سير تكاملي ژنراتورهاي سنكرون
ماشينهاي الكتريكي :
مقاله: سير تكاملي ژنراتورهاي سنكرون
(از ابتدا تا پايان دهه 1980)
هدف از انجام اين تحقيق بررسي سير تحقيقات انجام شده با موضوع طراحي ژنراتور سنكرون است. به اين منظور، بررسي مقالات منتشر شده IEEE كه با اين موضوع مرتبط بودند، در دستور كار قرار گرفت. به عنوان اولين قدم كليه مقالات مرتبط در دهه‌هاي مختلف جستجو و بر مبناي آنها يك تقسيم‌بندي موضوعي انجام شد. سپس سعي شد بدون پرداختن به جزييات، سيرتحولات استخراج شود. رويكرد كلي اين بوده است كه تحولات داراي كاربرد صنعتي بررسي شود.
با توجه به گستردگي موضوع و حجم مطالب، اين گزارش در دو بخش ارايه شده است. در بخش اول ابتدا پيشرفتهاي اوليه ژنراتورهاي سنكرون از آغاز تا دهه 1970 بررسي شده است و در ادامه تحولات دهه‌هاي 1970 و 1980 به تفصيل مورد توجه قرار گرفته‌اند. در پايان هر دهه يك جمعبندي از كل فعاليتهاي صورت گرفته ارايه و سعي شده است ارتباط منطقي پيشرفتهاي هر دهه با دهه‌هاي قبل و بعد بيان شود.
ماشين سنكرون همواره يكي از مهمترين عناصر شبكه قدرت بوده و نقش كليدي در توليد انرژي الكتريكي و كاربردهاي خاص ديگر ايفاء كرده است.
ساخت اولين نمونه ژنراتور سنكرون به انتهاي قرن 19 برمي‌گردد. مهمترين پيشرفت انجام شده در آن سالها احداث اولين خط بلند انتقال سه فاز از لافن به فرانكفورت آلمان بود. دركانون اين تحول؛ يك هيدروژنراتور سه فاز 210 كيلووات قرار گرفته بود.
عليرغم مشكلات موجود در جهت افزايش ظرفيت وسطح ولتاژ ژنراتورها، در طول سالهاي بعد تلاشهاي گسترده‌اي براي نيل به اين مقصود صورت گرفت.
مهمترين محدوديتها در جهت افزايش ظرفيت، ضعف عملكرد سيستمهاي عايقي و نيز روشهاي خنك‌سازي بود. در راستاي رفع اين محدوديتها تركيبات مختلف عايقهاي مصنوعي، استفاده از هيدروژن براي خنك‌سازي و بهينه‌سازي روشهاي خنك‌سازي با هوا نتايج موفقيت‌آميزي را در پي داشت به نحوي كه امروزه ظرفيت ژنراتورها به بيش از MVA1600 افزايش يافته است.
در جهت افزايش ولتاژ، ابداع پاورفرمر در انتهاي قرن بيستم توانست سقف ولتاژ توليدي را تا حدود سطح ولتاژ انتقال افزايش دهد به نحوي كه برخي محققان معتقدند در سالهاي نه چندان دور، ديگر نيازي به استفاده از ترانسفورماتورهاي افزاينده نيروگاهي نيست.
همچنين امروزه تكنولوژي ژنراتورهاي ابررسانا بسيار مورد توجه است. انتظار مي‌رود با گسترش اين تكنولوژي در ژنراتورهاي آينده، ظرفيتهاي بالاتر در حجم كمتر قابل دسترسي باشند.
تاريخچه
ژنراتور سنكرون تاريخچه‌اي بيش از صد سال دارد. اولين تحولات ژنراتور سنكرون در دهه 1880 رخ داد. در نمونههاي اوليه مانند ماشين جريان مستقيم، روي آرميچر گردان يك يا دو جفت سيم‌پيچ وجود داشت كه انتهاي آنها به حلقه‌هاي لغزان متصل مي‌شد و قطبهاي ثابت روي استاتور، ميدان تحريك را تامين مي‌كردند. به اين طرح اصطلاحاً قطب خارجي مي‌گفتند. در سالهاي بعد نمونه ديگري كه در آن محل قرار گرفتن ميدان و آرميچر جابجا شده بود مورد توجه قرار گرفت. اين نمونه كه شكل اوليه ژنراتور سنكرون بود، تحت عنوان ژنراتور قطب داخلي شناخته و جايگاه مناسبي در صنعت‌برق پيدا كرد. شكلهاي مختلفي از قطبهاي مغناطيسي و سيم‌پيچهاي ميدان روي رتور استفاده شد، در حالي كه سيم‌پيچي استاتور، تكفاز يا سه‌فاز بود. محققان بزودي دريافتند كه حالت بهينه از تركيب سه جريان متناوب با اختلاف فاز نسبت به هم بدست مي‌آيد. استاتور از سه جفت سيم‌پيچ تشكيل شده بود كه در يك طرف به نقطه اتصال ستاره و در طرف ديگر به خط انتقال متصل بودند.
در واقع ايده ماشين جريان متناوب سه فاز، مرهون تلاشهاي دانشمندان برجسته‌اي مانند نيكولا تسلا، گاليلئو فراريس، چارلز برادلي، دبروولسكي، هاسلواندر بود.
