بخشی از مقاله
چکیده
مباحث الکترومغناطیس در حقیقت زیربنای تجزیه و تحلیل بسیاری از مسایل از جمله مدارهای الکتریکی، ماشینهای الکتریکی، خطوط انتقال انرژی، موج برها، ادوات مایکرویو، انتشار امواج و آنتن ها میباشد که هدف از آن ارائه یک تجزیه و تحلیل سیستماتیک از میدان های الکتریکی و مغناطیسی است به طوری که بتوان تصویر روشنی از این مسایل و قوانین را در ذهن به وجود آورد. ماشینهای الکتریکی نیز به دلیل برخورداری از مفاهیمی چون میدان الکتریکی، میدان مغناطیسی، چگالی شار مغناطیسی، مواد فرومغناطیسی و دیامغناطیسی و ... می بایست با قوانین الکترومغناطیسی - معادلات ماکسول، قانون بیوساوار و نیروی لورنتز - تجزیه و تحلیل شوند همچنین با توجه به حضور میدانهای الکترومغناطیسی که از حرکت شتاب دار بارهای الکتریکی یا جریان های متغیر با زمان به وجود میآیند میتوان به اهمیت تحلیلهای مغناطیسی در ژنراتور پی برد.
در ژنراتور با توجه به ماهیت مغناطیسی و الکتریکی و رفتار شارهای مغناطیسی تولید شده توسط سیم پیچ تحریک و آرمیچر، قطعات فعال - رتور , استاتور - و غیرفعال - قطعه انگشتی فشاری، صفحات فشاری و شیلدهای مسی - بویژه در نواحی انتهایی ژنراتورهمواره مستعد تولید تلفات می باشند که این تلفات شامل: -1 تلفات آهن شامل تلفات هیسترزیس و تلفات جریان گردابی -2 تلفات مسی مربوط به سیمپیچها -3 تلفات اضافی میباشد که برآیند تلفات باعث کاهش قدرت خروجی و در نهایت کاهش راندمان ژنراتور میباشد بنابراین کاهش این تلفات از اولویت های مهم میباشد. لذا می توان با تحلیل مغناطیسی نواحی انتهایی ژنراتور ودرک رفتارمغناطیسی روش هایی را جهت بهبود وضعیت مغناطیسی ارایه نمود. در اینجا به کمک نرم افزار کامسول ودر محیط دو بعدی ژنراتور ی شبیه سازی شده ورفتار مغناطیسی نواحی انتهایی از لحاظ شارهای مغناطیسی، چگالی شار وسایر پارامترهای مغناطیسی شبیه سازی شده و با تغییراتی در سیم بندی وشکل استاتور به بهبود رفتارهای مغناطیسی ژنراتور کمک خواهد شد.
مقدمه
برای کاهش تلفات ابتدا می بایست انواع تلفات و عوامل موثر در ان را شناسایی نمود سپس روشهای کاهش تلفات برحسب مسائل اقتصادی و فنی تعیین شده و با مدل سازی و شبیه سازی نتایج آنرا بدست آورد و با مقایسه با نظرات محققان دیگر، روش علمی و مناسبی بر مبنای آزمایشات انجام شده بوجود آورد. در ژنراتور تلفات عبارتند از تلفات آهنی، تلفات مسی،و تلفات اضافی که با توجه به ارتباط به جنس مواد، آرایش، شکل ظاهری و فرکانس و چگالی شار و ... می بایست با تغییرات معقول در پارامترهای قابل تغییر - مانند: شکل و جنس هسته و قطعات انتهایی ژنراتور - به کاهش تلفات کمک نمود.
در بررسیهای بعمل آمده جنس مواد و آرایش اجزاء ژنراتور - هسته، قطعات انتهایی ژنراتور - می تواند در تمرکز میدان الکتریکی و میدان های مغناطیسی تأثیرگذار بوده، به طوریکه در نتایج عملی تلفات جریان گردابی در قطعات انتهایی ژنراتور مانند قطعه انگشتی %57 ، صفحه پرسی %37 میباشد.لذا با جایگزینی جنس هسته استاتور که معمولاً از آهن سیلیکونی مغناطیس نرم غیرخطی میباشد با مواد دیگر از قبیل آمورف1، مواد فرومغناطیس2، ورق لیزری، ورق HIB - با 3 درجه همراستایی دو قطبی ها - و غیره می توان به کاهش تلفات فوق الذکر کمک نمود لذا محورهای مرتبط با بهبود وضعیت راندمانی ژنراتور سنکرون - کاهش تلفات - را میتوان به اینصورت خلاصه نمود:
1. تغییر توپولوژی هسته استاتور چگونه به کاهش تلفات کمک میکند.
2. تغییرات در ساختار متالوژیکی و جنس هسته استاتور مانند: ورقهای لیزری، ورق های با چگالی بالا - HIB -
3. تغییرات در ساختار فیزیکی قطعات غیرفعال در نواحی انتهایی ژنراتور باعث کاهش و تلفات گردابی میشود.
