دانلود ‫پروژه ژنراتور القایی

مقدمه

در اوایل قرن بیستم به این واقعیت پی برده شد که ماشین القایی بعد از قطع ولتاژ خط ممکن است در حالت تحریک باقی بماند ولی برای ایجاد چنین تحریکی شرایط خاصی مورد نیاز بود. محققان بعد از پژوهش و تحقیق در یافتند که با اتصال خازنهایی به ترمینال موتور القایی در حال چرخش (توسط توان مکانیکی بیرونی) شرط تحریک پایدار بوجود آمده و ولتاژ بطور پیوسته تولید می شود. بنابراین یک سیستم تولید جدیدی متولد شد که در آن ولتاژ خروجی شدیداً به مقدار خازن تحریک و سرعت روتور و بار بستگی دارد. این نوع تولید تا سالهای 1960-1970 به فراموشی سپرده شد و مطالب کمی در مورد آن نوشته شد.

 علت این بی توجهی در اهمیت عملی کم چنین تولیدی مستتر بود. چرا که ژنراتور القایی به تنهایی توانایی کنترل ولتاژ و فرکانس تولیدی را ندارد. از این رو ژنراتورهای سنکرون در واحدهای تولیدی بکار گرفته و هرساله مقدار زیادی سوخت صرف تولید برق ac می شود. طبیعی است با استفاده روزافزون از آلترناتورهای سنکرون، آنهااز نظر مقادیر نامی، روشهای خنک سازی، تکنولوژی ساخت و مدلسازی این ژنراتورها دستخوش رشد و تحول شدند، اما ساختار اساسی آنها بدون تغییر ماند ولی بدلیل نگرانی از نرخ کاهش شدید منابع انرژی تجدیدناپذیر و به طبع آن صعود چشمگیر قیمت نفت از یک طرف و ظهور و رشد قطعات نیمه هادی قدرت و پیشرفت کنترل صنعتی از طرف دیگر ژنراتور القایی بازگشت مجددی یافت.

از این رو علاقمندی زیادی برای استفاده از انرژی های تجدیدپذیر، مثل باد جهت جایگزینی سوخت و کاهش نرخ مصرف سوخت ایجاد شد و توجه به ژنراتور القایی به خاطر مزایای زیادی که دارد بیشتر شد.

در سالهای اخیر کاربرد ژنراتور القایی در تولید برق از توربینهای بادی و آبی کوچک مورد توجه زیادی قرار گرفته است. چرا که سادگی نگهداری و کاهش منابع انرژی فسیلی و توانایی ژنراتور القایی برای تبدیل توان مکانیکی از فاصله وسیعی از سرعت روتور موجب شده تا به فکر جایگزینی انرژی باد به جای سوختهای فسیلی بیافتند و انبوه تحقیقات در این زمینه نشانگر توانایی آن در رفع مشکلات حاضر است.

فصل اول

ژنراتور القایی (آسنکرون):

ژنراتور القایی، یک موتور القایی از نوع روتور قفس سنجابی است که با یک محرک اولیه در ما فوق سرعت سنکرون،گردانده شده و برای تولید نیروی برق استفاده می شودو ساختار و مشخصه های آن مثل موتور القایی است.ساختارهای روتور ویاتاقانهای آن نیز برای تحمل سرعت فرار توربین طراحی شده است.

وقتی یک موتور القایی با ولتاژ نامی و در حالت بی باری،مورد بهره برداری قرار گیرد،با سرعتی می چرخد که فقط برای تولید گشتاور لازم برای غلبه بر افت ناشی از اصطکاک و مقاومت هوا کافی باشد.اگر یک نیروی مکانیکی خارجی برابر با این افتها به موتور القایی در همان جهت چرخش اعمال شود،روتور آن به سرعت سنکرون خواهد رسید.

هنگامیکه روتور به سرعت سنکرون می رسد،با همان سرعت میدان مغناطیسی ناشی از ولتاژ تغذیه می چرخد و ولتاژ ثانویه ای القا نمی شودزیرا فلوی مغناطیسی هیچیک از هادیهای ثانویه را قطع نمی کند،هیچ جریانی از سیم پیچهای روتور نمی گذرد و فقط جریان تحریک در سیم پیچهای اولیه جریان می یابد.

در صورتی که روتور بواسطه یک نیروی خارجی در سرعتی بالاتر از سرعت سنکرون خود،چرخش کند،جهت ولتاژ القایی ثانویه،خلاف موقعی خواهد بود که به عنوان موتور القایی ،چرخش می کرد،زیرا سرعت چرخش هادی روتور فراتر از سرعت چرخش میدان مغناطیسی می شودو گشتاوری که سرعت روتور را کند می کند بین جریان ثانویه ناشی از این ولتاژ القایی و میدان مغناطیسی ایجاد شده و واحد مثل یک ژنراتور، کار می کند.

یعنی،توان مکانیکی خارجی اعمال شده،به توان الکتریکی تبدیل می شود که در سیم پیچهای اولیه تولید شده اند.    

ماشین القایی دارای منحنی گشتاور- سرعت مثل شکل (1-1) می باشد. طبق این مشخصه اگر موتور القایی سرعتی بیش از ns داشته باشد جهت گشتاور القایی معکوس می شود و بعنوان ژنراتور عمل خواهد کرد. با افزایش گشتاور اعمالی به شفت مقدار توان تولیدی افزایش می یابد.

(تصاویر در فایل اصلی موجود است.)

همانطوری که از شکل (1-1) معلوم است. درمد ژنراتوری یک گشتاور القایی max دارد که با افزایش توان ورودی گشتاور القایی به حد max رسیده و بعد از آن ژنراتور به ناحیه ناپایدار وارد می شود. در این حالت فلوی پیوندی بین روتور و استاتور می شکند و به طور ناگهانی روتور آزادانه می چرخد و هیچ توانی تولید نمی شود.

ماشین های القایی درمد ژنراتوری دارای محدودیت های جدی است و بعلت عدم وجود مدار تحریک جداگانه نمی تواند توان راکتیو تولید کند. بنابراین مصرف کننده توان راکتیو است و برای حفظ میدان مغناطیسی استاتور نیاز به یک منبع توان راکتیو بیرونی دارد. علاوه بر این، چنین منبع توان راکتیوی بعلت عدم وجود جریان تحریک مستقل نمی تواند به کنترل Vo کمک کند، چرا که در کار ژنراتور القایی، اشباع هسته نقش عمده ای دارد و برای دستیابی به یک سطح ولتاژ معین، خازنهای تحریک باید جریان مغناطیس کننده متناظر با آن سطح را تولید کند.

در راه اندازی ژنراتور القایی پدیده ای بنام تحریک خودی مطرح می شود که براساس آن، ولتاژ سازی صورت می گیرد. از این نظر ژنراتور القایی بسیار شبیه ژنراتور DC شنت بوده و در واقع خازنهای تحریک معادل مقاومت تحریک یا میدان در ژنراتور DC شنت می باشند. همچنین بطور مشابه با اضافه کردن خازنهای سری می توان ژنراتور القایی را بصورت کمپوند اضافی به کار برد.

 با افزایش توان راکتیو ناشی از خازنهای سری، مقداری از توان راکتیو مورد نیاز بار جبران شده و از افت ولتاژ جلوگیری می کند. طبق مشخصه گشتاور- سرعت با تغییر بار، فرکانس ژنراتور القایی تغییر می کند، لذا از آنجاییکه این مخنی در محدوده نرمال کاری شیب تندی دارد، تغییر فرکانس تا لغزش معمولاً کمتر از 5 درصد می باشد. چنین تغییری در فرکانس ژنراتورهای ایزوله و متصل به شبکه قابل قبول است.

در کاربردهای متصل به شبکه قدرت با استفاده از خازن تصحیح ضریب توان صورت گرفته و ولتاژ را می توان به کمک بار یا خود شبکه قدرت کنترل کرد.

اصولاً سیستمهای مبدل انرژی باد به الکتریسیته را می توان به سه گروه تقسیم کرد:

سیستم سرعت متغیر و فرکانس ثابت (VSCF)

سیستم سرعت و فرکانس ثابت (CSCF)

سیستم سرعت متغیر و فرکانس متغیر (VSVF)

برای اینکه از کلیت موضوع کاسته نشود و بحث منحصر به نیروگاههای بادی نگردد، سیستم VSVF فرض می شود.

(تصاویر در فایل اصلی موجود است.)

1-1- مزایای ژنراتور القایی:

به سیستم تحریک احتیاج نداشته و ساختمان ساده ای دارد ودر نتیجه تعمیر و نگهداری آن آسان است.

راه اندازی و بهره برداری از آن آسان است،زیرا نیازی به سنکرونیزاسیون یا تنظیم تحریک ندارد.

جریان اتصال کوتاه آن کم و زمان کاهش آن در مقایسه با ماشینهای سنکرون کوتاه تر است،زیرا در هنگام اتصال کوتاه،تحریک قطع می شودو جریان اتصال کوتاه فقط در یک مدت زمان فوق العاده کوتاه،جریان می یابد تا اینکه فلوی مغناطیسی ناپدید شود.

