تشریح مولدها و ژنراتورها در ذخیره سازی نیرو



بسم الله الرحمن الرحیم

عنوان تحقیق:
تشریح مولدها و ژنراتورها در ذخیره سازی نیرو

مولد الکتریکی

یک مولد ابتدایی متعلق به قرن ۲۰ ساخته شده در بوداپست مجارستان
در تولید انرژی الکتریکی مولد الکتریکی یا ژنراتور برقی (به انگلیسی: Electric Generator) به ماشینی گفته می شود که از طریق القای الکترومغناطیسیانرژی مکانیکی را به انرژی الکتریکی تبدیل می کند. تبدیل بالعکس انرژی الکتریکی به انرژی مکانیکی به وسیله موتور الکتریکی صورت می گیرد. موتورها و مولدهای الکتریکی از جهات مختلفی دارای شباهت های زیادی با یکدیگر هستند. منبع تامین کننده انرژی مکانیکی ممکن است توربین بخار، توربین آبی،توربین بادی و یا یک موتور احتراق داخلی باشد.
پیشرفت
قبل از اینکه fرابطه بین الکتریسیته و مغناطیس کشف شود مولدهای الکترواستاتیکی کشف شدند که از اصول الکترواستاتیک برای تولید انرژی الکتریکی استفاده می کردند. این مولدها توان را در ولتاژبسیار بالا و جریان الکتریکی اندک تولید می کردند. این ماشین ها از یکی از این دو مکانیزم برای تولید انرژی الکتریکی استفاده می کردند:
* ۱- القای الکترواستاتیک
* ۲- تولید برق بر اثر اصطکاک (تریبوالکتریسیته) به دلیل بهره وری پایین این مولدها و نیاز آنها برای استفاده از عایق کاری پر هزینه به علت ولتاژ بالا این مولدها هرگز در کاربردهای عملی و برای تولید میزان قابل توجهی از انرژی الکتریکی مورد استفاده قرار نگرفتند. ماشین ویمشاست (Wimshurst) و مولدهای ون دی گراف (Van de Graafff) مثال هایی از این مولدها هستند که هنوز مورد استفاده قرار می گیرند.
صفحه فارادی

صفحه فارادی
در سال های ۱۸۳۱-۱۸۳۲ مایکل فارادی اصول عملکرد مولدهای الکترومغناطیسی را کشف کرد. این اصل بعدها قانون فارادی نام گرفت که بر این نکته دلالت می کند که در دو سر هادی که به طور عمودی نسبت به یک میدان مغناطیسی حرکت کند پتانسیل الکتریکی ایجاد می شود. او همچنین اولین مولد الکترومغناطیس را نیز ساخت که به آن صفحه فارادی گفته شد. این مولد یک مولد هم قطب بود که از یک صفحه مسی که بین دو آهن ربای نعل اسبی می چرخید تشکیل شده بود. این مولد قادر به ساخت میزان اندکی ولتاژ جریان مستقیم با یک جریان بالا بود.
البته این طراحی از جهات مختلفی کم بازده بود چرا که ولتاژ تنها در قسمت هایی از صفحه به وجود می آمد که زیر قطب ها قرار داشتند و جریان تولیدی به سرعت در دیگر قسمت های صفحه پخش می شد و این جریان جاری شده در صفحه موجب هدر رفتن انرژی به صورت گرما می شد. مولدهای هم قطب بعدی این مشکل را با استفاده از آهن رباهایی که تمام محیط صفحه را پوشش می دادند حل کردند به طوری که میدان در طول تمام صفحه به طور یک نواخت وجود داشته باشد.
دینام
دینام اولین مولد الکتریکی بود که این قابلیت را داشت تا برق مورد نیاز صنایع را تامین کند. دینام از اصول الکترومغناطیس برای تبدیل انرژی مکانیکی به انرژی الکتریکی استفاده می کند و با استفاده از کموتاتور جریان مستقیم را در خروجی خود تولید می کند. در طول مجموعه ای از اکتشافات تصادفی دینام به یک منبع برای اختراع ماشین هایی چون موتور الکتریکی جریان مستقیم، تناوب گر AC، موتور سنکرون و مبدل گردان تبدیل شد.
یک دینام از یک قسمت ثابت که میدان مغناطیسی دائمی را تولید می کند و مجموعه ای از سیم پیچ های متحرک که در داخل میدان می گردند تشکیل شده است. در دینام های کوچک میدان ثابت ممکن است به وسیله چند آهنربای دائمی فراهم شود. در دینام های بزرگ این میدان به وسیله یک یا چند آهنربای الکتریکی ایجاد می شود.
امروزه به ندرت می توان مولدهای دینامی بزرگی را دید که برای تولید انرژی الکتریکی مورد استفاده قرار گیرند و این به دلیل عدم استفاده از جریان مستقیم است. امروزه استفاده از جریان متناوب به علت بهره وری بالا در حین تولید، توزیع و انتقال به شدت گسترش یافته و برای تبدیل از جریان متناوب به جریان مستقیم نیز معمولاً از مدارات الکترونیکی و الکترونیک قدرت استفاده می شود. اما پیش از کشف اصول جریان متناوب تولید انرژی الکتریکی تقریباً فقط با استفاده از تعداد زیادی مولد دینامی ممکن بود. امروزه مولدهای دینامی تنها به عنوان ابزاری نمادین برای نشان دادن تاریخ تولید برق مورد استفاده قرار می گیرند.
