ماشین سنکرون
توضیحات:
-
به نام خدا
ماشین سنکرون یکی از بنیادی‌ترین ماشین‌ها در صنعت برق می‌باشد چرا که نوع ژنراتوری آن را می‌توان هسته اصلی تولید برق در جهان و نوع موتوری آن را یک موتور دقیق و کارآمد دانست.
در این پست اختصاصی می‌خواهیم به این ماشین که تفاوت عمده آن با ماشین القایی در تحریک آن بوده و نحوه عملکرد آن که حول میدان مغناطیسی ایجاد شده توسط ولتاژ DC می‌باشد و تاریخچه آن که از زمان تسلا آغاز می‌شود بپردازیم، پس از آن به کاربردهای این ماشین محبوب در زمینه‌های جانبی مانند توان راکتیو پرداخته می‌شود و نگاهی به ساختار آن که عمدتاً حول روتور در دو نوع برجسته و استوانه‌ای می‌باشد و در ادامه به انواع ماشین سنکرون که می‌توانیم در دو دسته‌بندی اصلی بدون تحریک و با تحریک DC تقسیم نماییم خواهیم پرداخت.
موضوع را با روش‌های راه‌اندازی ماشین سنکرون که یکی چالش‌های اساسی این ماشین می‌باشد پیش خواهیم برد و پس از این موارد وارد معادلات بنیادی خواهیم شد تا به شما نحوه محاسبه؛ توان P، توان Q، زاویه گشتاور و عملکرد آن را آموزش دهیم. همان گونه که می‌دانید بزرگ‌ترین ویژگی خاص موتور سنکرون کنترل ضریب توان آن می‌باشد به همین دلیل به شکلی خاص به تاثیر جریان تحریک در Power Factor خواهیم پرداخت و برای اینکه دید خوبی از آنچه تاکنون گفته شده، داشته باشیم نگاهی کلی به مزایا و معایب ماشین سنکرون خواهیم داشت.
سپس به یکی از سؤالات مهم شما که شین بی‌نهایت چیست پاسخ خواهیم داد و برای تفکیک بهتر ماشین القایی و ماشین سنکرون به مقایسه دقیق و جزئی آنها از نوع آنها تا نحوه راه‌اندازی آنها خواهیم پرداخت.
در اوایل قرن بیستم به این واقعیت پی برده شد که ماشین القایی بعد از قطع ولتاژ خط ممکن است در حالت تحریک باقی بماند ولی برای ایجاد چنین تحریکی شرایط خاصی مورد نیاز بود. محققان پس از پژوهش و تحقیق دریافتند که با اتصال خازن‌هایی به ترمینال ماشین القایی در حال چرخش (ژنراتور القایی) شرط تحریک پایدار به وجود آمده و ولتاژ به طور پیوسته تولید می‌شود؛ بنابراین یک سیستم تولیدی جدید متولد شد که در آن ولتاژ خروجی شدیداً به مقدار خازن تحریک، سرعت روتور و بار بستگی داشت. این روش تولید در سال‌های 1960-1970 به فراموشی سپرده شد و مطالب کمی در مورد آن نوشته شده است.
علت این بی‌توجهی در اهمیت عملی و بازده پایین این روش می‌بود. چرا که ژنراتور القایی به‌تنهایی توانایی کنترل ولتاژ و فرکانس تولیدی را ندارد. ازاین‌رو پس از آنها ژنراتورهای سنکرون در اکثر نیروگاه‌ها بکار گرفته و هرساله مقدار زیادی سوخت صرف تولید برق AC گشت. طبیعی است با استفاده روزافزون از آلترناتورهای سنکرون، آنها از نظر مقادیر نامی، روش‌های خنک‌سازی، تکنولوژی ساخت و مدل‌سازی دستخوش رشد و تحول شدند، اما ساختار اساسی آنها بدون تغییر ماند. بااین حال به دلیل نگرانی از کاهش شدید منابع انرژی تجدیدناپذیر و به طبع آن صعود چشمگیر قیمت نفت ازیک‌طرف و ظهور و رشد قطعات نیمه‌هادی قدرت بخصوص رکتیفایر و اینورتر و از طرف دیگر پیشرفت کنترل صنعتی ژنراتور القایی بازگشتِ مجددی یافت.