هاسلواندر اولين ژنراتور سنكرون سه فاز را در سال 1887 ساخت كه تواني در حدود 8/2 كيلووات را در سرعت 960 دور بر دقيقه (فركانس 32 هرتز) توليد مي‌كرد. اين ماشين داراي آرميچر سه فاز ثابت و رتور سيم‌پيچي شده چهار قطبي بود كه ميدان تحريك لازم را تامين مي‌كرد. اين ژنراتور براي تامين بارهاي محلي مورد استفاده قرار مي‌گرفت.
در سال 1891 براي اولين بار تركيب ژنراتور و خط بلند انتقال به منظور تامين بارهاي دوردست با موفقيت تست شد. انرژي الكتريكي توليدي اين ژنراتور توسط يك خط انتقال سه فاز از لافن به نمايشگاه بين‌المللي فرانكفورت در فاصله 175 كيلومتري منتقل مي‌شد. ولتاژ فاز به فاز 95 ولت، جريان فاز 1400 آمپر و فركانس نامي 40 هرتز بود. رتور اين ژنراتور كه براي سرعت 150 دور بر دقيقه طراحي شده بود، 32 قطب داشت. قطر آن 1752 ميليمتر و طول موثر آن 380 ميليمتر بود. جريان تحريك توسط يك ماشين جريان مستقيم تامين مي‌شد. استاتور آن 96 شيار داشت كه در هر شيار يك ميله مسي به قطر 29 ميليمتر قرار مي‌گرفت. از آنجا كه اثر پوستي تا آن زمان شناخته نشده بود، سيم‌پيچي استاتور متشكل از يك ميله براي هر قطب / فاز بود. بازده اين ژنراتور 5/96% بود كه در مقايسه با تكنولوژي آن زمان بسيار عالي مي‌نمود. طراحي و ساخت اين ژنراتور را چارلز براون انجام داد.
در آغاز، اكثر ژنراتورهاي سنكرون براي اتصال به توربينهاي آبي طراحي مي‌شدند، اما بعد از ساخت توربينهاي بخار قدرتمند، نياز به توربوژنراتورهاي سازگار با سرعت بالا احساس شد. در پاسخ به اين نياز اولين توربورتور در يكي از زمينه‌هاي مهم در بحث ژنراتورهاي سنكرن، سيستم عايقي است. مواد عايقي اوليه مورد استفاده مواد طبيعي مانند فيبرها، سلولز، ابريشم، كتان، پشم و ديگر الياف طبيعي بودند. همچنين رزينهاي طبيعي بدست آمده از گياهان و تركيبات نفت خام براي ساخت مواد عايقي مورد استفاده قرارمي‌گرفتند. در سال 1908 تحقيقات روي عايقهاي مصنوعي توسط دكتر بايكلند آغاز شد. در طول جنگ جهاني اولي رزينهاي آسفالتي كه بيتومن ناميده مي‌شدند، براي اولين بار همراه با قطعات ميكا جهت عايق شيار در سيم‌پيچهاي استاتور توربوژنراتورها مورد استفاده قرار گرفتند. اين قطعات در هر دو طرف، با كاغذ سلولز مرغوب احاطه مي‌شدند. در اين روش سيم‌پيچهاي استاتور ابتدا با نوارهاي سلولز و سپس با دو لايه نوار كتان پوشيده مي‌شدند. سيمپيچها در محفظه‌اي حرارت مي‌ديدند و سپس تحت خلا قرار مي‌گرفتند. بعد از چند ساعت عايق خشك و متخلخل حاصل مي‌شد. سپس تحت خلا، حجم زيادي از قير داغ روي سيمپيچها ريخته مي‌شد. در ادامه محفظه با گاز نيتروژن خشك با فشار 550 كيلو پاسكال پر و پس از چند ساعت گاز نيتروژن تخليه و سيمپيچها در دماي محيط خنك و سفت مي‌شدند. اين فرآيند وي پي‌آي ناميده مي‌شد.
در اواخر دهه 1940 كمپاني جنرال الكتريك به منظور بهبود سيستم عايق سيم‌پيچي استاتور تركيبات اپوكسي را برگزيد. در نتيجه اين تحقيقات، يك سيستم به اصطلاح رزين ريچ عرضه شد كه در آن رزين در نوارها و يا وارنيش مورد استفاده بين لايه‌ها قرار مي‌گرفت.
در دهه‌هاي 1940 تا 1960 همراه با افزايش ظرفيت ژنراتورها و در نتيجه افزايش استرسهاي حرارتي، تعداد خطاهاي عايقي به طرز چشمگيري افزايش يافت. پس از بررسي مشخص شد علت اكثر اين خطاها بروز پديده جدا شدن نوار يا ترك خوردن آن است. اين پديده به علت انبساط و انقباض ناهماهنگ هادي مسي و هسته آهني به وجود مي‌آمد. براي حل اين مشكل بعد از جنگ جهاني دوم محققان شركت وستينگهاوس كار آزمايشگاهي را بر روي پلي‌استرهاي جديد آغاز كرده و سيستمي با نام تجاري ترمالاستيك عرضه كردند.
نسل بعدي عايقها كه در نيمه اول دهه 1950 مورد استفاده قرار گرفتند، كاغذهاي فايبرگلاس بودند. در ادامه در سال 1955 يك نوع عايق مقاوم در برابر تخليه جزيي از تركيب 50 درصد رشته‌هاي فايبرگلاس و 50 درصد رشته‌هاي PET بدست آمد كه روي هادي پوشانده مي‌شد و سپس با حرارت دادن در كوره‌هاي مخصوص، PET ذوب شده و روي فايبرگلاس را مي‌پوشاند. اين عايق بسته به نياز به صورت يك يا چند لايه مورد استفاده قرار مي‌گرفت. عايق مذكور با نام عمومي پلي‌گلاس و نام تجاري داگلاس وارد بازار شد.
مهمترين استرسهاي وارد بر عايق استرسهاي حرارتي است. بنابراين سيستمهاي عايقي همواره در ارتباط تنگاتنگ با سيستمهاي خنك‌سازي بوده‌اند. خنك‌سازي در ژنراتورهاي اوليه توسط هوا انجام مي‌گرفت. بهترين نتيجه بدست آمده با اين روش خنك‌سازي يك ژنراتور MVA200 با سرعت rpm1800 بود كه در سال 1932 در منطقه بروكلين نيويورك نصب شد. اما با افزايش ظرفيت ژنراتورها نياز به سيستم خنك‌سازي موثرتري احساس شد. ايده خنك‌سازي با هيدروژن اولين بار در سال 1915 توسط ماكس شولر مطرح شد. تلاش او براي ساخت چنين سيستمي از 1928 آغاز و در سال 1936 با ساخت اولين نمونه با سرعت rpm3600 به نتيجه رسيد. در سال 1937 جنرال الكتريك اولين توربوژنراتور تجاري خنك شونده با هيدروژن را روانه بازار كرد. اين تكنولوژي در اروپا بعد از سال 1945 رايج شد. در دهه‌هاي 1950 و 1960 روشهاي مختلف خنك‌سازي مستقيم مانند خنك‌سازي سيم‌پيچ استاتور با گاز، روغن و آب پا به عرصه ظهور گذاشتند تا آنجا كه در اواسط دهه 1960 اغلب ژنراتورهاي بزرگ با آب خنك مي‌شدند. ظهور تكنولوژي خنك‌سازي مستقيم موجب افزايش ظرفيت ژنراتورها به ميزان MVA1500 شد.
يكي از تحولات برجسته‌اي كه در دهه 1960 به وقوع پيوست توليد اولين ماده ابررساناي تجاري يعني نيوبيوم- تيتانيوم بود كه در دهه‌هاي بعدي بسيار مورد توجه قرار گرفت.
تحولات دهه 1970
در اين دهه تحول مهمي در فرآيند عايق كاري ژنراتور رخ داد. قبل از سال 1975 اغلب عايقها را توسط رزينهاي محلول در تركيبات آلي فرار اشباع مي‌كردند. در اين فرآيند، تركيبات مذكور تبخير و در جو منتشر مي‌شد. با توجه به وضع قوانين زيست محيطي و آغاز نهضت سبز در اوايل دهه 1970، محدوديتهاي شديدي بر ميزان انتشار اين مواد اعمال شد كه حذف آنها را از اين فرآيند در پي داشت. در نتيجه استفاده از مواد سازگار با محيط زيست در توليد و تعمير ماشينهاي الكتريكي مورد توجه قرار گرفت. استفاده از رزينهاي با پايه آبي يكي از اولين پيشنهاداتي بود كه مطرح شد، اما يك راه‌حل جامعتر كه امروزه نيز مرسوم است، كاربرد چسبهاي جامد بود. در همين راستا توليد نوارهاي ميكاي رزين ريچ بدون حلال نيز توسعه يافت.
از ديگر پيشرفتهاي مهم اين دهه ظهور ژنراتورهاي ابررسانا بود. يك ماشين ابررسانا عموماً‌از يك سيم‌پيچ ميدان ابررسانا و يك سيم‌پيچ آرميچر مسي تشكيل شده است. هسته رتور عموماً آهني نيست، چرا كه آهن به دليل شدت بالاي ميدان توليدي توسط سيم‌پيچي ميدان اشباع مي‌شود. فقط در يوغ استاتور از آهن مغناطيسي استفاده مي‌شود تا به عنوان شيلد و همچنين منتقل كننده شار بين قطبها عمل كند. عدم استفاده از آهن، موجب كاهش راكتانس سنكرون (به حدود pu5/0- 3/0) در اين ماشينها شده كه طبعاً موجب پايداري ديناميكي بهتر مي‌شود. همانطور كه اشاره شد، اولين ماده ابررساناي تجاري نيوبيوم- تيتانيوم بود كه تا دماي 5 درجه كلوين خاصيت ابررسانايي داشت. البته در دهه‌هاي بعد پيشرفت اين صنعت به معرفي مواد ابررسانايي با دماي عملكرد 110 درجه كلوين انجاميد. براين اساس مواد ابررسانا را به دو گروه دما پايين مانند نيوبيوم – تيتانيوم و دما بالا مانند BSCCO-2223 تقسيم مي‌كنند. از اوايل دهه 1970 تحقيقات بر روي ژنراتورهاي ابررسانا با استفاده از هاديهاي دما پايين آغاز شد. در اين دهه كمپاني وستينگهاوس تحقيقات براي ساخت يك نمونه دوقطبي را با استفاده هاديهاي دماپايين آغاز كرد. نتيجه اين پروژه ساخت و تست يك ژنراتور MVA5 در سال 1972 بود.
