نورکنس یاهنیشام :یراتفر یاه فده

4 ماشین های سنکرون 163

ماشینهای سنکرون هدف های رفتاری: انواع ماشین های سنکرون را نام ببرد. ساختمان ظاهری و داخلی ماشین سنکرون را از روی شکل توضیح دهد. اساس کار موتورهای سنکرون را توضیح دهد. لغزش در موتورهای سنکرون را توضیح دهد. حالت های کاری موتور سنکرون را تعریف کند. حالت های کاری موتور سنکرون را با تغییر بار و جریان تحریک شرح دهد. منحنی مشخصه V را رسم کند. منحنی مشخصه V را تشریح کند. کاربرد موتورهای سنکرون را بیان کند. ساختمان داخلی مولدهای سنکرون را توضیح دهد. اساس کار مولدهای سنکرون را توضیح دهد. نحوه تنظیم ولتاژ را در مولدهای سنکرون توضیح دهد. انواع تلفات در مولدهای سنکرون را تعریف کند. دیاگرام توازن قدرت در مولدهای سنکرون را رسم کند. روابط توان تلفات و بازده را توضیح دهد. مثال مربوط به توان و بازده را تشریح کند. تمرین مربوط به توان و بازده را تشریح کند. انواع مولدهای سنکرون را نام ببرد. زمینه های کاربردی مولدهای سنکرون را بیان کند. انواع نیروگاه ها را نام ببرد. تمرین های پایان فصل را حل کند. 4 164

مقدمه سرعت با رتور سرعت که است ماشینی 1 سنکرون ماشین ژنراتور عنوان به سنکرون ماشین است. برابر آن دوار میدان سنکرون موتور یا و الکتریکی انرژی تولید منظور به سنکرون ماشین این ساختمان و ویژگیها با ادامه در باشد. می استفاده قابل شوید. می آشنا سنکرون میدان سرعت و رتور گردش سرعت برابری )1( شکل است. داده نمایش سادگی به سنکرون های ماشین در را دوار را آزمایش این شده داده نشان وسایل تهیه با توانید می شما متحرک دسته چرخاندن با شکل) 1 ( مطابق برسانید. انجام به های قطب جذب به توجه با و چرخد می آن به متصل دائم آهنربای با نیز مغناطیسی دیسک نتیجه در مغناطیسی دیسک نام هم غیر آید. می در چرخش به متحرک دسته سرعت همواره زیر رابطه طبق ماشین این در لغزش سرعت پس بود. صفرخواهد n = n s - n r ( 1 4 ) سنکرون ژنراتورهای کار اصول 1 4 مطابق مغناطیسی میدان داخل در هادی حلقه یک اگر قطع را مغناطیسی شار خطوط حلقه کند حرکت الف( ) 2 شکل نیروی فارادی قانون طبق هادی حلقه در صورت این در کند می. 2 میشود القا محرکه هادی حلقه یک در ولتاژ القای نحوۀ شکل 2 سنکرون ماشین عملکرد بهتر فهم برای ساده وسیلۀ یک 1 شکل گردش سرعت و n s دوار میدان سرعت برابری همان این همان نیز سنکرون واژه از استفاده علت میباشد. n r رتور حاالت تمام در دوار میدان سرعت و رتور گردش سرعت برابری : یعنی میباشد ماشین این کاری n s = n r 165 زمانی هم = سنکرون 1 کنید. رجوع DC الکتریکی های ماشین کتاب به 2

ماشینهای سنکرون حاال اگر مطابق شکل ) 2 ب( حلقه هادی را ساکن نگه داشته و میدان مغناطیسی درون آن به گردش در آورده شود این بار خطوط شار مغناطیسی حلقه را قطع کرده و در آن نیروی محرکه القا خواهد شد. 4 سیم پیچ سه فاز از طریق سه عدد رینگ و جاروبک بی ترمینال متصل است سیم پیچ تحریک از طریق دو عدد رینگ و جاروبک بی ترمینال خروجی متصل است )الف( )ب( مهم: در تمام ژنراتورها اتصال سیم پیچ های سه فاز به صورت ستاره می باشد. شکل 3 روشهای تولید انرژی الکتریکی در ژنراتورهای سنکرون سه فاز 166 میدان مغناطیسی شکل ) 2 الف( میدان مغناطیسی ساکن نامیده میشود.میدان مغناطیسی شکل ) 2 ب( را میدان مغناطیسی دوار مینامند. چرا که میدان مغناطیسی در داخل ماشین حول یک محور گردش میکند. ژنراتور سنکرون سه فاز به دو روش انرژی الکتریکی تولید میکند: به کمک میدان مغناطیسی ساکن: در این حالت میدان مغناطیسی ساکن به وسیله سیم پیچ تحریک درون استاتور به وجود می آید و سه سیم پیچ مشابه با اختالف فاز مکانی 120 روی رتور قرار داده می شود و در داخل میدان مغناطیسی ساکن استاتور چرخانده می شود )مطابق شکل ) 3 الف((. به کمک میدان مغناطیسی دوار: در این حالت میدان مغناطیسی به وسیله سیم پیچ تحریک برروی رتور به وجود می آید و با چرخش رتور میدان مغناطیسی دوار فراهم میشود و سیم پیچ مشابه درون استاتور با اختالف فاز مکانی 120 قرار داده می شود )مطابق شکل ) 3 ب((. البته القاگر بودن رتور )چرخش میدان مغناطیسی توسط رتور( و دریافت انرژی الکتریکی از سیم پیچ های استاتور مزیت بیشتری نسبت به حالت عکس آن دارد زیرا: الف( جریان تحریک خیلی کمتر از جریان آرمیچر میباشد و در نتیجه ارتباط آن از طریق حلقه های لغزان و جاروبک آسانتر و بی درد سرتر است. ب( عایق بندی سیم پیچ های رتور به علت داشتن ولتاژ پایین )زیر 1000 ولت( بسیار آسان و ساده است. ج( دریافت ولتاژ و جریان باالی سه فاز از ترمینال های ثابت استاتور به سادگی امکان پذیر است. د( از آنجا که قدرت ژنراتورهای نیروگاهی غالبا زیاد

