آشنايي با ژنراتورهاي سنكرون

از اوايل دهه‌ي هفتاد مفهوم ذخيره‌سازی انرژی الکتريکی به شکل مغناطيسی مورد توجه قرار گرفت. با ظهور تکنولژی ابر رسانايی، کاربردهاي گوناگونی برای اين پديده فيزيکی مطرح شد. از معروف ترين اين کاربردها می‌توان به SMES اشاره کرد. در SMES  انرژی در يک سيم‌پيچ با اندوکتاس بزرگ که از ابر رسانا ساخته شده است، ذخيره می‌شود. ويژگی ابر رسانايی سيم‌پيچ موجب می‌شود که راندمان رفت و برگشت فرايند ذخيره انرژی بالا و در حدود  95% باشد. ويژگی راندمان بالای SMES آن را از ساير تکنيکهای ذخيره انرژی متمايز می کند. همچنين از آنجايی که در اين تکنيک انرژی از صورت الکتريکی به صورت مغناطيسی و يا برعکس تبديل می‌شود، SMES دارای پاسخ ديناميکی سريع می‌باشد. بنابراين می‌تواند در جهت بهبود عملکرد ديناميکي نيز بکار رود. معمولاً واحدهای ابر رسانايی ذخيره‌سازی انرژی را به دو گونه ظرفيت بالا (MWh 500) جهت ترازسازی منحنی مصرف، و ظرفيت پايين(چندين مگا ژول) به منظور افزايش ميرايی نوسانات و بهبود پايداری سيستم می‌سازند.

بطور خلاصه مهم‌ترين قابليت  SMESجداسازی و استقلال توليد از مصرف است که اين امر مزايای متعددی از قبيل بهره‌برداری اقتصادی، بهبود عملکرد ديناميکی و کاهش آلودگی را به دنبال دارد.

ابررسانايي

در سال 1908 وقتي كمرلينگ اونز هلندي در دانشگاه ليدن موفق به توليد هليوم مايع گرديد حاصل شد كه با استفاده از آن توانست به درجه حرارت حدود يك درجه كلوين برسد.

يكي از اولين بررسي‌هايي كه اونز با اين درجه حرارت پايين قابل دسترسي انجام داد مطالعه تغييرات مقاومت الكتريكي فلزات بر حسب درجه حرارت بود. چندين سال قبل از آن معلوم شده بود كه مقاومت فلزات وقتي دماي آن‌ها به پايين‌تر از دماي اتاق برسد كاهش پيدا مي‌كند. اما معلوم نبود كه اگر درجه حرارت تا حدود كلوين تنزل يابد  مقاومت تا چه حد كاهش پيدا مي‌كند.  آقاي اونز كه با پلاتينيم كار مي‌كرد متوجه شد كه مقاومت نمونه سرد تا يك مقدار كم كاهش پيدا مي‌كرد كه اين كاهش به خلوص نمونه بستگي داشت. در آن زمان خالص‌ترين فلز قابل دسترس جيوه بود و در تلاش براي بدست آوردن رفتار فلز خيلي خالص اونز مقاومت جيوه خالص را اندازه گرفت. او متوجه شد كه در درجه حرارت خيلي پايين مقاومت جيوه تا حد غيرقابل اندازه‌گيري كاهش پيدا مي‌كند كه البته اين موضوع زياد شگفت‌انگيز نبود اما نحوه از بين رفتن مقاومت غير منتظره مي‌نمود. موقعي كه درجه حرارت به سمت صفر تنزل داده مي‌شود به‌جاي اين‌كه مقاومت به آرامي كاهش يابد در درجه حرارت 4 كلوين ناگهان افت مي‌كرد و پايين‌تر از اين درجه حرارت جيوه هيچ‌گونه مقاومتي از خود نشان نمي‌داد. همچنين اين گذار ناگهاني به حالت بي‌مقاومتي فقط مربوط به خواص فلزات نمي‌شد و حتي اگر جيوه ناخالص بود اتفاق مي‌افتاد.آقاي اونز قبول كرد كه پايين‌تر از 4 كلوين جيوه به يك حالت ديگري از خواص الكتريكي كه كاملاً با حالت شناخته شده قبلي متفاوت بود رفته است و اين حالت تازه «حالت ابر رسانايي» نام گرفت. بعداً كشف شد كه ابررسانايي را مي توان از بين برد (يعني مقاومت الكتريكي را مي توان مجددا بازگردانيد).  و در نتيجه معلوم شد كه اگر يك ميدان مغناطيسي قوي به فلز اعمال شود اين فلز در حالت ابر رسانايي داراي خواص مغناطيسي بسيار متفاوتي با حالت درجه حرارت‌هاي معمولي مي‌باشد.

تاكنون مشخص شده است كه نصف عناصر فلزي و همچنين چندين آلياژ در درجه حرارت‌هاي پايين ابر رسانا مي‌شوند. فلزاتي كه ابررسانايي را در درجه حرارت‌هاي پايين از خود نشان مي‌دهند (ابر رسانا) ناميده مي‌شوند. سال‌هاي بسياري تصور مي‌شد كه تمام ابررساناها بر طبق يك اصول فيزيكي مشابه رفتار مي‌كنند. اما اكنون ثابت شده است كه دو نوع ابررسانا وجود دارد كه به نوع I و II مشهور مي‌باشد. اغلب عناصري كه ابررسانا هستند ابررسانايي از نوع I را از خود نشان مي‌دهند. در صورتي‌كه آلياژها عموماً ابررسانايي از نوع II را از خود نشان مي‌دهند. اين دو نوع چندين خاصيت مشابه دارند. اما رفتار مغناطيسي بسيار متفاوتي از خود بروز مي‌دهند.

پديده‌ي ابر رسانايي در تكنولوژي از توانايي گستردهاي بر خوردار است زيرا بر پايه‌ي اين پديده بارهاي الكتريكي مي‌توانند بدون تلفات گرمايي از يك رسانا عبور كنند. به‌طور مثال جريان القا شده در يك حلقه‌ي ابر رسانا بدون وجود هيچ باطري در مدار به مدت چند سال بدون كاهش باقي مي‌ماند. براي نمونه در واشنگتن از يك خلقه ابر رساناي بزرگ براي ذخيره‌كردن انرژي الكتريكي در تكوما استفاده مي‌شود. ذخيره‌ي انرژي در اين حلقه تا 5 مگاوات بالا مي رود و انرژي در مدت مورد نظر آزاد مي‌شود.

عمده مشكل ايجاد كردن شرايط براي اين پديده دماي بسيار پايين آن مي‌باشد كه بايد دماهاي بسيار پايين را محيا كرد. اما در سال 1986 مواد سراميكي جديدي كشف شد كه در دماهاي بالاتري توانايي ابر رسانايي را داشته باشد. (تا اكنون در دماي 138 درجه كلوين اين امر ميسر شده است).

كاربردهاي ابر رسانايي

كاربردهاي زيادي را براي ابررساناها در نظر گرفته است به‌عنوان مثال استفاده از ابر رساناها باعث خواهد شدكه مدار ماهواره‌هاي چرخنده به دور زمين با دقت بسياربالايي كنترل شوند. خاصيت اصلي ابر رساناها به دليل نداشتن مقاومت الكتريكي امكان انتقال جريان الكتريكي- حجم كوچكي از ابررسانا است. به همين خاطر اگر بجاي سيمهاي مسي از ابر رساناها استفاده شود، موتورهاي فضاپيماها تا 6 برابر نسبت به موتورهاي فعلي سبكتر خواهند شد و باعث مي‌شود كه وزن و فضاپيما بسيار كاهش يابد .

