پایان نامه نقش ژنراتورهای القایی در مطالعات پایداری سیستم های قدرت و بررسی رفتار این ژنراتورها پس از جدا شدن از شبکه سراسری
مقدمه:
ژنراتور القایی، یک موتور القایی از نوع روتور قفس سنجابی است که با یک محرك اولیه در ما
فوق سرعت سنکرون،گردانده شده و براي تولید نیروي برق استفاده می شودو ساختار و مشخصه هاي آن مثل موتور القایی است. ساختارهاي روتور ویاتاقان هاي آن نیز براي تحمل سرعت فرار توربین طراحی شده است.
وقتی یک موتور القایی با ولتاژ نامی و در حالت بی باري، مورد بهره برداري قرار گیرد، با سرعتی می چرخد که فقط براي تولید گشتاور لازم براي غلبه بر افت ناشی از اصطکاك و مقاومت هوا کافی باشد. اگر یک نیروي مکانیکی خارجی برابر با این افت ها به موتور القایی در همان جهت چرخش اعمال شود، روتور آن به سرعت سنکرون خواهد رسید. هنگامیکه روتور به سرعت سنکرون می رسد، با همان سرعت میدان مغناطیسی ناشی از ولتاژ تغذیه می چرخد و ولتاژ ثانویه اي القا نمی شود زیرا فلوي مغناطیسی هیچ یک از هادی هاي ثانویه را قطع نمی کند، هیچ جریانی از سیم پیچ هاي روتور نمی گذرد و فقط جریان تحریک در سیم پیچ هاي اولیه جریان می یابد.
در صورتی که روتور بواسطه یک نیروي خارجی در سرعتی بالاتر از سرعت سنکرون خود، چرخش کند، جهت ولتاژ القایی ثانویه، خلاف موقعی خواهد بود که به عنوان موتور القایی، چرخش می کرد، زیرا سرعت چرخش هادي روتور فراتر از سرعت چرخش میدان مغناطیسی می شود و گشتاوري که سرعت روتور را کند می کند بین جریان ثانویه ناشی از این ولتاژ القایی و میدان مغناطیسی ایجاد شده و واحد مثل یک ژنراتور، کار می کند.
یعنی،توان مکانیکی خارجی اعمال شده،به توان الکتریکی تبدیل می شود که در سیم پیچ هاي اولیه تولید شده اند. ماشین القایی داراي منحنی گشتاور- سرعت مثل شکل 1 می باشد. طبق این مشخصه اگر موتور القایی سرعتی بیش از داشته باشد جهت گشتاور القایی معکوس می شود و بعنوان ژنراتور عمل خواهد کرد. با افزایش گشتاور اعمالی به شفت مقدار توان تولیدي افزایش می یابد.
شکل 1-1 : مشخصه گشتاور- سرعت ماشین القایی
همانطوري که از شکل 1 معلوم است. درمد ژنراتوري یک گشتاور القایی با افزایش توان ورودي گشتاور القایی به حد رسیده و بعد از آن ژنراتور به ناحیه ناپایدار وارد می شود. در این حالت فلوي پیوندي بین روتور و استاتور می شکند و به طور ناگهانی روتور آزادانه می چرخد و هیچ توانی تولید نمی شود.
ماشین هاي القایی درمد ژنراتوري داراي محدودیت هاي جدي است و بعلت عدم وجود مدار تحریک جداگانه نمی تواند توان راکتیو تولید کند. بنابراین مصرف کننده توان راکتیو است و براي حفظ میدان مغناطیسی استاتور نیاز به یک منبع توان راکتیو بیرونی دارد. علاوه بر این، چنین منبع توان راکتیوي بعلت عدم وجود جریان تحریک مستقل نمی تواند به کنترل کمک کند، چرا که در کار ژنراتور القایی، اشباع هسته نقش عمده اي دارد و براي دستیابی به یک سطح ولتاژ معین، خازن هاي تحریک باید جریان مغناطیس کننده متناظر با آن سطح را تولید کند.
