مقاله در مورد ژنراتور الکتریکی

word قابل ویرایش
38 صفحه
8700 تومان
87,000 ریال – خرید و دانلود

ژنراتور الکتریکی

مقدمه
قبل از اینکه ارتباط بین مغناطیس و الکتریسته کشف شود، ژنراتورها از اصول الکتروستاتیک بهره می‌بردند. ماشین ویمشارت از القای الکتروستاتیک یا تأثیر کردن استفاده می‌کرد. ژنراتور واندوگراف از اثر تریبوالکتریک برق مالشی برای جدا سازی بارهای الکتریکی با استفاده از اصطکاک بین عایقها استفاده می‌کرد. ژنراتورهای الکتروستاتیک کارآمد نیستند و تنها برای آزمایشات علمی که نیازمند ولتاژهای بالا است، مناسب هستند.

 

فارادی

در سال ۱۸۳۱–۱۸۳۲م 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 قطبهای 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 بر اساس اصول فارادی در سال ۱۸۳۲ 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 قطبهای 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 قطبهای شمال و جنوب آهنربا جریانها را در جهتهای 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 ۱۸۷۰م ، این طرح را دوباره ابداع کرد. طراحی وی با نام دینامی گرام معروف است. نسخه‌های مختلف و تغییرات زیادی از آن هنگام تا کنون 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 بر اساس دیگر پدیده‌های الکتریکی نظیر: پیزو الکتریسته و هیدرو دینامیک 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.

ژنراتور اشعه ایکس
یک مولد یا ژنراتور اشعه ایکس وسیله‌ای است که انرژی الکتریکی را جهت لامپ اشعه ایکس فراهم می‌نماید. در واقع این وسیله انرژی مکانیکی را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌نماید. این ژنراتور با یک منبع انرژی الکتریکی شروع می‌شود و سپس این انرژی را به نحوی تغییر می‌دهد تا نیاز لامپ اشعه ایکس را مرتفع سازد. لامپ به دو منظور به انرژی الکتریکی نیازمند است. ابتدا برای ملتهب نمودن فیلمان (کاتد) و تابش الکترون از آن ، سپس شتاب دادن به این الکترونها از کاتد به سمت آند. ژنراتور اشعه ایکس برای هر کدام از این اعمال دارای یک مدار خاص می‌باشد که به ترتیب مدار فیلمان و مدار ولتاژ قوی نامیده می‌شوند.

 

قسمتهای مختلف ژنراتور اشعه ایکس
صفحه کنترل ژنراتور
صفحه کنترل شامل یک کلید اصلی جهت روشن نمودن دستگاه ، دو عدد وسیله اندازه گیری که میزان حقیقی MA وKVP را در خلال تولید اشعه ایکس اندازه گیری می‌نماید، است.
مجموعه مبدل

دومین جز ژنراتور اشعه ایکس یعنی مجموعه مبدلها یک جعبه فلزی با اتصال زمین پر شده از روغن است. این جعبه شامل یک مبدل کاهنده برای مدار فیلمان و یک مبدل افزاینده برای مدار ولتاژ قوی می‌باشد. بنابراین یک مبدل وسیله‌ای است که ولتاژ را در یک مدار افزایش یا کاهش می‌دهد. این قسمت شامل دو سیم پیچ می‌باشد که به دو طرف یک حلقه آهنی پیچیده شده است. هنگامیکه جریان از میان سیم پیچ اول عبور می‌نماید، یک میدان مغناطیسی در یک حلقه آهنی ایجاد شده و موجب القای یک جریان در سیم پیچ ثانویه می‌گردد. اما این نکته مهم است که یک جریان فقط هنگامی در مدار ثانویه عبور می‌نماید که میدان مغناطیسی افزایش و کاهش یاب

د.
هنگامیکه میدان مغناطیسی در حالت پایدار است، هیچ جریانی از مدار عبور نخواهد کرد. به این علت استفاده از یک جریان ثابت مستقیم (مانند جریان یک باتری) در سیم پیچ اولیه قادر به ایجاد یک جریان مداوم در سیم پیچ ثانویه نمی‌باشد. بکار گیری جریان متناوب در مبدلها به علت آن است که این نوع جریان بوسیله یک اختلاف پتانسیل تولید شده و بطور مداوم اندازه و به صورت متناوب جهت آن تغییر می‌نماید. یعنی مهمترین مشخصه جریان متناوب تغییر پیوسته ولتاژ آن می‌باشد که بدین ترتیب یک میدان مغناطیسی که دائما در حال تغییر است، ایجاد می‌نماید.

