ژنراتور الکتریکی

مقدمه
قبل از اینکه ارتباط بین مغناطیس و الکتریسته کشف شود، ژنراتورها از اصول الکتروستاتیک بهره می‌بردند. ماشین ویمشارت از القای الکتروستاتیک یا تأثیر کردن استفاده می‌کرد. ژنراتور واندوگراف از اثر تریبوالکتریک برق مالشی برای جدا سازی بارهای الکتریکی با استفاده از اصطکاک بین عایقها استفاده می‌کرد. ژنراتورهای الکتروستاتیک کارآمد نیستند و تنها برای آزمایشات علمی که نیازمند ولتاژهای بالا است، مناسب هستند.

 

فارادی

در سال ۱۸۳۱–۱۸۳۲م مایکل فارادی کشف کرد که بین دو سر یک هادی الکتریکی که بصورت عمود بر یک میدان مغناطیسی حرکت می‌کند، اختلاف پتانسیلی ایجاد می‌شود. او اولین ژنراتور الکترومغناطیسی را بر اساس این اثر ساخت که از یک صفحه مسی دوار بین قطبهای یک آهنربای نعل اسبی تشکیل شده بود. این وسیله یک جریان مستقیم کوچک را تولید می کرد.

دینامو
دینامو اولین ژنراتور الکتریکی قادر به تولید برق برای صنعت بود و کماکان مهمترین ژنراتور مورد استفاده در قرن بیست و یکم است. دینامو از اصول الکترومغناطیس برای تبدیل چرخش مکانیکی به یک جریان الکتریکی متناوب ، استفاده می‌کند. اولین دینامو بر اساس اصول فارادی در سال ۱۸۳۲ توسط هیپولیت پیکسی که یک سازنده تجهیزات بود، ساخته شد. این وسیله دارای یک آهنربای دائم بود که توسط یک هندل گردانده می‌شد. آهنربای چرخنده بگونه‌ای قرار داده می‌شد که یک تکه آهن که با سیم پوشانده شده بود، از قطبهای شمال و جنوب آن عبور می‌کرد. پیکسی کشف کرد که آهنربای چرخنده ، هر بار که یک قطبش از سیم پیچ عبور می‌کند، تولید یک پالس جریان در سیم می‌کند. به علاوه قطبهای شمال و جنوب آهنربا جریانها را در جهتهای مختلف القا می‌کنند. پیکسی توانست با اضافه کردن یک کموتاتور جریان متناوب تولیدی به این روش را به جریان مستقیم تبدیل کند.
دیناموی گرام
به هر حال هر دوی این طرحها دارای مشکل یکسانی بودند: آنها پرشهای جریانی القا می‌کردند که از هیچ چیز پیروی نمی‌کرد. یک دانشمند ایتالیایی به نام آنتونیو پاسینوتی این مسأله را با

جایگزینی سیم پیچ چرخنده توسط یک سیم پیچ حلقه‌ای که او با سیم پیچی یک حلقه آهنی درست کرده بود، حل کرد. این بدان معنی بود که آهنربا همواره از بخشی سیم پیچ عبور می‌کرد که این مسأله موجب یکنواختی جریان خروجی می‌شد. زنوب گرام چند سال بعد در حین طراحی اولین نیروگاه تجاری در پاریس در دهه ۱۸۷۰م ، این طرح را دوباره ابداع کرد. طراحی وی با نام دینامی گرام معروف است. نسخه‌های مختلف و تغییرات زیادی از آن هنگام تا کنون در این طراحی بوجود آمده است، اما ایده اصلی چرخش یک حلقه بی پایان از سیم ، کماکان قلب تمامی دیناموهای پیشرفته باقی ماند.

مفاهیم
دانستن این مطلب مهم است که ژنراتور تولید جریان الکتریکی می‌کنند و نه بار الکتریکی که در سیمهای سیم پیچی‌اش وجود دارد. این تا حدودی شبیه یک پمپ آب است که ایجاد یک جریان آب می‌کند اما خود آب را ایجاد نمی‌کند. ژنراتورهای الکتریکی دیگری هم وجود دارند، اما بر اساس دیگر پدیده‌های الکتریکی نظیر: پیزو الکتریسته و هیدرو دینامیک مغناطیسی ، ساختار یک دینامو شبیه یک موتور الکتریکی است و تمام انواع عمومی دیناموها می‌توانند مانند موتورها کار کنند. همچنین تمامی انواع عمومی موتورهای الکتریکی می‌توانند مانند یک ژنراتور کار کنند.

