موتور الکتریکی

میدان مغناطیسی چرخنده به عنوان مجموعی از بردارهای مغناطیسی کوئل‌های سه‌فازه.
یک موتور الکتریکی، الکتریسیته را به حرکت مکانیکی تبدیل می‌کند. عمل عکس آن که تبدیل حرکت مکانیکی به الکتریسیته است، توسط ژنراتور انجام می‌شود. این دو وسیله بجز در عملکرد، مشابه

یکدیگر هستند. اکثر موتورهای الکتریکی توسط الکترومغناطیس کار می‌کنند، اما موتورهایی که بر اساس پدیده‌های دیگری نظیر نیروی الکترواستاتیک و اثر پیزوالکتریک کار می‌کنند، هم وجود دارند.
ایده کلی این است که وقتی که یک ماده حامل جریان الکتریسیته تحت اثر یک میدان مغناطیسی قرار می‌گیرد، نیرویی بر روی آن ماده از سوی میدان اعمال می‌شود. در یک موتور استوانه‌ای،

چرخانه (روتور) به علت گشتاوری که ناشی از نیرویی است که به فاصله‌ای معین از محور چرخانه به چرخانه اعمال می‌شود، می‌گردد.
اغلب موتورهای الکتریکی دوارند، اما موتور خطی هم وجود دارند. در یک موتور دوار بخش متحرک (که معمولاً درون موتور است) چرخانه و بخش ثابت ایستانه (استاتور) خوانده می‌شود. موتور شامل آهنرباهای الکتریکی است که روی یک قاب سیم پیچی شده است. گر چه این قاب اغلب آرمیچر خوانده می‌شود، اما این واژه عموماً به غلط بکار برده می‌شود. در واقع آرمیچر آن بخش از موتور

است که به آن ولتاژ ورودی اعمال می‌شود یا آن بخش از ژنراتور است که در آن ولتاژ خروجی ایجاد می‌شود. با توجه به طراحی ماشین، هر کدام از بخش‌های چرخانه یا ایستانه می‌توانند به عنوان آرمیچر باشند. برای ساختن موتورهایی بسیار ساده کیت هایی را در مدارس استفاده می‌کنند.
فهرست مندرجات

• ۱ موتورهای دی‌سی
o ۱.۱ موتورهای میدان سیم پیچی شده
• ۲ موتورهای یونیورسال
• ۳ موتورهای AC
o ۳.۱ موتورهای AC تک فاز
o ۳.۲ موتورهای AC سه فاز
• ۴ موتورهای پله‌ای
• ۵ موتورهای خطی
• ۶ منابع

یکی از اولین موتورهای دوار، اگر نگوییم اولین، توسط مایکل فارادی در سال ۱۸۲۱م ساخته شده بود و شامل یک سیم آویخته شده آزاد که در یک ظرف جیوه غوطه‌ور بود، می‌شد. یک آهنربای دائم

در وسط ظرف قرار داده شده بود. وقتی که جریانی از سیم عبور می‌کرد، سیم حول آهنربا به گردش در می‌آمد و نشان می‌داد که جریان منجر به افزایش یک میدان مغناطیسی دایره‌ای اطراف سیم می‌شود. این موتور اغلب در کلاسهای فیزیک مدارس نشان داده می‌شود، اما گاهاً بجای ماده سمی جیوه، از آب نمک استفاده می‌شود.

موتور کلاسیک DC دارای آرمیچری از آهنربای الکتریکی است. یک سوییچ گردشی به نام کموتاتور جهت جریان الکتریکی را در هر سیکل دو بار برعکس می کند تا در آرمیچر جریان یابد و آهنرباهای الکتریکی، آهنربای دائمی را در بیرون موتور جذب و دفع کنند. سرعت موتور DC به مجموعه‌ای از ولتاژ و جریان عبوری از سیم پیچهای موتور و بار موتور یا گشتاور ترمزی، بستگی دارد.
سرعت موتور DC وابسته به ولتاژ و گشتاور آن وابسته به جریان است. معمولاً سرعت توسط ولتاژ

متغیر یا عبور جریان و با استفاده از تپها (نوعی کلید تغییر دهنده وضعیت سیم‌پیچ) در سیم‌پیچی موتور یا با داشتن یک منبع ولتاژ متغیر، کنترل می‌شود. بدلیل اینکه این نوع از موتور می‌تواند در سرعتهای پایین گشتاوری زیاد ایجاد کند، معمولاً از آن در کاربردهای کششی نظیر لوکوموتیوها استفاده می‌کنند. اما به هرحال در طراحی کلاسیک محدودیتهای متعددی وجود دارد که بسیاری

