Stator Frame ، نيروهاي ناشي از وقوع خطا و يا انبساط حرارتي را به فونداسيون منتقل مي كند.
در شكل زير مي توان Stator Frame ، هسته و پيچهاي دم چلچله اي را مشاهده نمود.
سيم پيچ استاتور (ُStator Winding) روتور و روتور هاب

منبع : سايت نيروگاه برق آبي

در شكل زير ، نحوه گردش هوا را در تهوية مستقل( فن با يك موتور مستقل مي چرخد) يك ژنراتور آبي نمايش مي دهد.

سيم‌پيچ استاتور را با نامهاي سيم‌پيچ آرميچر يا سيم‌پيچ اندويي ( Induced Winding) نيز بيان مي كنند. اين سيم‌پيچ شامل يك مدار الكتريكي است كه ولتاژ و جريان آن ( وقتي كه به شبكه وصل مي شود) ، توسط يك شار مغناطيسي متغير حاصله از “جريان روتور و حركت روتور” ، القا مي شود.
نوع ، جانمايي و ابعاد اين سيم‌پيچي توسط توان نامي ، ولتاژ ، تعداد قطبها(سرعت)، نيازمنديهاي ناشي از حداكثر مجاز گرم شدن سيم‌پيچي، راكتانس، راندمان و هزينه كمتر تعيين مي شود.

انواع سيم‌پيچ به صورت زير مي باشند :
۱- كلاف ( چند دور)( Coil)
2- Bar (تك دور)

سيم پيچ استاتور از هاديهاي مستطيلي تشكيل شده كه به منظور اعمال ولتاژ مورد نظر و انجام تستهاي معين ، نسبت به هم عايق شده اند. سيم پيچ استاتور معمولا“ به صورت ستاره به هم متصل شده و داراي ۳ ترمينال فاز و ۳ ترمينال زمين مي باشد. سيم پيچ استاتور از دو ماده گرانقيمت عايق و مس ساخته شده كه براي ساختن آن نيازمند ساعتهاي كاري زيادي هستيم.
جهت ساخت سيم پيچ ، عملياتي انجام مي شود كه به آن VPI يا Vacuum Pressure Impregnation گويند و با توجه به اندازه ماشين اين عمليات بصورت زير انجام مي شود:
۱- VPI كلي براي ماشينهاي با قدرت كم و متوسط با Coil يا Bar (هسته و سيم پيج به همراه هم به كوره مي روند .)
۲-VPI گروهي براي ماشينهاي با قدرت متوسط يا زياد كه بصورت Coil باشند ( در كوره هاي فولادي )
۳- VPI جداگانه براي ماشينهاي با قدرت متوسط يا زياد كه بصورت Bar باشند ( در كوره هاي مخصوص )

بايد توجه كرد كه Coil ها به صورت سيم پيچي حلقوي توليد مي شوند كه در قسمت Over-Hang ترانسپوزه شده اند ولي Bar ها به صورت سيم پيچي موجي براي ماشينهاي Water Cooled و سيم پيچي حلقوي براي ماشينهاي Air-Cooled با ۳۶۰ درجه يا ۵۴۰ درجه ترانسپوزيشن ساخته مي‌شوند.
در شكل زير مي توان Bar ها و Coil ها را براي يك ژنراتور نوعي ديد.

Lap Bars

Wave Bars

Coils

عايقي كه براي عايق بندي سيم پيچها استفاده مي شود ميكالاستيك(MicaLastic) مي‌باشد. اين عايق از سال ۱۹۵۷ تا كنون استفاده مي‌شود و تا به حال هيچ خطايي كه ناشي از پيري اين عايق باشد گزارش نشده است .
ميكالاستيك داراي كلاس عايقي F بوده و تا ولتاژ ۲۷ كيلوولت و گراديان ولتاژ ۴/۲ تا ۸/۲ KV/mm را مي‌تواند تحمل كند. ميكالاستيك شامل لايه هاي ميكاي غير آلي ( ميكاي نرم) بعنوان ماده اصلي بوده كه تحت عمليات حرارتي در اپوكسي رزين بعنوان ماده پوشاننده قرارمي گيرد .
Coil ها يا Bar هاي ترانسپوز شده به صورت پيوسته توسط لايه هاي ميكا پوشانده شده و سپس با فرايند فشار در خلاء، در اپوكسي رزين غوطه ور مي گردند.
پس از عمليات (VPI) ، سيم پيچها در يك كوره با درجه حرارت بالا خشك مي شوند.