است حجم سیم بندی القاشونده و در نتیجه وزن آن به مراتب بیشتر ازسیم پیچ تحریک بوده و لذا پیاده سازی آن بر روی رتور )که دائما متحرک میباشد( مشکل عدم توازن وزن مکانیکی را در پی خواهد داشت. هر چند دالیل فوق استفاده از چرخش میدان مغناطیسی توسط رتور را در تمامی موارد توجیه میکند اما گاهی در ژنراتورهای با قدرت کم از میدان مغناطیسی ساکن در استاتور و تولید ولتاژ سه فاز توسط سیم پیچ های رتور استفاده میشود. در ادامه ژنراتورهای سنکرونی بررسی خواهند شد که اصول عملکردشان همان چرخش میدان مغناطیسی است. باید توجه داشت که هر چقدر سرعت چرخش رتور افزایش یابد زمان تناوب شکل موج سینوسی کاهش مییابد و به عبارت دیگر موجب افزایش فرکانس شکل موج میشود. خود را بیازمایید 1 لغزش ماشین سنکرون هنگام کار چقدر است چرا 2 القاگر بودن رتور در ماشین های سنکرون چه مزیت هایی دارد 3 معموال ولتاژ تحریک ژنراتورهای سنکرون کمتر از...ولت است. 167 2 4 ساختمان ژنراتورهای سنکرون ژنراتورهای سنکرون از دو قسمت اصلی استاتور و رتور تشکیل شده اند. 1 2 4 استاتور: استاتور ژنراتور سنکرون شبیه استاتور ماشین های القایی است و به صورت سه فاز سیم پیچی می شود که سیم پیچ های هر فاز نسبت به یکدیگر 120 الکتریکی اختالف فاز مکانی دارند. با توجه به شکل )4( اگر رتور این ژنراتور دو قطبی یک دور کامل بزند بر روی سیم پیچ هر فاز نیروی محرکه ای به شکل سینوسی القا خواهد شد. بر اساس چرخش رتور و اختالف فاز مکانی در سیم پیچ های b a و c در نیروی محرکه القایی اختالف فاز زمانی متناظر ایجاد خواهد شد. شکل 4 تولید ولتاژ سه فاز با گردش میدان دو قطبی 2 2 4 رتور: در رتور ژنراتور سنکرون با جاری شدن جریان در سیم پیچ تحریک میدان مغناطیسی ایجاد میشود تا با چرخش رتور میدان دوار تولید شود. شکل )5( طرح واره ایجاد میدان مغناطیسی دوقطبی و چهار قطبی را با سیمپیچهای رتور ماشین سنکرون نشان می دهد. در رتور ماشین سنکرون برای داشتن هسته مغناطیسی ورقه های آهنی سیلیسدار را روی هم قرار میدهند تا هسته مناسبی برای عبور میدان مغناطیسی ایجاد شود. سپس با قرار دادن سیم پیچ ها در این هسته و اتصال آنها به منبع جریان مستقیم رتور ماشین الکترو مغناطیس میشود. اتصال سیمپیچ های میدان )تحریک( به منبع جریان مستقیم از طریق دو عدد رینگ و جاروبک صورت میگیرد.

ماشینهای سنکرون تحقیق کنید چرا در ماشین های سنکرون تعداد قطب های سیم پیچی استاتور باید با تعداد قطب های رتور برابر باشند 4 )الف(قطب صاف )ب( 3 4 انواع رتور ماشین های سنکرون 1 3 4 رتور با قطب صاف یا استوانه ای: این رتورها مانند شکل )5 الف و ب( به صورت استوانه ای ساخته میشوند و به آن رتور با قطب صاف گفته میشود. غالبا رتورهای دو قطب به صورت قطب صاف ساخته میشوند. رتورهای با قطب صاف در ژنراتورهای با سرعت های زیاد 1 استفاده میشوند. طول این رتورها نسبت به قطر آن بیشتر و متناسب با سرعت زیاد ساخته میشوند. سیم پیچ های تحریک در سطح خارجی استوانه و به موازات محور ماشین در داخل شیارهای رتور تعبیه شده و بر روی استوانه رتور قرار می گیرند. شکل) 6 ( تصویر استاتور و رتور یک توربوژنراتور را نشان می دهد. )ج(قطب برجسته )د( شکل 6 رتور و استاتور یک توربوژنراتور شکل 5 طرح واره رتور دوقطبی و چهار قطبی ماشین سنکرون 1 توربوژنراتور Turbo Generator 168