در راه اندازي ژنراتور القایی پدیده اي بنام تحریک خودي مطرح می شود که براساس آن ولتاژ سازي صورت می گیرد. از این نظر ژنراتور القایی بسیار شبیه ژنراتور DC شنت بوده و در واقع خازن هاي تحریک معادل مقاومت تحریک یا میدان در ژنراتور DC شنت می باشند. همچنین بطور مشابه با اضافه کردن خازن هاي سري می توان ژنراتور القایی را بصورت کمپوند اضافی به کار برد. با افزایش توان راکتیو ناشی از خازن هاي سري، مقداري از توان راکتیو مورد نیاز بار جبران شده و از افت ولتاژ جلوگیري می کند. طبق مشخصه گشتاور- سرعت با تغییر بار، فرکانس ژنراتور القایی تغییر می کند، لذا از آنجاییکه این مخنی در محدوده نرمال کاري شیب تندي دارد، تغییر فرکانس تا لغزش معمولاً کمتر از 5 درصد می باشد. چنین تغییري در فرکانس ژنراتورهاي ایزوله و متصل به شبکه قابل قبول است.
در کاربردهاي متصل به شبکه قدرت با استفاده از خازن تصحیح ضریب توان صورت گرفته و ولتاژ را می توان به کمک بار یا خود شبکه قدرت کنترل کرد. اصولاً سیستم هاي مبدل انرژي باد به الکتریسیته را می توان به سه گروه تقسیم کرد:
1- سیستم سرعت متغیر و فرکانس ثابت (VSCF)
2- سیستم سرعت و فرکانس ثابت (CSCF)
3- سیستم سرعت متغیر و فرکانس متغیر (VSVF)
براي اینکه از کلیت موضوع کاسته نشود و بحث منحصر به نیروگاه هاي بادي نگردد، سیستم VSVF فرض می شود.
یکی از حالتهای عملکردی ماشینهای الکتریکی القایی (آسنکرون)، حالت ژنراتوری است، بدین معنی که در شرایط خاص کاری، میتواند انرژی مکانیکی دریافتی را به انژری الکتریکی تبدیل کند. از این پدیده در برخی از نیروگاه های آبی کوچک در نقاط مختلف دنیا استفاده شده است. با توجه به اینکه در کشور ما نیز جایگاه های فراوان جهت احداث نیروگاه های آبی کوچک 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 فصل که عمدتاً از یکی از گزارشات فنی یکی از سازندگان اقتباس شده است، ژنراتور القایی به صورت فشرده توضیح داده شده است. در انتها، لیست خلاصهای از این نوع نیروگاه ها که در کشور اتریش اجرا شده است به منظور نشان دادن محدودههای عملی کاربرد این نوع نیروگاه ها ارائه شده است.
ژنراتور القایی، یک موتور القایی از نوع روتور قفس سنجابی است که با یک محرک اولیه در مافوق سرعت سنکرون گردانده و برای تولید نیروی برق استفاده میشود و ساختار و مشخصههای آن عیناً مثل روتور القایی است. ساختارهای روتور و یاتاقان های آن برای تحمل سرعت فرار توربین طراحی شده است. مشخصههای الکتریکی وقتی یک موتور القایی با ولتاژ نامی و در حالت بیباری مورد بهرهبرداری قرار میگیرد، با سرعتی میچرخد که فقط برای تولید گشتاور لازم برای غلبه بر افت ناشی از اصطکاک و افت ناشی از مقاومت هوا کافی باشد. اگر یک نیروی مکانیکی خارجی برابر با این افتها به موتور القایی در همان جهت چرخش اعمال شود،روتور آن به سرعت سنکرون خواهد رسید. هنگامی که روتور در سرعت سنکرون میچرخد، روتور با همان سرعت میدان مغناطیسی ناشی از ولتاژ تغذیه میچرخد وولتاژ ثانویهای القاء نمیشود زیرا فلوی مغناطیسی هیچیک از هادی های ثانویه را قطع نمیکند و هیچ جریانی از سیمپیچ های روتور نمیگذرد و فقط جریان تحریک در سیمپیچ های اولیه جریان مییابد.
در صورتی که روتور بواسطه یک نیروی خارجی در سرعتی بالاتر از سرعت سنکرون خود، چرخش کند، جهت ولتاژ القایی ثانویه خلاف موقعی خواهد بود که بعنوان موتور القایی چرخش میکرد، زیرا سرعت چرخش هادی روتور فراتر از سرعت چرخش میدان مغناطیسی میشود و گشتاوری که چرخش روتور را کند میکند بین جریان ثانویه ناشی از این ولتاژ القایی و میدان مغناطیسی ایجاد شده و واحد مثل یک ژنراتور کار میکند. یعنی، توان مکانیکی خارجی اعمال شده به توان الکتریکی تبدیل میشود که در سیمپیچ های اولیه تولید شدهاند. همان طوری که قبلاً توضیح داده شده، ژنراتور القایی یک موتور القایی است که مافوق سرعت سنکرون کار میکند، مزایا و معایب آن در مقایسه با ژنراتور سنکرون بشرح زیر است:
2-1 : مزایای ژنراتور القایی
1- چون به سیستم تحریک احتیاج ندارد و ساختمان آن ساده است در نتیجه تعمیر و نگهداری آن آسان است.
2- راهاندازی و بهرهبرداری از آن آسان است، زیرا نیازی به سنکرونیزاسیون یا تنظیم تحریک ندارد.
3- جریان اتصال کوتاه آن کم است و زمان کاهش آن در مقایسه با ماشین های سنکرون کوتاه تر است، زیرا در هنگام اتصال کوتاه، تحریک قطع میشود و جریان اتصال کوتاه فقط در یک مدت فوقالعاده کوتاه جریان مییابد تا اینکه فلوی مغناطیسی ناپدید شود.
4- چون همیشه بطور موازی با ژنراتور سنکرون کار میکند و هرگز مستقلاً مورد بهرهبرداری قرار نمیگیرد، به ژنراتور سرعت نیازی ندارد.
5- وقتی بار پس زده میشود، جریان تحریک قطع میشود و ولتاژ ناپدید میشود و لذا هیچگونه صدمه و خسارتی به بخش های عایقی دستگاه از جانب ولتاژ اضافی صرفنظر از میزان افزایش سرعت رخ نمیدهد.
6- وقتی ولتاژ سیستم افت میکند، جریان تحریک خودبهخود کاهش مییابد.
7- جون گاورنر سرعت مورد استفاده قرار نمیگیرد، لذا تا حدی که سرعت آن از سرعت مجاز توربین هیدرولیکی بیشتر نشود به تولید انرژی ادامه میدهد.
8- در مواقعی که سیستم دچار اختلال میشود، این دستگاه میتواند به صورت پایدار و بدون قطع شدن به کار خود ادامه دهد.
3-1 : معایب ژنراتور القایی
1- فقط وقتی مثل یک ژنراتور کار میکند که با ماشین سنکرون موازی شده باشد و نمیتواند مستقلاً تولید برق کند.
2- جریان اولیه ژنراتور در ارتباط با ولتاژ خروجی در پیشفاز است. (یعنی با ضریب قدرت پیش فاز ژنراتور سنکرون مطابقت میکند).
3- ضریب قدرت جریان بار بوسیله ضریب قدرت بار تعیین نمیشود، بلکه بوسیله ضریب قدرت ذاتی خود ژنراتور تعیین میشود. این بدان معنی است که ضریب قدرت بوسیله ظرفیت تعیین میشود و قابل کنترل نیست. ژنراتور سنکرونی که بطور موازی به ژنراتور القایی متصل شده است. باید علاوه بر جریان تاخیر فاز مورد نیاز بار جریان تحریک مورد نیاز ژنراتور القایی را هم تامین کند. بنابراین، ضریب قدرت ژنراتور سنکرون بدتر شده و ظرفیت قابل حصول آن نیز کاهش مییابد. این امر همچنین باعث افزایش تلفات در خطوط انتقال میشود. برای جبران این تلفات لازم است از کندانسورها استفاده شود.
4- در بهرهبرداری موازی، جریان هجومی بالایی جریان مییابد و ولتاژ سیستم راتحت تاثیر قرار میدهد.
5- به طور کلی، ماشین های القایی با سرعت های پایین و قطب های زیاد، نسبت به ماشین های سنکرون از لحاظ ضریب قدرت و ابعاد ماشین نامرغوب تر هستند.