از ديگر زمينه‌هايي كه ابررساناها مي‌توانند نقش اساسي در آن‌ها بازي مي‌كنند مي‌توان كاوش‌هاي بعدي انسان از فضارا نام برد. ابررساناها بهترين گزينه براي توليد و انتقال بسيار كارآمد انرژي الكتريكي هستند و طي شب‌هاي طولاني ماه كه دما تا 173- درجه سانتي‌گراد پايين مي‌آيد و طي ماه‌هاي ژانويه تا مارس دستگاه‌هاي MRI ساخته شده ازسيمهاي ابررسانا، ابزار تشخيص دقيق و توانمندي در خدمت سلامت خدمه فضاپيما خواهد بود. و همچنين ساخت ابر كامپيوترهاي بسيار كوچك و كم‌مصرف مي‌باشد.

 SMES چيست؟

 Superconducting Mgnetic Enrgy Storage

 ابرسانای ذخيره کننده انرژی مغناطيسی وسيله‌ای است برای ذخيره کردن انرژی و بهبود پايداری سيستم و کم کردن نوسانات. اين انرژی توسط ميدان مغناطيسی که توسط جريان مستقيم ايجاد می‌شود ذخيره می‌شود.

اين وسيله می‌تواند هزاران بار شارژ و دشارژ شود بدون اين‌که تغييری در مغناطيس آن ايجاد شود .

اولين سيستم  SMES

 اولين نظريه‌ها در مورد اين سيستم توسط فرريهFerrier  در سال 1969 مطرح شد او سيم‌پچی بزرگ مارپيچی که توانايی ذخيره انرژی روزانه کل فرانسه داشت پيشنهاد کرد. که به خاطر هزينه ساخت بسيار زياد آن کسی پيگيری نکرد. در سال 1971 تحقيقات در آمريکا در دانشگاه ويسکانسين برای فهميدن بحث‌های بنيادی اثر متقابل مابين انرژی ذخيره شده و سيستم‌های چند فازه منجر به ساخت اولين دستگاه شد.

هيتاچی در سال1986 يک دستگاه SMES به ميزان 5MJ  را ساخت و آزمايش کرد. در سال1998 يک SMES 100KWH توسط ISTEC در ژاپن ساخته شد.

 SMES  و مدل‌سازی آن

 يک واحد SMES که در سيستمهای قدرت بکار گرفته مي‌شود از يک سيم‌پيچ بزرگ ابررسانا و يک سيستم سردکننده هليم به منظور نگهداری دمای هليم در زير دمای بحرانی تشکيل شده است. سيم‌پيچ ابررسانا از طريق دو مبدل AC/DC شش تريسيتور و يک ترانسفورماتور قدرت سه سيم پيچه کاهنده به سيستم قدرت متصل است.

 اندوکتانس L بهzعنوان بار در قسمت DC در منطقه کنترل دما قرار می‌گيرد. و مبدل‌های AC/DCدر خارج اين منطقه قرار می‌گيرند. با کنترل زاويه آتش تريسيتورها ولتاژ DC دو سر سيم‌پيچ ابر رسانا را مي‌توان به‌طور پيوسته در بازه‌ی وسيعی از مقادير ولتاژهای مثبت و منفي کنترل کرد.

ولتاژ Ed دو سر سيم سيم‌پيچ به‌عنوان عامل کنترل توان مورد استفاه قرار می‌گيرد. بسته به نوع کاربرد SMES  يکی از کميت‌های تغيير فرکانس شبکه تغيير سرعت ماشين سنكرون، تغييرات ولتاژ شبکه و... به‌عنوان ورودی به SMES انتخاب می‌شود. خروجی SMES  نيز توان دريافتی می‌باشد. در اين شکل Tdc تأخير زمانی مبدل،Kf بهره حلقه کنترل و L اندوکتانس سيم‌پيچ می‌باشد. معمولاً پس از تخليه انرژی SMES  زمان زيادی لازم است تا جريان به حالت اوليه بر می‌گردد، به منظور رفع اين مشکل مي‌توان از يک فيدبک تغيير جريان استفاده کرد. بدين ترتيب SMES را در مطالعات ديناميکی می توان با اين مدل غير خطی مرتبه دوم توصيف کرد.

چگونگی انجام کار ابررسانايی

اجسام ابررسانا ظرفيت ذخيزه را افزايش می‌دهند، در دماهای پايين اجسام ابررسانا در مقابل عبور جريان از خود مقاومتی نشان نمی‌دهند. به هر حال کاربرد ابرساناها توسط عواملی چون وضعيت کاهش دما، ميدان مغناطيسی بحرانی و چگالی جريان بحرانی محدود مي‌شود.

SMES انرژی الکتريکی را در ميدان مغناطيسی ناشی از جريانDC  جاری در سيم‌پيچ ذخيره می‌شود. اگر سيم‌پيچ از موادی مثل مس باشد انرژی مغناطيسی زيادی در سيم به خاطر مقاومت بيهوده تلف می‌شود؛ اگر سيم از جنس ابر رسانا باشد انرژی در حالت «پايا» و تا زمانی‌که لازم است ذخيره شود. ابررساناها در مقابل جريان DC مقاومت ندارند و به همين دليل در دمای پايين تلفات اهمی را محو مي‌کنند در کابرد AC  جريان الکتريکی هنوز تلفات دارد اما اين تلفات مي‌تواند با طراحی مناسب کاهش پيدا کند. برای هر دوحالت کاری AC DC انرژی زيادی ذخيره مي‌شود.بهينه‌ترين دما برای دستگاهها 77-50 کلوين است.

ابررساناها و ژنراتورهاي هيدروديناميك مغناطيسی

اصول کلی ژنراتورهاي هيدروديناميك مغناطيسي (MHD) كه از سال 1959 پژوهش‌هايي براي توليد برق به وسيله آن‌ها شروع شده و هنوز ادامه دارد،  بر اين اساس است که جريان گاز پلاسما (بسيار داغ) يا فلز مذاب از ميان ميدان مغناطيسی قوی عبور داده مي‌شود. با عبور گاز داغ يا فلز مذاب، در اثر ميدان مغناطيسي بسيار قوي موجود، يون‌های مثبت و منفی به سمت الکترودهايي که در بالا و پايين جريان گاز پلاسما يا فاز مذاب قرار دارند، جذب مي‌شوند و مانند يك ژنراتور جريان مستقيم، توليد الكتريسيته را باعث مي‌شوند. قدرت الکتريکی اين ژنراتور جريان مستقيم با اينورترهای الکترونيک قدرت، به برق جريان متناوب تبديل و به شبکه متصل مي‌شود. با توجه به هزينه بالاي توليد الكتريسيته در ژنراتورهاي MHD، استفاده از آنها تنها به منظور يكنواختي منحني مصرف در زمانهاي پرباري شبكه مفيد است. سيم‌پيچهاي بزرگ ابررسانا كه از مواد ابررساناي متعارف مانند آلياژ نيوبيوم تيتانيوم ساخته شده‌اند براي توليد ميدانهاي مغناطيسي بسيار قوي مناسب و قابل استفاده است. اگر فاصله دو الكترود 1/0 متر، سرعت يونها 400 متر بر ثانيه و ميدان مغناطيسي 5 تسلا باشد، ولتاژ خروجي 200 ولت خواهد بود و در طول كانال 6 متري و با قطر يك متر، 40 مگاوات انرژي قابل توليد است. مزيت اصلي ژنرتورهاي MHD وزن نسبتاً كم آنها در مقايسه با ژنراتورهاي متعارف است كه استقبال از كاربرد آنها را در صنايع هوايي و دريايي موجب شده است