ژنراتورهای رتور برجسته: قطب با رتور 2 3 4 برجسته قطب نوع از معموال کم سرعت و زیاد قطب تعداد با متناسب و است کمتر آن قطر نسبت به رتورها این طول هستند. میشوند. ساخته کم های سرعت با قرارگیری چگونگی و برجسته قطب رتور ساختمان شده داده نشان )7( شکل در آن روی بر تحریک های پیچ سیم است. گونه این 2 ژنراتورها دیزل و 1 آبی های نیروگاه ژنراتور رتور میشوند. ساخته نصب حال در آبی های نیروگاه ژنراتور رتور شکل) 8 ( در است. شده داده نشان بیازمایید را خود دارای سنکرون ژنراتور استاتور 1 درجه 120 با پیچ سیم دسته سه است. دارای سنکرون ژنراتور رتور 2 جریان به که است پیچی سیم میشود. متصل متناوب( )مستقیم/ در صاف قطب با رتور 3 میشود. استفاده نوع از سنکرون ژنراتور رتور 4 و نسبی طول دارای برجسته می باشد. قطر )زیاد/کم( )آشکار( برجسته قطب رتور 7 شکل سنکرون ژنراتور کمیتهای 4 4 ولتاژ فرکانس سنکرون: ژنراتور فرکانس 1 4 4 دارد: بستگی زیر عوامل به سنکرون ژنراتور پیچی سیم قطبهای تعداد رتور سرعت آشنا القایی ماشینهای سنکرون سرعت رابطه با 3 فصل در است. شده نوشته فرکانس برحسب رابطه اینجا در شدید. n s 120 f = p ns p f = 120 ) 2 4 ): رابطه در ( 2 4 ) ( 3 4 ) حال در عباسپور شهید سد آبی نیروگاه ژنراتور رتور 8 شکل استاتور در قرارگیری دور حسب بر سنکرون ژنراتور رتور گردش سرعت n s )RPM( دقیقه در ها قطب تعداد P ) Hz( حسب بر فرکانس f 169 Hydro Generator ژنراتور هیدرو 1. است دیزل موتور آنها رتور گرداننده وسیله و میشوند استفاده و ساخته اضطراری و کوچک های قدرت در ژنراتورها دیزل 2

ماشینهای سنکرون فرض کنید رتور یک ژنراتور دو قطبی با سرعت 3000 دور در دقیقه بچرخد در نتیجه فرکانس ولتاژ تولید شده 50 هرتز خواهد شد. یعنی: ns p f = 120 3000 2 f = = 50 Hz 120 رابطه ) 3 4 ( همان رابطه سرعت سنکرون در ماشین های القایی است که در اینجا بر حسب فرکانس بیان شده است. بنابراین ولتاژ تولید شده ژنراتور به عوامل زیر بستگی دارد: N تعداد دور هر فاز سیم پیچ استاتور )Wb( شار مغناطیسی هر قطب بر حسب وبر φ )Hz( فرکانسشبکهبرحسبهرتز f در عمل ولتاژ ژنراتور را با تنظیم فوران قطبها یا تغییر جریان تحریک تثبیت میکنند و فرکانس ژنراتور را با تنظیم سرعت رتور تثبیت مینمایند. در عمل برای تنظیم ولتاژ خروجی ژنراتور شار مغناطیسی قطبها را تغییر میدهند. 4 می خواهیم فرکانس ولتاژ ژنراتوری 50 هرتز باشد الف( اگر رتور این ماشین چهار قطبی باشد محور ژنراتور را باچه سرعتی بچرخانیم 120 f 120 50 ns = ns = = 1500 RPM p 4 ب( اگر سرعت رتور )محور ژنراتور( 750 RPM باشد از ژنراتور چند قطبی باید استفاده کرد 120 f p 120 = n 50 s = = 8 n 750 از ژنراتور 8 قطبی باید استفاده شود. نکته 1 با تغییرات جریان تحریک رتور می توان ولتاژ خروجی ژنراتور را تغییر داد. s 5 4 ولتاژ ژنراتور سنکرون ولتاژ تولید شده در سیم پیچ های استاتور ژنراتور سنکرون با توجه به قانون القای فارادی از رابطه ) 4 4 ( بدست می آید. ϕ E= N t ( 4 4 ) نیروی محرکه القا شده در هرفاز ژنراتور سنکرون از رابطه )5 4 ( محاسبه میشود. 1 E = 4/44 Nϕf ( 5 4 ) شکل 9 نمایی از یک ماشین سنکرون آزمایشگاهی و طرح واره تنظیم جریان تحریک 1 اثبات این رابطه در فصل یک آمده است. 170

برای تنظیم ولتاژ ژنراتور مطابق شکل )9( در مدار سیم پیچ تحریک می توان از یک رئوستا 1 استفاده نمود. این رئوستا قادر است با تغییر مقاومت مدار تحریک جریان تحریک را کم و یا زیاد کند و در نتیجه با تنظیم جریان تحریک فوران ( شار( مغناطیسی و در نهایت ولتاژ خروجی ژنراتور قابل تنظیم خواهد بود. نکته 2 سیم پیچ موتورهای الکتریکی سلف چراغ های فلورسنت میدان مغناطیسی خطوط انتقال برق و به طور کلی در هر کجا که اثر میدان مغناطیسی جریان متناوب وجود دارد توان در شبکه جاری می کند. همان گونه که به کارگیری اثر میدان مغناطیسی نشانگر جاری شدن توان راکتیو است تولید میدان مغناطیسی توسط سیم پیچ های تحریک در ژنراتورهای سنکرون نیز نشانگر جاری شدن توان راکتیو میباشد. بنابراین با تغییر جریان تحریک توان راکتیو ژنراتور سنکرون تغییر میکند. ژنراتور سنکرون برخالف ژنراتور آسنکرون مطابق شکل) 10 ( عالوه بر تولید توان اکتیو می تواند توان راکتیو نیز تولید نموده و به شبکه برق تحویل دهد. به سبب داشتن همین توانایی در تولید نیروی برق اکثر نیروگاه های سراسر دنیا از این ژنراتور استفاده میشود. نکته 3 با افزایش توان راکتیو) Q ( بار ولتاژ ژنراتور رو به کاهش می گذارد که باید جهت تثبیت ولتاژ جریان تحریک ژنراتور را افزایش داد. در واقع با زیاد شدن جریان تحریک شار مغناطیسی افزایش یافته و بدین ترتیب توان راکتیو بیشتری تولید و به شبکه برق تحویل داده میشود. نکته 4 وقتی بار متصل به ژنراتور توان اکتیو) P ) مصرف میکند سرعت ژنراتور رو به کاهش می گذارد و فرکانس کم می شود. برای جلوگیری از کاهش فرکانس باید جهت تثبیت سرعت چرخش ژنراتور را با توان بیشتری چرخاند به طوری که توان اکتیو مورد نیاز مصرف کننده تولید شود. این موضوع مانند گاز دادن بیشتر به اتومبیل در یک مسیر سرباالیی است برای آنکه بتوان سرعت آن را نسبت به مسیر مسطح ثابت نگه داشت. شکل 10 ژنراتور سنکرون متصل به شبکه برق 171 1 در ژنراتورهای واقعی تنظیم ولتاژ به صورت خودکار توسط Regulator( AVR(Automatic Voltage انجام میشود.

