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 نیروگاههای آبی کوچک در نقاط مختلف دنیا استفاده شده است. با توجه به اینکه در کشور ما نیز جایگاههای فراوان جهت احداث نیروگاههای 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 مقاله 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 نیروگاهها که در کشور اتریش اجرا شده است به منظور نشان دادن محدوده‌های عملی کاربرد این نوع نیروگاهها ارایه 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 یاتاقانهای 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 هادیهای ثانویه را قطع نمی‌کند و هیچ جریانی از سیم‌پیچهای روتور نمی‌گذرد و فقط جریان تحریک در سیم‌پیچهای 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 سیم‌پیچهای اولیه تولید شده‌اند.همانطوری 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:
●مزایای ژنراتور القایی
۱- چون به سیستم تحریک احتیاج ندارد و ساختمان آن ساده است در نتیجه تعمیر و نگهداری آن آسان است.
۲- راه‌اندازی و بهره‌برداری از آن آسان است، زیرا نیازی به سنکرونیزاسیون یا تنظیم تحریک ندارد.
۳- جریان اتصال کوتاه آن کم است و زمان کاهش آن در مقایسه با ماشینهای سنکرون کوتاهتر 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.
۴- چون همیشه بطور موازی با ژنراتور سنکرون کار میکند و هرگز مستقلاً مورد بهره‌برداری قرار نمی‌گیرد، به ژنراتور سرعت نیازی ندارد.
۵- وقتی بار پس زده می‌شود، جریان تحریک قطع می‌شود و ولتاژ ناپدید می‌شود و لذا هیچگونه صدمه و خسارتی به بخشهای عایقی دستگاه از جانب ولتاژ اضافی صرفنظر از میزان افزایش سرعت رخ نمی‌دهد.
۶- وقتی ولتاژ سیستم افت میکند، جریان تحریک خودبه‌خود کاهش می‌یابد.
۷- 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.
۸- در مواقعی که سیستم دچار اختلال می‌شود، این دستگاه می‌تواند به صورت پایدار و بدون قطع شدن به کار خود ادامه دهد.
●معایب ژنراتور القایی
۱- فقط وقتی مثل یک ژنراتور کار میکند که با ماشین سنکرون موازی شده باشد و نمی‌تواند مستقلاً تولید برق کند.
۲- چون جریان اولیه ژنراتور در ارتباط با ولتاژ خروجی در پیش‌فاز است. (یعنی با ضریب قدرت پیش فاز ژنراتور سنکرون مطابقت میکند)
۳- 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.
۴- در بهره‌برداری موازی، جریان هجومی بالایی جریان می‌یابد و ولتاژ سیستم راتحت تاثیر قرار می‌دهد.
۵- به طور کلی، ماشینهای القایی با سرعتهای پایین و قطبهای زیاد، نسبت به ماشینهای سنکرون از لحاظ ضریب قدرت و ابعاد ماشین نامرغوبتر هستند.
ملاحظات:
ظرفیت کندانسور تصحیح‌کننده قدرت از معادله زیر تعیین می‌شود:
COSØ: ضریب قدرت ژنراتور القایی
COSØ: مقدار تصحیح شده ضریب قدرت به منظور جلوگیری از خود تحریکی ژنراتور القایی، نباید ظرفیت کندانسور بسیار زیاد باشد. معمولاً COSØ برابر ۹۵/۰ انتخاب می‌شود.
●پدیده ناپایداری ژنراتورهای القایی
جریان هجومی در بهره‌برداری موازی
جریان اتصال ژنراتورهای القایی به شبکه، با باز کردن پره‌های هادی توربین، سرعت ژنراتور بتدریج افزایش داده می‌شود و پس از آنکه رله سرعت نشان داد که لغزش ژنراتور از مقدار معینی کمتر شده است، ژنراتور به شبکه متصل خواهد شد.
جریان هجومی در لغزشهای کوچک نیز وجود دارد، حتی اگر ژنراتور درهنگام اتصال به شبکه کاملاً سنکرون شده باشد.این جریان از نظر تئوری دو برابر جریان حالت روتور قفل شده است. به هر حال این جریان گذرا در یک زمان خیلی کوتاه و حداکثر پس از ۱۰ سیکل از بین می‌رود.
●اتصال کوتاه سه‌فاز ناگهانی
وقتی اتصال کوتاهی در ژنراتور القایی حین بهره برداری بروز میکند، جریانهای تحریک بسیار منابع از بین می‌روند. بهرحال، فلوی مغناطیسی هسته آهنی آن به نقطه صفر کاهش نمی‌یابد. بنابراین یک جریان اتصال کوتاه در مدت فوق‌العاده کوتاه جریان می‌یابد تا اینکه به نقطه صفر برسد.
حداکثر مقدار این جریان حدوداً برابر با مقدار جریان هجومی است.
این جریان معمولاً چند با حداکثر ۱۰ سیکل و به مقدار بسیار ناچیزی کاهش می‌یابد، لذا سبب بروز جریان اتصال کوتاه پایدار و بادوام نمی‌شود.
●اتصال کوتاه تک‌فاز
وقتی اتصال کوتاه بین دو خط بروز میکند، حداکثر جریان اتصال کوتاه حدوداً ۳√ برابر جریان روتور قفل شده خواهد بود.
●پدیده خود تحریکی
خود تحریکی هنگامی بروز میکند که ژنراتور و کندانسورها با هم از سیستم قطع شوند که در نتیجه عایق ژنراتور یا کندانسورها ممکن است با افزایش ولتاژ آسیب ببیند.
خودتحریکی در حالتی بوجود می‌آید که ژنراتور توسط جریان پیش‌فازی که به کندانسور (خازن) تحویل می‌دهد تحریک شود.مقدار این ولتاژ با استفاده از منحنی اشباع بی‌باری ژنراتور و مشخصه‌های ولتاژ و جریان کندانسور تعیین می‌شود.
در ناحیه ولتاژهای زیر نقطه «Ve» ولتاژ ژنراتور تمایل به افزایش دارد زیرا جریان تحریک تامین شده زیر «Ve» در مقایسه با جریان تحریک مورد نیاز بیشتر است. در ناحیه ولتاژهای بالا نقطه «Ve» ولتاژ ژنراتور به دلیل رابطه معکوس کاهش پیدا میکند. بنابراین، در این مثال ولتاژ خود تحریکی نقطه «Ve» خواهد بود که دو منحنی همدیگر را قطع کرده‌اند.
اگر ظرفیت کندانسور کم باشد، شیب خط مشخصه ولتاژ جریان افزازیش خواهد یافت و «Ve» به تدریج پایین می‌افتد و وقتی از نقطه‌ای مشخص پایین‌تر بیاید، با منحنی اشباع در حالت بی‌باری ژنراتور تقاطع نخواهد کرد وپدیده خودتحریکی به وجود نخواهد آمد.
افزایش سرعت در ژنراتور القایی نیاز به توجه ویژه دارد. با افزایش سرعت، منحنی اشباع در حالت بی‌باری و ولتاژ کندانسور و منحنی مشخصه‌های جریان به سمت منحنی‌های دیگری انتقال می‌یابد.تحت این شرایط، ولتاژهای خودتحریکی قوی ممکن است بوجود آیند.
●سیستم بهره‌برداری و کنترل
همانطوری که قبلاً توضیح داده شده، سنکرونیزاسیون برای بهره برداری از ژنراتورهای القایی در حالت موازی الزامی نیست، همچنین گاورنر سرعت توربین را می‌توان حذف کرد، زیرا این ژنراتورها هیچگاه مستقلاً مورد بهره‌برداری قرار نمی‌گیرند.
●راه‌اندازی
وقتی شرایط راه‌اندازی توربین هیدرولیک (آبی) فراهم باشد، فرمان راه‌اندازی صادر می‌شود و پره‌های هادی بتدریج باز می‌شوند و توربین هیدرولیکی شروع به چرخش میکند.
پره‌های هادی موقتاً در وضعیت مربوط به راه‌اندازی متوقف می‌شوند. سپس، توربین هیدرولیکی به تدریج شتاب می‌گیرد و در آغاز از سرعت سنکرون پیشی گرفته و سپس به آن برمی‌گردد.
