سير تكاملي ژنراتورهاي سنكرون
هدف از انجام اين تحقيق بررسي سير تحقيقاتانجام شده با موضوع طراحي ژنراتور سنكرون است. به اين منظور، بررسي مقالات منتشرشده IEEE كه با اين موضوع مرتبط بودند، در دستور كار قرار گرفت. به عنوان اولين قدمكليه مقالات مرتبط در دهه‌هاي مختلف جستجو و بر مبناي آنها يك تقسيم‌بندي موضوعيانجام شد. سپس سعي شد بدون پرداختن به جزييات، سيرتحولات استخراج شود. رويكرد كلياين بوده است كه تحولات داراي كاربرد صنعتي بررسي شود.
با توجه به گستردگي موضوعو حجم مطالب، اين گزارش در دو بخش ارايه شده است. در بخش اول ابتدا پيشرفتهاي اوليهژنراتورهاي 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 كلفعاليتهاي صورت گرفته ارايه و سعي شده است ارتباط منطقي پيشرفتهاي هر دهه بادهه‌هاي قبل و بعد بيان شود.
ماشين سنكرون همواره يكي از مهمترين عناصر شبكهقدرت بوده و نقش كليدي در توليد انرژي الكتريكي و كاربردهاي خاص ديگر ايفاء كردهاست.
ساخت اولين نمونه ژنراتور سنكرون به انتهاي قرن 19 برمي‌گردد. مهمترينپيشرفت انجام شده در آن سالها احداث اولين خط بلند انتقال سه فاز از لافن بهفرانكفورت آلمان بود. دركانون اين تحول؛ يك هيدروژنراتور سه فاز 210 كيلووات قرارگرفته بود.
عليرغم مشكلات موجود در جهت افزايش ظرفيت وسطحولتاژ ژنراتورها، در طول سالهاي بعد تلاشهاي گسترده‌اي براي نيل به اين مقصود صورتگرفت.
مهمترين محدوديتها در جهت افزايش ظرفيت، ضعف عملكرد سيستمهاي عايقي و نيزروشهاي خنك‌سازي بود. در راستاي رفع اين محدوديتها تركيبات مختلف عايقهاي مصنوعي،استفاده از هيدروژن براي خنك‌سازي و بهينه‌سازي روشهاي خنك‌سازي با هوا نتايجموفقيت‌آميزي 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 بيستمتوانست سقف ولتاژ توليدي را تا حدود سطح ولتاژ انتقال افزايش دهد به نحوي كه برخيمحققان معتقدند در سالهاي نه چندان دور، ديگر نيازي به استفاده از ترانسفورماتورهايافزاينده نيروگاهي نيست.
همچنين امروزه تكنولوژي ژنراتورهاي ابررسانا بسيار موردتوجه است. انتظار مي‌رود با گسترش اين تكنولوژي در ژنراتورهاي آينده، ظرفيتهايبالاتر در حجم كمتر قابل دسترسي باشند.
تاريخچهژنراتور سنكرون تاريخچه‌ايبيش از صد سال دارد. اولين تحولات ژنراتور سنكرون در دهه 1880 رخ داد. در نمونه‌هاياوليه مانند ماشين جريان مستقيم، روي آرميچر گردان يك يا دو جفت سيم‌پيچ وجود داشتكه انتهاي آنها به حلقه‌هاي لغزان متصل مي‌شد و قطبهاي ثابت روي استاتور، ميدانتحريك را تامين مي‌كردند. به اين طرح اصطلاحاً قطب خارجي مي‌گفتند. در سالهاي بعدنمونه ديگري كه در آن محل قرار گرفتن ميدان و آرميچر جابجا شده بود مورد توجه قرارگرفت. اين نمونه كه شكل اوليه ژنراتور سنكرون بود، تحت عنوان ژنراتور قطب داخليشناخته و جايگاه مناسبي در صنعت‌برق پيدا كرد. شكلهاي مختلفي از قطبهاي مغناطيسي وسيم‌پيچهاي ميدان روي رتور استفاده شد، در حالي كه سيم‌پيچي استاتور، تكفاز ياسه‌فاز بود. محققان بزودي دريافتند كه حالت بهينه از تركيب سه جريان متناوب بااختلاف فاز نسبت به هم بدست مي‌آيد. استاتور از سه جفت سيم‌پيچ تشكيل شده بود كه دريك طرف به نقطه اتصال ستاره و در طرف ديگر به خط انتقال متصل بودند.
در واقعايده ماشين جريان متناوب سه فاز، مرهون تلاشهاي دانشمندان برجسته‌اي مانند نيكولاتسلا، گاليلئو فراريس، چارلز برادلي، دبروولسكي، هاسلواندر بود.
هاسلواندر اولينژنراتور سنكرون سه فاز را در سال 1887 ساخت كه تواني در حدود 8/2 كيلووات را درسرعت 960 دور بر دقيقه (فركانس 32 هرتز) توليد مي‌كرد. اين ماشين داراي آرميچر سهفاز 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 1891براي اولين بارتركيب ژنراتور و خط بلند انتقال به منظور تامين بارهاي دوردست باموفقيت تست شد. انرژي الكتريكي توليدي اين ژنراتور توسط يك خط انتقال سه فاز ازلافن به نمايشگاه بين‌المللي فرانكفورت در فاصله 175 كيلومتري منتقل مي‌شد. ولتاژفاز به فاز 95 ولت، جريان فاز 1400 آمپر و فركانس نامي 40 هرتز بود. رتور اينژنراتور كه براي سرعت 150 دور بر دقيقه طراحي شده بود، 32 قطب داشت. قطر آن 1752ميليمتر و طول موثر آن 380 ميليمتر بود. جريان تحريك توسط يك ماشين جريان مستقيمتامين مي‌شد. استاتور آن 96 شيار داشت كه در هر شيار يك ميله مسي به قطر 29 ميليمترقرار مي‌گرفت. از آنجا كه اثر پوستي تا آن زمان شناخته نشده بود، سيم‌پيچي استاتورمتشكل از يك ميله براي هر قطب / فاز بود. بازده اين ژنراتور 5/96% بود كه در مقايسهبا تكنولوژي آن زمان بسيار عالي مي‌نمود. طراحي و ساخت اين ژنراتور را چارلز براونانجام داد.
در آغاز، اكثر ژنراتورهاي سنكرون براي اتصال به توربينهاي آبي طراحيمي‌شدند، اما بعد از ساخت توربينهاي بخار قدرتمند، نياز به توربوژنراتورهاي سازگاربا سرعت بالا احساس شد. در پاسخ به اين نياز اولين توربورتور در يكي از زمينه‌هايمهم در بحث ژنراتورهاي سنكرن، سيستم عايقي است. مواد عايقي اوليه مورد استفاده موادطبيعي مانند فيبرها، سلولز، ابريشم، كتان، پشم و ديگر الياف طبيعي بودند. همچنينرزينهاي طبيعي بدست آمده از گياهان و تركيبات نفت خام براي ساخت مواد عايقي مورداستفاده قرارمي‌گرفتند. در سال 1908 تحقيقات روي عايقهاي مصنوعي توسط دكتر بايكلندآغاز شد. در طول جنگ جهاني اولي رزينهاي آسفالتي كه بيتومن ناميده مي‌شدند، براياولين بار همراه با قطعات ميكا جهت عايق شيار در سيم‌پيچهاي استاتور توربوژنراتورهامورد استفاده قرار گرفتند. اين قطعات در هر دو طرف، با كاغذ سلولز مرغوب احاطهمي‌شدند. در اين روش سيم‌پيچهاي استاتور ابتدا با نوارهاي سلولز و سپس با دو لايهنوار كتان پوشيده مي‌شدند. سيمپيچها در محفظه‌اي حرارت مي‌ديدند و سپس تحت خلاقرار مي‌گرفتند. بعد از چند ساعت عايق خشك و متخلخل حاصل مي‌شد. سپس تحت خلا، حجمزيادي از قير داغ روي سيمپيچها ريخته مي‌شد. در ادامه محفظه با گاز نيتروژن خشكبا فشار 550 كيلو پاسكال پر و پس از چند ساعت گاز نيتروژن تخليه و سيمپيچها دردماي 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 تركيباتاپوكسي را برگزيد. در نتيجه اين تحقيقات، يك سيستم به اصطلاح رزين ريچ عرضه شد كهدر آن رزين در نوارها و يا وارنيش مورد استفاده بين لايه‌ها قرار مي‌گرفت.
دردهه‌هاي 1940 تا 1960 همراه با افزايش ظرفيت ژنراتورها و در نتيجه افزايش استرسهايحرارتي، تعداد خطاهاي عايقي به طرز چشمگيري افزايش يافت. پس از بررسي مشخص شد علتاكثر اين خطاها بروز پديده جدا شدن نوار يا ترك خوردن آن است. اين پديده به علتانبساط و انقباض ناهماهنگ هادي مسي و هسته آهني به وجود مي‌آمد. براي حل اين مشكلبعد از جنگ جهاني دوم محققان شركت وستينگهاوس كار آزمايشگاهي را بر روي پلي‌استرهايجديد آغاز كرده و سيستمي با نام تجاري ترمالاستيك عرضه كردند.
نسل بعدي عايقهاكه در نيمه اول دهه 1950 مورد استفاده قرار گرفتند، كاغذهاي فايبرگلاس بودند. درادامه در سال 1955 يك نوع عايق مقاوم در برابر تخليه جزيي از تركيب 50 درصدرشته‌هاي فايبرگلاس و 50 درصد رشته‌هاي PET بدست آمد كه روي هادي پوشانده مي‌شد وسپس 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. عايقمذكور با نام عمومي پلي‌گلاس و نام تجاري داگلاس وارد بازار شد.
مهمتريناسترسهاي وارد بر عايق استرسهاي حرارتي است. بنابراين سيستمهاي عايقي همواره درارتباط تنگاتنگ با سيستمهاي خنك‌سازي بوده‌اند. خنك‌سازي در ژنراتورهاي اوليه توسطهوا 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 باافزايش ظرفيت ژنراتورها نياز به سيستم خنك‌سازي موثرتري احساس شد. ايده خنك‌سازي باهيدروژن اولين بار در سال 1915 توسط ماكس شولر مطرح شد. تلاش او براي ساخت چنينسيستمي از 1928 آغاز و در سال 1936 با ساخت اولين نمونه با سرعت rpm3600 به نتيجهرسيد. در سال 1937 جنرال الكتريك اولين توربوژنراتور تجاري خنك شونده با هيدروژن راروانه بازار كرد. اين تكنولوژي در اروپا بعد از سال 1945 رايج شد. در دهه‌هاي 1950و 1960 روشهاي مختلف خنك‌سازي مستقيم مانند خنك‌سازي سيم‌پيچ استاتور با گاز، روغنو آب پا به عرصه ظهور گذاشتند تا آنجا كه در اواسط دهه 1960 اغلب ژنراتورهاي بزرگبا آب خنك مي‌شدند. ظهور تكنولوژي خنك‌سازي مستقيم موجب افزايش ظرفيت ژنراتورها بهميزان MVA1500 شد.
يكي از تحولات برجسته‌اي كه در دهه 1960 به وقوع پيوست توليداولين ماده ابررساناي تجاري يعني نيوبيوم- تيتانيوم بود كه در دهه‌هاي بعدي بسيارمورد توجه قرار گرفت.
تحولات دهه 1970در اين دهه تحول مهميدر فرآيند عايق كاري ژنراتور رخ داد. قبل از سال 1975 اغلب عايقها را توسط رزينهايمحلول در تركيبات آلي فرار اشباع مي‌كردند. در اين فرآيند، تركيبات مذكور تبخير ودر 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 اينفرآيند در پي داشت. در نتيجه استفاده از مواد سازگار با محيط زيست در توليد و تعميرماشينهاي الكتريكي مورد توجه قرار گرفت. استفاده از رزينهاي با پايه آبي يكي ازاولين 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 نيزتوسعه يافت.
از ديگر پيشرفتهاي مهم اين دهه ظهور ژنراتورهاي ابررسانا بود. يكماشين ابررسانا عموماً‌از يك سيم‌پيچ ميدان ابررسانا و يك سيم‌پيچ آرميچر مسي تشكيلشده است. هسته رتور عموماً آهني نيست، چرا كه آهن به دليل شدت بالاي ميدان توليديتوسط سيم‌پيچي ميدان اشباع مي‌شود. فقط در يوغ استاتور از آهن مغناطيسي استفادهمي‌شود تا به عنوان شيلد و همچنين منتقل كننده شار بين قطبها عمل كند. عدم استفادهاز آهن، موجب كاهش راكتانس سنكرون (به حدود pu5/0- 3/0) در اين ماشينها شده كهطبعاً موجب پايداري ديناميكي بهتر مي‌شود. همانطور كه اشاره شد، اولين مادهابررساناي تجاري نيوبيوم- تيتانيوم بود كه تا دماي 5 درجه كلوين خاصيت ابررساناييداشت. البته در دهه‌هاي بعد پيشرفت اين صنعت به معرفي مواد ابررسانايي با دمايعملكرد 110 درجه كلوين انجاميد. براين اساس مواد ابررسانا را به دو گروه دما پايينمانند 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 استفادههاديهاي 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 بااستفاده از هاديهاي دماپايين، با هدف نصب در شبكه آغاز كرد.
ساخت و تست اينژنراتور MVA20، دو قطب و rpm3600 در سال 1979 به پايان رسيد. در اين ماشين از روشطراحي هسته هوايي بهره گرفته شده بود و سيم‌پيچ ميدان آن توسط هليم مايع خنكمي‌شد. اين ژنراتور، بزرگترين ژنراتور ابررساناي تست شده تا آن زمان (1979) بود.
در سال 1979 وستينگهاوس و اپري ساخت يك ژنراتور ابررساناي MVA300 را آغازكردند. اين پروژه در سال 1983 به علت شرايط بازار جهاني با توافق طرفين لغوشد.
در همين زمينه كمپاني زيمنس ساخت ژنراتورهاي دماپايين را در اوايل دهه 1970شروع 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 انجامنشد.
در اين دهه آلستوم نيز طراحي يك رتور ابررسانا براي يك توربو ژنراتورسنكرون را آغاز كرد. اين رتور در يك ماشين MW250 به كار رفت.
با توجه به اهميتخنك‌سازي در كاركرد مناسب ژنراتورهاي ابررسانا، همگام با توسعه اين صنعت، طرحهايخنك‌سازي 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 مايعقرار مي‌گرفت و با جوشش هليم دردماي 2/4 كلوين خنك مي‌شد. جداسازي مايع ازگاز توسطنيروي 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 زيرمي‌رسيم:
1- شايان ذكر است بررسي كل مقالات در دهه‌هاي مختلف نشان مي‌دهد كهزمينه‌هاي اصلي مورد توجه طرحهاي بدون جاروبك، سيستمهاي خنك‌سازي، سيستمهاي تحريك،روشهاي عددي، سيستم عايقي، ملاحظات مكانيكي، ژنراتور آهنرباي دائم، پاورفرمر وژنراتورهاي ابررسانا بوده‌اند. تمركز اكثر تحقيقات بر روي كاربرد مواد ابررسانا درژنراتورها بوده است.
2- استفاده از روشهاي كامپيوتري برايتحليل و طراحيماشينهاي الكتريكي آغاز شد.
3- حلالها از سيستمهاي عايق كاري حذف شدند وتكنولوژي رزين ريچ بدون حلال ارايه شد.
تحولات دهه 1980در اين دهه نيز همچوندهه‌هاي گذشته سيستمهاي عايقي از زمينه‌هاي مهم تحقيقاتي بوده است. در اين دههآلستوم يك فرمول جديد اپوكسي بدون حلال كلاس F در تركيب با گلاس فابريك و نوع خاصياز كاغذ ميكا با نام تجاري دورتناكس را ارايه داد. اين سيستم عايق كاري داراياستحكام مكانيكي بيشتر، استقامت عايقي بالاتر، تلفات دي‌الكتريك پايينتر و مقاومتحرارتي كمتري نسبت به نمونه‌‌هاي قبلي بود.
در ادامه كار بر روي پروژه‌هايابررسانا، 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 ثمررسيد.
سيستمهاي خنك‌سازي ژنراتورهاي ابررسانا هنوز در حال پيشرفت بودند. در اينزمينه مي‌توان به ارايه طرح سيستم خنك‌سازي تحت فشار توسط انستيتو جايري ژاپن اشارهكرد. اين طرح كه در سال 1985 ارايه شد داراي يك مبدل حرارتي پيشرفته و يك مايع‌سازهليم با ظرفيت 350 ليتر بر ثانيه بود.
:10::10::10::10::10::10::10::10::10::10::10::10::1 0::10::10::10::10::10:
