ساختمان و اساس کار ژنراتور
ژنراتورها و موتور الکتریکی
ژنراتورها و یا موتور الکتریکی گروه از وسایل استفاده شده جهت تبدیل انرژی مكانیكی به انرژی الکتریکی یا برعكس، توسط وسایل الكترومغناطیس هستند. یك ماشینی كه انرژی الکتریکی را به مكانیكی تبدیل می كند، موتور نام دارد. ماشینی كه انرژی مكانیكی را به انرژی الکتریکی تبدیل می كند، ژنراتور یا آلترناتور یا متناوب كننده یا دینام نامیده می شود.
دو اصل فیزیكی مرتبط با عملكرد موتور و ژنراتورها وجود دارد. اولین اصل فیزیكی اصل القایی الكترومغناطیسی كشف شده توسط مایكل فارادی دانشمند بریتانیایی است. اگر یك هادی در میان یك میدان مغناطیسی حركت كند یا اگر طول یك حلقه ی القایی ساكنی جهت تغییر استفاده شود. یك جریان ایجاد می شود یا القا می شود در كنتاكنتور بحث این اصل این است كه در مورد واكنش الكترومغناطیسی بحث می كند و این كه این واكنش در ابتدا توسط آندر مری آمپر در سال 1820 كه دانشمند فرانسوی است كشف شد. اگر یك جریان از میان یك كنتاكتور كه در میدان مغناطیسی قرار گرفتند عبور كند. میدان نیروی مكانیكی بر آن وارد می كند.
ساده ترین ماشینی های دینامو الكتریك دیسك دینامیكی است كه توسعه یافته توسط افرادی است كه آن شامل یك صفحه ی مسی پیچیده شده است. كه این پیچش از مركز تا لبه وجود دارد و بین قطب های یك آهنربای سمبر اسبی است.
وقتی دیسك می چرخد یك جریان بین مركز دیسك و لبه ی آن توسط عملكرد میدان آهنربا القا می شود كه دیسك یا صفحه می تواند ساخته شود. جهت عمل كردن به عنوان یك موتور توسط بكار بردن یك ولتاژ بین لبه ی دیسك و مركزش كه این به علت چرخش دیسك به دنده بدلیل نیروی تولید شده توسط واكنش مغناطیس است. میدان مغناطیسی آهن ربای دائم به اندازه ی كافی برای كار كردن كافی است. كه حتی به عنوان یك موتور یا دینام كوچك بكار می رود (كار می كند). در نتیجه برای ماشین های بزرگتر آهنربای بزرگتری بكار می رود. هم موتور و هم ژنراتورها دارای دو اصل هستند: قسمت ها و میدان كه آهنربای الكترومغناطیسی با سیم پیچ هایش و آرمیچر و ساختاری كه از كنتاكتور حمایت می كند و كار قطع میدان مغناطیسی و حمل جریان القا شده ژنراتور یا جریان ناگهانی به موتور را دارد است. آرمیچر معمولا هسته ی نرم آهنی اطراف سیم های القایی كه دور سیم پیچ ها پیچیده شده اند، است.
موتور AC:
دو نوع اساسی موتور طراحی شده اند برای عمل كردن بر روی جریان متناوب پولی فاز موتور سنكرون و موتور القایی موتور سنكرون اساسآ یك تناوب گر (آلترناتور) سه فاز است كه بصورت معكوس كار می كند. آهنربا های میدان روی رتور پیچیده شده اند، توسط جریان مستقیم تحریك شده اند و سیم پیچ آرمیچر به سه قسمت تقسیم می شود و با جریان متناوب سه فاز تغذیه می شوند.
تغییر موج های سه فاز جریان در آرمیچر واكنش متغییر مغناطیس را با قطب های آهنربا های میدان سبب می شوند. چرخش میدان با یك سرعت ثابت كه سرعت ثابت توسط فركانس جریان در خط قدرت AC تعیین می شود را سبب می گردند، سرعت موتور سنكرون در وسایل خاصی سودمند است. همچنین در كاربردهایی كه بار مكانیكی روی موتور خیلی زیاد می شود و نیز موتور سنكرون نمی توانند استفاده شوند. بخاطر اینكه اگر موتور سرعتش كاسته شود تحت بار آن یك مرحله عقب می ماند.