 

لامپ اشعه ایکس

انواع مبدل
یک مبدل با تعداد دور‌های بیشتر در سیم پیچ ثانویه نسبت به سیم پیچ اولیه موجب افزایش ولتاژ می‌گردد که بدین ترتیب آن را یک مبدل افزاینده می‌نامند. یک مبدل با دوره‌های کمتر در سیم پیچ ثانویه موجب پایین آوردن ولتاژ شده و به نام مبدل کاهنده نامیده می‌شود.
اتو ترانسفورماتور و وظایف آن
ولتاژ تحویلی به اتاق رادیوگرافی از طریق یک اتو ترانسفورماتور به ژنراتور اشعه ایکس متصل می‌گردد. اتو ترانسفورماتور دارای چندین وظیفه است که به شرح زیر می‌باشد.
۱٫ فراهم آوردن ولتاژ لازم برای مدار فیلمان.
۲٫ فراهم آوردن ولتاژ لازم برای مدار اولیه مبدل ولتاژ قوی.
۳٫ فراهم آوردن یک محل مناسب برای قرار دادن وسیله نمایش KVP که نشانگر ولتاژ اعمال شده به دو سر لامپ است.
یک اتو ترانسفورماتور شامل یک سیم پیچ منفرد بر روی یک هسته آهنی لایه لایه بوده و بر اساس اصل خود القایی کار می‌کند. اعمال یک جریان متناوب ، یک میدان مغناطیسی در اطراف هسته القا خواهد نمود. که این میدان با تمام دورهایی که سیم پیچ را تشکیل می‌دهد، در ارتباط است و با انتخاب نقطه اتصال مناسب می‌توان تعداد دورهای لازم برای فراهم کردن ولتاژ مورد نیاز سایر اجزای ژنراتور اشعه ایکس را فراهم آورد. اتو ترانسفورماتور در یک محدوده بسیار کوچک می‌تواند عمل یک مبدل افزاینده یا کاهنده را انجام دهد.
ژنراتور آبی

 

ژنراتور نیروگاه آبی
ژنراتــــــور مهمترین بخــــش نیــــروگاه آبی اســـت که انـــــرژی مکـــــانیکی دورانـــی را تبدیـــــل به انرژی الکــــتریکی مــی‎کند و از دو بخــــش اصلــــی روتــور و استاتور تشکیل شده است.
ژنراتورهای نوع سنکرون عمودی شامل بخش‎های زیر می‎باشند:
– قاب استاتور(Stator Frame)
– هسته استاتور( Stator Core)

 

– سیم‎پیچ استاتور(ُStator Winding)
– روتور(Rotor)
– حلقه مورق روتور(Rotor Rim)
– قطبها(Poles)
– یاتاقان‎های کف‎گرد(Thrust Bearing)
– یاتاقان‎های هادی(Guide Bearing)
– سیستم روانکاری هیدوراستاتیک(Hydrostatic lubrication system)
– سیستم خنک‎کننده Cooling system
– واحد ترمز و بالابری (Braking and jacking unit)

استاتور فریم یا قاب استاتور(Stator Frame)
قاب استاتـــــور از اجـــــزاء فـولادی نورد شده ســــاخته شـده است که هســـته، سـیم‎پیچ و اجـــزاء جــــانبی اســـتاتور نظـــیرکولرهــای هوایی-آبی را روی خـــــود جـــای می‎دهد. قاب اســـتاتور با ســـاختار خـــاص خود کل وزن روتــور را از طــریق براکــت تراست تحمل می‎نمـــاید. عـــلاوه بر نیــروهای ناشی از گشــتار و وزن خود استاتـــور، قاب استاتـــور وزن کلیه اجراء گردان (ژنراتــور و توربیــــن)، وزن براکـــت تراست و بارهـای ناشـــی از فشــــار هیدرولیـــکی را از طریق سل پلیت ها یا حلقه‎هـــای نگهدارنده به فونداسیــــون منتقل می‎نمـــاید. دریچه‎هـــای خـــروج هـــوا نیز در قـــاب استاتـور تعبیه شده است.در شکل زیر می توانید نمای استاتور فریم یک ژنراتور آبی با توان ۸۱ مگاولت آمپر را مشاهده نمایید.