ماشینهای سنکرون خود را بیازمایید 1 عوامل تعیین کننده فرکانس ژنراتور سنکرون را نام ببرید. 2 در ژنراتور سنکرون 14 قطبی با فرکانس تولیدی 50 HZ سرعت چرخش رتور چند دور بر دقیقه است 3 سرعت چرخش یک ژنراتور سنکرون چهار قطبی برابر با 1800 RPM است. فرکانس برق تولیدی آن را به دست آورید. 4 عوامل تعیین کننده ولتاژ ژنراتور سنکرون را نام ببرید. 5 برای افزایش ولتاژ ژنراتور سنکرون بایستی مقاومت )رئوستا( مدار تحریک را ( افزایش/کاهش( داد. 6 4 موازی کردن ژنراتورهای سنکرون در نیروگاه ها به جای یک ژنراتور بزرگ از چند ژنراتور کوچک تر به صورت موازی با یکدیگر استفاده میشود علت این کار: باال بردن ضریب اطمینان تأمین شبکه برق 1 تغییر دائم قدرت درخواستی از شبکه یکی از ولت متر و فرکانس مترها ولتاژ و فرکانس طرف ژنراتور و دیگری ولتاژ و فرکانس طرف شبکه برق را اندازهگیری میکند. نشانگر سنکرونسکوپ زاویه فاز بین ولتاژهای شبکه و ژنراتور را جهت کنترل توالی فازها نشان می دهد. وجود این سه دستگاه در تابلوی فرمان نیروگاه برای عمل موازی سازی الزم است. برای برابر شدن ولتاژ ژنراتورها جریان تحریک آنها را تغییر میدهند و برای تساوی شدن فرکانس آنها سرعت ژنراتورها را تنظیم می کنند. شکل 11 مدار موازی سازی ژنراتور سنکرون سرعت چرخش عقربه سنکرونسکوپ به اختالف فاز بین ژنراتور و شبکه برق بستگی دارد. هنگامی که عقربه دستگاه سنکرونسکوپ در وسط و روی عدد صفر ایستاد بهترین زمان وصل کلید قدرت بوده و موازی کردن ژنراتور بالمانع است. 4 172 شرایط موازی کردن ژنراتور ها برابری ولتاژ خروجی ژنراتورها برابری فرکانس ژنراتورها رعایت توالی فاز در ژنراتورها برای انجام عملیات موازی کردن دو ژنراتور سنکرون با هم و یا یک ژنراتور سنکرون با شبکه برق سراسری از مداری مطابق شکل) 11 ( استفاده میشود. مدار موازی سازی شامل دو دستگاه ولت متر دو فرکانس متر و یک دستگاه سنکرونسکوپ میباشد. شکل 12 تابلوی فرمان سه ژنراتورکه با شبکه برق سراسری موازی شده اند 7 4 تلفات و راندمان در ژنراتورهای سنکرون به دلیل تفاوت ساختمان ژنراتورهای سنکرون نسبت به دیگر ماشینها )ژنراتورها( الزم است در محاسبه راندمان بیشتر 1 اگر یک ژنراتور با توان باال استفاده شود ممکن است به دلیل کاهش مصرف در ساعاتی از شبانه روز مجبور باشد با کسری از بار کار کند واین سبب کاهش بازده ژنراتور در طول زمان عملکرد آن میشود.

P Cur = R f P Cus = ٣R S I 2 f ( 11 4 ( I 2 ph دقت شود. چرا که توان ورودی ژنراتور سنکرون از دو بخش تأمین میشود: بخش اول توان الکتریکی )DC( مربوط به مدار تحریک ( dc )P بخش دوم توان مکانیکی ( mec P( ورودی برای آشنایی بیشتر به دیاگرام شکل )13( توجه نمایید: شکل 13 دیاگرام توازن توان ژنراتور سنکرون توان ورودی: ) 6 4 ) dc P in = P mec + P توان خروجی: ) 7 4 ( 3 L L در رابطه ) 7 4 ( U L ولتاژ خط برحسب ولت І L جریان خط بر حسب آمپر Cosϕ ضریب قدرت شبکه میباشد. با توجه به دیاگرام توان شکل )13( P out = U I Cosϕ 8) 4 ) P = P in - P out ( 9 4 ) Pout Pout η= η= P P + P in out ΔP یا مجموع تلفات ژنراتور سنکرون از رابطه زیر محاسبه میشود: ( 10 4 ) در رابطه ) 10 4 ( P= P mis + P Cur + P Cus + P Core P mis تلفات مکانیکی رتور بر حسب وات P Cur تلفات مسی رتور بر حسب وات P Cus تلفات مسی استاتور بر حسب وات P Core تلفات هسته ماشین بر حسب وات ( 12 4 ) در رابطه ) 11 4 و 12 4 ( R f مقاومت تحریک بر حسب اهم I f جریان تحریک بر حسب آمپر R s مقاومت هر فاز سیم پیچ استاتور I ph جریان عبوری از هر فاز سیم پیچ استاتور یک ژنراتور سنکرون 400 ولت با اتصال ستاره باری با جریان 80 آمپر و ضریب قدرت 0/7 را تأمین میکند. اگر از تلفات مسی رتور صرف نظر کنیم و تلفات هسته 400 وات و تلفات مکانیکی 600 وات و مقاومت هر فاز استاتور 0/04 اهم باشد راندمان ژنراتور را محاسبه کنید. P cur = 0 P cus = 3R a I a 2 P cus = 3 *0/04 * 80 2 = 768w P=P mis + P Cur + P Cus + P Core P=400+600+768=1768w P out = 3U I Cosϕ= L L 3 400 80 0/ 7 = 38755w η= Pout / P P = 38755 + + = 0 95 38755 1768 خود را بیازمایید out 1 مزایای استفاده از چند ژنراتور سنکرون به جای یک ژنراتور بسیار بزرگ را بنویسید. 2 برای کنترل توالی و مقدار لحظه ای ولتاژ فازها از استفاده میشود. 3 رابطه محاسبه تلفات کل ژنراتور سنکرون رانوشته و هر یک از کمیت های آن را معرفی کنید. 173

ماشینهای سنکرون 8 4 انواع نیروگاه های برق نیروگاه به محلی گفته می شود که در آن انرژی های دیگری نظیر انرژی بخار آب یا هوای فشرده یا باد توسط توربین ابتدا به انرژی مکانیکی موردنیاز ژنراتور تبدیل می شود و سپس ژنراتور انرژی مکانیکی را به انرژی الکتریکی تبدیل می نماید. نیروگاه ها انواع مختلفی دارند که در این بخش به اختصار توضیح داده می شود. 1 8 4 نیروگاه حرارتی: به نیروگاهی اصطالحا حرارتی گفته میشود که انرژی نهفته در سوخت های جامد مایع گاز و یا فعل و انفعاالت شیمیایی را به انرژی الکتریکی تبدیل کند. انواع نیروگاه های حرارتی شامل بخاری گازی سیکل ترکیبی و هستهای میباشد. 2 8 4 نیروگاه بخاری: در این نیروگاه با سوزاندن سوخت های فسیلی )گاز متان زغال سنگ یا مازوت ) 1 آب به بخار تبدیل می شود و انرژی بخار تولید شده برای چرخاندن توربین ژنراتور استفاده می شود ( شکل 15(. 3 8 4 نیروگاه گازی: در نیروگاه های گازی توسط کمپرسور هوا را فشرده می سازند تا حجم آن کم شود و سپس با پاشیدن گاز متان بر این هوا عمل احتراق صورت می گیرد لذا سیالی با فشار زیاد و حجم زیاد به دست می آید که دارای انرژی 4 شکل 14 نمایی از اتاق کنترل نیروگاه شکل 15 طرح وارۀ تولید برق در نیروگاه بخار 1 پایین ترین مشتق نفت خام 174

مناسبی جهت گرداندن توربین متصل به ژنراتور می باشد. به دلیل سرعت باالی توربین های گازی و بخاری اغلب ژنراتورهای نیروگاه های گازی و بخاری از نوع سنکرون با قطب صاف میباشند. الف( نیروگاه گازی توس در نزدیکی مشهد 4 8 4 نیروگاه هستهای: در نیروگاه های هستهای با شکست اتم های سنگینی همچون اورانیوم و فعل و انفعاالت شیمیایی مربوطه گرمای بسیار زیاد ایجاد میشود که از آن برای تولید بخار آب استفاده مینمایند.سپس بخار ایجاد شده را از توربین بخار عبور می دهند تا ژنراتور را بگرداند. نیروگاه های هستهای بسیار تمیز و کارآمد هستند با این وجود در صورت رعایت نکردن نکات ایمنی و بهره برداری غلط می توانند برای محیط زیست خطرساز باشند. این نیروگاه ها به دلیل استفاده از مواد رادیواکتیو در صورت نشت به محیط اطراف فاجعه آفرین هستند. شکل 16 ب(یک نمونه توربین گازی فاجعه نیروگاه هستهای چرنوبیل در شوروی سابق بر اثر بهره برداری غلط )آوریل 1986( و انفجار نیروگاه فوکوشیما داییچی ژاپن بر اثر زلزله و سونامی )مارس 2011( نمونه هایی از این قبیل میباشند. )الف( )ب( 175 شکل 17 الف( نمایی از یک نیروگاه هستهای ب ) طرح وارۀ تولید برق در نیروگاه هستهای

ماشینهای سنکرون 5 8 4 نیروگاه سیکل ترکیبی: به دلیل راندمان بسیار کم نیروگاه های گازی و بخاری معموال این دو نیروگاه را در نزدیک هم میسازند. به این ترتیب که انرژی )گرمای( باقیمانده در گازهای خروجی از توربین گازی را جهت گرم کردن اولیه آب به سمت دیگ بخار هدایت می کنند. در نتیجه گرمای خارج شده از اگزوز نیروگاه گازی هدر نمی رود و تلفات انرژی کاهش یافته و راندمان نیروگاه افزایش مییابد. به همین دلیل به این نیروگاه سیکل ترکیبی میگویند. نیروگاه دماوند به عنوان بزرگ ترین نیروگاه سیکل ترکیبی خاورمیانه با مجموع ظرفیت 2868 مگاوات میباشد. این نیروگاه با 50 درصد بازدهی بیشترین بازدهی را در میان سایر نیروگاه های حرارتی دارد. طرح وارۀ عملکرد نیروگاه سیکل ترکیبی در شکل) 18 ( نشان داده شده است. 6 8 4 نیروگاه آبی: استفاده از انرژی پتانسیل آب در پشت سد می تواند منبع مناسبی برای به حرکت در آوردن توربین های یک ژنراتور باشد. به همین دلیل در کنار هر یک از سدها آب راه مناسبی جهت خروج آب تعبیه می کنند که آب پشت سد را با فشار و نیروی مناسب به پره های توربین ژنراتور وارد میکند و آن را به گردش در می آورد. به دلیل سرعت کم توربین های آبی ژنراتور این نوع نیروگاه ها از نوع سنکرون با قطب برجسته میباشد. 4 شکل 19 طرح وارۀ تولید برق در نیروگاه های آبی شکل 18 طرح واره عملکرد نیروگاه سیکل ترکیبی 176

7 8 4 نیروگاه بادی: این نوع نیروگاه با توجه به شرایط اقلیمی یک منطقه بادخیز احداث میشود. در این روش توربین هایی که دارای سه پره با طول بلند می باشند روی یک پای ه نسبتا بلند سوار شده اند و انرژی جنبشی وزش باد را به انرژی الکتریکی تبدیل می کنند. البته با توجه به سرعت متغیر باد در این 1 نیروگاه ها از ژنراتور آسنکرون استفاده میشود. هستند و به دنبال آن مطالعه و ساخت نیروگاه هایی موسوم به انرژی نو همچون خورشیدی زمین گرمایی جزر و مد دریا و را آغاز کرده اند. هرچند در حال حاضر هزینه ساخت نیروگاه های انرژی نو در مقایسه با نیروگاه های حرارتی بسیار بیشتر است و در برخی نقاط غیر ممکن میباشد ولی هنوز آنها را نا امید نکرده است. در ایران نیز نیروگاه هایی احداث شده اند که در شکل )21( نمونه هایی از آن دیده می شود. خود را بیازمایید شکل 20 توربین نیروگاه بادی 8 8 4 جمع بندی: در تمام کشورها معموال برق پایه )یا همان مصرف متوسط( از طریق نیروگاه های سیکل ترکیبی هستهای آبی و بخاری تأمین میشود و تولید برق بیشتر را در ساعات اوج مصرف با اضافه شدن نیروگاه های گازی و آبی جبران مینمایند. ضمن اینکه دیگر نیروگاه ها در صورت نیاز همواره انرژی خود را به شبکه برق سراسری تحویل میدهند. تحقیق کنید چرا شبکه برق را به صور ت سراسری استفاده می کنند 1 انواع نیروگاههای حرارتی را نام ببرید. 2 نحوه به حرکت درآوردن توربین در نیروگاه گازی چگونه است 3 راندمان نیروگاههای و بسیار کم بوده و ازکنار هم قراردادن این دو نیروگاه نیروگاه میسازند. 4 ژنراتور سنکرون مورد استفاده در نیروگاه آبی از نوع رتور )برجسته/ صاف( میباشد. 5 نشت گازهای رادیواکتیو به بیرون از خطرات نیروگاه میباشد. 6 چند نوع نیروگاه انرژی نو را نام ببرید. با در نظر گرفتن هزینه های ناشی از اثرات مخرب زیست محیطی و به پایان رسیدن ذخایر نفت و گاز در جهان دانشمندان به دنبال راهی مناسب جهت حذف نیروگاه های حرارتی 177 1 برای توضیحات بیشتر به فصل 3 مبحث ژنراتور آسنکرون مراجعه شود.

سنکرون ماشینهای 4 نو انرژی به موسوم های نیروگاه از نمایی 21 شکل سنکرون موتور ساختمان 9 4 ژنراتورهای مشابه فاز سه سنکرون موتورهای ساختمان به دارد. وجود آنها بین جزئی های تفاوت البته است. سنکرون برجسته قطب نوع از غالبا سنکرون موتورهای رتور نمونه عنوان در همچنین نیست. چنین ژنراتورها در که صورتی در است. به سنجابی قفس های میله از سنکرون موتورهای رتور ساختمان علت ادامه در میشودکه استفاده شد گفته 3 فصل در که شکلی شد. خواهد بیان میله ها این کار گیری به سنکرون موتور کار اصول 10 4 شبکه به را سنکرون موتور استاتور فاز سه های پیچ سیم اگر شد گفته القایی موتورهای در که آنچه مطابق کنیم متصل فاز سه موتور داخل در ) 13 4 ( رابطه طبق n s سرعت با دواری میدان میگردد. ایجاد ژنراتورهای رتور مانند موتورکه این رتور پیچی سیم اگر استاتور های قطب تعداد با آن های قطب تعداد و است سنکرون جریان عبور اثر بر کنیم متصل DC ولتاژ منبع به را میباشد برابر هایی قطب تعداد با دائم آهنربای به تبدیل ماشین رتور آن از تحریک دوار میدان سرعت که آنجا از اما میشود. گردان میدان با متناسب رتور ساکن های قطب است زیاد خیلی ) 50 HZ فرکانس با )مثال خود مخالف در سریع خیلی و مقابل در ای لحظه را دوار های قطب و نمیشود وارد آن به راهاندازی نیروی یا گشتاور بنابراین میبینند سرعت به نزدیک سرعتی با را رتور اگر اما نمیکند. حرکت رتور رتور همنام غیر قطب دو حالت این در آوریم در حرکت به سنکرون و دوار( )میدان ثابت سرعت با و شده قفل یکدیگر با دوار میدان و کنند. می گردش به شروع میدان چرخش جهت در n s f = 120 ( 13 4 ) P 178

179 11 4 روشهای راهاندازی موتور سنکرون 1 11 4 راهاندازی داخلی: برای راهاندازی موتورهای سنکرون به این شیوه از رتورهایی که بر روی آنها میله های قفس سنجابی تعبیه گردیده استفاده میشود. بدین ترتیب که موتور در لحظه راهاندازی مانند موتور القایی راه می افتد و بعد از آنکه سرعت رتور به %75 سرعت میدان دوار رسید جریان تحریک سیم پیچ رتور را برقرار می کنند لذا موتور به صورت سنکرون به کار خود ادامه خواهد داد. به این روش راهاندازی روش القایی نیز میگویند. از دیگر ویژگی های میله های قفس سنجابی در رتور موتورهای سنکرون خنثی کردن ضربات ناشی از بار به موتور در شرایط اضافه بار میباشد. 2 11 4 راهاندازی خارجی: در این روش به کمک یک محرک خارجی موتور سنکرون را راهاندازی مینمایند سپس محرک خارجی را خاموش و از سیستم خارج می کنند. خود را بیازمایید 1 چرا در موتور سنکرون با اتصال ولتاژ شبکه به استاتور و ایجاد جریان تحریک رتور نمی چرخد 2 در راهاندازی داخلی موتور سنکرون به صورت راه اندازی می شود. 12 4 رفتار موتور سنکرون در زیر بار هنگامی که رتور موتور سنکرون سه فاز در زیر بار است و با سرعت سنکرون می چرخد دو میدان حاصل از استاتور و رتور طبق آنچه که در شکل )22( نشان داده شده است در یک راستا قرار نمی گیرند. در واقع زاویه میدان رتور از میدان استاتور عقب می افتد. این عقب افتادن مانند کشیده شدن یک اتومبیل توسط یک خودروی دیگر است. یعنی اگر اتومبیل جلویی با هر سرعتی حرکت کند خودروی کشیده شده با حفظ فاصله از خودروی کشنده از همان سرعت تبعیت میکند. شکل 22 عقب افتادن میدان رتور از استاتور در زیر بار زاویه بین میدان رتور و میدان استاتور را زاویه گشتاور میگویند. این زاویه با زیاد شدن بار افزایش مییابد بدون آنکه سرعت سنکرون تغییر کند. بنابراین برای کاهش زاویه گشتاور جریان تحریک باید افزایش یابد بیشترین گشتاور موتور سنکرون زمانی ایجاد میشود که هر قطب رتور بین دو قطب میدان دوار قرار گیرد زیرا میدان قطب عقبی آن را به شدت رانده و میدان قطب جلویی آن را به شدت جذب میکند. در موتور سنکرون دوقطبی اگر با افزایش بار زاویه گشتاور به 90 درجه برسد و یا از آن تجاوز کند ممکن است دو حالت پیش بیاید: الف( اگر اضافه بار خیلی کم و یا موقتی اعمال گردد لغزش در موتور ایجاد میشود و در صورتی که در ساختمان رتور از میله های قف س سنجابی استفاده شده باشد موتور به حالت آسنکرون در می آید و با کم شدن بار مجددا موتور به وضعیت سنکرون برمیگردد. ب( اگر اضافه بار خیلی زیاد باشد ویا موقتی نباشد در صورت نداشتن میله های قفس سنجابی موتور سریعا از حالت سنکرون خارج شده و م ی ایستد که این وضعیت برای موتور سنکرون خطرناک بوده و موجب سوختن آن میگردد. حتی اگر موتور میله های قفس سنجابی داشت عملکرد طوالنی مدت آن در حالت آسنکرون نیز برای موتور ضرر دارد. بنابراین برق موتور سنکرون باید فورا قطع شود.

ماشینهای سنکرون 13 4 حاالت کاری موتور سنکرون از آنجایی که جریان تحریک موتور سنکرون در اختیار بهره بردار است لذا می توان پس از راهاندازی موتور با تغییرات جریان تحریک توان راکتیو دریافتی از شبکه را کنترل نمود. این تغییرات توان راکتیو نسبت به جریان تحریک مانند حرف التین V )موسوم به منحنی V( میباشد. ج( حالت فوق تحریک: با افزایش جریان تحریک بیش از مقدار نرمال موتور سنکرون توان راکتیو )Q( تولید شده اضافی را به شبکه برق تحویل می دهد و بنابراین موتور سنکرون در شبکه رفتار خازنی نشان می دهد. چون هر منحنی V موتور سنکرون به ازای بار مشخص و ثابتی به دست می آید لذا موتور در بارهای دیگر دارای یک منحنی متفاوت میباشد. به همین دلیل معموال سازندگان منحنی V موتورهای سنکرون را حداقل در بار نامی نصف بار نامی و بیباری ارائه می کنند. 4 180 شکل 23 منحنی V در موتورهای سنکرون مطابق این منحنی سه حالت کاری برای موتور سنکرون وجود دارد: الف( حالت نرمال: در این حالت جریان تحریک توان راکتیو مورد نیاز را به میزان مصرف داخلی خود موتور تولید میکند و جریان آرمیچر دارای حداقل میباشد لذا از دیدگاه شبکه موتور سنکرون مانند یک عنصر اهمی خالصی عمل می نماید که توان راکتیو دریافتی از شبکه آن صفر است و در نتیجه ضریب قدرت موتور در این حالت )1= )cosϕ واحد میباشد. ب( حالت زیر تحریک: از آنجا که جریان تحریک در این حالت کمتر از جریان حالت نرمال است بنابراین موتور سنکرون همچون یک عنصر اهمی سلفی در شبکه توان راکتیو) Q ( جذب می نماید. خود را بیازمایید 1 زاویه عقب افتادن میدان رتور از میدان استاتور در موتور سنکرون را زاویه میگویند. 2 عکس العمل موتور سنکرون بدون میله قفس سنجابی در مقابل اضافه بارهای زیاد چگونه است 3 در حالت کاری نرمال موتور سنکرون ضریب قدرت و رفتار موتور در شبکه برق همانند عنصر )اهمی سلفی خازنی( میباشد. 4 اگر در موتور سنکرون جریان تحریک بیش از مقدار نرمال باشد رفتار موتور در شبکه چگونه است 5 برای افزایش ضریب قدرت شبکه برق باید موتور سنکرون را در حالت استفاده کرد. 6 منحنی V موتورهای سنکرون را رسم نموده و نواحی مختلف کاری در آن را تعیین کنید.

14 4 کاربرد موتور سنکرون با توجه به جدول )1( و مقایسه ویژگی های دو موتور القایی )آسنکرون( و سنکرون از موتور سنکرون می توان جهت اصالح ضریب قدرت شبکه استفاده نمود. به همین علت به موتور سنکرون خازن سنکرون هم میگویند. که شرح عملکرد آن در بخش قبلی آمده است. از دیگر کاربردهای این موتور استفاده از آن در بارهایی میباشد که نیاز به سرعت ثابت دارند. موتورهای سنکرون به دلیل پیچیدگی ساختمان در مقایسه با موتورهای القایی بسیار گران تر هستند ولی استفاده از موتورهای سنکرون در توان های خیلی زیاد به صرفه تر است. موتورهای القایی )آسنکرون( موتور سنکرون دارای گشتاور راه اندازی می باشد. گشتاور راهاندازی ندارد )به یک سیستم راه اندازی نیاز دارد(. سرعت آن با افزایش بار افت می کند و هرگز در سرعت سنکرون نمی چرخد. در تمام بارهای ممکن با سرعت سنکرون می چرخد. به تحریک DC نیاز ندارد. به تحریک DC نیاز دارد. ضریب قدرت این موتور همواره پس فاز است. می تواند در ضریب قدرت های متفاوت پس فاز یا پیش فاز و یا واحد کار کند. برای گردش بارهای مکانیکی به کار گرفته می شود. هم برای گردش بارهای مکانیکی و هم به عنوان اصالح گر ضریب قدرت در شبکه می تواند استفاده شود. جدول 1 مقایسه موتورهای سنکرون و آسنکرون 181

ماشینهای سنکرون پرسش های پایان فصل) 4 ( 1 انواع روشهای تولید برق توسط ژنراتور سنکرون را بیان نمایید. 2 چرا با آنکه رتور ژنراتور سنکرون مانند آهنربای دائم عمل می کند هسته آن را ورقه ورقه می سازند 3 شکل فیزیکی یک رتور دو قطبی با قطب صاف و رتور با قطب برجسته را ترسیم کنید. 4 چگ ونه می توان ولتاژ خروجی ژنراتور سنکرون را کنترل نمود 5 چگونه می توان فرکانس خروجی ژنراتور سنکرون را کنترل نمود 6 شرایط موازی کردن ژنراتورهای سنکرون را بنویسید. 7 مع موال از نیروگاه های آبی و گازی در چه مواقعی استفاده میشود 8 ساختمان ژنراتور و موتور سنکرون چه شباهت ها و تفاوت هایی با یکدیگر دارند 9 استفاده از روش راهاندازی القایی موتور سنکرون نسبت به روش خارجی چه مزایایی دارد 10 چرا به موتور سنکرون خازن سنکرون میگویند 11 چهار مورد از تفاوت های موتور سنکرون و موتور آسنکرون را بیان کنید. مسائل پایان فصل) 4 ( 1 استاتور یک ژنراتور سنکرون که با اتصال ستاره به بار خروجی متصل است دارای جریان خط 173 A بوده و مقاومت هر فاز آن Ω 025/0 میباشد. چنانچه مقاومت مدار تحریک 50Ω و ولتاژ تحریک رتور 125 V باشد تلفات مسی رتور و استاتور را به دست آورید. 2 یک ژنراتور سنکرون توان اکتیو 354/65 KW را با ولتاژ خط 2 KV و جریان 125A به بار مصرفی می رساند چنانچه راندمان ماشین 93/0 باشد به دست آورید: الف( ضریب قدرت ژنراتور ب(توان دریافتی ژنراتور ج( تلفات کل ژنراتور د( اگر توان ورودی W DC 1344 باشد توان مکانیکی ورودی چقدر است 4 182