4. تغییرات در جنس و خواص فیزیکی قطعات غیرفعال باعث کاهش تلفات میگردد.
در تحقیقی دیگر، مجددا به محاسبه تلفات در قطعات و ساختار انتهایی ژنراتور پرداخته شد. همانطور که می دانید نواحی انتهایی در ژنراتور بسیار پیچیده و دارای جریان گردابی عظیمی می باشد که به راحتی می تواند در صفحه فشاری و از طریق سیم پیچ های انتهایی ژنراتور باعث ایجاد تلفات بالایی شود. لذا می توان با استفاده از یک ورق مسی با مقاومت پایین که در جلوی صفحه فشاری نصب می شود، شارهای نشستی را به سمت ژنراتور برگرداند. در مجموع شکل ژئومتریک و خواص مواد انتهایی استاتور و رتور و صفحه فشاری ، تأثیر زیادی بر روی میدان مغناطیسی سیم پیچ های انتهایی داشته و چگالی شار مغناطیسی ژنراتور در قسمتهای انتهایی با افزایش بارهای خطی افزایش مییابد1]و.[2
از دیگر پژوهش های مربوط می توان به بکارگیری مواد مغناطیسی نرم و آمورف در هسته استاتور نام برد که تلفات آن در مقایسه با فولاد سیلیکونی بسیار پایین می باشد. و تنهانگرانی آن ضخامت کم این ماده و احتمالا شکنندگی در هنگام ساخت هسته استاتور می باشد. تلفات در هسته آمورف با القای مغناطیسی در مقایسه با هسته کریستالی بسیار کمتر افزایش می یابد. روش دیگر آنالیز تلفات جریان گردابی اضافی، با نرم افزار المان محدود می باشد. کاهش تلفات کل در ماشین های الکتریکی یکی از مهمترین هدف های طراح ماشین می باشد. نرم افزار المان محدود برای محاسبه تلفات مختلف ماشین های الکتریکی مفید میباشد. نفوذ به مکانیزم فیزیکی و پیچیده تولید تلفات ،کار بسیار دشواری می باشد.
همچنین تلفات هیسترزیس در هسته آهنی فعال با استفاده از الگوریتم های پیشرفته قابل محاسبه است. تلفات در هسته اهنی فعال ژنراتور رخ می دهد و طراحان ماشینهای مدرن در تلاش برای افزایش راندمان و افزایش توان خروجی می باشند. تلفات اضافی بوسیله جریان های گردابی ،در نواحی انتهایی و سایر قطعات آهنی غیرفعال تولید میشود. جدول زیر مقادیر تلفاتهای محاسبه شده در قطعات مختلف را نشان میدهد. [3] برای کاهش تلفات هسته می توان از ورق مورق با چگالی شار بالا و لیزری به جای ورق معمولی استفاده نمود، که جدول زیر به طور مقایسهای تفاوت این دو ورق را بیان میکند. ورق لیزری ورقی است که در مرتبه بالاتر از ورق با چگالی شار بالا، قرار دارد. همچنین در ورق لیزری علاوه بر تمام روش های اعمالی برای کاهش تلفات مشابه با ورق HIB از تکنولوژی بالاتری برای کاهش تلفات جریان گرداب ی غیرمعمولی بهره گرفته شده است. در این روش بااعمال فشار چند هزار اتمسفری و با استفاده از پرتولیزری حوضههای مغناطیسی کوچک میگردند4] و .[5
تئوری و پیشینه تحقیق
همان طور که می دانید مبحث تحلیل میدان های الکترومغناطیسی در ماشین های الکتریکی بسیار پیچیده می باشد و این روش می تواند در انجام این کار بسیار سودمند باشد. زیرا غفلت از مباحث مغناطیسی، تلفات و کاهش راندمان را به همراه خواهد داشت، موضوع کاهش تلفات در ژنراتور سنکرون در سالیان اخیر بسیار مورد اهمیت بوده و نتایج و بررسی های انجام شده، تأیید کننده این موضوع می باشد. برای بهبود عملکرد ژنراتور، از طریق کاهش تلفات آن، می بایست بر دو محور ساختار متالورژیک و ساختار فیزیکی مواد مصرفی در ژنراتور - هسته، قطعات انتهایی ژنراتور، پوسته - تمرکز نمود.
در ساختار متالورژیک با تغییرات در روش ساخت و تولید موادمصرفی در هسته بویژه قطعات غیرفعال ژنراتور می توان ساختار مولکولی مواد را براساس مقادیر دلخواه تغییر داده تا بتوان خواسته های طراحی و بهره برداری را برای نمونه مورد نظر پیاده کرد. به طور مثال استفاده از ورق های هسته با چگالی شار بالا - 1/05T - باعث کاهش تلفات به مقدار 12/5 درصد شده است. ازآنالیز میدان مغناطیسی حالت ماندگار برای تخمین پارامترهای مدار در مراحل طراحی استفاده می شود و آنالیز میدان المان محدود گذرا بدون حرکت رتور و با کوپل شدن با مدارات خارجی، جهت نشتی شار در نواحی انتهایی استفاده میشود. [6]