از این محدودیتها ناشی از نیاز به جاروبکهایی برای اتصال به کموتاتور است. سایش جاروبک ها و کموتاتور، ایجاد اصطکاک می‌کند و هر چه که سرعت موتور بالاتر باشد، جاروبکها می‌بایست محکمتر فشار داده شوند تا اتصال خوبی را برقرار کنند. نه تنها این اصطکاک منجر به سر و صدای موتور می‌شود بلکه این امر یک محدودیت بالاتری را روی سرعت ایجاد می‌کند و به این معنی است که

جاروبکها نهایتاً از بین رفته نیاز به تعویض پیدا می‌کنند. اتصال ناقص الکتریکی نیز تولید نوفه (نویز) الکتریکی در مدار متصل می‌کند. این مشکلات با جابجا کردن درون موتور با بیرون آن از بین می‌روند، با قرار دادن آهنرباهای دائم در داخل و سیم پیچها در بیرون به یک طراحی بدون جاروبک می‌رسیم.

موتورهای میدان سیم پیچی شده
آهنرباهای دائم در (ایستانه) بیرونی یک موتور DC را می‌توان با آهنرباهای الکتریکی تعویض کرد. با تغییر جریان میدان (سیم پیچی روی آهنربای الکتریکی) می‌توانیم نسبت سرعت/گشتاور موتور را تغییر دهیم. اگر سیم پیچی میدان به صورت سری با سیم پیچی آرمیچر قرار داده شود، یک موتور گشتاور بالای کم سرعت و اگر به صورت موازی قرار داده شود، یک موتور سرعت بالا با گشتاور کم خواهیم داشت. می‌توانیم برای بدست آوردن حتی سرعت بیشتر اما با گشتاور به همان میزان

کمتر، جریان میدان را کمتر هم کنیم. این تکنیک برای کشش الکتریکی و بسیاری از کاربردهای مشابه آن ایده‌آل است و کاربرد این تکنیک می‌تواند منجر به حذف تجهیزات یک جعبه دنده متغیر مکانیکی شود.
موتورهای یونیورسال
یکی از انواع موتورهای DC میدان سیم پیچی شده موتور ینیورسال است. اسم این موتورها از این واقعیت گرفته شده است که این موتورها را می‌توان هم با جریان DC و هم AC بکار برد، اگر چه که اغلب عملاً این موتورها با تغذیه AC کار می‌کنند. اصول کار این موتورها بر این اساس است که وقتی یک موتور DC میدان سیم پیچی شده به جریان متناوب وصل می‌شود، جریان هم در سیم

پیچی میدان و هم در سیم پیچی آرمیچر (و در میدانهای مغناطیسی منتجه) هم‌زمان تغییر می‌کند و بنابراین نیروی مکانیکی ایجاد شده همواره بدون تغییر خواهد بود. در عمل موتور بایستی به صورت خاصی طراحی شود تا با جریان AC سازگاری داشته باشد (امپدانس/راکتانس بایستی مدنظر قرار گیرند) و موتور نهایی عموماً دارای کارایی کمتری نسبت به یک موتور معادل DC خالص خواهد بود.
مزیت این موتورها این است که می‌توان تغذیه AC را روی موتورهایی که دارای مشخصه‌های نوعی

موتورهای DC هستند بکار برد، خصوصاً اینکه این موتورها دارای گشتاور راه اندازی بسیار بالا و طراحی بسیار جمع و جور در سرعتهای بالا هستند. جنبه منفی این موتورها تعمیر و نگهداری و مشکل قابلیت اطمینان آنهاست که به علت وجود کموتاتور ایجاد می‌شود و در نتیجه این موتورها به ندرت در صنایع مشاهده می‌شوند، اما عمومی‌ترین موتورهای AC در دستگاههایی نظیر مخلوط کن و ابزارهای برقی که گاهاً استفاده می‌شوند، هستند.
موتورهای AC
موتورهای AC تک فاز
معمولترین موتور تک فاز موتور هم‌زمان قطب چاکدار است، که اغلب در دستگاه هایی بکار می رود که گشتاور پایین نیاز دارند، نظیر پنکه‌های برقی، تندپزها (اجاقهای ماکروویو) و دیگر لوازم خانگی کوچک. نوع دیگر موتور AC تک فاز موتور القایی است، که اغلب در لوازم بزرگ نظیر ماشین لباسشویی و خشک کن لباس بکار می‌رود. عموماً این موتورها می‌توانند گشتاور راه اندازی بزرگ‌تری را با استفاده از یک سیم پیچ راه انداز به همراه یک خازن راه انداز و یک کلید گریز از مرکز، ایجاد کنند.
هنگام راه اندازی، خازن و سیم پیچ راه اندازی از طریق یک دسته از کنتاکت های تحت فشار فنر روی کلید گریز از مرکز دوار، به منبع برق متصل می‌شوند. خازن به افزایش گشتاور راه اندازی موتور کمک می‌کند. هنگامی که موتور به سرعت نامی رسید، کلید گریز از مرکز فعال شده، دسته کنتاکتها فعال می‌شود، خازن و سیم پیچ راه انداز سری شده را از منبع برق جدا می‌سازد، در این

هنگام موتور تنها با سیم پیچ اصلی عمل می‌کند.
موتورهای AC سه فاز
برای کاربردهای نیازمند به توان بالاتر، از موتورهای القایی سه فاز AC (یا چند فاز) استفاده می‌شود. این موتورها از اختلاف فاز موجود بین فازهای تغذیه چند فاز الکتریکی برای ایجاد یک میدان الکترومغناطیسی دوار درونشان، استفاده می‌کنند. اغلب، روتور شامل تعدادی هادی های مسی است که در فولاد قرار داده شده‌اند. از طریق القای الکترومغناطیسی میدان مغناطیسی دوار در این هادیها القای جریان می‌کند، که در نتیجه منجر به ایجاد یک میدان مغناطیسی متعادل کننده شده و موجب می‌شود که موتور در جهت گردش میدان به حرکت در آید.
این نوع از موتور با نام موتور القایی معروف است. برای اینکه این موتور به حرکت درآید بایستی همواره موتور با سرعتی کمتر از بسامد منبع تغذیه اعمالی به موتور، بچرخد، چرا که در غیر این صورت میدان متعادل کننده‌های در روتور ایجاد نخواهد شد. استفاده از این نوع موتور در کاربردهای ترکشن نظیر لوکوموتیوها، که در آن به موتور ترکشن آسنکرون معروف است، روز به روز در حال افزایش است. به سیم پیچهای روتور جریان میدان جدایی اعمال می‌شود تا یک میدان مغناطیسی پیوسته ایجاد شود، که در موتور هم‌زمان وجود دارد، موتور به صورت هم‌زمان با میدان مغناطیسی دوار ناشی از برق AC سه فاز، به گردش در می‌آید. موتورهای هم‌زمان (سنکرون) را می‌توانیم به عنوان مولد جریان هم بکار برد.
سرعت موتور AC در ابتدا به فرکانس تغذیه بستگی دارد و مقدار لغزش، یا اختلاف در سرعت چرخش بین چرخانه و میدان ایستانه، گشتاور تولیدی موتور را تعیین می‌کند. تغییر سرعت در این نوع از موتورها را می‌توان با داشتن دسته سیم پیچها یا قطبهایی در موتور که با روشن و خاموش کردنشان سرعت میدان دوار مغناطیسی تغییر می‌کند، ممکن ساخت. به هر حال با پیشرفت الکترونیک قدرت می توانیم با تغییر دادن بسامد منبع تغذیه، کنترل یکنواخت تری بر روی سرعت موتورها داشته باشیم.

موتورهای پله‌ای
نوع دیگری از موتورهای الکتریکی موتور پله‌ای است، که در آن یک روتور درونی، شامل آهنرباهای دائمی توسط یک دسته از آهنرباهای خارجی که به صورت الکترونیکی روشن و خاموش می‌شوند، کنترل می‌شود. یک موتور پله‌ای ترکیبی از یک موتور الکتریکی DC و یک سلونوئید است. موتورهای پله‌ای ساده توسط بخشی از یک سیستم دنده‌ای در حالتهای موقعیتی معینی قرار می‌گیرند، اما

موتورهای پله‌ای نسبتاً کنترل شده، می‌توانند بسیار آرام بچرخند. موتورهای پله‌ای کنترل شده با رایانه یکی از فرمهای سیستم‌های تنظیم موقعیت است، بویژه وقتی که بخشی از یک سیستم دیجیتال دارای کنترل فرمان یار باشند .