مولدهای MHD
یک مولد MHD یا مگنیتوهیدرودینامیکی (magnetohydrodynamic) نوعی از مولد است که برق را مستقیم از گازهای داغی که در یک میدان مغناطیسی در حرکت هستند و بدون استفاده از تجهیزات الکترومغناطیسی می گیرد. امکان استفاده از گازهای خروجی از این مولد برای گرم کردن یک بویلر در یک چرخه گرمایی، استفاده از این مولدها را منطقی تر کرده است. اولین نوع از این دسته مولدها در سال ۱۹۶۵ طراحی شد و اوج استفاده از این مولدها به یک نیروگاه نمایشی ۲۵۵ مگاواتی در ایالات متحده باز می گردد. با وجود امکان استفاده از گرمای گازهای خروجی مورد استفاده در این مولدها بهره وری آنها از توربین های سیکل ترکیبی پایین تر است و به همین دلیل استفاده از این مولدها بسیار محدود است.
تصورات غلط
بر خلاف تصور عموم یک مولد به هیچ عنوان بار الکتریکی را تولید نمی کند بلکه میزان بار الکتریکی همواره در هادی ثابت است. عملکرد یک مولد با عملکرد پمپ آب قابل مقایسه است که تنها جریان آب را ایجاد می کند و به خودی خود آبی تولید نمی کند.
تحریک
هر موتور یا مولدی که از یک سیم پیچ به جای آهنربای دائم استفاده کند نیازمند جریانی است تا در سیم پیچ ها جریان داشته باشد و ماشین را قادر به کار کند. در صورتیکه جریانی در سیم پیچ تحریک مولد وجود نداشته باشد حرکت روتور نمی تواند موجب تولید انرژی الکتریکی شود. در نیروگاه های بزرگ از مولدهای کوچک برای تولید جریان تحریک مولدها استفاده می شود.
مدار معادل

مدار معدل یک مولد و بار خارجی
مدار معادل یک مولد به همراه بار خارجی RL در تصویر سمت چپ نمایش داده شده. برای به دست آوردن پارامترهای VG (ولتاژ مولد) و RG (مقاومت الکتریکی مولد) باید به ترتیب زیر عمل کنید:
* پیش از شروع به کار مولد با استفاده از یک اهم متر، مقاومت پایانه های مولد را اندازه گیری کنید. این مقامت مقاومت VDCG یا مقامت DC داخلی مولد نام دارد.
* پس از راه اندازی مولد و قبل از وصل بار RL به مدار با استفاده از ولت متر میزان ولتاژ را در پایانه های مولد اندازه گیری کنید. این ولتاژ VG یا ولتاژ مدار باز مولد نام دارد.
* بار RL را به صورتی که در شکل نشان داده شده به مولد متصل کنید و سپس ولتاژ را در پایانه های مولد اندازگیری کنید. این ولتاژ VL یا ولتاژ زیر بار مولد نام دارد.
* در صورتی که از میزان بار RL اطلاع ندارید میزان مقاومت بار را اندازه گیری کنید.
* میزان مقاومت AC داخلی مولد با استفاده از فرمول زیر محاسبه می گردد:
{displaystyle R_{GAC}={R_{L}}left({{{V_{G}} over {V_{L}}}-1}right)}
به طور کلی مقاومت AC داخلی مولد در هنگام حرکت مولد کمی بیشتر از مقاومت داخلی DC آن در حالت توقف مولد است. رویه بالا این امکان را برای شما به وجود می آورد که دو پارامتر را با دقت بهتری به دست آورید اما می توانید برای محاسبه تقریبی دو پارامتر مقاومت AC و DC را برابر در نظر بگیرید.
* نکته: در صورتی که مولد از نوع AC است از یک ولت متر AC برای اندازه گیری ولتاژ استفاده کنید.
بر طبق "قاعده توان بیشینه در مولد" توان بیشینه در مولد هنگامی ایجاد می شود که میزان مقاومت بار خارجی با میزان مقاومت داخلی مولد برابر باشد. اما در این صورت نیمی از توان تولیدی مولد در مقاومت داخلی آن به مصرف می رسد که این امر بهره وری مولد را به شدت کاهش می دهد و به همین دلیل در مولدها معمولاً میزان مصرف بار خارجی چندین برابر مصرف بار داخلی مولد است تا به این ترتیب بهره وری مولد بالاتر رود.
مولدهای موجود در وسائل نقلیه
تقریباً تمامی خودروها از یک مولد داخلی برای تغذیه سیستم الکتریکی خودرو و شارژ دوباره باتری بعد از روشن شدن استفاده می کنند. این مولد داخلی انرژی مکانیکی مورد نیاز خود را از موتور و به وسیله یک اتصال مکانیکی غیر مستقیم تامین می کند. وسائل نقلیه موتوری اولیه تا دهه ۱۹۶۰ از مولدهای DC که بهره وری پایین تری دارند، برای تولید انرژی الکتریکی مورد نیاز در خودرو استفاده می کردند اما امروزه مولدهای DC جای خود را به تناوب گرها یا دینام های جریان متناوب (alternator) داده اند که از یک یکسوکننده داخلی برای یکسوسازی خروجی مولد استفاده می کنند. مولد داخلی خودرو به طور معمول دارای خروجی ۱۲ ولت ۵۰ تا ۱۰۰ آمپر است که این خروجی با توجه به میزان بار الکتریکی داخلی خودرو می تواند بیشتر نیز باشد برای مثال خودروهایی که دارای سیستم فرمان هیدرولیک و سیستم تهویه هستند دارای مصرف بمثابه بیشتری نسبت به خودروهای معمولی هستند.
از آنجایی که در خودروهای دیزلی انرژی زیادی برای راه اندازی خودرو در استارتر موتور استفاده می شود؛ در خودروهای باربری و خودورهای بزرگ بیشتر از مولدهای ۲۴ ولت برای تامین برق استفاده می شود و به این ترتیب نیاز به افزایش سطح مقطع سیم کشی داخلی خودرو برطرف خواهد شد. مولدهای داخلی بیشتر خودروها از آهنربای غیر دائم استفاده می کنند و معمولاً بهره وری بین ۵۰٪ تا ۶۰٪ دارند در حالی که در مولدهای موتور سیکلت ها از آهنربای دائمی استفاده شده که باعث کاهش حجم مولد می شود.