ازاین‌رو علاقه‌مندی زیادی برای استفاده از انرژی‌های تجدیدپذیر، مثل باد جهت جایگزینی سوخت و کاهش نرخ مصرف سوخت ایجاد شده و توجه به ژنراتور القایی با توجه به مزایای زیاد آن بیشتر شد.
در سال‌های اخیر کاربرد ژنراتور القایی در تولید برق از توربین بادی و توربین آبی کوچک مورد توجه زیادی قرار گرفته است. چرا که سادگی نگهداری و کاهش منابع انرژی فسیلی و توانایی ژنراتور القایی برای تولید برق از سرعت های متفاوت چرخشی، موجب شده تا به فکر جایگزینی انرژی باد به‌جای سوخت‌های فسیلی بیافتند و انبوه تحقیقات در این زمینه نشانگر توانایی آن در رفع مشکلات حاضر می‌باشد.
هرچند که در این سال‌ها ژنراتورهای القایی اندک‌اندک کنار رفته و بجای آنها ماشین‌های شار محور آهنربای دائم استفاده می‌شوند.
همان‌طور که می‌دانیم تولید انرژی الکتریکی بر اساس قطع شدن خطوط قوا به‌وسیله هادی‌ها می‌باشد که درنهایت سبب تولید ولتاژ می‌گردد؛ بنابراین در ساده‌ترین فرم آن چنانچه یک آهنربای قوی را در داخل یک سیم‌پیچ و یا یک سیم‌پیچ را در داخل یک آهنربا به چرخش در آوریم سبب قطع خطوط قوای مغناطیسی توسط سیم‌پیچ می شویم، در این حالت می توان ادعا کرد که یک مولد الکتریکی ساخته‌ایم.
عاملی که باعث تبدیل این قدرت مکانیکی به قدرت الکتریکی می‌گردد، میدان مغناطیسی روتور است، بنابراین اگر به دلائلی میدان مغناطیسی روتور بیش از حد تضعیف شـود و یا به‌طورکلی قطع گردد، قدرت مکانیکی تبدیل به قدرت الکتریکی نمی‌شود و انرژی آن صرف بالا بردن سرعت روتور شده به‌طوری‌که آن را از سرعت سنکرون خارج کرده و به شدت دور برمی‌دارد که خسارات کلی و جبران‌ناپذیری به ژنراتور وارد خواهد نمود.
پس نتیجه می‌گیریم در مقابل یک مصرف مشخص (قدرت واته اخذشده به‌وسیله شبکه از ژنراتور ما) یک مقدار مشخصی قدرت مکانیکی از طرف توربین یا دیزل باید به محور ژنراتور (روتور) انتقال یابد و از طرف دیگر شدت میدان مغناطیسی در روتور باید برای تبدیل انرژی مناسب باشد زیرا همان‌طور که در یک ترانسفورماتور، هسته آهنی عامل انتقال انرژی از اولیه به سمت ثانویه می‌باشد، در ماشین سنکرون نیز میدان مغناطیسی روتور به‌عنوان پلی است که در یک طرف آن انرژی مکانیکی و در سمت دیگر آن انرژی الکتریکی حضور داشته و به‌واسطه این پل این دو تبدیل به هم انجام می‌شود. به دلیل اهمیت این پل، این واسطه‌ها (میدان مغناطیسی در ماشین و هسته آهنی در ترانس) باید مستحکم و مناسب باشند
موتور سنکرون و ژنراتور سنکرون
هدف ما در این پست بیشتر توضیح ماشین سنکرون (موتور/ژنراتور) می‌باشد و البته قسمت‌هایی وجود خواهد داشت که دقیقاً به نوع آن یعنی موتور و یا ژنراتور در صورت نیاز اشاره خواهیم نمود، بااین‌حال اجازه دهید نگاهی کوتاه به تفاوت آنها داشته باشیم.اگر از ژنـراتور بار سه‌فاز متعـادل بگـیریم یک میـدان دوار در داخـل اسـتاتور ایجاد می‌شود که با همان سرعتی که روتور در حال گردش است میدان نیز آن را تعقیب می‌کند.