پس از خشك كردن ، قسمتي از Bar كه درون شيار قرار مي گيرد را با يك هادي گرافيتي رنگ مي كنند تا از كورونا مابين عايق و سطح شيار جلوگيري كنند.
براي كاهش گراديان ولتاژ در قسمت خم Bar ، اين قسمت با مواد نيمه هادي( tape يا رنگ ) پوشانده مي شود. قبل از قرار دادن سيم پيچ در شيار يك ورقه هادي در شيار قرار مي دهند تا فاصله هاي هوايي بين شيار و Bar را پر كند و به يك تماس الكتريكي خوب دست پيدا كنيم. براي چسبيدن Bar به ورقة هادي از يك چسب هادي ( Putty ) استفاده مي شود.
بايد توجه كرد كه عايق هاديها در bar از جنس Fiber Glass مي باشد در حاليكه عايق بين دورهاي سيم پيچي در يك Coil از “ميكا + Fiber Glass ” استفاده مي شود. عايق بين هاديهاي Coil نيز به همين صورت مي باشد.
در شكل زير قسمتهاي مختلف سيم پيچ را به همراه نحوة قرار دادن آن در شيار مي توان ديد.

تصوير واضحتر را در لينك زير مي توانيد مشاهده كنيد.
http://i7.tinypic.com/24e6du0.jpg

در شكل زير نيز مي توانيد نحوه گردش هواي تهويه را در يك ژنراتوربا استفاده از كانالهاي هواي داخل روتور ريم و بدون استفاده از فن مشاهده نماييد.

واحد ترمز مكانيكي و بالابري(Bracking and Jacking Unit)
سيســـتم ترمز مكانيكي به گونــــه‎اي طراحــي شده تا مجمــــوعه ژنراتـــور و توربيــن را سريعـاً به حالت سكون برساند. عـــلاوه بر ترمز، اين سيستم براي بالا بردن روتـــور هنگام نصــب و يا خارج كردن روتور مورد استفــــاده قرار مي‎گيرند. سيستم بالابري همچنين براي خارج كردن ياتاقان‎هاي كف‎گرد از فشار و جدا كردن شفت توربين از ژنراتور به كار مي‎رود. براي بكار انداختن ترمزها از هوا فشرده استفاده مي‎شود كه ترمز نرم و با تنظيم مناسب را امكان‎پذير مي‎سازد. فشار لازم براي بالابري به طور قابل توجهي بيشتر از مقدار لازم براي ترمز مي‎باشد. از اين‌رو اين فشار توسط موتورپمپ‎ها و از طريق مدار روغن برقرار مي‎شود. سيستم ترمز و بالابري توسط شيرهاي سه راهه از يكديگر مجزا مي‎گردند. در شكل زير مي توانيد مجموعه اي را كه براي ترمز مكانيكي و جك كردن روتور بكار مي رود مشاهده نماييد. معمولا” در يك ژنراتور از چند سگمنت ترمز/جك (مثلا” ۴ تا) استفاده مي شود.

نماي يك سگمنت ترمز/جك

نماي يك سگمنت ترمز/جك كه در زير رينگ ترمز روتور ژنراتور قرار مي گيرد.
مقايسه بين زمان، اوزان و هزينه هاي ساخت قسمتهاي مكانيكال و الكتريكال ژنراتور آبي
با وجود اينكه ژنراتور سنكرون، منبع اصلي توليد الكتريسيته در يك نيروگاه مي‌باشد و مباحث مربوط به كاركرد آن در شاخه مهندسي برق مورد بررسي قرار مي‌گيرد؛ ولي بعنوان يك ماشين الكتريكي، قسمتهاي بسياري از آن توسط مهندسان مكانيك، طراحي شده و مورد بررسي قرار مي‌گيرد. براي اينكه ذهنيتي نسبت به حجم عمليات مكانيكي و الكتريكي يك هيدروژنراتور سنكرون عمودي ، زمان و هزينه‌هاي ساخت آن بشود ، مقايسه‌اي كه توسط شركت Voith-Siemens در اين مورد انجام شده است، ارايه مي‌گردد.

الف- مقايسه بين مدت زمان طراحي و كار مهندسي بر روي قطعات الكتريكي و مكانيكي هيدروژنراتور:

ب- مقايسه بين اوزان تجهيزات الكتريكي و مكانيكي هيدروژنراتور:

پارامترهاي اوليه مورد نياز براي طراحي ژنراتور

زماني كه مي خواهيم ژنراتوري را سفارش دهيم ، طراح نيازمند مقادير الكتريكي زير براي طراحي اوليه ژنراتور مي باشد كه بايد توسط خريدار به سازنده ارائه شوند :

– توان نامي و ماكزيمم
– سرعت نامي و سرعت فرار (Runaway Speed)
– فركانس نامي
– ممان اينرسي
– افزايش دماي مجاز
– راكتانسها ( Xd , X’d , X”d , X”q/X”d )
– نسبت اتصال كوتاه (Short Circuit Ratio)
– ثابت زماني ها (T′do و ‏T′d و T″do )
– شرايط محيط (دماي هوا وآب سرد ورودي به رادياتورها)
– ولتاژ نامي و محدودة مجاز تغييرات ولتاژ
– و مقادير ديگري مانند :
# حداقل قطر داخلي ژنراتورر
# حداقل راندمان