در سال 1970 كمپاني جنرال الكتريك ساخت يك ژنراتور ابررسانا را با استفاده از هاديهاي دماپايين، با هدف نصب در شبكه آغاز كرد.
ساخت و تست اين ژنراتور MVA20، دو قطب و rpm3600 در سال 1979 به پايان رسيد. در اين ماشين از روش طراحي هسته هوايي بهره گرفته شده بود و سيم‌پيچ ميدان آن توسط هليم مايع خنك مي‌شد. اين ژنراتور، بزرگترين ژنراتور ابررساناي تست شده تا آن زمان (1979) بود.
در سال 1979 وستينگهاوس و اپري ساخت يك ژنراتور ابررساناي MVA300 را آغاز كردند. اين پروژه در سال 1983 به علت شرايط بازار جهاني با توافق طرفين لغو شد.
در همين زمينه كمپاني زيمنس ساخت ژنراتورهاي دماپايين را در اوايل دهه 1970 شروع كرد. در اين مدت يك نمونه رتور و يك نمونه استاتور با هسته آهني براي ژنراتور MVA 850 با سرعت rpm3000 ساخته شد، اما به دليل مشكلاتي تست عملكرد واقعي آن انجام نشد.
در اين دهه آلستوم نيز طراحي يك رتور ابررسانا براي يك توربو ژنراتور سنكرون را آغاز كرد. اين رتور در يك ماشين MW250 به كار رفت.
با توجه به اهميت خنك‌سازي در كاركرد مناسب ژنراتورهاي ابررسانا، همگام با توسعه اين صنعت، طرحهاي خنك‌سازي جديدي ارايه شد. در 1977 اقاي لاسكاريس يك سيستم خنك‌سازي دوفاز (مايع- گاز) براي ژنراتورهاي ابررسانا ارايه كرد. در اين طرح بخشي از سيم‌پيچ در هليم مايع قرار مي‌گرفت و با جوشش هليم دردماي 2/4 كلوين خنك مي‌شد. جداسازي مايع ازگاز توسط نيروي گريز از مركز ناشي از چرخش رتور صورت مي‌گرفت.
جمعبندي تحولات دهه 1970
با بررسي مقالات IEEE اين دهه (28 مقاله) در موضوعات مختلف مرتبط با ژنراتور سنكرون به نتايج زير مي‌رسيم:
1- شايان ذكر است بررسي كل مقالات در دهه‌هاي مختلف نشان مي‌دهد كه زمينه‌هاي اصلي مورد توجه طرحهاي بدون جاروبك، سيستمهاي خنك‌سازي، سيستمهاي تحريك، روشهاي عددي، سيستم عايقي، ملاحظات مكانيكي، ژنراتور آهنرباي دائم، پاورفرمر و ژنراتورهاي ابررسانا بوده‌اند. تمركز اكثر تحقيقات بر روي كاربرد مواد ابررسانا در ژنراتورها بوده است.
2- استفاده از روشهاي كامپيوتري براي تحليل و طراحي ماشينهاي الكتريكي آغاز شد.
3- حلالها از سيستمهاي عايق كاري حذف شدند و تكنولوژي رزين ريچ بدون حلال ارايه شد.
تحولات دهه 1980
در اين دهه نيز همچون دهه‌هاي گذشته سيستمهاي عايقي از زمينه‌هاي مهم تحقيقاتي بوده است. در اين دهه آلستوم يك فرمول جديد اپوكسي بدون حلال كلاس F در تركيب با گلاس فابريك و نوع خاصي از كاغذ ميكا با نام تجاري دورتناكس را ارايه داد. اين سيستم عايق كاري داراي استحكام مكانيكي بيشتر، استقامت عايقي بالاتر، تلفات دي‌الكتريك پايينتر و مقاومت حرارتي كمتري نسبت به نمونههاي قبلي بود.
در ادامه كار بر روي پروژه‌هاي ابررسانا، در سال 1988 سازمان توسعه تكنولوژي صنعتي و انرژيهاي نو ژاپن پروژه ملي 12 ساله سوپر جي‌ام را آغاز كرد كه نتيجه آن در دهه‌هاي بعدي به ثمر رسيد.
سيستمهاي خنك‌سازي ژنراتورهاي ابررسانا هنوز در حال پيشرفت بودند. در اين زمينه مي‌توان به ارايه طرح سيستم خنك‌سازي تحت فشار توسط انستيتو جايري ژاپن اشاره كرد. اين طرح كه در سال 1985 ارايه شد داراي يك مبدل حرارتي پيشرفته و يك مايع‌ساز هليم با ظرفيت 350 ليتر بر ثانيه بود.
در اين مقطع شاهد تحقيقاتي در زمينه مواد آهنرباي دائم بوديم. استفاده از آهنرباهاي نئوديميوم – آهن- بورون در اين دهه تحول عظيمي در ساخت ماشينهاي آهنرباي دائم ايجاد كرد. مهمترين خصوصيت آهنرباهاي نئوديميوم- آهن- بورون انرژي مغناطيسي (BHmax) بالاي آنهاست كه سبب مي شود قيمت هر واحد انرژي مغناطيسي كاهش يابد. علاوه بر اين، انرژي زياد توليدي امكان به كارگيري آهنرباهاي كوچكتر را نيز فراهم مي‌كند، بنابراين اندازه ساير اجزا ماشين از قبيل قطعات آهن و سيم‌پيچي نيز كاهش مي‌يابد و در نتيجه ممكن است هزينه كل كمتر شود. شايان ذكر است حجم بالايي از تحقيقات انجام شده اين دهه در زمينه ژنراتورهاي بدون جاروبك و خودتحريكه براي كاربردهاي خاص بوده كه به علت عموميت نيافتن در صنعت ژنراتورهاي نيروگاهي از شرح آنها صرفنظر مي شود.