4-1 : ملاحظات
1-4-1 : جريان هجومي
در بهرهبرداري موازي جريان اتصال ژنراتورهاي القايي به شبكه، با باز كردن پرههاي هادي توربين، سرعت ژنراتور بتدريج افزايش داده ميشود و پس از آنكه رله سرعت نشان داد كه لغزش ژنراتور از مقدار معيني كمتر شده است، ژنراتور به شبكه متصل خواهد شد.جريان هجومي در لغزش هاي كوچك نيز وجود دارد، حتي اگر ژنراتور درهنگام اتصال به شبكه كاملاً سنكرون شده باشد.اين جريان از نظر تئوري دو برابر جريان حالت روتور قفل شده است. به هر حال اين جريان گذرا در يك زمان خيلي كوتاه و حداكثر پس از 10 سيكل از بين ميرود.
2-4-1 : اتصال كوتاه سهفاز ناگهاني
وقتي اتصال كوتاهي در ژنراتور القايي حين بهره برداري بروز ميكند، جريان هاي تحريك بسيار منابع از بين ميروند. بهرحال، فلوي مغناطيسي هسته آهني آن به نقطه صفر كاهش نمييابد. بنابراين يك جريان اتصال كوتاه در مدت فوقالعاده كوتاه جريان مييابد تا اينكه به نقطه صفر برسد.حداكثر مقدار اين جريان حدوداً برابر با مقدار جريان هجومي است.اين جريان معمولاً چند با حداكثر 10 سيكل و به مقدار بسيار ناچيزي كاهش مييابد، لذا سبب بروز جريان اتصال كوتاه پايدار و بادوام نميشود.
3-4-1 : اتصال كوتاه تكفاز
وقتي اتصال كوتاه بين دو خط بروز ميكند، حداكثر جريان اتصال كوتاه حدوداً رادیکال ۳ برابر جريان روتور قفل شده خواهد بود.
4-4-1 : پديده خود تحريكي
خود تحريكي هنگامي بروز ميكند كه ژنراتور و كندانسورها با هم از سيستم قطع شوند كه در نتيجه عايق ژنراتور يا كندانسورها ممكن است با افزايش ولتاژ آسيب ببيند. خودتحريكي در حالتي بوجود ميآيد كه ژنراتور توسط جريان پيشفازي كه به كندانسور (خازن) تحويل ميدهد تحريك شود. مقدار اين ولتاژ با استفاده از منحني اشباع بيباري ژنراتور و مشخصههاي ولتاژ و جريان كندانسور تعيين ميشود. در ناحيه ولتاژهاي زير نقطه «Ve» ولتاژ ژنراتور تمايل به افزايش دارد زيرا جريان تحريك تامين شده زير «Ve» در مقايسه با جريان تحريك مورد نياز بيشتر است. در ناحيه ولتاژهاي بالا نقطه «Ve» ولتاژ ژنراتور به دليل رابطه معكوس كاهش پيدا ميكند. بنابراين، در اين مثال ولتاژ خود تحريكي نقطه «Ve» خواهد بود كه دو منحني همديگر را قطع كردهاند.
اگر ظرفيت كندانسور كم باشد، شيب خط مشخصه ولتاژ جريان افزايش خواهد يافت و «Ve» به تدريج پايين ميافتد و وقتي از نقطهاي مشخص پايينتر بيايد، با منحني اشباع در حالت بيباري ژنراتور تقاطع نخواهد كرد وپديده خودتحريكي به وجود نخواهد آمد. افزايش سرعت در ژنراتور القايي نياز به توجه ويژه دارد. با افزايش سرعت، منحني اشباع در حالت بيباري و ولتاژ كندانسور و منحني مشخصههاي جريان به سمت منحنيهاي ديگري انتقال مييابد.تحت اين شرايط، ولتاژهاي خودتحريكي قوي ممكن است بوجود آيند.
5-4-1 : سيستم بهرهبرداري و كنترل
همانطوري كه قبلاً توضيح داده شده، سنكرونيزاسيون براي بهره برداري از ژنراتورهاي القايي در حالت موازي الزامي نيست، همچنين گاورنر سرعت توربين را ميتوان حذف كرد، زيرا اين ژنراتورها معمولاً مستقلاً مورد بهرهبرداري قرار نميگيرند.