مولدهای کوچکتر نسبت مولد موتور سیکلت ها را می توان در دوچرخه ها دید. این مولدها که از آهنربای دائم استفاده می کنند و جریانی ۰٫۵ آمپر را در ولتاژ ۶ یا ۱۲ ولت تولید می کنند. در این نوع مولدها بهره وری از اهمیت بالایی برخوردار است ولی با این وجود به علت استفاده از آهنربای دائم از ۶۰٪ (۴۰٪ معمول تر است) تجاوز نمی کند.
دیزل ژنراتور یا مولد دیزل به ترکیبی از موتور دیزل، ژنراتور و انواع متعلقات فرعی از قبیل شاسی، اطاقک پوشاننده جهت محافظت و کاهش صدا، سیستم های کنترل، قطع کننده های اضطراری مدار، سیستم مولد گرما، سیستم استارت اتومات و غیره که به منظور تولید برق استفاده می شود، می گویند.
مجموعه دیزل ژنراتور
موتور ژنراتورها می توانند از ۱ تا ۲۰ کیلوولت آمپر (KVA) برای منازل، فروشگاه ها، ادارات کوچک و تا (۲۰۰۰KVA/۲MVA) قابل استفاده برای مجتمع های اداری بزرگ و کارخانه ها برق تولید کنند. ژنراتورها در توانهای مختلف را می توان درون یک اطاقک ایزوله قابل حمل قرار داد. این اتاقک که نقش اصلی آن کاهش صدای ژنراتور میباشد را در اصطلاح (کانوپی سایلنت) گویند. ژنراتورهای ۵۵ مگاوات برای ایستگاه های کوچک تولید برق استفاده می شوند و برای این منظور می توان از چندین دستگاه ژنراتور استفاده کرد. ژنراتورها در سایزهای بزرگتر به صورت مجزا به محل نصب حمل شده و در آنجا مونتاژ و تجهیزات فرعی به آنها اضافه می شود.
دیزل ژنراتورهای کوچک تا ۲۵۰ کیلو ولت آمپر نه تنها برای تولید برق اضطراری بلکه به جهت تامین برق مورد نیاز به صورت مستمر یا در زمان اوج مصرف و یا حتی در زمانی که کمبود زنراتورهای بزرگتر حس می شود استفاده می شوند.
کشتی ها و بسیاری از وسائل نقلیه بزرگ زمینی مانند قطارها نیز از دیزل ژنراتور نه فقط برای تامین برق روشنایی بلکه برای تامین نیروی محرکه مورد نیاز خود استفاده می کنند. به وسیله نیروی محرکه برقی می توان حرکت یکنواخت و قدرتمندتری علاوه بر استفاده مناسب تر از فضا داشت. محرکه های برقی قبل از جنگ جهانی اول در کشتی ها مورد استفاده قرار گرفتند و در طول جنگ جهانی دوم به تکامل رسیدند.
دستگاه های تولید برق بر اساس ظرفیت تولید نرمال تا ماکزیمم و بر اساس قدرت تولیدی و به کیلووات طبقه بندی و نامگذاری شده و با توجه به نوع مصرف آن برای تولید برق مستمر یا اضطراری انتخاب می شوند
بعضی از متداول ترین موتورها
کاترپیلار ( CATETPILLAR) / کامینز (CUMMINS) / ولو (VOLVO) / جی ام (GM) / پرکینز (PERKINS) / دوسان (DOOSAN)/ ام تی یو (MTU) / میتسوبیشی (Mitsubishi) / دوسان کره (Doosan)
بعضی از متداول ترین ژنراتورها
استامفورد (STAMFORD) /لینز (LINZ) / مکالته (MECCALTE)/ لروی سومر (Leroy Somer) / ماراتن (Marathon)/ ای وی کی (AVK) / کاترپیلار آمریکا (caterpilar)
دیزل ژنراتور

یک دیزل ژنراتور کاترپیلار
ترکیبی از موتور دیزل و یک ژنراتور الکتریکی (غالباً آلترناتور) است که برای تبدیل انرژی الکتریکی مورد استفاده قرار می گیرد. مجموعه دیزل ژنراتورها در مکانهایی بدون اتصال به شبکه توان، مانند مواقعی که نیاز ضروری به فراهم کردن توان و انرژی است و نیز زمانهایی که شبکه وجود ندارد، مورد استفاده قرار می گیرندزمانی که شبکه قطع می شود، درست بخوبی کاربردهای پیچیده تر مانند اوج برش، پشتیبانی شبکه و ارسال به شبکه های توان، انرژی فراهم می شود.
در نظر گرفتن سایز دیزل ژنراتور برای جلوگیری از کم شدن بار یا کمبود توان ضروری است و این عمل بوسیله الکترونیک مدرن بویژه بارهای غیرخطی دشوار شده است.
اندازه ژنراتور
مجموعه مولد بر اساس بار الکتریکی که برای آنها درعرضه در نظر گرفته شده، تمام ویژگی های بارهای الکتریکی (kWe، KVA، VAR و محتواهای هارمونیک شامل جریانهای شروعی (عموماً از موتور) و بارهای غیر خطی را شامل می شود. وظیفه مورد انتظار بطور مثال امور اورژانسی، تواندهی پیوسته یا اولیه (پرایم)، بخوبی شرایط محیطی مانند ارتفاع، دما و تنظیم مقررات گازهای گلخانه ای باید مد نظر قرار گیرد. بسیاری از تولید کنندگان ژنراتورهای بزرگتر، مجموعه ای از نرم افزار را ارائه خواهند داد که محاسبه های اندازه پیچیده را به سادگی با خواندن شرایط سایت و ویژگی های بار الکتریکی متصل انجام خواهند داد.