جمعبندي تحولات دهه 1980
با بررسي مقالات IEEE اين دهه (41 مقاله) در موضعات مختلف مرتبط با ژنراتور سنكرون به نتايج زير مي‌رسيم:
1- تمركز موضوعي مقالات در شكل نشان داده شده است.
2- روشهاي قبلي عايق كاري به منظور كاهش مقاومت حرارتي عايق بهبود يافت.
3- مطالعات وسيعي روي ژنراتورهاي سنكرون بدون جاروبك بدون تحريك صورت گرفت.
4- فعاليت روي پروژه‌هاي ژنراتورهاي ابررساناي آغاز شده در دهه قبل ادامه يافت.
5- سيستمهاي خنك‌سازي جديدي براي ژنراتورهاي ابررسانا ارايه شد.
6- روش اجزاي محدود در طراحي و تحليل ژنراتورهاي سنكرون خصوصاً ژنراتورهاي آهنرباي دائم به شكل گسترده‌اي مورد استفاده قرار گرفت.
از ابتداي دهه 1990 تاكنون
مهندس مهدي ثواقبي فيروزآبادي- دكتر ابوالفضل واحدي- مهندس حسين هوشيار
هدف از انجام اين تحقيق بررسي سير تحقيقات انجام شده با موضوع طراحي ژنراتور سنكرون است. به اين منظور، بررسي مقالات منتشر شده در IEEE كه با اين موضوع مرتبط بودند، در دستور كار قرار گرفت. به عنوان اولين قدم كليه مقالات مرتبط در دهه‌هاي مختلف جستجو و بر مبناي آنها يك تقسيم‌بندي موضوعي انجام شد. سپس سعي شد بدون پرداختن به جزييات، سير تحولات استخراج شود. رويكرد كلي اين بوده كه تحولات داراي كاربرد صنعتي بررسي شوند.
با توجه به گستردگي موضوع و حجم مطالب اين گزارش در دو بخش ارايه شده است. در بخش اول پيشرفتهاي ژنراتورهاي سنكرون از آغاز تا انتهاي دهه 1980 بررسي شد. در اين بخش تحولات اين صنعت از ابتداي دهه 1990 تاكنون مورد توجه قرار گرفته است. در پايان هر دهه يك جمعبندي از كل فعاليتهاي صورت گرفته ارايه و سعي شده است ارتباط منطقي بين پيشرفتهاي هر دهه با دهه‌هاي قبل و بعد بيان شود.
در پايان گزارش با توجه به تحقيقات انجام شده و در حال انجام، تلاش شده نمايي از پيشرفتهاي عمده مورد انتظار در سالهاي آينده ترسيم شود.
تحولات دهه 1990
در اين دهه نيز همچون دهه‌هاي گذشته تلاشهاي زيادي در جهت بهبود سيستمهاي عايقي صورت گرفت. در اين ميان مي‌توان به ارايه سيستمهاي عايق ميكاپال كه توسط كمپاني جنرال الكتريك از تركيب انواع آلكيدها و اپوكسيها در سال 1990 بدست آمده بود، اشاره كرد. درسال 1992 شركت وستينگهاوس الكتريك يك سيستم جديد عايق سيم‌پيچ رتور كلاس F را ارايه كرد. اين سيستم شامل يك لايه اپوكسي گلاس بود كه با چسب پلي‌آميد- اپوكسي روي هادي مسي چسبانده مي‌شد. مقاومت در برابر خراشيدگي، استرسهاي الكتريكي و مكانيكي و كاهش زوال حرارتي از مزاياي اين سيستم بود. گروه صنعتي ماشينهاي الكتريكي و توربين نانجينگ عايق سيم‌پيچ رتور جديدي از جنس نومكس اشباع شده با وارنيش چسبي را در سال 1998 ارايه كرد. از مهمترين مزاياي اين سيستم مي‌توان به انعطاف‌پذيري و استقامت عايقي، بهبود اشباع شوندگي با وارنيش، تميزكاري آسان و عدم جذب رطوبت اشاره كرد. در اواخر دهه 1990 تلاشهايي براي افزايش هدايت گرمايي عايقها صورت گرفت. آقاي ميلر از شركت زيمنس- وستينگهاوس روشي را ارايه كرد كه در آن لايه پركننده مورد استفاده در طرحهاي قبلي به وسيله رزينهاي مخصوصي جايگزين مي‌شد. مزيت اصلي اين روش پرشدن فاصله هوايي بين لايه پركننده و ديواره استاتور بود كه موجب مي‌شد هدايت گرمايي عايق استاتور به طرز چشمگيري افزايش پيدا كند.