موتورهای خطی
یک موتور خطی اساساً یک موتور الکتریکی است که از حالت دوار در آمده تا بجای اینکه یک گشتاور (چرخش) گردشی تولید کند، یک نیروی خطی توسط ایجاد یک میدان الکترومغناطیسی سیار در طولش، بوجود آورد. موتورهای خطی اغلب موتورهای القایی یا پله‌ای هستند. می‌توانید یک موتور خطی را در یک قطار سریع السیر مگلو مشاهده کنید که در آن قطار روی زمین پرواز می‌کند

. ساخت ترانسفور ماتور قدرت خشك
در ژوئيه ۱۹۹۹، شركت ABB، يك ترانسفور ماتور فشار قوي خشك به نام “Dryformer “ ساخته است كه نيازي به روغن جهت خنك شدن بار به عنوان دي الكتريك ندارد.در اين ترانسفورماتور به جاي استفاده از هاديهاي مسي با عايق كاغذي از كابل پليمري خشك با هادي سيلندري استفاده مي شود.تكنولوژي كابل استفاده شده در اين ترانسفورماتور قبلاً در ساخت يك ژنراترو فشار قوي به

نام “Power Former” در شركتABB به كار گرفته شده است. نخستين نمونه از اين ترانسفورماتور اكنون در نيروگاه هيدروالكتروليك “Lotte fors” واقع در مركز سوئد نصب شده كه انتظار مي رود به دليل نياز روزافزون صنعت به ترانسفورماتور هايي كه از ايمني بيشتري برخوردار باشند و با محيط زيست نيز سازگاري بيشتري داشته باشند، با استقبال فراواني روبرو گردد.

ايده ساخت ترانسفورماتور فاقد روغن در اواسط دهه ۹۰ مطرح شد. بررسي، طراحي و ساخت اين ترانسفورماتور از بهار سال ۱۹۹۶ در شركت ABB شروع شد. ABB در اين پروژه از همكاري چند شركت خدماتي برق از جمله Birka Kraft و Stora Enso نيز بر خوردار بوده است.
تكنولوژي
ساخت ترانسفورماتور فشار قوي فاقد روغن در طول عمر يكصد ساله ترانسفورماتورها، يك انقلاب محسوب مي شود. ايده استفاده از كابل با عايق پليمر پلي اتيلن (XLPE) به جاي هاديهاي مسي داراي عايق كاغذي از ذهن يك محقق ABB در سوئد به نام پرفسور “Mats lijon” تراوش كرده است.

 

تكنولوژي استفاده از كابل به جاي هاديهاي مسي داراي عايق كاغذي، نخستين بار در سال ۱۹۹۸ در يك ژنراتور فشار قوي به نام “ Power Former” ساخت ABB به كار گرفته شد. در اين ژنراتور بر خلاف سابق كه از هاديهاي شمشي ( مستطيلي ) در سيم پيچي استاتور استفاده مي شد، از هاديهاي گرد استفاده شده است. همانطور كه از معادلات ماكسول استنباط مي شود، هاديهاي سيلندري ، توزيع ميدان الكتريكي متقارني دارند. بر اين اساس ژنراتوري مي توان ساخت كه برق را

با سطح ولتاژ شبكه توليد كند بطوريكه نياز به ترانسفورماتور افزاينده نباشد. در نتيجه اين كار، تلفات الكتريكي به ميزان ۳۰ در صد كاهش مي يابد.

در يك كابل پليمري فشار قوي، ميدان الكتريكي در داخل كابل باقي مي ماند و سطح كابل داراي پتانسيل زمين مي باشد.در عين حال ميدان مغناطيسي لازم براي كار ترانسفورماتور تحت تاثير عايق كابل قرار نمي گيرد.در يك ترانسفورماتور خشك، استفاده از تكنولوژي كابل، امكانات تازه اي براي بهينه كردن طراحي ميدان هاي الكتريكي و مغناطيسي، نيروهاي مكانيكي و تنش هاي گرمايي فراهم كرده است.

در فرايند تحقيقات و ساخت ترانسفورماتور خشك در ABB، در مرحله نخست يك ترانسفورماتور آزمايشي تكفاز با ظرفيت ۱۰ مگا ولت آمپر طراحي و ساخته شد و در Ludivica در سوئد آزمايش گرديد. “ Dry former” اكنون در سطح ولتاژ هاي از ۳۶ تا ۱۴۵ كيلو ولت و ظرفيت تا ۱۵۰ مگا ولت آمپر موجود است.
نيروگاه مدرن Lotte fors

ترانسفورماتور خشك نصب شده در Lotte fors كه بصورت يك ترانسفورماتور – ژنراتور افزاينده عمل مي كند ، داراي ظرفيت ۲۰ مگا ولت امپر بوده و با ولتاژ ۱۴۰ كيلو ولت كار مي كند. اين واحد در

ژانويه سال ۲۰۰۰ راه اندازي گرديد. اگر چه نيروگاه Lotte fors نيروگاه كوچكي با قدرت ۱۳ مگا وات بوده و در قلب جنگلي در مركز سوئد قرار دارد اما به دليل نوسازي مستمر، نيروگاه بسيار مدرني شده است. در دهه ۸۰ ميلادي ، توربين هاي مدرن قابل كنترل از راه دور در ان نصب شد و در سال ۱۹۹۶، كل سيستم كنترل آن نوسازي گرديد. اين نيروگاه اكنون كاملاً اتوماتيك بوده و از طريق ماهواره كنترل مي شود.

