انرژی باد
فهرست مطالب
فصل اول 4
مقدمه 4
1-1- مقدمه 4
2-1- تاریخچه انرژی باد در جهان 4
3-1- تلاش برای تسخیر دریا 5
4-1- وضعیت کنونی بهره برداری از انرژی باد در جهان 5
1-4-1 نداشتن هزینه اجتماعی: 6
2-4-1 اثرات زیست محیطی: 6
3-4-1- اثرات گلخانه ای 6
5-1 اهمیت و لزوم بکارگیری انرژی باد از بعد اقتصادی 7
6-1 بحران انرژی 8
فصل دوم: 9
استفاده از انرژی باد 9
1-2 استفاده از انرژی باد 10
2-2 سرعت وصل 11
3-2 سرعت اسمی 11
4-2 سرعت قطع 11
5-2 – حد بتز 11
6-2 – بررسی کمی سیستمهای مبدل باد 12
فصل سوم:معرفی انواع توربین های بادی- ساختار الکتریکی مکانیکی 16
1-3- سیستم های انرژی باد 17
2-3- طرح های اصلی توربین های بادی 17
1-2-3- توربین نوع محور افقی 18
2-2-3- توربین نوع محور عمودی 18
3-2-3- توربین های تکمیل شده 18
1-3-3- پره های توربین 19
2-3-3- طراحی کششی 19
3-3-3- طراحی بر اساس نیروی بالا برنده 19
4-3-3- نسبت سرعت نوک پره 20
5-3-3- طراحی کششی 20
6-3-3- طراحی بر اساس نیروی بالا برنده 20
7-3-3-شفت سرعت پایین 21
8-3-3- جعبه دنده 21
9-3-3- شفت سرعت بالا 21
10-3-3- ژنراتورها 21
11-3-3- کنترل کننده مکانیکی 21
12-3-3- سیستم هیدرولیک 21
13-3-3-قسمت خنک کننده 21
14-3-3- تنظیم کننده گام و زاویه پره 21
15-3-3- دستگاه جهت یاب 21
16-3-3- محفظه توربین 22
17-3-3- مکانیزم چرخش 22
18-3-3-باد سنج و بادنما 22
1-18-3-3- کنترل شیب توربین های بادی 23
2-18-3-3- سیستم ایستایی کنترل توربین های بادی 23
19-3-3- سیستم کنترل ایستایی فعال توربین های بادی 23
20-3-3- سیستم کنترل و فرمان 24
21-3-3-سیستم سنکرونیزاسیون 24
22-3-3-دستگاه هیدرولیکی مبدل فرکانس 24
23-3-3- سیستم توزیع الکتریکی 24
24-3-3- سیستم ارتباطات و کنترل 25
25-3-3- سازه های نگهدارنده توربین بادی 25
1-25-3-3- توربین های بادی کوچک: 25
2-25-3-3- توربین بادی بزرگ 25
4-3- سازه نگهدارنده توربین بادی 26
1-4-3- سازه های خودایستا: 26
2-4-3- سازه های به صورت خرپایی 27
3-4-3- سازه های به صورت پوسته فلزی 27
4-4-3-سازه های بتنی 28
5-4-3- سازه های مهار بندی شده: 28
5-3- ضوابط طراحی ساده 28
6-3- سیستم های کنترل دور در توربین های بادی 29
7-3- ترمز های مکانیکی 32
8-3- نتیجه گیری 33
فصل چهارم:ژنراتور نیروگاه بادی 34
1-4- ژنراتور مغناطیس دائم با اینورتر منبع جریان برای توربین های سرعت متغیر 35
2-4- ژنراتور سنکروه با اینورتر 35
3-4- ژنراتور با قطب برنامه ریزی شده برای توربین های سرعت متغیر: 36
فصل پنجم:بررسی سیستم های مبدل باد به انرژی الکتریکی 38
1-5- مقدمه 39
2-5 سیستم انتقال 41
3-5 مبدل الکتریکی 42
فصل ششم:سیستم آسنکرون 46
1-6- سیستم های آسنکرون 47
2-6- ژنراتور DC شنت با بار باتری 49
3-6- ژنراتور کمپوند اضافی 53
4-6- ژنراتورسنکرون 54
5-6- ژنراتورهای Ac 65
6-6- ژنراتور القایی خود تحریک 67
7-6- ژنراتور مدولاسیون میدان 78
8-6-ژنراتور راسل 81
فصل هفتم:مبدلهای الکتریکی 84
1-7- مبدلهای الکترونیکی 85
2-7-مبدل DC/AC 85
3-7- اینورتر سه فاز برای تغذیه موتورآ سنکرون 86
4-7- مبدلهای AC/DC 87
5-7- مبدلهای الکتریکی توربین باد در سرعت ثابت 88
6-7- اتصال نیروگاه های بادی به شبکه سراسری 88
فصل اول
مقدمه
1-1- مقدمه
استفاده از منابع انرژی فسیلی و هسته ای، مستلزم هزینه زیاد و افزایش آلودگی محیط زیست و عوارض مخرب ناشی از آن است، از این رو با بروز پدیده بحران انرژی در دنیا و از طرف دیگر پیشرفت تکنولوژی تبدیل انرژی باد، به انرژی الکتریکی که به کاهش قیمت آنها منجر شده، استفاده از انرژی باد اجتناب ناپذیر شده است. سیستم های مبدل انرژی باد، به انرژی الکتریکی از سال 1975 به شکل تجاری و در سطح وسیع در دنیا مورد استفاده قرار گرفته اند. هم اکنون با پیشرفت تکنولوژی میکروکامپیوترها و نیمه هادیهای قدرت امکان استفاده از سیستم کنترلی مدرن و در نتیجه تولید قدرت الکتریکی با کیفیت بالا از نیروی باد ایجاد شده است. تجربه نصب و راه اندازی نیروگاههای بادی در کشورهای صنعتی، به خصوص آمریکا و دانمارک نشان داده است که هزینه این سیستم ها قابل مقایسه با هزینه روش های سنتی و متداول تولید انرژی الکتریکی می باشد.
تامین انرژی الکتریکی برای بارهای شبکه با کیفیت بالا و تولید وقفه نیروی برق هدف اصلی یک سیستم قدرت می باشد. برای بالا بردن کیفیت انرژی الکتریکی نیاز است. کمیت های مختلف سیستم قدرت مانند راه اندازی از مدار خارج نمودن، بهره برداری در شرایط توان ثابت و…. کنترل شود. با توجه به ماهیت تغییرات سرعت باد در زمان های مختلف ایجاد شرایط کنترل برای سیستم های قدرت شامل مبدل های انرژی باد به الکتریکی حائز اهمیت می گردد. اجزاء مختلف یک سیستم قدرت بادی شامل: توربین بادی، ژنراتور، کنترل کننده زاویه گام پره و سیستم تحریک می باشد. که هر یک از این اجزاء انواع مختلف داشته و در مدل های مختلف براساس نیاز ساخته می شوند. لذا با توجه به موقعیت جغرافیایی ایران و اهمیت انرژی های تجدیدپذیر به این موضوع پرداخته می شود.
باد رایگان است بشر از عهد باستان این نکته را به خوبی دریافته است و آسیاب بادی را ساخته است تا آب چاهها را بیرون بکشد و غلات را آرد کند. امروزه آسیابهای بادی دیگر منسوخ شده اند و جای خود را به مولدهای بادی داده اند که الکتریسته تولید می کنند. بهترین جا برای تاسیس مولدهای بادی سواحل دریا و تپه ها هستند. در این نقاط باد شدیدتر و منظم تر از نقاط دیگر می وزد. (برای تولید الکتریسته سرعت باد باید به طور متوسط 5 متر بر ثانیه، یعنی 18 کیلومتر در ساعت باشد.) اما باد این عیب بزرگ را دارد که فقط بعضی روزها و بعضی ساعات می وزد. اگر فقط به انرژی باد اتکا کنیم، به سرعت دچار کمبود الکتریسته
می شویم. پس راه حل چیست؟ راه حل این است که با استفاده از باتریها الکتریسته ای را که در ساعات بادخیز تولید شده است، ذخیره کنیم. راه دوم این است که مولد بادی را با موتوری که با سوخت کار می کند همراه سازیم. و در واقع یک گروه الکترون بوجود می آوریم. به این ترتیب می توانیم وقتی که باد نیست از الکتریسته ای که ماشین دوم تولید می کند استفاده کنیم. در حال حاضر در بسیاری از کشورهای در حال توسعه یا نقاط دور افتاده ای که برق رسانی به آنها ممکن نیست ازجمله در آرژانتین، استرالیا، آفریقای جنوبی … موادهای بادی می توانند نیاز یک مزرعه، چند خانه یا روستا را به برق تامین کنند. در اوایل قرن 14 میلادی بهره برداری گسترده از آسیابهای بادی در اروپا رایج گردید. اروپائیان بعدها روتور آسیابها را به بالای برجی انتقال داده اند که از چندین طبقه تشکیل می شود. نکته حائز اهمیت درباره آسیابهای مذکور آنست که پره ها بطور دستی در جهت باد قرار داده می شوند و این امر به کمک اهرم بزرگی در پشت آسیاب صورت می گرفت. بهینه سازی انرژی خروجی و حفاظت آسیاب در برابر آسیب دیدگی ناشی از بادهای شدید با جمع کردن پره های آن صورت می گرفت. نخستین مولدهای بزرگ به منظور تولید الکتریسته سال در اوهایو توسط چارلز براش ساخته شد. در سال 1888 ابداع انواع مولدهای بادی در مقیاس وسیع در 1930 در روسیه با ساخت ژنراتور بادی 100 کیلو واتی آغاز شد. طراحی روتورهای پیشرفته با محور عمودی در فرانسه توسط داریوس در دهه 1920 آغاز شد. از میان طرحهای پیشنهادی داریوس مهمترین طرح، روتوری است با پره های ایرفویل و انحنا دار که از بالا و پایین به یک محور عمودی متصل می شوند. در این زمینه، ابداعات دیگری صورت نگرفت و این طرح در سالهای اخیر به نام توربین داریوس مورد توجه قرار گرفته است. توسعه صنعت توربین های بادی، بسیار سریع بوده و در حال پیشرفت است. از ابتدای دهه 1980 تاکنون ظرفیت متوسط توربین بادی از 15 کیلو وات تا 8 مگا وات ارتقاء یافته است. مجموع ظرفیت نصب شده توربین های بادی در جهان به بیش از 25000 مگا وات بالغ می گردد. بنا بر محاسبات انجام شده، از باد در جهان
می توان 105-Ej (هر Ej ژول) برق گرفت و آنچه در عمل بدست می آید. Ej است و پیش بینی شده است تا 2020 میلادی 10 درصد از برق کل جهان از انرژی باد تولید خواهد شد. این صنعت همچنین باعث ایجاد 7/1 میلیون شغل می شود.
2-1- تاریخچه انرژی باد در جهان
انرژی باد از انواع قدیمی انرژی است که از بدو پیدایش کره زمین در آن وجود داشته و با پیشرفت جوامع انسانی مورد استفاده قرار گرفته است. کهن ترین دستگاههای مبدل باد در خاورمیانه، برای تهویه منازل بکار رفت که هنوز هم در بعضی شهرهای کویری ایران نظیر یزد بنام بادگیر از آن استفاده می شود. اولین توربین های بادی یا مبدل های انرژی باد به انرژی جنبشی در ایران شکل گرفت و کمی بعد در عصر حمورابی پادشاه بابل در عراق نیز گسترش یافت. نمونه های اولیه این توربین ها از محور عمودی استفاده
می کردند و دارای 4 پره بودند.
استفاده اصلی این توربین ها در آرد کردن غلات بود در 3 قرن قبل از میلاد، مصریها نمونه ای از توربین با محور افقی و 4 پره را ابداع کردند و بوسیله آن، هوای فشرده جهت ساختن ارگ در مراسم مذهبی را تامین کردند. آسیاب بادی در قرون وسطی در ایتالیا، پرتغال و اسپانیلا ظاهر شد و کمی بعد در انگلستان، هلند و آلمان نیز بکار برده شد. این ماشین ها می خواستند آب را به ارتفاع 5 متر پمپ نمایند. حتی از آن برای استخراج روغن از دانه های روغنی نیز استفاده کردند و بعدا انرژی باد علاوه بر خشکی در دریا نیز برای پیشبرد کشتی ها استفاده شد.
3-1- تلاش برای تسخیر دریا
در اروپا مولدهای بادی بیشتر برای تولید الکتریسته "پاک" که در شبکه های سراسری تزریق می شود مورد استفاده قرار می گیرند. تاسیس مولدهای بادی در خشکی گاهی سبب اعتراض هایی می شود (حمایت از پرندگان و محیط زیست) برای اجتناب از این گونه دردسرها، بهتر است که پیش از نصب مولد های بادی مطالعات لازم را انجام دهیم.
همچنین بایستی موقعیت نصب مولدهای بادی، در معرض راه پرندگان مهاجر قرار نگیرد. حال که نصب این مولدها در خشکی مشکلاتی دارد، پژوهشگران متوجه دریاها شدند. مثلا کشور دانمارک با نصب مولدهای بسیار عظیم در مناطق کم عمق سواحل خود نمونه بسیاری خوبی را ارائه داده است (دکل این مولدهای بادی 90 متر و طول متغیرهایش 40متر است.) آلمان، بلژیک، ایرلند هم به پیروی از دانمارک قصد دارند که با ایجاد پارک های بزرگ و نصب ژنراتورهای بادی در آنها به اندازه نیروگاه های معمولی الکتریسته تولید کنند. امروزه مولدهای بادی را در مناطق کم عمق دریاها کار می گذارند.
4-1- وضعیت کنونی بهره برداری از انرژی باد در جهان
نیروگاههای بادی در سراسر جهان به سرعت در حال گسترش می باشند. به طوریکه انرژی باد در میان دیگر منابع و گزینه های انرژی عنوان سریع الرشدترین صنعت را به خود اختصاص داده اند. نرخ رشد این صنعت در سال 2001 میلادی سالانه 35 درصد و در سال 2002 میلادی سالانه 28 درصد گزارش شده است. در پایان سال 2002 میلادی کل ظرفیت نصب شده جهان به 22400 مگاوات رسیده که در این میان آلمان، اسپانیا، آمریکا، دانمارک و هند سهم بیشتری دارند. تا پایان 2002 میلادی این 5 کشور روی هم 26000 مگا وات یعنی 84 درصد از ظرفیت نصب شده در جهان را در اختیار داشته اند.
کل سرمایه در گردش صنعت انرژی باد در سال 2002 میلادی 7 میلیارد یورو بوده است. هر کیلو وات برق 1000 دلار هزینه دارد که 750 دلار آن به هزینه تجهیزات و مابقی به هزینه های آماده کردن سایت، نصب، راه اندازی و نگهداری مربوط می شود. در چند سال اخیر با بزرگ شدن سایز، توربین های تجاری، قیمت سرمایه گذاری آنها کاهش یافته است. صنعت انرژی باد منافع اقتصادی و اجتماعی مختلفی دارد که مهمترین آنها عبارتند از:
1-4-1 نداشتن هزینه اجتماعی:
این هزینه ها در تمام گزینه های متعارف انرژی (مانند منابع فسیلی) وجود دارند، اما با وجود هزینه های قابل توجه در بررسی های اقتصادی لحاظ نمی شود. انجمن انرژی باد در جهان (W.W.E.A) هزینه ها را به کوه یخی تشبیه کرده است. که حجم عظیم آن زیر آب است! کاهش اتکا به منابع انرژی وارداتی: در کشورهایی مثل ایران که می توان به این موضوع از جنبه افزایش صادرات نفت نگاه کرد.
2-4-1 اثرات زیست محیطی:
در جوامع بشری توسعه با بکار گیری انرژی بیشتر، میسر می گردد و بدین ترتیب انسان خصوصیات فیزیکی، شیمیایی، بیولوژیکی اجتماعی و سنتی محیط زیست و منطقه ای نقش مهمی را به عهده دارد و کسب اطلاع از میزان اثر بخشی انواع مختلف انرژیهای مورد استفاده بر سلامت محیط زیست و موجودات زنده، وضع مقررات و استانداردهای زیست محیطی جهت کاهش آثار زیانبار همچنین استفاده از تکنولوژی و فن آوری مناسب جهت کنترل آلودگی و از همه بهتر جایگزینی انرژی تجدید شوند و پاکیزه به جای انرژی های آلاینده و تجدید ناشونده شاید بتوان آینده ای پاک را برای انسانها به ارمغان آورد.
با پیدایش نوآوریهایی در زمینه تولید انرژی مناسب برای هر کار خاص می توان مانع از ضایعات زیست محیطی و آلودگی هوا و … شد. احتراق سوختهای فسیلی موجب ورود حجم عظیمی از اکسیدهای سولفور، نیتروژن، مونوکسیدکربن و دی اکسید کربن در هوا می شود. میزان انتشار آلاینده ها فوق به ترتیب به نوع سوخت و همچنین مکانیزم های بکار گرفته شده در کنترل آلودگی بستگی دارد. آلودگی هوا می تواند به شکل مه- دود، باران اسیدی و ذرات معلق پدیدار گردد. واکنش های هیدروکربن ها و اکسیدهای نیتروژن در حضور تشعشعات فرابنفش موجب تولید ترکیبات سمی می گردد که در نهایت سلامتی و حیات انسان، جانوران و به طور کلی اکوسیستم را در معرض خطر قرار خواهد داد.
3-4-1- اثرات گلخانه ای
از بعد دیگر سوختهای فسیلی موجب بالا رفتن درجه حرارت اتمسفر و افزایش میزان در دراز مدت شاهد افزایش درجه حرارت کره زمین، ذوب یخهای قطبی، بالا آمدن سطح آبها، به زیر آب رفتن مناطق ساحلی خواهیم بود. چنانچه گفته شد در دهه های اخیر همگام با صنعتی شدن جوامع پیشرفت های سریع تکنولوژی به علت استفاده بیش از حد از منابع انرژی تجدید ناپذیر (سوختهای فسیلی)، بشر به فکر دستیابی به منابع بهتر و مطلوبتر انرژی افتاده است. در این بخش ما به انرژی تجدید پذیر باد می پردازیم.
5-1 اهمیت و لزوم بکارگیری انرژی باد از بعد اقتصادی
بازارانرژی یک بازار رقابتی است که در آن تولید برق در نیروگاههای بادی در مقایسه با نیروگاه های سوختهای فسیلی برترهای نوینی را پیش روی کاربران قرار داده است. از برتریهای نیروگاه بادی اینست که در طول مدت زمان، عمر خود، سالهای زیادی را بدون نیاز به هزینه سوخت، تولید خواهد کرد. در حالیکه هزینه دیگر منابع تولید انرژی در طول این سالها افزایش خواهند یافت. فعالیت های گسترده بسیاری از کشورهای جهان برای تولید الکتریسته از انرژی باد، سرمشقی برای دیگر کشورهایی است که در این زمینه راه درازی را در پیش دارند. بسیاری از مناطق اقتصادی در حال رشد در منطقه آسیا واقع شده اند. و اقتصاد رو به رشد کشورهای آسیایی از جمله ایران باعث شده تا این کشورها بیش از پیش به تولید الکتریسته احساس نیاز کرده و اقدام به تولید الکتریسته از منابع غیر فسیلی کند. افزون بر این موارد؛ نبود شبکه برق سراسری در بسیاری از بخش های روستایی نیز مهر تاییدی بر سیستم های تولید انرژی زده است. پس در خصوص دورنمای آینده اقتصادی استفاده از انرژی باد در ایران می بایست گفت استفاده از این انرژی موجب صرفه جویی فرآورده های نفتی به عنوان سوخت می شود. صرفه جویی حاصل در درجه اول موجب حفظ فرآورده های نفتی گشته که امکان صادرات و مهم تر اینکه تبدیل آن به مشتقات بسیار زیاد پتروشیمی با ارزش افزوده بالا را فراهم می سازد. در درجه دوم تولید الکتریسیته از این انرزی فاقد هر گونه آلودگی زیست محیطی بوده که همین عامل کمک شایانی به حفظ طبیعت سالم محیط زیست بشری کرده و در نتیجه مسیر برای نیل به توسعه پایدار اقتصادی اجتماعی فراهم می گردد. گسترش نیروگاه های بادی در راستای کاهش بهای تمام شده برق تولیدی افزایش چشم گیری نشان می دهد. به گونه ای که بهای هر کیلووات ساعت برق تولیدی از 40 سنت در سال 1990 به حدود 6 سنت در سال 2002 رسیده است. عدم مصرف سوخت، هزینه کم راهبری، تعمیر و نگهداری و آلوده نکردن محیط زیست از مزایای نیروگاه های بادی است. لازم به ذکر است به طور متوسط برای هر کیلووات ساعت برق تولیدی نیروگاه بادی حدودا 28/0 متر مکعب گاز طبیعی با آهنگ جهانی 4 سنت بر متر مکعب صرفه جویی می شود.
بهره برداری از انرژی باد در تولید برق، به ویژه ظرفیت های چند مگاواتی تنها روش اقتصادی تولید در مقایسه با دیگر روش های تولیدی، مبتنی بر انرژی های بازیافت پذیر( خورشیدی، بیوماس، زمین گرمایی، امواج و سلول ساختی) است. لازم به ذکر است افزایش سهم انرژی های بازیافت پذیر در تولید توان الکتریکی، از سیاست های راهبردی میان مدت و بلند مدت بسیاری از کشورهای جهان است. گسترش نیروگاه های بادی در بسیاری از کشورها، نیازمند حمایت های مستقیم و غیر مستقیم دولتی است. در ایران نیز علی رقم این که مشاهده می شود با در نظر گرفتن هزینه های خصوصی نیروگاه های بادی و فسیلی، توسعه نیروگاه های بادی برای تولید برق هم اکنون کاملا اقتصادی نیست و در حال اقتصادی شدن است، ولی اگر هزینه های اجتماعی نیروگاه های فسیلی که در برگیرنده اثرات منفی است مبنای مقایسه قرار گیرد هزینه تولید در مولدهای بادی کمتر از فسیلی خواهد بود و برق حاصل از آن می تواند به عنوان یک انرژی پایدار در توسعه پایدار اقتصادی- اجتماعی کشور مورد استفاده قرار گیرد. استفاده از انرژی باد در ایران علاوه بر عمران و آبادی موجب ایجاد مشاغل جدید شده و بالاخره با بومی سازی فناوری انرژی باد اقتصاد کشور رشد بیشتری خواهند یافت. طبق بررسی های اینترنتی قلم سبز ایران: با تبدیل نیروگاه های گازی به بادی، سالانه 805 هزار مترمکعب گاز صرفه جویی می شود. بررسی های سازمان انرژی های نو نشان می دهد یک توربین بادی با ظرفیت 660 کیلووات، توانایی تولید 2 میلیون و 300 هزار کیلووات ساعت انرژی را در سال داراست. با جایگزین کردن توربین های بادی، سالیانه یک هزار و 140 تن در میزان آلاینده ها کاهش ایجاد می شود. این گزارش حاکی است، قیمت هر کیلووات ساعت برق تولیدی توسط نیروگاه بادی 308 تا 440 ریال است و این در حالی است که با در نظر گرفتن قیمت واقعی سوخت، قیمت واقعی هر کیلووات ساعت برق تولیدی نیروگاه گازی 510 ریال است. به دلیل پائین بودن دستوری قیمت گاز طبیعی در ایران و پرداخت یارانه ای گزاف به این حاصل انرژی، قیت تمام شده برق تولیدی با استفاده از گاز طبیعی یارانه ای به 150 ریال در هر کیلووات میرسد. واقعی نبودن قیمت ها سبب شده است سرمایه گذاری برای تبذیل نیروگاه های گازی به بادی فاقد صرفه اقتصادی باشد. یکی از مواردی که در دیدگاه اقتصاد انرژی حائز اهمیت است این است که تامین برق از طریق شبکه های توزیع به مناطق دورافتاده پرهزینه و گران است. در این بین مناطق جزیره ای و ساحلی که از شبکه اصلی دور بوده و در آنها میزان سرعت وزش باد مناسب باشد استفاده از توربین های بادی به عنوان محرک مکانیکی ژنراتورهای الکنریکی اهمیت ویژه ای یافته است. طبیعت غیر دائمی و سرعت متغیر باد ، تغییرات قدرت خروجی ژنراتور را به دنبال خواهد داشت. لذا این امر کاربرد این سیستم را برای مصرف کننده ها مشکل می سازد.
6-1 بحران انرژی
امروزه استفاده از انرژی های الکتریکی جهت تامین تقاضای مصرف کننده ها اهمیت شایانی یافته است به گونه ای که عرضه و تقاضای انرژی در جهان به صورت یکی از مهم ترین مسائل روز درآمده است. با توجه به این که انرزی های فسیلی از جمله نفت و گاز و زغال سنگ مسائل و مشکلات متعددی را دارند. لذا چرخ تمدن بشری که بستگی مستقیمی به انرژی دارد با مشکل روبرو خواهد شد. این امر سبب گردیده که کشورهای توسعه یافته صنعتی با جدیت هر چه تمام تر جهت استفاده از انرژی های موجود در طبیعت اقدام کنند. نظر به این که دانشمندان و محققین از نایابی سوخت های فسیلی در اوایل قرن 21 خبر می دهند و ذخایر نفتی تا چند دهه ی دیگر بیشتر باقی نخواهند ماند، قبل از فرا رسیدن بحران انرژی لازم است که پژوهشگران به بررسی و تحقیق در خصوص استفاده از انرژی های زوال ناپذیر یا تجدید شونده مانند باد بپردازند. وابستگی سیستم های تیدبل انرژی سوخت های فسیلی مانند نیروگاه های حرارتی به مواد خام انرزی زا مانند نفت و یا گاز طبیعی بسیار روشن است. در حالی که در سال های آتی این ذخایر یا رو به پایان می نهند و یا استخراج آنها با روش های کنونی غیر اقتصادی خواهد بود. ونهایتا این مه موضوع توسعه پایدار به عنوان یک محور اساسی فعالیت های اقتصادی نیز در این ارتباط قابل دقت و بررسی می باشد. توسعه پایدار به این معنا که استفاده از منابع طبیعی از جمله انرژی به نحوی باشد که امکان بهره برداری برای نسل های آینده وجود داسته باشد.
فصل دوم:
استفاده از انرژی باد
1-2 استفاده از انرژی باد
با توجه به این که افزایش سرعت باد موجب چرخش سریعتر توربین می شود. (توربین با سرعت متغیر)، از بادهای با سرعت بالا می توان قدرت بیشتری گرفت. این موضوع منتج به کارایی بیشتر ماشین شده، همانطور که با نیروی اعمالی روی ماشین آلات در این سرعت های بالا کاهش یافته است. این ماشین آلات نیز هم ارزان و هم مطمئن تر می شوند. هم چنین این مسئله موجب برتری توربین های فعلی می باشد. این توربین ها با تولید انرژی 4 برابر تنها دارای هزینه 5/2 برابر هستند.