دراين دهه مسائل مكانيكي در عملكرد ماشينهاي سنكرون بيشتر مورد توجه قرار گرفت. در سال 1993 آقاي جانگ از دانشگاه بركلي روشي براي كاهش لرزش در ژنراتورهاي آهنرباي دائم ارايه كرد. لرزش در ژنراتورهاي آهنرباي دائم در اثر نيروهاي جذبي اعمال شده توسط آهنرباهاي دائم گردان به استاتور است. در اين روش لرزشها با استفاده از سنسورهاي ماكسول، روش اجزاء محدود و بسط فوريه مورد بررسي قرار مي‌گرفت و نهايتاً براي كاهش لرزشها، ابعاد هندسي جديدي براي آهنرباها ارايه مي‌شد البته با اين شرط كه كارايي ماشين افت نكند.
همزمان با پيشرفتهاي مذكور، افزايش سرعت و حافظه كامپيوترها و ظهور نرم‌افزارهاي قدرتمند موجب شد تا راه براي استفاده از كامپيوترها در تحليل و طراحي ژنراتورهاي سنكرون بيش از پيش باز شود. در سال 1995 آقاي كوان روشي براي طراحي سيستمهاي خنك‌سازي با هيدروژن ارايه كرد كه بر مبناي محاسبات كامپيوتري ديناميك شاره پايه‌ريزي شده بود. دراين روش بااستفاده از يك مدل معادل سيستم خنك‌سازي، توزيع دما در بخشهاي مختلف ژنراتور پيش‌بيني مي‌شد.
نحوه پياده‌سازي سيستمهاي خنك‌سازي نيز از جمله موضوعاتي بود كه مورد توجه قرار گرفت. در سال 1995 اقاي آيدير تاثير مكان حفره‌هاي تهويه برميدان مغناطيسي ژنراتور سنكرون را با استفاده از روش اجزاء محدود مورد بررسي قرار داد و نشان داد كه انتخاب مكان مناسب حفره‌هاي تهويه جهت جلوگيري از افزايش جريان مغناطيس‌كنندگي و پديده اشباع بسيار حائز اهميت است. مكان حفره‌ها تاثير قابل توجهي بر شار يوغ دارد.
از مهمترين تحولاتي كه در اين دهه در زمينه ژنراتورهاي ابررسانا صورت گرفت مي‌توان به نتايج پروژه سوپرجي‌ام كه از دهه قبل در ژاپن آغاز شده بود، اشاره كرد. حاصل اين پروژه ساخت و تست سه مدل رتور ابررسانا براي يك استاتور بود. مدل اول كه در تركيب با استاتور، خروجي MW79 را مي‌داد در سال 1997 و مدل دوم در سال 1998 با خروجي MW7/79 تست شد. نهايتاً مدل سوم كه داراي يك سيستم تحريك پاسخ سريع بود در سال 1999 تست و در شبكه قدرت نصب شد.
با بكارگيري مواد ابررساناي دمابالا در اين دهه، تكنولوژي ژنراتورهاي سنكرون ابررسانا وارد مرحله جديدي شد. كمپاني جنرال الكتريك طراحي، ساخت و تست يك سيم‌پيچ دمابالا را در اواسط اين دهه به پايان رساند. در ادامه، همكاري وستينگهاوس و شركت ابررساناي آمريكا به طراحي يك ژنراتور ابررساناي دمابالاي 4 قطب، rpm1800، Hz60 انجاميد.
اين دهه شاهد پيشرفتهاي مهمي در زمينه سيستمهاي تحريك مانند ظهور سيستمهاي تحريك استاتيك الكترونيكي بود. استفاده از اينگونه سيستمها باعث انعطاف‌پذيري در طراحي سيستمهاي تحريك و جذب مشكلات نگهداري جاروبك در اكسايترهاي گردان مي‌شد. يكي از اولين نمونههاي اين سيستمها در سال 1997 توسط آقاي شافر از كمپاني باسلر الكتريك آلمان ارايه شد.
در اين مقطع زماني كاربرد سيستمهاي ديجيتال در تحريك ژنراتورها آغاز شد. يكي از اولين نمونههاي سيستم تحريك ديجيتالي، سيستمي بود كه در سال 1999 توسط آقاي ارسگ از دانشگاه زاگرب كرواسي ارايه شد.
در ادامه تلاشهاي صورت گرفته براي بهبود خنك‌سازي، شركت زيمنس- وستينگهاوس طرح يك ژنراتور بزرگ با خنك‌سازي هوايي را در سال 1999 ارايه داد. ارايه اين طرح آغازي بر تغيير طرحهاي خنك‌سازي از هيدروژني به هوايي بود. استفاده از عايقهاي استاتور نازك دمابالا و كاربرد محاسبات كامپيوتري ديناميك شاره موجب اقتصادي شدن اين طرح نسبت به خنك‌سازي هيدروژني شد.
پايان دهه 90 مصادف با ظهور تكنولوژي پاورفرمر بود. در اوايل بهار سال 1998 دكتر ليجون از كمپاني ABB سوئد، ايده توليد انرژي الكتريكي در ولتاژهاي بالا را ارايه كرد. مهمترين ويژگي اين طرح استفاده از كابلهاي فشار قوي پلي‌اتيلن متقاطع معمول در سيستمهاي انتقال و توزيع در سيم‌پيچي استاتور است.
در اين طرح به علت سطح ولتاژ بسيار بالا از كابلهاي استوانه‌اي به منظور حذف تخليه جزيي و كرونا استفاده مي‌شود.
در سال 1998 اولين نمونه پاورفرمر در نيروگاه پرجوس واقع در شمال سوئد نصب شد. اين پاورفرمر داراي ولتاژ نامي KV45، توان نامي MVA11 و سرعت نامي rpm600 بود.
