پارامترهاي اوليه مورد نياز براي طراحي ژنراتور

زماني كه مي خواهيم ژنراتوري را سفارش دهيم ، طراح نيازمند مقادير الكتريكي زير براي طراحي اوليه ژنراتور مي باشد كه بايد توسط خريدار به سازنده ارائه شوند :

 

-        توان نامي و ماكزيمم

-        سرعت نامي و سرعت فرار (Runaway Speed)

-        فركانس نامي

-        ممان اينرسي

-        افزايش دماي مجاز

-        راكتانسها ( Xd , X’d , X”d , X”q/X”d )  

-        نسبت اتصال كوتاه (Short Circuit Ratio)

-         ثابت زماني ها (T′do و ‏T′d و T″do )

-        شرايط محيط (دماي هوا وآب سرد ورودي به رادياتورها)

-        ولتاژ نامي و محدودة مجاز تغييرات ولتاژ

-        و مقادير ديگري مانند :         

                # حداقل قطر داخلي ژنراتورر

                #  حداقل راندمان

 

مقایسه بین زمان، اوزان و هزینه هاي ساخت قسمتهای مکانیکال و الکتریکال ژنراتور آبی

با وجود اینکه ژنراتور سنکرون، منبع اصلی تولید الکتریسیته در یک نیروگاه می‌باشد و مباحث مربوط به کارکرد آن در شاخه مهندسی برق مورد بررسی قرار می‌گیرد؛ ولی بعنوان یک ماشین الکتریکی، قسمتهای بسیاری از آن توسط مهندسان مکانیک، طراحی شده و مورد بررسی قرار می‌گیرد. برای اینکه ذهنیتی نسبت به حجم  عملیات مکانیکی و الکتریکی یک هیدروژنراتور سنکرون عمودی ، زمان و هزینه‌های ساخت آن بشود ، مقایسه‌ای که توسط شرکت Voith-Siemens در این مورد انجام شده است، ارایه می‌گردد.

 

الف- مقایسه بین مدت زمان طراحی و کار مهندسی بر روی قطعات الکتریکی و مکانیکی هیدروژنراتور:

 

 

ب- مقایسه بین اوزان تجهیزات الکتریکی و مکانیکی هیدروژنراتور:

 

 

 

ج-   مقایسه بین هزینه‌های کارخانه‌ای ساخت قطعات الکتریکی و مکانیکی هیدروژنراتور:

 

 

 

 

مقادير راكتانس در یک ژنراتور سنکرون و ثابت زمانيهاي مربوط به آن

راكتانسها پديده هايي فيزيكي نيستند بلكه يك كميت رياضي مي باشد كه به منظور مدل كردن رفتار الكتريكي ژنراتور در حالت عملكرد نرمال و همچنین در زمان خطا استفاده مي شوند. اما ثابت زماني ، پريود هر رفتاري را در طول خطا تعيين مي كند.

 

عملكرد ژنراتور را در حالت خطا به 3 حوزه زير تقسيم مي كنند :

1-      زير گذرا

2-       گذرا

3-       دايم

 

 

1-     پريود زير گذرا ( Sub transient  ) :

     اين پريود در زمانهاي اوليه خطا قرار دارد كه داراي جريان و گشتاور خيلي زيادي هستيم و رفتار ژنراتور در اين پريود تابع سيم پيچي دمپر مي باشد. معمولا“ خريداران، راكتانس زيرگذراي بالايي را طلب مي كنند تا جريان و گشتاور را در اين محدوده كم نمايند.

 

2-     پريود گذرا ( Transient ) :

    حالتهاي مياني خطا بوده كه جريان و گشتاور هنوز زياد مي باشد در اين حالت رفتار ژنراتور تحت تاثير قطبها مي باشد. معمولا“ خريدار تقاضاي راكتانس پاييني مي كند تا سيستم حفاظتي خود را حساس نموده و پايداري ديناميكي را نيز زيادتر كند.

 

3-     پريود دايمي (Permanent  ) :

    پس از عبور از رژيم گذرا به رژيم حالت دايمي مي رسيم. در اين حالت جريان و گشتاور به مقدار ثابتي دست مي يابند. در اين حالت عملكرد ژنراتور تابع سيم پيچ استاتور و فاصلة هوايي است. معمولا“ مشتري مقدار اين راكتانس را تعيين مي كند.

نسبت اتصال كوتاه كه در حقيقت نمايانگر جريان اتصال كوتاه دايمي است به منظور حساس نمودن سيستم حفاظتي نيز توسط مشتري درخواست مي شود.

شكل زير تغييرات جريان اتصال كوتاه را برحسب زمان ، براي يك ژنراتور نمونه نمايش مي دهد.

 

 

سيستم تهوية ژنراتور (قسمت سوم)

در شكل زير ، نحوه گردش هوا را در تهوية مستقل( فن با يك موتور مستقل مي چرخد) يك ژنراتور آبي نمايش مي دهد.

در شكل زير نيز مي توانيد نحوه گردش هواي تهويه را در يك ژنراتوربا استفاده از كانالهاي هواي داخل روتور ريم و بدون استفاده از فن مشاهده نماييد.

 

واحد ترمز مکانیکی و بالابري(Bracking and Jacking Unit)

سيســـتم ترمز مکانیکی به گونــــه‎اي طراحــي شده تا مجمــــوعه ژنراتـــور و توربيــن را سريعـاً به حالت سكون برساند. عـــلاوه بر ترمز، اين سيستم براي بالا بردن روتـــور هنگام نصــب و يا خارج كردن روتور مورد استفــــاده قرار مي‎گيرند. سيستم بالابري همچنين براي خارج كردن ياتاقان‎هاي كف‎گرد از فشار و جدا كردن شفت توربين از ژنراتور به كار مي‎رود. براي بكار انداختن ترمزها از هوا فشرده استفاده مي‎شود كه ترمز نرم و با تنظيم مناسب را امكان‎پذير مي‎سازد. فشار لازم براي بالابري به طور قابل توجهي بيشتر از مقدار لازم براي ترمز مي‎باشد. از اين‌رو اين فشار توسط موتورپمپ‎ها و از طريق مدار روغن برقرار مي‎شود. سيستم ترمز و بالابري توسط شيرهاي سه راهه از يكديگر مجزا مي‎گردند. در شکل زیر می توانید مجموعه ای را که برای ترمز مکانیکی و جک کردن روتور بکار می رود مشاهده نمایید. معمولا" در يك ژنراتور از چند سگمنت ترمز/جك (مثلا" ۴ تا) استفاده مي شود.

نماي يك سگمنت ترمز/جك

 

نماي يك سگمنت ترمز/جك كه در زير رينگ ترمز روتور ژنراتور قرار مي گيرد.

 

 

سيستم تهوية ژنراتور (قسمت دوم)

در شکل زیر می توان تهويه با استفاده از جريان هواي شعاعي-محوري با فن شعاعي نصب شده روي شفت را مشاهده نمود.

 

سيستم تهوية ژنراتور (قسمت اول)

براي خنك كردن ژنراتور نيازمند پيش بيني و تعبية سيتم تهوية هوا در آن هستيم كه با توجه به سرعت محيطي روتور و طول هسته، از روشهاي مختلفي استفاده مي شود كه در جدول زير توضيح داده شده‌اند :

 

نوع تهويه	سرعت محيطي روتور	طول هسته	مشخصات سيستم تهويه
نصب فن محوري بر روي شفت ژنراتور	> 40 m/s	< 3 m	1.Adjustable 2.Higer Costs
نصب فن شعاعي بر روي محور روتور	> 20 m/s	< 3 m	1. Lower Cost    2. Not Adjustable
فن موتوري	_____	< 4 m	1. Machines With Low speed / Variable Speed                       2.Higher Losses In Some Cases             3.External Source Necessary
روتور ريم به همراه مسيرهاي شعاعي براي تهويه، درون ريم	> 30 m/s	< 8 m	1. Adjustable         2.Better Air flow Distribution(more Homogenous)

 

در شكلهاي زير وضعيتهاي مختلف تهويه نمايش داده شده اند :

تهويه با استفاده از جريان هواي شعاعي-محوري با فن محوري نصب شده روي شفت

 

سيستم خنك كننده ژنراتور آبي Generator Cooling System (قسمت اول)

 ژنراتورهاي آبي معمولا" توسط هوا خنك مي‎شوند. در ابتدا هوا به طور شعاعي از بيرون‎زدگي سيم‎پيچ (Winding Overhang) عبور كرده، سپس از فضاي بين قطب‎ها مي‎گذرد. جريان هوا توسط مسيرهاي موجود در روتور هدايت مي‎شود. جريان هوا پس از خنك كردن سيم‎پيچ‎هاي روتور از فواصل هوايي بين هسته استاتور عبور كرده تا سيم‎پيچي استاتور را خنك نمايد. مقابل دريچه‎هاي تخليه هوا در قاب استاتور مبدل‎هاي هوا به آب(رادياتور) قرار گرفته تا مجدداً هواي گرم را خنك نمايند. در شكل زير مي توانيد نمايي از يك رادياتور ژنراتور را كه در كارخانه در حال ساخت مي باشد، مشاهده نمود.

 

 

سيستم روانكاري هيدرواستاتيک( Hydrostatic Lubrication System)

روانكاري هيدرواســـتاتيك به منظـــور جلوگيــــري از فرســــودگي زياد ياتاقــــان در زمان راه‎انـدازي واحــــد و يا توقــــف آن صورت مي‎گيـرد. اين سيســــتم همچنيـــن راه‎انـــدازي ژنراتورهـــايي بـــا ياتاقــان تراست، تحت فشار زياد را تسهيل مي‎نمايد. در اين سيستم روغن تحت فشار زياد بين قطعات ياتاقان كف‎گرد و تراست بلوک به صورت يك لايه ايجاد مي‎گردد.

فشــــــار روغــــن توســـط دو مـــوتور پمپ فشـــــار بالا كـــــه يكـــي از آنهــــا رزرو مي‎باشـــد، ايجــــــاد مي‎شـــود. معمولا" در زمان استارت و یا استپ واحد، یکی از پمپها شروع به کار می‌کند و در صورتیکه به هر علتی، فشار روغن تزریق شده به حد مورد نیاز نرسید، پمپ دوم نیز شروع به کار می‌کند. با توجه به اینکه در صورت عدم ایجاد این لایه روغن، امکان صدمه خوردن به سطح یاتاقانها و سطح تراست بلوک وجود دارد، بعضی از سازندگان ژنراتور(مانند ELIN) یکی از این پمپها را بصورت dc در نظر می‌گیرند که در صورت  قطع برق AC مصرف داخلی، این پمپ dc، امکان کارکردن را از طریق باتری‌خانه نیروگاه داشته باشد و از صدمه خوردن به یاتاقانها جلوگیری شود.

روغــــن از مخـــزن یاتاقانها به پمـــپ رســـيده و سپـــس به سطــــح ياتاقان‎ها پمپ مي‎شود و فشار روغن با توجه به قدرت و وزن ژنراتور تا حد 120 bar نیز ممکن است برسد. این پمپها در نیروگاه به High Pressure Pumps ویا بصورت مختصر HP Pumps معروف می‌باشند که در زیر می‌توانید یک نمونه آنها را مشاهده کنید(دو الکتروپمپ AC):

 

 

وجود لایه نازک روغن در هنگام چرخش واحدها بسیار مهم می‌باشد و عدم وجود آن می‌تواند باعث بوجود آمدن صدمات سنگینی در ژنراتورها گردد که در زیر یک نمونه آن را می‌توانید مشاهده نمایید:

 http://i4.tinypic.com/280k3ue.jpg

 

 

 

 

گاید بیرینگ (ياتاقان هادي) ژنراتور(Guide Bearing) (قسمت اول)

اين ياتاقــــان، كاركــــرد صحيــــح و هم‎محـور ماشـــين را در تمــــامي سرعت‎هـــا (از حالت سـكون تا ســـرعت فرار) تضمين مي‎نمــــايد. ياتاقــان هـــادي، می‌تواند هر نيـــروي شعاعي كوچكي را تحمـــل ‎نمـــايد. اين نيرو ممكـن است ناشي از عدم تعادل و عدم بالانس اجتناب ‎نــــاپذير روتـــور و يا عدم تقــــارن كوچـــك مغنــاطيسي مربوط به خطاهـــاي ساخت و نصب باشـــد.

معمولا" در ژنراتورهای آبی عمودی از دو عدد گاید بیرینگ فوقانی و تحتانی استفاده می‌شود(قابل ذکر است که خود توربین نیز بصورت مستقل دارای گاید بیرینگ می‌باشد).یکی از مجموعه گاید بیرینگهای تحتانی و یا فوقانی به همراه یاتاقانهای تراست در یک مجموعه مرکب قرار می‌گیرند که به آن Combined Bearing و یا یاتاقان مرکب نیز می‌گویند.در ياتاقـــان مركب، قطعات ياتاقــان هــادي روي جداره تراست بلوك مـــي‎لغزندو روانكاري و خنك‎كننــدگي ياتاقــان هـــادي نیز توسط سيسـتم روغـــن ياتاقــان تراست انجام مي‎شـود. روغــن مورد نيــــاز هـــم از مخــــزن روغـــن موجود و توسط حرکت تراست بلوک تـأمين مي‎شود.

آن ياتاقان هادي که به تنهایی استفاده می‌شود (فوقاني یا تحتانی) از يك سيستم خنك‎كننده با روغن تحت فشار استفاده می‌کند.اين سيستم شامل دو مبدل حرارتي (كولر) خارجي روغن-آب هر كدام با ظرفيت 100% و دو پمپ روغن كمكي براي گردش روغن مي‎باشد. يكي از پمپ‎ها در حالت رزرو بوده و در صورت خرابي پمپ اصلي به طور خودكار وارد مدار مي‎شود.

گاید بیریگ دیگر که به همراه تراست بیرینگ بصورت مرکب در Combined bearing استفاده می‌شود از محفظه روغن مشترک و Oil Coolerهای مشترک نیز استفاده می‌کند و به تنهایی دارای کولر نمی‌باشد.

معمولا" در Combined Bearing ، از روش Self Pumping ناشی از حرکت تراست بلوک برای به گردش در آوردن روغن استفاده می‌شود و پمپی وجود ندارد.

معمولا" گاید بیرینگ نیز مانند تراست بیرینگ از چندین سگمنت مجزا ساخته می‌گردد.

قابل ذکر است که روتور، شفت، توربین و تراست بلوک که به یکدیگر متصلند در حال حرکت بوده و یاتاقانهای گاید و تراست ثابت می‌باشند.

 

 

ياتاقان كف‎گرد(Thrust Bearing)(قسمت دوم)

اين ياتاقـــان كل وزن اجـــزاء گردان مجمــوعه (ژنراتـــور و تـــوربين) و همچنيــن فشـــار محـــوري توربيـــن را تحـــمل مي‎نمــايد. بخش اصلي ياتاقـــان، بلوك فشــاري(thrust block) مي‎باشد. فشــار محــــوري از تراست بلوك ‌به قطعات ياتاقـــان منتقل مي‎شود. اين قطعات روي spring platesها و نهايتــــاً بر روي براكـت فشار (thrust bracket) قرار مــــي‎گيرند. روغـــن مورد نيــاز روانكــــاري و خنك‎كننـدگي ياتاقان‎هــــا توسط عمل خود پمپـــاژ (بدون پمپ) سوراخ‎هـــاي شعـاعي تراست بلوك و در حين گردش اين قسمت، جريان مي‎يابد.

سطـــح ياتاقـــان از فلز سفيد(بابيت) با كيفيــــت بالا تشكيل شــده است. صيقلـــي بودن دو ســـطح لغــزان، تضمين‎كننـــده وجود هميشــــگي يك لايـــه روغــــن بين آنها در ســـرعت حداقل و ســرعت نامـــي مي‎باشد.اهميت وجود اين لايه روغن در كاركرد دايم و صحيح ژنراتور بسيار موثر است و از بين رفتن آن مي‌تواند باعث صدمه خوردن شديد ياتاقانها و در نهايت از كار افتادن ژنراتور گردد. قطعـــات ياتاقـــان كف‎گرد بر روي صفحـــات فنـــري بشقـابي شـــكلي مســـتقر مي‎شـــوند تا توزيـــع يكنواخــت بار محــــوري بــر روي اين قطعــــات تضميـــن گــردد. در شکل زیر می توانید یک سگمنت یاتاقان تراست(شکل سمت چپ) را به همراه صفحه فنری بشقابی (Pressure Plate) (شكل سمت راست) مشاهده نمود.

 

 

در شكل زير نيز مي توان مجموعه چند سگمنت تراست بيرينگ را كه در محفظه تراست براكت قرار دارد، مشاهده كرد.

 

قطبهاي روتور و سيم پيچي آن

ورقه‎هـــاي قطب از جنـــس فولاد با نـورد گرم مي‎باشــنـد كه از دو طـــرف توســط يك لايه اكسيد، عايق شــده اســـت. اين لايه‎هــا توسط پيچ‎هاي محـــوري به يكديگر محكــم مي‎شوند. صفحـــات انتهــايي ورقـــه‎هاي قطبهـــا را محكم نگاه داشتـــه و نيروي گريز از مركز ناشي از سيم‎پيچ‎هـــاي ميـــدان را خنثي مي‎نمايد. سيم‎پيچ‎هاي ميـــدان شامل نوارهاي تخت مسي مي‎شود كه به صـــورت يك لايه دور بدنه قطب پيچيـده شده است. سيم‎پيچ‎هـــا از كفش قطـب، صفحـــه كلمـپ و بدنه قطب عايق شده‎اند. بين دورهـــاي سيم‎پيچـــي نيز لايه عايقي از جنــس رزين مصنوعـــي وجود دارد، سپــس يك رزين مصنوعي به صورت تحت فشـــار و گرم بين لايه‎ها تزريق مي‎شـــود تا ساختــاري محكم، فشـــرده و پايدار را ايجاد نمــايد. شينه‎هاي تحريك نيز سيم‎پيچــي روتـــور را به حلقه‎هــــاي لغـــزان (Slip Ring)متصل مي‎نمايد. اين شينه‎هــا از جنس مـس الكتروليتیك مي‎باشــند. ارتبـــاط قطبهــا به طوقـــه روتـــور(روتور ريم) توسط شيارهــــاي T شكلـــي ايجاد مي‎شـــود كه پايه T شـــكل قطبهـــا درون آنها مستقر مي‎شود.

روتور ريم(Rotor Rim)

 روتـــور ریم (Rotor Rim) داراي ساختار مورق مي‎باشــد. طوقه روتور ریم از قطعــــات مجـزاي ورقه‎هاي فولادي تشكيـــل شده كه روي هم چيـــده مي‎شوند. صفحات فولادي با استحـــكام بالا و داراي هم‎پوشاني، توسط تعـــداد زيـــادي پيچ‎هاي محــوري كه به طور يكنـــواخت روي محيط تعبيه شده‎اند بهم بسته مي‎شوند.

 

 

روتور و روتور هاب

روتــور بخش‎گردان ژنـــــراتور مي‎باشـــد كه شـــامل شفت، هــاب(Hub)،    چـــرخ مغناطيسي (magnetic wheel) و قطبـــها مــي‌گردد. شفـت روتـور كه گشـــتاور را از توربين به ژنراتور منتقل مي‎نمايد، با فلنـج به شفت تــــوربين متصل شـــده است. در ژنراتورهاي بزرگ، شفــت شامل دو بخــــش مــي‎شود (بخـــش بالا و پائين) كه به ترتيب مستقيمـــاُ به بالا و پائيـــن هاب روتور با فلنــج متصل مـــي‎شود. شفـــت كه از فــــولاد با كيفيـــت بالا ســاخته شــده است به گونـــه‎اي طراحي شــــده كه در مقـابل تنشهــــاي ناشي از اتصـــال كـــوتاه ناگهـــاني و يا هنگام سنــــكرون كردن اشتباه، مقـــاومت نمايد.

 هاب روتـــور كه داراي ساختار صفحه‎اي است، از ورقهـــاي فولادي نورد شده با كيفيت بالا ســـاخته شده است و ارتبـــاط بين شـــفت و طوقـــه مغناطيسي روتور را ايجاد مي‎كند. 

 

كاربرد روتور هاب:

-          نگهداري روتور ريم، قطبها، فن‌ها و رينگ ترمز

-          انتقال گشتاور شفت به روتور ريم و قطبها

-          تحمل نيروهاي ناشي از Shrinkage(عمل انقباض)  روتور ريم

 

انواع روتورهاب:

-          روتور هاب به همراه سيلندر مركزي ، اتصال به شفت با كمك اتصالات KEY شكل (شكل 1)

-          روتورهاب به همراه فلنجهاي فوقاني و تحتاني ، اتصال به شفت از طريق پيچ و مهره (شكل 2)

-          روتورهاب به همراه بازشوهاي فوقاني و/يا تحتاني به منظور               محبوس كردن هواي تهويه (Rim Ventilation system)

 

                                           شكل (۱)

 

 

                                                   شكل (۲)

 

ژنراتور نیروگاه آبی

ژنراتــــــور مهمترين بخــــش نيــــروگاه آبي اســـت كه انـــــرژي مكـــــانيكي دورانـــي را تبديـــــل به انرژي الكــــتريكي مــي‎كند و از دو بخــــش اصلــــي روتــور و استاتور تشكيل شده است

ژنراتورهاي نوع سنكرون عمودي شامل بخش‎هاي زير مي‎باشند:

-         قاب استاتور(Stator Frame)

-         هسته استاتور( Stator Core)

-         سيم‎پيچ استاتور(ُStator Winding)

-         روتور(Rotor)

-         حلقه مورق روتور(Rotor Rim)

-         قطبها(Poles)

-         ياتاقان‎هاي كف‎گرد(Thrust Bearing)

-         ياتاقان‎هاي هادي(Guide Bearing)

-         سيستم روانكاري هيدوراستاتيك(Hydrostatic lubrication system)

-         سيستم خنك‎كننده      Cooling system

-         واحد ترمز و بالابري  (Braking and  jacking unit)

 

در مطالب گذشته بعضی از این قسمتها توضیح داده شدند و در ادامه نیز ، سایر قسمتها همرا با شکل توضیح داده می شوند.

 

استاتور فریم یا قاب استاتور(Stator Frame)

قاب استاتـــــور از اجـــــزاء فـولادي نورد شده ســــاخته شـده است كه هســـته، سـيم‎پيچ و اجـــزاء جــــانبي اســـتاتور نظـــيركولرهــاي هوايي-آبي را روي خـــــود جـــاي مي‎دهد. قاب اســـتاتور با ســـاختار خـــاص خود كل وزن روتــور را از طــريق براكــت تراست تحمل مي‎نمـــايد. عـــلاوه بر نيــروهاي ناشي از گشــتار و وزن خود استاتـــور، قاب استاتـــور وزن كليه اجراء گردان (ژنراتــور و توربيــــن)، وزن براكـــت تراست و بارهـاي ناشـــي از فشــــار هيدروليـــكي را از طریق سل پلیت ها  يا حلقه‎هـــاي نگهدارنده به فونداسيــــون منتقل مي‎نمـــايد. دريچه‎هـــاي خـــروج هـــوا نيز در قـــاب استاتـور تعبيه شده است.در شكل زير مي توانيد نماي استاتور فريم يك ژنراتور آبي با توان ۸۱ مگاولت آمپر را مشاهده نماييد.

 

 

هسته استاتور (Stator Core)(قسمت دوم)

هسته استاتــور شامل صفحات دينامو كم تلفات است كه ضخامت هر يك 5/0 ميليمتر مي‎باشد. براي خنك كردن هسته ، تعدادي كانال درون هسته جاسازي شده است كه جنس اين كانالها از تعدادي ميله هاي غيرمغناطيسي كه بر روي ورقه هاي سيليكون با ضخامت 65/0 ميليمتر جوش مي شوند، تشكيل شده است. جريان هوا از درون اين كانالها عبور كرده و هسته را خنك مي كند.

شيارهايي در داخلي ورقه‎ها تعبيه شده‎اند تا امكان استقرار سيم‎پيچ‎هاي استاتور فراهم گردد. وقتي كه سيم‎پيچ‎ها در شيارها قرار گرفتند توسط گوه‎هايي عايق به شكل دم چلچله در محل خود ثابت شده و محل شيار پر مي‎گردد.

هستة استاتور از طريق  Stator Frame ، نيروهاي ناشي از وقوع خطا و يا انبساط حرارتي را به فونداسيون منتقل مي كند.

در شكل زير مي توان  Stator Frame ، هسته و پيچهاي دم چلچله اي را مشاهده نمود.

 

 

 

هسته استاتور (Stator Core)(قسمت اول)

هستة استاتور مسيري با رلوكتانس مغناطيسي پايين جهت عبور شار مغناطيسي فراهم مي سازد. قطر داخلي استاتور بوسيلة گشتاور در حجم( Torque Per Volume) و اثر لختي GD² تعيين مي شود.

هستة استاتور از دو قسمت تشكيل شده است :

1-       ( يوغYoke ) : قسمتي است كه بين شيار و قطر خارجي قرار مي گيرد.

2-        (Teeth دندانه ها) : قسمتهايي از هسته كه بين شيارها قرار مي گيرد.

 

قسمتهاي انتهايي هسته ، جهت كاهش دماي ناشي از عبور شار مغناطيسي به روش خاصي تهيه مي شوند و معمولا“ در اين قسمتها فاصلة هوايي بيشتر از مركز هسته مي باشد. شيارها در بدنة هستة استاتور پانچ مي شوند و محل قرار گرفتن سيم پيچي استاتور مي باشند.

ورقه هاي هسته از سيليكن با تلفات پايين و مقاوم در برابر پيري ( Non-Aging ) و با ضخامت 5/0 ميليمتر تهيه مي شوند. اين ورقه ها از هر دو طرف با لايه هاي وارنيش عايق شده اند ( عايق كلاس F ).  هسته بر روي  Stator Frame نصب مي شود و در ضمن هنگام ورقه چيني ، ورقه‌هاي لايه‌هاي مختلف بر روي يكديگر همپوشاني دارند. براي محكم كردن ورقه ها ، از تعدادي  Pressure Finger  كه بر روي Clamping Plate جوش مي شوند و همچنين از تعدادي پيچ با مقطع دم‌چلچله‌اي (DoveTail ) استفاده مي‌شود و ورقه ها به همديگر پرس مي شوند. در ماشينهاي بزرگ از تعدادي  Clamping Bolt كه از هسته نيز عايق مي باشند براي استحكام بيشتر استفاده مي كنند.

 

سيم پيچ استاتور (ُStator Winding) (قسمت چهارم)

پس از خشك كردن ، قسمتي از  Bar كه درون شيار قرار مي گيرد را با يك هادي گرافيتي رنگ مي كنند تا از كورونا مابين عايق و سطح شيار جلوگيري كنند.

براي كاهش گراديان ولتاژ در قسمت خم  Bar ، اين قسمت با مواد نيمه هادي(  tape يا رنگ ) پوشانده مي شود. قبل از قرار دادن سيم پيچ در شيار يك ورقه هادي در شيار قرار مي دهند تا فاصله هاي هوايي بين شيار و  Bar را پر كند و به يك تماس الكتريكي خوب دست پيدا كنيم. براي چسبيدن  Bar به ورقة هادي از يك چسب هادي ( Putty ) استفاده مي شود.

بايد توجه كرد كه عايق هاديها در bar از جنس  Fiber Glass مي باشد در حاليكه عايق بين دورهاي سيم پيچي در يك  Coil از "ميكا +  Fiber Glass " استفاده مي شود. عايق بين هاديهاي  Coil نيز به همين صورت مي باشد.

در شكل زير قسمتهاي مختلف سيم پيچ را به همراه نحوة قرار دادن آن در شيار مي توان ديد.

 

 

تصوير واضحتر را در لينك زير مي توانيد مشاهده كنيد.

http://i7.tinypic.com/24e6du0.jpg

 

سيم پيچ استاتور (ُStator Winding) (قسمت سوم)

عايقي كه براي عايق بندي سيم پيچها استفاده مي شود ميكالاستيك(MicaLastic) مي‌باشد. اين عايق از سال 1957 تا کنون استفاده می‌شود و تا به حال هيچ خطايي كه ناشي از پيري این عايق باشد گزارش نشده است .

ميكالاستيك دارای كلاس عایقی F بوده و تا ولتاژ 27 كيلوولت و گراديان ولتاژ 4/2 تا 8/2  KV/mm  را مي‌تواند تحمل كند. ميكالاستيك شامل لايه هاي ميكاي غير آلي ( ميكاي نرم) بعنوان ماده اصلي بوده كه تحت عمليات حرارتي در اپوكسي رزين بعنوان ماده پوشاننده قرارمي گيرد .

Coil ها يا Bar هاي ترانسپوز شده به صورت پيوسته توسط لايه هاي ميكا پوشانده شده و سپس با فرايند فشار در خلاء، در اپوكسي رزين غوطه ور مي گردند.

پس از عملیات (VPI) ، سيم پيچها در يك كوره با درجه حرارت بالا خشك مي شوند.  

 

سيم پيچ استاتور (ُStator Winding) (قسمت دوم)

بايد توجه كرد كه Coil ها به صورت سيم پيچي حلقوي توليد مي شوند كه در قسمت  Over-Hang ترانسپوزه شده اند ولي  Bar ها به صورت سيم پيچي موجي براي ماشينهاي Water Cooled و سيم پيچي حلقوي براي ماشينهاي  Air-Cooled با 360 درجه يا 540 درجه ترانسپوزيشن ساخته مي‌شوند.

در شكل زير مي توان Bar  ها و  Coil ها را براي يك ژنراتور نوعي ديد.

 

Lap Bars

 

Wave Bars

 

 

Coils

 

 

سيم پيچ استاتور (ُStator Winding) (قسمت اول)

سيم‌پيچ استاتور را با نامهاي سيم‌پيچ آرميچر يا سيم‌پيچ اندويي ( Induced Winding) نيز بيان مي كنند. اين سيم‌پيچ شامل يك مدار الكتريكي است كه ولتاژ و جريان آن ( وقتي كه به شبكه وصل مي شود) ، توسط يك شار مغناطيسي متغير حاصله از "جريان روتور و حركت روتور" ، القا مي شود.

نوع ، جانمايي و ابعاد اين سيم‌پيچي توسط توان نامي ، ولتاژ ، تعداد قطبها(سرعت)، نيازمنديهاي ناشي از حداكثر مجاز گرم شدن سيم‌پيچي، راكتانس، راندمان و هزينه كمتر تعيين مي شود.

 

انواع سيم‌پيچ به صورت زير مي باشند :

1-      كلاف ( چند دور)( Coil)

2-       Bar (تك دور)

 

سيم پيچ استاتور از هاديهاي مستطيلي تشكيل شده كه به منظور اعمال ولتاژ مورد نظر و انجام تستهاي معين ، نسبت به هم عايق شده اند. سيم پيچ استاتور معمولا“ به صورت ستاره به هم متصل شده و داراي 3 ترمينال فاز و 3 ترمينال زمين مي باشد. سيم پيچ استاتور از دو ماده گرانقيمت عايق و مس ساخته شده كه براي ساختن آن نيازمند ساعتهاي كاري زيادي هستيم.

جهت ساخت سيم پيچ ، عملياتي انجام مي شود كه به آن VPI يا Vacuum Pressure Impregnation گويند و با توجه به اندازه ماشين اين عمليات بصورت زير انجام مي شود:

1- VPI كلي براي ماشينهاي با قدرت كم و متوسط با Coil    يا  Bar (هسته و سيم پيج به همراه هم به كوره مي روند .)

2-VPI گروهي براي ماشينهاي با قدرت متوسط يا زياد كه بصورت  Coil باشند ( در كوره هاي فولادي )

3- VPI   جداگانه براي ماشينهاي با قدرت متوسط يا زياد كه بصورت Bar   باشند ( در كوره هاي مخصوص )

 

نحوه قرارگیری قطبها بر روی روتور

در شکل زیر می توانید چگونگی قرار گیری قطبها، بر روی روتور ریم را مشاهده نمایید.

 

 

فاصلة هوايي ( Air Gap ) در ژنراتورهای آبی

فاصلة هوايي بين استاتور و روتور در حقيقت وظيفة تبادل انرژي الكترومكانيكي را بر عهده دارد. فاصلة هوايي قسمتي از مدار مغناطيسي محسوب مي شود كه داراي رلوكتانس بالايي بوده و بيشترين مصرف انرژي مغناطيسي را بر عهده دارد.

اندازة فاصلة هوايي با توجه به مقدار نسبت اتصال كوتاه و راكتانس مورد نظر تعيين مي گردد. در ضمن اين فاصلة هوايي به همراه شكل كفشك قطبها ، شكل موج ولتاژ را تحت تاثير قرار مي دهد. معمولا“ اندازه فاصلة هوايي ( در مركز قطب ) تقريبا“ 3% گام قطب(Pole Pitch)  در نظر گرفته مي شود.

هسته قطب (Pole Core)

هسته قطبها به همراه روتور ريم، مسيري با رلوكتانس پايين براي شار مغناطيسي در روتور ايجاد مي‌كند. ابعاد اصلي هسته قطب، با توجه به ماگزيمم چگالي شار، راكتانس موردنظر، نيروهاي گريز از مركز و همچنين نوع تهويه، تعيين مي‌شود.

هسته قطب از دو قسمت تشكيل شده است:

1-      كفشك قطب(Pole Shoe) : كه شكل فاصله هوايي را تعيين مي‌كند.

2-      بدنه قطب(Pole Body): كه نشيمنگاه سيم‌پيچ تحريك مي‌باشد.

 

بدنه قطب بصورت مستطيلي بوده و كفشك قطب بصورت قسمتي از يك سينوس بوده و كلا" ورقه‌ها با ضخامت 1 يا 2 ميليمتر پانچ شده و پس از هسته‌چيني، با Clamping Plate و پيچ به هم پرس شده و محكم مي‌شوند. نحوه اتصال قطبها به روتور(روتور ريم و يا شفت) بصورت دم‌چلچله‌اي(T-Dovetail) مي‌باشد. بايد توجه كرد كه وزن قطبها بر روي پارامتر GD² موثر مي‌باشد.

در شكل زير هسته يك قطب به همراه بدنه عايق آن(قسمت آبي رنگ كه عايق ميكا مي‌باشد) و همچنين نحوه قرار دادن عايق در بين لايه‌هاي آن را مشاهده مي‌كنيد.

 

 

 

دمپر(Damper)

 سيم‌پيچي دمپر از يك مدار اتصال كوتاه تشكيل شده كه درون كفشك قطب قرار مي‌گيرد. از اين مدار اتصال كوتاه شده در حالت عملكرد نرمال ماشين، هيچ جريان گردشي عبور نمي‌كند. زماني از دمپر جريان عبور مي كند كه خطاي سنكرونيزاسيون يا خطاي اتصال كوتاه يا عدم تقارن بار در ژنراتور پيش آيد. در زمان خطاي سنكرونيزاسيون(زماني كه سرعت واحد نسبت به سرعت سنكرون اختلاف داشته باشد)، خطوط ميدان مغناطيسي، سيم‌پيچ دمپر را قطع مي‌كند كه باعث عبور جريان و توليد گشتاور در آن مي‌شود. جهت جريان بگونه‌اي است كه در حالت كم بودن سرعت واحد، گشتاور شتاب دهنده و در حالت بيشتر بودن سرعت، گشتاور ترمزي در واحد ايجاد مي‌نمايد. به اين ترتيب به بازگشت واحد به سرعت سنكرون كمك مي‌كند.

جهت تعيين ابعاد ميله هاي دمپر، نيازمند تعيين مقادير زير هستيم:

-          حداكثر جريان نامتقارن مولفه منفي(I₂/I_n)  در حالت عملكرد پيوسته

-          حداكثر مقدار  I₂²t در زمان وقوع خطا

سيم‌پيچ دمپر از چندين ميله مسي استوانه‌اي، روي سطح كفشك قطب و درون شيارهايي توزيع شده‌اند و در دو انتها بوسيله تسمه‌هاي مسيبه همديگر جوش خورده‌اند. ارتباط بين قفسهاي دمپر، توسط تسمه‌هاي مسي قابل انعطاف و يا از طريق بدنه قطب و روتور ريم، انجام مي‌شود (نوع بسته يا باز). نوع بسته و يا باز قفس دمپر با توجه به مقدار راكتانس زيرگذراي(Sub-Transient)  درخواست شده از طرف خريدار تعيين مي‌شود.

تعداد ميله‌هاي دمپر به ازاي هر قطب، تابعي از تعداد شيار در قطب در فاز استاتور (تعداد شيارهايي بر روي استاتور كه در يك فاز آن به ازاي هر قطب وجود دارند) و همين طور راكتانس زيرگذرا مي‌ باشد.

اگر از سيم‌پيچ دمپر بعنوان راه‌انداز در حالت موتوري(موتور سنكرون) استفاده شود، طراحي متفاوتي بكار مي‌رود تا دمپرها بتوانند جريانهاي بيشتري را تحمل كنند.

در شكل زير، قطعات مختلف قطبهاي روتور را به همراه ميله‌هاي دمپر آن مي‌توان مشاهده كرد.

  

 

قطبهاي برجسته در ژنراتورهاي آبي

همانطور كه مي‌دانيد، قطبهاي ژنراتورهاي آبي از نوع برجسته مي‌باشند. اين قطبها از اجزاي زير تشكيل شده‌اند:

1-      سيم پيچ ميدان (Field winding)

2-      دمپرها

3-      هسته قطب (Pole core)

 

قطبها وظيفه ساختن ميدان مغناطيسي چرخان در فاصله هوايي بين استاتور و روتور را بر عهده دارند. در زير شكل يك قطب برجسته ژنراتور را مي توانيد مشاهده كنيد

 

ياتاقانها در هيدروژنراتورهاي عمودي

 در يك ژنراتور آبي، معمولا" از دو نوع ياتاقان استفاده مي شود:

1-    ياتاقان راهنما (guide bearing) ، معمولا"  در بالا و پايين شفت ژنراتور، دو ياتاقان بالايي و پاييني(upper & Lower) ، براي جلوگيري از حركت عرضي شفت وجود دارد.

 

 

 2- ياتاقان كفگرد(thrust bearing)  كه با توجه به نوع ژنراتور مي‌تواند در بالا و يا پايين شفت ژنراتور، نصب شود و وزن كل قطعات چرخنده(روتور، شفت، توربين و ...) بر روي آن قرار مي‌گيرد.

 -          معمولا" يكي از ياتاقانهاي راهنما به همراه ياتاقان كفگرد، در يك مجموعه مشترك قرار مي‌گيرند كه به آن Combined Bearing گويند.

روتور با قطبهاي برجسته در يك هيدروژنراتور سنكرون با توان 278 مگاولت آمپر

اين هم عكسهايي از بلند كردن و نصب روتور با قطبهاي برجسته در يك نيروگاه برق آبي