ایستگاه های توان – حالت "جزیره" الکتریکی
یک یا چند دیزل ژنراتوری که بدون اتصال به شبکه برق عمل می کند در اصطلاح در وضعیت جزیره عمل می کنند که ویژگی های چند ژنراتور موازی که مزایای استفاده از افزونگی و بهره وری بهتر در بارهای جزئی را دارند، فراهم می کند. این پلنت، ژنراتور را بصورت آنلاین قرار می دهد و غیرفعال کردن بستگی به سیستم و زمان معین دارد.
یک نیروگاه جزیره ای در نظر گرفته شده برای منبع توان اصلی، یک اجتماع مجزا ("توان اصلی") غالباً دارای حداقل سه ژنراتور دیزل خواهد بود، که از هر دوی آنها انتظار می رود که بتوانند بار مورد نیاز را حمل کنند. گروه ها تا ۲۰ غیر معمول نیست. ژنراتورها می توانند از طریق پردازش همزمان بصورت الکتریکی بهم متصل شوند. این همزمانی شامل جور کردن ولتاژ، فرکانس و فاز قبل از اتصال ژنراتور به سیستم است. از دست رفتن همزمانی پیش از اتصال می تواند باعث یک اتصال کوتاه جریان بالا و یا ساییدگی و پاره گی در ژنراتور و یا تابلواش شود. فرایند همزمانسازی می تواند بصورت خودکار بوسیله یک ماژول سنکرون ساز خودکار انجام گیرد. همزمانساز خودکار ولتاژ، فرکانس و پارامترهای فاز و ولتاژهای باسبار زمانیکه سرعت توسط موتور فرماندار یا ECMM (ماژول موتور کنترل) تنظیم می شود را از ژنراتور می خواند.
بار می تواند بین ژنراتورهای در حال فعالیت موازی از طریق تقسیم بار سهیم شود. تقسیم بار می تواند با استفاده از کنترل افت سرعت بوسیله فرکانس در ژنراتور کنترل شود، در حالی که به طور مداوم کنترل سوخت موتور برای تغییر بار تنظیم می شود و از منابع قدرت باقی مانده است.
یک دیزل ژنراتور بار بیشتری می گیرد هنگامی که سوخت تامینی برای احتراق در سیستم افزایش می یابد و بار رها خواهد شد اگر سوخت تامینی کاهش یابد.
علاوه بر وظایف شناخته شده مانند تامین توان پس از قطع شبکه، دیزل ژنراتورها به طور معمول شبکه های قدرت اصلی در سراسر جهان را به دو راه مجزا پشتیبانی می کنند.
انتهای برش
تعرفه های برق در ساعات اوج مصرف در بسیاری از نواحی افراد را به استفاده از دیزل ها تشویق می سازد تا به زمان تقاضای ماکزیمم غلبه شود. در اروپا عموماً بعدازظهر روزهای زمستان، زمان اوج محسوب می شود هنگامیکه مردم به خانه بازگشته و چراغها روشن است و پخت و پز در حال انجام است، حدود ۵:۳۰ تا ۷ بعد از ظهر، در حالی که در ایالت متحده آمریکا اغلب در تابستان ها و در مواجهه با بار (سنگینی) شرایط هوایی، زمان اوج رخ می دهد.
پشتیبانی شبکه

شبکه پشتیبانی برق در منطقه صنعتی
دیزل ژنراتورهای آماده به انجام کار اضطراری و نیروگاه های آبی بعنوان عملکرد ثانویه، استفاده گسترده ای برای محافظت از شبکه های ملی مختلف در هر زمان و به دلایل مختلف در آمریکا و انگلستان دارند. بطور مثال در انگلستان تعداد ۰٫۵ GWee از دیزل ها بطور منظم استفاده می شوند تا از شبکه ملی حمایت کنند که پیک بار آن ۶۰ GW است. اینها در مجموعه ای با سایزی معادل با ۲۰۰kw تا ۲MWW قرار گرفته اند. این حالت همیشه زمانی اتفاق می افتد که بعنوان مثال ظرفیت زیادی از نیروگاه حدود ۶۶۰ مگاوات بطور ناگهانی از دست برود و یا یک جهش ناخواسته ناگهانی در میزان توان باعث فرسایش ذخیره شده طبیعی در حال چرخش شود. این مسئله برای هر دو بخش مفید است. دیزل ها برای دلایل دیگری نیز خریداری شده اند، اما باید برای حصول اطمینان بطور کامل آزمایش شود. شبکه موازی شده، ساده ترین راه جهت انجام این عمل است. این روش عملکردی است که عموماً بوسیله یک بخش سومی که عملکرد ژنراتور را مدیریت می کند و با اپراتور سیستم ارتباط برقرار می کند، انجام می گیرد.
به این روش شبکه های ملی بریتانیا با توان ۲ گیگاوات از نیروگاهی که بالاتر است و به همان سرعت دو دقیقه در برخی موارد به صورت موازی عمل می کند، تماس می گیرد. این مورد بسیار سریع تر نسبت به بار پایه توان است که می تواند ۱۲ ساعت از سرما بگیرد و سریعتر از توربین گازی است که می تواند زمان زیادی را مصرف کند.
