ژنراتورهاي القايي يا آسنكرون
http://honarjo.com/uploads/smartsect...s/item/gen.jpg
يكي از حالتهاي عملكردي ماشينهاي الكتريكي القايي (آسنكرون)، حالت ژنراتوري است، بدين معني كه در شرايط خاص كاري، ميتواند انرژي مكانيكي دريافتي را به انژري الكتريكي تبديل كند. از اين پديده در برخي از نيروگاههاي آبي كوچك در نقاط مختلف دنيا استفاده شده است. با توجه به اينكه در كشور ما نيز جايگاههاي فراوان جهت احداث نيروگاههاي آبي كوچك وجود دارد و فعاليتهايي نيز در زمينه شناسايي، طراحي و اجراي آنها در جريان است، ضروري است مسائل فني و اقتصادي استفاده از اين ژنراتورها مورد بررسي قرار گيرد.
در اين مقاله كه عمدتاً از يكي از گزارشات فني يكي از سازندگان اقتباس شده است، ژنراتور القايي به صورت فشرده توضيح داده شده است.
ژنراتور القايي، يك موتور القايي از نوع روتور قفس سنجابي است كه با يك محرك اوليه در مافوق سرعت سنكرون گردانده و براي توليد نيروي برق استفاده ميشود و ساختار و مشخصههاي آن عيناً مثل روتور القايي است.
ساختارهاي روتور و ياتاقانهاي آن براي تحمل سرعت فرار توربين طراحي شده است.
مشخصههاي الكتريكي
وقتي يك موتور القايي با ولتاژ نامي و در حالت بيباري مورد بهرهبرداري قرار ميگيرد، با سرعتي ميچرخد كه فقط براي توليد گشتاور لازم براي غلبه بر افت ناشي از اصطكاك و افت ناشي از مقاومت هوا كافي باشد. اگر يك نيروي مكانيكي خارجي برابر با اين افتها به موتور القايي در همان جهت چرخش اعمال شود،روتور آن به سرعت سنكرون خواهد رسيد.
هنگامي كه روتور در سرعت سنكرون ميچرخد، روتور با همان سرعت ميدان مغناطيسي ناشي از ولتاژ تغذيه ميچرخد وولتاژ ثانويهاي القاء نميشود زيرا فلوي مغناطيسي هيچيك از هاديهاي ثانويه را قطع نميكند و هيچ جرياني از سيمپيچهاي روتور نميگذرد و فقط جريان تحريك در سيمپيچهاي اوليه جريان مييابد.
در صورتي كه روتور بواسطه يك نيروي خارجي در سرعتي بالاتر از سرعت سنكرون خود، چرخش كند، جهت ولتاژ القايي ثانويه خلاف موقعي خواهد بود كه بعنوان موتور القايي چرخش ميكرد، زيرا سرعت چرخش هادي روتور فراتر از سرعت چرخش ميدان مغناطيسي ميشود و گشتاوري كه چرخش روتور را كند ميكند بين جريان ثانويه ناشي از اين ولتاژ القايي و ميدان مغناطيسي ايجاد شده و واحد مثل يك ژنراتور كار ميكند. يعني، توان مكانيكي خارجي اعمال شده به توان الكتريكي تبديل ميشود كه در سيمپيچهاي اوليه توليد شدهاند.
همانطوري كه قبلاً توضيح داده شده، ژنراتور القايي يك موتور القايي است كه مافوق سرعت سنكرون كار ميكند، مزايا و معايب آن در مقايسه با ژنراتور سنكرون بشرح زير است:
مزاياي ژنراتور القايي
1- چون به سيستم تحريك احتياج ندارد و ساختمان آن ساده است در نتيجه تعمير و نگهداري آن آسان است.
2- راهاندازي و بهرهبرداري از آن آسان است، زيرا نيازي به سنكرونيزاسيون يا تنظيم تحريك ندارد.
3- جريان اتصال كوتاه آن كم است و زمان كاهش آن در مقايسه با ماشينهاي سنكرون كوتاهتر است، زيرا در هنگام اتصال كوتاه، تحريك قطع ميشود و جريان اتصال كوتاه فقط در يك مدت فوقالعاده كوتاه جريان مييابد تا اينكه فلوي مغناطيسي ناپديد شود.