يكي از مسائل مهم مطرح در پاورفرمر فيكس شدن دقيق كابلها در شيارها به منظور جلوگيري از تخريب لايه بيروني نيمه هادي كابل در اثر لرزشها است. به اين منظور كابلها را با استفاده از قطعات مثلثي سيليكون – رابر فيكس مي‌كنند.
به علت پايين بودن جريان سيم‌پيچ استاتور پاورفرمر تلفات مسي ناچيز است، لذا استفاده از يك مدار خنك‌سازي آبي كافي است. سيستم خنك‌سازي دماي عملكرد كابلها را در حدود 70 درجه سانيگراد نگه مي‌دارد، در حالي كه طراحي عايقي كابلها براي دماي نامي 90 درجه انجام شده است. لذا مي‌توان پاورفرمر را بدون مشكل خاصي زير اضافه بار برد.
جمعبندي تحولات دهه 1990
با بررسي مقالات IEEE اين دهه (157 مقاله) در موضوعات مختلف مرتبط با ژنراتور سنكرون به نتايج زير مي‌رسيم:
1- تمركز موضوعي مقالات
2- فعاليت روي ژنراتورهاي ابررساناي دمابالا آغاز شد.
3- كاربرد سيستمهاي تحريك استاتيك و ديجيتال گسترش يافت.
4- روشهاي كاهش لرزش حين عملكرد ژنراتور مورد توجه قرار گرفت.
5- در اوايل دهه رويكرد طراحان بهبود عملكرد سيستمهاي خنك‌سازي هيدروژني بود، اما در اواخر دهه سيستمهاي خنك‌سازي با هوا به دلايل زير مجدداً مورد توجه قرار گرفتند:
الف) توليد عايقهاي استاتور نازكتر با مقاومت حرارتي پايينتر
ب) ظهور روشهاي محاسبات كامپيوتري ديناميك شاره
ج) ارزاني و سادگي ساخت سيستمهاي خنك‌سازي با هوا
6- تكنولوژي پاورفرمر ابداع شد.
7- رويكرد طراحان از افزايش ظرفيت ژنراتورها به سمت ارايه طرحهاي برنده- برنده يعني كيفيت و هزينه مورد قبول براي مشتري و توليد‌كننده تغيير كرد.
تحولات 2000 به بعد
همچون دهه‌هاي پيش، روند روزافزون استفاده از روشهاي عددي خصوصاً‌روش اجزاء محدود ادامه يافت. آقاي زوليانگ يك روش اجزاء محدود جديد را با بهره‌گيري از عناصر قوسي شكل در مختصات استوانه‌اي ارايه كرد. مزاياي اين روش دقت زياد و فرمولبندي ساده بود. اين روش براي تحليل ميدان درشكلهاي استوانه‌اي مانند ماشينهاي الكتريكي بسيار مناسب است.
در سال 2004 آقاي شولت روش نويني براي طراحي ماشينهاي الكتريكي ارايه داد كه تركيبي از روش اجزاء محدود و روشهاي تحليلي بود. از روش تحليلي براي طراحي اوليه بر مبناي گشتاور، جريان و سرعت نامي و از روش اجزاء محدود براي تحليل دقيق ميدانها به منظور تكامل طرح اوليه استفاده مي‌شد. به اين ترتيب زمان و هزينه مورد نياز طراحي كاهش مي‌يافت.
در زمينه عايق تلاشها جهت بهبود هدايت گرمايي در سال 2001 به ارايه يك سيستم با هدايت گرمايي بالا توسط كمپانيهاي توشيبا و ونرول ايزولا انجاميد. اثر بهبود هدايت گرمايي دراين سيستم نسبت به سيستم معمول مشهود است.
در زمينه ژنراتورهاي ابررسانا مي‌توان به تحولات زير اشاره كرد. در سال 2002 كمپاني جنرال‌الكتريك برنامه‌اي را با هدف ساخت و تست يك ژنراتور MVA100 آغاز كرده است. هسته رتور و استاتور اين ژنراتور مانند ژنراتورهاي معمولي است. هدف اين است كه يك رتور معمولي بتواند ميدان حاصل از سيم‌پيچي ابررسانا را بدون اشباع شدن از خودعبور دهد. مهمترين قسمتهاي اين پروژه، سيم‌پيچ ميدان دمابالا و سيستم خنك‌سازي است
از سال 2000 به بعد فعاليتهاي گسترده‌اي در جهت ساخت و نصب پاورفرمرها صورت گرفته است كه نتيجه آن نصب چندين پاورفرمر در نيروگاههاي مختلف است. اين پاورفرمها و مشخصات آنها عبارتند از:
• پاورفرمر نيروگاه توربو ژنراتوري اسكيلزتونا سوئد با مشخصات KV136، MVA42، rpm3000
• پاورفرمر نيروگاه هيدرو ژنراتوري پرسي سوئد با مشخصات kv155، MVA75، rpm125
• پاورفرمر نيروگاه هيدروژنراتوري هلجبرو سوئد با مشخصات KV78، MVA25، rpm4/115
• پاورفرمر نيروگاه هيدرو ژنراتوري ميلرگريك كانادا با مشخصات KV25، MVA8/32، rpm720
• پاورفرمر نيروگاه هيدروژنراتوري كاتسورازاوا با مشخصات KV66، MVA9، rpm5/428
جمعبندي تحولات 2000 به بعد
با بررسي مقالات IEEE اين سالها (149 مقاله) در موضوعات مختلف مرتبط با ژنراتور سنكرون به نتايج زير مي‌رسيم:
1- تمركز موضوعي مقالات
2- تلاشهاي زيادي براي بهبود هدايت حرارتي عايق سيم‌پيچي استاتور خنك شونده با هوا با هدف رسيدن به ظرفيتهاي بالاتر صورت گرفت.