سوختی که برای دیزل ها استفاده می شود سوختی که در آزمایش ها تست شده است. سیستم مشابه ای که در فرانسه عمل می کندEJP، تعرفه های بخصوص ماکزیمم شبکه، در حداقل ۵ گیگاوات مجموعه دیزل ژنراتور تجهیز می شود تا در دسترس باشد. کار اولیه دیزل ها توان دادن به شبکه است. در طی عملکرد نرمال در همزمان سازی با شبکه نیروگاهی برق با پنج درصد افت سرعت کنترل اداره شده اند. این به این معنی است که تمام سرعت بار ۱۰۰٪ است و هیچ سرعت باری ۱۰۵۵٪ نیست و این نیازمند عملکرد پایدار شبکه است بدون جستجو و فقدان نیروگاه های برق. عموماً تغییرات سرعت، کمترین است. تنظیمات خروجی توان با افزایش کم خیز منحنی بوسیله افزایش فشار فنر بر روی یک گاورنر سانتریفوژ ایجاد شده است. عموماً این یک نیاز پایه سیستم برای همه نیروگاه ها است زیرا نیروگاه های جدیدی و قدیمی در پاسخ به تغییرات لحظه ای در فرکانس بدون وابستگی به ارتباطات خارجی، بایستی سازگار باشند.
قیمت تبدیل انرژی

شرایط سخت استحصال انرژی فسیلی
مصرف سوخت، مهمترین بخش نیروگاه های دیزلی است و قیمت تمام شده برای کاربردهای توان، در حالی که قیمت اصلی الویت اساسی برای پشتیبانی ژنراتور است، باید در نظر گرفته شود. مصارف خاص متفاوت هستند اما یک پلنت دیزل جدید بین ۰٫۲۸ تا ۰٫۴ لیتر از سوخت هر کیلووات ساعت را در ترمینال های ژنراتور مصرف خواهد کرد.
بهرحال موتورهای دیزل می توانند بر روی تنوع وسیعی از سوخت ها عمل کنند و به پیکربندی بستگی دارد از طریق سوخت دیزل eponymous که عموماً از نفت خام بدست می آید، معمول هستند. موتورها می توانند با تمام طیف عصاره سوخت تجمیع شده کار کنند از گاز طبیعی، الکل،گازوئیل، گاز چوب تاروغن های سوخت از روغن دیزل تا سوخت های رسوبی. بدین ترتیب با معرفی بعنوان هوای مصرفی و با استفاده از مقدار کمی سوخت فسیلی برایاحتراق معرفی می شوند. تبدیل به ۱۰۰۰٪ سوخت فسیلی می تواند بلافاصله انجام گیرد.
انواع مولدها
بر حسب کاربرد، کارخانجات سازنده مولدها چهار نوع را پیشنهاد می دهند: اضطراری، پایه، دائم و چند منظوره.
ژنراتور باید توان مورد نیاز پیش بینی شده معتبر را بدون آسیب فراهم کند این امر با دادن یک یا چند رتبه به ژنراتور بدست می آید.
مولد اضطراری
در حالت قطع برق شهری به صورت خودکار اقدام به تامین برق مشترکین می کند. یک مدل از ژنراتور بصورت استندبای ژنراتور ممکن است لازم باشد تا فقط چند ساعت در ماه عمل کند اما مدل های دیگری از ژنراتورهای پرایم هستند که باید بصورت پیوسته عمل کنند. زمانی که یک ژنراتور جایگزین راه می افتد، ممکن است با شرایطی بخصوص عمل کند مانند ۱۰۰٪ بار اضافه که در طی زمان فعالیت می تواند منظور شود. ژنراتوری با مدل یکسان می تواند مرتبه بالاتری را برای سرویس جایگزین راه اندازی کند که آن برای امور پیوسته است. شرکت های سازنده بر طبق توافق جهانی برای هر ژنراتور رتبه ای قائل می شوند.
این رتبه بندی های استاندارد تعریف می شود تا اجازه انتخاب صحیح را بدهد و مقایسه خوبی بین سازنده ها صورت گیرد تا از عملکردنادرست ماشین جلوگیری کند و راهنمای طراحان باشد.
مولد پایه (Prime)
معمولا در اماکنی که موقتا به برق نیاز دارند به کار می آیند. مانند اردوگاه ها، نمایشگاه ها، اکتشاف معادن و کمپ ها. نباید در کاربردهای ساخت توان استفاده شود. خروجی موجود با بار متفاوت برای یک زمان نامحدود است. عموماً پیک تقاضای۱۰۰٪ رتبه اولیه ekW را با ۱۰٪ ظرفیت بار اضافی برای استفاده در موقعیت های ضروری برای ماکزیمم یک ساعت در ۱۲ ساعت را داراست. ۱۰٪ ظرفیت اضافه بار برای زمان محدودی در دسترس است. (معادل با توان اولیه و مطابق با ISO۸۵۲۸و توان اضافی مطابق با ISO3046 AS2789, DIN6271, and BS5514) این رتبه برای تمامی مدل های ژنراتور قابل استفاده نیست.
کاربردهای نوعی – جایی که ژنراتور تنها مرجع توان باشد برای ارتباط راه دور با معادن، سایت های ساختمانی، زمین برگزاری نمایشگاه و فستیوال و غیره است.
مولد دائم (Continuous)
برای امور نیروگاهی یا برق سراسری هستند. قابل کاربرد در فراهم کردن توان پیوسته برای یک بار ثابت تا رتبه کامل خروجی برای زمانهای نامحدود است. هیچ قابلیت جانشین شدن اضافه باری برای این رتبه در دسترس نیست. توزیع کننده های مجاز شده مشارکتی برای رتبه بندی معادلند با توان پیوسته مطابق با ISO8528, ISO3046, AS2789, DIN6271, and BS5514
این رتبه بندی قابل اجرا بر روی تمامی ژنراتورها نیست. کاربردهای نوعی- این ژنراتور بار یکسان پیوسته را راه اندازی می کند و یا به موازات توان مصرفی پیوسته و اصلی برای ماکزیمم سطح مجاز ۸۷۶۰ ساعت در سال واقع می شوند. همچنین ممکن است برای برش پیک / پشتیبانی شبکه حتی از طریق اعمال برای ۲۰۰ ساعت در سال اتفاق بیفتد.