هسته استاتور (Stator Core)
هسته استاتور مسیری با رلوکتانس مغناطیسی پایین جهت عبور شار مغناطیسی فراهم می سازد. قطر داخلی استاتور بوسیله گشتاور در حجم( Torque Per Volume) و اثر لختی GD² تعیین می شود.
هسته استاتور از دو قسمت تشکیل شده است :
۱- ( یوغYoke ) : قسمتی است که بین شیار و قطر خارجی قرار می گیرد.
۲- (Teeth دندانه ها) : قسمتهایی از هسته که بین شیارها قرار می گیرد.

قسمتهای انتهایی هسته ، جهت کاهش دمای ناشی از عبور شار مغناطیسی به روش خاصی تهیه می شوند و معمولا“ در این قسمتها فاصله هوایی بیشتر از مرکز هسته می باشد. شیارها در بدنه هسته استاتور پانچ می شوند و محل قرار گرفتن سیم پیچی استاتور می باشند.
ورقه های هسته از سیلیکن با تلفات پایین و مقاوم در برابر پیری ( Non-Aging ) و با ضخامت ۵/۰ میلیمتر تهیه می شوند. این ورقه ها از هر دو طرف با لایه های وارنیش عایق شده اند ( عایق

کلاس F ). هسته بر روی Stator Frame نصب می شود و در ضمن هنگام ورقه چینی ، ورقه‌های لایه‌های مختلف بر روی یکدیگر همپوشانی دارند. برای محکم کردن ورقه ها ، از تعدادی Pressure Finger که بر روی Clamping Plate جوش می شوند و همچنین از تعدادی پیچ با مقطع دم‌چلچله‌ای (DoveTail ) استفاده می‌شود و ورقه ها به همدیگر پرس می شوند. در ماشینهای بزرگ از تعدادی Clamping Bolt که از هسته نیز عایق می باشند برای استحکام بیشتر استفاده می کنند.

هسته استاتــور شامل صفحات دینامو کم تلفات است که ضخامت هر یک ۵/۰ میلیمتر می‎باشد. برای خنک کردن هسته ، تعدادی کانال درون هسته جاسازی شده است که جنس این کانال

ها از تعدادی میله های غیرمغناطیسی که بر روی ورقه های سیلیکون با ضخامت ۶۵/۰ میلیمتر جوش می شوند، تشکیل شده است. جریان هوا از درون این کانالها عبور کرده و هسته را خنک می کند.
شیارهایی در داخلی ورقه‎ها تعبیه شده‎اند تا امکان استقرار سیم‎پیچ‎های استاتور فراهم گردد. وقتی که سیم‎پیچ‎ها در شیارها قرار گرفتند توسط گوه‎هایی عایق به شکل دم چلچله در محل خود ثابت شده و محل شیار پر می‎گردد.
هسته استاتور از طریق Stator Frame ، نیروهای ناشی از وقوع خطا و یا انبساط حرارتی را به فونداسیون منتقل می کند.
در شکل زیر می توان Stator Frame ، هسته و پیچهای دم چلچله ای را مشاهده نمود.
سیم پیچ استاتور (ُStator Winding) روتور و روتور هاب
در شکل زیر ، نحوه گردش هوا را در تهویه مستقل( فن با یک موتور مستقل می چرخد) یک ژنراتور آبی نمایش می دهد.

سیم‌پیچ استاتور را با نامهای سیم‌پیچ آرمیچر یا سیم‌پیچ اندویی ( Induced Winding) نیز بیان می کنند. این سیم‌پیچ شامل یک مدار الکتریکی است که ولتاژ و جریان آن ( وقتی که به شبکه وصل می شود) ، توسط یک شار مغناطیسی متغیر حاصله از “جریان روتور و حرکت روتور” ، القا می شود.
نوع ، جانمایی و ابعاد این سیم‌پیچی توسط توان نامی ، ولتاژ ، تعداد قطبها(سرعت)، نیازمندیهای ناشی از حداکثر مجاز گرم شدن سیم‌پیچی، راکتانس، راندمان و هزینه کمتر تعیین می شود.
انواع سیم‌پیچ به صورت زیر می باشند :

۱- کلاف ( چند دور)( Coil)
2- Bar (تک دور)

سیم پیچ استاتور از هادیهای مستطیلی تشکیل شده که به منظور اعمال ولتاژ مورد نظر و انجام تستهای معین ، نسبت به هم عایق شده اند. سیم پیچ استاتور معمولا“ به صورت ستاره به هم متصل شده و دارای ۳ ترمینال فاز و ۳ ترمینال زمین می باشد. سیم پیچ استاتور از دو ماده گرانقیمت عایق و مس ساخته شده که برای ساختن آن نیازمند ساعتهای کاری زیادی هستیم.
جهت ساخت سیم پیچ ، عملیاتی انجام می شود که به آن VPI یا Vacuum Pressure Impregnation گویند و با توجه به اندازه ماشین این عملیات بصورت زیر انجام می شود:

۱- VPI کلی برای ماشینهای با قدرت کم و متوسط با Coil یا Bar (هسته و سیم پیج

به همراه هم به کوره می روند .)
۲-VPI گروهی برای ماشینهای با قدرت متوسط یا زیاد که بصورت Coil باشند ( در کوره های فولادی )
۳- VPI جداگانه برای ماشینهای با قدرت متوسط یا زیاد که بصورت Bar باشند ( در کوره های مخصوص )
باید توجه کرد که Coil ها به صورت سیم پیچی حلقوی تولید می شوند که در قسمت Over-Hang ترانسپوزه شده اند ولی Bar ها به صورت سیم پیچی موجی برای ماشینهای Water Cooled و سیم پیچی حلقوی برای ماشینهای Air-Cooled با ۳۶۰ درجه یا ۵۴۰ درجه ترانسپوزیشن ساخته می‌شوند.
در شکل زیر می توان Bar ها و Coil ها را برای یک ژنراتور نوعی دید.

Lap Bars

Wave Bars

Coils

عایقی که برای عایق بندی سیم پیچها استفاده می شود میکالاستیک(MicaLastic) می‌باشد. این عایق از سال ۱۹۵۷ تا کنون استفاده می‌شود و تا به حال هیچ خطایی که ناشی از پیری این عایق باشد گزارش نشده است .
میکالاستیک دارای کلاس عایقی F بوده و تا ولتاژ ۲۷ کیلوولت و گرادیان ولتاژ ۴/۲ تا ۸/۲ KV/mm را می‌تواند تحمل کند. میکالاستیک شامل لایه های میکای غیر آلی ( میکای نرم) بعنوان ماده اصلی بوده که تحت عملیات حرارتی در اپوکسی رزین بعنوان ماده پوشاننده قرارمی گیرد .
Coil ها یا Bar های ترانسپوز شده به صورت پیوسته توسط لایه های میکا پوشانده شده و سپس با فرایند فشار در خلاء، در اپوکسی رزین غوطه ور می گردند.
پس از عملیات (VPI) ، سیم پیچها در یک کوره با درجه حرارت بالا خشک می شوند.
پس از خشک کردن ، قسمتی از Bar که درون شیار قرار می گیرد را با یک هادی گرافیتی رنگ می کنند تا از کورونا مابین عایق و سطح شیار جلوگیری کنند.
برای کاهش گرادیان ولتاژ در قسمت خم Bar ، این قسمت با مواد نیمه هادی( tape یا رنگ ) پوشانده می شود. قبل از قرار دادن سیم پیچ در شیار یک ورقه هادی در شیار قرار می دهند تا فاصله های هوایی بین شیار و Bar را پر کند و به یک تماس الکتریکی خوب دست پیدا کنیم. برای چسبیدن Bar به ورقه هادی از یک چسب هادی ( Putty ) استفاده می شود.

 

باید توجه کرد که عایق هادیها در bar از جنس Fiber Glass می باشد در حالیکه عایق بین دورهای سیم پیچی در یک Coil از “میکا + Fiber Glass ” استفاده می شود. عایق بین هادیهای Coil نیز به همین صورت می باشد.
در شکل زیر قسمتهای مختلف سیم پیچ را به همراه نحوه قرار دادن آن در شیار می توان دید.

در شکل زیر نیز می توانید نحوه گردش هوای تهویه را در یک ژنراتوربا استفاده از کانالهای 

 