انرژی باد به گونه ای فزاینده و به دلایل عدیده، جدا از هزینه های رقابتی جدیدش، مورد توجه عموم قرار گرفته است. توربین های بادی می توانند انرژی حقیقی و مگاوات را که در افزایش کارایی انتقال و تثبیت ولتاژ مفید است، تولید کنند. ماهیت آنچه که به وسیله منبع باد توزیع می شود، موجب نزدیکتر شدن مولدها به مراکز مصرف شده، تلفات ناشی از انتقال انرژی از بین می رود. ماهیت مدولار نیروگاه های بادی و سرعت احداث آنها ، یک هدف با ارزش برای انعطاف در طراحی است. از آنجا که سوخت بدست آمده مجانی و منابع باد نیز قابل پیش بینی است هزینه های انرژی باد با اطمینان زیاد قابل پیش بینی و تخمین است، نوسان های تهاجمی سوخت آسیب پذیر نشده و در ضمن قابل دسترس هستند. حال که به نقش تولید الکتریسیته توسط باد پی بردید به این منظور در این بخش سعی شده است تعریفی مختصر در مورد انرژی باد، خواص و خصوصیات آن ارائه شود تا در درک بهتر مطالب آتی کمک کند. لذا جهت اطلاعات کامل تر توصیه می شود به پروژه بررسی اقتصادی بودن کاربرد نیروگاه های بادی برای برقرار کردن روستاهای فاقد برق و دورافتاده استان خراسان-1377 و هم چنین مقاله دکتر گری جانسون مراجعه فرمائید. عموما شرح کامل درباره باد خارج از بحث ما می باشد و فقط به عنوان یادآوری برای علاقه مندان به موارد زیر اشاره
می گردد : 1- بادهای گلوبال 2- باد جیوسترافیک 3- باد سطحی 4- باد منطقه ای 5- قدرت باد 6- نمودار گل سرخی 7- قانون بتز 8- شناخت مسیرهای باد 9- مطالعات آماری باد
موارد فوق را می توانید با مطالعه منابع اصلی و دیگر منابع بیاموزید. مواردی که لازم به توضیح می باشند به صورت زیر خواهد بود.
2-2 سرعت وصل
حداقل سرعت باد است که در آن پره ها به حرکت در آمده و توان مصرفی، تولید می کنند. این سرعت باد عموما بین 7 تا 10 متر بر ساعت می باشد.
3-2 سرعت اسمی
سرعت اسمی می نیمم سرعتی است که در آن توربین بادی توان مصرفی پیش بینی شده را تولید می کند به عنوان مثال یک توربین 10 کیلوواتی تا زمانی که سرعت باد به میزان 25 متر بر ساعت نرسد توان 10 کیلووات را تولید نخواهد کرد. سرعت اسمی برای اغلب ماشین ها در محدوده 25 تا 35 متر بر ساعت است. در سرعتهای باد بین سرعتهای وصل و سرعت اسمی، خروجی توان از توربین بادی با افزایش سرعت باد افزایش می یابد.خروجی بیشتر ماشینها از حد اسمی آن تجاوز نمی کند، از این رو اغلب سازندگان، گرافهایی به نام "منحنی های توان" را ارائه می دهند که این منحنی ها نشان می دهند که چگونه خروجی توربین با تغییر سرعت باد، تغییر می کند.
4-2 سرعت قطع
در سرعت های بسیار بالای باد، عموما بین 45 تا 80 متر بر ساعت، اغلب توربین های بادی، تولید برق را متوقف کرده و از کار می افتند. این سرعت باد که موجب از کار افتادگی توربین می شود به نام سرعت قطع، خوانده می شود. داشتن سرعت قطع، یک ویژگی ایمنی برای عدم خرابی توربین است که از توربین در برابر آسیب احتمالی، محافظت می کند. از کار افتادگی در توربین ، ممکن است به چندین طریق اتفاق بیافتد، در برخی ماشین ها یک ترمز خودکار در چنین مواقعی توسط سنسور سرعت باد، فعال می شود، برخی ماشین ها با پیچاندن یا تغییر دادن زاویه پره ها جریان هوا را از زیر بال به طرف بالا در قسمت نوک ، هدایت می کنند. بعضی دیگر از توربین ها از زائده های سرعت گیر یا بالک های تاشو برای کاستن سرعت، استفاده می کنند که این زائده ها بر روی پره ها یا قطعه مرکزی، سوار شده و به طور خودکار در دورهای بالای روتور فعال می شوند یا به طور مکانیکی توسط فنری که از قبل پیچانده شده (تحت بار قرار گرفته) برای چرخاندن توربین به مسیری غیر از مسیر جریان باد برای از کار انداختن توربین استفاده می شود، پس از آنکه سرعت باد به حالت عادی برگشت معمولا توربین دوباره به حالت عادی به کار خود ادامه می دهد.
5-2 – حد بتز
این حد ، جریان هوایی است که از روی پره ها و از سطح روتور گذشته و سبب کار کردن توربین بادی می شود، توربین بادی با کند کردن سرعت باد، انرژی آن را می گیرد. به طور تئوریکی ماکزیمم مقدار انرژی موجود در باد که می تواند توسط روتور توربین بادی جمع آوری شود تقریبا 59 درصد است. این مقدار به "حد بتز" معروف است اگر بازدهی پره ها 100 درصد بود به دلیل اینکه انرژی هوا توسط پره ها گرفته می شد توربین به طور کامل از کار می افتاد و در عمل بازده گرفتن از انرژی توسط روتور به اندازه 59 درصد نمی رسد. این بازدهی معمولا بین 35 تا 45 درصد است.
یک سیستم انرژی باد کامل ، شامل روتور، جعبه دنده انتقال ، ژنراتور ، انباره و بقیه وسایل که همگی بازدهی پائین تر از ایده آل دارند، (بسته به مدل آن) بین 10 تا 30 درصد کل انرژی موجود در باد را تحویل خواهد داد.
6-2 – بررسی کمی سیستمهای مبدل باد
1-6-2- در سال 1984 در کالیفرنیا یک مزرعه باد با 75 توربین kw 330 و دو توربین kw 750 به شبکه سراسری متصل شده اند که مجموعا توان تولیدی آنها kw 26 است. در ابتدا که سیستم کوچک بود و یک بار محلی را تغذیه می کرد، در توربینهای kw 330 از ژنراتور سنکرون به خاطر کم بودن اغتشاشات قدرت خروجی آن استفاده می شد ولی با بزرگتر شدن سیستم و اتصال آن به شبکه سراسری از ژنراتورهای آسنکرون با ولتاژ v480 استفاده می شد بدون اینکه این مجموعه روی شبکه تاثیر سوء زیادی داشته باشد در عین اینکه قیمت آنها نیز کاهش یافته است . همچنین در همین مزرعه باد در توربین kw 750 نصب شده که در ان ها نیز از ژنراتور آسنکرون با ولتاژ خروجی kv 1/4 استفاده شده است.
2-6-2- در سال 1985 یک توربین بادی داریوس (Darrieus)kw 224 طراحی و نصب شده است که از طریق یک ژنراتور سنکرون 10 قطب ، kw 224، v 1080 ، و HZ 60 و یک مبدل الکترونیکی AC/DC/AC ، از دو مبدل 6 پالسی تشکیل شده که مبدل AC/DC آن ، یکسو کننده دیودی و مبدل DC/AC آن ، اینورتر تریستوری است که عمل تنظیم فرکانسی و کنترل ولتاژخروجی را انجام می دهد. ولتاژ خروجی ژنراتور توسط AVR (Automatic voltage Regulator ) کنترل می شود.
3-6-2- در سال 1985 یک توربین باد محور عمودی با ظرفیت mw 4 طراحی و ساخته شد. مبدل الکتریکی این توربین از ژنراتور سنکرون، مبدل الکترونیک AC/DC/AC به همراه فیلتر ترانسفورمر قدرت در خروجی تشکیل شده است. مشخصات این مبدل به شرح زیر است.
ژنراتور سنکرون :
KVA 4140 ، KW 3726 ، Rpm 25/14 (HZ 24/19) و v 3600 سیستم تحریک ژنراتور سنکرون: یک مبدل الکترونیکی (تریستوری) میدان را تغذیه می کند. ورودی این مبدل ولتاژ vac202 و DC 457 می باشد.
شکل 1-2
4-6-2- در سال 1988 در اسپانیا یک سیستم هیبرید متشکل از یک توربین باد kw 225 و دو ماشین دیزل kva 60 برای تغذیه یک بار محلی طراحی و نصب شد. استراتژی کنترل توربین باد گام متغیر با سرعت ثابت rpm 32/43 بوده و از یک ژنراتور آسنکرون kw 225 استفاده می کند . همچنین دیزل ها از ژنراتور سنکرون kva 75 استفاده می کنند.
مشخصات ژنراتور آسنکرون:
kw225 ، A 400 ، شش قطب با 31/0 = cos که با بانک خازنی kvar5/87 ، جریان خروجی به A345 و ضریب توان به 94/0 تغییر می یابد.
مشخصات ژنراتور سنکرون:
kw50 ، A 100 ، V 400 ، هشت قطب با 72/0 = cos که با بانک خازنی KVAR 25، جریان خروجی به A 80 و ضریب توان به 91/0 تغییر می یابد.
این سیستم سه مد عملیاتی دارد:
الف- فقط دیزلها انرژی تولید می کنند.
ب- دیزل ها و توربینهای باد با هم انرژی تولید می کنند.
پ- فقط توربین باد انرژی تولید می کند.
حالت الف- هنگامی اتفاق می افتد که سرعت باد کمتر از سرعت راه اندازی باشد .
حالت ب – توان اکتیو به توسط توربین باد و ماشینهای دیزل در حالت فوق تحریک تامین می کند.
در حالت پ -دیزل ها از ژنراتور ها جدا می شوند در این صورت یک سیستم کنترل ، با کنترل جریان تحریک ماشینهای سنکرون (که به صورت موتوری کار می کنند) توان راکتیو لازمه را تولید می کند. در صورت نیاز به توان راکتیو بیشتر ، بانک خازنی را وارد مدار می کند. این سیتم چهار نوع بار مختلف با تغییرات متفاوت را تغذیه می کند. بار پیش بینی شده برای این سیستم در یک پریود 24 ساعته است.
5-6-2 – در سال 1989 در آلمان پروژه مزرعه باد SCHLESWAG برای اتصال به شبکه KV 20 ، طراحی و نصب شد در این پروژه از چند نوع توربین باد مختلف با ظرفیت های متفاوت استفاد شده است. در جدول (1-1) و (2-1) نوع مبدل الکتریکی این توربین ها ، توان نامی و ضریب قدرت نامی آنها اورده شده است. ملاحظه می شود که بجز سه توربین KW 330 و KW 55 و KW 25 که از ژنراتور های سنکرون استفاده می کنند و در بقیه موارد ، مبدل الکتریکی فقط یک ژنراتور سنکرون می باشد.
نوع ژنراتور
کل قدرت تولیدی KW
تعداد ژنراتورها
نام ژنراتور
آسنکرون
600
20
Aero man – 125/30
آسنکرون
125
5
Electro mat 25
آسنکرون
275
5
Ener con 16
آسنکرون
330
2
Adler 25
آسنکرون
1000
4
HSW
آسنکرون
1000
5
Vestas -200
آسنکرون
1050
7
Anbonus 150130
آسنکرون
3300
10
Ener con 32
جدول (1-2) انواع ژنراتورهای مورد استفاده
ضریب قدرت
توان نامی
توان نامی KW
ژنراتور
توان ماکزیمم
8/0
21/1
250
HSW 250
9/0
01/1
200
Vestas v25
95/0
05/1
150
An bonus 32
95/0
00/1
330
Ener con 32
جدول (2-2) مشخصات توان ژنراتور های مورد استفاده.
ثابت می شود که در سیستم های سرعت ثابت ، هر چه تعداد ژنراتورهای یک مزرعه باد افزایش پیدا کند اغتشاشات قدرت خروجی کمتر خواهد بود. همچنین نشان داده می شود که در مزرعه باد با ژنراتورهای توان بالا، اغتشاشات قدرت خروجی با نسبت n 8/1 متناسب می باشد که n تعداد ژنراتورهای مزرعه بادی است.
از این جهت در سیستم های بزرگ سعی می شود که توربینها به صورت سرعت ثابت کنترل شوند.
6-6-2- در هلند یک مبدل الکترونیکی AC/DC/AC (KVA 30) برای اتصال به یک ژنراتور سنکرون یا آسنکرون که محور آن با توربین سرعت متغیر چرخانده می شود ساخته شده است. هدف از طراحی این مبدل الکترونیکی ، ایجاد امکان کارژنراتور در رنج وسیعی از سرعت روتور (با تثبیت فرکانس) و همچنین افزایش کیفیت ولتاژ خروجی است. این مبدل یا کنترل خروجی ژنراتور و جریان تزریق شده به شبکه، کیفیت ولتاژ و جریان خروجی و نتیجتاً ضریب توان را بهبود می بخشد. مبدل AC/DC از دو قسمت یکسو کننده دیودی و برشگر افزاینده با سوئیچ IGBT برای کنترل ولتاژ DC خروجی، مطابق شکل (3-1) تشکیل شده است. سوئیچ IGBT دارای تلفات توان کم و سرعت سوئیچینگ بالا می باشد.
مبدل DC/AC یک اینورتر سه فاز، متشکل از سه اینورتر مشابه تکفاز H3 ، H2 ، H1 با 120 درجه فاز بوده که نهایتا به یک ترانسفورمر افزاینده سه فاز متصل می شود.
شکل (2-2) مبدل AC/DC با برشگر افزاینده
شکل (3-2) مبدل DC/AC با ترانسفورمر خروجی
برای کنترل این مبدل دو میکرو کنترلر با قابلیت ورودی و خروجی بالا (مثل DSPها) استفاده شده است یکی برای جمع آوری داده ها از قسمت های مختلف سیستم و دیگری برای صدور فرمان و اعمال آن به مبدل و توربین باد.
در این سیستم، اگر سرعت باد از سرعت نامی بیشتر شود گام توربین قدرت خروجی را محدود می کند و اگر سرعت باد کمتر از سرعت نامی شود با کنترل برشگر ، ولتاژ خروجی تثبیت می شود.
یکی از معایب این سیستم این است که با افزایش قدرت اعوجاج هارمونیکی جریان خروجی به خاطر وجود مسئله EMC (همگونی با تغییرات الکترومغناطیسی Electro magnetic compatibility ) زیاد می شود.
فصل سوم:معرفی انواع توربین های بادی- ساختار الکتریکی مکانیکی
1-3- سیستم های انرژی باد
با توجه به شکل نیروگاه بادی می توان گفت ساختار آن را شرح داد . اصولا توربین ها یا در جهت باد و یا در خلاف جهت باد می توانند قرار بگیرند. برخی مدلها با سرعت متغیر، همراه با افزایش سرعت باد، سریعتر چرخیده ، قادر به دریافت انرژی باد با بازده بیشتر است. یک دستگاه الکترونی قدرت توان حاصل از جریان متناوب اسنکرون با فرکانس متغیر را برای ارسال به خطوط انتقال به توان بالا با فرکانس ثابت تبدیل می کنند . در کاتالوگ های توربین های بادی همیشه محدوده کا رطراحی شده سرعت باد تعیین می شود که عموما 5/4 تا m/s 30 می باشد. در سرعت های بالاتر از این حد پره ها به موازات وزش باد قرار گرفته و همزمان با وزش باد پرپر می زنند و چرخش روتور متوقف می شود.
سیستم الکترونیک قدرت در واقع مبدل فرکانس برق متغیر به فرکانس سنکرون شبکه ، برای تغذیه سیستم است . شکل زیر نمایشگر چگونگی تغییرات خروجی متاثر از سرعت باد برای یک توربین سرعت ثابت بوده ، آنها را با هم مقایسه می کند.
2-3- طرح های اصلی توربین های بادی
قدرت خروجی در برابر سرعت باد برای یک توربین و در مقایسه با توربین بادی سرعت ثابت همانطور که در فصل اشاره شد توربین های بادی در دو نوع عمده طبقه بندی می شوند: محور افقی و محور قائم. یک توربین از نوع محور قائم، حول یک محور عمود بر زمین دوران می کنند. تعدادی از طرح های مربوط به هر دو نوع توربین در دسترس بوده و هر دو نوع ، مزایا و معایب خاص خود را دارد. با این وجود تعداد توربین های موجود در بازار از نوع عمودی نسبت به نوع محور افقی بسیار کم است.
1-2-3- توربین نوع محور افقی
این توربین رایج ترین توربین های بادی است و به دلیل موازی بودن آن با زمین ، محور دوران پره ها موازی با جهت جریان باد است . برخی ماشینها (توربین ها) برای کارکردن در وضعیت رو به باد، طراحی می شوند که در این حالت پره ها در قسمت جلوی برج قرار می گیرند. در این حالت معمولا از یک دنباله پره ای شکل ، استفاده می شود تا پره های توربین را همواره به حالت رو در رو با باد نگه دارد. طرح های دیگر در وضعیت هم جهت کار می کنند تا باد قبل از برخورد با پره ها از برج رد شده باشد. اگر از دنباله پره ای شکل ، استفاده نشود روتور توربین به طور طبیعی در وضعیت هم جهت با باد در مسیر باد قرار می گیرد. در برخی توربین های بادی بسیار بزرگ از یک مکانیزم موتور گردنده استفاده می شود تا بسته به جهت وزش باد که سنسور نصب شده روی برج نشان می دهد، توربین را به چرخش در آورد.
2-2-3- توربین نوع محور عمودی
اگر چه توربین های محور عمودی قرن هاست که وجود دارند ، اما این نوع توربین ها به اندازه توربین های محور افقی رایج نیستند و دلیل این امر آن است که این نوع توربین ها قابلیت قرار گرفتن در برابر سرعت های بالاتر باد در ارتفاعات بالاتر سطح زمین را مانند انواع توربین های محور افقی ندارند. طرح های نوع محور عمودی ، توربین های نوع داریوس با پره های منحنی شکل یا انواع Girmill که دارای پرههای مستقیم بوده و نیز توربین های نوع Sauonius است که از پره های نوع کروی یا محدب برای گرفتن باد استفاده می کنندو توربین های نوع محور عمودی نیاز ندارند که با توجه به جهت وزش باد جهت گیری کنند زیرا شفقت آنها عمودی بوده و جعبه انتقال سرعت و ژنراتور می توانند روی زمین سوار شود که در این صورت امکان سرویس دهی آسان تر و سبک تر شدن وزن سیستم و نیز پایین آمدن هزینه برج فراهم می شود گرچه توربین های بادی نوع محور عمودی این مزایا را دارند ولی در عین حال طرح های بکار رفته در آنها به اندازه طرح های موجود از انواع توربین های نوع محور افقی برای جمع کردن انرژی باد مناسب و کارا نیست.
3-2-3- توربین های تکمیل شده
برخی توربین های بادی ازمایشگاهی دارای سازه های اضافه شده ای هستند که در این نوع توربین ها نوع Augenetor نامیده می شوند و به منظور افزایش حجم بادی که از میان پره ها عبور می کند ساخته شده اند. با این وجود این نوع توربین ها انرژی بدست آمده به میزانی که جبران کننده هزینه حاصل از افزودن امکانات اضافی به آن باشد را افزایش نمی دهند .
3-3- اجزای اصلی یک نیروگاه بادی
یک نیروگاه بادی از بخشهای مختلفی تشکیل شده که عبارتند از :
1- کنترل کننده مرکزی
2- محور زاویه پره
3- توپی پره
4- شفت اصلی
5- خنک کننده روغن
6- گیربکس(جعبه دنده)
7- ترمز متوقف کننده
8- بالانگه دارنده
9- کنترل کننده فوقانی یا مبدل
10- سنسورهای آتراسونیک
11-ترانسفورماتور
12- پره
13- بلبرینگ
14- سیستم قفل روتور
15- دستگاه هیدرولیک
16- فونداسیون ماشین
17- چرخ دنده دورانی
18- اتصال دهنده دیسک مرکب
19- ژنراتور
20- خنک کننده ژنراتور
21- برج
1-3-3- پره های توربین
قسمتی از توربین که انرژی را از باد می گیرد، روتور نامیده می شود روتور معمولا از دو یا چند پره از جنس چوب فایبرگلاس ، یا فلز است که حول یک محور (به طور افقی یا عمودی) با سرعتی که بر اساس سرعت باد تنظیم می شود، می چرخد. پره ها بر اساس شکل آنها روی قطعه مرکزی سوار می شوند که انها هم به نوبه خود روی شفت اصلی سوار می شود. به عنوان مثال در مدل VESTA MW 0/2-80V روتور دارای مشخصات زیر می باشد.
وزن پره ها نیز بسته به ابعاد آن در مولدهای پرقدرت بالای 1000 کیلوگرم می باشد . باد موجب بالا رفتن پره ها و چرخش پروانه و محور آن شده ، مولد برق را به گردش در می آورد. میزان بالا رفتن و چرخش پره ها با وضعیت نصب انها قابل کنترل است. محور فولادی Blade hub پره های پرواز را به محور اصلی مرتبط و موجب انتقال گشتاور می شود.
2-3-3- طراحی کششی
طراحی پره ها بر اساس کشش یا اصل بالا برندگی انجام می شود در اصل طبق نیروی کشش، باد به طور جانبی پره ها را به خارج از مسیر حرکتشان می راند. توربین هایی که براساس نیروی کشش کار می کنند دارای ویژگی سرعتهای چرخشی پائین تر و قدرتهای گشتاوری بالا هستند. این توربین ها برای پمپ کردن، اره کردن یا سنگ زنی مفید ترند و کاری نظیر آنچه که آسیاب های بادی هلندی و انواع مشابه که در مزرعه بکار رفته و موردی که با نیروی اسب کار می کنند، انجام می دهند به عنوان مثال یک آسیاب بادی از نوعی که در مزرعه بکار می رود باید گشتاور شروع بالایی را ایجاد کند تا آب را از یک چاه عمیق ، پمپ کرده و به بالا بفرستد.
3-3-3- طراحی بر اساس نیروی بالا برنده
برای طراحی پره بالا برنده، از اصل مشابه آنچه که هواپیما، کایتها و پرنده ها را قادر به پرواز می کند استفاده شده است. پره اصولا دارای یک مقطع آئرودینامیکی یا یک بال است . وقتی که جریان هوای روی پره و فشار پائینی واقع در سطح پره ، بیشتر و بزرگتر شود، باعث بالا رفتن پره می شود. هنگامی که پره ها روی یک محور مرکزی نظیر روتور یک توربین بادی، سوار شده باشند نیروی بالابرنده ، تبدیل به حرکت دورانی می شود . توربین هایی که از قدرت بالا برندگی باد برخوردارند. سرعتهای دورانی بالاتری از انواع پره های که بر اساس نیروی کشش کار می کنند و لذا برای تولید برق مناسب ترند.
4-3-3- نسبت سرعت نوک پره
سرعت نوک پره عبارت است از نسبت سرعت دورانی پره به سرعت باد که هر چه این نسبت بزرگتر باشد در یک سرعت مشخص باد، روتور توربین بادی دوران تندتری خواهد داشت. برای تولید برق به سرعتهای دورانی بالایی نیازمندیم . توربین های بادی که بر اساس نیروی بالا برندگی کار می کنند دارای ماکزیمم سرعت نوک (تقریبا برابر با 10) هستند. در حالی که این نسبت برای توربین هایی که بر اساس نیروی کشش، کار می کنند تقریبا برابر با یک است . اگر به سرعت دورانی بالا برای تولید برق نیاز باشد ، واضح است که توربین بادی مبتنی بر نیروی بالا برندگی برای این منظور عملی تر برای اینکه یک روتور از نوع hift – type به طور موثری کار کند باد باید به صورت یکنواخت روی پره ها جریان یابد. برای جلوگیری از وقوع اغتشاش در جریان باد، فاصله بین پره ها باید به اندازه کافی بزرگ باشد تا هر یک از پره ها با جریان هوای مغشوش وضعیتی که توسط پره قبلی بوجود آمده مواجه نشود، به این دلیل است که اغلب توربین های بادی، دو یا سه پره بیشتر ندارند. نیروگاههای بادی عمدتاً دارای سه پره هستند ولی به ندرت سیستم هایی با دو پره و تک پره نیز وجود دارد.
5-3-3- طراحی کششی
طراحی پره ها بر اساس کشش یا اصل بالا برندگی انجام می شود. در اصل طبق نیروی کشش، باد به طور جانبی پره ها را به خارج از مسیر حرکتشان، می راند. توربینهایی که بر اساس نیروی کشش کار می کنند دارای ویژگی سرعتهای چرخش پایین تر و قدرت های گشتاوری بالا هستند. این توربین ها برای پمپ کردن، اره کاری یا سنگ زنی مفیدند و کاری نظیر آنچه که آسیاب های بادی هلندی و انواع مشابه که در مزرعه بکار رفته و موردی که با نیروی اسب کار می کنند، انجام می دهند.
به عنوان مثال یک آسیاب بادی از نوعی که در مزرعه بکار می رود باید گشتاور شروع بالایی را ایجاد کند تا اب را از یک چاه عمق، پمپ کرده و به بالا بفرستد.
6-3-3- طراحی بر اساس نیروی بالا برنده
برای طراحی پره بالا برنده ، از اصل مشابه آنچه که هواپیما، کایتها و پرنده ها را قادر به پرواز می کند استفاده شده است. پره اصولاً دارای یک مقطع آیرو دینامیکی با یک بال است. وقتی که جریان هوایی روی پره و فشار پایینی واقع در سطح پره، بیشتر و بزرگتر شود، باعث بالا رفتن پره می شود. هنگامی که پره ها روی یک محور مرکزی نظیر روتوریک توربین بادی، سوار شده باشند نیروی بالا برنده تبدیل به حرکت دورانی می شود. توربینهایی که از قدرت بالا برندگی باد برخوردارند. سرعت های دورانی بالاتری از انواع پره هایی که بر اساس نیروی کشش کار می کنند و لذا برای تولید برق مناسب ترند.
7-3-3-شفت سرعت پایین
شفت سرعت پایین کلاهک روتور را به جعبه دنده متصل می کند. در توربین بادی مدرن مثلاً mw 2 چرخش با سرعت پایین انجام می گیرد، حدود 15 دور در دقیقه می باشد. شفت سرعت پایین دارای لوله های سیستم هیدرولیکی است تا برای فرمان دهی و یا ترمز آیرو دینامیکی از آن استفاده می شود.
8-3-3- جعبه دنده
جعبه دنده شامل شفت سرعت پایین در سمت چپ و شفت سرعت بالا در راست است که سرعت را حدود 50 بار بیشتر از سرعت شفت سرعت پایین به شفت سرعت بالا منتقل می کند.