مولد چند منظوره
توصیه می شود برای کاربردهای با رویکرد اقتصادی از این نوع مولدها استفاده نشود. مثلا لزومی ندارد یک مولد دائم دارای تابلوی کنترل وصل خودکار در زمان قطع برق شهر باشد. به هر حال، معمولا یک فرض معمول این است که اگر یک مولد در حالت اضطراری 1000 کیلووات باشد، در حالت پایه و دائم به 850 و 800 کیلووات اکتفا شود. معمولا نحوه باردهی مولد در دفترچه مشخصات مولدها وجود دارد.
خرابی های موتور
دیزل ژنراتور می تواند از مسائلی سوء مانند رسوبات داخلی (غالباً به رسوب در سوراخها و ستون باز می شود) و تجمع کربن آسیب ببیند.

موتور با سوخت گازویل ساخت شرکت یانمار Yanmar
بصورت ایده آل موتورهای دیزل باید در حداقل ۶۰ تا ۷۵٪ بار ماکزیمم بار خود راه اندازی شوند. دوره های کوتاه مدت بار کم در حال اجرا هستند و این اجازه را می دهد تا مجموعه با بار کامل یا نزدیک به بار کامل بر یک مبنای منظم آماده شود.
رسوبات داخلی و تجمع کربن به این دلیل است که دوره های طولانی اجرا در سرعت کم یا بار کم است. چنین شرایطی ممکن است در حالتی اتفاق بیفتد که یک موتور حالت بیهوده خود را بصورت یک واحد مبدل وضعیت "استندبای" رها می کند و برای بسرعت رسیدن زمانی که نیاز است، آماده می باشد اگر توان رسانی به مجموعه برای باری که به آن اعمال شده است، بیش از توان مورد نیاز باشد سبب می شود تا واحد دیزل زیر بار باشد یا در بسیاری از موارد زمانی که ست می خواهد شروع بکار کند، بار بعنوان آزمایش و بصورت زائده خارج می شود.
راه اندازی یک موتور با بار کم سبب فشارهای استوانه ای کم می شود و در نتیجه رینگ پیستون بصورت ضعیفی بسته می شود زیرا بستگی به فشار گاز نیرو در برابر فیلم روغن بر روی سوراخها برای شکل دهی مهر و موم دارد. فشار سیلندری کم سبب احتراق ضعیف، فشار کم حاصل از احتراق کم و دما می شود.
احتراق ناقص سبب شکل گیری دوده و پس ماند سوخت نسوخته می شود که مسیر رینگ های پیستون را بسته و می چسباند و سبب کاهش شدید در کارایی مهر و موم کردن می شود و فشار کم ابتدایی را تشدید می کند. رسوب ها زمانی ایجاد می شوندکه گازهای گرم احتراقی بصورت ضعیفی می وزند و رینگ پیستون را مسدود می کنند و سبب نیاز به روغن کاری بر روی دیواره های استوانه ای بدلیل "سوخت ناگهانی" می شوند و دوده هایی لعاب مانند ایجاد می کنند که سوراخ روان می شود.
کربن سخت از احتراق ضعیف شکل می گیرد و بسیار خراشنده و ساینده است، سپس سبب افزایش مصرف سوخت می شود (دود آبی)، انتظار می رود که انسداد پیستون و فشار حفظ شود.
سپس سوخت محترق نشده از عقب رینگ پیستون نشت می کند و روغن کاری سرایت می کند. سوختن ناقص باعث می شود که تزریق کننده ها بوسیله دوده مسدود شوند و باعث وخامت بیشتر در احتراق و دودهای سیاه رنگ می شود. مشکلی که با شکل گیری اسیدها در روغن موتور افزایش یافته است، بوسیله آب غلیظ شده و احتراق بوسیله محصولاتی است که باید بصورت نرمال در دمای بالاتر جوش آیند. این ساخت اسیدی (جوهری) در روغن-کاری باعث کندی می شود اما بی نهایت فرسایش مخرب برای سطح یاتاقان دارد.
چرخه تنزل به این معناست که موتور بزودی بطور تغییر ناپذیری آسیب می بیند و ممکن است هرگز شروع بکار نکند و زمان طولانی تری قادر نخواهد بود که به تمام توان زمانی که نیازمند است، دست یابد.
راه اندازی تحت بار زیر حد مجاز به ناچار نه تنها باعث دود سفید از سوخت نسوخته می شود بلکه با گذشت زمانهای بیشتر، با دود آبی روغن کاری سوخته نشتی از رینگ های پیستون قدیمی آسیب دیده همراه خواهد شد و دود سیاه نیز حاصل از خرابی تزریق کننده هاست. این آلودگی برای و مجاور بودن ها مناسب نیست.
ایجاد رسوبات و یا کربن اتفاق افتاده است. این مسئله می تواند با سلب موتور و دوباره نفوذ کردن در سوراخهای سیلندر، لغو کردن ها، تمیز کردن و دکک کردن اتاقکهای احتراق، نازلهای تزریق کننده سوخت و سوپاپ ها قابل درمان است. اگر در مراحل اولیه شناسایی شود، راه اندازی موتور در ماکزیمم بار خود برای افزایش فشار داخلی و دما اجازه می دهد که رینگ های پیستون به زحمت رسوب کنند و اجازه می دهد تا تجمع تدریجی کربن سوخته شود.
بهرحال اگر این رسوبات پیشروی کند تا مرحله ای است که رینگ های پیستون داخل شیارهایشان را تصرف کنند. این عمل هیچ تاثیری نخواهد داشت. از این وضعیت می توان با انتخاب دقیق مجموعه ژنراتور مطابق با دستورالعمل چاپ شده سازندگان جلوگیری کرد.
برای مجموعه ژنراتورهایی که کاربرد اضطراری دارند، استفاده از بار پشتیبانی شده برای انجام آزمایش می تواند غیر عملی باشد. برای انجام آزمایش می توان از یک بانک بار موقت یا دائم استفاده کرد. گاهی اوقات تابلو را می توان به گونه ای طراحی کرد تا به مجموعه ای برای تغذیه توان از شبکه برای انجام آزمایش بار اجازه دهد.