ويژگيهاي ترانسفورماتور خشك
ترانسفورماتور خشك داراي ويژگيهاي منحصر بفردي است از جمله:

۱- به روغن براي خنك شده با به عنوان عايق الكتريكي نياز ندارد.
۲- سازگاري اين نوع ترانسفورماتور با طبيعت و محيط زيست يكي از مهمترين ويژگي هاي آن است. به دليل عدم وجود روغن، خطر آلودگي خاك و منابع آب زير زميني و همچنين احتراق و خطر آتش سورزي كم ميشود.
۳- با حذف روغن و كنترل ميدانهاي الكتريكي كه در نتيجه آن خطر ترانسفور ماتور از نظر ايمني افراد ومحيط زيست كاهش مي يابد، امكانات تازه اي از نظر محل نصب ترانسفورماتور فراهم ميشود.به اين ترتيب امكانات نصب ترانسفورماتور خشك در نقا شهري و جاهايي كه از نظر زيست محيطي

حساس هستند، فراهم ميشود.
۴- در ترانسفورماتور خشك به جاي بوشينگ چيني در قسمتهاي انتهايي از عايق سيسيكن را بر استفاده ميشود. به اين ترتيب خطر ترك خوردن چيني بوشينگ و نشت بخار روغن از بين ميرود.
۵- كاهش مواد قابل اشتعال، نياز به تجهيزات گسترده آتش نشاني كاهش ميدهد. بنابراين از اين دستگاهها در محيط هاي سر پوشيده و نواحي سرپوشيده شهري نيز مي توان استفاده كرد.

۶- با حذف روغن در ترانسفورماتور خشك، نياز به تانك هاي روغن، سنجه سطح روغن، آلارم گاز و ترمومتر روغن كاملاً از بين ميرود.بنابراين كار نصب آسانتر شده و تنها شامل اتصال كابلها و نصب تجهيزات خنك كننده خواهد بود.
۷- از ديگر ويژگي هاي ترانسفورماتور خشك، كاهش تلفات الكتريكي است. يكي از راههاي كاهش تلفات و بهينه كردن طراحي ترانسفورماتور، نزديك كردن ترانسفورماتور به محل مصرف انرژي تا حد ممكن است تا از مزاياي انتقال نيرو به قدر كافي بهره برداري شود. با بكار گيري ترانسفورماتور خشك اين امر امكان پذير است .

۸- اگر در پست، مشكل برق پيش آيد، خطري متوجه عايق ترانسفورماتور نمي شود. زيرا منبع اصلي گرما يعني تلفات در آن توليد نمي شود.بعلاوه چون هوا واسطه خنك شدن است و هوا هم مرتب تعويض و جابجا مي شود، مشكلي از بابت خنك شدن ترانسفورماتور بروز نمي كند.
نخستين تجربه نصب ترانسفررماتور خشك
ترانسفورماتورخشك براي اولين بار در اواخر سال ۱۹۹۹ در Lotte fors سوئد به آساني نصب شده و از آن هنگام تاكنون به خوبي كار كرده است. در آينده اي نزديك دومين واحد ترانسفورماتور خشك ساخت ABB (Dry former ) در يك نيروگاه هيدروالكتريك در سوئد نصب مي شود.

چشم انداز آينده تكنولوژي ترانسفورماتور خشك
شركت ABB در حال توسعه ترانسفورماتور خشك Dryformer است. چند سال اول از آن در مراكز شهري و آن دسته از نواحي كه از نظر محيط زيست حساس هستند، بهره برداري مي شود. تحقيقات فني ديگري نيز در زمينه تپ چنجر خشك، بهبود ترمينال هاي كابل و سيستم هاي خنك كن در حال انجام است. در حال حاضر مهمترين كار ABB، توسعه و سازگار كردن Dryformer با نياز مصرف كنندگان براي كار در شبكه و ايفاي نقش مورد انتظار در پست هاست.
منبع :
۱ – مجله T&D – – آگوست ۱۹۹۹
۲- مجله -PEI – مه ۲۰۰۰
۳- h
يکسو کننده های کنترل شده
يکسو کننده های ديودی تنها قادر به تامين يک ولتاژ خروجی ثابت ميباشند.برای رسيدن به يک ولتاژ قابل تنظيم در خروجی از تريستورهای کنترل فاز به جای ديود استفاده می شود.ولتاژ خروجی یکسو کننده های تريستوری با کنترل زاويه آتش يا تاخير تريستور ها تغيير داده می شود. يک

