حل مشکل ولتاژ پسماند در جهت ساخت 0 دستگاه ژنراتور کمکی 8kW محمد دهقاننژاد علی احمدي مهندس طراح برق شرکت تام لوکوموتیو آریا dehghannejad@roshdsanatniroo.com مهندس طراح برق شرکت تام لوکوموتیو آریا a.ahmadi@yahoo.com چکیده ac ولتاژ پسماند هنگام راهاندازي ژنراتور سنکرون اهمیت پیدا میکند. وقتی ژنراتور سنکرون به صورت خود تحریک استفاده میشود مدار تنظیم ولتاژ (VR) براي شروع به کار به یک ولتاژ حداقل نیاز دارد این ولتاژ حداقل باید به وسیلهي شار پسماند ژنراتور در راهاندازي تولید شود. براي تا مین ولتاژ پسماند دو روش میتوان بهکار برد در روش اول که در ژنراتورهاي کمکی 8kW ساخت شرکت نیز بهکار گرفته شده است در هستهي روتور ژنراتور از ورقه يا الکتریکی با پسماند مغناطیسی بالا استفاده میشود تا شار پسماندي بتواند حداقل ولتاژ پسماند مورد نیاز را تا مین کند. روش دوم ادغامی از طرح ژنراتور سنکرون با آهنرباي داي م و ژنراتور سنکرون خود تحریک است. در این روش در هستهي میدان (استاتور) اکسایتر از تعدادي آهنرباي داي م استفاده میشود تا به کمک این آهنرباها اکسایتر بتواند بدون تحریک حداقل توان DC مورد نیاز میدان ژنراتور را تا مین کند. در این مقاله پس از بررسی روش اول و تا ثیر آن در عملکرد ژنراتورهاي ساختهشده روش دوم به عنوان روش جدید مورد بررسی قرار میگیرد. ژنراتور موضوع مقاله به طور کامل با هر دو روش در نرمافزار Ansoft Maxwell شبیهسازي شده و نتایج تحلیله يا میگردد. کلمات کلیدي ژنراتور سنکرون ولتاژ پسماند شار پسماند آهنرباي داي م Ansoft Maxwell مقدمه الکترومغناطیسی دو روش با هم مقایسه در ژنراتورهاي سنکرون با تحریک بدون جاروبک توان DC مورد نیاز سیمپیچی میدان (روتور) اصلی توسط یک ژنراتور کوچک تا مین میشود که اکسایتر نامیده میشود. مدار میدان اکسایتر در استاتور و مدار آرمیچر آن بر روي محور روتور سوار است. خروجی سهفاز این ژنراتور توسط مدار یکسوکنندهاي که روي محور ژنراتور قرار دارد یکسو شده و به مدار میدان ژنراتور اصلی اعمال میشود. مدار میدان اکسایتر نیز باید توسط یک منبع دیگر تغذیه گردد که در ژنراتورهاي خود تحریک از توان الکتریکی خروجی آرمیچر براي تا مین توان DC میدان اکسایتر استفاده میشود. در ژنراتور سنکرون 8kW کمکی لوکوموتیو GM GT6-CW جریان میدان اکسایتر یا جریان تحریک توسط بخش Exciter
VR کنترل میشود. وظیفه اصلی VR تثبیت ولتاژ خروجی ژنراتور در برابر تغییرات بار است. VR از ولتاژ خروجی ژنراتور نمونهگیري کرده و با کنترل جریان تحریک ولتاژ خروجی را در مقدار تعیین شده تثبیت مینماید. Vmin حداقل ولتاژ خروجی ژنراتور است که VR میتواند آن را حس کند. تا قبل از VR Vmin شروع به کار نکرده و جریانی به تحریک ژنراتور اعمال نمیکند و ژنراتور بدون تحریک قادر به تولید ولتاژ نخواهد بود. به این ترتیب اگر ولتاژ پسماند ژنراتور- ولتاژي که به خاطر وجود شار پسماند در هستهي ژنراتور و در حالتی که جریان تحریک قطع است در ترمینالهاي خروجی ژنراتور ظاهر میشود کمتر از Vmin باشد- سیستم VR عمل نکرده و ژنراتور ولتاژسازي نخواهد کرد. از آنچه که بیان شد نتیجه گرفته میشود که ولتاژ پسماند هنگام آغاز ولتاژ سازي در ژنراتور سنکرون اهمیت پیدا میکند. به این معنی که اگر ژنراتور به صورت خود تحریک استفاده شود در صورت عدم وجود شار پسماند در ژنراتور در ابتداي راهاندازي شاري براي ولتاژ سازي وجود ندارد (ولتاژ ترمینال ژنراتور رابطهي مستقیمی با شار فاصلهي هوایی دارد). نمونههاي اولیه ژنراتورهاي کمکی 8kW ساخته شده به خاطر پایین بودن دامنه ولتاژ پسماندي به علت استفاده از ورقهاي الکتریکی با پسماند کم در هستهي روتور و استاتور در ابتداي راهاندازي قادر به ولتاژ سازي نبودند. براي تا مین ولتاژ پسماند دو روش میتوان بهکار برد در روش اول در هستهي روتور ژنراتور از ورقهاي الکتریکی با پسماند مغناطیسی بالا استفاده میشود تا شار پسماندي بتواند حداقل ولتاژ پسماند مورد نیاز را تا مین کند. پس از تحلیلهاي همهجانبه 0 دستگاه ژنراتور کمکی 8kW با این روش تولید شده و پس از تست و راهاندازي اولیه در کارخانه تحویل ناوگان حمل و نقل ریلی گردید. روش دوم ادغامی از طرح ژنراتور سنکرون با آهنرباي داي م و ژنراتور سنکرون خود تحریک است. در این روش در هستهي میدان (استاتور) اکسایتر از تعدادي آهنرباي داي م استفاده میشود تا به کمک این آهنرباها اکسایتر بتواند بدون تحریک حداقل توان DC مورد نیاز میدان ژنراتور را تا مین کند. در این مقاله پس از بررسی روش اول و تا ثیر آن در عملکرد ژنراتورهاي ساختهشده روش دوم به عنوان روش جدید مطرح شده و نتایج تحلیلهاي نرمافزاري آن اراي ه میگردد. ژنراتور موضوع مقاله به طور کامل با هر دو روش در نرمافزار Ansoft Maxwell مدلسازي شده و نتایج تحلیلهاي الکترومغناطیسی دو روش با هم مقایسه میگردد. شکل - دیاگرام کلی ژنراتور خود تحریک تا ثیر جنس ورق هسته میدان اصلی روي ولتاژ پسماند ژنراتور ولتاژ پسماند در ژنراتور سنکرون ولتاژي است که به خاطر وجود شار پسماند در هستهي ژنراتور و در حالتی که جریان تحریک قطع است در ترمینالهاي خروجی ظاهر میشود. در ژنراتورهاي خود تحریک که جریان تحریک از خروجی ژنراتور و Voltage Regulator
توسط VR تا مین میشود چنانچه ولتاژ پسماند از حداقل ولتاژ مورد نیاز VR کمتر باشد VR قادر به تا مین جریان تحریک نخواهد بود و در نتیجه ژنراتور نمیتواند ولتاژ و توان الکتریکی تولید کند. در دستورالعمل تعمیرات و نگهداري ژنراتور کمکی 8kV حداقل ولتاژ پسماندي که VR میتواند حس کند تا به میدان اکسایتر جریان تحریک اعمال کند /5V در سرعت 800rpm ذکر شده است. مقدار ولتاژ پسماند که به واسطهي شار پسماند تولید میشود مستقیما به جنس و خواص مغناطیسی هستههاي بخش DC ژنراتور بستگی دارد به طور خاص مشخصهي شار پسماندي هستهي روتور اصلی بیشترین تا ثیر را روي ولتاژ پسماند ژنراتور دارد. خواص فرومغناطیسی و الکتریکی مواد را میتوان به دو دستهي کلی تقسیم کرد خواص حساس به ساختار و خواص غیرحساس به ساختار. منظور از ساختار در اینجا تغییر اندك در ترکیب ناخالصی و اضافه شدن اندك برخی از ناخالصیها عملیات حرارتی و تغییر شکل پلاستیک است. چگالی شار اشباع ) s B) مقاومت ویژه (ρ) و دماي کیوري ) c T) به طور کلی به عنوان خواص غیرحساس به ساختار شناخته شدهاند. این خواص به ترکیب آلیاژ انتخابی وابسته است و اساسا با نوع فرآیند ساخت یک قطعه از آلیاژ تغییر نمیکند. خواص حساس به ساختار خواصی هستند که به شدت تحت تا ثیر ناخالصیها کرنش پسماند اندازهي دانه عملیات حرارتی و مانند آن وابسته است نفوذپذیري نسبی ) r µ) نیروي بازدارندهي مغناطیسی ) c H) تلفات هیسترزیس ) h W) چگالی شار پسماند ) r B) و پایداري مغناطیسی همگی خواص حساس به ساختار هستند. در اولین نمونهي ژنراتور کمکی 8kW که به روش مهندسی معکوس از روي نمونهي فابریک ساخته شده بود بدون توجه به مسا له ولتاژ پسماند در هستهي روتور و استاتور اصلی و همچنین روتور و استاتور اکسایتر از ورق الکتریکی با گرید M7 استفاده شد. تلفات هستهي کم و همچنین شار پسماندي کم از مشخصههاي این نوع ورق است. بر روي نمونهي ساخته شده تست ولتاژ پسماند انجام شد. مطابق دستورالعمل تعمیرات و نگهداري ژنراتور کمکی 8kW براي انجام تست پسماند ژنراتور با سرعت 800rpm در جهت خلاف عقربههاي ساعت چرخیده میشود. مقدار مو ثر ولتاژ فاز به فاز ترمینالهاي ژنراتور در حالت مدار باز ولتاژ پسماند نامیده میشود که باید بیشتر از /5V باشد. مقدار ولتاژ پسماند اندازهگیري شده براي اولین نمونهي ساخته شده 5mV بود. براي بررسی علت پایین بودن ولتاژ پسماند روتور نمونهي ساخته شده درون استاتور نمونهي فابریک و روتور نمونهي فابریک درون استاتور نمونهي ساختی مونتاژ گردید و مجددا تست ولتاژ پسماند انجام شد. نتایج این تست در جدول - تست ژنراتور فابریک و ژنراتور ساخته شده با روتورهاي جابجا شده آمده است. نحوهي مونتاژ روتور نمونهي ساختی درون استاتور فابریک ولتاژ پسماند (V) 0/9 /4 روتور نمونهي فابریک درون استاتور ساختی جدول - تست ژنراتور فابریک و ژنراتور ساخته شده با روتورهاي جابجا شده از بررسی نتایج این تست اطمینان حاصل گشت که مسا له ولتاژ پسماند تنها به هستهي روتور اصلی مربوط میشود. بهمنظور اطلاع از مشخصات ساختار و ترکیب ورق هستهي روتور اصلی نمونهي فابریک آزمایشهاي کوانتومتري و متالوگرافی بر روي این ورق انجام شد. نتایج این آزمایشها در ادامه اراي ه شده است. با توجه به نتایج کوانتومتري و متالوگرافی ورق هستهي روتور نمونهي فابریک ورق ST4 با مشخصات مشابه براي روتور ژنراتور سري دوم انتخاب گردید. از آنجایی که سختی مکانیکی و سختی مغناطیسی رابطهي مستقیمی دارند در انتخاب ورق Structure Sensitive Properties Residual Strain 3
این مورد نیز باید لحاظ گردد. C (%) 0/05 Si (%) 0/00 Mn (%) P (%) S (%) اندازهي دانه (µm) سختی HV) (Force: 000 grf, 0/9 0/005 0/03 8/4 40 جدول - کوانتومتري ورق هستهي روتور نمونه فابریک شکل - تصاویر متالوگرافی ورق هستهي روتور نمونه فابریک پس از ساخت ژنراتور نمونهي دوم تست ولتاژ پسماند انجام شد و با توجه به قابل قبول بودن نتیجهي تست 0 دستگاه ژنراتور با استفاده از ورق ST4 با مشخصات بالا ساخته شد و پس از انجام تستهاي مقدماتی و راهاندازي اولیه در کارخانه تحویل ناوگان حمل و نقل ریلی گردید. به منظور تحلیل عملکرد ژنراتور ژنراتور اصلی (بدون اکسایتر) در نرمافزار Ansoft Maxwell مدلسازي شد. شکل 3 مدل اولیهي این ژنراتور را در محیط RMxprt این نرمافزار نشان میدهد. 4
شکل 3- مدل اولیه ژنراتور کمکی 8kW در محیط RMxprt ژنراتور اصلی باید بتواند ولتاژ /5V را در سرعت 800rpm تولید کند. از نتایج تحلیلهاي الکترومغناطیسی نرمافزار Ansoft Maxwell جریان تحریک لازم براي تولید این ولتاژ توسط ژنراتور f-r I به دست میآید. این جریان از مشخصهي مدار باز ژنراتور قابل استخراج است. شکل 4 مشخصهي مدار باز ژنراتور اصلی را نشان میدهد. شکل 4- مشخصهي مدار باز ژنراتور اصلی بدون در نظر گرفتن شار پسماند در هستهي روتور اصلی اکسایتر باید بتواند جریان I f-r را در حالیکه جریان تحریکش قطع است تولید کند. براي تا مین این جریان میتوان از طرح ژنراتور سنکرون با آهنرباي داي م استفاده کرد به این صورت که در میدان اکسایتر (استاتور اکسایتر) تعدادي آهنرباي داي م قرار داده میشود. طرح استفاده از آهنرباي داي م در استاتور اکسایتر موضوعی است که در ادامه به آن اشاره شده و مورد بررسی قرار میگیرد. O.C.C Permanent Magnet Synchronous Generator (PMG) 5
تغییر طرح اکسایتر و استفاده از آهنرباي داي م در استاتور اکسایتر ولتاژ هر فاز ژنراتور اصلی 55 ولت است لذا مقدار پریو /5 نیت باز ژنراتور اصلی مقدار جریان تحریک پریو یتن ولت برابر 0/45 خواهد بود. با استفاده از مشخصهي مدار معادل براي تولید این مقدار ولتاژ برابر 390mA خواهد بود. از آنچه که بیان شد میتوان نتیجه گرفت که شار آهنرباهاي داي م نصب شده در استاتور اکسایتر باید در حدي باشد که اکسایتر بتواند در سرعت 800rpm جریان I f-r را تولید کند. ولتاژ DC اعمال شده به میدان اصلی از ضرب جریان تحریک در مقاومت اهمی سیمپیچی میدان اصلی به دست میآید. مقدار مقاومت سیمپیچی تحریک برابر /685 است بنابراین مقدار ولتاژ تحریک در این حالت برابر خواهد بود با: V Excit = 0.390.685 =.05 V مقدار ac معادل این ولتاژ پیش از یکسوسازي برابر خواهد بود با: (در یکسوسازي تمام موج) افت ولتاژ یکسوکننده را نیز لحاظ کرده و مقدار ولتاژ قبل از یکسوسازي را برابر V در نظر میگیریم. از شبیهسازي المان محدود اکسایتر جریان تحریک معادل ولتاژ ac فوق 0/ آمپر به دست آمد. از چگالی شار فاصلهي هوایی در این وضعیت شار کل مورد نیاز براي ولتاژ خروجی V به دست میآید. نتایج شبیهسازي در شکل 5 و شکل 6 مشاهده میشود. شکل 5- نمودار خطوط چگالی شار براي تحریک 0/ آمپر 6
3.50 XY Plot MaxwellDDesign3 Curve Info NodeVoltage(IVoltmeter55) Setup : Transient avg ANSOFT.97 3.00.50 NodeVoltage(IVoltmeter55) [V].00.50.00 0.50 0.00 0.00 0.00 30.00 40.00 50.00 60.00 70.00 Time [ms] شکل - 6 ولتاژ DC شده خروجی اکسایتر (ورودي تحریک اصلی) با تحریک 0/ آمپر در مرحلهي بعد با استفاده از آهنربا در دو قطب اکسایتر شار معادل وضعیت بالا تا مین میشود. آهنرباهاي مورد استفاده از نوع NdFe35 است که مشخصات آن در جدول 3 آمده است. 0.00 Material NdFe35 Related Permeability.0997785 H c 890000 A / m Dimension (0 30 5) mm جدول 3- مشخصات آهنرباي استفاده شده در قطبهاي استاتور اکسایتر شبیهسازي طرح فوق موجب تولید ولتاژ حدود 3/3 ولت در خروجی اکسایتر شد. نتایج شبیهسازي را در شکل 7 و شکل 8 میبینید. شکل 7- نمودار خطوط چگالی شار (بدون تحریک اکسایتر) 7
6.00 XY Plot D-8kW with magnet Curve Info NodeVoltage(IVoltmeter55) Setup : Transient avg 3.38 ANSOFT 5.00 4.00 NodeVoltage(IVoltmeter55) [V] 3.00.00.00 0.00 0.00 40.00 60.00 80.00 00.00 0.00 Time [ms] شکل - 8 ولتاژDC شده خروجی اکسایتر (ورودي تحریک اصلی) بدون تحریک و وجود آهنربا اگرچه اضافه ولتاژ تولیدي مشکلی در کارکرد ژنراتور ایجاد نمیکند ولی با انتخاب آهنرباي کوچکتر میتوان به ولتاژ مورد نظر دست یافت. 0.00 8
نتایج در ژنراتورهاي سنکرون خود تحریک اگر ولتاژ پسماند ژنراتور- ولتاژي که به خاطر وجود شار پسماند در هستهي ژنراتور و در حالتی که جریان تحریک قطع است در ترمینالهاي خروجی ژنراتور ظاهر میشود- کمتر از Vmin باشد سیستم VR عمل نکرده و ژنراتور ولتاژسازي نخواهد کرد. بنابراین ولتاژ پسماند هنگام آغاز ولتاژ سازي در ژنراتور سنکرون اهمیت پیدا میکند. به این معنی که اگر ژنراتور به صورت خود تحریک استفاده شود در صورت عدم وجود شار پسماند در ژنراتور در ابتداي راهاندازي شاري براي ولتاژ سازي وجود ندارد. دو روش براي تا مین ولتاژ پسماند ژنراتور مطرح شد در روش اول که حاصل تحقیقات بر روي خواص ورقهاي الکتریکی بود از ورقهاي الکتریکی با پسماند بالا استفاده شد تا شار پسماندي بتواند حداقل ولتاژ پسماند مورد نیاز را تا مین کند. 0 دستگاه ژنراتور کمکی 8kW نیز بر مبناي این روش ساخته شد و پس از اطمینان از صحت عملکرد تحویل ناوگان حمل و نقل ریلی گردید. روش دوم ادغامی از طرح ژنراتور سنکرون با آهنرباي داي م و ژنراتور سنکرون خود تحریک است. پس از بررسی نتایج تحلیلهاي الکترومغناطیسی ژنراتور تحریک و با کمک این آهنرباها حداقل توان DC مورد نیاز میدان ژنراتور را تا مین کند. اصلی اکسایتر با دو آهنربا در استاتور به گونهاي طراحی شد که بتواند بدون روش دوم در ژنراتور سنکرون 500kVA طراحی و ساخت شرکت نیز به کار گرفته شد که نتایج مورد انتظار پس از راهاندازي این ژنراتور حاصل گردید. تحریک عبارتند از: مراجع مزایاي استفاده از آهنرباي داي م در طراحی و ساخت اکسایتر ژنراتورهاي سنکرون خود عدم حساسیت عملکرد ژنراتور به جنس ورق هستهي روتور سهولت ساخت ژنراتور کاهش هزینههاي مواد اولیه و ساخت ژنراتور کاهش قیمت تمامشدهي محصول [] Mohamed. E. El-Hawary, Principles of Electric Machines With Power Electronic Applications, nd Edition, IEEE, 00. [] M.I. 3707, Rev. A, Maintenance Instruction of AC Auxiliary Generator (Brushless Type) Models A-846, A-847, A847-M, A-847, GM, 979. [3] Douglas W. Dietrich, ASM Handbook Volume, Properties and Selection: Nonferrous Alloys and Special-Purpose Materials (ASM International), Pages: 76-78, ASM International, 990. 9