ژنراتورهای القایی یا آسنکرون

یكی از حالت‌های عملكردی ماشین‌های الكتریكی القایی (آسنكرون)، حالت ژنراتوری است، بدین معنی كه در شرایط خاص كاری، می‌تواند انرژی مكانیكی دریافتی را به انژری الكتریكی تبدیل كند. از این پدیده در برخی از نیروگاههای آبی كوچك در نقاط مختلف دنیا استفاده شده است. با توجه به اینكه در كشور ما نیز جایگاههای فراوان جهت احداث نیروگاههای آبی كوچك وجود دارد و فعالیت‌هایی نیز در زمینه شناسایی، طراحی و اجرای آنها در جریان است، ضروری است مسائل فنی و اقتصادی استفاده از این ژنراتورها مورد بررسی قرار گیرد.در این مقاله كه عمدتاً از یكی از گزارشات فنی یكی از سازندگان اقتباس شده است، ژنراتور القایی به صورت فشرده توضیح داده شده است.
در انتها، لیست خلاصه‌ای از این نوع نیروگاهها كه در كشور اتریش اجرا شده است به منظور نشان دادن محدوده‌های عملی كاربرد این نوع نیروگاهها ارایه شده است.ژنراتور القایی، یك موتور القایی از نوع روتور قفس سنجابی است كه با یك محرك اولیه در مافوق سرعت سنكرون گردانده و برای تولید نیروی برق استفاده می‌شود و ساختار و مشخصه‌های آن عیناً مثل روتور القایی است.ساختارهای روتور و یاتاقانهای آن برای تحمل سرعت فرار توربین طراحی شده است.
●مشخصه‌های الكتریكی
وقتی یك موتور القایی با ولتاژ نامی و در حالت بی‌باری مورد بهره‌برداری قرار می‌گیرد، با سرعتی می‌چرخد كه فقط برای تولید گشتاور لازم برای غلبه بر افت ناشی از اصطكاك و افت ناشی از مقاومت هوا كافی باشد. اگر یك نیروی مكانیكی خارجی برابر با این افت‌ها به موتور القایی در همان جهت چرخش اعمال شود،‌روتور آن به سرعت سنكرون خواهد رسید.
هنگامی كه روتور در سرعت سنكرون می‌چرخد، روتور با همان سرعت میدان مغناطیسی ناشی از ولتاژ تغذیه می‌‌چرخد وولتاژ ثانویه‌ای القاء نمی‌شود زیرا فلوی مغناطیسی هیچیك از هادیهای ثانویه را قطع نمی‌كند و هیچ جریانی از سیم‌پیچهای روتور نمی‌گذرد و فقط جریان تحریك در سیم‌پیچهای اولیه جریان می‌یابد.
در صورتی كه روتور بواسطه یك نیروی خارجی در سرعتی بالاتر از سرعت سنكرون خود، چرخش كند، جهت ولتاژ القایی ثانویه خلاف موقعی خواهد بود كه بعنوان موتور القایی چرخش می‌كرد، زیرا سرعت چرخش‌ هادی روتور فراتر از سرعت چرخش میدان مغناطیسی می‌شود و گشتاوری كه چرخش روتور را كند می‌كند بین جریان ثانویه ناشی از این ولتاژ القایی و میدان مغناطیسی ایجاد شده و واحد مثل یك ژنراتور كار می‌كند. یعنی، توان مكانیكی خارجی اعمال شده به توان الكتریكی تبدیل می‌شود كه در سیم‌پیچهای اولیه تولید شده‌اند.همانطوری كه قبلاً توضیح داده شده، ژنراتور القایی یك موتور القایی است كه مافوق سرعت سنكرون كار می‌كند، مزایا و معایب آن در مقایسه با ژنراتور سنكرون بشرح زیر است:
●مزایای ژنراتور القایی
۱- چون به سیستم تحریك احتیاج ندارد و ساختمان آن ساده است در نتیجه تعمیر و نگهداری آن آسان است.
۲- راه‌اندازی و بهره‌برداری از آن آسان است، زیرا نیازی به سنكرونیزاسیون یا تنظیم تحریك ندارد.
۳- جریان اتصال كوتاه آن كم است و زمان كاهش آن در مقایسه با ماشینهای سنكرون كوتاهتر است، زیرا در هنگام اتصال كوتاه، تحریك قطع می‌شود و جریان اتصال كوتاه فقط در یك مدت فوق‌العاده كوتاه جریان می‌یابد تا اینكه فلوی مغناطیسی ناپدید شود.
۴- چون همیشه بطور موازی با ژنراتور سنكرون كار می‌كند و هرگز مستقلاً مورد بهره‌برداری قرار نمی‌گیرد، به ژنراتور سرعت نیازی ندارد.
۵- وقتی بار پس زده می‌شود، جریان تحریك قطع می‌شود و ولتاژ ناپدید می‌شود و لذا هیچگونه صدمه و خسارتی به بخشهای عایقی دستگاه از جانب ولتاژ اضافی صرفنظر از میزان افزایش سرعت رخ نمی‌دهد.
۶- وقتی ولتاژ سیستم افت می‌كند، جریان تحریك خودبه‌خود كاهش می‌یابد.
۷- جون گاورنر سرعت مورد استفاده قرار نمی‌گیرد، لذا تا حدی كه سرعت آن از سرعت مجاز توربین هیدرولیكی بیشتر نشود به تولید انرژی ادامه می‌دهد.
۸- در مواقعی كه سیستم دچار اختلال می‌شود، این دستگاه می‌تواند به صورت پایدار و بدون قطع شدن به كار خود ادامه دهد.
●معایب ژنراتور القایی
۱- فقط وقتی مثل یك ژنراتور كار می‌كند كه با ماشین سنكرون موازی شده باشد و نمی‌تواند مستقلاً تولید برق كند.
۲- چون جریان اولیه ژنراتور در ارتباط با ولتاژ خروجی در پیش‌فاز است. (یعنی با ضریب قدرت پیش فاز ژنراتور سنكرون مطابقت می‌كند)
۳- ضریب قدرت جریان بار بوسیله ضریب قدرت بار تعیین نمی‌شود، بلكه بوسیله ضریب قدرت ذاتی خود ژنراتور تعیین می‌شود.
این بدان معنی است كه ضریب قدرت بوسیله ظرفیت تعیین می‌شود و قابل كنترل نیست. ژنراتور سنكرونی كه بطور موازی به ژنراتور القایی متصل شده است. باید علاوه بر جریان تاخیر فاز مورد نیاز بار جریان تحریك مورد نیاز ژنراتور القایی را هم تامین كند.
بنابراین، ضریب قدرت ژنراتور سنكرون بدتر شده و ظرفیت قابل حصول آن نیز كاهش می‌یابد. این امر هم‌چنین باعث افزایش تلفات در خطوط انتقال می‌شود.
برای جبران این تلفات لازم است از كندانسورها استفاده شود.
۴- در بهره‌برداری موازی، جریان هجومی بالایی جریان می‌یابد و ولتاژ سیستم راتحت تاثیر قرار می‌دهد.
۵- به طور كلی، ماشینهای القایی با سرعتهای پایین و قطبهای زیاد، نسبت به ماشینهای سنكرون از لحاظ ضریب قدرت و ابعاد ماشین نامرغوبتر هستند.
ملاحظات:
ظرفیت كندانسور تصحیح‌كننده قدرت از معادله زیر تعیین می‌شود:
COSØ: ضریب قدرت ژنراتور القایی
COSØ: مقدار تصحیح شده ضریب قدرت به منظور جلوگیری از خود تحریكی ژنراتور القایی، نباید ظرفیت كندانسور بسیار زیاد باشد. معمولاً COSØ برابر ۹۵/۰ انتخاب می‌شود.
●پدیده ناپایداری ژنراتورهای القایی
جریان هجومی در بهره‌برداری موازی
جریان اتصال ژنراتورهای القایی به شبكه، با باز كردن پره‌های هادی توربین، سرعت ژنراتور بتدریج افزایش داده می‌شود و پس از آنكه رله سرعت نشان داد كه لغزش ژنراتور از مقدار معینی كمتر شده است، ژنراتور به شبكه متصل خواهد شد.
جریان هجومی در لغزشهای كوچك نیز وجود دارد، حتی اگر ژنراتور درهنگام اتصال به شبكه كاملاً سنكرون شده باشد.این جریان از نظر تئوری دو برابر جریان حالت روتور قفل شده است. به هر حال این جریان گذرا در یك زمان خیلی كوتاه و حداكثر پس از ۱۰ سیكل از بین می‌رود.
●اتصال كوتاه سه‌فاز ناگهانی
وقتی اتصال كوتاهی در ژنراتور القایی حین بهره برداری بروز می‌كند، جریانهای تحریك بسیار منابع از بین می‌روند. بهر‌حال، فلوی مغناطیسی هسته آهنی آن به نقطه صفر كاهش نمی‌یابد. بنابراین یك جریان اتصال كوتاه در مدت فوق‌العاده كوتاه جریان می‌یابد تا اینكه به نقطه صفر برسد.
حداكثر مقدار این جریان حدوداً برابر با مقدار جریان هجومی است.
این جریان معمولاً چند با حداكثر ۱۰ سیكل و به مقدار بسیار ناچیزی كاهش می‌یابد، لذا سبب بروز جریان اتصال كوتاه پایدار و بادوام نمی‌شود.
●اتصال كوتاه تك‌فاز
وقتی اتصال كوتاه بین دو خط بروز می‌كند، حداكثر جریان اتصال كوتاه حدوداً ۳√ برابر جریان روتور قفل شده خواهد بود.
●پدیده خود تحریكی
خود تحریكی هنگامی بروز می‌كند كه ژنراتور و كندانسورها با هم از سیستم قطع شوند كه در نتیجه عایق ژنراتور یا كندانسورها ممكن است با افزایش ولتاژ آسیب ببیند.
خودتحریكی در حالتی بوجود می‌آید كه ژنراتور توسط جریان پیش‌فازی كه به كندانسور (خازن) تحویل می‌دهد تحریك شود.مقدار این ولتاژ با استفاده از منحنی اشباع بی‌باری ژنراتور و مشخصه‌های ولتاژ و جریان كندانسور تعیین می‌شود.
در ناحیه ولتاژهای زیر نقطه «Ve» ولتاژ ژنراتور تمایل به افزایش دارد زیرا جریان تحریك تامین شده زیر «Ve» در مقایسه با جریان تحریك مورد نیاز بیشتر است. در ناحیه ولتاژهای بالا نقطه «Ve» ولتاژ ژنراتور به دلیل رابطه معكوس كاهش پیدا می‌كند. بنابراین، در این مثال ولتاژ خود تحریكی نقطه «Ve» خواهد بود كه دو منحنی همدیگر را قطع كرده‌اند.
اگر ظرفیت كندانسور كم باشد، شیب خط مشخصه ولتاژ جریان افزازیش خواهد یافت و «Ve» به تدریج پایین می‌افتد و وقتی از نقطه‌ای مشخص پایین‌تر بیاید، با منحنی اشباع در حالت بی‌باری ژنراتور تقاطع نخواهد كرد وپدیده خودتحریكی به وجود نخواهد آمد.
افزایش سرعت در ژنراتور القایی نیاز به توجه ویژه دارد. با افزایش سرعت، منحنی اشباع در حالت بی‌باری و ولتاژ كندانسور و منحنی مشخصه‌های جریان به سمت منحنی‌های دیگری انتقال می‌یابد.تحت این شرایط، ولتاژهای خودتحریكی قوی ممكن است بوجود آیند.
●سیستم بهره‌برداری و كنترل
همانطوری كه قبلاً توضیح داده شده، سنكرونیزاسیون برای بهره برداری از ژنراتورهای القایی در حالت موازی الزامی نیست، همچنین گاورنر سرعت توربین را می‌توان حذف كرد، زیرا این ژنراتورها هیچگاه مستقلاً مورد بهره‌برداری قرار نمی‌گیرند.
●راه‌اندازی
وقتی شرایط راه‌اندازی توربین هیدرولیك (آبی) فراهم باشد، فرمان راه‌اندازی صادر می‌شود و پره‌های هادی بتدریج باز می‌شوند و توربین هیدرولیكی شروع به چرخش می‌كند.
پره‌های هادی موقتاً در وضعیت مربوط به راه‌اندازی متوقف می‌شوند. سپس، توربین هیدرولیكی به تدریج شتاب می‌گیرد و در ‎آغاز از سرعت سنكرون پیشی گرفته و سپس به آن برمی‌گردد.
●بهره‌برداری موازی
چنانچه تنظیم مقدار بازشدگی دریچه‌های متناظر با حالت بی‌باری قبلاً به دست آمده باشد، در فاصله زمانی‌ای كه سرعت توربین در هنگام راه‌اندازی از سرعت سنكرون بیشتر می‌شود و مجدداً به سرعت سنكرون برمی‌گردد، تفاضل حداكثر سرعت توربین و سرعت سنكرون به كمترین مقدار كاهش داده خواهد شد. موازی كردن ژنراتور، در فاصله زمانی فوق‌الذكر باید انجام شود. هنگامی‌كه رله سرعت، لغزش ژنراتور را كمتر از ۳ درصد تشخیص داد بریگر مربوط به موازی كردن، فرمان وصل دریافت خواهد كرد.به عنوان نمونه، مشخصات اصلی تعدادی از نیروگاههای آبی كه در كشور اتریش در برخی از استانهای آن احداث شده است و در آنها از ژنراتور آسنكرون استفاده شده است. ذیلاً لیست شده است.این جزوه مربوط به شركت الین است.
●بارگذاری
پس از كامل شدن عملیات راه‌اندازی، میزان بار واحد توسط گاورنر تراز آب كنترل خواهد شد. دریچه‌های هادی، متناسب با سطح آب مخزن بالادست گشوده خواهند شد و ژنراتور القایی بار لازم را با افزایش لغزش تولید خواهد كرد.
●توقف آهسته
پره‌های هادی را به طرف موقعیت بازشدگی مربوط به حالت بی‌باری بتدریج ببندید و دژنكتور موازی را نزدیك وضعیت لغزش صفر باز كنید. پس از اینكه پره‌های هادی كاملاً بسته شد و بعد از آنكه سرعت ژنراتور به زیر ۳۰ درصد كاهش یافت، ترمز مكانیكی اعمال شده و سرعت را به صفر می‌رساند.
●از كار افتادن (SHUT DOWN)
اگر در حین كار ژنراتور القایی بطور ناگهانی قطع بار روی دهد، چنانچه باز شدگی پره‌های هادی بدون تغییر بماند، بدیهی است كه سرعت توربین افزایش خواهد یافت.معمولاً توربینها به گاورنرهایی مجهز هستند كه اضافه سرعت را حس كرده و فوراً اقدام به بستن پره‌های هادی می‌‌كند.
بهرحال توربینهای ژنراتورهای القایی به اینگونه گاورنرها مجهز نیستند.پره‌های هادی باید سریعاً با استفاده از سیگنال كنتاكت كمكی دژنكتور و یا عملكرد رله اضافه سرعت بسته شوند.
بهرحال توربینهای ژنراتورهای القایی به اینگونه گاورنرهای مجهز نیستند.پره‌های هادی باید سریعاً با استفاده از سیگنال كنتاكت كمكی دژنكتور و یا عملكرد رله اضافه سرعت بسته شوند.
لذا چنانچه دژنكتور نیروگاه دچار «تریپ» شود مشكلی بوجود نخواهد آمد و از كنتاكت كمكی آن می‌توان استفاده كرد. هنگامی كه دژنكتور انتهای خط ارتباطی قطع شود، پره‌های هادی پس از آنكه رله اضافه سرعت عمل كرد، بسته خواهند شد.
به هر حال رله اضافه سرعت به نحوی تنظیم شده است كه در سرعتهای ۱۰۵ درصد تا ۱۱۰درصد سرعت نامی عمل می‌كند. بدلیل اینكه مدتی طول می‌كشد تا اینكه پره‌های هادی شروع به تغییر وضعیت بدهند، افزایش سرعت اجتناب‌ناپذیر است.
در ژنراتورهای القایی، قطع بار به معنی فرو نشستن ولتاژ تحریك در چند سیكل است. این پدیده از بروز صدمات به عایق در اثر ولتاژ اضافی جلوگیری می‌كند. بعلاوه، هیچ افزایش در فركانس، باتوجه به فرونشستن سریع ولتاژ، بوجود نخواهد آمد و بنابراین جای هیچ نگرانی از سرعتهای اضافی در موتورهای كمكی كه به شبكه داخلی نیروگاه متصل هستند وجود نخواهد داشت.

ترجمه و ویرایش: مهندس شهربانو نجفی

منبع : ماهنامه صنعت برق