ژنراتور، روتور، سنکرون، آهنربای، ژنراتورهای، ژنراتورها

و اینورتری تشکیل شدهاند، به شبکه وصل میگردند. مبدل سمت استاتور وظیفه تنظیم گشتاور الکتریکی و مبدل سمت شبکه وظیفه تنظیم توان اکتیو و راکتیو شبکه را بر عهده دارد. مزایای این سیستمها عبارتند از:
الف- این سیستم ها نیاز به تامین توان راکتیو از سمت شبکه ندارند، بنابراین تمام جریان استاتور صرف تامین گشتاور الکترومغناطیسی میگردد.
ب- امکان کنترل مستقیم ضریب توان وجود دارد.
ج- با افزایش تعداد قطبها و درنتیجه کاهش سرعت سنکرون حذف گیربکس امکان پذیر است .
از عیوب توربینهای بادی مجهز به ژنراتورهای سنکرون نیز میتوان به نیاز به مبدلی با قدرت تقریبی2/1 برابر (به جهت قابلیت اطمینان) قدرت توربین اشاره کرد [4].
روتور این ماشینها بر دو نوع است:
الف) روتور قطب برجسته: عمدتا در ماشین هایی بکار میرود که سرعت سنکرون آن ها کم است.
ب) روتور استوانهایی: بیشتر در ماشینهایی بکار میرود که سرعت سنکرون آن ها زیاد است.
در نیروگاههای بخاری از ژنراتور با روتور استوانهایی و در نیروگاههای بادی از روتور قطب بر جسته استفاده میشود.
انواع ژنراتور سنکرون بر اساس نوع تحریک روتور:
ژنراتور سنکرون با تحریک کلاسیک ((SG
این نوع از ژنراتورهای سنکرون روتور سیمپیچی شده (WRSG) هستند و از طریق حلقههای لغزان و جاروبک، سیم پیچیهای روتور با ولتاژ DC تغذیه می شوند و به سیستم تحریک نیاز دارد. به همین دلیل یک یکسوساز اضافی برای تامین این توان مورد نیاز خواهد بود که با استفاده از سیستم تنظیم ولتاژ (AVR) کنترل میشود.
شکل1-6: توربین بادی مجهز به ژنراتور سنکرون روتور سیم پیچی شده[2]
از معایب این ژنراتور می توان به وجود حلقههای لغزان برای تحریک روتور اشاره کرد که باعث تلفات و کاهش بازده و هزینهای برای نگهداری میگردد. همچنین سیم پیچی روتور سبب افزایش چشمگیر حجم و وزن ژنراتور خواهد شد، که این امر یکی از بزرگترین نکات منفی این نوع ژنراتور است، زیرا جابجایی و نصب ژنراتور بسیار مشکلتر میشود.
ژنراتور سنکرون با مغناطیس دائم
در این نوع از ژنراتورها به جای استفاده از مدار روتور برای تولید میدان مغناطیسی تحریک، از آهنرباهای دائم استفاده میشود. به این ترتیب مدار تغذیه ی مدار روتور حذف خواهد شد و در کنار آن دیگر نیازی به حلقه های لغزان نیز وجود ندارد.
طی چند سال اخیر و با کاهش قیمت آهنرباهای دائم (بخصوص NdFeB) توربین سازهای مختلف به شدت به سمت این ساختار جذب شدهاند. از جمله مزایای این سیستم را می توان اینگونه توصیف نمود، سرعت این سیستم کاملا قابل کنترل است که در نتیجهی آن راندمان بسیار بالا به همراه امکان تثبیت ولتاژ و فرکانس شبکه بوجود آمده است. بدلیل حذف گیربکس از ساختار این نوع توربین بادی هزینه نگهداری آن نیز به شدت پایین آمده و تلفات آن نیز کاهش یافته است.