چون همیشه بطور موازی با ژنراتور سنکرون کار می کند و هرگز مستقلا مورد بهره برداری قرار نمی گیرد،به ژنراتور سرعت نیازی ندارد.

وقتی بار پس زده شود،جریان تحریک،قطع و ولتاژ ناپدید می شودلذا هیچگونه صدمه و خسارتی به بخشهای عایقی دستگاه از جانب ولتاژ اضافی،صرف نظر از میزان افزایش سرعت،رخ نمی دهد.

وقتی ولتاژ سیستم افت میکند،جریان تحریک خود به خود کاهش می یابد.

چون گاورنر سرعت استفاده نمی شودتا حدی که سرعت آن از سرعت مجاز توربین هیدرولیکی بیشتر نشود به تولید انرژی ادامه می دهد.

در مواقعی که سیستم دچار اختلال می شود،این دستگاه می تواند به صورت پایدار و بدون قطع شدن به کار خود ادامه دهد.    

علاوه بر مزایای فوق، یک ژنراتور القایی دارای کاربرد ایزوله، بهای کم واحد تولیدی، روتور بدون جاروبک، ساختمان ساده و محکم (روتور قفس سنجابی) ،عدم وجود منبع DC جداگانه برای تحریک، نگهداری آسان می باشد و در ضمن لازم نیست روتور به طور مداوم با سرعت ثابتی بچرخد.

بخاطر مزایای فوق و سادگی کنترل نسبت به ژنراتور سنکرون و قابلیت اطمینان بالا باعث شده این ژنراتور، انتخاب بسیار مناسبی برای نیروگاه های بادی و آبی کوچک یا کاربرد در ژنراتورهای اضطراری برای شبکه قدرت موجود می باشد.

(تصاویر در فایل اصلی موجود است.)

1-2 معایب ژنراتور القایی:

فقط وقتی مثل یک ژنراتور کار می کند که با ماشین سنکرون موازی شده باشد و نمی تواند مستقلا برق تولید کند.(در کاربرد متصل به شبکه)

چون جریان اولیه ژنراتور در ارتباط با ولتاژ خروجی در پیش فاز است لذا فقط می تواند برای بارهای قدرتی تامین کند که نیاز به جریان پیش فاز دارند.

ضریب قدرت جریان بار بوسیله ضریب قدرت بار تعیین نمی شود،بلکه بوسیله ضریب قدرت ذاتی خود ژنراتور تعیین می شود.به این معنی که ضریب قدرت بوسیله ظرفیت تعیین می شود و قابل کنترل نیست.ژنراتور سنکرونی که به طور موازی به ژنراتور القایی وصل شده،باید علاوه بر جریان تاخیرفاز مورد نیاز بار،جریان تحریک مورد نیاز ژنراتور القایی را نیز تولید کند.بنابراین ضریب قدرت ژنراتور سنکرون بدتر شده و ظرفیت قابل حصول آن نیز کاهش می یابد.این امر همچنین باعث افزایش تلفات در خطوط انتقال می شود. برای جبران این تلفات باید از خازنها استفاده شود.

در بهره برداری موازی،جریان هجومی بالایی جریان می یابد و روی ولتاژ سیستم اثرمی گذارد.

ماشینهای القایی با سرعتهای پایین و قطبهای زیاد،نسبت به ماشینهای سنکرون از لحاظ ضریب قدرت و ابعاد ماشین نا مرغوبترند.   

فصل دوم:

مدلسازی عددی یک ژنراتور القایی

در این قسمت مدل ریاضی ماشین القایی بررسی می شود تا بتوان با استفاده از آن در اغلب شرایط مشخصات ماشین را بدست آورد.

 اصولاً اساس توسعه و طرح این مدلها، جایگزینی ماشین واقعی با ماشین معادل یا تبدیل یافته می باشد و هدف از ماشین معادل نیز دستیابی به معادلاتی است که نسبت به معادلات اصلی راحتتر حل شوند.

عمل ریاضی که توسط آن متغیرهای ماشین واقعی مثل جریانها، ولتاژها بصورت متغیرهای ماشین معادل بیان می گردند، تبدیل نامیده می شود.

تبدیلها ممکن است حقیقی یا مختلط باشند. یعنی تمام درایه های ماتریس تبدیل از کمیتهای حقیقی یا مختلط تشکیل شوند. در ضمن تبدیلها همیشه دارای معنی فیزیکی نیستند، بلکه امکان دارد صرفاً یک مفهوم ریاضی باشند. دو روش اساسی برای بدست آوردن ماتریس تبدیل یک ماشین الکتریکی وجود دارد.

 در روش اول از تئوریهای موجود در جبر خطی و ماتریسها بدون هیچگونه تأمل فیزیکی استفاده می شود ولی در روش دوم دید فیزیکی دخالت دارد. سیر تاریخی تبدیلها حاکی از کاربرد روش دوم است، در اینجا نیز از تبدیلهایی که به کمک فیزیک حاکم بر مسئله بدست آمده، استفاده خواهد شد.

2-1- تاریخچه مدل دو محوری ماشین القایی

مدل ریاضی ماشین القایی برحسب کمیتهای فازی از معادلات دیفرانسیل خطی تشکیل یافته است که با فرض سرعت ثابت روتور ضرایب آنها اندوکتانس های پریودیک متغیر با زمان می باشد.

 درک طبیعت رفتار ماشین در رابطه با اندوکتانس های متغیر بسیار مشکل است.

در اواخر سال 1920، پارک شیوه جدیدی برای آنالیز ماشین الکتریکی پیشنهاد کرد. او متغیرهای استاتور ماشین سنکرون را به دستگاه مرجعی که روی روتور قرار دارد، تبدیل کرد. تبدیل پارک انقلابی بزرگ در آنالیز ماشین الکتریکی بوجود آورد و دارای خاصیت منحصر به فردی است که باعث حذف اندوکتانس های متغیر با زمان در معادلات ولتاژ ماشین سنکرون می شود که این تغییرات از حرکت نسبی و تغییر رلوکتانس مغناطیسی بوجود می آیند. بنابراین از آن زمان یک ساده سازی بزرگی در توضیح ریاضی ماشین سنکرون بدست آمد.

 بعدها استانلی، کران و بررتن کارپارک را برای آنالیز ماشین القایی توسعه دادند. آنها سه دستگاه مرجع متفاوت را به کار بردند:

دستگاه مرجع ساکن: دستگاه مرجعی که ساکن است.

دستگاه مرجع سنکرون: دستگاه مرجعی که با سرعت سنکرون می چرخد.

دستگاه مرجع روتور: دستگاه مرجعی که روی روتور قرار دارد و با سرعت آن می چرخد.

در سال 1965، کران متوجه شد که تمامی تبدیل های حقیقی بکار رفته در آنالیز ماشین القایی (آسنکرون) توسط یک تبدیل عمومی قابل بیان است، بطوریکه با انتقال متغیرهای روتورو استاتور به دستگاه مرجعی که با سرعت زاویه ای دلخواهی می چرخد یا ساکن است، اندوکتانس های متغیر با زمان حذف می گردند. بنابراین تمام تبدیل های حقیقی شناخته شده با نسبت دادن سرعت گردش مناسب به دستگاه مرجع دلخواه (اختیاری) بدست خواهد آمد.

معنی فیزیکی تبدیل پارک و سایر تبدیلهای ماتریسی حقیقی، تعریف یک مجموعه جدیدی از متغیرهای استاتور و روتور( odq) برحسب متغیرهای سیم بندی واقعی( abc) است. کمیتهای جدید از تصویر متغیرهای واقعی روی مجموعه دو محوری جدید یعنی q,d بدست می آیند و مولفه صفر  توزیع نیروی محرکه مغناطیسی برآیند را در سرتاسر فاصله هوایی یکسان نگه می دارد.

از نظر ریاضی، تبدیل پارک فقط یک تبدیل خطی است که ماتریس اندوکتانس استاتور و روتور را قطری می سازد و همه اندوکتانسها را ثابت و بدون تغییر می کند. بنابراین در آنالیز گذرای ماشینهای سنکرون و القایی اغلب از معادلات تبدیل یافته استفاده می شود. از نظر تاریخی، تبدیلهای فوق در مطالعات گوناگون برای ماشین القایی یا آسنکرون بکار برده شده است. در بررسی ماشینهای سنکرون بخصوص قطب برجسته فقط تبدیل پارک مؤثر می باشد.

ذکر این نکته ضروری به نظر می رسد که در موارد زیادی اندوکتانس ها تغییرات سینوسی ایده آل ندارند یا ضرایب اندوکتانس ها یک تقارن معین را نشان نمی دهند. در چنین حالتهایی با بکاربستن تبدیل های فوق به علت عدم حذف جملات وابسته به مکان، جوابی برای معادلات حاصل نمی شود. ولی فرمول سازی در دامنه زمان روشی برای حل معادلات پیشنهاد می کند که ما را به پارامترهای ماشین محدود نمی سازد.بعلاوه مدل دامنه زمان جواب گذرا را حتی در صورت وجود عدم تقارن و غیرخطی بودن، مستقیماً می دهد. ساده ترین روش دستیابی به مدل دامنه زمان، نوشتن معادلات دینامیکی حرکت به فرم معادلات حالت است.