ویژگی های دیزل ژنراتور
سیستم کنترلی یک دیزل ژنراتور
کنترلرهای ATS نصب شده بر روی دیزل ژنراتورهای همواره ناظر اعمال بار برروی موتور ژنراتور بوده و در مواقع غیر عادی بر مبنای تنظیمات قبلی پاسخ مناسب را از طریق فرمانهای الکترونیکی تابلو ارسال و بصورت خودکار تمامی وضعیت را تواماً کنترل می نماید که موتور ژنراتور در بهترین شرایط به کار خود ادامه دهد. در حالت انتظار ( Standby ) در صورت قطع برق مصرفی خارج از واحد بلافاصله و کمترین زمان، ATS زمان روشن و بکارگیری موتور ژنراتور برقرار می کند. قابلیت سیستم کنترلی به شرح ذیل می باشد -طراحی بر اساس میکرو کنترل 2-استارت و استاپ اتوماتیک دیزل 3-قابلیت مونیتورینگ.کنترل و تنظیم از طریق کامپیوتر با برنامه تحت ویندوز 4-حفاظت های مختلف افزایش درجه حرارت آب کاهش فشار روغن . افزایش و کاهش دور دیزل .افزایش و لتاژ ژنراتور کاهش ولتاژ باتری 5- نشان دهنده های اخطار مختلف: اخطار خرابی دینام. اخطار خطای انجام استارت در حالت اتوماتیک. اخطار خرابی سنسور روغن یا قطع بودن کابل ارتباطی در حالت اتوماتیک 6-قابلیت تنظیم تمامی پارامتر های زمانی از روی پنل 7-قابلیت کار با ولتاژ متغیر از12ولت تا 48ولت به طور اتو ماتیک 8- قابلیت کار در دو حالت دستی و اتوماتیک 9- نشان گر زمان کار دیزل ژنراتور بر حسب ساعت 10- اندازگیری سه فاز شهر یا دیزل ژنراتور و تشخیص آمادگی 11- قابلیت نمایش دور موتورRPM 12-آلارم ویژه دمای آب 14- CHECK UP کامل موتور 15- با قابلیت: نمایش آمپراژ ، ولتاژ ، فرکانس
تنظیم اتوماتیک ولتاژ
AVR جدید باعث میشود که موتور بصورت مطمئن و یکنواخت کارکرده و در صورت اعمال اضافه بار موتور و ژنراتور خاموش می گردد و باعث جلوگیری در خرابی مولد میگردد. سیم پیچی ژنراتور مطابق با آخرین وضعیت تکنولوژی انجام شده که از هرگونه اعوجاج ( ایجاد هارمونی ) در طول کار جلوگیری میکندو عایق بندی کلاس بالای ژنراتور از هر گونه اتصال کوتاه و خرابی و سوختن سیم.پیچها ممانعت بعمل آورده و در نتیجه کار یکنواخت و رضایتبخشی در مصارف القائی ( الکترو موتورها ) در اختیار مصرف کننده قرار میدهد.
ژنراتور سنکرون
مولدهای هم زمان یا ژنراتورهای سنکرون (Synchronous Generator)، ماشین های هم زمانی هستند که برای تبدیل توان مکانیکی به جریان الکتریکی متناوب به کار می روند.
درمولد هم زمان، یک جریان مستقیم به سیم پیچی روتور اعمال می شود که میدان مغناطیسی روتور را تولید می کند. چرخانه مولد نیز توسط یک محرک اولیه به گردش درمی آید و به این ترتیب یک میدان مغناطیسی دوار درون ماشین ایجاد می شود.
ساختمان روتور
قطب های مغناطیسی روتور می توانند ساختمان برجسته یا صاف داشته باشند. قطب برجسته، نوعی قطب مغناطیسی است که نسبت به سطح روتور پیش آمدگی داشته باشد و قطب صاف قطب مغناطیسی ای است که با سطح روتور هم سطح باشد. روتورهای قطب صاف معمولاً برای ماشین های دو یا چهار قطبی و روتورهای قطب برجسته برای ماشین های چهارقطبی یا بیشتر به کار می روند.
چون روتور در معرض میدان های مغناطیسی متغیر قرار دارد، آن را از لایه های نازک می سازند تا تلفات جریان گردابی کاهش یابد.
انتقال توان روتور
برای فراهم کردن توان DC برای انتقال به سیم پیچی های روتور که در حال دوران است چندین روش وجود دارد که برای مثال در زیر به دو روش آن اشاره می گردد:
1. با استفاده از حلقه های لغزان و جاروبک ها
2. با استفاده از یک منبع DC خاص که مستقیماً برروی محور مولد نصب شده اند.
مولدهای هم زمان طبق تعریف سنکرون یا هم زمانند، به این معنی که فرکانس الکتریکی تولید شده با سرعت چرخش ژنراتور هم زمان است. میدان مغناطیس چرخانه همراه با چرخش چرخانه می چرخد پس بین سرعت چرخش میدان مغناطیس ماشین ({displaystyle n_{m}}) و فرکانس الکتریکی ایستانه (استاتور) ({displaystyle f_{e}}) رابطه ای وجود به صورت معادلهٔ زیر وجود دارد (P نشان دهندهٔ تعداد قطب های موجود است ):
{displaystyle f_{e}={frac {{nm},{p}}{120}}}
اندازهٔ ولتاژ القا شدهٔ در یک فاز معین استاتور نیز از رابطهٔ زیر به دست می آید:
{displaystyle E_{A}={sqrt {2}},{pi },{N_{e}},{phi },{f}}
این ولتاژ به شار ماشین ({displaystyle phi })، فرکانس یاسرعت چرخش ({displaystyle f}) و ساختمان ماشین بستگی دارد. ولتاژ ({displaystyle E_{A}})، ولتاژ داخلی تولید شده در یک فاز مولد هم زمان است اما این ولتاژی نیست که معمولاً در پایانه های مولد ظاهر می شود. در حقیقت تنها زمانی ولتاژ داخلی ({displaystyle E_{A}})، برابر با ولتاژ خروجی یک فاز ({displaystyle V_{varphi }}) است که جریانی از آرمیچر ماشین نگذرد. تفاوت بین ({displaystyle E_{A}}) و ({displaystyle V_{varphi }}) در اثر چند عامل است:
1. اعوجاج شاری که به علت جریان استاتور در میدان مغناطیسی فاصلهٔ هوایی ایجاد شده و عکس العمل آرمیچر نامیده می شود.