واحد ترمز مکانیکی و بالابری(Bracking and Jacking Unit)
سیســـتم ترمز مکانیکی به گونــــه‎ای طراحــی شده تا مجمــــوعه ژنراتـــور و توربیــن را سریعـاً به حالت سکون برساند. عـــلاوه بر ترمز، این سیستم برای بالا بردن روتـــور هنگام نصــب و یا خارج کردن روتور مورد استفــــاده قرار می‎گیرند. سیستم بالابری همچنین برای خارج کردن یاتاقان‎های کف‎گرد از فشار و جدا کردن شفت توربین از ژنراتور به کار می‎رود. برای بکار انداختن ترمزها از هوا فشرده استفاده می‎شود که ترمز نرم و با تنظیم مناسب را امکان‎پذیر می‎سازد. فشار لازم برای بالابری به طور قابل توجهی بیشتر از مقدار لازم برای ترمز می‎باشد. از این‌رو این فشار توسط موتورپمپ‎ها و از طریق مدار روغن برقرار می‎شود. سیستم ترمز و بالابری توسط شیرهای سه راهه از یکدیگر مجزا می‎گردند. در شکل زیر می توانید مجموعه ای را که برای ترمز مکانیکی و جک کردن روتور بکار می رود مشاهده نمایید. معمولا” در یک ژنراتور از چند سگمنت ترمز/جک (مثلا” ۴ تا) استفاده می شود.

نمای یک سگمنت ترمز/جک

نمای یک سگمنت ترمز/جک که در زیر رینگ ترمز روتور ژنراتور قرار می گیرد.
مقایسه بین زمان، اوزان و هزینه های ساخت قسمتهای مکانیکال و الکتریکال ژنراتور آبی
با وجود اینکه ژنراتور سنکرون، منبع اصلی تولید الکتریسیته در یک نیروگاه می‌باشد و مباحث مربوط به کارکرد آن در شاخه مهندسی برق مورد بررسی قرار می‌گیرد؛ ولی بعنوان یک ماشین الکتریکی، قسمتهای بسیاری از آن توسط مهندسان مکانیک، طراحی شده و مورد بررسی قرار می‌گیرد. برای

اینکه ذهنیتی نسبت به حجم عملیات مکانیکی و الکتریکی یک هیدروژنراتور سنکرون عمودی ، زمان و هزینه‌های ساخت آن بشود ، مقایسه‌ای که توسط شرکت Voith-Siemens در این مورد انجام شده است، ارایه می‌گردد.
الف- مقایسه بین مدت زمان طراحی و کار مهندسی بر روی قطعات الکتریکی و مکانیکی هیدروژنراتور:

ب- مقایسه بین اوزان تجهیزات الکتریکی و مکانیکی هیدروژنراتور:

پارامترهای اولیه مورد نیاز برای طراحی ژنراتور
زمانی که می خواهیم ژنراتوری را سفارش دهیم ، طراح نیازمند مقادیر الکتریکی زیر برای طراحی اولیه ژنراتور می باشد که باید توسط خریدار به سازنده ارائه شوند :
– توان نامی و ماکزیمم
– سرعت نامی و سرعت فرار (Runaway Speed)
– فرکانس نامی
– ممان اینرسی

– افزایش دمای مجاز
– راکتانسها ( Xd , X’d , X”d , X”q/X”d )
– نسبت اتصال کوتاه (Short Circuit Ratio)
– ثابت زمانی ها (T′do و ‏T′d و T″do )
– شرایط محیط (دمای هوا وآب سرد ورودی به رادیاتورها)
– ولتاژ نامی و محدوده مجاز تغییرات ولتاژ
– و مقادیر دیگری مانند :
# حداقل قطر داخلی ژنراتورر

 

# حداقل راندمان
روتــور بخش‎گردان ژنـــــراتور می‎باشـــد که شـــامل شفت، هــاب(Hub)، چـــرخ مغناطیسی(magnetic wheel) و قطبـــها مــی‌گردد. شفـت روتـور که گشـــتاور را از توربین به ژنراتور منتقل می‎نماید، با فلنـج به شفت تــــوربین متصل شـــده است. در ژنراتورهای بزرگ، شفــت شامل دو بخــــش مــی‎شود (بخـــش بالا و پائین) که به ترتیب مستقیمـــاُ به بالا و پائیـــن هاب روتور با فلنــج متصل مـــی‎شود. شفـــت که از فــــولاد با کیفیـــت بالا ســاخته شــده است به گونـــه‎ای طراحی شــــده که در مقـابل تنشهــــای ناشی از اتصـــال کـــوتاه ناگهـــانی و یا هنگام سنــــکرون کردن اشتباه، مقـــاومت نماید.

این فقط قسمتی از متن مقاله است . جهت دریافت کل متن مقاله ، لطفا آن را خریداری نمایید
word قابل ویرایش - قیمت 8700 تومان در 38 صفحه
87,000 ریال – خرید و دانلود
سایر مقالات موجود در این موضوع
دیدگاه خود را مطرح فرمایید . وظیفه ماست که به سوالات شما پاسخ دهیم

پاسخ دیدگاه شما ایمیل خواهد شد