کاربرد ابررسانا در محدودسازهای جريان خطا

علاوه بر موارد گفته شده، محدودسازهاي ابررسانائي جريان خطا يا SFCL نيز رده تازه‌اي از وسايل حفاظتي سيستم قدرت را ارائه مي‌كنند كه قادرند شبكه را از اضافه جريان‌هاي خطرناكي كه باعث قطعي پر هزينه برق و خسارت به قطعات حساس سيستم مي‌شوند حفاظت نمايند. اتصال كوتاه يكي از خطاهاي مهم در سيستم قدرت است كه در زمان وقوع، جريان خطا تا بيشتر از 10 برابر جريان نامي افزايش مي‌يابد و با رشد و گسترش شبكه‌هاي برق، به قدرت اتصال كوتاه شبكه نيز افزوده مي‌شود. توليد جريانهاي خطاي بزرگتر، ازدياد گرماي حاصله ناشي از عبور جريان القائي زياد در ژنراتورها، ترانسفورماتورها و ساير تجهيزات و همچنين كاهش قابليت اطمينان شبكه را در پي دارد. لذا عبور چنين جرياني از شبكه احتياج به تجهيزاتي دارد كه توانايي تحمل اين جريان را داشته باشند و جهت قطع اين جريان نيازمند كليدهايي با قدرت قطع بالا هستيم كه هزينه‌هاي سنگيني به سيستم تحميل مي‌كند. اما اگر به روشي بتوان پس از آشكارسازي خطا، جريان را محدود نمود، از نظر فني و اقتصادي صرفه‌جويي قابل توجهي صورت مي‌گيرد. انواع مختلفي از محدود كننده‌هاي خطا تا به حال براي شبكه‌هاي توزيع و انتقال معرفي شده‌اند كه ساده‌ترين آن‌ها فيوزهاي معمولي است كه البته پس از هر بار وقوع اتصال كوتاه بايد تعويض شوند. از آنجايي كه جريان اتصال كوتاه در لحظات اوليه به خصوص در پريود اول موج جريان، داراي بيشترين دامنه است و بيشترين اثرات مخرب از همين سيكل‌هاي اوليه ناشي مي‌شود بايد محدودسازهاي جريان خطا بلافاصله بعد از وقوع خطا در مدار قرار گيرند. محدودكننده‌هاي جريان اتصال كوتاه طراحي شده در دهه‌هاي اخير، عناصري سري با تجهيزات شبكه هستند و وظيفه دارند جريان اتصال كوتاه مدار را قبل از رسيدن به مقدار حداكثر خود محدود نمايند به طوري كه توسط كليدهاي قدرت موجود قابل قطع باشند. اين تجهيزات در حالت عادي، مقاومت كمي در برابر عبور جريان از خود نشان مي‌دهند ولي پس از وقوع اتصال كوتاه و در لحظات اوليه شروع جريان، مقاومت آن‌ها يكباره بزرگ شده و از بالا رفتن جريان اتصال كوتاه جلوگيري مي‌كنند. اين تجهيزات پس از هر بار عملكرد بايد قابل بازيابي بوده و در حالت ماندگار سيستم، باعث ايجاد اضافه ولتاژ و يا تزريق هارمونيك به سيستم نگردند. محدودسازهاي اوليه با استفاده از كليدهاي مكانيكي امپدانسي را در زمان خطا در مسير جريان قرار مي‌دادند. با ورود ادوات الكترونيك قدرت كليدهاي تريستوري براي اين موضوع مورد استفاده قرار گرفتند و مدارهاي متعددي از جمله مدارهاي امپدانس تشديد و ابررسانا، ارائه گرديده است. محدودكننده‌هاي ابررسانا در شرايط بهره‌برداري عادي سيستم يك سيم‌پيچ با خاصيت ابررسانايي بوده (مقاومت و افت ولتاژ كمي را باعث مي‌شود) ولي به محض وقوع اتصال كوتاه و افزايش جريان از يك حد معيني (جريان بحراني) سيم‌پيچ مربوط مقاومت بالايي از خود نشان مي‌دهد و به همين دليل جريان خطا كاهش مي‌يابد. عمل فوق در زمان كوتاهي انجام مي‌پذيرد و نياز به سيستم كشف خطا نمي‌باشد.

 کاربرد ابررسانا در ذخيره‌سازهای مغناطيسی

در سيستم قدرت بين قدرت‌هاي الکتريکي توليدي و مصرفي تعادل لحظه‌اي برقرار است و هيچ‌گونه ذخيره انرژي در آن صورت نمي‌گيرد. بنابراين توليد شبکه ناچار به تبعيت از منحني مصرف است كه غيراقتصادي مي‌باشد. ابرساناي ذخيره‌کننده انرژي مغناطيسي (SMES) وسيله‌اي است كه براي ذخيره‌کردن انرژي، بهبود پايداري سيستم قدرت و کم کردن نوسانات قابل استفاده مي‌باشد. اين انرژي توسط ميدان مغناطيسي که توسط جريان مستقيم ايجاد مي‌شود ذخيره مي‌شود. ابرساناي ذخيره کننده انرژي مغناطيسي هزاران بار قابليت شارژ و دشارژ دارد بدون اينکه تغييري در خواص مغناطيس آن ايجاد شود. ويژگي ابر رسانايي سيم‌پيچ نيز موجب مي‌شود که راندمان رفت و برگشت فرايند ذخيره انرژي بسيار بالا و در حدود  95% باشد. اولين نظريه‌ها در مورد اين سيستم در سال1969 توسط فريه مطرح شد. وي طرح ساخت سيم‌پيچ مارپيچي بزرگي را که توانايي ذخيره انرژي روزانه براي تمامي فرانسه را داشت ارائه كرد که به خاطر هزينه ساخت بسيار زياد آن پيگيري نشد. در سال1971 تحقيقات در آمريکا در دانشگاه ويسکانسين براي فهميدن بحثهاي بنيادي اثر متقابل بين انرژي ذخيره شده و سيستم‌هاي چند فاز به ساخت اولين دستگاه انجاميد. شركت هيتاچي در سال1986 يک دستگاه SMES به ظرفيت 5 مگاژول را آزمايش کرد. در سال1998 نيز ذخيره‌ساز 360 مگاژول توسط شركت ايستك در ژاپن ساخته شد. علاوه بر ذخيره‌سازي انرژي به منظور تراز منحني مصرف و افزايش ضريب بار، سيستم‌هاي مورد اشاره با اهداف ديگري نيز مورد توجه قرار گرفته‌اند. بروز اغتشاش‌هاي مختلف در شبکه قدرت از جمله تغييرات ناگهاني بار، قطع و وصل خطوط انتقال و... به عدم تعادل سيستم مي‌انجامد. در اين شرايط انرژي جنبشي محور ژنراتورهاي سنکرون مجبور به تأمين افزايش انرژي ناشي از اختلال هستند و درصورت حفظ پايداري ديناميكي، حلقه‌هاي کنترل سيستم فعال شده و تعادل را برقرار مي‌سازند. اين روند، نوسان متغيرهاي مختلف مانند فرکانس، توان الکتريکي روي خطوط و... را موجب مي‌شود که مشکلات مختلفي را در بهره‌برداري از سيستم قدرت به دنبال دارد. اما اگر در سيستم مقداري انرژي ذخيره شده باشد، با مبادله سريع آن با شبکه در مواقع موردنياز مي‌توان مشکلات فوق را کاهش داد. با توجه به اينكه در اين سيستم انرژي از صورت الکتريکي به‌صورت مغناطيسي و يا برعکس تبديل مي‌شود، ذخيره‌ساز ابررسانايي داراي پاسخ ديناميکي سريع مي‌باشد و بنابراين مي‌تواند در جهت بهبود عملکرد ديناميکي نيز به‌کار رود. معمولاً واحدهاي ابررسانايي ذخيره انرژي را در دو مقياس ظرفيت بالا يعني حدود 1800 مگاژول براي تراز منحني مصرف، و ظرفيت پايين (چندين مگا ژول) به منظور افزايش ميرايي نوسانات و بهبود پايداري سيستم مي‌سازند. سيم پيچ ابررسانا از طريق مبدل به سيستم قدرت متصل و شارژ مي‌شود و با کنترل زاويه آتش تريسيتورها ولتاژ DC دو سر سيم پيچ ابررسانا به طور پيوسته در بازه‌ي وسيعي از مقادير ولتاژهاي مثبت و منفي قابل کنترل است. ورودي ذخيره‌ساز انرژي مي‌تواند تغييرات ولتاژ شبکه، تغيير فرکانس شبکه، تغيير سرعت ماشين سنکرون و... باشد و خروجي نيز توان دريافتي خواهد بود. مهم ترين قابليت SMES جداسازي و استقلال توليد از مصرف است که اين امر مزاياي متعددي از قبيل بهره‌برداري اقتصادي، بهبود عملکرد ديناميکي و کاهش آلودگي را به دنبال دارد. در کابرد AC جريان الکتريکي هنوز تلفات دارد اما اين تلفات مي‌تواند با طراحي مناسب کاهش پيدا کند. براي هر دوحالت کاري AC وDC انرژي زيادي قابل ذخيره‌سازي است. بهترين دماي عملكرد براي دستگاه‌هاي مورد اشاره نيز 50 تا 77 درجه کلوين است.

کاربرد ابررسانا در موتورها و ژنراتورها

درصورت استفاده از سيم‌هاي ابررسانا به جاي سيم‌هاي مسي در روتور ماشين‌هاي القايي، تلفات، حجم، وزن و قيمت آن‌ها كاهش قابل ملاحظه‌اي خواهد داشت و با افزايش بازده، صرفه‌جويي قابل توجهي در انرژي الكتريكي صورت مي‌گيرد. كويل ژنراتورهاي سنكرون نيز با مواد ابررساناي سراميكي قابل ساخت مي‌باشد كه منجر به افزايش قابل توجهي در بازده ژنراتور خواهد شد. به‌علاوه تكنولوژي ابررسانا امروزه در ساخت كندانسورهاي سنكرون نيز كاربرد دارد. كندانسورهاي ابررسانا داراي بازده بيشتر، هزينه نگهداري كمتر و قابليت انعطاف بهتري هستند.

کاربرد ابررسانا در ترانسفورماتورها

استفاده از مواد ابررسانا در سيم‌بندي ترانسفورماتورها باعث 50% كاهش در تلفات، وزن و ابعاد ترانسفورماتور نسبت به انواع متداول ترانسفورماتورهاي روغني شده و به‌علاوه تأثير قابل توجهي نيز در افزايش بازده، كاهش افت ولتاژ و افزايش ظرفيت اضافه بار ترانسفورماتور دارد. استفاده از ترانسفورماتورهاي ابررسانا با توجه به حجم كم و عدم استفاده از روغن براي خنك‌سازي، نقش قابل ملاحظه‌اي در بهبود فضاي شهري و كاهش هزينه‌هاي زيست محيطي خواهد داشت.

ويژگی

گاورنر وسيله‌ای است که در سر راه ورودی گاز به وسايل گازسوز قبل از شير کنترل قرار می‌گيرد و وظيفه آن تثبيت فشار ورودی به وسيله گازسوز می‌باشد.
برای اين منظور گاورنر مدل GCP83 به صورت خود تنظيم Self Adjusting فشار خروجی را در محدوده معينی به ازای تغييرات فشار شبکه تنظيم می‌نمايد قطعاً عملکرد وسايل گازسوز در فشار نامی 18 mbar منجر به راندمان بالاتر و کاهش آلاينده‌های خطرناک حاصل از احتراق سوخت وسيله گازسوز خواهد شد و همچنين کارکرد ايمن و بدون خطر وسيله را تضمين می نمايد چرا که احتراق در فشارهای بالاتر از فشار نامی وسيله گازسوز منجر به حرارت بیش از حد و افزایش میزان غير مجاز منوکسيد کربن می‌شود که در مورد اولی می‌تواند منجر به آسيب رساندن به قطعات وسيله گازسوز و به تبع آن ايجاد خطر شود و در مورد دوم آلودگی را افزايش داده که منجر به آسيب رساندن به سيستم تنفس انسان و حتی مرگ خواهد شد.

مشخصات فنی  GCP83

اين گاورنر بر اساس استاندارد EN88 طراحی و ساخته شده است.

کلاسه‌بندی اين گاورنر رده B گروه 2 می‌باشد. برای استفاده از گازهای طبيعی و يا مايع پيشنهاد می‌شود. اين گاورنر نياز به سرويس و تعميرات ندارد. دمای کارکرد آن C°80 تا 15-°C می‌باشد. اتصالات پيچی آن مطابق استاندارد DIN2999 PART1  ISO7-1 مي‌باشد. محدوده دبی گاورنر بر اساس دبی هوا 1.8m3/h تا Q=0.5 می‌باشد. دبی نامی گاورنر برای اختلاف فشار ورودی و خروجی 1.5m3/h,∆P=2.5 mbar برای هوا می‌باشد. ابعاد اتصالات ورودی و خروجیRP3/8 می‌باشد. حداکثر فشار ورودی Pi=100 mbar می‌باشد. محدوده فشار خروجی PO=2.5-30 mbar می‌باشد (بر اساس نوع فنر).

محدوده فشار خروجی

محدوده فشار خروجی متفاوتی با تعويض فنر قابل حصول است که در اين محدوده‌ها برای تغيير فشار با در دست داشتن نياز مشتری و بر اساس وسيله گازسوز موردنظر در مسير خروجی می‌توان با برداشتن درپوش و تنظيم پيچ تنظيم پلاستيکی فشار خروجی موردنياز را به‌دست آورد و بر اساس نوع فنرها که سازنده گاورنر (گاز کنترل پارس) برای هر فشار خروجی طراحی نموده است محدوده فشار خروجی تنظيم و ارائه نمايد.

شرايط نصب

گاورنر GCP83 در هر وضعيتی قابل نصب است و از لحاظ جهت چرخشی آن محدوديتی ندارد

راه‌ اندازي‌ استاتيكي‌ تجهيزات‌ با كمترين‌ زمان‌ توقف

 تجهيزات‌ راه‌اندازي‌ استاتيكي‌ جديد مبتني‌ بر فن‌‌آوري‌PROCONTROLP  شركت‌ ABBبوده‌ و وظايفي‌ را انجام‌ مي‌دهد كه‌ عبارتند از:

- راه‌اندازي‌ و گردش‌ روتور

- قابليت‌ تعمير توربين‌ گازي‌، شامل‌اندازه‌گيريهاي‌ لازم‌ و تجزيه‌ و تحليل‌ نتايج

- تست‌ عملكرد سيستم‌ كنترل‌، شامل‌ برنامه‌كنترل‌ توربين‌ گازي‌، محرك‌هاي‌ خودكار و سيستم‌ ايمني‌ توربين‌

- ارتباط با اتاقهاي‌ كنترل‌ گرمايي‌ والكتريكي‌

- عملكرد هشدار دهنده‌ها و قفل‌هاي‌ حفاظتي.

اين‌ مرحله‌ شامل‌ نصب‌ يك‌ترانسفورماتور جديد راه‌اندازي‌ و اصلاح‌ نقطه ‌خنثي‌ ژنراتور نيز بوده‌ است

‌ سيستم‌ كنترل‌ توربين‌هاي‌گازي«EGATROL»

در توربين‌GT13  نيروگاها‌‌ قبلاً به‌ وسيله‌ سيستم‌ گاورنر مكانيكي‌كنترل‌ مي‌شده‌ است‌، بسياري‌ از قطعات‌، دچار فرسودگي‌ مي‌شده‌ و نياز به‌ تعميرات‌ مكرر داشت‌. براي‌ بهبود عملكرد و قابليت ‌اطمينان‌ سيستم‌، اين‌ گاورنرها با سيستم‌هاي‌كنترل ‌EGATROL جايگزين‌ شده‌ است‌.