شما تیک یک مولد بادی، بعنوان مثال در مثال بررسی شده mw 2.0- V80 سرعت چرخش روتور 16.7 rpm که در حدود 0.278 دور در ثانیه می باشد. این سرعت توسط گیر بکس افزاینده حدود 3 و 52 برابر شده، یعنی در قسمت شفت سرعت بالا به اندازه m/s15 خواهیم داشت. یعنی در شفت سرعت بالا سرعتی به اندازه 900 دور در دقیقه خواهیم داشت.
9-3-3- شفت سرعت بالا
شفت سرعت بالا در مدل های مختلف برای سرعت های مختلفی طراحی شده است اما عموماً بین 1200 تا 1800 دور در دقیقه نیرو را به ژنراتور الکتریکی منتقل می کند. این شفت به سیستم ترمز اضطراری مکانیکی دیسکی مجهز است. این سیستم در مواردی که همچون سرویس دستگاه و یا عدم کار کرد صحیح یا قطع سیستم ترمز آیرو دینامیکی مورد استفاده قرار می گیرد.
10-3-3- ژنراتورها
ژنراتور که غالباً آنرا ژنراتور القایی یا آسنکرون می گویند. وسیله ای است که چرخش پره های یک توربین بادی را به برق تبدیل می کند. داخل این قسمت، کویل های سیمی در یک میدان مغناطیسی می چرخند تا برق تولید کنند. طرح های متفاوتی از ژنراتورها وجود داشته که جریان AC و DC تولید کرده و دامنه وسیعی از خروجی های با توان مختلف را به دست می دهند.
اندازه یا نسبت ژنراتور بستگی به طول پره های توربین بادی دارد. چرا که با بزرگتر شدن پره ها، انرژی بیشتری تولید می شود. مهم است که نوع درستی از ژنراتور را مطابق با مورد استفاده دلخواه انتخاب کنیم.
اغلب وسایل خانگی یا اداری با ولتاژ 120 ولت (یا 240 ولت) و فرکانس متناوب 60 یا 50 هرتز کار می کنند. برخی وسایل هم با AC و هم با DC کار می کنند. نظیر چراغ های برق، هیترهای مقاومتی و بسیاری از این وسایل نیز برای کار با جریان DC قابل تنظیم هستند. سیستم های ذخیره انرژی باتری های برق DC را ذخیره کرده معمولاً با ولتاژهای بین 12 تا 120 ولت ساخته می شود. ژنراتورهایی که برق AC تولید می کنند عموماً به ویژگی هایی برای تولید ولتاژ مناسب (240-120) و فرکانس ثابت (60 یا 50 هرتز) حتی برای حالتی که سرعت باد نوسان داشته باشد، مجهزند. یعنی با تغییر سرعت باد نیز فرکانس ثابتی تولید کرده و ولتاژ خروجی تغییر نمی کند.
ژنراتور DC عموماً برای شارژ کردن باتری ها و راه اندازی ماشین آلات و وسایل بکار می روند که با برق DC کار می کنند.
تولید انرژی الکتریکی در مولدهای کوچک از tokw و در مولدهای بزرگ از چند صد کیلو مگاوات تا 2 مگاوات عمومیت دارد و حتی تا توان های 8 مگاوات نیز ساخته شده است. خروجی مولد همراه با سرعت متغیر، تغییر می یابد. انواع ژنراتورهای بکار رفته در نیروگاه بادی و همچنین روش های اصلاح فرکانس در فصل 5 توضیح داده می شود.
نکته قابل ذکر در مورد مولد مذکور این است که از نوع آسنکرون با optispeed و با خروجی طبیعی kw 2000 و فرکانس Hz60/ Hz50 با ولتاژ v690 می باشد.
11-3-3- کنترل کننده مکانیکی
کنترل کننده مکانیکی شامل یک کامپیوتر حالت توربین و مکانیزم چرخش را مراقبت و مونیتورینگ می کند. اگر سیستم بد عمل کند (مثلاً جعبه دنده و ژنراتور از حد مجاز گرم تر شوند) بطور اتوماتیک توربین بادی را می ایستاند و به اپراتور کامپیوتر از طریق سیستم تلفن و دستگاه مودم اطلاع می دهد.
12-3-3- سیستم هیدرولیک
سیستم هیدروبیک وسیله ای است برای reset نمودن ترمز آیرودینامیک یک توربین بادی .
13-3-3-قسمت خنک کننده
قسمت خنک کننده شامل یک فن الکتریکی است که برای خنک نمودن از آن استفاده می شود. در نمونه بهتر خنک کننده روغن است که روغن جعبه دنده را خنک می کند. بعضی از توربین ها دارای خنک کننده آبی ژنراتور هستند.
14-3-3- تنظیم کننده گام و زاویه پره
دستگاه تنظیم کننده گام پره ، قدرت موتور را به وسیله تغییر زاویه، قدرت موتور را به وسیله تغییر زاویه نصب پره کنترل کرده، برای این منظور از یک پیستون هیدرولیکی طول استفاده می شود.
هنگامیکه پره های روتورهای متاثر از نیروی باد هستند. توربین برق تولید می کند. در حالی که پره ها موازی جهت باد قرار گیرند، روتور چرخش نمی کند. از دستگاه تنظیم کننده گام برای راه اندازی توقف توربین استفاده می کنند.
15-3-3- دستگاه جهت یاب
این وسیله، وضعیت جهت یابی را کنترل کرده ، پیشانی توربین را در مقابل باد نگه می دارد. متشکل از تکیه گاه برای دستگاه جهت یاب توربین است. یک سیستم محرک حرکت توربین هنگام تغییر مسیر باد، تک سیستم حساس نمایشگر خطا و یک ترمز مکانیکی برای سرویس سیستم است. سیستم محرک yaw نیز از یک موتور هیدرولیکی، دندانه هلالی و ضربه گیر هیدرولیکی تشکیل شده است. سیستم کنترل yaw از تغییر مسیر توربین هنگام گردش جلوگیری می کند. این موضوع موجب کاهش مشکلات بهره برداری می شود.
16-3-3- محفظه توربین
Nacelle محفظه ای فایبرگلاس بوده، توربین را از عوامل مخرب زیست محیطی شامل، بارندگی، ذرات معلق موجود در هوا و تابش خورشید محافظت می کند به منظور ایجاد تسهیلات سرویس دهی روی پایه دیواره های جنبی محفظه به یکدیگر متصل شده و قابل باز شدن است. برای نمونه تعمیرات به وسیله Nacelle و در روی پایه قابل اجرا است.
17-3-3- مکانیزم چرخش
مکانیزم چرخش سیستمی است با موتور الکتریکی برای چرخاندن کپسول و روتور به سمت باد مکانیزم چرخش توسط کنترل کننده الکتریکی که جهت باد را توسط بادنما بررسی می کند فرمانگیری می شود. معمولاً توربین دارای سیستم چرخش در چند درجه کم را در یک زمان برای تغییر جهت استفاده می کند
18-3-3-باد سنج و بادنما
بادسنج و بادنما وسایلی برای سرعت و تشخیص جهت باد می باشند. سیگنالهای فرستاده شده از بادسنج مورد استفاده سیستم کنترل کننده توربین برای راه اندازی آن هنگامیکه سرعت باد مثلاً m/s5 رسید قرار گیرد.
کامپیوتر به سیستم در هنگامیکه سرعت باد به m/s25 برسد فرمان ایتسادن توربین به جهت جلوگیری از آسیب دیدن توربین را می دهد. و نیز سیگنالهای بادنما مورد استفاده سیستم کنترل برای چرخش توربین بادی به سمت باد توسط مکانیزم چرخش قرار می گیرد. توربین های بادی تولید کننده انرژی الکتریکی تا قدر امکان ارزان طراحی می شوند. توربین های بادی معمولاً برای سرعت باد m/s 15 طراحی می شوند. هیچگاه برای رسیدن ماکزیمم توربین در بادهای قوی هزینه نمی شود، چرا که بادهای قوی نادر و کمیابند.
در مورد بادهای قوی که عموماً بین 45 تا 80 متر بر ثانیه می باشند. اغلب توربین های بادی، تولید برق را متوقف کرده و از کار می افتند. این سرعت باد موجب از کارافتادگی توربین می شود به نام سرعت قطع، خوانده می شود. داشتن سرعت قطع ، یک ویژگی ایمنی برای عدم خرابی توربین است که از توربین در برابر آسیب احتمالی، حفاظت می کند. از کارافتادگی در توربین، ممکن است به چندین طریق اتفاق بیافتد، در برخی شینها یک ترمز خودکار در چنین مواقعی توسط سنسور سرعت باد، فعال می شود. برخی ماشینها با پیچاندن یا تغییر دادن زاویه پره ها جریان هوا را از زیر بال به طرف بالا در قسمت نوک هدایت می کنند. بعضی دیگر از توربین ها از زائده های سرعت گیر یا با لک های تاشو برای کاستن سرعت، استفاده می کنند که این زائده ها بر روی پره ها یا قطعه مرکزی، سوار شده و به طور خودکار در دوره های بالای روتور فعال می شوند یا به طور مکانیکی توسط فنری که از قبیل پیچانده شده (تحت بار قرار گرفته) برای چرخاندن توربین به مسیر غیر از مسیر جریان باد برای از کار انداختن توربین استفاده می شود. پس از آن سرعت باد به حالت عادی برگشت معمولاً توربین دوباره به حالت عادی به کار خود ادامه می دهد. دو نوع مختلف و رایج برای ایمنی توربین های مدرن به صورت زیر وجود دارد.
1-18-3-3- کنترل شیب توربین های بادی
سیستم کنترل اوج توربین مقدار انرژی خروجی توربین را در طول زمان در هر ثانیه چک می کند. هنگامی که قدرت سیستم خروجی بسیار بالا رود این سیستم به پره های توربین دستور می دهد که شیب خود را نسبت به باد از بین ببرند. مشخص است که در صورت پایین آمدن سرعت باد این پره ها به شیب مناسب بر می گردند. این سیستم توسط مکانیزم هیدرولیکی فرمان دهی می شود.
2-18-3-3- سیستم ایستایی کنترل توربین های بادی
در این سیستم پره های روتور در زاویه ای خاص ثابت شده و دیگر نمی چرخند. اینکار احتیاج به سیستم هیدرولیکی دارد که مشکلات زیادی را تولید می کند که می بایستی با مکانیزم آیرودینامیکی توربین کاملاً درگیر شود. هم اکنون بسیاری از توربین های موجود در جهان از سیستم کنترل ایستایی استفاده می کنند.
19-3-3- سیستم کنترل ایستایی فعال توربین های بادی
برای سیستم های بزرگ (MW1) به بالا از روش مکانیزم کنترل فعال استفاده می کنند. این روش شیوه اش شبیه به روش کنترل شیب است. برای بدست آوردن نیروی گشتاور بیشتر از باد کمتر از سیستم کنترل شیب برای بدست آوردن انرژی مورد نیاز از بادهای با سرعت پایین استفاده می شود.
هنگامیکه ماشین به قدرت نامی رسید شما متوجه یک اختلاف مهم در ماشین های کنترل شیب می شوید: اگر ژنراتور حالت اضافه بار پیش آید، ماشین شیب پره ها را برخلاف جهت تعیین شده توسط سیستم کنترل شیب می چرخاند. به بیان دیگر، زاویه حمله پره ها روتور را افزایش می دهد تا ایستایی را بیشتر و عمیق تر کند. بدین ترتیب انرژی باد را به هدر می دهند.
فایده دیگر کنترل فعال ایستایی این است که قدرت خروجی را بهتر و دقیق تر از کنترل ایستایی غیرفعال کنترل می کند، همچنین از نوسان نسبت به قدرت تعیین شده از قبل ناشی از تند باد جلوگیری می کند.
فایده دیگر اینکه تقریباً در تمام بادهای سرعت بالا بطور دقیق از پیش تعیین شده کار می کند. سیستم باد انرژی خروجی اش افت می کند چرا که پره هایش را برای ایستائی بیشتری می چرخاند. مکانیزم شیب معمولاً با هیدرولیک و موتور پله ای فرمان دهی می شود.
20-3-3- سیستم کنترل و فرمان
بخشی از نیروگاه است که تمام عملیات نیروگاه و عوامل مختلف نظیر سرعت و جهت باد، سرعت شفت، ولتاژ و فرکانس خروجی، فشار روغن و ….. را زیر نظر داشته و متناسب با شرایط، فرمان هایی را به عملگرها ارسال می کند. کنترل کننده اکثر نیروگاه های بادی PLC است.
21-3-3-سیستم سنکرونیزاسیون
سیستمی است که به اندازه گیری و اختلاف فاز در نیروگاه و شبکه ، در مواقع مقتضی و مناسب اجازه اتصال نیروگاه به شبکه را صادر می کند.
22-3-3-دستگاه هیدرولیکی مبدل فرکانس
سیستم الکترونیک قدرت، در واقع مبدل فرکانس برق متغیر به فرکانس سنکرون شبکه، برای تغذیه سیستم است. سیستم از ترانزیستور دو قطبی با گیت عایق شده که با فرکانس بالا تولید موج جریان AC کار می کند، تشکیل شده است. برق حاصل از این طریق مورد تایید کامل IEEE-519 است. سیستم های الکترونیکی مورد بحث در مجاورت پایه برج جایگزین شده اند.
هر توربین برق فشار ضعیف تولید کرده ، به وسیله ی سیستم الکترونیک قدرت با فرکانس Hz60 صاف و یکنواخت شده است.
قدرت حاصل از مجموعه 2 تا 3 توربین در ترانسفورماتور به ولتاژ متوسط افزایش یافته، سپس به وسیله ی خطوط انتقال، در ایستگاه نیروگاه بادی متمرکز شده، و در حالی که ولتاژ افزایش می یابد، به شبکه توزیع هدایت می شود. قدرت از طریق یک خط جدید می تواند برای بهره برداری شرکت ها مورد استفاده قرار گیرد.
23-3-3- سیستم توزیع الکتریکی
سیستم توزیع الکتریکی نیروگاههای بادی ترکیبی از سیستمهای فرعی فشار ضعیف و متوسط خواهد بود. سیستم فرعی فشار ضعیف دارای ولتاژ 480 ولت بوده ، شامل کابل های زمینی مرتبط به توربین ها و امکانات پایینی برج به ترانسفورماتور افزاینده خواهد بود. ترانسفورماتور نصب شده ولتاژ پایین را به حد ولتاژ متوسط 5 و 34 کیلو ولت افزایش داده و شامل کلیدی با حفاظت ثانویه 600 ولت، ترانسفورماتور سه فاز افزاینده و کلید قطع و وصل با حفاظت فیوزی اولیه است. توربین های بادی می توانند انرژی حقیقی را که افزایش کارآیی انتقال و تثبیت ولتاژ مفید است، تولید کنند. ماهیت آنچه که به وسیله منبع باد توزیع می شود. موجب نزدیکتر شدن مولدها به مراکز مصرف شده تلفات ناشی از انتقال انرژی را از بین می رود.
اندازه ترانسفورماتورها به وسیله آرایش گروهی توربین ها تعیین می شود. کابل های فشار متوسط برای یک گروه ترانسفورماتور در داخل زمین دایر شده و دارای نقطه اتصال به خطوط هوایی هستند. پایه انتقال در محل اتصال دارای کلید سه فاز نصب شده در بخش فوقانی (با قابلیت قطع از پایین) برقگیری محافظ، اتصالات کابل عایق شده، سیم های رابط (پوشش محافظ کابل) هادی یا مفصل است. خطوط انتقال مزبور در پست فرعی نیروگاه بادی یعنی همان محلی که ولتاژ برای انتقال به شبکه تا kv230 افزایش یافته است، به یکدیگر می پیوندند. تمام تجهیزات، کابل ها توربین های بادی و پایه های دارای یک شبکه فلزی توری اتصال زمین خواهند بود. سیستم یاد شده جریان اتصال زمین، ولتاژهای تماس و گام، اضافه ولتاژها و ضربات صاعقه را به سهولت به زمین منتقل می کند.
24-3-3- سیستم ارتباطات و کنترل
هر توربوژنراتور بادی شامل ارتباط الکترونیکی است که رفتار توربین را به طور پی گیر نمایش می دهد. این سیستم سخت افزار و نرم افزار اختصاصی را مورد استفاده قرار داده و شامل سیستم برق SCADA است. نیروگاه بادی با استفاده از کابل های ارتباطی جدید و شبکه اطلاعاتی تلفنی موجود و کنترل از راه دور تحت مراقبت قرار می گیرد.
سیستم الکترونیکی نشان دهنده برای هر دوربین به جعبه یا تابلو ارتباطات پایین برج متصل خواهد شد از این محل اتصالات ارتباطی در مجاورت خطوط هوایی جمع شده قرار گرفته، خطوط زمینی و هوایی، این خطوط را از داخل ساختمانهای کوچک ارتباطی، برای ارسال از طریق خطوط تلفن به مرکز بهره برداری هدایت خواهند کرد. به این نحو اپراتورها قادر به کنترل و بهینه سازی رفتار توربین ها به صورت هم زمان هستند.
25-3-3- سازه های نگهدارنده توربین بادی
سازه نگهدارنده توربین بادی برای نگهداری ژنراتور و قسمتهای گردنده یا پره های توربین بادی بکار می رود. توربین های بادی از حیث میزان برق تولیدی به دو دسته واحدهای کوچک و واحدهای بزرگ تقسیم می شوند و از این لحاظ با توجه به توان مورد نیاز، طول پره و ارتفاع های متفاوت دارند.
1-25-3-3- توربین های بادی کوچک:
این نوع واحدها را برای توان تولیدی از 50 وات تا 100 کیلووات بکار می برند. ارتفاع سازه آنها بین 9 تا 18 متر می باشد که با توجه به قطر و وزن مجموعه توربین و ژنراتور انتخاب می شود. سازه این توربین ها وابسته به مورد می توان از نوع خودایستا به صورت فلزی یا بتنی ، و یا از نوع مهاری برگزید.
2-25-3-3- توربین بادی بزرگ
این واحدها برای توان تولید از 100 کیلووات به بالا ساخته می شوند. ارتفاع سازه آنها از 20 متر به بالا و طراحی آنها برای سرعتهای بیشتر باد است. وزن تقریبی توربین و ملحقات آن می تواند از 50 تا 300 تن باشد. به عنوان نمونه یکی از محصولات شرکت Vestas به نام V80-2/0mw به صورت زیر خواهد بود.
78m
67m
60m
طول بخش چرخشی
203t/199t
158t/142t
140t/124t
برج
61t
61t
61t
کپسول
37t
37t
37t
روتور
301t/297t
256t/240t
238t/22t
جمع وزن کل
برای نگه داری این توربین ها از سازه های فلزی مخروطی شکل یا بتنی استفاده می شود. سازه نگهدارنده و همچنین پی سازی، قسمتهای ساختمانی پروژه را تشکیل می دهند. در این مقاله ابتدا انواع سازه های متداول را برای نگهداری توربین بادی معرفی و سپس با توجه به بارهای وارده مشخصات فنی این سازه ها را بررسی می کنیم.
4-3- سازه نگهدارنده توربین بادی
سازه های توربین بادی برای نگهداری ژنراتور و قسمتهای گردنده یا پره های توربین بادی به کار می روند و به دو نوع سازه های خود ایستا و سازه های مهار تقسیم می شوند.
1-4-3- سازه های خودایستا:
این سازه ها در انواع مختلف و با سختیهای متفاوت ساخته می شوند و از حیث جنس به دو نوع فولادی و بتنی تقسیم می گردند.
سازه های فلزی، هم برای واحدهای بزرگ و هم برای واحدهای کوچک به کار می روند دو گونه اند.
– ساخته شده از پوسته فلزی
– سازه های بتنی در مورد بعضی از توربین های بزرگ به کار می روند و برای طرح های بزرگ اقتصادی تر ینند.
– به صورت خرپایی
– سازه های مهار بندی شده در این سازه ها نیروهای وارد بر پایه اصلی به چند مهار منتقل می گردد.
عملکرد هر یک از این سازه ها از لحاظ ایستایی تفاوت دارد وابسته به مسائل اقتصادی و در دسترس بودن مصالح نیز می تواند خود عامل تعیین کننده ای برای انتخاب هر یک از گونه های برج باشد. عمر مفید هر یک از این سازه ها را نیز باید طوری در نظر گرفت که مساوی عمر مفید توربین و یا کمی بیش از آن باشد.
سازه های فلزی را می توان با هر ارتفاع و مقاومتی که نیاز باشد ساخت. در مورد سازه های بتنی، مسائل نوع سیمان مصرفی، روش ساخت و بتن ریزی با توجه به موقعیت منطقه مطرح است. به طور کلی استفاده از مصالح فلزی رواج بیشتری دارد. و مصالح بتنی اکثراً از برای واحدهای بزرگ به کار می رود.
پایه ها باید تامین کننده نیاز های زیر باشند.
* بارگذاری و ضرایب اطمینان مطلوب
* مقاومت در مقابل عوامل محیطی و خرابی حاصل از آنها
* مسائل زمین شناختی و توپرگرافی منطقه
* مسائل زیبایی شناختی
اکنون درباره هر یک از اقسام سازه های یاد شده به شرح مختصری می پردازیم.
2-4-3- سازه های به صورت خرپایی
در اعضای سازه خرپایی با مشبک فقط نیروی محوری ایجاد می شوند ک ممکن است به صورت فشاری یا کششی باشند. البته در نتیجه وزن در سازه خمش کمی ایجاد می شود که عملاً از آن صرف نظر می کنند. در ساخت سازه خرپایی برای توربین بادی عموماً از فولاد گالوانیزه استفاده می شود. تا در مقابل زنگ زدگی و خوردگی مقاوم باشد.
سازه خرپایی در مقایسه با سازه های ساخته شده از صفحات فلزی با مقطع دایره ای مساحت بیشتری از زمین را اشغال می کند که البته چون توربین های بادی اغلب در مناطق دور از شهر ساخته می شوند این مسئله اهمیتی ندارد.
3-4-3- سازه های به صورت پوسته فلزی
سازه نگهدارنده توربین بادی را می توان به صورت یک قطعه تو خالی به مقطع دایره ای متغیر یا ثابت ساخت. صفحات فلزی می توانند به صورت جوشی به یکدیگر متصل می شوند. و یا به طرز اتصال تلسکوپی به داخل هم روند که در این حالت برج از قطعات متشکل است که در محل به یکدیگر متصل می گردند. سازه پوسته ای به ملحقات دیگری هم برای نصب و هم برای بهره برداری دائم احتیاج دارد. مثل زائده های مناسب برای نصب نردبان، قفس ایمنی و…..
اتصال پایه، با پیچ صورت می گیرد. بنابراین سازه به توسط صفحه کف ستون به کمک میله های مهار به فونداسیون متصل می شوند.
4-4-3-سازه های بتنی
سازه های بتنی را گاهی برای بعضی از انواع توربین، بادی به کار می برند این سازه ها به دلیل حجم زیاد بتن ریزی و مشکلات خاص خود از قبیل قالب بندی، تهیه و حمل بتن تا محل مورد نظر ، عمل آوردن بتن و غیره برای واحدهای بزرگ اقتصادی ترند. عموماً این پایه ها با مقطع دایره ای هستند و بسته به مورد می توانند با مقطع متغیر و یا ثابت باشند.
پایه های بتنی به دلیل ارتفاع زیاد قابل ساخت در کارگاه و حمل به محل نیستند. بنابراین به دلیل قرار گیری سازه توربین بادی در محل دور از شهر کار تهیه بتن با کیفیت مناسب، قالب بندی تا ارتفاع زیاد، عمل آوری و نگهداری پس از بتن ریزی می توانند مسائل زیادی را به دنبال داشته باشند.
5-4-3- سازه های مهار بندی شده:
سازه های مهار بندی شده از نظر جزئیات مربوط به بدنه برج نگهدارنده توربین همانند برجهای فولادی خود ایستا هستند. اشکال عمده برج های مهاربندی شده نیاز آنها به فضای زیادی برای مهار بندی است همچنین در اثر عوامل مختلف، امکان دارد که مهارها شل شده و به سفت کردن آنها نیاز باشد. تعداد مهارهای برج در هر مقطع معمولاً سه یا چهار عدد می باشد. و در برخی موارد با شش مهار نیز اجرا شده است.
همچنین می توان برج را در چند نقطه از ارتفاع مهار بندی کرد. مهاربندها به عنوان تکیه گاه جانبی برج در برابر بارهای جانبی نظیر با دو زلزله عمل می کنند.
5-3- ضوابط طراحی ساده
در موارد بارگذاری سازه توربین بادی از آنجا که باد دائماً در حال تغییر است، تنشهای مصالح فولادی حتی اگر به حد انحنا نیز نرسد، می توان باعث خرابی مصالح شود که این همان پدیده کم شدن مقاومت در اثر نیروهای تکرار شونده یا خستگی مصالح می باشد. پدیده خستگی حتی اگر شرایط آرمانی هم برقرار باشد به وقوع می پیوندد.
شرایط آرمانی یعنی شرایطی که در آن هیچ گونه تمرکز ناشی از زخم یا شیار بوجود نیاید، مصالح رفتار کاملاً شکل پذیر داشته باشد. تنش به حالت یک محوره و بالاخره طاقت مصالح بالا باشد. شرایط عکس یعنی وجود تمرکز تنش، مصالح ترد و شکننده و تنش محوره باعث کاهش مقاومت خستگی می شود.
ارتعاشات سبب اصل ایجاد خستگی هستند. عوامل زیر باعث ایجاد آن می شوند.
– همراستا ننمودن محور روتور توربین با سرعت باد که باعث می شود بردارهای سرعت برای همه پره ها مشابه نباشند.
– توزیع نامساوی سرعت باد روی سطحی که به توسط پره ها جاروب می شود. (تفاوت بین سرعت های باد در قسمت های بالا و پایین سطح)
– تغییرات ناگهانی سرعت باد.
– نیروهای وزن موثر بر هر پره که نحوه اثر با توجه به محل محور پره و گردش آن تغییر می کند.
– تغییرات جهت باد که باعث می شود محور روتور تغییر جهت بدهد و باعث تنش های در داخل پره ها شود.
با توجه به دلایل فوق و اینکه پره ها سازه های الاستیک هستند. ارتعاش همیشه بوجود می آید. بنابراین طراحی سازه باید به نحوی باشد که ضرایب اطمینان را برای نیروگاه بادی تامین کند. چنانچه گفتیم این ارتعاشات باعث ایجاد خستگی در مصالح برج می شود، یعنی مقاومت مصالح با توجه به بارهای متناوب پایین می آید. هرگونه تغییر ناگهانی در سطح مقطع باعث ایجاد تمرکز تنش و در نتیجه کاهش مقاومت خستگی خواهد شد.
لذا در ساخت بخش هایی که تحت تاثیر خستگی قرار می گیرند باید دقت بیشتری به عمل آید و تبدیل یک مقطع به مقطع دیگر باید تدریجی باشد.
