مقدمه
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 بعد از پژوهش و تحقیق در یافتند که با اتصال خازنهایی به ترمینال موتور القایی در حال چرخش (توسط توان مکانیکی بیرونی) شرط تحریک پایدار بوجود آمده و ولتاژ بطور پیوسته تولید می شود. بنابراین یک سیستم تولید جدیدی متولد شد که در آن ولتاژ خروجی شدیداً به مقدار خازن تحریک و سرعت روتور و بار بستگی دارد. این نوع تولید تا سالهای 1960-1970 به فراموشی سپرده شد و مطالب کمی در مورد آن نوشته شد.
علت این بی توجهی در اهمیت عملی کم چنین تولیدی مستتر بود. چرا که ژنراتور القایی به تنهایی توانایی کنترل ولتاژ و فرکانس تولیدی را ندارد. از این رو ژنراتورهای سنکرون در واحدهای تولیدی بکار گرفته و هرساله مقدار زیادی سوخت صرف تولید برق ac می شود. طبیعی است با استفاده روزافزون از آلترناتورهای سنکرون، آنهااز نظر مقادیر نامی، روشهای خنک سازی، تکنولوژی ساخت و مدلسازی این ژنراتورها دستخوش رشد و تحول شدند، اما ساختار اساسی آنها بدون تغییر ماند ولی بدلیل نگرانی از نرخ کاهش شدید منابع انرژی تجدیدناپذیر و به طبع آن صعود چشمگیر قیمت نفت از یک طرف و ظهور و رشد قطعات نیمه هادی قدرت و پیشرفت کنترل صنعتی از طرف دیگر ژنراتور القایی بازگشت مجددی یافت.
از این رو علاقمندی زیادی برای استفاده از انرژی های تجدیدپذیر، مثل باد جهت جایگزینی سوخت و کاهش نرخ مصرف سوخت ایجاد شد و توجه به ژنراتور القایی به خاطر مزایای زیادی که دارد بیشتر شد.
در سالهای اخیر کاربرد ژنراتور القایی در تولید برق از توربینهای بادی و آبی کوچک مورد توجه زیادی قرار گرفته است. چرا که سادگی نگهداری و کاهش منابع انرژی فسیلی و توانایی ژنراتور القایی برای تبدیل توان مکانیکی از فاصله وسیعی از سرعت روتور موجب شده تا به فکر جایگزینی انرژی باد به جای سوختهای فسیلی بیافتند و انبوه تحقیقات در این زمینه نشانگر توانایی آن در رفع مشکلات حاضر است.
فصل اول
ژنراتور القایی (آسنکرون):
ژنراتور القایی، یک موتور القایی از نوع روتور قفس سنجابی است که با یک محرک اولیه در ما فوق سرعت سنکرون،گردانده شده و برای تولید نیروی برق استفاده می شودو ساختار و مشخصه های آن مثل موتور القایی است.ساختارهای روتور ویاتاقانهای آن نیز برای تحمل سرعت فرار توربین طراحی شده است.
وقتی یک موتور القایی با ولتاژ نامی و در حالت بی باری،مورد بهره برداری قرار گیرد،با سرعتی می چرخد که فقط برای تولید گشتاور لازم برای غلبه بر افت ناشی از اصطکاک و 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.
هنگامیکه روتور به سرعت سنکرون می رسد،با همان سرعت میدان مغناطیسی ناشی از ولتاژ تغذیه می چرخد و ولتاژ ثانویه ای القا نمی شودزیرا فلوی مغناطیسی هیچیک از هادیهای ثانویه را قطع نمی کند،هیچ جریانی از سیم پیچهای روتور نمی گذرد و فقط جریان تحریک در سیم پیچهای اولیه جریان می یابد.
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 به عنوان موتور القایی ،چرخش می کرد،زیرا سرعت چرخش هادی روتور فراتر از سرعت چرخش میدان مغناطیسی می شودو گشتاوری 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 پیچهای اولیه تولید شده اند.
ماشین القایی دارای منحنی گشتاور- سرعت مثل شکل (1-1) می باشد. طبق این مشخصه اگر موتور القایی سرعتی بیش از ns داشته باشد جهت گشتاور القایی معکوس می شود و بعنوان ژنراتور عمل خواهد کرد. با افزایش گشتاور اعمالی به شفت مقدار توان تولیدی افزایش می یابد.
(شکل نمودار در فایل اصلی موجود است)
شکل1-1 مشخصه گشتاور- سرعت ماشین ا لقایی
همانطوری که از شکل (1-1) معلوم است. درمد ژنراتوری یک گشتاور القایی max دارد که با افزایش توان ورودی گشتاور القایی به حد max رسیده و بعد از آن ژنراتور به ناحیه ناپایدار وارد می شود. در این حالت فلوی پیوندی بین روتور و استاتور می شکند و به طور ناگهانی روتور آزادانه می چرخد و هیچ توانی تولید نمی شود.