تريستور با کنترل فاز به وسيله ياعمال يک ژالس کوتاه روی گيت آن روشن و بوسيله ی کموتاسيون طبيعی يا کموتاسيون خط خاموش می شود. در حالتی که بار بشدت سلفی باشد با آتش کردن تريستور ديگر يکسو کننده هنگام سيکل منفی ولتاژورودی تريستور تريستور خاموش می شود.
يکسو کننده های کنترل فاز ساده وارزان هستند و بازده آنها معمولا بالای ۹۵٪ است. از آنجايی که اين يکسو کننده ها ولتاژ متناوب ac را به ولتاژ مستقيم dc آنها را مبدلهای ac به dc می نامند که

بطور وسيعی در کاربرد های صنعتی بخصوص در موتورهای دور متغيير با توان در حد کسری از اسب بخار تا حد مگا وات بکار می روند.
مبدلهای کنترل فاز بسته به منبع ورودی به دو دسته تقسيم می شوند :۱) مبلهای تکغاز ۲) مبدلهای سه فاز
هر دسته را می توان به سه زير دسته :۱) مبدل نيمه ۲) مبدل کامل ۳)مبدل دو تايی تقسيم کرد
مبدل نيمه يک مبدل يک ربعی است که ولتاژ و جريان خروجی آن يک جهت دارند. مبدل کامل يک مبدل دو ربعی است که قطبيت ولتاژ خروجی آن می تواند مثبت يا منفی باشد. گرچه جريان خروجی يک مبدل کامل فقط يک جهت دارد. مبدل دوتايی می تواند در چهار ربع کار کند و هم ولتاژ و هم جريان خروجی آن می تواند مثبت يا منفی باشند.در برخی کاربردها مبدلها بصورت سری متصل می شوند تا قابليت کارکرد در ولتاژهای بالاتر را داشته و نيز ضريب توان ورودی را بهبود ببخشند.

مقدمه:

بطورمعمول در سیستم قدرت بین قدرتهای الکتریکی تولیدی و مصرفی تعادل لحظه ای برقرار است و هیچگونه ذخیره انرژی در آن صورت نمی گیرد در چند دهه ی اخیر سیستم های ذخیره ساز انرژی با انگیزه های متفاوتی به منظور بهبود عملکرد سیستم قدرت، مورد توجه قرار گرفته اند استفاده از

ذخیره سارهای انرژی با ظرفیت بالا به منظور تراز ساری منحنی مصرف و افزایش ضریب بار، از اولین کاربردهای ذخیره انرژی در سیستم قدرت در جهت بهره برداری اقتصادی می باشد. ذخیره ساز انرژی را می توان در بهبود عملکرد دینامیکی سیستم نیز بکار برد.
از اوایل دههً هفتاد مفهوم ذخیره سازی انرژی الکتریکی به شکل مغناطیسی مورد توجه قرار گرفت. با ظهور تکنولژی ابر رسانایی، کاربردهای گوناگونی برای این پدیده فیزیکی مطرح شد. از معروف ترین این کاربردها می توان به SMES اشاره کرد. در SMES انرژی در یک سیم پیج با اندوکتاس بزرگ که

از ابر رسانا ساخته شده است، ذخیره می شود. ویژگی ابر رسانا یی سیم پیچ موجب می شود که راندمان رفت و برگشت فرایند ذخیره انرژی بالا و در حدود ۹۵% باشد
بطور خلاصه مهم ترین قابلیت SMESجدا سازی و استقلال تولید از مصرف است که این امر مزایای متعددی از قبیل بهره برداری اقتصادی، بهبود عملکرد دینامیکی و کاهش آلودگی را به دنبال دارد.

ابر رسانايي :
برخي از فلزها ، آلياژها يا تركيبهاي فلزها هستند كه در دماهاي پايين نزديك به صفر مطلق ،مقاوت الكتريكي و نفوذپذيري مغناطيسي خود را از دست ميدهند و رسانايي الكتريكي آنها بينهايت زياد ميشود ، محدوده دمايي به ماهيت ماده بستگي دارده ، كه از حدود ۰٫۵ تا ۱۸ درجه كلوين است ، خاصيت ابر رسانايي در فلزات قليايي، فلزهاي نجيب و مواد فرو مغناطيس مشاهد نشده است ، بلكه به طور عمده در عنصرهايي كه اتم آنها ۳، ۵ يا ۷ الكترون در لايه ظرفيت خود دارد و مقاومت الكتريكي آنها در دماي معمولي زياد است