GATROL در سال‌ 1983 به‌ عنوان‌سيستم‌ كنترل‌ استاندارد توربين‌هاي‌ گازي‌GT13 توسط ABB بكار گرفته‌ شد. اين ‌سيستم‌ الكتروهيدروليكي‌ از دو بخش‌تشكيل‌ مي‌شود، واحد كنترل‌الكتروهيدروليكي‌ و سيستم‌هاي‌ الكترونيكي‌مربوط به كنترل‌ و مراقبت‌ تمام‌ عوامل‌ كار توربين‌ گازي است. با تغيير سيستـم‌ كنترل‌ بـهEGATROL، تعداد قطعات‌ مكانيكي‌ به‌ شدت‌ كاهش‌يافت‌ و قطعات‌ در معرض‌ ساييدگي،‌ كلاً حذف‌ مي‌شود. برتري‌ ديگر سيستم‌ EGATROL نيازبه‌ تعداد موتورهاي‌ الكتريكي‌ كمتر است. در اين‌ سيستم‌، دسترسي‌ به‌ داده‌هاي‌ فرايندي‌ و تعويض‌ قطعات‌ معيوب‌ و فرسوده‌، ساده‌تر است.‌

EGATROL در سال‌ 1983 به‌‌عنوان‌ سيستم‌ كنترل‌ استاندارد توربين‌هاي‌ گازي‌ GT13 توسط  ABBبكار گرفته‌ شد. اين‌سيستم‌ الكتروهيدروليكي‌ از دو بخش‌تشكيل‌ مي‌شود، واحد كنترل ‌الكتروهيدروليكي‌ و سيستم‌هاي‌ الكترونيكي ‌مربوط و كنترل‌ و مراقبت‌ تمام‌ عوامل‌ كارتوربين‌ گازي‌. با تغيير سيستم‌ كنترل‌ به‌ EGATROL، تعداد قطعات مكانيكي‌ به‌ شدت‌ كاهش‌ يافت‌ و قطعات‌ در معرض‌ ساييدگي‌ كلاً حذف‌ شد. برتري‌ ديگر سيستم‌ EGATROL نياز به‌ تعداد موتورهاي‌ الكتريكي‌ كمتر است‌. دراين‌ سيستم‌، دسترسي‌ به‌ داده‌هاي‌ فرايندي‌ و تعويض‌ قطعات‌ معيوب‌ و فرسوده‌، ساده‌تر است.

 EGATROL براساس‌ سيستم‌PROCONTROLP كار مي‌كند و از ويژگي‌هايي‌ برخوردار است‌ كه‌ عبارتند از:

- فن‌آوري‌ استاندارد كه‌ تعويض‌ سيستم‌هاي ‌فرسوده‌ اندازه‌گيري‌ و كنترل‌ آن‌ ساده‌ است.‌

- كاهش‌ ارتباط بين‌ اجزا

- انعطاف‌ پذيري‌ بالا و امكان‌ تنظيم‌ برنامه‌هنگام‌ كار

- نياز به‌ فضاي‌ كم‌

- استفاده‌ از دستگاه‌هاي‌ فرايندهاي‌ موجود

- بهينه‌سازي‌ با استفاده‌ از سيستم‌ كنترل ‌رايانه‌اي‌

- مقادير كنترل‌ دقيق‌ و تكرار پذير

براي‌ تغيير سيستم‌ كنترل‌ به‌ اگاترول‌ تنها تغييرات‌ جزيي‌ در سيستم‌ موجود، لازم‌ است‌. در سيستم‌ كنترل‌ اگاترول‌ نيز تغييراتي‌ داده‌ شده‌ تا با سيستم‌ موجود در نيروگاه‌ هماهنگ ‌شود.

انواع ASD

1- ASD از نوع AC (جريان متناوب)

2- ASD از نوع  DC(جريان مستقيم)

در ASD از نوع AC، ولتاژ منبع تغذيه موتورهاي القايي و يا سنكرون توسط كنترل‌كننده‌هاي ولتاژ AC تنظيم و كنترل مي‌شود، تا در شرايط خاصي از بار، سرعت در مقدار معيني تثبيت گردد. بايد دانست كنترل ولتاژ تغذيه موتورهاي القايي مي‌›واند توسط سيكلوكنورتور يا اينورتور صورت پذيرد.

در ASD از نوع DC از يكسو ساز يا برشگر استفاده مي‌شود تا سرعت مطلوبي براي موتورهاي DC از نوع تحريك جداگانه يا موتورهاي DC سري حاصل گردد. انتخاب نيمه‌هاي قدرت براي ASD به منبع تغذيه موجود و مشخصه بار بستگي دارد.

سيستم‌هاي ASD جهت كنترل سرعت موتورهاي القايي «آسنكرون»

سرعت موتورهاي القايي كه تحت مشخصه گشتاور سرعت مفروضي بار مكانيكي را مي‌چرخانند توسط دو روش زير قابل كنترل است:

1- كنترل سرعت ميدان گردنده «سرعت سنكرون»

2- كنترل لغزش رتور

اگر تعداد قطب‌هاي استاتور ثابت باشد، سرعت سنكرون را مي‌توان با تنظيم و كنترل فركانس تغيير داد و آن را كنترل نمود. همچنين كنترل لغزش در شرايط بارداري توسط تنظيم دامنه ولتاژ يا جريان اعمال شده به استاتور امكان‌پذير است. در رتورهاي سيم‌پيچي شده لغزش رتور را مي‌توان از بازيافت توان از مدار رتور تنظيم و كنترل نمود. گاهي اوقات بازيافت توان را توان برگشتي نيز مي‌نامند. محرك‌هاي تنظيم‌پذير سرعت (ASD) براي كنترل سرعت موتورهاي القايي از نقطه‌نظر كاربرد به سه دسته تقسيم مي‌شوند:

1- ASD از نوع ولتاژ متغيير و فركانس ثابت

اين سيستم كنترل گاهي به سيستم كنترل ولتاژ استاتور نيز معروف است. در اين سيستم ولتاژ اعمال شده به استاتور تغيير كرده و براي اين منظور از سيستم كنترل مندرج در فصل 10 (بخش 10-2) استفاده مي‌شود. بايد دانست در اين سيستم فركانس همواره ثابت است.

2- ASD از نوع فركانس متغيير

در اين سيستم‌ها فركانس استاتور متغيير كرده و بايد دانست در اين طرح ولتاژ يا جريان اعمال شده به استاتور نيز تغيير مي‌كند.

3- ASD كه براساس بازيافت توان لغزشي كار مي‌كند

در اين سيستم‌ها با استفاده از مدارهاي نيمه هادي قدرت كه به پايانه رتور وصل مي‌شوند، بازيافت توان «يا توان برگشتي» در فركانس لغزشي به خط تغذيه موتور منتقل مي‌گردد. بايد دانست فركانس لغزشي از حاصلضرب فركانس منبع و لغزش موتور بدست مي‌آيد. به‌طور كلي در اين طرح بر روي مدار رتور كنترل خواهيم داشت.

در اين‌جا متذكر مي‌شويم كه ASD از نوع فركانس متغيير بر دو نوع است:

الف: طرح‌هاي حاوي ارتباط DC «جريان مستقيم»

ب: سيكلوكنورتورها

در طرح‌هاي حاوي ارتباط DC منبع تغذيه AC توسط يكسو ساز، يكسو شده و سپس توسط اينورتور مجدداً به منبع AC دست مي‌يابيم. اينورتورها بر دو نوع‌اند:

1- اينورتورهاي تغذيه ولتاژ «اينورتورهاي ولتاژ»

2- اينورتورهاي تغذيه جريان «اينورتورهاي جريان»

در اينورتورهاي ولتاژ، متغيير تحت كنترل همان ولتاژ و فركانس اعمالي به استاتور است. در اينورتورهاي جريان بر دامنه جريان و فركانس استاتور كنترل داريم.

اينورتورهاي ولتاژ بر دو نوع‌اند:

1- اينورتورهاي با موج مربعي

2- اينورتورهاي با مدولاسيون عرض يا پهناي پالس (PWM)

ASD از نوع ولتاژ متغيير و فركانس ثابت

در اين‌گونه سيستم‌ها دامنه ولتاژ اعمالي به استاتور كنترل مي‌شود. براي اين مقصود از كنترل‌كننده ولتاژ استفاده شده و فركانس اعمالي به استاتور همان فركانس منبع تغذيه ورودي به كنترل‌كننده ولتاژ است.