در واقع یك پله كاسته می شود با فركانس جریان و منجر به توقف موتور می شود موتور سنكرون می توانند ساخته شوند. برای عملكرد از یك منبع قدرت تك فاز توسط با شکل شدن عناصر مدار مناسب كه یك میدان مغناطیسی چرخش را سبب می شود. ساده ترین موتور الکتریکی نوع قفس سنجابی موتور القایی استفاده شده باید یك تغذیه سه فاز می باشد. استاتور یا آرمیچر ساكن از موتور قفس سنجابی شامل سه سیم پیچ ثابت مشابه با آرمیچر موتور سنكرون می باشد.
عصر چرخشی متشكل از یك هسته: در قسمتی كه یك سری از كنتاكتورها سنگین نظم داده و منظم شده اند و قرار گرفته اند. بصورت یك دایره در اطراف شافت (میله) و موازی با آن برداشتنی هستند. كنتاكتورهای روتور به شكل قفسه ای استوانه ای و مشابه به آن استفاده می شوند، بصورت سنجابی كار می كنند. جریان سه فاز در سیم پیچ های استاتور جاری می شوند و یك میدان مغناطیسی چرخشی تولید می كند.
این میدان یك جریان در كنتاكتورهای نوع قفسه ای القا می كند. واكنش مغناطیسی بین میدان چرخشی و كنتاكتورهای حامل جریان روتور روتور را به حركت در می آورند.
اگر روتور دقیقا با سرعت یكسانی به مانند میدان مغناطیسی بچرخد هیچ جریانی در آن القا نخواهد شد و از این رو روتور با سرعت سنكرون نباید به حركت دراید. در عمل سرعتهای چرخش روتور و میدان در حدود 2 تا 5 درصد با هم تفاوت دارند. این تفاوت سرعت بعنوان لغزش معروف است. موتور با روتور های قفس سنجابی می توانند استفاده شوند. روی جریان متناوب تكفاز بوسیله نظم های مختلفی از القا و ظرفیت و بر اساس این دو مورد كه ولتاژ تكفاز را اصلاح می كند و تغییر می دهد و آن را به ولتاژ فاز تبدیل می كند. چنین موتور به عنوان موتور فاز شكاف (Spelat Phase) مشخص و معروفند یا موتور تعدیل كننده یا كند از سر (موتور های خازنی) بر اساس نظم و ترتیب آن ها استفاده می شوند.
موتور قفس سنجابی تكفاز گشتاور شروع (راه اندازی) زیادی ندارند. و برای به كار انداختن در حالی كه گشتاور زیاد است موتور خنثی القایی استفاده می شود. یك موتور خنثی القایی ممكن است از نوع فاز شكاف باشد. یا از نوع تعدیل كننده اما یك سوئیچ یا اتوماتیك یا دستی دارد كه اجازه می دهد جریان بین جاروبك های كموتاتور وقتی موتور شروع به حركت می كند، جاری شود و اتصالات كوتاه همه اجزای كموتاتور بعد از اینكه موتور به یك سرعت تقسیم می شوند. موتور دفع القایی یا خنثی القایی به ای خاطر نامیده شده اند. كه گشتاور راه اندازیشان وابسته است به دفع بین روتور و استاتور و گشتاورشان در زمان راه اندازی وابسته است به القا موتور های سیم پیچی شده ی سری با كموتاتور ها كه بر روی جریان متناوب با جریان مستقیم عمل می كنند، موتور یونیورسال نامیده می شوند. آن ها معمولا فقط در اندازه های كوچك ساخته می شوند و معمولا در مصارف خانگی كاربرد دارند.
آلترناتور های جریان متناوب(AC)(آلترناتورها) ژنراتورها:
همانطور كه در بالا گفته شد یك ژنراتور ساده بدون كموتاتور تولید خواهد كرد كه یك جریان الکتریکی كه متناوب می شوند. در مسیر همانطور كه آرمیچر می چرخد چنین جریان متناوبی مزیت زیادی دارد. برای انتقال توان الکتریکی و از این رو بشترین ژنراتورهای الکتریكی بزرگ از نوع AC هستند. در ساده ترین شكلش یك ژنراتور AC فقط در دو حالت خاص فرق می كند با ژنراتور DC پایانه های سیم پیچ آرمیچرش بیرون هستند.
برای حلقه های لغزان جزئی شده جامد روی شافت (میله) ژنراتور بجای كموتاتور و سیم پیچ های میدان توسط یك منبع DC خارجی تغذیه انرژی می شوند. تا اینكه توسط خود ژنراتور این كار انجام می شود. ژنراتورهای AC سرعت پایینی با تعداد زیادی در حدود 100 قطب ساخته می شوند. هم برای بهبود بازده شان و هم برای دست یافتن به فركانس دلخواه به آسانی؛ آلترناتورها با توربین های سرعت بالا راه اندازی می شوند.
همچنین اغلب ماشین های دو قطبی هستند. فركانس جریان گرفته شده توسط ژنراتور AC مساوی است با نیمی از تعداد قطب ها و تعداد چرخش آرمیچر در هر ثانیه. اغلب مطلوب است در مورد ژنراتور كه ولتاژ بالایی وجود داشته باشد و آرمیچر های در حال چرخش در چنین كاربرد هایی صرف عمل نمی كنند. بخاطر احتمال جرقه زنی بین جاروبك ها و حلقه های لغزان و خطر شكست های مكانیكی كه ممكن است سبب اتصال كوتاه شود.
آلترناتورها بنابراین با یك سیم پیچ ساكن كه بدور یك روتور می چرخد. این روتور شامل تعدادی آهنربای مغناطیسی میدان هستند، ساخته می شوند. اصل عملكرد آنها دقیقا مشابه عملكرد ژنراتور های AC توصیف شده اند. بجز اینكه میدان مغناطیسی (نسبت به كنتاكتورهای آرمیچر) به حركت درمی آیند. جریان تولید شده توسط آلترناتورهای توصیف شده در بالا به یك پیك می رسد و به صفر ختم می شوند و به یك پیك منفی افت می كنند و دوباره به سمت صفر می آیند. در چند زمان در واقع چندین بار در هر ثانیه بسته به فركانس كه ماشین طراحی شده چنین جریان را جریان متناوب تكفاز نامیده اند.
همچنین اگر آرمیچر در داخل دو سیم پیچ قرار گیرد. كه این سیم پیچ ها از زاویه ها و گوشه های راست یكدیگر كشیده شده اند و با اتصالات خارجی مجزا تهیه شده اند. دو موج جریان تولید خواهد شد. هر كدام در ماكزیممش خواهد بود، وقتی كه دیگری به صفر برسد. چنین جریانی را جریان متناوب سه فاز نامیده اند. اگر سه سیم پیچ آرمیچر با زوایای 120درجه با یكدیگر قرار گیرند، جریان به شكل موج سه برابر و كریپل تولید خواهد شد كه به آن جریان متناوب سه فاز گفته می شود.
یك تعداد زیادترین از فازها ممكن است با افرایش تعداد سیم پیچ ها بدست آمده باشند و گرفته شوند در آرمیچر اما در مهندسی برق مدرن جریان متناوب سه فاز بسیار پركاربرد است و آلترناتور سه فاز ماشینی دیناموالکتریکی است كه بطور كلی برای تولید قدرت الکتریکی (یا توان الکتریکی) بكار می رود. ولتاژ های بالای 13200 در آلترناتور ها رایج ترند.
ژنراتور الکتریکی
یک ژنراتور الکتریکی دستگاهی است که از یک منبع انرژی مکانیکی تولید انرژی الکتریکی می‌کند. این فرآیند را تولید الکتریسته می‌نامند. قبل از اینکه ارتباط بین مغناطیس و الکتریسته کشف شود، ژنراتور ها از اصول الکتروستاتیک بهره می‌بردند. ماشین ویمشارت از القای الکترواستاتیک یا تأثیر کردن استفاده می‌کرد. ژنراتور واندوگراف از اثر تریبوالکتریک برق مالشی برای جدا سازی بارهای الکتریکی با استفاده از اصطکاک بین عایق ها استفاده می‌کرد. ژنراتور های الکتروستاتیک کارآمد نیستند و تنها برای آزمایشات علمی که نیازمند ولتاژهای بالا است، مناسب هستند.
فارادی
در سال 1831–1832میلادی 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 قطب های 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 براساس اصول فارادی در سال 1832 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 قطب های 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 قطب های شمال و جنوب آهنربا جریان ها را در جهت های 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 1870میلادی، این طرح را دوباره ابداع کرد. طراحی وی با نام دینامی گرام معروف است. نسخه‌های مختلف و تغییرات زیادی از آن هنگام تاکنون 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 براساس دیگر پدیده‌های الکتریکی نظیر: پیزو الکتریسته و هیدرودینامیک 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. ژنراتورهای الكتریكی اصلاح شده دارای بازده و قابلیت اعتماد بیشتری هستند.