SMES اولین سیستم

 

اولین نظرییه ها در مورد این سیستم توسط فرریهFerrier در سال ۱۹۶۹ مطرح شد او سیم پچی بزرگ مارپیچی که توانایی ذخیره انرژی روزانه کل فرانسه داشت پیشنهاد کرد. که به خاطر هزینه ساخت بسیار زیاد آن کسی پیگیری نکرد.
در سال ۱۹۷۱ تحقیقات در آمریکا در دانشگاه ویسکانسین برای فهمیدن بحثهای بنیادی اثر متقابل مابین انرژی ذخیره شده و سیستم های چند فازه منجربه ساخت اولین دستگاه شد.
هیتاچی در سال ۱۹۸۶ یک دستگاه SMES به میزان ۵MJ را ساخت وآزمایش کرد.در سال ۱۹۹۸ یک SMES 100KWH توسط ISTEC در ژاپن ساخته شد.

SMES انرژی الکتریکی را در میدان مغناطیسی ناشی از جریانDC جاری در سیم پیچ ذخیر می شود. اگر سیم پیچ از موادی مثل مس باشد انرژی مغناطیسی زیادی در سیم به خاطر مقاومت بیهوده تلف می شود ؛ اگر سیم از جنس ابر رسانا باشد انرژی در حالت (( پایا)) وتا زمانی که لازم است ذخیره شود. ابررساناها در مقابل جریان DC مقاومت ندارند و به همین دلیل در دمای پایین تلفات اهمی ا محو میکنند در کابرد AC جریان الکتریکی هنوز تلفات دارد اما این تلفات میتواند با طراحی مناسب کاهش پیدا کند. برای هر دوحالت کاری AC DC انرژی زیادی ذخیره میشود.
بهینه ترین دما برای دستگاهها ۷۷-۵۰ کلوین است

انرژی ذخیره شده در سیم پیچ برابر است با :

حجم چگالی انرژی :

 

تغییر اندازه سیم پیچی ها وابسته است به میزان انرژی ذخیره شده در آن. ابررسانای مناسب برای این کاربرد niobium-titanium آلیاژ است.که باید در دمای هلیوم مایع نگهداری شود. ابررساناهای با دمای بالا در دمای نیتروژن مایع یا بالاتر عمل میکنند ؛ آنها تکنولوژی پیشرفته نداشته و برای کارهای با ابعاد بزرگ طراحی می شوند
بانک خازنی ( قسمت اول )
انواع توان در شبکه های توزیع
می دانیم در شبکه های جریان متناوب توان ظاهری که از مولدها دریافت می شود به دو بخش توان مفید و غیر مفید تقسیم می شود . نحوه این تقسیم به شرایط مدار بستگی دارد به این معنی که هر قدر ضریب توان (CosΦ) به يك نزدیکتر باشد سهم توان مفید بیشتر است . این اتفاق در مدارتی رخ می دهد که مصارف اهمی آن بیشتر است .مانند سیستمهای روشنایی یا تولید گرم

ا توسط انرژی برق . اما می دانیم که سهم عمده مصارف شبکه ها را مصرف کننده های (اهمی – سلفی ) دریافت می کنند . مانند الکتروموتورها – ترانسفورماتورهای توزیع – چوکها و …. که درآنها سیم پیچ یا سلف نقش اصلی را ایفا می کند . در سیمپیچها به علت خاصیت ذخیره سازی انرژی الکتریکی بصورت میدان مغناطیسی توان همواره بین شبکه و سلف رد و بدل می شود . سلف در یک چهارم زمان تناوب توان دریافت می کند و در یک چهارم بعدی زمان ، توان را به شبکه پس می دهد . درست است که نتیجه ریاضی این عمل یعنی عدم مصرف انرژی زیرا توان داده شده به سلف با توان دریافت شده از ان برابر است اما در عمل این اتفاق رخ نمی دهد زیرا توان پس داده شده

به شبکه امکان استفاده را برای مولد ایجاد نمی کند و این توان در هر حالتی از مولد دریافت شده است . و برای رسیدن به مصرف کننده اهمی – سلفی از شبکه توزیع شامل : سیمها – کابلها و … عبور کرده است .