ژنراتور اشعه ایکس
یک مولد یا ژنراتور اشعه ایکس وسیله‌ای است که انرژی الکتریکی را جهت لامپ اشعه ایکس فراهم می‌نماید. در واقع این وسیله انرژی مکانیکی را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌نماید. این ژنراتور با یک منبع انرژی الکتریکی شروع می‌شود و سپس این انرژی را به نحوی تغییر می‌دهد تا نیاز لامپ اشعه ایکس را مرتفع سازد. لامپ به دو منظور به انرژی الکتریکی نیازمند است. ابتدا برای ملتهب نمودن فیلمان (کاتد) و تابش الکترون از آن ، سپس شتاب دادن به این الکترونها از کاتد به سمت آند. ژنراتور اشعه ایکس برای هر کدام از این اعمال دارای یک مدار خاص می‌باشد که به ترتیب مدار فیلمان و مدار ولتاژ قوی نامیده می‌شوند.

 

قسمتهای مختلف ژنراتور اشعه ایکس
صفحه کنترل ژنراتور
صفحه کنترل شامل یک کلید اصلی جهت روشن نمودن دستگاه ، دو عدد وسیله اندازه گیری که میزان حقیقی MA وKVP را در خلال تولید اشعه ایکس اندازه گیری می‌نماید، است.
مجموعه مبدل

دومین جز ژنراتور اشعه ایکس یعنی مجموعه مبدلها یک جعبه فلزی با اتصال زمین پر شده از روغن است. این جعبه شامل یک مبدل کاهنده برای مدار فیلمان و یک مبدل افزاینده برای مدار ولتاژ قوی می‌باشد. بنابراین یک مبدل وسیله‌ای است که ولتاژ را در یک مدار افزایش یا کاهش می‌دهد. این قسمت شامل دو سیم پیچ می‌باشد که به دو طرف یک حلقه آهنی پیچیده شده است. هنگامیکه جریان از میان سیم پیچ اول عبور می‌نماید، یک میدان مغناطیسی در یک حلقه آهنی ایجاد شده و موجب القای یک جریان در سیم پیچ ثانویه می‌گردد. اما این نکته مهم است که یک جریان فقط هنگامی در مدار ثانویه عبور می‌نماید که میدان مغناطیسی افزایش و کاهش یاب

د.
هنگامیکه میدان مغناطیسی در حالت پایدار است، هیچ جریانی از مدار عبور نخواهد کرد. به این علت استفاده از یک جریان ثابت مستقیم (مانند جریان یک باتری) در سیم پیچ اولیه قادر به ایجاد یک جریان مداوم در سیم پیچ ثانویه نمی‌باشد. بکار گیری جریان متناوب در مبدلها به علت آن است که این نوع جریان بوسیله یک اختلاف پتانسیل تولید شده و بطور مداوم اندازه و به صورت متناوب جهت آن تغییر می‌نماید. یعنی مهمترین مشخصه جریان متناوب تغییر پیوسته ولتاژ آن می‌باشد که بدین ترتیب یک میدان مغناطیسی که دائما در حال تغییر است، ایجاد می‌نماید.

 

لامپ اشعه ایکس

انواع مبدل
یک مبدل با تعداد دور‌های بیشتر در سیم پیچ ثانویه نسبت به سیم پیچ اولیه موجب افزایش ولتاژ می‌گردد که بدین ترتیب آن را یک مبدل افزاینده می‌نامند. یک مبدل با دوره‌های کمتر در سیم پیچ ثانویه موجب پایین آوردن ولتاژ شده و به نام مبدل کاهنده نامیده می‌شود.
اتو ترانسفورماتور و وظایف آن
ولتاژ تحویلی به اتاق رادیوگرافی از طریق یک اتو ترانسفورماتور به ژنراتور اشعه ایکس متصل می‌گردد. اتو ترانسفورماتور دارای چندین وظیفه است که به شرح زیر می‌باشد.
۱٫ فراهم آوردن ولتاژ لازم برای مدار فیلمان.
۲٫ فراهم آوردن ولتاژ لازم برای مدار اولیه مبدل ولتاژ قوی.
۳٫ فراهم آوردن یک محل مناسب برای قرار دادن وسیله نمایش KVP که نشانگر ولتاژ اعمال شده به دو سر لامپ است.
یک اتو ترانسفورماتور شامل یک سیم پیچ منفرد بر روی یک هسته آهنی لایه لایه بوده و بر اساس اصل خود القایی کار می‌کند. اعمال یک جریان متناوب ، یک میدان مغناطیسی در اطراف هسته القا خواهد نمود. که این میدان با تمام دورهایی که سیم پیچ را تشکیل می‌دهد، در ارتباط است و با انتخاب نقطه اتصال مناسب می‌توان تعداد دورهای لازم برای فراهم کردن ولتاژ مورد نیاز سایر اجزای ژنراتور اشعه ایکس را فراهم آورد. اتو ترانسفورماتور در یک محدوده بسیار کوچک می‌تواند عمل یک مبدل افزاینده یا کاهنده را انجام دهد.
ژنراتور آبی

 

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 كانال

ها 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
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.

در شكل زير نيز مي توانيد نحوه گردش هواي تهويه را در يك ژنراتوربا استفاده از كانالهاي 

 

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.