●بهره‌برداری موازی
چنانچه تنظیم مقدار بازشدگی دریچه‌های متناظر با حالت بی‌باری قبلاً به دست آمده باشد، در فاصله زمانی‌ای که سرعت توربین در هنگام راه‌اندازی از سرعت سنکرون بیشتر می‌شود و مجدداً به سرعت سنکرون برمی‌گردد، تفاضل حداکثر سرعت توربین و سرعت سنکرون به کمترین مقدار کاهش داده خواهد شد. موازی کردن ژنراتور، در فاصله زمانی فوق‌الذکر باید انجام شود. هنگامی‌که رله سرعت، لغزش ژنراتور را کمتر از ۳ درصد تشخیص داد بریگر مربوط به موازی کردن، فرمان وصل دریافت خواهد کرد.به عنوان نمونه، مشخصات اصلی تعدادی از نیروگاههای آبی که در کشور اتریش در برخی از استانهای آن احداث شده است و در آنها از ژنراتور آسنکرون استفاده شده است. ذیلاً لیست شده است.این جزوه مربوط به شرکت الین است.
●بارگذاری
پس از کامل شدن عملیات راه‌اندازی، میزان بار واحد توسط گاورنر تراز آب کنترل خواهد شد. دریچه‌های هادی، متناسب با سطح آب مخزن بالادست گشوده خواهند شد و ژنراتور القایی بار لازم را با افزایش لغزش تولید خواهد کرد.
●توقف آهسته
پره‌های هادی را به طرف موقعیت بازشدگی مربوط به حالت بی‌باری بتدریج ببندید و دژنکتور موازی را نزدیک وضعیت لغزش صفر باز کنید. پس از اینکه پره‌های هادی کاملاً بسته شد و بعد از آنکه سرعت ژنراتور به زیر ۳۰ درصد کاهش یافت، ترمز مکانیکی اعمال شده و سرعت را به صفر می‌رساند.
●از کار افتادن (SHUT DOWN)
اگر در حین کار ژنراتور القایی بطور ناگهانی قطع بار روی دهد، چنانچه باز شدگی پره‌های هادی بدون تغییر بماند، بدیهی است که سرعت توربین افزایش خواهد یافت.معمولاً توربینها به گاورنرهایی مجهز هستند که اضافه سرعت را حس کرده و فوراً اقدام به بستن پره‌های هادی میکند.
بهرحال توربینهای ژنراتورهای القایی به اینگونه گاورنرها مجهز نیستند.پره‌های هادی باید سریعاً با استفاده از سیگنال کنتاکت کمکی دژنکتور و یا عملکرد رله اضافه سرعت بسته شوند.
بهرحال توربینهای ژنراتورهای القایی به اینگونه گاورنرهای مجهز نیستند.پره‌های هادی باید سریعاً با استفاده از سیگنال کنتاکت کمکی دژنکتور و یا عملکرد رله اضافه سرعت بسته شوند.
لذا چنانچه دژنکتور نیروگاه دچار «تریپ» شود مشکلی بوجود نخواهد آمد و از کنتاکت کمکی آن می‌توان استفاده کرد. هنگامی که دژنکتور انتهای خط ارتباطی قطع شود، پره‌های هادی پس از آنکه رله اضافه سرعت عمل کرد، بسته خواهند شد.
به هر حال رله اضافه سرعت به نحوی تنظیم شده است که در سرعتهای ۱۰۵ درصد تا ۱۱۰درصد سرعت نامی عمل میکند. بدلیل اینکه مدتی طول می‌کشد تا اینکه پره‌های هادی شروع به تغییر وضعیت بدهند، افزایش سرعت اجتناب‌ناپذیر است.
در ژنراتورهای القایی، قطع بار به معنی فرو نشستن ولتاژ تحریک در چند سیکل است. این پدیده از بروز صدمات به عایق در اثر ولتاژ اضافی جلوگیری میکند. بعلاوه، هیچ افزایش در فرکانس، باتوجه به فرونشستن سریع ولتاژ، بوجود نخواهد آمد و بنابراین جای هیچ نگرانی از سرعتهای اضافی در موتورهای کمکی که به شبکه داخلی نیروگاه متصل هستند وجود نخواهد داشت.
منبع : برق نیوز