در رابطه با ژنراتورهای سنکرون و آسنکرون

با سلام خدمت دوستان بنده میخواستم در رابطه با ژنراتورهای سنکرون و آسنکرون نیروگاهی (همه نیروگاههای تولید برق بخاری ، آبی ، گازی ، هسته ای ، بادی ، زمین گرمایی ...) اطلاعاتی داشته باشم از آقایون مهندسی که در این رابطه مقالات و تحقیقی دارند نحوه محاسبه و نوع ژنراتورهای بکار گرفته شده در این نیروگاهها اطلاعاتی دارند که جامع و کامل باشد ، برایم ارسال نمایید با تشکر

شما میتونین از کتاب های چاپمن و پی سی سن استفاده کنین اگر هم تخصصی تر بخواین کار کنین بیم بهارا مناسب هستش موفق باشین

سلام یه مطلب دارم شاید به دردت بخوره میذارم برات

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[SUB]m[/SUB]) و فرکانس الکتريکی ايستانه (استاتور) (f[SUB]e[/SUB]) 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[SUB]A[/SUB])، 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[SUB]A[/SUB])، برابر با ولتاژ خروجی يک فاز است که جريانی از آرميچر ماشين نگذرد. تفاوت بين (E[SUB]A[/SUB]) 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[SUB]a[/SUB]r)
پيچک‌های ايستانه نيز يک خودالقايی و يک مقاومت دارند: (X[SUB]A[/SUB]) , (R[SUB]A[/SUB])
معمولاً راکتانس‌های ناشی از عکس‌العمل آرميچر و خودالقايی ماشين را با هم ترکيب می‌کنند و به صورت راکتانس همزمان (X[SUB]s[/SUB]) 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[SUB]A[/SUB])
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[SUB]A[/SUB] است و بدين ترتيب می‌توان منحنی E[SUB]A[/SUB] يا را برحسب I[SUB]f[/SUB] 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[SUB]a[/SUB] يا جريان خط I[SUB]L[/SUB] 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[SUB]A[/SUB] ثابت مي‌ماند.
اگر E[SUB]A[/SUB] ثابت بماند، با تغيير بار چه چيزی تغيير می‌کند؟ اگر E[SUB]A[/SUB] 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[SUB]n[/SUB]l ولتاژ بی‌باری مولد و V[SUB]f[/SUB]l 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[SUB]A[/SUB] 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[SUB]A[/SUB]، 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[SUB]p[/SUB]: شيب منحنی
f[SUB]n[/SUB]l: بسامد بی‌باری
f[SUB]s[/SUB]ys: 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.

ژنراتورهای القایی یا آسنکرون