شکل1-7: توربین بادی مجهز به ژنراتور سنکرون مغناطیس دائم[2]خلاصه معایب و مزایای انواع ساختارهای توربینهای بادی
با توجه به طبقه‌بندی‌های ذکر شده برای توربین بادی می‌توان ژنراتورهای استفاده شده در آنها را در دو دسته‌ی کلی ژنراتورهای آسنکرون (القایی) و سنکرون جای داد. ژنراتورهای القایی قفس سنجابی و روتور سیم‌پیچی شده (با تغذیه دوگانه و یا دارای مقاومت متغیر در روتور) هر دو به وفور در توربین‌های بادی سنتی مورد استفاده قرار گرفته‌اند. ژنراتور القایی دارای چندین مزیت است که مهمترین آنها استحکام و سادگی مکانیکی می‌باشد. علاوه بر این اگر ژنراتور القایی در اندازه‌های بزرگ و قدرت‌های بالا ساخته شود، قیمت آن نیز بسیار مقرون به صرفه خواهد بود. عیب اصلی ژنراتور القایی این است که نیاز به یک جریان مغناطیس‌کننده‌ی پسیو دارد. ژنراتور القایی دارای آهنربای دائم نمی‌باشد و به طور جداگانه تحریک می‌شود. به همین دلیل باید جریان تحریک‌کننده را از منبع دیگری دریافت کند و توان راکتیو مصرف می‌کند. ژنراتورهای سنکرون گرانتر و از نظر مکانیکی پیچیده‌تر از یک ژنراتور القایی هم‌اندازه می‌باشند. با این حال یک مزیت بدیهی ژنراتورهای سنکرون در مقایسه با ژنراتورهای آسنکرون عدم نیاز به جریان مغناطیس‌کنندگی است. میدان مغناطیسی در ژنراتور سنکرون می‌تواند با استفاده از آهنربای دائم یا یک سیم‌پیچی میدان (WRSG) ایجاد شود. در صورتی که تعداد قطب‌های ژنراتور سنکرون مناسب باشد، این ژنراتور را می‌توان در کاربردهای درایو مستقیم و بدون استفاده از جعبه‌دنده به کار برد. جدول 1-1 به طور خلاصه مزایا و معایب هریک از انواع ژنراتورهای مورد استفاده در نیروگاه‌های بادی را بیان می‌کند.
با توجه به جدول 1-1 و مزایای قابل توجه ژنراتور سنکرون آهنربای دائم در مقایسه با سایر انواع ژنراتورهای توربین بادی، با پیشرفت تکنولوژی ساخت آهنربای دائم و به موازات آن کاهش هزینه‌ها، توجه زیادی را به خود جلب کرده است. مسیر حرکت شار، القا و تولید ولتاژ در ژنراتورهای سنکرون با تحریک آهنربای دائم متفاوت است و آنها را در سه دسته‌ی شار محوری (AFPM)، شار شعاعی (RFPM) و شار عرضی (TFPM) جای می‌دهد. مسیر عبور شار و تولید ولتاژ القایی در ژنراتور شار شعاعی آهنربای دائم، مشابه ژنراتورهای دارای سیم‌پیچی روتور سنتی بوده با این تفاوت که سیم‌پیچی روتور حذف شده و این شار توسط آهنربای دائم تولید می‌شود. ژنراتور سنکرون روتور سنتی به دلیل سیم‌پیچی روی روتور سبب افزایش بسیار زیاد حجم و وزن ژنراتور شده و لذا در توربین‌های بادی درایو مستقیم کمتر استفاده می‌شوند. در فصل بعد به مقایسه‌ی دقیق‌تری از ماشین‌های شار شعاعی آهنربای دائم پرداخته می‌شود.
جدول 1-1: مزایا و معایب انواع ژنراتورهای توربین بادی
ژنراتور مزایا معایب
القایی قفس سنجابی ساختمان ساده
استحکام مکانیکی
هزینه‌ی کم به ویژه در توان‌های بالا
تلفات کم روتور
عدم نیاز به حلقه‌های لغزان
کاهش پالس گشتاور در توربین
اتصال مستقیم به شبکه (کاهش هزینه‌ها) سرعت ثابت
نیاز به شبکه‌ی قدرت مستحکم و قابل اطمینان
نیاز به جعبه‌دنده
ضریب توان کم به ویژه در بار کامل
نیاز به جبران کننده‌ی توان راکتیو وسیستم راه‌انداز
امکان ناپایدارسازی ولتاژ شبکه
القایی روتور سیم‌پیچی شده با مقاومت متغیر سرعت متغیر
نسبت به سایر توربین‌های سرعت متغیر ارزانتر است.
راندمان بالاتر از ژنراتور القایی قفس سنجابی
در بازه‌ی تغییرات 0 تا 10 درصد سرعت سنکرون، توان ماکزیمم قابل حصول است.
حدف اضافه بار در تندبادها
گران‌‌تر از ژنراتورهای القایی قفس سنجابی
کاهش استحکام مکانیکی در مقایسه با ژنراتور القایی قفس سنجابی
بازه‌ی تغییرات سرعت محدود بوده و به اندازه‌ی مقاومت متغیر بستگی دارد.
کنترل ضعیف توان اکتیو و راکتیو
از دست دادن توان به شکل تلفات مقاومتی
القایی تغذیه دوگانه محدوده‌ی تغییرات سرعت وسیع (30% سرعت سنکرون)
توانایی تولید توان راکتیو مورد نیاز استاتور و کنترل توان راکتیو
کاهش قابل توجه در هزینه‌ی مبدل قدرت
فرسایش، خرابی و نگهداری مربوط به جاروبک و حلقه‌ی لغزان
سیستم کنترل پیچیده‌ی مربوط به کل واحد
مشکلات مرتبط با اتصال مستقیم به شبکه
نیاز به جعبه‌دنده
نیاز به حفاظت شدید در مقابل خطای شبکه
نیاز به مبدل قدرت
سنکرون روتور سیم‌پیچی قابلیت عملکرد بدون جعبه‌دنده
کنترل ساده‌ی توان راکتیو
عملکرد در محدوده‌ی وسیعی از سرعت باد
راندمان بالا
نیاز به مبدل قدرت با توانی مشابه توان ژنراتور
نیاز به سیستم تحرک
حجم و وزن زیاد
مشکلات ساخت، حمل و نقل
سنکرون با آهنربای دائم بدون جعبه‌دنده