بنابراین، این دو میدان دارای فرکانس یکسانی هستند ولی بین آنها اختلاف فازی برابر δ وجود دارد که آن را زاویه توان یا زاویه گشتاور (Power-Tourque angle) گویند. زاویه گشتاور در ژنراتورها بین 0 تا 90 درجه می‌تواند تغییر کند (در حالت ژنراتوری اگر این زاویه بیش از 90 درجه باشد ژنراتور ناپایدار خواهد شد) تغییر کند ولی در موتورهای سنکرون این زاویه بین 0 و 90- درجه می‌باشد (در حالت موتوری اگر این زاویه کمتر از 90- درجه باشد موتور ناپایدار خواهد شد).
در ژنراتور، میدان مغناطیسی دوار روتور است که میدان مغناطیسی دوار را در استاتور (در صورت زیر بار بودن ژنراتور) به وجود می‌آورد، لذا این میدان جلوتر از میدان دوار استاتور در حال چرخیدن است یعنی میدان مغناطیسی روتور، میدان دوار استاتور را به دنبال خود می‌کشد. در حالت موتوری (موتور سنکرون) این وضعیت برعکس است.
ماشین سنکرون چگونه کار می‌کند
این بخش را می‌توان به دو شکل مجزا در قالب ژنراتور و موتور توضیح داد، هدف از این قسمت آشنایی اجمالی با نحوه عملکرد ماشین سنکرون می‌باشد تا بتوانیم در ادامه اطلاعات مفیدتری را در اختیار شما عزیزان قرار دهیم.نحوه عملکرد ژنراتور سنکرون
در ابتدا جریان مستقیم “DC” توسط ما به سیم‌پیچ روتور ژنراتور سنکرون تزریق می‌شود تا یک میدان مغناطیسی اطراف روتور ایجاد نماید. ازآنجایی‌که این روتور به‌وسیله یک نیروی خارجی (توربین) به چرخش در می‌آید بنابراین یک میدان مغناطیسی چرخان در درون ژنراتور شکل خواهد گرفت.این میدان چرخان در هر لحظه در حال قطع هادی‌های قرار گرفته در استاتور می‌باشد به همین دلیل انتظار القای ولتاژ سه‌فاز متعادل در سیم‌پیچ‌های استاتور امری دور از ذهن نیست. در این مسیر هرچقدر سرعت چرخش روتور بیشتر باشد، فرکانس و میزان برق تولید شده توسط ژنراتور سنکرون هم بیشتر می‌شود.
مسلماً در حالت موتوری شرایط برعکس حالت ژنراتوری می‌باشد یعنی به‌صورت کلی در این بخش ما به روتور و استاتور ولتاژ تزریق می‌کنیم و از سوی دیگر انتظار ایجاد نیروی چرخشی را داریم.
هنگام وصل استاتور به شبکه سه‌فاز (AC)، یک میدان دوار مغناطیسی که سرعت آن متناسب با فرکانس شبکه و تعداد قطب‌های استاتور است در آن به وجود آمده و شروع به جاروب نمودن سطح روتور می‌نماید.
در این حالت (قبل از آنکه به روتور ولتاژ DC اعمال نماییم) قطب‌های روتور از طریق قطب‌های غیر همنام استاتور جذب و لحظه‌ای بعد مجدداً این قطب‌ها به‌وسیله قطب‌های همنام استاتور دفع خواهند شد. پس میانگین گشتاور صفر بوده و روتور حرکت نمی‌کند از طرف دیگر قطب‌های روتور به دلیل سنگینی و اینرسی موجود در آن نمی‌توانند به‌سرعت همراه میدان دوار استاتور بچرخند. پس باید به طریقی (راه‌انداز) ابتدا سرعت روتور را به نزدیکی سرعت میدان دوار استاتور رسانده و در آن حین انتظار همگام شدن رتور با استاتور را داشته باشیم.