ژنراتورهای توربینی در بیش از 100 سال پیش كه برای اولین بار وارد عرصه كاری شدند با هوا خنك می شدند. با این حال همچنان كه خروجی واحد ژنراتور افزایش پیدا كرد نیاز به خنك كنندگی موثر افزایش یافت. این نیاز منجر به تكمیل ژنراتورهایی شد كه با هیدروژن و آب، خنك می شدند. هدایت حرارتی هیدروژن، هفت برابر هوا بوده و با همان فشار مطلق، چگالی آن یك دهم هواست.
پیش از انتخاب نوع سیستم خنك كنندگی مورد استفاده برای ژنراتور، دو موضوع عمده وجود دارد كه عبارتند از: اندازه مگاولت آمپر ژنراتور و یك سایت هوا با كیفیت خوب. با وجود این كه خنك كنندگی با هوا نوعا برای واحدهای كوچكتر استفاده می شود. هم اكنون اصلاح فن‌آوری های جدید به هوا این امكان را می دهد تا برای ژنراتورهایی كه حداكثر 30 مگاولت آمپر ظرفیت دارند مورد استفاده قرار گیرد. ژنراتورهای الكتریكی، حجم زیادی از هوا را مصرف می كنند. در جایی كه كیفیت هوا مساله ساز نیست، ژنراتورها با سیستم خنك كنندگی هوای باز كه بازده بالایی از نظر فیلتراسیون و آب بندی محوری تحت فشار دارند، بهترین انتخاب و همچنین دارای حداقل هزینه است.
سایت نیروگاه قدرت كه دارای ذرات ریز و سولفور قابل ملاحظه هستند باید ژنراتورهایی را كه خنك كنندگی آنها با آب و هوای محبوس انجام می شود، مورد بررسی قرار دهند. این ژنراتورها چنانچه دارای سیستم خنك كنندگی با آب و آب بندی محوری تحت فشار با فیلترهای هوای جبرانی باشند از نظر فیزیكی بزرگتر هستند. ژنراتورهایی كه خنك كنندگی آنها با آب و هوای محبوس صورت می گیرد، از ژنراتورهایی كه خنك كنندگی آنها با هوای باز انجام می شود گرانتر بوده و بازده كمتری نیزدارند.
با این همه در حالی كه ذرات ریز، یك موضوع قابل بررسی است و وقتی كه مساله‌ای از نظر ذخیره‌سازی هیدروژن در نیروگاه وجود ندارد. عموما ژنراتورهایی كه با هیدروژن خنك می شوند انتخاب مناسبی به نظر می رسد. با وجود آن كه این نوع از ژنراتور گرانترین نوع است ولی بالاترین بازده را دارد.
سیستم های خنك كنندگی
طراحی واحدهایی كه با هیدروژن خنك می شوند در مقایسه با ژنراتورهایی كه با هوا خنك می شوند پیچیده‌تر است. سیستم هایی كه با هیدروژن خنك می شوند به محفظه‌ای كه در مقابل فشار مقاوم باشد و نیز به آب بندی خاص و یك دستگاه تهویه گازی نیاز دارند. علاوه بر آن سیستم هایی كه با هیدروژن خنك می شوند قبل از آن كه برای تعمیر و نگهداری از سرویس خارج شوند باید با دی اكسید كربن پاكسازی شوند. همچنین قبل از آن كه مجدد از هیدروژن پرشوند و به سرویس بازگردند لازم است با دی اكسید كربن پاكسازی شوند. با وجود آن‌كه ژنراتور هایی كه با هوا خنك می شوند ازنظر فیزیكی بزرگتر از ژنراتورهایی هستند كه با هیدروژن خنك می شوند، با اندازه یكسان دارای هزینه اولیه كمتری هستند. به علاوه تعمیر آنها ساده‌تر و با هزینه كمتر است. ژنراتورهای بزرگی كه با هوا خنك شده و متعلق به شركت آلستوم هستند عموم مجهز به سیستم خنك كنندگی آب – هوای محبوس (TEWAC) هستند.
در سیستم خنك كنندگی آب – هوا، ژنراتور به وسیله هوا خنك می شود. هوای گرم پس از آن كه‌در خنك كن های آب – هوا سرد شد مجدد وارد سیكل می شود. در این واحدها هادی های سیم‌پیچ میدان روتور تو خالی بوده و به صورت محوری خنك می شوند. برخلاف بخش فعال ژنراتورهای قدیمی كه باهوا خنك می شوند، سیم پیچ های میدان‌جدیدتر در هر ماشین دارای دو بخش خنك كن است. در بخش اول جریان هوا از زیر استوانه انتهایی می گذرد و قبل از خروج به داخل هادی تو خالی جریان پیدا می كند. جریان هوای خنك كن برای بخش دوم از طریق یك شیار فرعی كه در زیر سیم پیچ تعبیه شده است صورت می گیرد.
هسته استاتور كه به شكل محوری به اتاق هایی تقسیم شده است هوای خنك كننده برای استاتور را فراهم می آورد. این كار با جریان متناوب هوا به داخل و به بیرون اتاقك های تهویه انجام می شود.
تولیدكنندگان با اضافه كردن اتاقك های تهویه بیشتر نسبت به ماشین های ژنراتور كوتاه تر قدیمی توانسته‌اند میزان خنك كنندگی ژنراتور را بهینه كنند. طبق گزارش آلستوم، بهینه سازی خنك كنندگی و این واقعیت كه هم اكنون خروجی های بیشتری برای هوای خنك كن روتور وجود دارد توزیع دما در سیم‌پیچ استاتور و هسته‌را یكنواخت كرده است.
شكستن مانع 300 كیلوولت آمپری
انجام اصلاحات طی چند سال اخیر برروی طراحی ژنراتورهایی كه با هوا خنك می شوند، سبب شده است كه واحدهای تولید شود كه تا چند سال گذشته فقط با ژنراتورهایی كه با هیدروژن خنك می شوند امكان‌پذیر بود. در طول چهار دهه گذشته‌ظرفیت ژنراتورهایی كه با هوا خنك می شوند از 90 مگاولت آمپر به بیش از 300مگاولت آمپر افزایش یافته است.
یكی از تولیدكنندگان (آلستوم) خروجی ژنراتورهایی كه با هوا خنك می شوند را تا 33 درصد افزایش داده است. این كار با افزایش قطر روتور و طول فعال آن به میزان 10 درصد اجرا شده است. افزایش خطی ژنراتور نیز حجم Slot (یكی از شیارهای نگه دارنده رسانا در سطح روتور یا استاتوریك ماشین گردنده الكتریكی) را بزرگتر كرده و در نتیجه سیم پیچ های بیشتری قابل اضافه كردن بود. متاسفانه وقتی قطر روتور افزایش داده می شود اتلاف سیم‌پیچ نیز افزایش می یابد. بخش قابل توجهی از اتلاف سیم پیچیناشی از اصطكاك سطح است.
ژنراتورها دیگری كه توسط آلستوم تكمیل شده یك ماشین 50 هرتز 500 مگاولت آمپری است. این ماشین یك پیشرفت عمده در فن آوری ژنراتورهایی كه‌با هوا خنك می شوند بوده و خنك كنندگی آن به شكل معكوس امكان‌پذیر شد. در خنك كنندگی معكوس، فن ها در بالا دست كولر قرار می گیرند و به این ترتیب بخش فعال ژنراتور به طور مستقیم و بدون هیچ‌گونه پیش گرمایشی از هوایی كه از كولرها می آید بهره مند می شود. هوایی كه به‌طور مستقیم از فن ها تامین شده است، همچنان كه از درون فن عبور می كند، پیش گرم می شود.
هوا در پایین دست كولرها در ابتدا از یك ناحیه مخلوط عبور می كند، كه توزیع همگنی از هوای سرد را به ورودی ژنراتور می رساند. حتی اگر یك كولر، خارج از سرویس باشد این نوع از خنك كنندگی به ژنراتور این امكان را می دهد كه با 75 درصداز خروجی اسمی خود كار كند.
محفظه ژنراتور 500 مگاولت آمپرآلستوم كه با هوا خنك می شود، كاملا جوشكاری شده و دارای یاتاقان هایی است كه بر روی محفظه‌ای نصب شده و از یك سیستم خنك‌كننده بسته استفاده می كند. ابتكار طراحی عمده دیگر آن است كه ژنراتور با راه آهن قابل حمل‌ونقل است.
بررسی اصلاحات در ساختمان و اساس کار ژنراتور
در حالی كه بیش از 20 سال از كار اغلب نیروگاه های قدرت ایالات متحده می گذرد. متخصصان نیروگاه های تولید برق در جست‌وجوی راه هایی بوده‌اند، تا قابلیت اعتماد و در دسترس بودن ژنراتورهای قدیمی را بهبود بخشند. غیر از جایگزینی ژنراتورها، برخی از ژنراتورهای قدیمی تر را معمولا می توان با سیم پیچی مجدد استاتورها ونو كردن exciter (ژنراتور كمكی كوچكی كه‌جریان میدانی لازم را برای ژنراتوری با جریان متناوب فراهم می كند) اصلاح كرد. دبلیوجی مور مدیر مهندسی كویل‌برق ملی در كلمبوس اوهایو می گوید كه در هنگام اصلاح و بازسازی ژنراتورهای الكتریكی، یكی از اولین مراحل، آن است كه شرایط فورجینگ روتور ارزیابی شود.