قابلیت عملکرد در محدوده‌ی بسیار وسیعی از سرعت
فاقد حلقه‌ی لغزان، جاروبک و سیم‌پیچی روتور و مشکلات ناشی از آنها
راندمان بالا
هزینه‌ی بالای مربوط به آهنربای دائم
احتمال غیرمغناطیس شدن آهنربای دائم (در اثر حرارت، ضربه و…)
ساخت در توان‌های بالا به مراتب مشکل‌تر است.
نیاز به مبدل قدرت
تاریخچه‌ی ماشین‌های آهنربای دائم روتور بیرونیتاریخچه‌ی ماشین‌های الکتریکی نشان می‌دهد که ماشین‌های الکتریکی اولیه از نوع شار محوری بوده‌اند که توسط فارادی در سال 1831 میلادی طراحی و ساخته شدند. سپس در سال 1832 میلادی شخصی به نام ریچی و به دنبال آن در سال 1834 میلادی، ژاکوبی آن را تکمیل کردند. سپس داونپورت اولین ساختار ماشین‌های شار شعاعی را در سال 1837 میلادی اختراع کرد. بلافاصله پس از آن ساختار شار شعاعی به طور گسترده‌ای به عنوان ساختار اصلی و پایه ماشین‌های الکتریکی مورد قبول واقع شد. مهم‌ترین دلیل عدم محبوبیت ساختار شار محوری، مشکلات ساخت آن از قبیل ایجاد شیار و ساخت آهنربا، هزینه‌ی بالای ساخت، مشکل یکنواخت نگه‌داشتن فاصله هوایی و در دسترس نبودن آهنربای قوی ذکر می‌شود [1]. در اواسط قرن بیستم با ورود آهنربای آلینکو و به دنبال آن آهنربای فریت و به ویژه ظهور آهنربای خاک کمیاب نئودیوم-آهن-بور (NdFeB) در سال 1983 میلادی و نیز توسعه‌ی درایوهای الکترونیک قدرت، ماشین‌های مغناطیس دائم دوباره مورد توجه محققین قرار گرفتند و تحقیقات گسترده‌ای در دهه‌های اخیر در خصوص این ماشین‌ها و بهبود عملکردشان آغاز شد که تا امروز ادامه دارد.
ایده قرار دادن روتور در بیرون ماشینهای آهنربای دائم در اواخر دهه 1990 میلادی ارائه گردید. در این دهه بیشتر توجه طراحان ژنراتورهای بادی بر روی حذف گیربکس از توربینها معطوف بود. با توجه به مزیتهای ماشینهای سنکرون آهنربای دائم معمول و کاربرد آن در توربینهای بادی با توان پایین به خصوص برای مناطق دور دست، محققان را برآن داشت تا برای کامل کردن این ایده گامهای بعدی را بردارند. در ادامه به مرور تحقیقات انجام شده در زمینه‌ی ژنراتورهای آهنربای دائم روتور بیرونی پرداخته می‌شود.
1-3-1- مقایسه انواع ماشین‌های آهنربای دائمبا تمام پیشرفت هایی که در زمینه آهنربا به وجود آمده است، اما این نوع از توربینها همچنان گرانتر از دیگر انواع توربینها هستند. سیستم کنترلی آنها نسبتا پیچیده است اما در مقایسه با توربینهای DFIG چندان پیچیدگی خاصی ندارد. از معایب دیگر این سیستم ها می توان به عدم امکان تنظیم ضریب قدرت آنها اشاره کرد[6]
ژنراتورهای مغناطیس را می توان به سه دسته تقسیم کرد:
–         ژنراتور سنکرون مغناطیس دائم با شار شعاعیRFPMSG
این ژنراتورها از معمولترین نوع ژنراتور های آهنربای دائم میباشند، که بیشتر برای توربینهای با توان پایین کاربرد وسیعی دارند. میتوان ژنراتورهای مغناطیس دائم شعاعی را به دو دسته روتور بیرونی و روتور درونی تقسیم کرد. مدل روتور درونی آن تاکنون رایجتر بوده اما به دلایل مختلفی که در فصل بعد به آن اشاره میشود توجه زیادی روی نوع روتور بیرونی قرار گرفته و در آینده با توجه به نتایج بدست آمده و ساختار ساده آن، بیش از پیش مورد توجه قرار خواهد گرفت. در فصل های بعد به بررسی هرچه بیشتر ژنراتورهای مغناطیس دائم روتور بیرونی می پردازیم.
تفاوت این ژنراتورها و ژنراتورهای سنکرون معمولی در تحریک این سیستمها میباشد که به جای استفاده از جریان DC جهت تامین شار گردان، از آهنربای دائم استفاده میکند. پیشرفت تکنولوژی آهنرباهای ساخته شده برای تامین چگالی شار بالاتر، میتواند جذابیت این ژنراتورها را در مقایسه با دیگر ژنراتورهای سنکرون به همراه داشته باشد.
–         ژنراتور سنکرون مغناطیس دائم شار محوری AFPMSG
در سال1821 فارادی نخستین موتور دیسکی را اختراع کرد که اصول عملکرد آن شبیه موتور شار محور بود. ماشین های شار محور اولیه با مشکلاتی از قبیل جریان مغناطیسی بالا بدلیل فاصله هوایی بزرگ (با توجه به دیسکی بودن روتور) مواجه بودند اما باپیشرفت تکنولوژی ساخت، این مشکل برطرف شد.
در این نوع ژنراتورها راستای شار موازی محور چرخشی ماشین می باشد. این موتورها در مرحله تحقیق دانشگاهی قرار دارند و بصورت تجاری در کاربردهایی نظیر سروموتور ها و دیسک کامپیوترها بکار رفتهاند. در مواردی نیز به عنوان ژنراتور توربین بادی بصورت اتصال مستقیم به توربین نیز بکار رفتهاند. این دسته از ماشینها انواع مختلفی با توجه به تعداد لایههای استاتور و روتور دارند. نحوه قرار گرفتن آهنربای دائم در یکی از مرسومترین نوع این ژنراتور ها در شکل 1-8 نشان داده شده است.