اگر تعداد دور توربین در هر ثانیه n فرض شود. فرکانس تغییرات نیروی وارد بر برج برای توربینهای دو پره ای (که به صورت نیروی محوری وارد می شود) 2n خواهد بود. در طراحی باید از حالتی که بین پریود طبیعی سازه نگهدارنده و پریود بارگذاری پدیده شدید رخ می دهد پرهیز کرد. بنابراین فرکانس طبیعی سازه نگهدارنده را باید چنان برگزیده که با فرکانس تحمیل شده اولی 2n حالت شدید ایجاد نکند. در طراحی قطعات و اتصالاتی که تحت تاثیر تنش های متغیر مکرر ناشی از بارهای زنده واقع می شوند باید به تعداد دفعات تغییر تنش، حدود تغییرات قابل پیش بینی تنش و محل قطعه و دیگر جزئیات توجه داشت.
6-3- سیستم های کنترل دور در توربین های بادی
تغییرات باد و گاهی نوسانات شدید آن همواره موجب ایجاد حالات بحرانی در چرخش روتور توربین های بادی می گردد که این امر وجود یک سیستم کنترل و حفاظت را در توربین های بادی ضروری می سازد. این کنترل شامل کنترل سرعت های بالا به دلیل عدم تامین محدوده عملکرد ژنراتور و همینطور جلوگیری از استهلاک و خرابی احتمالی روتور می گردد. این قسمت به بررسی این گونه سیستم های ترمزی توربین های بادی می پردازد.
1-6-3- در بحث راجع به توربین های بادی و سیستم های تشکیل دهنده آنها اصولاً (کنترل) نقش کلیدی را ایفا می کند. یکی از این کنترل ها، کنترل دور و قدرت توربین بادی می باشد که توسط یکی از عوامل زیر اعمال می گردد.
(الف) کنترل توسط بار
(ب) کنترل توسط پره (ترمز هوایی)
ج) کنترل حالت های اضطراری توسط ترمزهای مکانیکی
در حالت الف و ب عمل کنترل به صورت پیوسته انجام می گیرد. اما آنچه که تحت عنوان ترمز در توربینهای بادی بکار می رود و موجب کنترل سرعت دورانی و در نتیجه قدرت توربین بادی می گردد ترمزهای هوایی و ترمزهای مکانیکی است که شرح آنها ارائه می گردد.
2-6-3- کنترل توسط پره (ترمز هوایی)
یکی از روشهای کنترل دور توربین در حالتهای حدی، استفاده از سیستم ترمز هوایی است. در مبحث ترمز هوایی با کنترل توسط پره، این قسمت تنها به بررسی این سیستم در توربین های محور افقی می پردازد.
1-2-6-3-توربین های محور افقی
عموماً در اینگونه توربین ها، گام پره متغیر یا ثابت است. در صورت متغیر بودن گام پره کنترل دور توربین به دو روش انجام می گیرد.
– کنترل توسط تغییر زاویه گام
– کنترل توسط سیستم ایجاد استال
ولی اگر پره ثابت باشد تنها کنترل دور توسط استال پیش تنظیم شده صورت می گیرد. شرح چگونگی هر یک از این سیتم ها در زیر بیان می گردد.
2-2-6-3-کنترل توسط تغییر زاویه گام
توربین هایی از این سیستم بهره می گیرند که دارای پره های با گام متغیر می باشند. در سرعت های باد کم و متوسط ، زاویه گام پره تقریباً صفر است. با افزایش سرعت باد (به مقداری بالاتر از سرعت عملکرد بهینه توربین)، مکانیزم کنترل موجب افزایش زاویه گام و یا کاهش ضریب نیروی برآورد و در نتیجه گشتاور حاصل از آن می گردد. گرچه این سیستم به علت داشتن مکانیزمی جهت حرکت پره ها، از پیچیدگی بسیار برخوردار است اما دارای مزایایی نیز می باشد که عبارتند از:
– کنترل قدرت خوب
– استهلاک آیرودینامیکی مناسب (به دلیل عدم وجود ارتعاشات)
– کاهش سریع بار
– وارد شدن نیروی کم در حالت سکون توربین
– راه اندازی راحت
– ترمز سر خود بودن
3-2-6-3-کمک به ایجاد استال
در این سیستم نیز دوران پره ها حول محور طولی خود وجود دارد. در این توربین ها، در سرعت های کم و متوسط باد پره در زاویه گام مناسب قرار دارد. اما برای اجتناب از حالت "فوق سرعت شدن" پره چرخیده و با افزایش نیروی پسا موجب استال می شود.
از مزایای این سیستم می توان موارد زیر را نام برد:
– کنترل قدرت خوب
– بارهای کم در حالت سنکرون توربین
– راه اندازی راحت
– ترمز سر خود.
اما این سیستم علاوه بر پیچیدگی و هزینه موجب افزایش بارها در اثر افزایش سرعت باد و ایجاد ارتعاش در اثر بروز استال می گردد.
4-2-6-3- استال تنظیم شده:
در این سیستم ، پره های توربین دارای حرکت حول محور طولی نمی باشد و به بیان دیگر توربین پره ثابت می باشد. در این حالت پیچش و ضخامت مقاطع مختلف پره در طول محور پره طوری تنظیم شده است که سرعت با دو زاویه حمله در اثر افزایش سرعت دورانی روتور افزایش یابد و ضریب بر آوپسا تغییر کرده تا قدرت و یا دور را ثابت نگه دارد. حالت استال در پره های دارای پیچش کمتر در طول این سیستم کنترل سرعت های توربین های بادی بسیار اقتصادی و ساده می باشند. اما دارای معایب زیر نیز می باشند.
– تلفات انرژی
– کاهش استهلاک آیرو دینامیکی (به دلیل ایجاد استال و در نتیجه ارتعاشات)
– وارد آمدن نیروهای زیاد در زمان سکون
– راه اندازی مشکل تر
– نیاز به سیستم ترمز اضافی (برای حالات فوق سرعت شدن)
معمولاً در توربین های بزرگ (با قدرت بیش از 300 کیلو وات) سیستم کنترل دور از نوع کنترل پره ساخته می شود.
7-3- ترمز های مکانیکی
در توربین های بادی علاوه بر ترمزهای مکانیکی نیز استفاده می گردد. ترمزهای مکانیکی در بیشتر مواقع بعنوان ترمزهای حالت های اضطراری عمل می نمایند. بدین معنی که اگر ترمز هوایی نتواند دور را کنترل نماید و یا در اثر عواملی از کار بیافتد سیستم ترمز مکانیکی اضطراری که دارای مداری مجزا و مستقل است، عمل کرده و تور بین را متوقف می سازد. علاوه بر حالت اضطراری ، ترمزهای مکانیکی دیگری جهت توقف های طولانی، به منظور بار ایستادن واحد در سرعت های زیر سرعت راه اندازی و برای توقف واحد بعد از تغییر جهت نیز بکار می روند. می توان گفت که تقریباً تمامی ترمزهای مکانیکی بکار گرفته شده در توربین های بادی از نوع ترمزهای دیسکی می باشند و از ترمزهای کاسه ای و گریز از مرکز به ندرت استفاده شده است.
ترمزهای دیسکی اکثراً در روی محور انتقال قدرت از پره به ژنراتور نصب می گردند. در اثر موارد ترمز دیسکی بر روی محور و بالای جعبه دنده و محور ورودی به ژنراتور نصب می گردد. اما در برخی از موارد زیر در روی محور دور پایین جعبه دنده و ورودی از پروانه به ژنراتور نصب شده است.
1-7-3- ترمز های دیسکی
در این ترمزها، جنس دیسک از چدن است و فشار هیدرولیکی سبب حرکت پیستون گردیده ، گشتاور ترمزی لازم را ایجاد می کنند. اصطکاک لازم جهت، باز ایستادن توربین، از تماس کفشک های ترمز که از جنس فولاد هستند و دارای پوشش اصطلاک می باشند و دیسک ایجاد می گردد.
یکی از مزایای اساسی ترمز دینامیکی کارکرد آن در درجات حرارت بالا است. چون در مقایسه با ترمزهای کاسه ای انبساط دیسک بسیار کم بوده و اثر محسوسی در سیستم ترمز نخواهد داشت.
بایستی سطح دیسک را در مقابل ذرات و آب محافظت نمود. البته این حفاظت نباید جلوی انتقال حرارت دیسک و محیط را بگیرد. عمل نمودن ترمزها توسط سیستم مکانیکی مشکل است و بایستی توسط سیستم هیدرولیک پیستون ها را به حرکت در آورد. لذا وجود یک سیستم هیدرولیک (یانیوماتیک) برای عملکرد ترمزی ضروری است. در توربین های بادی به دلیل بالا رفتن گشتاور معمولاً از چند جمع کننده استفاده می گردد. این مطلب هم در ترمزهای دیسکی محوری دور بالای جعبه دنده و هم در ترمز دیسکی سیستم تغییر جهت صادق است.
2-7-3- مزایای استفاده از ترمزهای دیسکی در توربین های بادی
به طور کلی مزایای ترمز دیسکی در توربین های بادی را می توان در چند مورد خلاصه کرد:
الف: سطوح تحت اصطکاک بجز در کفشک ها در معرض جریان هوا قرار دارند.
ب: در درجه حرارت های بسیار بالا انبساط شعاعی و جانبی خیلی در دیسک حاصل می گردد که روی اثر ترمزی اثر چندان ندارد.
ج: قابلیت انتخاب طیف گستره ای که از مواد، به عنوان مواد پوششی اصطکاکی کفشک ها وجود دارد.
د: بازرسی در تعویض کفشک ها صورت می گیرد.
ه: حساسیت نسبت به تغییر اصطکاک کفشک ها در اثر سائیده شدن کم می باشد.
8-3- نتیجه گیری
همانطور که بیان شد در توربین های بادی از دو نوع ترمز استفاده می گردد. ترمز های هوایی و ترمزهای مکانیکی (دیسکی) سیستم های فرمان دهنده در این ترمزها معمولاً دو سیستم مستقل از یکدیگر می باشند. بدین معنی که هر دو نوع ترمز فوق الذکر، هم توسط فرامین مدار کنترل با اشکال مواجه گردد. سیستم های مکانیکی فرمان ترمز را صادر می کنند. در واقع از سیستم های ترمزی توقف بی خطر استفاده می شود.
فصل چهارم:ژنراتور نیروگاه بادی
1-4- ژنراتور مغناطیس دائم با اینورتر منبع جریان برای توربین های سرعت متغیر
این سیستم با یک ژنراتور 7/4 کیلو وات ، 12 ولت و روتور مغناطیس دائم به طور آزمایشی ساخته شده است و نتایج حاصل از آن با محاسبات روی یک ژنراتور 200 کیلو وات و 100 قطب تایید شده است در این مبدل قیمت اصلی ژنراتور را مغناطیس دائم آن تعیین می کند که نسبتا زیاد است ولی با توجه به عدم نیاز به سیستم کنترل هزینه کل مبدل شامل ژنراتور و مبدل فرکانس می تواند کمتر از یک سیستم ژنراتور آسنکرون و مبدل فرکانس باشد برای تست این سیستم یک موتور DC ژنراتور مغناطیس دائم را به حرکت درآورده ، مبدل فرکانس از نوع CSI با کموتاسیون اجباری بوده و هارمونیک های حاصل از کنترل PWM جریان خروجی توسط فیلتر LC تضعیف شده اند .
مشخصات ژنراتور:
Kw 7/4 ، 12 قطب، rpm 1000 با روتور مغناطیس دائم چگالی فلزی پسماند مغناطیسی آن T 2/1= Br و شدت میدان آن 900= Hc است. ضخامت سیم پیچ آرمیچر 8 میلیمتر و نسبت بین شعاع داخلی و خارجی هسته استاتور 7/0 می باشد.
مشخصات مبدل فرکانس CSI :
سوییچهای آن IGBT با فرکانس سوئیچینگ 5/3 کیلو هرتز است. خروجی CSI به روش PWM کنترل می شود. اندازه خازنها طوری انتخاب شده است که در پیل ولتاژ خروجی آن حداکثر 5/2 درصد باشد. همچنین ضریب توان مبدل با کنترل مبدل فرکانس تنظیم می شود.
2-4- ژنراتور سنکروه با اینورتر
منبع جریان برای توربینهای سرعت متغیر این مبدل قسمتی از پروژه مزرعه باد ایتالیا به نام 60 GAMMA قدرت خروجی آن mw 5/1 بوده و در چند عملیاتی مختلف به شرح زیر قابل بهره برداری است:
الف ) در هنگام راه اندازی توربین، ژنراتور به صورت موتور کار می کند.
ب) کار با ضریب قدرت ثابت (cp ثابت) برای سرعت های باد بین m/s 5 و m/s 5/12 .
پ) کار با گشتاور ثابت برای سرعتهای باد بین m/s 5/12 و m/s 5/13 .
ت) کار با قدرت خروجی برای سرعت های باد بین m/s 5/13 و m/s 27.
برای طراحی مبدل الکتریکی دو سیستم زیر به عنوان بهترین سیستمها انتخاب شده و مطالعات گوناگون روی آن انجام شده است:
1- ژنراتور آسنکرون قفس سنجابی به همراه مبدل فرکانسی CSI که طرف شبکه آن با کموتاسیون خط و طرف ژنراتور آن با کموتاسیون خود بخود کار می کند.
2- ژنراتور سنکرون rpm 1800 با تحریک brushless به همراه مبدل فرکانس CSI که هر دو طرف آن از کموتاسیون خط استفاده می کند.
مطالعات انجام شده نشان داد که سیستم 2 در قدرتهایی در حد چند مگا وات نسبت "قدرت/ هزینه " کمتری دارد و از این سیستم برای ساخت انتخاب شده است.
مشخصات ژنراتور سنکرون:
kvA 2225 ، Hz 60 ، v400 ، قطب با 9/0 = cos سرعت آن از rpm 1200 تا rpm 1800 متغیر است. ولتاژ خروجی ژنراتور ، با توجه به عملکرد بهینه مبدل فرکانس ، v 1200 انتخاب شده است.
مشخصات مبدل فرکانس :
از دو واحد مبدل 6 پالسی تریستوری تشکیل شده است. تریستورها از نوع VDRM/VRRM با ولتاژ 5200 ولت هستند. همچنین ولتاژ خط به خط مبدل v 10 % 1450 و جریان نامی DC آن A 1325 می باشد.
3-4- ژنراتور با قطب برنامه ریزی شده برای توربین های سرعت متغیر:
این ژنراتور یک ماشین الکتریکی با تکنولوژی مغناطیسی سرامیکی قابل برنامه ریزی است. تغییر پیوسته تعداد قطبهای روتور امکان تثبیت فرکانس خروجی را مستقل از سرعت روتور ایجاد می کند. روتور ماشین از مغناطیس سرامیکی ساخته شده که دو مد عملیاتی دارد. "خود تحریک" برای تغذیه بار مستقل و " شبکه تحریک " برای اتصال به شبکه قدرت. استاتور آن شامل یک سیم پیچی سه فاز معمولی و یک سیم پیچ تحریک است. یک نمونه از این ژنراتور در سال 1970 بوسیله J.F.Rossel طراحی و ساخته شده است. فرکانس خروجی این ژنراتور سنکرون معمولی تابعی از سرعت روتور و تعداد قطبها می باشد و چون در ژنراتورهای معمولی تعداد قطبها ثابت است، فرکانس خروجی تابع سرعت روتور بوده و بنابراین اتصال این ژنراتور به توربین سرعت متغیر، فرکانس خروجی نیز متغیر می باشد. ولی در ژنراتور Rossel تعداد قطبها، متناسب با عکس سرعت روتور به طور پیوسته تغییر می کند.
بنابراین فرکانس خروجی در مقدار ثابت باقی می ماند. تغییرات ولتاژ خروجی این ژنراتور بر حسب سرعت روتور در شکل (9-1) آورده شده است که از اتصال آن به یک بار پسیو (بار مستقل از شبکه) بدست آمده است. در این حالت ولتاژ خروجی باید توسط سیستمهای کنترل تنظیم شود.
نتیجه :
معیار اصلی انتخاب مبدل الکتریکی توربین های بادی، در درجه اول قیمت و راندمان آن و در درجه دوم، وزن و حجم و میزان اغتشاش ایجاد شده در شبکه می باشد. در توربینهای سرعت ثابت یا سرعت متغیر با قدرت کم معمولا از ژنراتور مغناطیس دائم با تعداد قطب زیاد یا ژنراتور آسنکرون استفاده می شود که در حالت سرعت متغیر، ژنراتور به یک مبدل الکترونیکی AC/DC/AC متصل می شود. در این حالت کیفیت قدرت خروجی، کاملا به عملکرد این مبدل وابسته است. از این جهت سعی می شود با استفاده از کلیدهای نیمه هادی سریع با تلفات کم، علاوه بر تثبیت دقیق فرکانس خروجی، هارمونیکهای ولتاژ و جریان خروجی کاهش داده می شود.
در قدرتهای بالاتر، به علت راندمان پایین و ایجاد هارمونیک در خروجی، از مبدلهای الکترونیکی استفاده نمی شود و از این رو توربینها عموما سرعت ثابت بوده و از ژنراتور آسنکرون یا سنکرون به تنهایی بسته به قدرت نامی توربین استفاده می شود.
در قدرت های کمتر از حدود KW 750 تقریبا تمامی کمپانیهای اروپایی از ژنراتور آسنکرون به دلیل داشتن مزایایی چون قیمت پایین، سادگی ساختمان و هزینه پایین نگهداری استفاده کرده اند.
در قدرتهای بالاتر از این مقدار، به علتن قسمت پایین تر نسبت به ژنراتور آسنکرون و قابلیت کنترل بیشتر (در نتیجه ایجاد اغتشاش کمتر در شبکه) از ژنراتور سنکرون استفاده می شود.
البته به دلیل امکان کنترل و تنظیم دقیق ولتاژ خروجی در مبدلهای الکتریکی و قیمت پایین سیستم کنترل آن و همچنین راندمان بالاتر توربینهای سرعت متغیر، پیش بینی می شود که در آینده با پیشرفت تکنولوژی مبدلهای الکتریکی، توربینهای سرعت متغیر جایگزین توربین های سرعت ثابت خواهند شد.
فصل پنجم:بررسی سیستم های مبدل باد به انرژی الکتریکی
1-5- مقدمه
در این فصل ابتدا انواع توربینهای بار مختلف از نظر مشخصه خروجی و روشهای کنترل آن بیان می شود. سپس سیستمهای مختلف مبدل انرژی مکانیکی حاصل از توربین، به انرژی الکتریکی بررسی می شود. در انتها نیز اجزاء این سیستمها به طور مستقل، و عملکرد خود سیستم در آرایشهای مختلف(اتصال به شبکه قدرت ، تغذیه بارهای مستقل، کارکرد و در جهت معکوس و….. ) به طور کامل تحلیل شده و پس از مقایسه سیستمهای مختلف، مناسبترین آنها از نظر راندمان، میزان تاثیر بر شبکه، پایداری، هزینه، قابلیت اطمینان و …. معرفی می شود.
سیستم های مبدل انرژی باد به انرژی الکترکی:
شکل 1-5 بلوک دیاگرام کلی این سیستم را نشان می دهد. در این شکل Ng ، Nm ، Cp به ترتیب ضریب قدرت توربین، سیستم انتقال و مبدل الکتریکی می باشد.
شکل (1-5) بلوک دیاگرام کلی مبدل انرژی باد به انرژی الکتریکی
در این قسمت ورودی و خروجی بلوکهای فوق برای انواع مختلف سیستم های موجود بررسی می شود.
توربین باد
ورودی توربین در شکل (1-5) قدرت با Pw می باشد. باد همان حرکت لایه های هوا در جو بوده که در اثر اختلاف دمای سطوح مختلف جدی پدید می آید. مشخصه باد به جغرافیای محل، سطوح مختلف جوی، ارتفاع، دما، فشار و …. بستگی دارد.
اغتشاشات سرعت باد مشخصه تصادفی داشته و با استفاده از روشهای معمولی نمی توان آن را تحلیل کرد. ولی با تکنیک های آماری قابل بررسی می باشد. هدف از تحلیل مشخصه باد، تخمین قدرت باد به فصول سالیانه، برای انتخاب نوع توربین و سرعت نامی بهینه آن می باشد که در نهایت منجر به حداقل شدن هزینه سرمایه گذاری برای مبدل الکتریکی و حداکثر شده مبدل می شود.
قدرت ورودی باد به صورت معادله (1-2) با چگالی هوا سطح مقطع جارو شده پره های توربین A و سرعت لحظه ای باد U بستگی دارد.
(1-5)
قدرت خروجی توربین Pm برابر است با:
(2-5)
Cp ضریب عملکرد یا ضریب قدرت نامیده می شود و پارامتر مهمی در تحلیل عملکرد توربین می باشد. در توربینها سیستمهایی برای کنترل قدرت و سرعت خروجی تعبیه می شود مثلا در یک توربین با گام متغیر، گام طوری تغییر می کند تا CP روی بیشترین مقدار ممکن در سرعت نامی بار ثابت نگهداشته شود.
به طور کلی روشهای کنترل قدرت و سرعت توربین در دو گروه زیر طبقه بندی می شوند:
1- تنظیم قدرت به وسیله کنترل زاویه گام.
2- تنظیم قدرت وسیله عمل سکته1 که در اینجا بررسی نمی شود.
سه روش متداول مورد استفاده با توجه به استراتژی کنترل زاویه گام عبارتند از :
الف- سرعت ثابت ب- سرعت متغیر. پ- سرعت متغیر در cp حداکثر برای حصول توان نامی.
باید توجه داشت که در ورش سوم، سرعت نامی باد از دیگر روشها بیشتر است.
الف- استراتژی کنترل سرعت ثابت:
در این روش استراتژی کنترل، ثابت ماندن سرعت دورانی محور متصل به روتور می باشد. تنظیم قدرت به وسیله تغییر زاویه گام تمام یا قسمتی از پره بوجود می آید. در مقایسه با روش گام ثابت، این روش در سرعت دورانی بالاتری قابل اعتماد بوده، در نتیجه در این روش نقطه عملکرد cpحداکثر مربوط به سرعت باد بالاتری خواهد بود.
ب- استراتژی کنترل سرعت متغیر
در این روش استراتژی کنترل عبارت از تغییر سرعت دورانی محور متصل به روتور در محدوده ای مشخص می باشد. در این روش نسبت به روش سرعت ثابت، cp ، حداکثر در محدوده بالاتری از سرعتهای باد به بدست می آید.
پ- استراتژی کنترل سرعت متغیر در cp حداکثر حصول توان نامی
استراتژی کنترل در این روش همان استراتژی سرعت متغیر در قسمت قبل می باشد، با این تفاوت که حد بالای سرعت دورانی مجاز تا جایی افزایش یافته که نقطه کار توربین در صفحه T-V روی منحنی cp حداکثر حرکت کند. توربینهای سرعت متغیر در مقایسه با توربینهای سرعت ثابت ، نوسانات گشتاور خروجی کمتری دارند و بیشتر از انرژی باد استفاده می کنند یعنی راندمان بیشتری دارند.
هنگامی که یک توربین با سرعت ثابت کار می کند گشتاور آن در اثر اینرسی و استهلاک سیستم یکنواخت نبوده و میزان زیادی تغییر می کند. با توجه به اینکه اندازه گیری قدرت آئرودینامیکی ورودی به محور مشکل می باشد منحنی آن به صورت تئوریک بدست آمده است.
مسئله قدرت متغیر را می توان توسط گذاشتن چند توربین به صورت موازی در مزرعه باد حل کرد. توربین های باد بزرگ سرعت ثابت، معمولا از ژنراتور سنکرون استفاده می کنند. یکی از مشخصات این ژنراتور، سنکرون بودن دقیق دور آن با شبکه است و موقعیت زاویه ای محور آن با تغییرات قدرت خیلی کم تغییر می کند. اگر زاویه چرخش روتورها در مزرعه باد با هم اختلاف فاز داشته باشند و نسبت تبدیل جعبه نیز ثابت باشد این نوسانات قدرت کمتر خواهد شد.
توربین بادی به جز زمان راه اندازی و توقف در سرعت دورانی ثابت کار می کنند در این موارد معمولا ژنراتورها با سرعت سنکرون و موازی با شبکه کار می کنند. کار با سرعت ثابت بدین معنی است که ضریب قدرت ماکزیمم توربین فقط در یک سرعت خاص باد بدست می آید و در تمامی سرعتها دیگر باد این ضریب کمتر خواهد بود که این سبب کاهش انرژی خروجی توربین در سرعتها باد مختلف می شود. اگر سرعت توربین نسبت به سرعت باد تنظیم شود، ضریب قدرت متوسط توربین بیشتر و قدرت خروجی متوسط بیشتری بدست می آید.
2-5 سیستم انتقال
یکی از وظایف سیستم انتقال تغییر سرعت توربین می باشد . چون ژنراتور با سرعتهای پایین قیمت بیشتری دارد . این تغییر سرعت به وسیله جعبه دنده انجام می شود که انواع مختلفی به شرح زیر دارد :
* جعبه دنده با نسبت دور ثابت
* جعبه دنده با دور نسبت دور
* جعبه دنده با نسبت دور متغیر
معمولا فقط از جعبه دنده با نسبت دور ثابت استفاده می شود . اندازه نسبت دور بستگی به مشخصات ژنراتور و خروجی آن از یک طرف و مشخصه خروجی توربین از طرف دیگر دارد.راندمان سیستم انتقال در شکل
(1-5) m بوده که خود تابعی از نسبت دور جعبه دنده می باشد.قدرت خروجی سیستم انتقال برابر است با :
(3-5)
راندمان سیستم انتقال در قدرتهای پایین بسیار کم می باشد .
3-5 مبدل الکتریکی
ورودی مبدل الکتریکی در شکل (1-2 ) قدرت در سرعت Wt و خروجی آن قدرت Pe در سرعت We می باشد . نوع مبدل الکتریکی بسته به مشخصه گشتاور- سرعت ورودی و تغییرات قدرت ورودی آن ونوع اتصال خروجی (بار الکتریکی ) متفاوت خواهد بود .
مشخصه خروجی توربین و جعبه دنده در دو قسمت قبل ارائه شد .
بار مبدل الکتریکی می تواند قدرت سنکرون یا آسنکرون مصرف کند . قدرت سنکرون برای اتصال به شبکه سراسری و یا مصرف کننده های مستقل با کیفیت بالا و قدرت آسنکرون برای مصرف کننده های مستقل با کیفیت پایین تولید می شود . در مبدلهای قدرت سنکرون ، خروجی مبدل ، ولتاژی با اندازه و فرکانس ثابت است ولی در نوع آسنکرون نیازی به تثبیت دقیق ولتاژ و فرکانس نیست . بار این نوع مبدلها می تواند گرمکن هوا ، آبگرمکن ، موتورهایی که با جریان dc یا فرکانسی متغیر کار می کند ، مصارف ذخیره سازی انرژی و ….باشد . معمولا از هر سه نوع ماشین متداول (ماشین dc ، آسنکرون و سنکرون ) به همراه بعضی از مبدلهای الکترونیکی یا الکترومکانیکی می توان برای تحقق این سیستمها استفاده کرد .
