پایان نامه ژنراتور القايي

مقدمه

در اوايل قرن بيستم به اين واقعيت پي برده شد كه ماشين القايي بعد از قطع ولتاژ خط ممكن است در حالت تحريك باقي بماند ولي براي ايجاد چنين تحريكي شرايط خاصي مورد نياز بود. محققان بعد از پژوهش و تحقيق در يافتند كه با اتصال خازنهايي به ترمينال موتور القايي در حال چرخش (توسط توان مكانيكي بيروني) شرط تحريك پايدار بوجود آمده و ولتاژ بطور پيوسته توليد مي شود. بنابراين يك سيستم توليد جديدي متولد شد كه در آن ولتاژ خروجي شديداً به مقدار خازن تحريك و سرعت روتور و بار بستگي دارد. اين نوع توليد تا سالهاي 1960-1970 به فراموشي سپرده شد و مطالب كمي در مورد آن نوشته شد.

علت اين بي توجهي در اهميت عملي كم چنين توليدي مستتر بود. چرا كه ژنراتور القايي به تنهايي توانايي كنترل ولتاژ و فركانس توليدي را ندارد. از اين رو ژنراتورهاي سنكرون در واحدهاي توليدي بکار گرفته و هرساله مقدار زيادي سوخت صرف توليد برق ac مي شود. طبيعي است با استفاده روزافزون از آلترناتورهاي سنكرون، آنهااز نظر مقادير نامي، روشهاي خنك سازي، تكنولوژي ساخت و مدلسازي اين ژنراتورها دستخوش رشد و تحول شدند، اما ساختار اساسي آنها بدون تغيير ماند ولي بدليل نگراني از نرخ كاهش شديد منابع انرژي تجديدناپذير و به طبع آن صعود چشمگير قيمت نفت از يك طرف و ظهور و رشد قطعات نيمه هادي قدرت و پيشرفت كنترل صنعتي از طرف ديگر ژنراتور القايي بازگشت مجددي يافت.

از اين رو علاقمندي زيادي براي استفاده از انرژي هاي تجديدپذير، مثل باد جهت جايگزيني سوخت و كاهش نرخ مصرف سوخت ايجاد شد و توجه به ژنراتور القايي به خاطر مزاياي زيادي كه دارد بيشتر شد.

در سالهاي اخير كاربرد ژنراتور القايي در توليد برق از توربینهای بادي و آبی کوچک مورد توجه زيادي قرار گرفته است. چرا كه سادگي نگهداري و كاهش منابع انرژي فسيلي و توانايي ژنراتور القايي براي تبديل توان مكانيكي از فاصله وسيعي از سرعت روتور موجب شده تا به فكر جايگزيني انرژي باد به جاي سوختهاي فسيلي بيافتند و انبوه تحقيقات در اين زمينه نشانگر توانايي آن در رفع مشكلات حاضر است.

فصل اول

ژنراتور القايي (آسنکرون):

ژنراتور القايي، يک موتور القايي از نوع روتور قفس سنجابی است که با يک محرک اوليه در ما فوق سرعت سنکرون،گردانده شده و برای توليد نيروی برق استفاده می شودو ساختار و مشخصه های آن مثل موتور القايي است.ساختارهای روتور وياتاقانهای آن نيز برای تحمل سرعت فرار توربين طراحی شده است.

وقتی يک موتور القايي با ولتاژ نامی و در حالت بی باری،مورد بهره برداری قرار گيرد،با سرعتی می چرخد که فقط برای توليد گشتاور لازم برای غلبه بر افت ناشی از اصطکاک و مقاومت هوا کافی باشد.اگر يک نيروی مکانيکی خارجی برابر با اين افتها به موتور القايي در همان جهت چرخش اعمال شود،روتور آن به سرعت سنکرون خواهد رسيد.

هنگاميکه روتور به سرعت سنکرون می رسد،با همان سرعت ميدان مغناطيسی ناشی از ولتاژ تغذيه می چرخد و ولتاژ ثانويه ای القا نمی شودزيرا فلوی مغناطيسی هيچيک از هاديهای ثانويه را قطع نمی کند،هيچ جريانی از سيم پيچهای روتور نمی گذرد و فقط جريان تحريک در سيم پيچهای اوليه جريان می يابد.

در صورتی که روتور بواسطه يک نيروی خارجی در سرعتی بالاتر از سرعت سنکرون خود،چرخش کند،جهت ولتاژ القايي ثانويه،خلاف موقعی خواهد بود که به عنوان موتور القايي ،چرخش می کرد،زيرا سرعت چرخش هادی روتور فراتر از سرعت چرخش ميدان مغناطيسی می شودو گشتاوری که سرعت روتور را کند می کند بين جريان ثانويه ناشی از این ولتاژ القايي و ميدان مغناطيسی ايجاد شده و واحد مثل يک ژنراتور، کار می کند.

يعنی،توان مکانيکی خارجی اعمال شده،به توان الکتريکی تبديل می شود که در سيم پيچهای اوليه توليد شده اند.

ماشين القايي داراي منحني گشتاور- سرعت مثل شكل (1-1) مي باشد. طبق اين مشخصه اگر موتور القايي سرعتي بيش از ns داشته باشد جهت گشتاور القايي معكوس مي شود و بعنوان ژنراتور عمل خواهد كرد. با افزايش گشتاور اعمالي به شفت مقدار توان توليدي افزايش مي يابد.

                         شکل1-1 مشخصه گشتاور- سرعت ماشين ا لقايي

همانطوري كه از شكل (1-1) معلوم است. درمد ژنراتوري يك گشتاور القايي max دارد كه با افزايش توان ورودي گشتاور القايي به حد max رسيده و بعد از آن ژنراتور به ناحيه ناپايدار وارد مي شود. در اين حالت فلوي پيوندي بين روتور و استاتور مي شكند و به طور ناگهاني روتور آزادانه مي چرخد و هيچ تواني توليد نمي شود.

ماشين هاي القايي درمد ژنراتوري داراي محدوديت هاي جدي است و بعلت عدم وجود مدار تحريك جداگانه نمي تواند توان راكتيو توليد كند. بنابراين مصرف كننده توان راكتيو است و براي حفظ ميدان مغناطيسي استاتور نياز به يك منبع توان راكتيو بيروني دارد. علاوه بر اين، چنين منبع توان راكتيوي بعلت عدم وجود جريان تحريك مستقل نمي تواند به كنترل Vo كمك كند، چرا كه در كار ژنراتور القايي، اشباع هسته نقش عمده اي دارد و براي دستيابي به يك سطح ولتاژ معين، خازنهاي تحريك بايد جريان مغناطيس كننده متناظر با آن سطح را توليد كند.

در راه اندازي ژنراتور القايي پديده اي بنام تحريك خودي مطرح مي شود كه براساس آن، ولتاژ سازي صورت مي گيرد. از اين نظر ژنراتور القايي بسيار شبيه ژنراتور DC شنت بوده و در واقع خازنهاي تحريك معادل مقاومت تحريك يا ميدان در ژنراتور DC شنت مي باشند. همچنين بطور مشابه با اضافه كردن خازنهاي سري مي توان ژنراتور القايي را بصورت كمپوند اضافي به كار برد.

با افزايش توان راكتيو ناشي از خازنهاي سري، مقداري از توان راكتيو مورد نياز بار جبران شده و از افت ولتاژ جلوگيري مي كند. طبق مشخصه گشتاور- سرعت با تغيير بار، فركانس ژنراتور القايي تغيير مي كند، لذا از آنجاييكه اين مخني در محدوده نرمال كاري شيب تندي دارد، تغيير فركانس تا لغزش معمولاً كمتر از 5 درصد مي باشد. چنين تغييري در فركانس ژنراتورهاي ايزوله و متصل به شبكه قابل قبول است.

در كاربردهاي متصل به شبكه قدرت با استفاده از خازن تصحيح ضريب توان صورت گرفته و ولتاژ را مي توان به كمك بار يا خود شبكه قدرت كنترل كرد.

اصولاً سيستمهاي مبدل انرژي باد به الكتريسيته را مي توان به سه گروه تقسيم كرد:

• سيستم سرعت متغير و فركانس ثابت (VSCF)
• سيستم سرعت و فركانس ثابت (CSCF)
• سيستم سرعت متغير و فركانس متغير (VSVF)

براي اينكه از كليت موضوع كاسته نشود و بحث منحصر به نيروگاههاي بادي نگردد، سيستم VSVF فرض مي شود.

1-1- مزايای ژنراتور القايي:

• به سيستم تحريک احتياج نداشته و ساختمان ساده ای دارد ودر نتيجه تعمير و نگهداری آن آسان است.
• راه اندازی و بهره برداری از آن آسان است،زيرا نيازی به سنکرونيزاسيون يا تنظيم تحريک ندارد.
• جريان اتصال کوتاه آن کم و زمان کاهش آن در مقايسه با ماشينهای سنکرون کوتاه تر است،زيرا در هنگام اتصال کوتاه،تحريک قطع می شودو جريان اتصال کوتاه فقط در يک مدت زمان فوق العاده کوتاه،جريان می يابد تا اينکه فلوی مغناطيسی ناپديد شود.
• چون هميشه بطور موازی با ژنراتور سنکرون کار می کند و هرگز مستقلا مورد بهره برداری قرار نمی گيرد،به ژنراتور سرعت نيازی ندارد.
• وقتی بار پس زده شود،جريان تحريک،قطع و ولتاژ ناپديد می شودلذا هيچگونه صدمه و خسارتی به بخشهای عايقی دستگاه از جانب ولتاژ اضافی،صرف نظر از ميزان افزايش سرعت،رخ نمی دهد.
• وقتی ولتاژ سيستم افت ميکند،جريان تحريک خود به خود کاهش می يابد.
• چون گاورنر سرعت استفاده نمی شودتا حدی که سرعت آن از سرعت مجاز توربين هيدروليکی بيشتر نشود به توليد انرژی ادامه می دهد.

در مواقعی که سيستم دچار اختلال می شود،اين دستگاه می تواند به صورت پايدار و بدون قطع شدن به کار خود ادامه دهد.

فهرست

عنوان                                                                                    صفحه

مقدمه  ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………6

فصل اول

ژنراتور القايي ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………8

1-1- مزايای ژنراتور القايي ………………………………………………………………………………………………………………12

1-2 معايب ژنراتور القايي ……………………………………………………………………………………………………………………14

فصل دوم

مدلسازي عددي يك ژنراتور القايي ……………………………………………………………………………………….. 15

2-1- تاريخچه مدل دو محوري ماشين القايي ………………………………………………………………16

2-2-1: معادلات تبديل يافته ولتاژ ……………………………………………………………………………………………..22

2-2-2 معادلات تبديل يافته فلوي پيوندي …………………………………………………………………………….25

2-2-3- معادله تبديل يافته گشتاور مغناطيسي ……………………………………………………………..28

2 -4 معا دلات حالت  …………………………………………………………………………………………………………………………….30

2-5- مدل ژنراتور القايي در حالت ماندگار ……………………………………………………………………. 30

2-6 تئوري فضاي برداری ………………………………………………………………………………………………………………….34

فصل سوم

راه اندازي ژنراتور القايي ………………………………………………………………………………………………………………………..39

3-1- پديده تحريك خودي ………………………………………………………………………………………………………………………40

3-1-1- تعبيرپروسه تحريك خودي براساس مدار معادل RLC …………..41

3-1-2- تعبير پروسه تحريك خودي براساس سيستمهاي خودنوساني…..43

3-1-2-1- توصيف سيستم خودنوساني ………………………………………………………………………….43

3-1-2-2- سيستم ماشين القايي………………………………………………………………………………………………….46

3-1-3- تغبير پروسه تحريك خودي براساس پسماند مغناطيسی …………..54

3 -1-3-1بررسي هاي تئوريكی  ……………………………………………………………………………………………………..56

3-2 نكات عملي در راه اندازي ژنراتور القايي ………………………………………………………………….61

فصل چهارم

مثالهايي از حالت هاي گذرا در ژنراتور القايي ………………………………………………………………….65

4-1 اتصال بار اهمي به ژنراتورالقا يي ………………………………………………………………………………….65

4-2 اتصال كوتاه سه فاز متقارن ………………………………………………………………………………………………………71

4-3 اتصال كوتاه دوفاز ………………………………………………………………………………………………………………………… 78  

4-4- اتصال كوتاه دو فاز به زمين ………………………………………………………………………………………….. 88    

4-5 اتصال كوتاه يك فاز به زمين ………………………………………………………………………………………………96      

4-6 اثر شتاب روتور برروي پديده تحريك خودی …………………………………………………..103   

پایان نامه ژنراتور القايي