شکل 1-8 : ساختمان داخلی ماشین های شار محوری-         ژنراتور سنکرون مغناطیس دائم با شار عرضی TFPMSG
این نوع از ژنراتورها بطور ذاتی تک فازند و بصورت سه فاز نیز ساخته میشوند. این ژنراتورها در حال تحقیق و توسعه بوده و هماکنون با ساختارهای متفاوتی پیشنهاد شدهاند که توانهای بالاتر از 10KW از این نوع ژنراتورها، به ندرت ساخته شده است.

شکل 1-9 : قسمتی از ماشین شار عرضی

شکل1-10 : ساختار ماشین با شار عرضی [4]
استفاده از ژنراتورهای شار عرضی به دلیل این که در مقالات چگالی نیروی بالایی برای آنها ادعا شده، مورد توجه قرار گرفته است. مزیت این نوع ژنراتورها می توان به شکل هندسی بسیار ساده سیم پیچی استاتور و امکان بکارگیری ولتاژهای بالاتر اشاره کرد. همچنین در این نوع ژنراتورها با استاتور داخلی در توربین های بادی، نیازی به استفاده از جعبه دنده برای افزایش سرعت وجود ندارد.
از معایب این نوع از ژنراتورها می توان به ضریب قدرت کم، مشکلات مکانیکی و نویز اشاره کرد.
1-3-2- بررسی عوامل انتخاب ژنراتور سنکرون آهنربای دائم با ساختار روتور بیرونیحال پس از اثبات این که ژنراتورهای مغناطیس دائم بهترین گزینه برای توربین های بادی با توان پایین برای کاربرد در مناطق دوردست می باشند، با تحلیل جامعی از این نوع ژنراتورها باید در نظر گرفته شود که مهمترین عامل برای به کارگیری این نوع ژنراتورها برای مناطق دور دست، هزینه تعمیر و نگهداری پایین آنها میباشد. لازم به ذکر است که یکی از پر هزینهترین بخش در توربینهای بادی، وجود گیربکس برای بالا بردن سرعت انتقالی باد به ژنراتور میباشد. همچنین این قطعهی کاملا مکانیکی، دارای استهلاک زیاد و مشکلات نگهداری است. پس بهترین گزینه حذف گیربکس

این نوشته در پایان نامه ها ارسال شده است. افزودن پیوند یکتا به علاقه‌مندی‌ها.

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *