تحلیل رفتار ژنراتور سنکرون در قبال مولفه منفی جریان

سرویس آموزش و آزمون برق نیوز، توزیع جریان مولفه منفی در سطح روتور همانند توزیع جریان در روتور موتور‌های قفس سنجابی است که این جریان‌ها در طول (محور) روتور جاری شده و در انتها در محیط دایره‌ای، مشابه تعداد قطب‌های استاتور، بسته می‌شوند.

دانسیته جریان سطح روتور ژنراتور، JR، در برهه زمانی ایجاد جریان مولفه منفی استاتور، از رابطه زیر، که توسط کارخانه‌های سازنده پیشنهاد شده است، قابل محاسبه است:

JR: دانسیته جریان سطح روتور بر حسب جریان موثر بر اینچ

NP: تعداد قطب

FAR: راکتانس آرمیچر بر حسب پریونیت

D۴: قطر روتور

۲I: جریان مولفه منفی استاتور

همانطور که گفته شد ژنراتور‌ها با دو نوع نامتفاوتی مواجه هستند یکی جریان‌های ناشی از اتصال کوتاه‌های نامتقارن خارجی مانند اتصال فاز به زمین، فاز به فاز و هر دو فاز با هم و زمین و دیگری جریان‌های بار نامتقارن.

در شرایط اتصالی نامتقارن خارجی (خارج از ژنراتور) جریان‌های نامتقارن زیاد بوده و زمان بسیار کوتاه است. در صورتی که برای جریان‌های بار نامتقارن، جریان‌های معمولاٌ کمتر از جریان بار نامی بوده و نامتقارنی خیلی کم و زمان بقای این پدیده، زیاد است بنابراین یک نوع اختلاف در حفاظت هر کدام از این شرایط وجود خواهد داشت.


تحلیل رفتار ژنراتور در قبال خطای نامتقارن (خارجی):

در بررسی مسائل گرم کردن گذرا، یک استاندارد عملی این است که از اثرات حرارت منتقل شده به طرف محیط خنک‌کننده صرفنظر شود و در زمان بسیار کوتاه وقوع خطا (تا پاک شدن آن) با اینکه مقداری حرارت به طرف گاز خنک‌کننده جاری می‌شود قابل اغماض فرض شده است.

اثرات هدایت حرارت از طریق قسمت‌های فلزی نقش مهمی را در این مساله بوجود می‌آورد. بعضی فلزات مانند آلومینیوم و مس می‌توانند مقادیر زیادی از حرارت را دورتر از نقاط گرم موضعی منتقل کنند در حالی که فولاد‌های غیر مغناطیسی مانند عایق‌های حرارتی عمل می‌کنند. بعنوان مثال در نظر بگیرید اثرات گذرا بر روی ترکیب‌های مختلفی از گوه‌های شیار سیم‌پیچی میراکننده، محاسبه‌ای را برای توزیع نامی جریان می‌توان انجام داد.

در یک شیار نمونه حاوی گوه‌های آلومینیومی و سیم‌پیچی میرا‌کننده مسی تقریباً‌کل جریان عبوری از یک گام شیار معین از گوه‌ها عبور خواهد کرد. البته باستثناء مسیر‌های رابط بین گوه‌های مجاور، تجزیه و تحلیل انتقال حرارت گذرا نشان می‌دهد که بر اساس کل حجم گوه‌ها و سیم پیچ‌های میراکننده، حرارت تولید شده جذب می‌شود.

برعکس، با استفاده از گوه‌های فولادی (غیرمغناطیس) و یک سیم‌پیچ میراکننده مسی، جریان تقریباً به طور مساوی بین گوه‌ها و سیم‌پیچ میراکننده تقسیم می‌شود.

تجزیه و تحلیل انتقال حرارت در این مجموعه نشان می‌دهد که گوه‌های فولادی (غیرمغناطیسی) مانند عایق‌های حرارتی عمل کرده و این امر ناشی از پایین بودن ضریب هدایت حرارتی آن‌ها است؛ بنابراین آن‌ها تقریباً‌حرارتی را از سیم پیچ‌های میراکننده جذب نمی‌کنند. در نتیجه سیم پیچ‌های میراکننده با سرعت زیادی گرم می‌شوند که سرعت آن تقریباً برابر است با دو برابر سرعت در حالت استفاده از گوه‌های آلومینیومی و یک سیم‌پیچ میراکننده مسی. این وضعیت در انتهای گوه‌ها، جایی که اغلب جریان باید به سیم‌پیچ‌های میراکننده منتقل شود حادتر و تولید حرارت در این مکان بیشتر است.

اثر عایقی فولادی (غیرمغناطیسی) مورد مهمی را در طراحی حلقه‌های نگهدارنده انتهایی و سیم‌پیچ‌های میراکننده تشکیل می‌دهد. نتایج آزمایش نشان داده است که افزایش درجه حرارت در محل مشترک حلقه‌های نگهدارنده انتهایی و سیم‌پیچ میراکننده، مقدار بالایی دارد.

با درک این حقیقت که درجه حرارت زیاد در این نقطه مربوط می‌شود به تولید حرارت و مقاومت اتصال و هر دو پدیده در سطح حلقه‌های نگهدارنده انتهایی، اتفاق می‌افتد، به یک نتیجه مهم می‌توان دست یافت. ابتدا مقایسه اطلاعات به ما اجازه می‌دهد که متوسط درجه حرارت حلقه‌های نگهدارنده انتهایی را محاسبه کنیم و بر اساس پدیده گذرا، متوسط درجه حرارت به مقدار خیلی زیاد از درجه حرارت سطح حلقه‌های نگهدارنده کمتر خواهد شد، چون انبساط حلقه‌های نگهدارنده انتهایی فقط تابعی از درجه حرارت متوسط است. این محاسبات نشان می‌دهد که از دست رفتن سلامت حلقه‌های نگهدارنده انتهایی به عنوان یک عامل، بیشتر از محدودیت‌های دیگر ظاهر می‌شود که محدودیت‌های دیگر شامل اضافه ولتاژ و فساد تدریجی ماده تشکیل دهنده آن است.

یک عامل مهم دیگر که باید به اطلاعات جمع‌شده از طریق آزمایش اضافه شود عبارت است از اثر مولفه DC جریان استاتور در جاری شدن جریان با فرکانس نامی روی سطح روتور نشان داده شده است که ثابت‌های زمانی چنین جریان‌هایی بسیار کوتاه است، اما مقادیر اولیه برای حالت جابجایی (آفست) کامل بسیار زیاد است. با اینکه ضریب ۲√ بیشتر برای کم کردن اثر مولفه با فرکانس نامی بوسیله حساب کردن ضریب نفوذ است.

استاندارد‌های جدید پیشنهادی لازم می‌داند که ژنراتور باید اثرات حرارتی خطا‌های نامتعادل را در ترمینال‌های خود تحمل کند، این اثرات شامل مولفه‌های DC القاء شده نیز هستند.

بعلت پیچیدگی مسائل مربوط به انتقال حرارت، کارخانه‌های سازنده ژنراتور جهت پی‌بردن به اثرات ناشی از حرارت مولفه منفی مبادرت به آزمایش‌های گسترده‌ای کرده‌اند، برای هر یک از ماشین‌های آزمایش شده، سعی کرده‌اند که در طراحی، قدرت تحمل ژنراتور‌ها را در برابر جریان‌های ناشی از مولفه منفی بهبود بخشند. عواملی مانند حلقه‌های اتصال کوتاه در انتهای روتورها، مواد مختلفی که در ساخت گوه‌های شیار بکار برده می‌شوند. تغییراتی در طراحی سیم پیچ‌های میراکننده در شیار‌های سیم پیچ و حلقه‌های نگهدارنده انتهایی و اثرات میراکننده روی قطب مورد ارزیابی قرار گرفته است و هنگامی که بهبود‌هایی بدست می‌آید این روش‌هارا در طراحی بهینه ماشین منظور می‌دارند.

در شرایط اتصالی نامتقارن، گرم شدن کوتاه مدت ژنراتور مورد توجه است، زیرا در این حالت تلف گرمایی ناچیز بوده و گرمای ایجاد شده کلاً در ظرفیت حرارتی روتور ذخیره خواهد شد.

 

منبع: آرش نیکنام