4- چون هميشه بطور موازي با ژنراتور سنكرون كار ميكند و هرگز مستقلاً مورد بهرهبرداري قرار نميگيرد، به ژنراتور سرعت نيازي ندارد.
5- وقتي بار پس زده ميشود، جريان تحريك قطع ميشود و ولتاژ ناپديد ميشود و لذا هيچگونه صدمه و خسارتي به بخشهاي عايقي دستگاه از جانب ولتاژ اضافي صرفنظر از ميزان افزايش سرعت رخ نميدهد.
6- وقتي ولتاژ سيستم افت ميكند، جريان تحريك خودبهخود كاهش مييابد.
7- جون گاورنر سرعت مورد استفاده قرار نميگيرد، لذا تا حدي كه سرعت آن از سرعت مجاز توربين هيدروليكي بيشتر نشود به توليد انرژي ادامه ميدهد.
8- در مواقعي كه سيستم دچار اختلال ميشود، اين دستگاه ميتواند به صورت پايدار و بدون قطع شدن به كار خود ادامه دهد.
معايب ژنراتور القايي
1- فقط وقتي مثل يك ژنراتور كار ميكند كه با ماشين سنكرون موازي شده باشد و نميتواند مستقلاً توليد برق كند.
2- چون جريان اوليه ژنراتور در ارتباط با ولتاژ خروجي در پيشفاز است. (يعني با ضريب قدرت پيش فاز ژنراتور سنكرون مطابقت ميكند)
3- ضريب قدرت جريان بار بوسيله ضريب قدرت بار تعيين نميشود، بلكه بوسيله ضريب قدرت ذاتي خود ژنراتور تعيين ميشود.
اين بدان معني است كه ضريب قدرت بوسيله ظرفيت تعيين ميشود و قابل كنترل نيست. ژنراتور سنكروني كه بطور موازي به ژنراتور القايي متصل شده است. بايد علاوه بر جريان تاخير فاز مورد نياز بار جريان تحريك مورد نياز ژنراتور القايي را هم تامين كند.
بنابراين، ضريب قدرت ژنراتور سنكرون بدتر شده و ظرفيت قابل حصول آن نيز كاهش مييابد. اين امر همچنين باعث افزايش تلفات در خطوط انتقال ميشود.
براي جبران اين تلفات لازم است از كندانسورها استفاده شود.
4- در بهرهبرداري موازي، جريان هجومي بالايي جريان مييابد و ولتاژ سيستم راتحت تاثير قرار ميدهد.
5- به طور كلي، ماشينهاي القايي با سرعتهاي پايين و قطبهاي زياد، نسبت به ماشينهاي سنكرون از لحاظ ضريب قدرت و ابعاد ماشين نامرغوبتر هستند.
ملاحظات:
ظرفيت كندانسور تصحيحكننده قدرت از معادله زير تعيين ميشود:
COSØ: ضريب قدرت ژنراتور القايي
COSØ: مقدار تصحيح شده ضريب قدرت به منظور جلوگيري از خود تحريكي ژنراتور القايي، نبايد ظرفيت كندانسور بسيار زياد باشد. معمولاً COSØ برابر 95/0 انتخاب ميشود.
پديده ناپايداري ژنراتورهاي القايي
جريان هجومي در بهرهبرداري موازي
جريان اتصال ژنراتورهاي القايي به شبكه، با باز كردن پرههاي هادي توربين، سرعت ژنراتور بتدريج افزايش داده ميشود و پس از آنكه رله سرعت نشان داد كه لغزش ژنراتور از مقدار معيني كمتر شده است، ژنراتور به شبكه متصل خواهد شد.
جريان هجومي در لغزشهاي كوچك نيز وجود دارد، حتي اگر ژنراتور درهنگام اتصال به شبكه كاملاً سنكرون شده باشد.
اين جريان از نظر تئوري دو برابر جريان حالت روتور قفل شده است. به هر حال اين جريان گذرا در يك زمان خيلي كوتاه و حداكثر پس از 10 سيكل از بين ميرود.