شكل (11-3) يك محرك تنظيم‌پذير سرعت (ASD) را نشان مي‌دهد كه در آن از يك كنترل‌كننده ولتاژ در سر راه موتور استفاده شده است. اين نوع محرك‌ها در سطوح قدرت متوسط و پايين مورد استفاده قرار مي‌گيرند. في‌المثل مي‌توان از بادبزن‌هاي نسبتاً بزرگ يا پمپ‌ها نام برد. در اين روش ولتاژ استاتور را مي‌توان بين صفر و ولتاژ اسمي در محدود زاويه آتش بين صفر تا 120 درجه تنظيم و كنترل نمود. اين سيستم بسيار ساده بوده و براي موتورهاي القايي قفس سنجايي كلاس D با لغزش نسبتاً بالا (10 تا 15درصد) مقرون بصرفه است. عملكرد اين محرك‌ها زياد جالب توجه نيست زيرا جريان خط تغذيه حاوي هارمونيك‌هاي قوي بوده و ضريب توان محرك پايين است از قبل به ياد داريم كه گشتاور خروجي موتور القايي سه فاز به قرار زير است:

الف- گشتاور خروجي به مجذور ولتاژ تغذيه استاتور بستگي دارد.

ب- گشتاور خروجي تابعي از لغزش است.

ج- در تحت لغزش ثابت گشتاور تابعي از مجذور ولتاژ تغذيه مي‌باشد.

مشخصه گشتاور سرعت موتور القايي سه فاز را در تحت ولتاژهاي گوناگون اعمالي به استاتور متفاوت است. اگر بخواهيم سرعت موتور را در تحت ولتاژ مفروضي بدست آوريم بايد مشخصه گشتاور سرعت بار نيز در دسترس باشد.

معمولاً مشخصه گشتاور سرعت بار بر دو نوع است:

1- بارهاي با گشتاور ثابت

2- بارهايي كه گشتاور آن متناسب با مجذور سرعت است. (مانند پمپ‌ها و بادبزن‌ها) كه به گتشاورهاي درجه دوم معروف‌اند. براي اين بارها داريم.

كه:

K_L: عدديست ثابت               w  T_L= K_L

T_L: گشتاور مكانيكي بار مي‌باشد.

  ASD از نوع ولتاژ و فركانس متغير

اگر منبع تغذيه استاتور از نوع فركانس متغير انتخاب شود. عملكرد محرك‌هاي تنظيم‌پذير سرعت (ASD) بهبود مي‌يابد. بايد دانست كه شار در فاصله هوايي موتورهاي القايي با ولتاژ اعمالي به استاتور متناسب بوده و با فركانس منبع تغذيه نسبت عكس دارد. بنابراين اگر فركانس را كم كنيم تا كنترل سرعت در زير سرعت سنكرون امكان‌پذير گردد و ولتاژ را معادل ولتاژ اسمي ثابت نگه داريم و در اين صورت شار فاصله هوايي زياد مي‌شود براي جلوگيري از به وقوع پيوستن اشباع به خاطر افزايش شار، ASD از نوع فركانس متغيير بايد از نوع ولتاژ متغيير نيز باشد تا بتواند شار فاصله هوايي را در حد قابل قبولي نگه دارد. معمولاً به اين سيستم كنترل، سيستم كنترل VF ثابت نيز گفته مي‌شود. يعني اگر فركانس را كم كرديم بايد ولتاژ را طوري كم كنيم كه شار در فاصله هوايي در حد اسمي خود باقي بماند. از اين سيستم براي كنترل سرعت موتورهاي قفس سنجابي كلاس‌هاي A,B,C,D استفاده مي‌شود.

مُولِدهای همزمان‌هاي ژنراتورهای سنکرون (Synchronous Generator)

 ماشين‌‌های همزمانی هستند که برای تبديل توان مکانيکی به جريان الکتريکی متناوب (AC) به‌کار می‌روند.

در مولد همزمان، يک جريان مستقيم (DC) به سيم‌پيچی روتور (چرخانه) اعمال می‌شود که ميدان مغناطيسی چرخانه را توليد می‌کند. چرخانه مولد نيز توسط يک محرک اوليه به گردش در می‌آيد و به اين ترتيب يک ميدان مغناطيسی دوار درون ماشين ايجاد می‌شود.

قطب‌های مغناطيسی چرخانه می‌توانند ساختمان برجسته يا صاف داشته باشند. قطب برجسته، قطب مغناطيسی‌ای است که نسبت به سطح چرخانه پيش‌آمدگی داشته باشد و قطب صاف قطب مغناطيسی‌ای است که با سطح روتور هم‌سطح باشد. چرخانه‌های قطب صاف معمولاً برای ماشين‌های دو يا چهار قطبی و روتورهای قطب برجسته برای ماشين‌های چهارقطبی يا بيشتر به‌کار می‌روند.

چون چرخانه در معرض ميدان‌های مغناطيسی متغير قرار دارد، آن را از لايه‌های نازک می‌سازند تا تلفات جريان گردان کاهش يابد.

برای فراهم کردن توان DC برای انتقال به سيم‌پيچی‌های روتور که در حال دوران است دو روش وجود دارد:

1- با استفاده از حلقه‌های لغزان و جاروبک‌ها

2- با استفاده از يک منبع DC خاص که مستقيماً بر روی محور مولد نصب شده‌

مولدهای همزمان طبق تعريف سنکرون يا همزمانند، به اين معنی که بسامد الکتريکی توليد شده با سرعت چرخش ژنراتور همزمان است. چرخانه همزمان يک الکترومغناطيس است که به آن جريان DC اعمال می‌شود. ميدان مغناطيس چرخانه همراه با چرخش چرخانه می‌چرخد پس بين سرعت چرخش ميدان مغناطيس ماشين (n_m) و فرکانس الکتريکی ايستانه (استاتور) (f_e) رابطه‌ای وجود به صورت معادله‌ي زير وجود دارد (P نشان‌دهنده‌ي تعداد قطب‌های موجود است .):

اندازه‌ي ولتاژ القا شده‌ي در يک فاز معين استاتور نيز از رابطه‌ي زير به‌دست می‌آيد:

اين ولتاژ به شار ماشين (φ)، فرکانس يا سرعت چرخش (f) و ساختمان ماشين بستگی دارد. ولتاژ (E_A)، ولتاژ داخلی توليد شده در يک فاز مولد همزمان است اما اين ولتاژی نيست که معمولاً در پايانه‌های مولد ظاهر می‌شود. در حقيقت تنها زمانی ولتاژ داخلی (E_A)، برابر با ولتاژ خروجی يک فاز است که جريانی از آرميچر ماشين نگذرد. تفاوت بين (E_A) و در اثر چند عامل است:

1- اعوجاجی که به علت جريان استاتور در ميدان مغناطيسی فاصله‌ي هوايي ايجاد شده و عکس‌العمل آرميچر ناميده می‌شود.

2- خودالقاکنايی پيچک‌های آرميچر.

3- مقاومت پيچک‌های آرميچر.

4- اثر شکل قطب برجسته‌ي چرخانه (اين مورد مربوط به چرخانه قطب برجسته می‌شود).