ماشین های القایی درمد ژنراتوری دارای محدودیت های جدی است و بعلت عدم وجود مدار تحریک جداگانه نمی تواند توان راکتیو تولید کند. بنابراین مصرف کننده توان راکتیو است و برای حفظ میدان مغناطیسی استاتور نیاز به یک منبع توان راکتیو بیرونی دارد. علاوه بر این، چنین منبع توان راکتیوی بعلت عدم وجود جریان تحریک مستقل نمی تواند به کنترل Vo کمک کند، چرا که در کار ژنراتور القایی، اشباع هسته نقش عمده ای دارد و برای دستیابی به یک سطح ولتاژ معین، خازنهای تحریک باید جریان مغناطیس کننده متناظر با آن سطح را تولید کند.
در راه اندازی ژنراتور القایی پدیده ای بنام تحریک خودی مطرح می شود که براساس آن، ولتاژ سازی صورت می گیرد. از این نظر ژنراتور القایی بسیار شبیه ژنراتور DC شنت بوده و در واقع خازنهای تحریک معادل مقاومت تحریک یا میدان در ژنراتور DC شنت می باشند. همچنین بطور مشابه با اضافه کردن خازنهای سری می توان ژنراتور القایی را بصورت کمپوند اضافی به کار برد.
با افزایش توان راکتیو ناشی از خازن های سری، مقداری از توان راکتیو مورد نیاز بار جبران شده و از افت ولتاژ جلوگیری می کند. طبق مشخصه گشتاور- سرعت با تغییر بار، فرکانس ژنراتور القایی تغییر می کند، لذا از آنجاییکه این مخنی در محدوده نرمال کاری شیب تندی دارد، تغییر فرکانس تا لغزش معمولاً کمتر از 5 درصد می باشد. چنین تغییری در فرکانس ژنراتورهای ایزوله و متصل به شبکه قابل قبول است.
در کاربردهای 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 های مبدل انرژی باد به الکتریسیته را می توان به سه گروه تقسیم کرد:
سیستم سرعت متغیر و فرکانس ثابت (VSCF)
سیستم سرعت و فرکانس ثابت (CSCF)
سیستم سرعت متغیر و فرکانس متغیر (VSVF)
برای اینکه از کلیت موضوع کاسته نشود و بحث منحصر به نیروگاههای بادی نگردد، سیستم VSVF فرض می شود.
1-1- مزایای ژنراتور القایی:
به سیستم تحریک احتیاج نداشته و ساختمان ساده ای دارد ودر نتیجه تعمیر و نگهداری آن آسان است.
راه اندازی و بهره برداری از آن آسان است،زیرا نیازی به سنکرونیزاسیون یا تنظیم تحریک ندارد.
جریان اتصال کوتاه آن کم و زمان کاهش آن در مقایسه با ماشینهای سنکرون کوتاه تر است،زیرا در هنگام اتصال کوتاه،تحریک قطع می شودو جریان اتصال کوتاه فقط در یک مدت زمان فوق العاده کوتاه،جریان می یابد تا اینکه فلوی مغناطیسی ناپدید شود.
چون همیشه بطور موازی با ژنراتور سنکرون کار می کند و هرگز مستقلا مورد بهره برداری قرار نمی گیرد،به ژنراتور سرعت نیازی ندارد.
وقتی بار پس زده شود،جریان تحریک،قطع و ولتاژ ناپدید می شودلذا هیچگونه صدمه و خسارتی به بخشهای عایقی دستگاه از جانب ولتاژ اضافی،صرف نظر از میزان افزایش سرعت،رخ نمی دهد.
وقتی ولتاژ سیستم افت میکند،جریان تحریک خود به خود کاهش می یابد.
چون گاورنر سرعت استفاده نمی شودتا حدی که سرعت آن از سرعت مجاز توربین هیدرولیکی بیشتر نشود به تولید انرژی ادامه می دهد.
در مواقعی که سیستم دچار اختلال می شود،این دستگاه می تواند به صورت پایدار و بدون قطع شدن به کار خود ادامه دهد.
علاوه بر مزایای فوق، یک ژنراتور القایی دارای کاربرد ایزوله، بهای کم واحد تولیدی، روتور بدون جاروبک، ساختمان ساده و محکم (روتور قفس سنجابی) ،عدم وجود منبع DC جداگانه برای تحریک، نگهداری آسان می باشد و در ضمن لازم نیست روتور به طور مداوم با سرعت ثابتی بچرخد.
بخاطر مزایای فوق و سادگی کنترل نسبت به ژنراتور سنکرون و قابلیت اطمینان بالا باعث شده این ژنراتور، انتخاب بسیار مناسبی برای نیروگاه های بادی و آبی کوچک یا کاربرد در ژنراتورهای اضطراری برای شبکه قدرت موجود می باشد.