6-4-1 : راهاندازي
وقتي شرايط راهاندازي توربين هيدروليك (آبي) فراهم باشد، فرمان راهاندازي صادر ميشود و پرههاي هادي بتدريج باز ميشوند و توربين هيدروليكي شروع به چرخش ميكند. پرههاي هادي موقتاً در وضعيت مربوط به راهاندازي متوقف ميشوند. سپس، توربين هيدروليكي به تدريج شتاب ميگيرد و در
آغاز از سرعت سنكرون پيشي گرفته و سپس به آن برميگردد.
7-4-1 : بهرهبرداري موازي
چنانچه تنظيم مقدار بازشدگي دريچههاي متناظر با حالت بيباري قبلاً به دست آمده باشد، در فاصله زماني كه سرعت توربين در هنگام راهاندازي از سرعت سنكرون بيشتر ميشود و مجدداً به سرعت سنكرون برميگردد، تفاضل حداكثر سرعت توربين و سرعت سنكرون به كمترين مقدار كاهش داده خواهد شد. موازي كردن ژنراتور، در فاصله زماني فوقالذكر بايد انجام شود. هنگاميكه رله سرعت، لغزش ژنراتور را كمتر از 3 درصد تشخيص داد بريگر مربوط به موازي كردن، فرمان وصل دريافت خواهد كرد.
8-4-1 : بارگذاري
پس از كامل شدن عمليات راهاندازي، ميزان بار واحد توسط گاورنر تراز آب كنترل خواهد شد. دريچههاي هادي، متناسب با سطح آب مخزن بالادست گشوده خواهند شد و ژنراتور القايي بار لازم را با افزايش لغزش توليد خواهد كرد.
9-4-1 : توقف آهسته
پرههاي هادي را به طرف موقعيت بازشدگي مربوط به حالت بيباري بتدريج ببنديد و دژنكتور موازي را نزديك وضعيت لغزش صفر باز كنيد. پس از اينكه پرههاي هادي كاملاً بسته شد و بعد از آنكه سرعت ژنراتور به زير 30 درصد كاهش يافت، ترمز مكانيكي اعمال شده و سرعت را به صفر ميرساند.
10-4-1 : از كار افتادن (SHUT DOWN)
اگر در حين كار ژنراتور القايي بطور ناگهاني قطع بار روي دهد، چنانچه باز شدگي پرههاي هادي بدون تغيير بماند، بديهي است كه سرعت توربين افزايش خواهد يافت. معمولاً توربين ها به گاورنرهايي مجهز هستند كه اضافه سرعت را حس كرده و فوراً اقدام به بستن پرههاي هادي ميكند.بهرحال توربين هاي ژنراتورهاي القايي به اينگونه گاورنرها مجهز نيستند.پرههاي هادي بايد سريعاً با استفاده از سيگنال كنتاكت كمكي دژنكتور و يا عملكرد رله اضافه سرعت بسته شوند. بهرحال توربين هاي ژنراتورهاي القايي به اينگونه گاورنرهاي مجهز نيستند.پرههاي هادي بايد سريعاً با استفاده از سيگنال كنتاكت كمكي دژنكتور و يا عملكرد رله اضافه سرعت بسته شوند.
لذا چنانچه دژنكتور نيروگاه دچار «تريپ» شود مشكلي بوجود نخواهد آمد و از كنتاكت كمكي آن ميتوان استفاده كرد. هنگامي كه دژنكتور انتهاي خط ارتباطي قطع شود، پرههاي هادي پس از آنكه رله اضافه سرعت عمل كرد، بسته خواهند شد.
به هر حال رله اضافه سرعت به نحوي تنظيم شده است كه در سرعت هاي 105 درصد تا 110 درصد سرعت نامي عمل ميكند. بدليل اينكه مدتي طول ميكشد تا اينكه پرههاي هادي شروع به تغيير وضعيت بدهند، افزايش سرعت اجتنابناپذير است.در ژنراتورهاي القايي، قطع بار به معني فرو نشستن ولتاژ تحريك در چند سيكل است. اين پديده از بروز صدمات به عايق در اثر ولتاژ اضافي جلوگيري ميكند. بعلاوه، هيچ افزايش در فركانس، با توجه به فرونشستن سريع ولتاژ، بوجود نخواهد آمد و بنابراين جاي هيچ نگراني از سرعت هاي اضافي در موتورهاي كمكي كه به شبكه داخلي نيروگاه متصل هستند وجود نخواهد داشت.
نقد و بررسیها
هنوز بررسیای ثبت نشده است.