روتــور بخش‎گردان ژنـــــراتور مي‎باشـــد كه شـــامل شفت، هــاب(Hub)، چـــرخ مغناطيسي(magnetic wheel) و قطبـــها مــي‌گردد. شفـت روتـور كه گشـــتاور را از توربين به ژنراتور منتقل مي‎نمايد، با فلنـج به شفت تــــوربين متصل شـــده است. در ژنراتورهاي بزرگ، شفــت شامل دو بخــــش مــي‎شود (بخـــش بالا و پائين) كه به ترتيب مستقيمـــاُ به بالا و پائيـــن هاب روتور با فلنــج متصل مـــي‎شود. شفـــت كه از فــــولاد با كيفيـــت بالا ســاخته شــده است به گونـــه‎اي طراحي شــــده كه در مقـابل تنشهــــاي ناشي از اتصـــال كـــوتاه ناگهـــاني و يا هنگام سنــــكرون كردن اشتباه، مقـــاومت نمايد.
هاب روتـــور كه داراي ساختار صفحه‎اي است، از ورقهـــاي فولادي نورد شده با كيفيت بالا ســـاخته شده است و ارتبـــاط بين شـــفت و طوقـــه مغناطيسي روتور را ايجاد مي‎كند.

كاربرد روتور هاب:
– نگهداري روتور ريم، قطبها، فن‌ها و رينگ ترمز
– انتقال گشتاور شفت به روتور ريم و قطبها
– تحمل نيروهاي ناشي از Shrinkage(عمل انقباض) روتور ريم

انواع روتورهاب:
– روتور هاب به همراه سيلندر مركزي ، اتصال به شفت با كمك اتصالات KEY شكل (شكل ۱)
– روتورهاب به همراه فلنجهاي فوقاني و تحتاني ، اتصال به شفت از طريق پيچ و مهره (شكل ۲)
– روتورهاب به همراه بازشوهاي فوقاني و/يا تحتاني به منظور محبوس كردن هواي تهويه (Rim Ventilation system)

شكل (۱)

شكل (۲)

روتور ريم(Rotor Rim)
روتـــور ريم (Rotor Rim) داراي ساختار مورق مي‎باشــد. طوقه روتور ريم از قطعــــات مجـزاي ورقه‎هاي فولادي تشكيـــل شده كه روي هم چيـــده مي‎شوند. صفحات فولادي با استحـــكام بالا و داراي هم‎پوشاني، توسط تعـــداد زيـــادي پيچ‎هاي محــوري كه به طور يكنـــواخت روي محيط تعبيه شده‎اند بهم بسته مي‎شوند.

قطبهاي روتور و سيم پيچي آن
ورقه‎هـــاي قطب از جنـــس فولاد با نـورد گرم مي‎باشــنـد كه از دو طـــرف توســط يك لايه اكسيد، عايق شــده اســـت. اين لايه‎هــا توسط پيچ‎هاي محـــوري به يكديگر محكــم مي‎شوند. صفحـــات انتهــايي ورقـــه‎هاي قطبهـــا را محكم نگاه داشتـــه و نيروي گريز از مركز ناشي از سيم‎پيچ‎هـــاي ميـــدان را خنثي مي‎نمايد. سيم‎پيچ‎هاي ميـــدان شامل نوارهاي تخت مسي مي‎شود كه به صـــورت يك لايه دور بدنه قطب پيچيـده شده است. سيم‎پيچ‎هـــا از كفش قطـب، صفحـــه كلمـپ و بدنه قطب عايق شده‎اند. بين دورهـــاي سيم‎پيچـــي نيز لايه عايقي از جنــس رزين مصنوعـــي وجود دارد، سپــس يك رزين مصنوعي به صورت تحت فشـــار و گرم بين لايه‎ها تزريق مي‎شـــود تا ساختــاري محكم، فشـــرده و پايدار را ايجاد نمــايد. شينه‎هاي تحريك نيز سيم‎پيچــي روتـــور را به حلقه‎هــــاي لغـــزان (Slip Ring)متصل مي‎نمايد. اين شينه‎هــا از جنس مـس الكتروليتيك مي‎باشــند. ارتبـــاط قطبهــا به طوقـــه روتـــور(روتور ريم) توسط شيارهــــاي T شكلـــي ايجاد مي‎شـــود كه پايه T شـــكل قطبهـــا درون آنها مستقر مي‎شود.

قطبهاي برجسته در ژنراتورهاي آبي

همانطور كه مي‌دانيد، قطبهاي ژنراتورهاي آبي از نوع برجسته مي‌باشند. اين قطبها از اجزاي زير تشكيل شده‌اند:
۱- سيم پيچ ميدان (Field winding)
2- دمپرها
۳- هسته قطب (Pole core)

قطبها وظيفه ساختن ميدان مغناطيسي چرخان در فاصله هوايي بين استاتور و روتور را بر عهده دارند. در زير شكل يك قطب برجسته ژنراتور را مي توانيد مشاهده كنيد