اتصال كوتاه سهفاز ناگهاني
وقتي اتصال كوتاهي در ژنراتور القايي حين بهره برداري بروز ميكند، جريانهاي تحريك بسيار منابع از بين ميروند. بهرحال، فلوي مغناطيسي هسته آهني آن به نقطه صفر كاهش نمييابد. بنابراين يك جريان اتصال كوتاه در مدت فوقالعاده كوتاه جريان مييابد تا اينكه به نقطه صفر برسد.
حداكثر مقدار اين جريان حدوداً برابر با مقدار جريان هجومي است.
اين جريان معمولاً چند با حداكثر 10 سيكل و به مقدار بسيار ناچيزي كاهش مييابد، لذا سبب بروز جريان اتصال كوتاه پايدار و بادوام نميشود.
اتصال كوتاه تكفاز
وقتي اتصال كوتاه بين دو خط بروز ميكند، حداكثر جريان اتصال كوتاه حدوداً 3√ برابر جريان روتور قفل شده خواهد بود.
پديده خود تحريكي
خود تحريكي هنگامي بروز ميكند كه ژنراتور و كندانسورها با هم از سيستم قطع شوند كه در نتيجه عايق ژنراتور يا كندانسورها ممكن است با افزايش ولتاژ آسيب ببيند.
خودتحريكي در حالتي بوجود ميآيد كه ژنراتور توسط جريان پيشفازي كه به كندانسور (خازن) تحويل ميدهد تحريك شود.
مقدار اين ولتاژ با استفاده از منحني اشباع بيباري ژنراتور و مشخصههاي ولتاژ و جريان كندانسور تعيين ميشود.
در ناحيه ولتاژهاي زير نقطه «Ve» ولتاژ ژنراتور تمايل به افزايش دارد زيرا جريان تحريك تامين شده زير «Ve» در مقايسه با جريان تحريك مورد نياز بيشتر است. در ناحيه ولتاژهاي بالا نقطه «Ve» ولتاژ ژنراتور به دليل رابطه معكوس كاهش پيدا ميكند. بنابراين، در اين مثال ولتاژ خود تحريكي نقطه «Ve» خواهد بود كه دو منحني همديگر را قطع كردهاند.
اگر ظرفيت كندانسور كم باشد، شيب خط مشخصه ولتاژ جريان افزازيش خواهد يافت و «Ve» به تدريج پايين ميافتد و وقتي از نقطهاي مشخص پايينتر بيايد، با منحني اشباع در حالت بيباري ژنراتور تقاطع نخواهد كرد وپديده خودتحريكي به وجود نخواهد آمد.
افزايش سرعت در ژنراتور القايي نياز به توجه ويژه دارد. با افزايش سرعت، منحني اشباع در حالت بيباري و ولتاژ كندانسور و منحني مشخصههاي جريان به سمت منحنيهاي ديگري انتقال مييابد.
تحت اين شرايط، ولتاژهاي خودتحريكي قوي ممكن است بوجود آيند.
سيستم بهرهبرداري و كنترل
همانطوري كه قبلاً توضيح داده شده، سنكرونيزاسيون براي بهره برداري از ژنراتورهاي القايي در حالت موازي الزامي نيست، همچنين گاورنر سرعت توربين را ميتوان حذف كرد، زيرا اين ژنراتورها هيچگاه مستقلاً مورد بهرهبرداري قرار نميگيرند.
راهاندازي
وقتي شرايط راهاندازي توربين هيدروليك (آبي) فراهم باشد، فرمان راهاندازي صادر ميشود و پرههاي هادي بتدريج باز ميشوند و توربين هيدروليكي شروع به چرخش ميكند.
پرههاي هادي موقتاً در وضعيت مربوط به راهاندازي متوقف ميشوند. سپس، توربين هيدروليكي به تدريج شتاب ميگيرد و در آغاز از سرعت سنكرون پيشي گرفته و سپس به آن برميگردد.