عکس‌العمل آرميچر موجب تغيير شار در مدار مغناطيسی مولد می‌شود در نتيجه می‌توان برای آن ولتاژی در نظر گرفت (ولتاژ عکس‌العمل آرميچر) و برای مدل کردن آن از يک القاگر سری با ولتاژ داخلی استفاده کرد: (X_ar)

پيچک‌های ايستانه نيز يک خودالقايی و يک مقاومت دارند: (X_A) , (R_A)

معمولاً راکتانس‌های ناشی از عکس‌العمل آرميچر و خودالقايی ماشين را با هم ترکيب می‌کنند و به صورت راکتانس همزمان (X_s) نمايش می‌دهند که در اين صورت ولتاژ پايانه را می‌توان به صورت زير بيان کرد (در ماشين‌های همزمان واقعی راکتانس همزمان معمولاً بسيار بزرگ‌تر از مقاومت سيم‌پيچی است)

مولد همزمان ماشين همزمانی است که به صورت مولد کار می‌‌کند و توان مکانيکی را به توان الکتريکی سه فاز تبديل می‌‌کند. منبع توان مکانيکی چرخاننده‌ي اوليه می‌‌تواند يک موتور ديزل، يک توربين بخار، يک توربين آبی يا هر وسيله‌ي مشابه ديگر باشد. اين منبع هرچه باشد بايد صرف‌نظر از ميزان تقاضای توان، سرعت تقريباً مشابه‌ای داشته باشد. در غير اين صورت بسامد سيستم قدرت مقدار ثابتی نخواهد بود. تمام توان مکانيکی ورودی مولد همزمان به توان الکتريکی خرجی تبديل نمی‌شود و اختلاف بين اين دو توان تلفات ماشين را نشان می‌دهد. اين تلفات را می‌توان به سه قسمت تقسيم کرد:

1- تلفات گردشی: چون سرعت ماشين سنکرون ثابت است پس تلفات گردشی مولد همزمان نيز ثابت است و شامل تلفات نيز زير می‌شود: تلفات اصطکاک و تهويه که مربوط به ايجاد تلفات در بوبرينگها، اصطکاک بر اثر مالش بين قطعات و اصطکاک بين قطعات و هوا می‌شود و تلفات هسته در آرميچر.

2- تلفات ميدان تحريک DC

3- تلفات اتصال کوتاه که شامل:

- تلفات بار مسی که ناشی از مقاومت آرميچر است.

- تلفات سرگردان که به دو قسمت تقسيم می‌شود:

الف- تلفات هسته‌ي آهنی ناشی از شار آرميچر

ب- تلفات مس اضافی ناشی از اثر پوستی و جريان‌های گردابی در فرکانس‌های همزمان

اندازه‌گيری پارامترهای مدل مولد همزمان

مدار معدلی که برای مولد همزمان به‌دست آمد سه کميت دارد و برای توصيف دقيق رفتار يک مولد همزمان واقعی بايد آنها را تعين کرد:

1- رابطه‌ي بين جريان و شار ميدان (جريان ميدان و E_A)

2- راكتانس همزمان

3- مقاومت آرميچر

برای پيدا کردن اين کميت‌ها آزمون‌های مختلف طراحی شده‌اند:

آزمون مدار باز

اولين گام در اين راه انجام آزمون مدار باز بر روی مولد است. برای انجام اين آزمايش، مولد در سرعت نامی چرخانده می‌شود، پايانه‌ها به بار اتصال ندارند و جريان ميدان برابر صفر قرار داده می‌شود، سپس جريان ميدان را با گام‌های تدريجی افزايش می‌دهند و ولتاژ پايانهای را رد هر گام انداره مي‌گيرند چون پايانه‌ها  وی فی باز هستند و در نتيجه جريانی از مدار نمي‌گذرد پس ولتاژ پايانه برابر E_A است و بدين ترتيب می‌توان منحنی E_A يا     را برحسب I_f رسم کرد. اين منحنی مشخصه‌ي مدار باز مولد (OCC) نام دارد، که از آن می‌توان ولتاژ توليد شده‌ي داخلی را به ازای هر مقدار جريان ساخت. در شکل يک منحنی به صورت نوعی نشان داده شده است. توجه کنید که منحنی ابتدا خطی است ولی به ازای مفادير بزرگ جريان پديده‌ي اشباع تا حدی مشاهده می‌شود و دليل اين پديده اين است که رلوکتانس آهن اشباع نشده در مولد همزمان بسيار کوچکتر از رلوکتانس فاصله‌ي هوايی است پس در ابتدا تقريباً همه‌ي نيروی محرکه مغناطيسی روی فاصله‌ي هوايی قرار دارد و افزايش شار ناشی از آن خطی است، هنگامی‌که آهن به اشباع مي‌رسد، رلوکتانس آن به سرعت افزايش مي‌يابد و آهنگ افزايش شار در اثر افزايش نيروی محركه‌ي مغناطيسی کندتر می‌شود. ناحيه‌ي خطی مشخصه‌ي مدار باز، خط فاصله‌ي هوايی ناميده می‌شود.

آزمون اتصال کوتاه

برای انجام اين آزمون دوباره جريان ميدان در صفر تنظيم می‌شود و پايانه‌های مولد توسط مجموعه‌ای از آمپرمترها اتصال کوتاه مي‌شوند. سپس جريان آرمیچر I_a يا جريان خط I_L همراه با افزايش جريان ميدان اندازه‌گيری می‌شود. اين منحنی مشخصه اتصال کوتاه  اس سی سی نام دارد.

اثر تغييرات بار بر کار مولد همزمان تنها

مولدی يک بار را تغذيه می‌کند اگر بار مولد را زياد کنيم چه روی می‌دهد؟

افزايش بار به معنی افزايش توان حقيقی و يا واکنشی است که از مولد کشيده می‌شود. اين افزايش بار باعث زياد شدن جريان بار کشيده شده از مولد می‌شود. چون مقاومت ميدان تغيير نکرده است، جریان ميدان ثابت است و بنابراين شار نيز ثابت است. چون گرداننده‌ي اوليه نيز سرعت w را ثابت نگه مي‌دارد اندازه‌ي E_A ثابت مي‌ماند.

اگر E_A ثابت بماند، با تغيير بار چه چيزی تغيير می‌کند؟ اگر E_A ثابت بماند با تغيير بار چه چيزی تغيير می‌كرد؟ برای پاسخ دادن به اين پرسش از رسم كردن نمودار فازوری و نشان دادن تغيير بار، همراه با در نظر گرفتن محدوديت‌های مولد استفاده می‌كنيم.

- مقاومت مولد را در نظر نمی‌گيريم.

شکست در تجزيه (خطای lexing): V_F=\frac{{V_nl} –{V_fl}}{V_fl}

كه در آن مقدار V_nl ولتاژ بی‌باری مولد و V_fl ولتاژ بار كامل است.

معمولاً ثابت ماندن ولتاژ تغذيه‌ي بار حتی اگر خود بار تغيير كند، وضعيت مطلوبی است. بنابراين راه واضح جبران اثر تغييرات، تغيير دادن E_A است. به عنوان مثال فرض كنيد يك بار پس‌فاز به مولد افزوده می‌شود و همان‌طور كه نشان داديم ولتاژ پايانه‌ای افت می‌كند، برای جبران اين افت اعمال زير را دنبال می‌كنيم:

- كاهش مقاومت ميدان مولد، جريان ميدان را افزايش می‌دهد.

- افزايش جريان ميدان باعث زياد شدن شار جانبی می‌شود.

- افزايش شار ماشين ولتاژ داخلی را زياد می‌كند.

- افزايش E_A، و ولتاژ پايانه‌ای مولد را افزايش می‌دهد.

كار موازی مولدها

امروزه به‌ندرت می‌توان مولد همزمانی يافت كه مستقل از ديگر مولدها كار كند و به تنهايی بار خودش را تغذيق كند. چنين حالتی را تنها در كاربردهای اندكی، مثلاً‌ به عنوان مولدهای اضطراری می‌توان يافت. در كاربردهای معمولی هميشه تعدادی مولد به‌طور موازی توان موردنياز بارها را توليد می‌كند.

موازی كردن مولدهای همزمان چندين فايده دارد:

- باری كه چند مولد می‌توانند تأمين كنند بيشتر از باری است كه يك ماشين به تنهایی تأمين می‌كند.

- داشتن موتدهای زياد، قابليت اطمينان را افزايش می‌دهد، چون خرابی يكی از آن‌ها موجب نمی‌شود كه تمام توان توان تأمين شده برای بار قطع شود.

- اگر تعداد مولدها زياد باشد امكان خارج كردن يك يا چند مولد از شبكه برای سرويس و نگه‌داری موجود است.

شرايط لازم موازی كردن

1- مقدار rms ولتاژهای خط دو مولد بايد برابر باشد.

2- دو مولد بايد ترتيب فاز يكسانی داشته باشند.

3- زواياي فاز بايد برابر باشد.