در غیر از مواردی كه مسائل جدی بروز كند جایگزین كردن روتور، لازم نیست. هرگونه تركی كه در سوراخ ها پیدا شود عموما از فركانس پایین و ناشی از تنش های چرخشی در اثنای شروع بكار و توقف واحد است.
با این همه چنین ترك هایی را نباید نادیده گرفت چرا كه می توانند منجر به گسیختگی كاتاستروفیك روتور شوند. به گفته قبل از بازگرداندن یك روتور قدیمی تر به سرویس باید سوراخ ها به طور كامل بازرسی شوند تا شرایط كیفی آنها برای كاركرد دراز مدت تایید شود. علاوه بر بازرسی چشمی سوراخ، آزمایش های مغناطیسی و ماورای بنفش UT نیز باید اجرا شود. هرگونه مسأله‌سطحی را می توان با سنگ زدن سوراخ، اصلاح كرد. با این حال، ترك های عمیق‌تر باید با سوراخ كردن برداشته شوند.
محل های دندانه دار روتور می تواند در شعاع های ماهیچه‌ای بالای دندانه، ایجاد ترك كند. این سوراخ ها را می توان با بازرسی چشمی، آزمایش با جریان گردابی (آزمایش غیرتخریبی كه در آن تغییر امپدانس یك كویل آزمایش كه به نزدیك نمونه هادی آورده شده است، جریان های گردابی ایجادشده به وسیله كویل را از خود نشان می دهد و در نتیجه برخی از خواص یا معایب نمونه‌را آشكار می كند). نافذ رنگی (مایعی دارای رنگ كه برای تشخیص ترك ها یا سایر معایب سطحی مواد غیر مغناطیسی بكار می رود) و یا با آزمایش ذرات مغناطیسی مرطوب، آشكار كرد. با این همه می گوید:
هیچ گزارشی از وقفه اجباری ناشی از ترك های دندانه‌دار، ثبت نشده است. ترك های كوچك را می توان با بزرگ كردن شعاع ماهیچه، برداشت به طوری كه در عین حال ترك های بزرگتر نیاز به برداشتن بالای دندانه‌ها و سپس بازسازی یك حلقه حایل طولانی تر دارند.
هنگامی كه رطوبت، وجود داشته باشد حلقه‌های حایل غیر مغناطیسی از جنس 5Cr 18Mn نسبت به تنش ترك خوردگی تاثیر پذیرند و در اثنای هر گونه اصلاح ژنراتور باید تعویض شوند. معمولا این نوع حلقه‌ها با حلقه‌هایی از جنس 18 Cr 18Mn تعویض می شوند. طبق‌گزارش G.E. فولاد ضد زنگ غیر مغناطیسی 18-18 نسبت به تنش ترك خوردگی مقاوم است.
ترك خوردگی شیار فنری شبه بست (نوعی فنر كه به عنوان بست استفاده می شود) به وسیله نیروهای متناوب حلقه حایل مخروطی در حال كشش بالای دندانه‌ها ایجاد می شود. با این وجود می گوید: این ترك ها به سادگی بایك آزمایش نفوذپذیری فلورسنت مغناطیسی مرطوب، آشكار می شوند. مشابه ترك خوردگی دندانه روتور، ترك های درون شیار فنر شبه بست را می توان با بزرگ كردن شعاع، اصلاح كرد.