1-3-5 سیستمهای مبدل قدرت سنکرون
با توجه به مشخصه گشتاور- سرعت توربین و چگونگی تغییرات قدرت آن ، روشهای متعددی برای تولید ولتاژ با فرکانس و اندازه ثابت وجود دارد که هر کدام دارای مزایا و معایبی هستند .
شماره
ژنراتور
جعبه دنده
روتور
1
ژنراتورac
نسبت دور ثابت
گام متغیر ، سرعت ثابت
2
ژنراتور ac
دو نسبت دور
گام متغیر ، سرعت ثابت
3
ژنراتور ac
نسبت دور ثابت
گام ثابت ، سرعت ثابت
4
ژنراتور ac / موتور dc /ژنراتور dc
نسبت دور ثابت
گام ثابت ، سرعت متغیر
5
ژنراتور ac / موتور dc / یکسو کننده / ژنراتور dc
نسبت دور ثابت
گام ثابت ، سرعت متغیر
6
اینورتور / یکسو کننده / ژنراتور dc
نسبت دور ثابت
گام ثابت ، سرعت متغیر
7
ژنراتور با مدولاسیون میدان تحریک ژنراتور dc
نسبت دور ثابت
گام ثابت ، سرعت متغیر
8
ژنراتور ac
نسبت دور متغیر
گام ثابت ، سرعت متغیر
جدول (1-5) سیستمهای مبدل قدرت سنکرون – ژنراتور acسنکرون یا آسنکرون
در جدول (1-5 ) چند سیستم مختلف مبدل قدرت سنکرون آمده است . این سیستمها برای توربینهای محور افقی دو یا سه پره صادق می باشند . و همه آنها را برای انواع دیگر توربینها نمی توان بکار برد.
سیستمهای 1 و2 و 3 ، سیستمهای سرعت ثابت هستند بنابراین یک ژنراتور سنکرون یا آسنکرون می تواند ولتاژی با اندازه و فرکانس ثابت تولید کند . راندمان مبدلهای الکتریکی این سیستمها بالا می باشد . اگر چه ممکن است راندمان توربین یک سیستم سرعت ثابت کمتر از سیستم سرعت متغیر باشد .
در سیستمها سرعت توربین متغیر بوده ولی گام توربین ثابت است . در این سیستم ،مبدل الکتریکی پیچیده تر بوده و راندمان آن به خاطر استفاده از سه ماشین الکتریکی کم شده ضمن اینکه قیمت آن نیز افزایش می یابد .
در این سیستم فرکانس خروجی با تنظیم جریان تحریک موتور و اندازه ولتاژ خروجی با تنظیم جریان تحریک ژنراتور سنکرون کنترل می شود . این سیستمها برای قدرتهای بالاتر از KW 100 مناسب می باشند . باپیشرفت تکنولوژی نیمه هادیهای قدرت امکان استفاده از اینورتور ( مبدل AC/ DC) به جای کوپلاژ موتور dc و ژنراتور سنکرون مطابق شکل (4-5 )وجود دارد . مزین اساسی استفاده از اینورتر در این سیستم ، کم بود قیمت و تلفات آن می باشد ضمن اینکه سنکرونیزاسیون آن با شبکه نیز به راحتی انجام می شود . همچنین در حالتی که بخواهیم توربین را راه اندازی کنیم اینورتر به شکل مبدل DC / AC و ژنراتور dc نیز به صورت dc عمل می کند . از معایب این سیستم با وجود اینورتر می توان به موارد زیر اشاره کرد :
1- قیمت بالای ژنراتور 2- هزینه بالای نگهداری
3- پایداری کم در اثر پیچیدگی ساختمان
4- مصرف توان راکتیو توسط اینورتر
5- توانایی تغذیه بار مستقل ( aione -Stand ) فقط با اینورتر کموتاسیون اجباری وجود دارد که گرانتر از اینورتر کموتاسیون خط می باشد .
شکل ( 4-5 ) ژنراتور جریان ثابت مستقیم با مبدل AC / DC برای تغذیه شبکه قدرت
سیستم 5 در جدول ( 1-5 ) مشابه سیستم 4 می باشد . به غیر از اینکه به جای ژنراتور dc از یک ژنراتور ac با یکسو کننده سه فاز (مبدل DC /AC ) استفاده شده است .
در سیستم 6 نیز برای بدست آوردن قدرت سنکرون از سرعت متغیر توربین ، از یک ژنراتور سنکرون یا آسنکرون به همراه مبدل فرکانسی (مبدل AC/DC/AC) مطابق شکل (5-5 )استفاده شده است .
شکل (5-5 )ژنراتور سنکرون با مبدل AC/DC/ACو اتصال به شبکه قدرت
اگر این مبدل به شبکه متصل شود از اینورتر با کموتاسیون خط ، و اگر بار مستقل را تغذیه کند از اینورتر با کموتاسیون خود بخودی یا اجباری استفاده می شود .
از مزایای این مبدل می توان به پایین بودن هزینه الکترونیک آن و کم بودن استهلاک آن اشاره کرد ضمن اینکه سنکرونیزاسیون آن به شبکه نیز به راحتی انجام می شود . و از معایب آن قیمت متوسط ژنراتور سنکرون ، هزینه متوسط نگهداری و قابلیت اطمینان متوسط می باشد . همچنین تضعیف هارمونیکهای خروجی و راه اندازی سیستم (کار در جهت موتوری ) نیز مشکل ساز می باشد . سیستم 7 از جدول (1-5 ) از یک ژنراتور ac (سنکرون یا آسنکرون ) با مدولاسیون میدان تحریک ، برای تثبیت ولتاژ و فرکانس خروجی استفاده می کند .
سیستم 8 با استفاده از ژنراتور ac و جعبه دنده با نسبت دور متغیر می تواند قدرت سنکرون تولید کند که عموما استفاده چندانی ندارد .
جدول دیگری که می تواند با توربین سرعت متغیر قدرت سنکرون تولید کند و در جدول (1-5 ) ذکر نگردیده است ، ژنراتور آسنکرون با سیم پیچ مدولاسیون قطب می باشد .
در این ماشین دو سرعت سنکرون متفاوت وجود دارد که برای توربینهای با تغییرات کم مناسب می باشد . از مزایای این مبدل می توان به سادگی آن ، قابلیت اطمینان بالا و تکنولوژی شناخته شده آن اشاره کرد واز معایب آن نیز قیمت بالای ماشین و ایجاد حالت گذرا در حین تغییر قطبها می باشد . در جدول (1-5 ) با توجه به انتخابهای متفاوتی که جهت طراحی یک مبدل الکتریکی وجود دارد مشکلاتی از نظر انتخاب طرح مناسب وجود دارد . بعضی از این مبدلها از یک تکنولوژی کامل با قیمت مناسب برخوردارندو بعضی دیگر در مراحل تکامل و پیشرفت بوده واز نظر هزینه گرانتر می باشند . به هر حال انتخاب سیستم مناسب مستلزم بررسی دقیق تر جزئیات آنها و پارامترهای دیگری نیز می باشند که در این فصل مفصلا تشریح خواهند شد .
فصل ششم:سیستم آسنکرون
1-6- سیستم های آسنکرون
ما فرض می کنیم که یک شبکه الکتریکی داشته باشد که بتواند همه توان تولید ی توسط بار را دریافت کند. بنابراین شبکه مفروض قادر است در ولتاژ و فرکانس نامی کار کند و همچنین قدرت راکتیو مورد نیاز را تولید کند. یک سیستم آسنکرون که توسط باد ، انرژی تولید می کند دارای یک مدار تقویت کننده است و این سبب می شود که طراحی یک سیستم بادی از یک سیستم سنکرون مشکل تر باشد. یک سیستم بادی در بلوک دیاگرام 1 نشان داده شده است:
شکل (1-6) بلوک دیاگرام سیستم های الکتریکی آسنکرون
شکل (1-6): بلوک دیاگرام سیستم های الکتریکی آسنکرون در این سیستم میکرو کامپیوتر ورودی های مانند سرعت باد، جهت باد، سرعت توربین، نیروهای مورد نیاز، انرژی موجود در منبع تغذیه و ولتاژ و فرکانس تحویلی به بار را دریافت می کند.
میکرو کامپیوتر سیگنالهایی به سمت مدار کنترل و گام پرها و ایجاد ترمزهایی در بادهای قوی ارسال می کند. و همچنین برای تغییر ولتاژ خروجی سیگنالهایی را به جهت این کار ارسال می نماید.
در صورتی که ژنراتور میدان مجزایی داشته باشد . میکرو کنترلر ممکن است بارهای غیر بحرانی را در زمانی که بادهای منطقه ملایم است قطع کند و همچنین ممکن است بارهای غیرالزامی را وصل کند، در هنگامی که بادها به تندی می وزند.
سیستم های الکتریکی بادی زیادی تاکنون ساخته شده اند که می توانند بدون یک میکروکامپیوتر کار کنند. این سیستم ها توسط دم جهت یابی و کنترل می شوند و گام پره ها ثابت و به صورت دستی متوقف می شوند. در مرحله ای از شارژ، باتریها منبع تغذیه در هر زمان یا در هر موقع روز بایستی باتریها را چک کرد و بارهای معین دیگری در حالت شارژ استفاده کرد.
این چنین سیستم هایی دارای کارکرد مطمئن، نتایج ساده ، هزینه کم و با خطاهایی از جمله دقت شخص رو به رو است.
میکرو کامپیوترها و سنسورهایی بکار رفته به داشتن هزینه ثابتی از یک نوع توربین کمک می کند.
هزینه میکروکامپیوترها و سنسورها ممکن است مساوی هزینه یک توربین و ژنراتور kw3 باشد اما این فقط 10% هزینه یک سیستم kw100 و این استفاده ضروری از یک میکروکامپیوتر را برای توربین هایی بزرگ در بادهایی قوی را توجیه می کند.
سیستم آسنکرون دارای یک مد نسبتاً جالبی است که منفعت الکتریکی به همراه ندارد. سرعت توربین می تواند توسط بار تقریباً کنترل شود. در صورتی که سرعت توربین را با مقدار بار مطابق داده باشیم در اغلب موارد سرعت توربین ها توسط بار شبکه قابل کنترل نیستند از این رو از یک ولو برای سرعت استفاده می کنند. در این مورد از توربین های بادی قدرت که ورودی توربین فقط قدرت باد می باشد و ربطی به تجهیزات کنترلی ندارد.
بر اساس آنچه اشاره کردیم درمیابیم که تغییرات ضروری در یک سیستم آسنکرون محدود است.
یک ژنراتور ممکن است Ac یا Dc باشد و ممکن است برای داشتن حالتی از توان نیاز به این داشته باشیم که خروجی ژنراتور را از داخل ژنراتور را عکس کنیم و این کار می تواند یک اینورتر انجام دهد.
و یک توان با فرکانس Hz 60 از طریق برق Dc تهیه کند. در این ژنراتورها، بار متصل شده می تواند یک باتری یا یک پمپ، یک دسته از تجهیزات برقی یا یک دستگاه خارجی مثل الکترولیز باشد.
برخی وسایل خارجی که با برق Dc کار می کنند این وسایل با V DC32 یا V Dc110 در سال 1930 زمانی که سیستم های آسنکرون بادی کوچک متداول بودند به صورت معمول کاربرد داشتند. این تجهیزات با ظهور شبکه الکتریکی از بین رفتند اما باز در وسایل نقلیه تفریحی در سال 1970 به عرصه الکتریک وارد شدند. مثلاً در یک کارخانه که دارای تجهیزات تماماً DC است به امکانات تکنیکی زیادی نیست اما نسبت به تجهیزات AC دارای هزینه بیشتری است.
یک اینورتر سیستمی است که اگر بخواهیم می توانیم برق DC باتری را به AC تبدیل نماییم. برخی از تجهیزات که در سیستم های آسنکرون استفاده می شوند.
.ژنراتور الکتریکی
– ژنراتور DC شنت
– ژنراتور AC با آهن ربای دائم
– ژنراتور AC
– ژنراتور القایی خود تحریک
– ژنراتور مدوله کننده میدان
– ژنراتور Roesel
.سیستم های الکترونیک قدرت
– دیود اصلاح کننده
– اینورتر
– سیستم سوئیچینگ
. بار الکتریکی
– باتری
– هیتر آب
– هیتر هوا
– پمپ
– پمپ آب
– فن
– لامپها
– وسایل برقی
– سلولهای الکترولیز
2-6- ژنراتور DC شنت با بار باتری
بیشتر مردم فکر می کنند که ژنراتورDC یا یک سیستم باتری قوی ، همان توربینهای بادی کوچک است. تعداد کثیری از این چنین سیستم هایی در سال 1930 کاربرد داشته اند. آنها برای یک رادیو یا احیاناً یک یا دو لامپ الکتریکی (رشته ای) و وسایل الکتریکی برق تولید می کردند. بعضی از این ماشینها برای بیشتر از 5 سال، انرژی تولید می کردند ولی جدیداً از بین رفته اند. این ماشینها در میان سالهای 1940 تا 1950 کاربرد داشتند. زیرا ژنراتورهای الکتریکی موفق تر جلوه کردند. امروزه این چنین سیستم های DC هنوز کاربرد اقتصادی دارند. وقتی به صورت کلی و مرکزی الکتریسیته تولید می کنند. این سیستم ها انرژی مورد نیاز را برای ایستگاههای آب و هوایی ، دیده بانیها ، خانه های ییلاقی و …. تولید می کردند.
آنها همچنین ممکن است برای انرژی پشتیبان استفاده بشوند یا یک سیستم اضطراری وقتی که ژنراتور قدرت در دسترس نباشد، مورد استفاده قرار بگیرند.
دیاگرام ساده ای از ژنراتور DC شنت متصل شده به باطری در شکل 2-6 نشان داده شده است. این مدار در بسیاری از جاها قبل از توسعه اکسید مس و دیودها در سال 1930 استفاده می شد. دیودهای سیلیکونی با مشخصات بسیار ممتاز و برجسته در سال 1950 توسعه یافته اند این دیودها به این صورت کار می کنند که جریان پائین از باطری یا ژنراتور در حال عبور است و جاری شدن جریان در جهت خلاف جلوگیری به عمل می آورد. این ویژگی سبب می شود جریان هنگامی که ولتاژ ژنراتور کمتر از ولتاژ باطری است جریان به داخل ژنراتور تخلیه نگردد.
ژنراتور شامل یک رتور یا آرماتور با مقاومت Ra و یک میدان مارپیچ با مقاومت RF روی استانور می باشد. جریان رتور Ia به وسیله جابک کموتاتور به بیرون ماشین رانده می شود. که این کار توسط یک سری اتصالات که در انتهای رتور قرار می گیرد صورت می پذیرد. ولتاژ خروجی ژنراتور Vg و سبب ایجاد جریان میدان If در داخل قلب ماشین می گردد. این میدان توسط القا روی هسته مفتولی جاری می شود و ایجاد فلو (شار) می کند. (سمت چپ شکل 2-6). تاثیر این شار و هادیهای رتور درحال چرخش سبب تولید نیروی محرکه E(emf) می شود که E به صورت زیر به دست می آید:
شکل (2-6): ژنراتور Dc شنت در یک مدار با باطری شارژ شده
(1-6)
شار مغناطیسی هر قطب ، سرعت زاویه ای زوتور ماشین و ks مقدار ثابتی از قطب ها و هادی هایی که جریان ندارد می باشند. ما دریافتیم که با افزایش شار، ولتاژ افزایش می یابد و این به آن معنی است که با کم شدن سرعت ژنراتور emf نسبت به ولتاژ باتری کم خواهد شد. بنابراین به این نتیجه می رسیم که یک توربین با بار کم راه اندازی آسانتر و راحت تری خواهد داشت. سرعت چرخش ژنراتور n نسبت به سرعت زاویه ای به صورت زیر بیان می شود:
(2-6)
ولتاژ تحریک E با Ra در این مدل به صورت سری قرار می گیرد. Ra مقاومت جاروبک ها کموتاتور است. If جریان جاری شده در میدان قلب ماشین به صورت زیر است:
(3-6)
میدان قلب ماشین دارای اندوکتانس L می باشد که مقاومت آن به صورت مقدار صفر را در بر خواهد داشت زیرا جریان Dc در مدار جاری است بنابراین برای بدست آوردن، جریان یا ولتاژ ما فقط به مقاومت نیاز داریم.
شار با میدان جریان به صورت خطی نمی تواند هم راستا شود زیرا مدار مغناطیسی اشباع شده است به ازاء مقدار کمی از افزایش If شار افزایش خواهد یافت. با افزایش یافتن If به صورت طولانی، هسته ماشین به اشباع می رود و به خاطر وجود پسماند مغناطیسی در قطبهای ماشین ، هنگامی If صفر است شار صفر نخواهد بود. هسته ماشین مانند یک آهن ربای دائم قبل از به وجود آمدن شار توسط جریان کمک می کند و این بدان معنی است که مقدار E افزایش خواهد یافت. در ابتدای چرخش رتور اگر چه میدان جریان جزئی و ناچیز باشد. منحنی E برحسب If در شکل 3 نشان داده است. برای If کوچک ، مقدار E افزایش خواهد یافت.
دو سرعت زاویه ای و در شکل 3 نشان داده شده است. منحنی در شکل نسبت به E بدون تغییر شکل اولیه برای بررسیهای نمودار E رسم شده است.
تولید emf (نیروی محرک) E با توجه به قانون کریر شهف:
4-6
Ra نسبت به Rf خیلی کوچک است، بنابراین وقتی دیود خاموش است مقدار If = Ia خواهد بود و مقدار ترم Ia Ra در مقایسه با If Ra کوچکتر است. بنابراین ما به صورت تقریبی می توانیم بنویسیم:
5-6
شکل (3-6) منحنی مغناطیسی ژنراتور Dc
این معادله خط راستی از مبداء مطابق شکل 3-6 می گذرد. بنابراین ما یک ولتاژ E داریم که توسط دو نمودار، یک نمودار غیر خطی ژنراتور Dc و دیگری توسط نمودار خطی بوجود می آید. ولتاژ ژنراتور در صورتی که مقاومتی به صورت خطی باشد دارای یک منحنی غیرخطی است. و این باعث ایجاد تقاطع می گردد. وقتی ژنراتور کار می کند سرعت زاویه ای می باشد که تنها در نقطه a ولتاژ و جریان خواهیم داشت. و این نقطه کار خوبی برای ژنراتور نیست و ارزش کار را پایین می آورد. بنابراین اگر ما سرعت زاویه ای را افزایش دهیم تا ولتاژ در نقطه b تولید خواهد شد که نقطه کار خوبی بدست می آید. انحنای زانوی مغناطیسی نمودار به دلیل اینکه کوچک ترین تغییر در سرعت یا میدان رزیستانس تغییر بزرگی در E ایجاد خواهد کرد. نقطه کار مطلوبی خواهد بود.
از طرف دیگر تغییر در نقطه کار، تغییر در میدان مقاومتی Rf می باشد. در جایی که دامنه خط راست کم می شود Rf نیز کاهش می یابد و وقتی Rf کاهش یافت متقابلاً نقطه کار نیز پایین می آید. معمولاً Rf شامل یک مقاومت خروجی متغیربه علاوه مقاومت ورودی می باشد. از یک حلقه که به خوبی سیم پیچی شده است. بنابراین Rf نمی تواند از مقاومت ورودی کمتر شود.
روش عملکرد این ژنراتور خود تحریک می باشد. وقتی ژنراتور در حال چرخش است پسماند مغناطیسی ژنراتور شار کمی را تولید میکند و باعث ایجاد ولتاژ کمی در سراسر میدان قلب ماشین میگردد. که این ولتاژ کم میدان جریان کوچکی را بوجود می آورد که هر کدام از این موارد کمک میکند که مقدارE بزرگتری را تولید می کند و این روند تا رسیدن به حالت تعادل ادامه دارد.
در نقطه تعادل مقدار E برای سرعت های کم یا میدان مقاومتی زیاد کم می باشد . ما اکنون می خواهیم عملکرد ژنراتور شنت خود تحریک را ماند یک باتری شارژ شده با توجه به مدار شکل 2 بررسی کنیم. ما ابتدا فرض می کنیم که سوئیچ SI باز باشد. پس دیود قطع می شود. وقتی E کمتر از Va باشد و RB شامل مقاومت دیود و اتصالات سیم ها و مقاومت ورودی باتری می باشد و هنگامی که دیود در مد هدایت قرار گیرد مانند رابطی بین E و VB عمل می کند که در این حالت برای E داریم:
(6-6)
مقدار IaRa خیلی کوچک است و می تواند از آن صرفنظر نمود. در این صورت مقدار جریان باتری IB برابر خواهد بود با:
(7-6)
توان الکتریکی ژنراتور شنت وقتی دیود در مد هدایت است تولید می گردد که برای این توان تولیدی فرمول زیر را ارائه می کنیم:
(8-6)
توان الکتریکی تحویلی باتری برابر است با
(9-6) PB=VBIB
توان الکتریکی می تواند بدست آید از عملکرد سرعت زاویه ای اگر همه مقادیر فرمول 8 را بدانیم. که این کار را می توان با تکرار به طور دقیق به دست آورد. نکته قابل توجه دیگر اینکه مقاومت سیم مسی در مدار با افزایش دما بیشتر می شود Ra و Rb شامل افت ولتاژ در سراسر مدار ژنراتور در دیود است که هر کدام کاملاً غیر خطی می باشد. و نکته دیگر که قابل درک است این است که مقدار VB با شارژ باتری تغییر می کند و هر سیستمی به اندازه گیری احتیاج دارد اگر منحنی توان آن با سرعت تغییر نماید.
3-6- ژنراتور کمپوند اضافی
در این ژنراتور از دو سیم پیچ تحریک یک سری با آرمیچر و دیگری موازی آن استفاده می شود. و این دو سیم پیچ شار یکدیگر را تقویت می کنند. شکل (13-2) مدار معادل ژنراتور کمپوند اضافی را نشان می دهد. در این ژنراتور سیم پیچ تحریک شنت به عنوان سیم پیچ اصلی تحریک محسوب می شود. و سیم پیچ سری تعدادی حلقه های کمتری داشته و بیشتر نقش کنترل مشخصه خروجی را بر عهده دارد. مشخصه خروجی این ژنراتور بسته به تعداد حلقه های سیم پیچ سری سه شکل متفاوت می تواند داشته باشد.
1- مشخصه فوق کمپوند
2- مشخصه کمپوند تخت
3- مشخصه زیر کمپوند شکل زیر سه نوع قسمت مشخصه فوق را نشان می دهد. در این شکل مشخصه ژنراتور شنت نیز برای مقایسه آورده شده است.
مقاومت تنظیم کننده مشخصه خروجی
در این شکل با تغییر مقاومت Rdiv می توان سه نوع مشخصه فوق را تحقق بخشید. در اینجا نیز برای کنترل ولتاژ خروجی از تنظیم مقاومت سیم پیچ شنت استفاده می شود. اگر از ژنراتور Dc برای تولید ولتاژ ac استفاده شود در این صورت به یک مبدل dc/ac نیاز داریم که قیمت این اینورتر با قدرتی برابر با مجموع قدرت دو ژنراتور کمتر از مجموع قیمت در اینورتر برای هر کدام از ژنراتور باشد در این صورت با ید ژنراتورهای Dc را با هم موازی کرده و خروجی حاصل شده به یک اینورتر متصل کرد. برای عمل شدن این کار باید با کنترل مشخصه خروجی ژنراتورها توزیع جریان بین این دورا بهینه کرد.
4-6- ژنراتورسنکرون
این ژنراتور قادراست در یک سرعت ثابت به نام سرعت سنکرون ، ولتاژی با اندازه قابل کنترل و فرکانس متناسب با سرعت روتور ایجاد کند. شکل زیرمدار معادل تک فاز ژنراتور سنکرون را نشان می دهد. در این شکل مقاومت سیم پیچ تحریک و مقاومت تنظیم جریان آن مجوعاً RF می باشد.
مدار معادل تک فاز ژنراتور سنکرون VF و V به ترتیب ولتاژ مدار تحریک و تر مینال ژنراتور است.
توان اکتیرو راکتیو منتقل شده از ژنراتور به بار به ترتیب از معادلات (10-6) و (11-6) بدست می آیند.
(10-6) (11-6)
بنابراین گشتادر حاصله توسط ژنراتور
خواهد بود که در آن:
سرعت سنکرون برحسب دور دقیقه می باشد. در معادلات (10-6) و (11-6) زاویه بین EA و V بوده و زاویه گشتاور ماشین نام دارد. اگر مثبت باشد توان اکتیو ماشین (ژنراتور) به بار منتقل می شود و اگر منفی باشد توان از بار (شبکه) به ماشین (موتور) منتقل خواهد شد.
هنگامی که بار ژنراتور تغییرات محدودی دارد، تنظیم زاویه بر عهده سیستم گاورنر می باشد که در توربینهای بادی زاویه گام پره را تغییر می دهد. ولی اگر تغییرات بار ژنراتور زیاد باشد (مثلاً هنگام راه اندازی توربین) تنظیم زاویه ، مشترکاً بر عهده سیستم تحریک و گاورنر خواهد بود. (در صورتی که ژنراتور به شبکه متصل شده باشد) طبق معادله (10-6) توان حقیقی در 90= ماکزیمم می شود ولی عملاً به خاطر پایداری ماشین بین 150 درجه تا 200 درجه تنظیم می شود. همچنین اگر باشد توان راکتیو از ژنراتور به بار منتقل می شود و اگر باشد توان راکتیو از بار (شبکه) به ژنراتور منتقل می شود. برای یک ژنراتور P قطب فرکانس خروجی ژنراتور برابر است با
بنابراین در جایی که سرعت نامی باد کم و هزینه افزایش نسبت دور جعبه دنده زیاد باشد ترجیحاً باید تعداد قطبهای ژنراتور را افزایش داد. یکی از ساده ترین روشهای افزایش تعداد قطبها استفاده از روتور ماشین دا یم می باشد. افزایش تعداد قطبهای روتور مغناطیسی دایم به هر تعداد دلخواه به سادگی امکان پذیر است ولی در استفاده از آن مشکلاتی وجود دارد. از جمله اینکه دیگر نمی توان شار قطبها در نتیجه ولتاژ القایی ژنراتور را کنترل کرد. همچنین در این حالت اگر خطای اتصال کوتاه در شبکه رخ دهد. نمی توان با قطع میدان تحریک از ژنراتور محافظت کرد.
1-4-6- مشخصه گشتاور
سرعت این ژنراتور نیز بسته به نوع باری که تغذیه می کند متفاوت خواهد بود. برای ژنراتوری که به شبکه متصل است این شبکه مطابق شکل زیر خطی راست می باشد. در این شکل همچنین قدرت ورودی برحسب گشتاور نیز رسم شده است.
راه اندازی توربین در صورتی که ژنراتور به شبکه قدرت متصل باشد به سادگی امکان پذیر است در غیر این صورت باید از یک منبع سه فاز خارجی استفاده کرد.