4- بسامد مولد جديد (مولدی كه به مدار وارد می‌شود) بايد اندكی بيشتر از بسامد سيستم در حال كار باشد.

روش كلی موازی كردن مولدها

فرض كنيد بخواهيم مولدی را به سيستم در حال كاری وصل كنيم، برای اين كار بايد مراحل زير را انجام دهيم:

نخست با استفاده از ولت‌متر، جريان ميدان مولد جديد را تنظيم می‌كنيم تا ولتاژ پايانه‌اش برابر ولتاژ خط سيستم در حال كار شود.

دوم، ترتيب فاز مولد جديد را با ترتيب فاز سيستم در حال كار مقايسه‌ي می‌كنيم. اين كار را به چند راه مختلف می‌توان انجام داد، يكی از اين راه‌ها روش سه لامپی است. در اين روش بين سه لاكپ را با كليدی كه مولد را به سيستم وصل می‌كند موازی می‌كنيم وقتی كه زاويه‌ي فاز بين دو سيستم تغيير می‌كند، لامپ‌ها پرنور (اختلاف فاز زياد) و كم‌نور (اختلاف فاز كم) می‌شود. اگر هرسه لامپ با هم پرنور و كم‌نور شوند، دو سيستم ترتيب فاز يكسانی دارند.

سپس بسامد مولد جديد را بايد تنظيم كرد تا بيشتر از بسامد سيستم در حال كار باشد. برای اين كار ابتدا با بسامدسنج، بسامدها رال اندازه می‌گيريم تا بسامدهای نزديك به‌هم به‌دست آيد و سپس تغييرات فاز بين دو سيستم را در نظر می‌گيريم وقتی كه بسامدها خيلی نزديك به هم باشند، فاز ولتاژهای دو سيستم نسبت به هم خيلی كند حركت می‌كند. اين تغييرات فاز را مشاهده می‌كنيم و هنگامی‌كه زوايای فازها نسبت به هم برابر شوند كليد را می‌بنديم.

چه وقت می‌توان گفت دو سيستم هم‌فازند؟ يك راه ساده مشاهده‌ي سه لامپی است هنگامی كه هر سه لامپ خاموشند، اختلاف ولتاژ دو سر آنها صفر است و دو سيستم هم‌فازند. البته اين روش زياد دقيق نيست و راه بهتر استفاده از سنكروسكوپ است.

مشخصه‌های بسامد – توان مولد همزمان

توان خروجی مولد همزمان با بسامد آن مرتبط است. رابطه‌ي بسامد و توان را می‌توان به طور كلی با معادله‌ي زير بيان كرد:

شکست در تجزيه (خطای lexing): P = {s_p} ({f_nl} – {f_sys})

كه در آن:

P: توان خروجی مولد

s_p: شيب منحنی

f_nl: بسامد بی‌باری

f_sys: بسامد كار سيستم

مقادير نامی مولد همزمان

كميات نامی ماشين همزمان عبارتند از: ولتاژ، بسامد، سرعت، توان ظاهری (كيلوولت آمپر)، ضريب توان، جريان ميدان و ضريب سرويس

ولتاژ، سرعت و بسامد نامی

بسامد نامی مولد همزمان به سيستم قدرتی كه به آن متصل است بستگی دارد. امروزه بسامدهايی كه معمولاً در سيستم قدرت به كار می‌روند عبارتند از:Hz 50 (در اروپا، آسيا و غيره)،Hz 60 (در امريكا) و Hz 400 (برای مقاصد خاص و كاربردهای كنترلی).

اگر بسامد كار معلوم باشد به ازای تعداد قطب معين تنها يك سرعت چرخش ممكن وجود خواهد داشت:

شايد بديهی‌ترين محدوديت، ولتاژی است كه مولد برای كار در آن طراحی شده است. ولتاژ مولد به شار، سرعت چرخش و ساختمان مكانيكی ماشين بستگی دارد. به ازای اندازه‌ي مكانيكی معين بدنه و سرعت معين هرچه ولتاژ مطلوب بيشتر باشد، شار لازم در ماشين بيشتر خواهد بود. اما شار را نمی‌توان به طور نامحدود زياد كرد، زيرا هميشه يك جريان ماكزيمم مجاز جريان ميدان وجود دارد.

جنبه‌ي ديگری كه در تعيين ماكزيمم ولتاژ مجاز وجود دارد، ولتاژ شكست عايق سيم‌پيچی است. (ولتاژهای عادی نبايد به مقدار ولتاژ شكست نزديك شود)

توان ظاهری و ضريب توان نامی

دو عامل وجود دارد كه حدود توان ماشين‌های الكتريكی را تعيين می‌كند: يكی از آن‌ها گشتاور مكانيكی روی محور ماشين و ديگری گرم شدن سيم‌پيچی‌های آن است. در همه‌ي ماشين‌های همزمان عملی محور استحكام مكانيكی كافی برای تحمل توان در حالت پايدار بسيار بزرگتر از مقدار نامی ماشين را دارد. پس حدود عملی حالت پايدار را گرمايش سيم‌پيچی‌های ماشين تعيين می‌كند.

در مولد همزمان دو سيم‌پيچی وجود دارد و هر دوی آن‌ها بايد در برابر گرمايش زیاد حفاظت شود. اين دو سيم‌پيچی، سيم‌پيچی آرميچر و سيم‌پيچی ميدان هستند.

كار كوتاه مدت و ضريب سرويس

مهم‌ترين عامل محدودكننده‌ي كار حالت پايدار مولد همزمان، گرم شدن سيم‌پيچی‌های آرميچر و ميدان آن است. اما حد گرمايی معمولاً نقطه‌ای بسيار پايين‌تر از ماكزيمم توانی كه مولد از نظر عملی می‌تواند توليد كند قرار دارد. در واقع يك مولد همزمان نوعی می‌تواند در زمان محدود تا 300 درصد توان نامی‌اش توليد كند. (تا اين كه سيم‌پيچی‌هايش بسوزد)

مولد را می‌توان در توان‌های بیشتر از توان نامی به كار برد مشروط به آن كه قبل از برداشتن بار اضافی سيم‌پيچی‌ها بيش از حد اضافی گرم نشده باشند. هرچه توان نامی بيشتر باشد، مدت زمانی كه ماشين می‌تواند آن را تحمل كند كمتر می‌شود. ماكزيمم افزايش درجه حرارتی كه ماشين می‌تواند تحمل كند به كلاس عايقی سيم‌پيچی‌هايش بستگی دارد. چهار كلاس عايقی وجود دارد:H, F, B, A  عموماً اين كلاس‌ها به ترتيب متناظر با افزايش درجه حرارت به مقدار 60، 80، 105، 125 درجه بيشتر از درجه حرارت محيط‌اند. هرچه كلاس عايقی يك ماشين معين بيشتر باشد توانی كه بدون گرمايش بيش از حد می‌توان از آن كشيد بيشتر است.

گرم شدن بيش از حد سيم‌پيچی‌ها مسأله‌ای بسيار جدی برای ماشين است. يك قاعده سر انگشتی قديمی می‌گويد به ازای هر 10 درجه افزايش درجه حرارت نسبت به حرارت مجاز سيم‌پيچی‌ها عمر متوسطه ماشين نصف می‌شود. حساسيت مواد عايقی امروزی نسبت به شكست كمتر از اين است اما افزايش حرارن هنوز به‌طور مؤثری اثر خود را دارد.

يك سوال در مورد مسأله‌ي گرمايش بيش از حد مطرح است: توان مورد نيازی كه بايد از ماشين گرفته شود را بايد با چه دقتی بدانيم؟ غالباً قبل از نصب، بار فقط به صورت تقريبی معلوم است به همين دليل ماشين‌هايی با كاربرد عام يك ضريب سرويس دارند. ضريب سرويس به صورت نسبت ماكزيمم توان واقعی ماشين به مقدار نامی پلاك آن تعريف می‌شود. ضريب سرويس يك محدوده‌ي اطمينان برای خطای ناشی از تخمين نامناسب بار فراهم می‌كند.