سیم پیچ ها و عایق بندی در ساختمان و اساس کار ژنراتور
سیم پیچ های مسی روتور عمر نامحدودی دارند، ولی وقتی كه یك روتور تحت تاثیر گرمای بیش از حد قرار گیرد، مس نرم می شود. اگر مس بیش از حد نرم شده باشد، آزمایش سختی آن را تعیین خواهد كرد. مور می گوید: بازرسی چشمی باید هرگونه اعوجاج اضافی را مشخص كند. ترك خوردگی درپیچ های مسی روتور در روتورهایی كه روی حلقه‌های حایل آن‌محور كوتاهی نصب شده باشد عادی است. این ترك خوردگی ها را میتوان با یك آزمایش نافذ رنگی بررسی كرد. سیم پیچ های مسی باز پخت شده با مقاومت كم كه در واحدهای قدیمی نصب شده‌اند باید با نوعی مس بامقاومت بیشتر جابه‌جا شوند. طبق گفته >مور< این ماده (مس با مقاومت بیشتر) نسبت به تغییر شكل، مقاوم است. متاسفانه یك سیم پیچ باز پیچیده شده جدید مسی از مس های قدیمی كه مجددا استفاده شده باشد گرانتر است. اصلاحاتی كه در عایق بندی و صفحات لغزش از جنس ماده‌ای با ضریب اصطكاك كم انجام شده است. اعوجاج سیم پیچ های روتور را به حداقل رسانده و كاركرد ژنراتورها را اصلاح كرده است. برخلاف سیم پیچ های روتوری كه به صورت اقتصادی مجددا پیچیده شده باشند، عموما با سیم‌پیچ های استاتور جایگزین می شوند. با پیشرفت هایی كه هم اكنون در سیستم های عایق بندی انجام شده، عایق‌بندی كمتری مورد نیاز است. كاربرد ژنراتورهای الكتریكی در اثر درجه حرارت حداكثر مجاز رساناهای مسی در سیم پیچ های استاتور و نیز در اثر انتقال حرارت در درون عایق‌بندی، محدود شده است. با این وجود كاركرد ژنراتور در درجه حرارت های بالاتر برای مس‌های هادی در هنگامی امكان‌پذیر است كه كلاس حرارتی بالاتری برای ماده عایق بندی، استفاده شده باشد. واضح است كه با كاركرد ژنراتور دردرجه حرارت های بالاتر، خروجی ژنراتور افزایش پیدا می كند. هم اكنون برای كاركرد ژنراتور در درجه حرارت های بالاتر، مواد جدیدی وجود دارد. به دلیل این كه عایق‌بندی جدید، مقاومت حرارتی كمتری دارد انتقال حرارت میله‌های استاتور، بهبود پیدا كرده و خروجی ژنراتور افزایش می یابد. با وجود آن كه برای ژنراتورهای بزرگتر هنوز هم روش خنك كنندگی به وسیله هیدروژن مورد استفاده قرار می گیرد. اصلاحات اخیر در سیستم های خنك كنندگی با هوا و همچنین عایق بندی به روش خنك كنندگی با هوا اجازه داده است تا با سیستم های خنك كنندگی به وسیله هیدروژن برای ژنراتورهایی كه حداكثر ظرفیت آنها 500 مگاولت آمپر است رقابت كنند. طبق نظر سازندگان، استفاده از ژنراتورهایی كه با هوا خنك می شوند و ظرفیتشان بیش از 50 مگاولت آمپر باشد موضوعی است كه فقط زمان، آن را حل خواهد كرد. موتور شدن ژنراتور در اثر برگشت وات (حفاظت توربین بخار)
ژنراتورها باید انرژی الکتریکی به شبکه بدهند و هیچگاه از شبکه انرژی نگیرند. از این جهت در گذشته (در حدود 30 سال پیش) ژنراتورها را با یک رلۀ وات متری مجهز می کردند، بطوری که این رلۀ وات متری در موقع برعکس شدن جهت انرژی، عمل کرده و ژنراتور را از مدار قطع می کرد.
این قطع کردن ژنراتور در موقع برگشت وات لازم نیست، زیرا برگشت وات ضرری به ژنراتور وارد نمی کند. بلکه پس از قدری پاندولی و نوسانی شدن، ژنراتور مجددا حالت عادی خود را باز می یابد و به کار خود ادامه می دهد. از این جهت امروزه رلۀ برگشت وات جهت قطع ژنراتور در موقع تغییر جهت دادن انرژی الکتریکی به کار برده نمی شود، بلکه برای حفاظت توربین از آن استفاده می شود.
در لوله های بخار رسان توربین بخار ممکن است دو اشکال پیش آید:
یکی اینکه در اثر ترکیدن و یا سوراخ شدن لولۀ بخار ، عمل رساندن بخار به توربین قطع گردد. در این صورت اگر این ژنراتور بطور موازی با ژنراتور های دیگر بسته شده باشد، از شبکه انرژی الکتریکی می گیرد و به صورت موتور به گردش خود ادامه می دهد و توربین را با دور سنکرون می گرداند.