ژنراتور سنکرون در جهت معکوس (موتوری) فقط در سرعت سنکرون کوپل تولید می کند و به عبارت دیگر خود راه انداز نیست عموماً از دو روش زیر برای راه اندازی آنها استفاده می شود.
1- استفاده از مبدل فرکانسی
2- راه اندازی به صورت موتور آسنکرون
در روش اول اگر استراتژی کنترل توربین سرعت متغیر باشد در این صورت از مبدل فرکانسی که به ژنراتور سنکرون متصل است برای راه اندازی استفاده می شود. در این حالت با تغییر زاویه آتش سوییچهای مبدل فرکانس که اکنون در جهت معکوس کار می کند می توان فرکانس و ولتاژ اعمالی به ماشین سنکرون را کنترل کرده و در حقیقت آن را راه اندازی کرد.
طبق معادله (4-2) و رابطه (f فرکانس خروجی مبدل فرکانس و p تعداد قطبهای ماشین است.) و با توجه به اینکه با ثابت بودن تحریک ماشین (K1 ثابت) خواهیم داشت:
گشتاور حاصله روی شفت ماشین
V ولتاژ خروجی مبدل فرکانس می باشد و k عددی ثابت است.
حال اگر نسبت ثابت نگه داشته شود. گشتاور ماکزیمم یا گشتاور پر نگاهی در سرعتهای مختلف ثابت می ماند و لذا می توان افزایش تدریجی فرکانس سرعت موتور را به حد مطلوب رساند. در روش دوم سیم پیچی اضافی شبیه قفس سنجابی ماشین آسنکرون بر روی روتور نصب می شود. حال اگر سیم پیچ تحریک ماشین سنکرون را تغذیه نکنیم ، ماشین به صورت موتور آسنکرون عمل می کند. لذا با وجود سیم پیچ قفس سنجابی گشتاور راه اندازی حاصل می گردد.
2-4-6- پایداری ژنراتور سنکرون
پایداری ژنراتور سنکرون به این مفهوم است که بر اثر بروز اختلال چه در طرف الکتریکی و چه در طرف مکانیکی، سنکرونیزم ژنراتور حفظ شود. اختلال الکتریکی می تواند تغییر بار(در حالت stand-alone) اتصال کوتاه باز شدن ناگهانی خط انتقال و ….باشد . اختلال مکانیکی نیز در اثر بروز طوفان ، تند باد و یا خرابی توربین (مثلاً شکستن پره ها ) بوجود آید .
با فرض اینکه اختلال الکتریکی در قدرت مکانیکی ثابت رخ می دهد ( به علت ثابت زمانی بزرگ سیستم مکانیکی ) پایداری ژنراتور در این حالت شبیه پایداری ژنراتور در نیروگاههای بخار و آبی برده و در اینجا بررسی نمی شود . در اینجا پایداری ماندگار ژنراتور سنکرون در اثر اختلال مکانیکی بررسی می شود . طبق معادله (4-2) حداکثر قدرت انتقال ماشین که به از اء آن پایداری ژنراتور از دست نرود ( حد پایداری ماندگار ) برابر است با
این مقدار در حاصل می شود و بعد از ْ90 افزایش قدرت مکانیکی (افزایش سرعت باد ) قدرت الکتریکی را کاهش داده و شتاب ایجاد شده باعث افزایش بیشتر و کاهش قدرت الکتریکی می شود. و در ژنراتور و شبکه از نظرالکتریکی از یکدیگر جدا می شوند. و قدرت مکانیکی توربین به روتور شتاب می دهد . وجود سیستم اتوماتیک کنترل حد تحریک از رفتن ماشین به شرایط کار زیر منحنی حد پایداری ماندگار و در نتیجه نا پایداری ماشین جلوگیری می کند. این کار با افزایش تحریک ماشین انجام می شود . اگر به عللی قدرت راکتیو ماشین زیر این حد برود رله های حفاظتی عمل کرده و حفاظتهای لازم را انجام می دهند .
3-4-6- مشخصه خروجی ژنراتور سنکرون
شکل زیر منحنیهای سرعت روتور برحسب توان اکتیرو ولتاژ ژنراتور برحسب توان اکتیو را نشان می دهد.
مشخصه سرعت (فرکانس)- قدرت ژنراتور سنکرون
در شکل فوق ملاحظه می شود که با افزایش قدرت منتقل شده به بار سرعت روتور کم می شود . منحنی تغییرات سرعت روتور برحسب قدرت اکتیو در واقع غیر خطی می باشد . ولی مکانیزم گاورنر آن را خطی می کند . در اینجا نقش گاورنر را سیستم کنترل گام پره های توربین باز می کند .
همچنین با تنظیم سرعت مبنای گاورنر امکان تنظیم سرعت بی باری و در نتیجه تنظیم مشخصه سرعت -قدرت را ایجاد می کند.
در شکل قبلی منحنی تغییرات ولتاژ ترمینال برحسب توان راکتیو منتقل شده به بار نیز داده شده است. در این حالت نیز توان راکتیو و در نتیجه ولتاژ ترمینال را می توان با سیستم کنترل تحریک میدان تنظیم کرد. همچنین با تغییر ولتاژ بر مبنای این سیستم می توان ولتاژ بی باری و در نتیجه منحنی مشخصه را جابجا کرد.
در حالتی که ژنراتور به تنهایی یک بار مستقل (stand-alone) را تغذیه می کند، مقادیر p و Q را امپدانس بار تحمیل کرده و نمی توان توسط سیستمهای کنترل ژنراتور آنها را تغییر داده و بنابراین برای هر بار خاص، با تغییر ولتاژ و سرعت مبنا به ترتیب در سیستم کنترل تحریک و گاورنر، می توان VT و Fe مطلوب را بدست آورد.
4-4-6- تغییر قطبهای ژنراتور سنکرون
همان طور که می دانیم که سرعت روتور در ژنراتور سنکرون کمی بیش از سرعت سنکرون است و داریم:
لذا اگر (سرعت سنکرون) را تعییر دهیم، سرعت روتور نیز تغییر می کند، و برای تغییر می توان از تغییر قطبها استفاده نمود. این امر توسط اتصالات کلافهای استاتور امکان پذیر است. معمولاً تغییر قطبها از نسبت 2 به 1 تبعیت می کند و لذا در این روش دو سرعت سنکرون متفاوت حاصل می گردد. قابل ذکر است که در برخی از ماشینها، استاتور دارای دو سیم پیچ سه فاز جداگانه و مستقل است و هر کدام دو سرعت سنکرون مهیا می سازند. پس با چهار سرعت سنکرون مواجه خواهیم بود. این ژنراتورها برای توربینهای سرعت متغیر مناسب می باشند ولی حالات گذرای ناشی از تغییر ناگهانی قطبها ممکن است. مسئله ساز شود.
5-4-6- راه اندازی ژنراتور سنکرون
برای راه اندازی ژنراتورهای سنکرون متصل به توربین سرعت ثابت باید ماشین را به منبع خارجی (یا شبکه) متصل کرد در این صورت جریانی معادل 5 تا 8 برابر جریان نامی از استاتور ماشین عبور خواهد کرد که علاوه بر اینکه به ماشین صدمه وارد می کند، ممکن است کوپل راه اندازی آن کمتر از کوپل مقاوم توربین باشد. به این دلیل راه اندازی با روشهای بخصوصی (مثلاً تغییر مقاومت آمیچر، استفاده از کلید مثلث ، ستاره و….) برای تغییر مشخصه های عادی ماشین انجام می شود.
برای راه اندازی ژنراتور آسنکرون متصل به توربین سرعت متغیر که توسط مبدل فرکانس به شبکه متصل شده است می توان با کنترل مبدل فرکانس و عملکرد آن در جهت معکوس ، یک راه اندازی آرام مهیا کرد.
در جدول زیر ژنراتورهای dc، سنکرون و آسنکرون قفس سنجابی از جهات مختلف با هم مقایسه شده اند. در قسمتهای بعد، از نتایج این مقایسه به کرات استفاده خواهیم کرد.
کارموتوری
سنکرونیزم
پایداری
قابلیت اطمینان
قیمت
نوع ماشین
با مبدل DC/AC امکان پذیر است
مشکل ندارد
مشکل ندارد
کم
زیاد
جریان مستقیم
فقط اگر سیم پیچهای پراکنده داشته باشد
نیاز به سیستم سنکرونیزاسیون دارد
تلفات پایداری و سنکرونیزم
متوسط
متوسط
سنکرون
نیاز به سیستمهای راه اندازی دارد
حالت گذاری کلید زنی دارد
تلفات پایداری
زیاد
کم
(5/0-3/0)
آسنکرون
افزایش قدرت
تغذیه بار مستقیم
سرعت متغیر
هاربرنیک زایی
توان راکتیو
بااینورتر محدود می شود
با اینورتر کمرتاسیون خرد به خرد امکان پذیر است
مشکلی ندارد
با اینورتر دارد
با اینورتر جذب می کند
بدون مبدل AC/DC/AC قابل ملاحظه است
مشکلی ندارد
فقط با مبدل AC/DC/AC امکان پذیر است
فقط با مبدل AC/DC/AC دارد
هم می تواند تولید کند و هم مصرف کند
بدون مبدل AC/DC/AC قابل ملاحظه است
با خازنهای خرد تحریک امکان پذیر است
فقط با مبدلهای الکترونیکی امکان پذیر است
فقط اگر از مبدلهای الکترونیکی استفاده شود دارد
فقط می تواند جذب کند
ژنراتور مغناطیسی دائم شبیه سنکرون می باشد. قبول داریم که میدان روتور، توسط مغناطیس دائم ، بدون جریان در سیم پیچ بوبین ساخته می شود [به این مفهوم که میدانی برای نیاز تولید نشده که مقدار آن کاهش یابد،]. غالباً به این معنی است که در میدان افت قدرت یا وجود ندارد که سبب افزایش راندمان می شود. اشکالی که وجود دارد این است که در صورت اتصال ژنراتور PM به شبکه ، جریان قدرت راکتیو را نمی توان کنترل نمود. البته این ضعف کوچکی در مدل آسنکرون می باشد.
مگنت به شکل روتور آلمینیومی استوانه ای می باشد که عموماً خیلی گران نیست و خیلی پرقدرت می باشد. که می توان رتور را در ژنراتور مذکور بچرخاند و همچنین به کموتاتور احتیاجی نیست.
بنابراین ژنراتور PM ارزانتر از ژنراتور Dc در بخش قبل می باشد. نتایج به دست آمده از ژنراتور PM ، مزیت مهم آن را جهت ساخت توربین های بادی آسنکرون کوچک آشکار می سازد.
باری که ممکن است در ژنراتور PM استفاده شود می تواند مقاومت سیستم حرارتی در هر مکان برای گرم کردن آب باشد این نوع سیستم در شکل 4 نشان داده است. سه خط متصل به نول ولتاژهای Ea و Eb و Ec تولید می شود که هر یک با هم 120 درجه الکتریکی اختلاف فاز دارند.
ولتاژ ترمینال سیم نول قبلاً 120 درجه از هر کدام از ولتاژهای فوق اختلاف فاز دارند. در صورت سه فاز متعادل باشند (Ra=Rb=Rc) جریان تولید شده عبارتند از
(12-6)
که XS راکتانس سنکرون ، RS مقاومت سیم پیچ ، Ra مقاومت یک شاخه یا یک فاز از بار مقاومتی است.
جریان خنثی In که توسط جمع بقیه جریان ها تولید می شود.
(13-6)
اگر بار متعادل باشد ، سپس جریان صفر خواهد شد. می توان اتصال سیم نول ژنراتور و بار را در صورت تاثیر دادن مدارهای ولتاژ یا جریان برداشت. سیستم آسنکرون به سیم نول احتیاج دارد زیرا اجازه می دهد که ولتاژ هر فاز Va ، Vb، Vc برای بارهای سیستم نامتعادل ، قابل استفاده باشد. بعنوان مثال اگر سیستم در موقعیتش قرار بگیرد می توان چندین هیتر تک فاز خانگی را مستقلاً به کار انداخت.
شکل (4-6) ژنراتور مغناطیس دائم با بار مقاومتی
این موضوع بیان می کند که مطلقاً جریانهای سه سیم با مقدار مساوی، نوسان گشتاور را کم می کند این در متون ماشینهای الکتریکی نشان داده شده است که ژنراتور سه فاز هنگامی که تحت شرایط متعادل به کار گرفته شود ، گشتاور شفت ثابت دارد.
یک فاز ژنراتور، یا یک ژنراتور سه فاز نامتعادل، دارای گشتاوری است که دو مرتبه در فرکانس الکتریکی نوسان می کند. این نویز تولیدی ژنراتور، سبب کوتاه شدن عمر یاتاقان شفت و کلاج می شود و یکی از دلایل اولیه برای موتورهای تک فاز و ژنراتورها هستند که به ندرت در سایز بالاتر از 5 کیلو وات دیده می شوند. ژنراتور PM به اندازه کافی پر قدرت ساخته شده که نوسان گشتاور توربین قابل ملاحظه است. بنابراین برخی عدم تعادل روی جریانهای ژنراتور نمی تواند برای سیستم خطرناک باشد. اما بایستی جهت کاهش دادن نیز به سطوح پایین تر ، عدم تعادل را کاهش داد.
قدرت الکتریکی خروجی Pe (قدرت ارسالی به بار) از ژنراتور PM برای هر فاز به صورت زیر است:
(14-6)
اندازه جریان
(15-6)
بنابراین قدرت خروجی را می توان بیان کرد:
(16-6)
ولتاژ تولید شده Ea را می توان نوشت
(17-6)
ثابت Ke شامل ، شار هر قطب از ژنراتور PM می باشد و غالباً هیچ ضریب ثابتی بین سرعت زاویه ای مکانیکی و سرعت زاویه ای را شامل می شود. چهار قطب ژنراتور با r/min 1800 می چرخند.
بعنوان مثال هنگامی که داشته باشیم rad/s5 و و . ضریب الکتریکی برای زاویه مکانیکی به صورت 1 برای ژنراتور دو قطبی و 2 برای چهار قطبی و 3 برای شش قطبی و به همین ترتیب خواهد بود.
تغییر در تولید ولتاژ ، با سرعت زاویه ای ، به مفهوم آن است که ژنراتور PM که ولتاژ موثر خط مدار باز V250 با Hz60 دارد. هنگامی که روتور ژنراتور با r/min 1800 می چرخند، و ولتاژ مدار باز v125 با فرکانس Hz30 خواهد داشت، در صورتیکه روتور ژنراتور با r/min 900 بچرخد.
مدارات روشنایی به طور عادی بارهای مناسبی نیستند لامپ رشته ای در ولتاژ 20 درصد کمتر از نامی به اندازه کافی روشن نمی شوند و هنگامی که ولتاژ 10 درصد حدود نامی برسد سریع می سوزند. غالباً هنگامی که فرکانس افت کند بویژه زیر Hz60 ، اشکال پرپر زدن خواهد داشت لامپ های فلورسنت ممکن است منوط به استفاده وسایل تعادل و نوع لامپ با تضعیف دامنه ولتاژ و میزان فرکانس بکار بیافتد. اگر مدارات روشنایی توسط ژنراتور PM تغذیه شوند، ملاحظه می گردد که باید از یکسوساز و سیستم باتری خانه استفاده نمود.
باید در نظر داشت که عملکرد ژنراتور PM مستقیماً متناسب است با سرعت چرخش. جریان نامی وابسته به اندازه سیم پیچ هادی می باشد که برای ژنراتور مفروض ثابت فرض شده است و بنابراین قدرت خروجی VaIa ، متغیری از Ea و یا سرعت چرخش است. مقاومت Ra ، متغیری از Ea می باشد که برای ثابت نگه داشتن جریان لازم است به این معنی که ژنراتور ارزیابی شده در kw5 با r/min 1800 مشابه خواهد بود با kw10 با r/min 3600 زیرا ولتاژ برای جریان مشابه دو برابر می گردد. بنابراین توان دو برابر می شود . محدودیت های موجود برای افزایش مقادیر نامی عبارتند از:
محدودیت های مکانیکی برای روتور و عملکرد آن و محدودیت الکتریکی برای عایق بندی آن.
همانطور که همه می دانیم قدرت ورودی شفت برای ژنراتور به متغیر n3 وابسته است که برای کنترل کردن توربین در راندمان ماکزیمم در رنج های بالای سرعت و سرعت های توربین مورد نیاز است. که n و مستقیماً به هم ارتباط دارند. ما می توانیم در مورد قدرت خروجی ژنراتور بحث کنیم. بایستی متغیر برای ژنراتور و بار توربین بهینه باشد. اختلاف حقیقی به طور جدی و صریحاً و وابستگی فرکانس در روابط 14 نشان داده شده است. بعلاوه برای Ea راکتانس Xs وجود دارد که مفروض است:
(18-6)
پارامتر Ls ، اندوکتانس سیم پیچ ژنراتور می باشد. مقدار آن همیشه ثابت نیست زیرا، اثر اشباع در آهن ژنراتور وجود دارد ، اما بایستی این واقعیت را در رفتار اولیه نادیده گرفت.
(19-6)
ما مشاهده می کنیم pe برای فرکانس های پایین و یا بالا برای بارهای مقاومتی بزرگ، با مجذور فرکانس افزایش می یابد. در خیلی از فرکانس های بالا ، هنگامی که از Rs+Ra خیلی زیاد تر شود ، قدرت خروجی تقریباً ثابت می ماند به طوری که فرکانس افزایش یابد. در سرعت نامی و قدرت نامی ، Xs مشابه اندازه Rs+Ra خواهد بود و pe های متناسب با فرکانس خواهیم داشت.
بنابراین در می یابیم که ژنراتور PM با بار مقاومتی ثابت ، بار مناسبی برای توربین بادی نیست. اگر به استفاده از چنین سیستمی پافشاری کنیم، بایستی از برخی انواع مکانیزم گام پره برای توربین استفاده کنیم. مکانیزم گام پره ، راه حل مناسبی است اما نسبتاً گران است.
یک متغیر ، جهت ثابت کردن مقاومت بار ، بار مقاومتی قابل تنظیم می باشد. در این روش ، بار مقاومتی که توسط ژنراتور دیده می شود ، یک اتو ترانسفورمر قابل تغییر بین ژنراتور و بار مقاومتی می باشد. این مدار برای یک فاز ، همانند اتصال نشان داده شده در شکل 5 می باشد. ولتاژی که توسط بار دیده می شود می تواند از صفر تا بیشترین ولتاژی که ژنراتور تولید می کند ، متغیرباشد. بنابراین قدرت را در مدل ساده ، از صفر تا نامی تنظیم کرد. میکروکامپیوتری جهت اندازه گیری سرعت باد ، سرعت توربین و شاید میزان تغییر سرعت توربین ، مورد نیاز است. بایستی ، سیگنال الکتریکی محرک برای اتوترانسفورمر جهت تغییر تنظیمات آن بسازد تا بار مورد نیاز توربین ساخته شود. با کنترل خوب سیستم می توان انتظار داشت تغییرات در قدرت توربین از تغییرات در سرعت باد و همچنین در رنج های وسیعی از باد، بار در مقدار مطلوب نگه داشت.
شکل (5-6) بار متعادل با اتوترانسفورمر متغیر
یک مشکل با این تصور که ، راه اندازی موتور سه فاز اتوترانسفورمر متغیر، احتمالاً دارای هزینه هایی بالاتر از ژنراتور PM است. مسئله دیگر این است که قابلیت مکانیکی اتوترانسفورمر پایین است.
پس مستلزم نگهداری منظم می باشد. ما از نتایج ژنراتور PM در مورد هزینه ها در می یابیم که با کنترل بار در اتوترانسفورمر ، عملکرد مطمئن کمی خواهد داشت. روش دیگر برای کنترل بار، حذف اتوترانسفورمر متغیرمی باشد. و استفاده از میکروکامپیوتر جهت کلید زنی برای مقاومت های کمکی در هنگام افزایش سرعت باد و توربین می باشد. مدار پایه آن در شکل 5-6 نشان داده شده است. کلیدها در حالت جامد (تریاک) می باشند که به سادگی توسط منطق میکروکامپیوتر کنترل می شوند و می توانند میلیون ها سیکل کاری را تحمل کنند. هزینه ها و قابلیت اطمینان، در این سیستم کنترل بار در محدوده قابل قبول می باشد.
متاسفانه این ایده برای توربین محور عمودی دارویس منجر به سیستم ناپایدار مرزی می شود. و استفاده برای توربین محور افقی مشابه پره های هواپیما به خوبی امکان پذیر است. می توان با بررسی قدرت الکتریکی خروجی توربین دارویس به نام سندیا 27 متری در شکل 5-6 ، ناپایداری را مشاهده نمود. قدرت خروجی برای یک بار بهینه ، ماکزیمم قدرت خروجی توربین به ازاء سرعت باد می باشد.
قدرتهای بار برای چهار مقاومت متفاوت به ترتیب با توابع خطی n در حول نقطه کار ، نشان داده شده است. این منحنی ها برای تخمین منحنی های pe حقیقی مناسب هستند به طوری که در مبحث رابطه 19 اشاره شد.
ما به منحنی های بهتر از این برای pe نیاز داریم زیرا ناپایداری برای هر باری وجود دارد و با نرخی کمتر از n3 تغییر می کند.
شکل (6-6) بار تنظیم شده توسط سوئیچ مقومت
ما فرض می کنیم که قدرت بار توسط منحنی مشخصه 1Ra تعیین شود. و سرعت باد m/s6 باشد. توربین در نقطه a کار می کند. اگر سرعت باد به m/s8 زیاد شود، گشتاور توربین زیادتر از گشتاور بار می شود و سرعت توربین به سوی نقطه b میرود. اگر مقاومت دوم کلید زده شود ، قدرت بار افزایش می یابد زیرا توربین آهسته می چرخد . نقطه کار جدید نقطه c خواهد بود. اگر سرعت باد به m/s6 افت کند ، قدرت بار زیادتر از قدرت تولیدی توربین می گردد. بنابراین ، ترمز می کند . اگر بار سریعاً و به اندازه کافی برداشته نشود ، نقطه کار به نقطه f می رسد و توربین آئرودینامیک می گردد.
درصورتی که شرایط بازدارنده باشد بار افزوده شده بایستی همینکه سرعت توربین کم شد کم گردد.
روش دیگر در بیان مشکل سیستم کنترل این است که تغییرات سرعت بیش از اندازه باشد. مقاومت به صورت Ra1+Ra2+Ra3 فرض می شود و باد یکنواختی بالای m/s10 خواهیم داشت. اگر سرعت به آهستگی از m/s10 کم شود ، توربین بایستی به نقطه کار مشخص d برود و چنانچه بیش از این کم گردد، بایستی بار Ra1+Ra2کلید زده شود . توربین بایستی به سرعت به نقطه کار e برود . بایستی برای این مثال ، سرعت از تقریباً 50 به r/min 85 تغییر کند . این تغییرات سرعت زیاد و بایستی بر مشکلات مکانیکی توربین افزوده گردد. غالباً نقطه کار در مکان هایی از پایین قله منحنی قدرت میباشد که یکی از دلایل اصلی برای ملاحظه به سیستم آسنکرون را تشدید می کند . که در این حالت پیک قدرت را بالاتر از رنج سرعت باد و سرعت دوران توربین نگه می دارد . بنابراین ما در می یابیم که ژنراتور pm با کلید و یا با وجود مقاومت متغیربار ، خیلی موثر برای توربین بادی نیست . مشکلات معرفی شده در این سیستم را می توان حل کرد ، منتها راه حل ، احتمالاً خیلی پر هزینه تر از بقیه سیستم ها خواهد بود.
شکل (7-6) قدرت خروجی الکتریکی سندیا 17 متری داریوس در راه اندازی با سرعت های گوناگون
متغیردیگر برای تطابق قدرت بار با قدرت توربین مدار مقاومتی سری می باشد. این ایده موفقی است که توسط شرکت Zephyr wind Dynamo بکار گرفته شد که نمونه مدار مطابق یافته برای هر فاز از ژنراتورهای PM کم سرعت ؛ را ساختند. ایده اصلی در شکل 8-6 نشان داده شده است.
شکل (8-6) مدار تشدید سری برای ژنراتور PM
راکتانس خازن Xc برگزیده شده است. همچنین در مدار تشدید (Xc = Xs) در فرکانس نامی خواهد بود. قدرت خروجی با فرکانس تغییر خواهد کرد. در روشی که جهت ارتباط قدرت ورودی موجود با انواع معینی از توربین بادی نسبتا ساخته شده است. حفاظت در برابر اضافه سرعت مورد نیاز است اما عملکرد کنترلی فعال تغییر گام بین ورودی – خروجی و سرعت های باد، ضرورت ندارد.
قدرت انتقالی در ژنراتور PM در حالت تشدید سری خواهد بود:
(20-6)
تحت شرایط تشدید، مقدار راکتانس خازن بزرگتر از مقدار راکتانس القایی است. در تشدید می باشد. قدرت خروجی تمایل به افزایش با فرکانس هنگام تشدید دارد. اما سرانجام نزدیک مقدار ثابت در فرکانس بالا می شود. Ls می تواند کمی تغییر کند. در طراحی ژنراتور PM ، جهت ارتباط منحنی خروجی قدرت با توربین مفروض c براحتی تغییر می کند. به هیچ کنترلی نیاز نیست. از این رو قابلیت اطمینان و هزینه می بایست قابل قبول باشد.
5-6- ژنراتورهای Ac
از ژنراتورهای Ac عموما برای ساختن قدرت سنکرون برای شبکه برق استفاده می شود. می توان در مد آسنکرون نیز استفاده کرد. آن می تواند به بار مقاومتی متصل شود جهت گرم کردن آب یا مکان کاربرد دارد. با دیاگرام مداری مشابه ژنراتورهای PM که در شکل 4 نشان داده شده است. تفاوت عمده شامل emf (نیروی محرکه الکتریکی) است که فقط نه خیلی زیاد متناسب با سرعت است بلکه برای تولید به سرعت و شار احتیاج دارد. در نمونه های خطی ، شار مستقیما متناسب با جریان میدان IF است. نیروی محرکه الکتریکی Ea (emf) را می توان این چنین بیان کرد.
(21-6)
که ، فرکانس زاویه ای الکتریکی است و Kf ثابت می باشد.
حال فرض نمائید که میدان جریان می تواند متناسب با سرعت ماشین تغییر کند. سپس ولتاژ القایی را می توان نوشت:
(22-6)
K'f ثابت دیگری می باشد. آن را می توان از یکسری اطلاعات ولتاژ نامی (ولتاژ مدار باز o.c ) در فرکانس نامی به دست آورد.
توان خروجی با توجه به معادله 17 به صورت زیر است:
(23-6)
تغییر در قدرت خروجی از و خواهد بود. با اندوکتانس مناسب ماشین و از مقاومت بار، می توانیم یک قدرت متغیر خیلی نزدیک به توان بهینه از داشته باشیم.
تغییر جریان میدان ممکن است در بقیه مدها اختیاری باشد تا اینکه هدف به انجام برسد. در مثال ما می توانیم سرعت را متناسب با تغییر دهیم. بنابراین قدرت خروجی بین و تغییر خواهد کرد و این به توربین این اجازه را می دهد که در یک رنج سرعت محدود کار می کند. در سرعت های توان خروجی خیلی کاهش می یابد هنگامی که سرعت توربین با سرعت بار، اختلاف کمی داشته باشد. با افزایش مقدار کمی در سرعت، توان ژنراتور سریعا افزایش می یابد. زمانی که سرعت باد زیاد شود، برخی از اجزاء مکانیکی در سرعت زیاد به شیوه های خاصی محافظت می گردد.
اگر توربین کنترل گام داشته باشد و همچنین سرعت ژنراتور در رنج محدودی ادامه داشته باشد، جریان میدان می تواند جهت ثابت نگه داشتن ولتاژ بار دلخواه، تغییر کند. همه وسایل خانگی بجز ساعت ها و برخی تلویزیون ها می توانند از یک منبع شروع به کار کنند. فرکانس می تواند مثلا از 56 تا Hz 64 تغییر کند. اما این نمی تواند بر وسایل خانگی تاثیر بگذارد در صورتی که ولتاژ ساخته شده به موقع مهیا باشد. سیستم کنترل به بارهای مجزایی برای شرایط بالا و پایین باد نیاز دارد. خیلی از بارها در سرعت های پایین باد سبب می شود که توربین آهسته تر زیر رنج مطلوب کار کند. هنگامی که از بارهای روشنایی در سرعت های بالای باد وصل هستند، برای سیستم کنترل گام، ثابت نگه داشتن سرعت توربین به مقدار بهینه خیلی مشکل است. در سرعت های متوسط باد، سیستم کنترل بایستی قادر به تصمیم گیری بین تغییر گام و تغییر بار باشد. به جهت اینکه فرکانس را در بارهای متغیر ثابت نگه دارد. احتمالا به سیستم کنترلی خیلی پیشرفته نیاز باشد اما قدرت تولیدی نزدیک به خصوصیات مفید مستقیم از توربین بادی می باشد. بدیهی است که ژنراتور Ac جهت ساختن میدان و سیستم کنترل وابسته به آن، در سایزهای کوچک نسبتا گران می باشد. برای این سیستم احتمالا توجیه اقتصادی زیر KV 100 مشکل است. آن گزینه خوبی برای دهکده های جدا از هم در هر منطقه می باشد. به دلیل کیفیت اصلی الکتریکی، اغلب بارهای دهکده ها را می توان به طور مستقیم از ژنراتور تغذیه کرد. در بارهای ضعیف می توان از یک باتری خانه کوچک و اینورتر برای تغذیه نمودن بارها استفاده نمود.
6-6- ژنراتور القایی خود تحریک
ما می دانیم که یک ماشین القایی می تواند به دو صورت موتوری و ژنراتوری به طور مطلوبی در شبکه الکتریکی کار کند. ما همچنین می دانیم که ژنراتور القایی یک تولید کننده ساده، ارزان، و خیلی معتبر و دارای بازده موثری نسبت به دیگر ژنراتورهای نوع Ac و یا Dc می باشد. ژنراتور القایی و ژنراتور PM به استثنای ساختار روتور آنها، ساختمان مشابهی دارند. بنابراین قابلیت اعتماد، کارایی، راندمان و فرکانس تولیدی کاملا شبیه یکدیگر هستند.
ژنراتور القایی نسبت به ژنراتورهای PM تولیدی ارزان قیمت ترند. توسط یک شرکت سازنده امروزه موتورهای القایی به طور گسترده ای استفاده می شوند و انتظار می رود که این کاربرد نسبت به ژنراتورهای القایی به دلیل قابلیت اعتماد، کارایی بیشتر و ارزان قیمت تر بودن آنها رو به افزایش باشد. یک ماشین القایی می تواند مانند یک ژنراتور Ac به طور مجزایی کار کند. شکل 9 یک نمونه از مدار یک ماشین القایی سنجابی سه فاز را نشان می دهد. خازن های نشان داده شده به صورت مثلثی به یکدیگر متصل می گردند. به دلایل اقتصادی که این نوع اتصال دارد، این خازن ها برای کارهای مداوم و طولانی که Motor -run نامیده می شود، ساخته می شوند و بیشتر آنها با ولتاژ V 460-370 نامی کار می کنند . برخی از موتورهای القایی در سایزهای KW 100 ساخته می شوند ولی بیشترین نوع موتورها در 208، 230 یا V 460 نامی ساخته می شوند و این خازن ها در سرتاسر خط به صورت دستی می توانند کنترل شوند. اگر خازن ها در داخل اتصالات ستاره، اتصال مجدد کنند، ولتاژ سراسر هر خازن به اندازه در اتصال مثلثی کم
می شود و توان راکتیو کشیده شده توسط هر خازن، کاهش می یابد.
بار مقاومتی نشان داده شده به صورت ستاره متصل می شود همچنین می تواند به صورت مثلث گردد. اگر خواسته باشیم این کار را انجام دهیم. در صورتی که به سطح ولتاژ مختلفی نیاز داشته باشد می توان از اتصال ستاره، مثلث استفاده نمود.
شکل (9-6) ژنراتور القایی خود تحریک
بارهای متعادل معمولا در خط های فازی متعادل بررسی می شوند مانند شکل 10 مقدار C در اتصال ستاره به صورت زیر به دست می آید.
(24-6)
Cd یعنی ظرفیت خازنی مورد نیاز در هر ضلع مثلث خازنی.
این مدار شبیه مدار اسیلاتور است که به آن اسیلاتور مقاومتی منفی گفته می شود. در برخی از فرکانس ها یک مدار نوسان کننده داشتیم که راکتانس خازنی آن برابر راکتانس اندوکتیو بود. بنابراین در این فرکانس نوسان اتفاق می افتد. هرگاه RL از مدار خارج می شود.
ژنراتور القایی کمی توسط پسماند مغناطیسی که وارد اسیلاتور می گردد را تهیه می کند که این ولتاژ ساخته شده به ولتاژ نامی خیلی نزدیک است. وقتی ولتاژ به مقدار کافی بار مقاومتی RL می تواند وارد عمل شود در یک مدار اسیلاتور ممکن است نوسان توسط بار بیش از حد متوقف شود(همچنین مقدار کوچکی از RL )
وقتی RL به حد مرزی نزدیک می شود ممکن است اسیلاتور در مدهای غیر منتظره مربوط به مدار غیر خطی کار کند. برای مثال ممکن است شکل موج بد بوده و یا لغزش در ژنراتورهای القایی به طور غیر معمول بزرگ باشد. بنابراین لازم است که در طراحی ژنراتور به حداکثر باری که می توانند متحمل شود، توجه کرد.
عملکرد ژنراتور در مدار شکل 10 نشان داده شده است که درک آن خیلی مشکل نیست ولی پرداختن به جزئیات آن کاملا سخت و دشوار است زیرا راکتانس مغناطیسی آن به صورت غیر خطی می باشد. بهر حال پرداختن به جزئیات آن در فهم و درک این متن نیست. بنابراین ما بحث را در یک جنبه محدود می کنیم.
شکل (10-6) مدار معادل یک فاز ژنراتور القایی خود تحریک.
بنابراین ابتدا ما در مورد مشخصه های پارامترهای نشان داده شده در شکل 10 را مورد بحث قرار
می دهیم. ما بایستی از نوشته های زیادی که در مورد این بحث وجود دارد کمک بگیریم و همچنین مسائل قابل پیش بینی را در مورد ماشین های القایی که هنگام القاء مغناطیسی چه اتفاقی خواهد افتاد را مورد توجه قرار دهیم.
مقادیر ذکر شده R1 ، R2 ، Rm ، X1 ، X2 و Xm را به طور آزمایشی بر روی یک ماشین می توان اندازه گیری کرد که تکنیک های لازم برای این کار در متن ها و در کتاب های ماشین آمده است. باید توجه داشت که این پارامترها به شرایط کاری ماشین وابسته است. در این ماشین با تغییر دمای Ta ، Tb مقدار R1 ، R2 افزایش می یابد که رابطه زیر برای آن بیان می گردد:
(25-6)
Ra مقاومت های R1 یا R2 در دمای Tb می باشند. این مطلب برای تغییر مقاومت یک ژنراتور بدون جریان که در یک روز داغ کار می کند C ْ 20- است. حال فرض شود دمای سیم پیچی آن ْ60 باشد آنگاه داریم:
372/1 = (20-235) / (60 + 235)
بنابراین مقاومت های R1 ، R2 می توانند تا بالای 37 درصد افزایش پیدا کنند تا جایی که انتظار داریم دما به آن برسد. بنابراین چنین تغییراتی نیاز به یک تحلیل کلی دارد.
مقاومت Rm ، هیسترزیس و افت جریان مخالف در ماشین اطلاق می شود. زمانی که جریان مخالف تغییر نکند، قدرت هیسترزیس در حوزه فرکانس تغییر می نماید. همچنین ممکن است با تغییر ولتاژ تغییر کند. در یک سیستم کاربردی فرکانس کاری بین 40 و Hz 60 می باشد. بنابراین مقاومت معادل 40 یا 50 درصد تغییر فرکانس کاری خواهد بود. اگر ماشین تلفات مغناطیسی داشته باشد Rm از اهمیت بیشتری نسبت به RL برخوردار خواهد بود. در این صورت مقدار متوسطی از Rm را در نظر می گیرند. اما اگر ژنراتور القیی بازده زیادی داشته باشد می توان از بررسی و مطالعه تاثیرات نوسان بر آن صرف نظر نمود.
مقاومت X1 ، X2 و Xm به ترتیب برابر است با . هر جا وجود دارد. یعنی فرکانس الکتریکی بر حسب رادیان L1 ، L2 و Lm اندوکتانس مدار می باشند. فرکانسبا توان ورودی، مقاومت بار، ظرفیت خازن و با تغییر دادن یک سری از پارامترهای ماشین تغییر خواهد نمود .
اندوکتانس L1 و L2 اگر دیمانسیون ماشین تغییر نکند نبایستی با تغییر دما، فرکانس و یا ولتاژ تغییر کند و بایستی ثابت بماند. فاصله هوایی میان روتور و استاتور ممکن است با دما تغییر کند که هر کدام از این موارد باعث تغییر در اندوکتانس خواهد شد. در کاهش فاصله هوایی میان روتور و استاتور از جمله مواردی است که باعث کاهش نشت اندوکتانس می گردد.
اندوکتانس مغناطیسی Lm دارای یک تابع کاملا غیر خطی از ولتاژ کاری VL می باشد که از اشباع در مدار مغناطیسی تاثیر می پذیرد. در حقیقت کار مداوم این سیستم فقط با یک Lm غیر خطی امکان پذیر است که تغییرات Lm شدیدا به فولاد به کار رفته در این نوع ژنراتور القایی بستگی دارد.
ما Lm را از منحنی مغناطیسی بدون بار طبق شکل 10-6 می توانیم به دست آوریم. در این شکل هر منحنی در شرایط بی باری (R =? ) به دست آمده بنابراین لغزش نزدیک صفر می شود و I2 جریان روتور ناچیز می گردد. جریان مغناطیسی که از Lm می گذرد به جریان خیلی نزدیک است با توجه به محور عمود VL می توان دریافت که فقط یک منحنی کار را در رنج فرکانسی مورد بررسی قرار می دهد. از رسم I1 (یا Ie ) در مقابل VL ولتاژ VA بدست می آید. در واقع با اندازه گیری در برابر I1 می توان نقطه به نقطه منحنی VA را رسم نمود. با توجه به معادله تعیین شده در زیر :
(26-6) VA = VL + I1 ( R1+ jX1)
منحنی مغناطیسی با توجه به تکنیک های ساخت و فولادهای استفاده شده مختلف در مونتاژ ژنراتور، دارای شکل مختلفی می باشد. این ویژگی برای یک hp 5 Dayto5 سه فاز موتور القایی در v 230 خط به خط نامی و جریان A 4/14 و hp 40 اسب بخار اتفاق می افتد. موتور القایی سه فاز در V 230/460 نامی خط به خط و جریان A 96/48 رخ خواهد داد. پارامترها برای ماشین hp 5 در واحد پریونیت به صورت
13 = Rm ، 075/0 = R و 042/0 = R2 و 16/0 L2 = L1 می باشد و اما پارامترهای اندازه گیری شده برای ماشین hp 40 خیلی پر اهمیت تر است نسبت به ماشین hp 5 زیرا Rm در این ماشین بزرگتر از R1 و R2 است در نتیجه مقدار ترم ها کاهش پیدا می کند.
ما مشاهده کردیم که ماشین hp 5 وقتی I1 تقریبا نصف جریان نامی است به ولتاژ نامی می رسد. در خروجی تقریبا به اندازه 15/1 دقیقه طول کشید تا ولتاژ خروجی به ولتاژ نامی برابر شود و برای جریان I1 تقریبا 8/0 دقیقه طول خواهد کشید تا جریان نامی را در خروجی دریافت کنیم. جریان مغناطیسی را بایستی تا pu 75/0 محدود نمود این بدان معنی است که ولتاژ نامی نباید از 10 یا 15 درصد برای ژنراتور خود تحریک hp 5 تجاوز نماید و اگر بیش از اندازه گرم شده باشد باید از این کار اجتناب نمود.
ماشین hp 40 وقتی که I1 تقریبا 3/0 مقدار نامی است به ولتاژ نامی می رسد و ولتاژ خروجی هنگامی که جریان 6/0 جریان نامی خط است به 130 درصد ولتاژ نامی خواهد رسید. به عبارت دیگر ماشین hp 40 می تواند در ولتاژهای بالاتری در میان تاثیرات گرمایی نسبت به ماشین hp 5 کار نماید که البته بایستی حد عایقی ماشین را نیز در نظر گرفت.
شکل (11-6) منحنی های مغناطیسی بی باری برای دور ژنراتور القایی
جریان مغناطیسی کنندگی لازم است که در صورت امکان برای ژنراتور القایی در این کاربرد ولتاژ نامی کوچکی تهیه کند و اگر در ماشین طور دیگری ساخته شده باشند جریان مغناطیسی کمتری بایستی انتخاب شود. این کار اجازه می دهد که در ترم های از رنج کاری بار مقاومتی و فرکانس شرایط کار تغییر کند.
اندوکتانس مغناطیسی Lm.pu به صورت زیر تعریف می شود:
(26-6)
که این رابطه را می توان به صورت تقریبی زیر بیان نمود:
(27-6)
که در این فقط شیب خط عبور کرده از مبداء در شکل 11-6 است که هر نقطه روی منحنی مغناطیس کنندگی را شامل می شود. منحنی های تقریبی برای Lm.pu برای دو ماشین در شکل 12 شرح داده شده است. در این نمودار ما مشاهده می کنیم که برای ولتاژهای کم اندوکتانس ثابت و تقریبا برابر ولتاژ نامی می باشد. بنابراین وقتی اشباع زیاد است اندوکتانس ماشین کاهش می یابد.
شکل (12-6) اندوکتانس مغناطیس کنندگی نسبت به ولتاژ بار بر حسب پریونیت.
مشاهده کردیم که وقتی پارامترهای ماشین تغییر می کند تحلیل همه جزئیات مشکل است. بنابراین نباید فقط برای حل از روش منحنی غیر خطی استفاده کرد بلکه بایستی برای حل رنج قبل قبولی از پارمترهای ماشین را نیز بدست آورد. این مقادیر جهت محاسبه لازم و ضروری است چرا که ممکن است ماشین معیوب باشد. ما باید تحلیل همه جزئیات را به دیگران واگذار کنیم و خودمان به صورت یک مثال از نتایج تجربی برسی های لازم را انجام دهیم.
شکل 13-6 ولتاژ خروجی متغیر با توان ورودی را برای ماشین hp 40 که اشاره کردیم را نشان می دهد. ولتاژ نامی 230 ولت خط یا V 8/132 خط به نول است. ولتاژ خط به نول از 90 تا V 150 طبق اطلاعات بررسی شده در این متن تغییر خواهد کرد.
شکل (13-6) تغییرات ولتاژ خروجی شفت ورودی برای مقاومت های گوناگون و بارهای خازنی جهت یک ژنراتور القایی خود تحریک hp 40.
همه مقاومت های ماشین به ترتیب قطع می شوند وقتی نوسان ایجاد می شود. هنگامی بار متصل می گردد که ولتاژ به مقدار نامی رسیده باشد. سرعت و ظرفیت خازنی تقریبا 8/0 یا 9/0 ولتاژ نامی را تولید می کند. برای مثال ولتاژ برای سرعت های زیر r/min 1600 و ظرفیت 285 خط به خط ساخته نخواهد شد. در سرعت های r/min 1600 ولتاژ بالای در یک پریود در عرض چند ثانیه نزدیک به ولتاژ نامی ساخته می شود. همچنین ماشین می تواند در سرعت های کم تا r/min 1465 و ولتاژهای کمتر از 7/0 ولتاژ نامی قبل از اینکه نوسان متوقف گردد کار کند.
قدرت مبنا برای این ماشین W38240= (A96)(V230) است و توان نامی(cos 96)(230 می باشد که همیشه کمتر از قدرت مبنا است چون این یکی از ویژگی های سیستم پریونیت شده است و قدرت مکانیکی ورودی نباید از pu 1/0 برای پریودهای کوتاه تجاوز نماید زیرا ماشین پیش از این در
pu 1 = Pm به حالت اضافه بار رسیده.
امپدانس مبنا در این ماشین 388/1 = 96/132.8 است و ظرفیت مبنا =
1918 = [(377) (1.383) ]/ 1 در حالت خط به نول به صورت 1155 = (185)3 است. نقطه مطلوب برای استارت ژنراتور القایی hp 50-5 طبق آزمایشاتی که صورت گرفته به نظر می رسد که ظرفیت خازنی pu 6/0 باشد. اکنون به آنچه که در مورد شکل 13 بحث کردیم بر می گردیم. ما دیدیم که برای منحنی شماره 1 بار مقاومتی pu 42/2 و ظرفیت pu 662/0 بیان شد در این منحنی دیدیم که ولتاژ از
pu 68/0 تا pu 13/1 و Pm از pu 22/0 تا pu 59/0 تغییر کرد و طبق آنچه انتظار می رفت تغییرات به صورت خطی صورت گرفت و وقتی مقاومت تا pu 39/1 کاهش پیدا کرد و ظرفیت نیز به مقدار کمی کم شد، منحنی 2 را تشکیل دادیم. در pu59/0 = Pm ولتاژ جدیدی به مقدار pu 81/0 خواهیم داشت. اگر تغییرات کمتری در ماشین داشته باشیم، توان خروجی الکتریکی VL2/RL یکنواخت باقی خواهد ماند. ما در این بخش دیدیم که ولتاژ خروجی به وسیله مقاومت تعیین می شود و ظرفیت خازنی دخالتی ندارد. منحنی های 2 ، 3 ، 4 و 5 نشان می دهند که ظرفیت تغییر می کند. نکته دیگر اینکه وقتی مقاومت اصلی ثابت نگه داشته می شود تغییرات زیادی در ولتاژ حس نمی کنیم.
تغییرات ظرفیت خازنی سبب می شود تا نوسانات فرکانسی تغییر کرده و در نتیجه سرعت ماشین دچار تغییر گردد. ما همچنین در شکل 14 مشاهده کردیم که چگونه سرعت با Pm تغییر می کند. کاهش ظرفیت، باعث افزایش سرعت به ازاء Pm یکنواخت می شود. ما حتی نشان دادیم که توان چگونه از 4/0 تا 6/0 با تغییرات کم در سرعت می رسد. فرکانس در حالت تشدید تغییر خواهد کرد حتی اگر سرعت تغییر ننماید. بنابراین ما دوست داریم که لغزش جایی که منحنی های سرعت نزدیک خط افقی است زیاد باشد. برای این ماشین خاص بازده ممکن است به اندازه 90 درصد در لغزش های زیاد کم شود. بهر حال با مقایسه منحنی های 6 و 7 در می یابیم که افزایش اندکی در بار باعث افزایش سرعت می گردد. پس به نظر می رسد که در سرعت زیاد لغزش ثابت بماند اما هنگامی که تشدید صورت می گیرد بایستی افزایش ظرفیت متوقف گردد. منحنی های 3 و 7 نشان می دهند که چگونه تغییرات به طور آشکار ظرفیت را از pu 446/0 به
pu 602/0 افزایش می دهد. پس ما می توانیم از این نتایج این گونه استدلال کنیم که ظرفیت کمتر از
pu 524/0 برای ماشین بی خطر است و حتی می توان اجازه یافت که ماشین را با pu 446/0 به کار انداخت.
اکنون به استراتژی مناسب می پردازیم. هنگامی که وضعیت باد در حال تغییر است Pm قدرت مکانیکی خروجی از توربین بادی می باشد که فرض می کنیم از 0 تا pu 0/1 تغییر کند و مقدار ظرفیت را 524/0 در نظر می گیریم. در pu 0/1 = Pm برای pu 38/1 = RL ولتاژ pu 09/1 و سرعت pu 01/1 خواهد بود. این مقدار ماکزیمم برای RL و C خوب است و همین طور قدرت ورودی به اندازه pu 44/0 و سرعت به اندازه pu 999/0 کاهش می یابد. چنانچه توان ورودی به مقدار زیادی کاهش پیدا کند ژنراتور القایی از منطقه اشباع منحنی غیر خطی خارج شده و سبب نوسان خواهد شد. بنابراین برای رفع این مشکل لازم است بار را کم می کنیم یا RL را افزایش دهیم. با توجه به منحنی های 3 و 4 در می یابیم که اگر pu 38/1 = RL تا pu 66/4 تغییر دهیم دچار مشکل خواهیم شد. در مقاومت های بزرگتر ولتاژ بیش از اندازه خواهد شد و یا ممکن است در مقاومت های کوچک نوسان داشته باشیم. همچنان که منحنی RL بزرگتر می شود ما به مقدار متوسطی از RL احتیاج داریم که اگر این افزایش ادامه پیدا کند ما به منحنی کوچکتری مانند منحنی 1 یا 2 برای بررسی های لازم احتیاج داریم.
منحنی 1 و 2 در pu 5/0= Pm قطع می شود. بنابراین ما می توانیم یک منحنی برای یک مقدار جدید از RL که منحنی 3 را در مقداری از Pm قطع می کند. تصور کنید که این منحنی را می توان با منحنی '4 در شکل 15 نشان داد. اگر ما منحنی '4 را ادامه دهیم می بینیم که به مقدار pu 2/0= Pm خواهیم رسید که در این نقطه سرعت تقریبا pu 8/0 نامی می باشد. در این جا توان شفت تا pu 5/0 = Pm افزایش
می یابد. در نتیجه سرعت تا 95/0 سرعت نامی به پیش خواهد رفت. بار اضافی باعث می شود که سرعت توربین افزایش یافته و توان کم به صورت زودگذر روی توربین باقی می ماند.
چنانچه سرعت به آهستگی تا pu 01/1 نامی افزایش یابدpu 0/1 Pm خواهد شد. حال اگر باد به اندازه کافی باشد که قدرت ژنراتور را تامین کند، گام پروانه بایستی تغییر کرده و ترمزها تنظیم گردند.
شکل (14-6) تغییرات سرعت چرخشی با قدرت شفت ورودی برای تغییرات بار و ظرفیت در یک ژنراتور القایی خود تحریک hp 40 اسب بخار.
مقاومت منحنی '4 را از شکل های 13 و 14 و فرمول زیر می توان بدست آورد.
(28-6)
ما فرض می کنیم که انتقال مطلوبی میان توربین و ژنراتور باشد و بنابراین می توانیم بگوئیم که قدرت خروجی توربین هم اندازه قدرت ورودی آن است. چنانچه ما بخواهیم مقاومت واقعی را به دست آوریم می توانیم از توان و ولتاژ هر فاز استفاده کنیم. ما مستقیما برای بررسی ها از مقادیر پریونیت استفاده
می کنیم. برای مثال برای pu 0/1 = VL در منحنی 3 شکل 4 ما بررسی کردیم که pu 86/0 = Pm است. اگر pu 38/1 = RL باشد آنگاه 0.72 = 1.38 / 2 (1.0) = Pe خواهد بود. اما Pm = Pe که
0.84 =( 0.86) / (0.72) = یک مقدار منطقی برای این آزمایش به دست می آید. حال اگر فرض کنیم
15/1= VL ، 5/0 = Pm و 84/0 = برای منحنی '4 ، می توانیم RL را به صورت زیر بدست بیاوریم.
شکل (15-6) : تغییرات سرعت دورانی نسبت به قدرت شفت ورودی با انتخاب سه بار مقاومتی خوب برای ژنراتور القایی خود تحریک hp 40.
با این مقدار از RL توان ورودی pu 2/0 = Pm خواهد شد. برای Pm های کوچکتر لازم است که ما RL را بزرگتر انتخاب کنیم. بنابراین برای رسیدن به مقدار جدید می توانیم طبق رویه فوق عمل کنیم. حال اگر ما نقطه ای روی منحنی 8 شکل 15 جایی که pu 15/1 = VL ، pu 5/0 = Pm و مقدار دلخواه 75/0 فرض کنیم، می توانیم RL را به صورت روبرو به دست آوریم.
خواهد بود که باعث کم شدن Pm به اندازه 08/0=Pm
می گردد که هر یک از این موارد برای چرخش ژنراتور در سرعت نامی کافی نیست و تغییران سرعت و ولتاژ در بارهای کم از اهیمت زیادتری برخوردار است. زیرا که ممکن است از لحاظ مکانیکی ناپایدار باشد. زیرا منحنی های 3 و ' 4 اما این ناپایداری در سطوح توان کم و بادهای تند انتظار می رود که برای ژنراتور ضرری نداشته باشد.
در این بحث ترتیب بارها به صورت مینیمم که در شکل 16-6 دیده می شود نشان داده ایم. سوئیچ های S1 ، S2 و S3 می توانند اتصالات مکانیکی یا یک رله باشند. توربین از سرعت صفر استارت می شود در این وضعیت است که طولی نمی کشد تا S1 بسته شود و ولتاژ به pu 0/1 برسد. وقتی ولتاژ pu 15/1 است قدرت خروجی pu 2/0 = Pm خواهد شد و S2 در این مثال بسته می گردد. وقتی ولتاژ به pu 15/0 رسید S3 بسته خواهد شد و هنگامی که ولتاژ زیر 7/0 افت کند همه سوئیچ های بسته، باز خواهند شد که این عمل توسط یک میکروکنرتلر ساده انجام می گیرد.
شکل (16-6) ظرفیت مینیمم و بارهای مقاومتی برای ژنراتور القایی خود تحریک .
7-6- ژنراتور مدولاسیون میدان
بنابراین در این فصل ما، ماشین های الکتریکی کلاسیک که در قرون اخیر موجود است را مطرح کردیم. ماشین های دیگر در یک یا دو دهه اخیر توسعه یافته اند که برای کاربرد توربین بادی در دسترس هستند. همچنین یکی از این ماشین ها، ژنراتور مدوله کننده میدان، توسعه یافته در دانشگاه اکلاهاما می باشد.
این سیستم از متغیر سرعت، متغیر فرکانس، ژنراتور سه فاز جهت تولید کردن قدرت تک فاز یا سه فاز در فرکانس کنترل شده دقیقاً Hz 60 استفاده می کند. ژنراتور در سرعت باد مثلاً 6000 تا r min 10000 و در فرکانس بالا دست کم Hz 400 کار می کند. این ماشین ها در ابتدا برای کاربردهای نظامی توسعه یافتند. ژنراتورهای کانولوشنی دارای دو منفعت مهم می باشند. اولین فایده این است که آنها به نحوی در موتور بنزینی ساده با سرعت ضعیف رگولاسیون و در تجهیزات قابل حمل کار می کنند و غالباً به موتورهای جت در هواپیما متصل می شوند. منفعت دیگر این است که نسبت تولید کردن به عملکرد بالای سرعت مطلوب می باشد.
ظرفیت قدرت مفروض از اندازه ماشین است و مستقیماً متناسب با سرعت با فرکانس می باشد و همچنین جهت اداره کردن فرکانس هنگامیکه وزن بحرانی باشد، مهم است. این دلیل استفاده در هواپیما از Hz 400 که بیشتر از Hz 60 می باشد. وزن برای همه توربین های باد، مشکل ساز نمی باشد اما سرعت ورودی متغیر و فرکانس خروجی ثابت قابل توجه می باشد.
ساختمان اصلی از مدولاسیون میدان ژنراتور ac سه فاز بحث شده در فصل قبل می باشد. بجای نمونه چهارقطب و r/min 1800، آن می تواند 16 قطب داشته باشد و بین6000 تا r/min1000 کار کند فرکانس خروجی در r/min 6000 و میدان dc بکار رفته در روتور ممکن است باشد. برای عملکرد روتور، مقدار dc نمی تواند کاربرد داشته باشد اما بیشتر فرکانس قدرت مستقیم در
Hz 60 می باشد. از سیم پیچ های خروجی ژنراتور نتیجه می شود که مشابه نوار دو طرفه ac، بار تحت فشار سیستم های مدولاسیون است که در ارتباطات رادیویی به کار می رود. به جای Hz 800 فرکانس بین 740 و Hz860 وجود دارد. بنابراین پروسه از بهبود یافتن مدولاسیون با یکسو سازی سیگنال فرکانس قدرت، در روتور استفاده می کند. در خروجی شکل موج ژنراتور یک مدولاسیون و فیلتر کردن است. شکل موج اصلی در شکل 17-6 نشان داده شده است.
شکل (17-6) شکل موج هایی از مولد مدوله کننده میدان (a) شکل موج اصلی ؛ شکل موج یکسو شده (c) شکل موج یکسو شده و نصف موج معکوس شده.
طرح ساده ای از مولد مدوله کننده میدان با خروجی تک فاز در شکل 18-6 نشان داده شده است.
در سمت چپ یک منبع تحریک که سیگنال سینوسی برابر میدان تولید می کند. پل دیودی سیگنالی با فرکانس مشابه در میدان تهیه می کند اما دامنه با در افت در حدود V4/1 پیک در دیود شکسته می شود. آن تقریباً می تواند شبیه موج مربعی باشد و برای سلیکون یکسو شده کنترل شده در خروجی ژنراتور، اطلاعات را بازسازی کند.
تنظیم خازن ها و موج کامل پل یکسوساز، در مکانی در طول هر فاز ژنراتور می باشد. ترمینال های خروجی از هر سه موج کامل پل یکسو ساز برابر و موازی هستند و سپس وارد مدار اتصال SCR می شوند. SCR1 و SCR4 در طول نیم سیکل از موج Hz60 را بر می گردانند و SCR2 و SCR3 بقیه نیم سیکل ها را بر می گردانند. قدرت یکسو شده در سمت راست شکل به سمت ترانسفورمر جاری می شود اجزاء C3، L3، C1، L1 کمک می کنند تا مولفه های فرکانس بالا را در شکل موج خروجی فیلتر کرد. اجزاء SCR5 ، C2 ، L2 و SCR6 در مدار یکسو ساز به کار می روند تا به SCR شبکه اتصال به بار راکتیو ، وصل شوند.
یادآوری می گردد که اگر که ژنراتور برای خروجی ماکزیمم ، نیاز به متعادل دارد. ملزم به این است که هر فاز در همه زمانها ع هادی باشد ک ظاهراً نمونه با موج کامل یکسو شده برابر نیست. این نسبتاً باور نکردنی است که در یک زمان دو فاز ، هادی شوند و بقیه قطع باشند زیرا ولتاژ فاز در طول بخشی از سیکل برای غلبه بر ولتاژ های فاز خروجی از فازهای دیگر پایین می باشد. با انتخاب مناسب راکتانس ژنراتور و خازن جبران کننده ، هر فاز برای 3600 از سیکل کاری را هدایت می کند. بنابراین در هر لحظه از زمان هر سه فاز جریان بار را تامین می کنند. نتایج تقریباً متعادل است.
غالباً از ژنراتور مدوله کننده میدان می توان برای تولید توان سه فاز استفاده کرد. این به سه سیم پیچی روتور مجزا به همراه یک روتور نیازمند است. دستگاه سه سیم پیچ استاتور دارد. هر سیم پیچ روتور تحریک مستقل می باشد. سه سیم پیچ استاتور مدار الکترونیکی مشابه این دارد که در شکل 18-6 نشان داده شده است. خروجی این سه سیستم تک فاز به صورت مجتمع و با همدیگر، شکلی از خروجی سه فاز می باشند.
اندازه گیری راندمان ژنراتور مدوله کننده میدان KW60 در دانشگاه اکلاهاما آزمایش شد و تقریباً 90 درصد بود، نسبتاً رقابتی با انواع ژنراتور در ابعاد مشابه دارد. عیب عمده آن هزینه و پیچیدگی مدار الکترونیک قدرت خواهد بود. این هزینه زمانی ظاهر می شود که دقیقاً Hz60 مورد نیاز باشد. به هر حال اختلاف فرکانس تا 10 درصد قابل قبول است ، ژنراتور القایی یا ژنراتورهای ac می توانند کمتر گران و احتمالاً مطمئن تر باشند.
شکل (18-6) طرح ساده شده ژنراتور مدوله کننده میدان
8-6-ژنراتور راسل
نوع دیگری از ژنراتور الکتریکی که توان با فرکانس ثابت برای رنجی از سرعت شفت تحویل می دهد ژنراتور راسل که به نام مخترع آن j.f. Roesel نامگذاری شده است و جهت درک این ژنراتور ، ما فرکانس خروجی را در همه ژنراتورهای الکتریکی به صورت زیر تعریف می کنیم.
(29-6)
که n سرعت دورانی برحسب دور بر دقیقه و p تعداد قطب ها می باشد. همه ژنراتورهای الکتریکی را شامل می شود. بنابراین سیم پیچ های فیزیکی بر روی روتور ژنراتور تعداد قطب ها را تعیین می کند. نیروی فرکانس خروجی با سرعت دورانی تغییر می کند. ژنراتور راسل از این نظر که می تواند تعداد قطب ها به طور پیوسته تغییر دهد، متفاوت است و خصوصیات وارونه ای برای n دارد و همچنین f می تواند مقاومتی ثابتی را بگیرد.
دیاگرام اصلی از ژنراتور راسل در شکل 23 نشان داده شده است. استاتور با سیم پیچ کنترل شده در درون ژنراتور نسبت به بارهای خارجی قرار گرفته است. روتور که شامل قطب میدان است در بیرون از استاتور می چرخد. استاتور شامل ، سیم پیچ تحریک پیچیده شده در اطراف سر محرک به خروجی معمول سیم پیچ ها اضافه شده است. روتور از دو لایه ساخته شده است که لایه بیرونی از فولاد متورق با نفوذ پذیری مغناطیسی بالا و همچنین لایه داخلی از ماده مغناطیس شونده سختی به نام فریت باریم ساخته شده است. عموماً فریت ها نسبت به فولاد خصوصیت قدرت مکانیکی قویتری ندارد. بنابراین این طراحی سبب می شود که فولاد نیروی مکانیکی و نیروهای گریز از مرکز را تحمل کند. در صورتی که روتور درون استاتور باشد، فریت خیلی قویتر خواهد شد.
شکل (19-6) دیاگرام اصلی از ژنراتور راسل
فرکانس سینوسی دقیقی در سیم پیچ تحریک و قطب های مغناطیس شونده بر روی روتور تولید می شود هنگامی که حول استاتور بچرخد. این قطب نامیده می شود. این قطب در فرکانس مساوی شامل ولتاژ سیم پیچ های استاتور می گردد. دقت فرکانس خروجی برابر فرکانس ورودی، مستقل از سرعت شفت، بالاتر از رنج دو به یک قرار دارد. اگر سیم پیچ تحریک توسط کریستال کنترل شده اسیلاتور با دقت Hz01/0 راه اندازی شود. خروجی نیز دارای همین دقت خواهد بود.
اگر سرعت روتور افزایش بیابد اندازه جانبی قطب ها افزایش می یابد و تعداد کمی از آنها در اطراف محیط روتور مرتب هستند. اگر سرعت روتور کاهش یابد ، اندازه قطب ها کاهش می یابد. همچنین اکثر آنها در اطراف محیط روتور مرتب هستند. جفت قطب با سرعت سنکرون وجود دارد که هر یک از جفت قطب ها مساوی اندازه قطب ها به طور یکنواخت در محیط اطراف روتور می باشد. در بقیه محیط قطب فرد با سرعت سنکرون وجود دارد که تعداد فرد مساوی اندازه قطب ها با مساحت اطراف روتور برابر هستند. با این همه کسری قطب در مجاورت سر محرک از قطب ها وجود دارد. در سرعت سنکرون جفت قطب ، از یک چرخش تا بعدی در همین مکان باقی می ماند بنابراین هیچ بازگشتی در قطب های قرار داده شده وجود ندارد. در این مورد تلفات هیسترزیس روتور وجود ندارد چون که آهن مغناطیسی با زمان تغییر نمی کند. به هر حال هر قطب مثبت کاملاً با قطب منفی رد حین هر چرخش جایگزین می شود. همچنین تلفات هیسترزیس روتور در این سرعت ماکزیمم خواهد بود. این تلفات با انتخاب مناسب موارد مغناطیسی می تواند تا حد ایده آل کوچک شود.
محدودیت ذاتی در رنجی از سرعت های مجاز ژنراتور راسل وجود دارد. استاتور سیم پیچ هایی دارد که ظرفیت آن کسری از اندازه محیط را تعیین می کند. کارایی زمانی بهترین است که سرعت روتور همانند یک قطب ، بر روی روتور ، اندازه محیطی برابر داشته باشد و همچنین سیم پیچ استاتور بر روی استاتور داشته باشد. نصف این سرعت ، دو برابر خیلی از قطب های روتور برای نگهداری فرکانس خروجی مفروض انجام می دهد. ما می دانیم که دو قطب تحت فشار یک سیم پیچ استاتور داریم که شار مغناطیسی خالص صفر در سیم پیچ تولید می کند. هم اکنون ولتاژ خروجی صفر می شود زیرا مدت زمان تغییر شار وجود ندارد. ولتاژ خروجی اغلب در دو برابر سرعت اصلی ، صفر می شود زیرا مدت زمان تغییر شار وجود ندارد. ولتاژ خروجی اغلب در دو برابر سرعت اصلی ، صفر می گردد. این ژنراتور راسل است که سرعت نامی r/min 1800 دارد و خروجی از 0 تا 900 و 3600 r/min دارد. در این مورد احتمالاً سرعت کارکرد بین 1200 و r/min1800 محدود شود. در بالای این محدوده ، رگولاسیون ولتاژ توسط تغییر دادن دامنه و جریان تحرکی شار دیده شده توسط سیم پیچ های استاتور را تغییر می دهد. همچنین رنجی از سرعت بیشتر برای اغلب کاربردها شامل ژنراتورهای توربین بادی با سرعت متغیر ، کافی است.
ژنراتور راسل چند خصیصه مطلوب در طراحی خود دارد. یکی از آنها این است که جاروبک و حلقه تماسی و سیم پیچ های دوار وجود ندارد. این خصوصیت که سبب کم شدن هزینه است کمک می کند و قابلیت اعتماد بالا می رود. خصیصه دیگر این است که ضعف الکترونیک ، از ولتاژ و جریان مناسب تک فرکانس تولید می کند.
با نتایج بدست آمده از بعد هزینه و مقایسه با ژنراتور مدوله کننده میدان ، به کلید زنی و فیلتر کردن قدرت خروجی احتیاجی نیست. نتایج دیگری نیز در سرعت های روتور از 1200 به r/min 1800 با مقایسه کردن سرعت های 6000 تا r/min 10000 در ژنراتور مدوله کننده میدان به دست می آید که نشان دهنده طراحی خوب و ارزشمند می باشد. سرعت های کم سبب ساده تر شدن تجهیزات گیربکس و احتمالاً بهبودی راندمان کل می گردد.
هم اکنون نمونه هایی از ژنراتور راسل در سایزهای 1 تا KVA10 توسط precise power Corporation ساخته شده است که نکات فنی این بحث را شرح داده اند. توسعه مداوم در سایزهای بزرگتر ادامه دارد. پرسش هایی از راندمان ژنراتور، قابلیت اعتماد و عمر مورد انتظار ، به طور کامل پاسخ داده نشده است اما به نظر می رسد مسئله غیر قابل حلی نباشد.
فصل هفتم:مبدلهای الکتریکی
1-7- مبدلهای الکترونیکی
در توربینهای بادی سرعت متغیر بسته به نوع ژنراتور مورد استفاده برای ایجاد قدرت سنکرون به یکی از مبدلهای DC/AC (یکسو کننده) و AC/DC (سیلکو کنورتر) (Cycloeonverter) نیاز خواهیم داشت. در سالهای اخیر قیمت مبدلهای الکترونیکی کاهش یافته و قابلیت اطمینان آنها افزایش چشمگیری داشته است این مبدلها در فرکانسهای بالا و قدرتهای متوسط و کم از المانهای ato و تراتزیستور دو قطبی ، اثر میدانی و اخیراً GTB و در فرکانسهای پایین و قدرتهای بالا از تریستورها استفاده می کنند. المانهای دسته اول قابلیت قطع و وصل توسط سیگنال گیت دارند در صورتی که تریتورها را با اعمال سیگنال گیت فقط می توان روشن نمود و خاموش کردن آنها نیاز به مبدل اضافی (مدارهای کموتاسیون) داشته که مشکلات جانبی همراه دارد.
2-7-مبدل DC/AC
اینورترها به نوع کموتاسیون آلمانهای نیمه هادی به سه دسته کموتاسیون اجباری طبیعی (خط) و خود بخود تقسیم می شوند. اینورتر با کموتاسیون طبیعی ارزانتر از اینورترهای دیگر بوده ولی فقط می تواند به شبکه متصل شوند. در حقیقت عمل کموتاسیون کلیدهای آن توسط ولتاژ سه فاز خروجی آن انجام می شود. و از این جهت برای تغذیه بارهای مستقل نمی توان از این اینورتر استفاده کرد. اینورتر کموتاسیون اجباری قابلیت تغذیه بار مستقل و شبکه را دارند ولی در عوض به خاطر وجود مدارهای کموتاسیون قیمت بیشتری داشته و قابلیت اطمینان کمتری دارند.
در اینورتر با کموتاسیون خودبخود، عمل کموتاسیون یا با استفاده از خازن و یک تریستور اضافی انجام می شود یا اینکه المانهای نیمه هادی، خود قابلیت قطع دارند. اینورترهای با کموتاسیون خودبخود ، به سه دسته اینورتر منبع جریان (CST) اینورتر منبع ولتاژ (VSI) و اینورتر مدولاسیون عرض پالس (PWM) تقسیم می شوند.
در اینورتر VSI ، ورودی منبع ولتاژ DC بوده و خروجی ولتاژ مربعی یا شبه مربعی می باشد. در اینورتر CSI، ورودی منبع جریان DC و خروجی ، جریان مرج مربعی یا شبه مربعی است. در حقیقت اینورتر VSI دوگان اینورتر CSI می باشد و ولتاژ جریان خروجی یکی مشابه جریان و ولتاژ خروجی دیگری است.
شکل زیر یک اینورتر سه فاز منبع جریان، که یک موتور سنکرون را تغذیه می کند، نمایش می دهد. در این مدار، تریستورها به ترتیب 1 ، 6 ، 2 ، 4 ، 3 ، 5 آتش می شوند و در هر سیکل هر تریستور به مدت 1200 روشن بوده و در 2400 بعدی خاموش می ماند خازنهای C1 تا C4 عمل کموتاسیون تریستورها را انجام می دهند.
ورودی اینورتر جریان ثابت Is می باشد.
سیگنالهای گیت، فواصل هدایت تریستورها و جریانهای خروجی اینورتر
3-7- اینورتر سه فاز برای تغذیه موتورآ سنکرون
در همان شکل سیگنالها گیت تریستورها و جریانهای سه فاز خروجی مبدل نیز آورده شده است. با بسط سری فوریه جریان فاز a خواهیم داشت.
(1-7)
بنابراین اندازه هارمونیک اول جریان فاز a و مقدار موثر آن یا I27/0 خواهد بود. برای تغذیه بارهای مستقل یا در حین سنکرونیزاسیون با شبکه ، باید ولتاژ خروجی اینورتر کنترل شود.
ولتاژ خروجی اینورتر VST (جریان خروجی اینورتر CSI) را می توان با تغییر عرض پالس هر نیم سیکل ولتاژ (جریان) کنترل نمود. یکی از روشهای متداول جهت تحقق این امر، روش pwm سینوس می باشد. مزیت عمده این روش کم بودن هارمونیکهای خروجی حاصله می باشد. در این روش ، سیگنال گیت از مقایسه یک قطار موج مثلثی با یک سیگنال سینوس حاصل می شود.
4-7- مبدلهای AC/DC
شکل زیر یکسو کننده سه فاز تمام موج با المانهای دیودی را نشان یم دهد. این مبدل را می توان در دو مرحله بررسی کرد. در مرحله اول که نیم سیکل به طول می انجامد، در هر 600 ولتاژ یک فاز به طور متوالی به بار اعمال می شود و در مرحله دوم (نیم سیکل بعدی) در هر 600 ولتاژ یک فاز به طور متوالی و با پلاریته معکوس به بار اعمال می شود.
ولتاژ خروجی یکسو کننده (ad10 V)T (ب) یکسو کننده سه فاز تمام موج دیودی (الف)
در قسمت ب همان شکل ، ولتاژ بار (خروجی مبدل) نشان داده شده است همانطور که مشاهده می شود. ولتاژ خروجی کاملاً dc نیست و مقداری ریپل دارد. هارمونیک اول این ولتاژ دارای فرکانس 300 هرتز است. برای کاهش ایپل ولتاژ باید از فیلتر پایین گذر در خروجی استفاده کرد.
اگر در مدار شکل بالا به جای دیود از تریستور استفاده کنیم می توان با تغییر زاویه آتش تریستورها اندازه ولتاژ dc خروجی را کنترل کرد. اگر a زاویه تاخیر آتش باشد، اندازه ولتاژ متوسط خروجی برابر خواهد بود با.
که vph ولتاژ فاز ورودی است.
مبدل فرکانس مورد نیاز برای تبدیل فرکانس متغیر خروجی ژنراتورهای سرعت متغیر با اتصال یک مبدل AC/DC به یک مبدل DC/AC مهیا می شود. عموماً مبدل AC/DC یک یکسو کننده دیودی بوده که خروجی آن توسط یک سلف بزرگ فیلتر می شود و همچنین مبدل DC/AC یک اینورتر CSI کموتاسیون اجباری با کنترل PWM می باشد.
CSI علاوه بر کنترل توان اکتیو منتقل شده به بار، دو مزیت دیگر نیز دارد که VSI فاقد آن است. یکی اینکه با نصب خازن در خروجی مبدل می توان جریان تزریقی به بار را فیلتر کرد و دیگر اینکه نیازی به مبدل dc افزاینده (برشگر) ندارد.
5-7- مبدلهای الکتریکی توربین باد در سرعت ثابت
در این بخش مبدلهای الکتریکی سرعت ثابت در دو حالت متصل به شبکه قدرت و تغذیه بار مستقل تحلیل می شوند. و در حالت دوم روشهای تثبیت فرکانس و ولتاژ خروجی مبدل با تغییر سرعت باد و تغییر بار بیان می شود.
6-7- اتصال نیروگاه های بادی به شبکه سراسری
1-6-7- طراحی اندازه سیستمهای متصل به شبکه
اندازه یا ظرفیت تولید یک توربین بادی در شرایط نصب مخصوص ، بستگی به مقدار توان مورد نیاز و شرایط باد در محل مورد نظر دارد. غیرواقعی خواهد بود که اگر فرض کنیم تمام انرژی مورد نیاز به طور اقتصادی تنها توسط بار تامین شود. به عنوان یک قاعده کلی یک سیستم باد باید طوری از نظر اندازه طراحی شود که بین 25 تا 75 درصد کل مایحتاج انرژی را تامین کند. اغلب مصارف مسکونی نیازمند یک ماشین با ظرفیت یک تا 10 کیلووات هستند. مصارف کشاورزی نیاز در حد 10 تا 50 کیلو وات و مصارف تجاری و صنایع کوچک عموماً نیازمند توان 20 کیلووات یا بالاترند. از آنجا که اغلب ساختمانها به یک خط تغذیه متصل هستند تعداد زیادی از دارندگان توربین بادی پذیرفته اند سیستمهای خود را به یکدیگر متصل کنند. در واقع این سیستمها از خط تغذیه فوق به عنوان سیستم پشتیبان استفاده می کنند. برق اضافه از حد نیاز (مازاد برق) بدست آمده از توربین ، به طور خودکار به خط تغذیه داده شده و به این ترتیب برق پشتیبان فراهم می شود. در حالی که این میزان، تشکیل دهنده ذخیره واقعی نیست. در عین حال این میزان تامین کننده برق مورد تقاضا در هر زمان و به هر اندازه است. روند کسب موافقت شرکت تغذیه برای گرفتن خط ارتباطی روندی طولانی تر و پیچیده بوده و نیازمند برنامه ریزی دقیق است امکان برقراری چنین ارتباطی باید در اوایل فرایند تحقیق در مورد یک سیستم بادی بررسی شود.
تغییرات مصرف انرژی سیستم مورد نظر شما و مقدار هزینه ای که مایلید بابت آن برای یک سیستم بادی بپردازید باید در انتخاب سیستم مورد توجه قرار گیرد. به عنوان مثال کاربری که میزان مصرف آن نامنظم است باید توربین بادی متفاوتی از نظر اندازه و کاربری انتخاب کند که نسبتاً تقاضای مصرف ثابتی دارد. در مورد اولی اندازه توربین بادی باید تابعی از میانگین انرژی مورد تقاضا در دوره ای درخواست شده باشد.
2-6-7- سیستمهای غیرمتصل به شبکه سراسری
سیستمهای قدرت خارج از شبکه سراسری (مجزا و غیر متصل به شبکه) می توانند منجر به هزینه های بالاتری شود، اما هزینه بالای انتقالی یک خط قدرت به یک موقعیت دور اغلب وجود چنین سیستمهای انرژی مستقل از شبکه را مقرون به صرفه ترین انتخاب برای خانه ها و تجهیزات واقع در دوردست می کند. اگر میانگین سرعت باد در یک محل بیشتر از 12 متر بر ساعت باشد یک توربین بادی ، کم هزینه ترین شکل انرژی را در آن مکان فراهم خواهد آورد.
از آنجا که پدیده باد به صورت متناوب است. این سیستمهای بادی به صورت ترکیبی با باتریها یا بقیه سیستمهای انرژی نظیر ژنراتورهای گازی یا پانلهای الکتریکی خورشیدی برای ایجاد یک سیستم هیبریدی (ترکیبی با مختلط) استفاده می شود. هر وقت که میزان انرژی مورد تقاضا بیش از آنچه باشد که توربین بادی تحویل می دهد باتریها می توانند به عنوان منبع قدرت ، اندوخته انرژی لازم را فراهم کنند. انرژی تامین شده توسط باتری، تنها در شرایط نه چندان حاد، مفید و قابل استفاده است، اما در شرایطی که نیاز به ظرفیت بالاتری از انباره انرژی است یک سیستم پشتیبان نظیر ژنراتور قابل حمل دیزلی یا بنزینی مورد نیاز خواهد بود.
3-6-7- طراحی سیستمهای خارج از شبکه سراسری
تعیین اندازه سیستمهای واقع در دور دست ، اساساً متفاوت با تعیین اندازه یک سیستم بادی برای تغذیه بین شبکه (تغذیه یک شبکه سراسری) است زیرا سیستمهای کنترل از راه دور باید برای تامین کل تقاضای برق، طراحی شوند، قبل از اینکه اجزای یک سیستم کنترل از راه دور تعیین اندازه شوند، باید مایحتاج بار سایت (محلی که باید تغذیه شود) تعیین شود. این امر به معنای تعیین کمیتی تقاضای برق برحسب میزان مصرف روزانه یا فصلی است. هدف از این کار، مقایسه مقدار انرژی مورد نیاز در زمانهای مختلف از روز یا سال است تا بتوان گفت این میزان چه هنگام به طور متوسط توسط سیستم بادی قابل دسترسی خواهد شد. پس از در نظر گرفتن تناوب وزش باد می توان اندازه انباره هایی که به صورت باتری هستند باید طوری از نظر حجم انرژی قابل ذخیره در آن در نظر گرفته شود که بتواند حداقل سه روز بدون باد را تغذیه کند. ژنراتورهایی پشتیبان غالباً در سیستمهایی الکتریکی کنترل از راه دور به عنوان تغذیه کننده های تکمیلی ، مورد استفاده قرار می گیرند. وجود این پشتیبانها سیستمهای پشتیبان را کمک می کند تا بتواند در صورت نیاز به توان بالا و بارهای ناگهانی از افزایش تعداد شارژهای صورت گرفته در باتری به منظور تامین بارهای بزرگ پیش آمده ، جلوگیری کرده به این ترتیب عمر باتریها را افرایش دهد. همچنین این پشتیبانها وقتی سیستم در بار کامل قرار می گیرد بازدهی بیشتری از خود نسبت به باتریها نشان می دهند.
به این دلایل ژنراتور ها اغلب با اندازه ای بزرگتر از میزان متوسط طراحی می شوند تا بتوانند علی رغم این که خوابیدن سیستم تحت بار جلوگیری کرده و مصرف سوخت را به حداقل می رسانند ، باتریها را نیز همزمان شارژ کنند.
1 Stalling
—————
————————————————————
—————
————————————————————
20