3- پاورفرمرها در نيروگاههاي مختلف نصب شدند.
4- فعاليت روي پروژه‌هاي ژنراتورهاي ابررساناي دمابالا آغاز شده در دهه قبل ادامه يافت.
5- كاربرد سيستمهاي تحريك ديجيتال به خصوص سيستمهاي با چند ريزپردازنده گسترش يافت.
6- استفاده از روشهاي عددي در طراحي و آناليز ژنراتورهاي سنكرون به ويژه سيستمهاي خنك‌سازي بسيار گسترش يافت.
نتيجه‌گيري
ژنراتورهاي سنكرون همواره حجم عمده‌اي از تحقيقات را در دهه‌هاي مختلف به خود اختصاص داده‌اند، تا جايي كه بعد از گذشت بيش از 100 سال از ارايه اولين نوع ژنراتور سنكرون همچنان شاهد ظهور تكنولوژيهاي جديد دراين عرصه هستيم. تكنولوژيهاي كليدي كماكان مسائل عايق كاري و خنك‌سازي هستند.
تكنولوژي پيشرفته توليد ژنراتور و ريسك بالقوه موجود باعث شده است تعداد سازندگان مستقل ژنراتور كاهش يابد.
متاسفانه، عليرغم اينكه بالا بردن نقطه زانويي اشباع مواد مغناطيسي مي‌تواند تاثير به سزايي در پيشرفت ژنراتورها داشته باشد، تاكنون دستاورد مهمي در اين زمينه حاصل نشده است. البته تلاشهايي در گذشته براي كاهش تلفات الكتريكي لايه‌هاي هسته صورت گرفته است، اما پيشرفتهاي حاصله منوط به كاهش ضخامت لايه‌ها يا افزايش غيرقابل قبول قيمت آنهاست. متاسفانه پيشرفت مهمي نيز در آينده پيش‌بيني نمي‌شود.
نياز امروزه بازار ژنراتورهايي است كه به نحوي پكيج شده باشند كه به راحتي در سايت قابل نصب باشند. پكيجهايي كه از يكپارچگي بالايي برخوردارند به طوري كه نويز حاصل از عملكرد ژنراتور را در خود نگاه مي‌دارند، در برابر شرايط جوي مقاومند، ترانسفورماتور جريان و ترانسفورماتور ولتاژ دارند، نقطه نوترال در آنهاتعبيه شده و حفاظت اضافه ولتاژ دارند. همچنين سيستم تحريك نيز در اين پكيجها تعبيه شده است و تقريباً بي‌نياز از نگهداري هستند.
پيش‌بيني مي‌شود روند جايگزيني سيستمهاي خنك‌سازي هيدروژني به وسيله سيستمهاي خنك سازي با هوا ادامه يابد و اين در حالي است كه بهبود بازده سيستمهاي خنك‌سازي هيدروژني همچنان مورد توجه است.
با توجه به حجم گسترده تحقيقات در حال انجام روي ژنراتورهاي ابررساناي دمابالا، توليد گسترده اينگونه ژنراتورها در آينده نزديك قابل پيش‌بيني است. پيشرفتهاي مورد نياز در اين زمينه به شرح زير است:
• توليد هاديهاي رشته‌اي و استفاده از آنها به جاي نوارهاي دمابالاي امروزي جهت افزايش چگالي جريان
• افزايش قابليت خم كردن سيمهاي دمابالا به منظور ايجاد شكل سه‌بعدي مناسب سيم‌پيچي رتور درنواحي انتهايي سيم‌پيچ
• استفاده از سيم‌پيچي لايه‌‌اي به جاي سيم‌پيچي‌هاي پنكيك به منظور حداقل سازي اتصالات بين كويلها
از موضوعات قابل توجه ديگري كه پيش‌بيني مي‌شود صنعت ژنراتور را در سالهاي آينده تحت تاثير قراردهد، توليد انبوه پاورفرمر و رسيدن به سطوح بالاتر ولتاژ است به طوريكه در آينده نزديك پاور فرمرهايي با ولتاژ KV170 براي نيروگاههاي توربو ژنراتوري و KV200 براي نيروگاههاي هيدروژنراتوري ساخته خواهند شد و اميد است كه سطح ولتاژ خروجي آنها به KV400 هم برسد.
انتظار مي‌رود پيشرفت سيستمهاي عايقي ادامه يابد. ممكن است از تكنولوژيهاي جديد عايقي مانند سيستمهاي عايق پليمري پيشرفته استفاده شود و اين سيستمها بتوانند با نوارهاي ميكا-گلاس امروزي رقابت كنند. اين پيشرفتها مي‌تواند به بهبود كابلهاي پاور فرمر نيز بينجامد.
مهندس حسين هوشيار- دكتر ابوالفضل واحدي- مهندس مهدي ثواقبي فيروزآبادي
ماهنامه صنعت برق