در حالت دوم ممکن است دریچۀ بخار بسته شده ولی به دلیل جذب نبودن سوپاپ خروجی، بخار صد در صد قطع نگردیده باشد و مقداری بخار به داخل توربین نشت کند. بطوری که حجم بخاری که وارد توربین می شود بیشتر از مقداری باشد که برای گرداندن توربین بدون بار لازم است. در صورتی که در این حالت ژنراتور از شبکه قطع گردد، توربین سرعت گرفته و دور آن آنقدر زیاد می شود که به اصطلاح سبب از جا کندن توربین و خورد شدن یاتاقان های آن می شود.
تنها وسیله ای که در این دو حالت از توربین حفاظت می کند، رلۀ برگشت وات است. رلۀ برگشت وات معمولاً یک رلۀ اندوکسیونی است که دارای دو حوزۀ عمود بر هم با اختلاف فاز 90 درجه و یک صفحۀ آلومینیومی است.
معرفی نرم افزار MICAA برای بررسی وضعیت سیم پیچ ها در موتورها و ژنراتورها
سیستم MICAA یكی از ابزارهای مهم نگهداری غیر مستقیم است كه به استفاده كنندگان كمك می كند تا خطر وقوع عیب در سیم پیچی های روتور و استاتور و ورقه های هسته موتور ها و ژنراتورهای بزرگ را تشخیص دهند. استفاده گسترده از MICAA توسط استفاده كنندگان و صنایع سراسر دنیا باعث شده كه از وقوع خطا در ماشین های در حال كار جلوگیری شده، مراقبت از سیم پیچ ها در نیروگاه بهبود یافته و هزینه ها كاهش یابد. سیستم MICAA كه ابداعی توسط IRIS با همكاری EPRI می باشد، حاصل صرف میلیون ها دلار برای انجام تحقیقات صنعتی و تجارب بهره برداری از نیروگاه ها است.
برخی از ویژگی های MICAA به شرح زیر می باشد:
از تعمیرات و از سرویس خارج كردن های غیرضروری اجتناب می شود زیرا MICAA قادر است با دقت كامل مشكلات ماشین را تشخیص و طبقه بندی كند. MICAA آزمایشات زائد و پر هزینه را با دسته بندی آزمایشات و بررسی اینكه كدام روش با توجه به وضعیت سیم پیچی یك ماشین خاص مناسب تر خواهد بود، حذف می كند.
هنگامی كه از MICAA به عنوان قسمتی از یك برنامه نگهداری جامع و غیرمستقیم استفاده می شود می توان وضعیت نامناسب موتورها و ژنراتورها را تشخیص داده و پیش از اینكه دچار حادثه شوند نسبت به تعمیر آنها اقدام نمود.
هزینه ها محدود شده و امكانات نیروگاه را می توان تنها به تجهیزاتی كه نیاز به رسیدگی دارند معطوف نمود. افراد كم تجربه تر می توانند بیشتر اطلاعات مناسب برای فرآیند تشخیص را جمع آوری كرده و افراد مجرب فرصت می یابند، كه تنها بر روی ماشین هایی كه وجود مشكل در آنها تشخیص داده شده متمركز شوند.
بانك اطلاعاتی MICAA بطور دائم نگهداری شده و با ایجاد كلمه رمز ورود، می توان از دسترسی افراد غیر مجاز به آن جلوگیری نمود و بدین ترتیب قابلیت اطمینان آن را بالا برد.
قابلیت ذخیره دائمی داده ها در MICAA ، دسترسی به سابقه كامل بهره برداری هریك از اجزاء روتور، استاتور و هسته را فراهم می كند. هنگامی كه یك جزء از یك ماشین به ماشین دیگر انتقال می یابد، سابقه بهره برداری آزمایش و تشخیص نقص آن نیز به سهولت به پرونده اطلاعاتی ماشین جدید فرستاده می شود.
بانك اطلاعاتی جامع MICAA دارای قابلیت های گرافیكی برای رسم نتایج آزمایش برای هر ماشین است.
ویژگی Tech Help سیصد صفحه ای شامل صدها نمودار و عكس، حتی افراد ناآشنا با ماشین های دوار را با توضیح مكانیزم خطا در استاتور و روتور آموزش داده و آنها را قادر می سازد تا آزمایشات و بررسی های كارشناسانه بر روی ماشین ها انجام دهند.
MICAA می تواند بر روی هر نوع كامپیوتر شخصی كه از سیستم عامل ویندوز استفاده می كند، اجرا شود.
MICAA با یك یا چند استفاده كننده می تواند كار كند. هم با محیط LAN و هم با محیط WAN سازگار است .