بهرهبرداري موازي
چنانچه تنظيم مقدار بازشدگي دريچههاي متناظر با حالت بيباري قبلاً به دست آمده باشد، در فاصله زمانياي كه سرعت توربين در هنگام راهاندازي از سرعت سنكرون بيشتر ميشود و مجدداً به سرعت سنكرون برميگردد، تفاضل حداكثر سرعت توربين و سرعت سنكرون به كمترين مقدار كاهش داده خواهد شد. موازي كردن ژنراتور، در فاصله زماني فوقالذكر بايد انجام شود. هنگاميكه رله سرعت، لغزش ژنراتور را كمتر از 3 درصد تشخيص داد بريگر مربوط به موازي كردن، فرمان وصل دريافت خواهد كرد.
به عنوان نمونه، مشخصات اصلي تعدادي از نيروگاههاي آبي كه در كشور اتريش در برخي از استانهاي آن احداث شده است و در آنها از ژنراتور آسنكرون استفاده شده است. ذيلاً ليست شده است.
اين جزوه مربوط به شركت الين است.
بارگذاري
پس از كامل شدن عمليات راهاندازي، ميزان بار واحد توسط گاورنر تراز آب كنترل خواهد شد. دريچههاي هادي، متناسب با سطح آب مخزن بالادست گشوده خواهند شد و ژنراتور القايي بار لازم را با افزايش لغزش توليد خواهد كرد.
توقف آهسته
پرههاي هادي را به طرف موقعيت بازشدگي مربوط به حالت بيباري بتدريج ببنديد و دژنكتور موازي را نزديك وضعيت لغزش صفر باز كنيد. پس از اينكه پرههاي هادي كاملاً بسته شد و بعد از آنكه سرعت ژنراتور به زير 30 درصد كاهش يافت، ترمز مكانيكي اعمال شده و سرعت را به صفر ميرساند.
از كار افتادن (SHUT DOWN)
اگر در حين كار ژنراتور القايي بطور ناگهاني قطع بار روي دهد، چنانچه باز شدگي پرههاي هادي بدون تغيير بماند، بديهي است كه سرعت توربين افزايش خواهد يافت.
معمولاً توربينها به گاورنرهايي مجهز هستند كه اضافه سرعت را حس كرده و فوراً اقدام به بستن پرههاي هادي ميكند.
بهرحال توربينهاي ژنراتورهاي القايي به اينگونه گاورنرها مجهز نيستند.
پرههاي هادي بايد سريعاً با استفاده از سيگنال كنتاكت كمكي دژنكتور و يا عملكرد رله اضافه سرعت بسته شوند.
بهرحال توربينهاي ژنراتورهاي القايي به اينگونه گاورنرهاي مجهز نيستند.
پرههاي هادي بايد سريعاً با استفاده از سيگنال كنتاكت كمكي دژنكتور و يا عملكرد رله اضافه سرعت بسته شوند.
لذا چنانچه دژنكتور نيروگاه دچار «تريپ» شود مشكلي بوجود نخواهد آمد و از كنتاكت كمكي آن ميتوان استفاده كرد. هنگامي كه دژنكتور انتهاي خط ارتباطي قطع شود، پرههاي هادي پس از آنكه رله اضافه سرعت عمل كرد، بسته خواهند شد.
به هر حال رله اضافه سرعت به نحوي تنظيم شده است كه در سرعتهاي 105 درصد تا 110 درصد سرعت نامي عمل ميكند. بدليل اينكه مدتي طول ميكشد تا اينكه پرههاي هادي شروع به تغيير وضعيت بدهند، افزايش سرعت اجتنابناپذير است.
در ژنراتورهاي القايي، قطع بار به معني فرو نشستن ولتاژ تحريك در چند سيكل است. اين پديده از بروز صدمات به عايق در اثر ولتاژ اضافي جلوگيري ميكند. بعلاوه، هيچ افزايش در فركانس، با توجه به فرونشستن سريع ولتاژ، بوجود نخواهد آمد و بنابراين جاي هيچ نگراني از سرعتهاي اضافي در موتورهاي كمكي كه به شبكه داخلي نيروگاه متصل هستند وجود نخواهد داشت.