نتیجه اینکه سلف توانی را از مولد دریافت می کند اما این توان را به شبکه پس می دهد . این توان قابل استفاده نیست و در مسیر عبور تلف می شود . پس مقدار از توان تلف می شود . مصرف کننده های فوق برای انجام اینکار به توان مذکور نیاز دارند اما این توان برای شبکه مضر است و زیانهای زیر را در پی دارد :

– اضافه شدن جریان مولد و درنتیجه نیاز به مولدهایی با توانهای بیشتر
– چون جریان شبکه زیاد می شود به سیمها و کابلهایی با سطح مقطع بالاتر برای کاهش افت ولتاژ نیاز است که این موضوع هزینه اولیه شبکه را افزایش می دهد .
– اتلاف توان در شبکه های توزیع بصورت حرارت روی می دهد در نتیجه هر کاری کنید نمی توانید از این اتلاف جلوگیری کنید . نتیجه این اتلاف توان ،کاهش ولتاژ مصرف کننده می باشد که این موضع راندمان مصرف کننده را پایین می آورد .

– نمی توان این توان را به مصرف کننده های اهمی سلفی تحویل نداد زیرا کار آنها مختل می شود .

خازن ناجی شبکه های تولید و توزیع
توان هم در خازنها بصورت توان غیر مفید است درست مانند سلفها در یک چهارم پریود موج متناوب ،توان دریافت می کنند و در یک چهارم بعدی توان را تحویل می دهند پس خازنها هم مانند سلفها باعث افرایش توان راکیتو ( غیر مفید ) شبکه می شوند اما اتفاق بامزه زمانی روی می دهد که خازن و سلف با هم در شبکه قرار گیرند .
این دو برعکس هم عمل می کنند . یعنی زمانی که سلف توان می گیرد خازن توان می دهد و زمانی که سلف توان می دهد خازن توان می گیرد . پس توانهای غیر مفید این دو فقط یکبار از شبکه دریافت می شود و در زمانهای بعد بین آنها تبادل می شود بدون اینکه مولد این توان را تحمل کند . پس مصرف کننده های اهمی سلفی توان راکتیو خود را دریافت می کنند و مولد و شبکه

توزیع آنرا تولید و پخش نمی کنند زیرا این کار را خازن انجام می دهد . این خازنها از حالا به بعد ، خازنهای اصلاح ضریب توان نام می گیرند و وظیفه آنها تامین توان راکتیو مورد نیاز مصرف کننده های اهمی سلفی است .

اتصال خازن به شبکه
خازنهای اصلاح ضریب توان باید در شبکه بصورت موازی قرار گیرند . برای اینکار در شبکه های تکفاز باید به فاز و نول وصل شوند و در شبکه های سه فاز پس از اتصال بصورت ستاره یا مثلث آنگاه به سه فاز متصل می شوند . مانند نقشه زیر :
http://f7.yahoofs.com/users/4456488ezb5f4a273/2410scd/__sr_/b751scd.jpg?phA2qgFBUSfLnIJQ

 

http://f7.yahoofs.com/users/4456488ezb5f4a273/2410scd/__sr_/4c16scd.jpg?phA2qgFBsRpE589O

این خازنها باید از انواعی انتخاب شوند که بتوانند دایمی در مدار قرار گیرند پس باید بتوانند ولتاژ شبکه را تحمل کنند در محاسبه خازن از انواعی استفاده می شود که ولتاژ مجاز آنها ۱۵% بیشتر از ولتاژ شبکه باشد .

محاسبه خازن
نقش خازن در شبکه کاهش توان راکتیو مصرف کنند های اهمی – سلفی از دید مولدها است . با این اتفاق ضریب توان مفید به یک نزدیک می شود . پس با کنترل ضریب توان امکان کنترل توان راکتیو وجود دارد . این کار بکمک یک کسینوس فی متر صورت می گیرد . یعنی بکمک کسینوس فی متر می توان دریافت که ضریب توان و در نتیجه توان راکتیو در چه وضعیتی قرار دارد .

 

دامنه تغییرات ضریب توان (CosΦ) :
نمودار زیر دامنه تغییرات ضریب توان را نشان می دهد .

http://f7.yahoofs.com/users/4456488ezb5f4a273/2410scd/__sr_/9331scd.jpg?phA2qgFBx_CvxMEa

خازن مذکور باید برابر نیاز شبکه باشد در غیر اینصورت خود توان راکتیو از مولد دریافت می کند و همچنین سبب افزایش ولتاژ آن می شود . پس باید خازن مطابق نیاز شبکه محاسبه شود .

پرسش : شبکه به چه مقدار خازن نیاز دارد ؟
پاسخ : مقداری که ضریب توان را به یک نزدیک کند . این مقدار خازن خود توان راکتیوی ایجاد می کند که توان راکتیو مصرف کننده اهمی – سلفی را جبران می کند . پس مقدار خازن به مقدار توان راکتیو مدار بستگی دارد . هر قدر این توان قبل از خازن گذاری بیشتر باشد ، اندازه خازن نیز بزرگتر خواهد بود .