2. خودالقاکنایی پیچک های آرمیچر
3. مقاومت پیچک های آرمیچر
4. اثر شکل قطب برجستهٔ چرخانه (این مورد مربوط به چرخانه قطب برجسته می شود)
عکس العمل آرمیچر موجب تغییر شار در مدار مغناطیسی مولد می شود در نتیجه می توان برای آن ولتاژی در نظر گرفت (ولتاژ عکس العمل آرمیچر) و برای مدل کردن آن از یک القاگر سری با ولتاژ داخلی استفاده کرد: ({displaystyle X_{a}r})
پیچک های ایستانه نیز یک خودالقایی و یک مقاومت دارند: ({displaystyle X_{A}}) , ({displaystyle R_{A}})
معمولاً راکتانس های ناشی از عکس العمل آرمیچر و خودالقایی ماشین را با هم ترکیب می کنند و به صورت راکتانس هم زمان ({displaystyle X_{s}}) نمایش می دهند که در این صورت ولتاژ پایانه را می توان به صورت زیر بیان کرد (در ماشین های هم زمان واقعی راکتانس هم زمان معمولاً بسیار بزرگ تر از مقاومت سیم پیچی است ):
{displaystyle {V_{varphi }}={E_{A}}-{j,X_{S},I_{A}}-{R_{A},I_{A}}}

مدار الکتریکی مولد سنکرون
تلفات درمولد سنکرون
مولد هم زمان ماشین هم زمانی است که به صورت مولد کار می کند و توان مکانیکی را به توان الکتریکی سه فاز تبدیل می کند. منبع توان مکانیکی چرخانندهٔ اولیه می تواند یک موتور دیزل، یک توربین بخار، یک توربین آبی یا هر وسیلهٔ مشابه دیگر باشد. این منبع هرچه باشد باید صرف نظر از میزان تقاضای توان، سرعت تقریباً مشابهی داشته باشد. در غیر این صورت بسامد سیستم قدرت مقدار ثابتی نخواهد بود.
تمام توان مکانیکی ورودی مولد هم زمان به توان الکتریکی خروجی تبدیل نمی شود و اختلاف بین این دو توان تلفات ماشین را نشان می دهد. این تلفات را می توان به سه قسمت تقسیم کرد:
1. تلفات گردشی: چون سرعت ماشین سنکرون ثابت است پس تلفات گردشی مولد هم زمان نیز ثابت است و شامل تلفات نیز زیر می شود تلفات اصطکاک و تهویه که مربوط به ایجاد تلفات در بلبرینگ ها، اصطکاک بر اثر مالش بین قطعات و اصطکاک بین قطعات و هوا می شود و تلفات هسته در آرمیچر
2. تلفات میدان تحریک DC
3. تلفات اتصال کوتاه که شامل:
1. تلفات بار مسی که ناشی از مقاومت آرمیچر است.
2. تلفات سرگردان که به دو قسمت تقسیم می شود:
الف – تلفات هستهٔ آهنی ناشی از شار آرمیچر ب – تلفات مس اضافی ناشی از اثر پوستی و جریان های گردابی در فرکان سهای هم زمان
مدل الکتریکی مولد هم زمان
مدار معادلی که برای مولد هم زمان به دست آمد سه کمیت دارد و برای توصیف دقیق رفتار یک مولد هم زمان واقعی باید آن ها را تعین کرد:
1. رابطهٔ بین جریان و شار میدان (جریان میدان و {displaystyle E_{A}})
2. راکتانس هم زمان
3. مقاومت آرمیچر
برای پیدا کردن این کمیت ها آزمونهای مختلف طراحی شده اند:
آزمون مدار باز
اولین گام در این راه انجام آزمون مدار باز برروی مولد است. برای انجام این آزمایش، مولد در سرعت نامی چرخانده می شود، پایانه ها به بار اتصال ندارند و جریان میدان برابر صفر قرار داده می شود، سپس جریان میدان را با گام های تدریجی افزایش می دهند و ولتاژ پایانه ای را در هر گام انداره می گیرند چون پایانه ها باز هستند و در نتیجه جریانی از مدار نمی گذرد پس ولتاژ پایانه برابر {displaystyle E_{A}} است و بدین ترتیب می توان منحنی {displaystyle E_{A}} یا {displaystyle V_{varphi }} را بر حسب {displaystyle I_{f}} رسم کرد. این منحنی مشخصهٔ مدار بازمولد (OCCC) نام دارد، که از آن می توان ولتاژ تولید شدهٔ داخلی را به ازای هر مقدار جریان ساخت. توجه کنید که منحنی ابتدا خطی است ولی به ازای مقادیر بزرگ جریان پدیده اشباع تا حدی مشاهده می شود و دلیل این پدیده این است که رلوکتانس آهن اشباع نشده درمولد هم زمان بسیار کوچک تر از رلوکتانس فاصله هوایی است پس در ابتدا تقریباً همه نیروی محرکه مغناطیسی روی فاصله هوایی قرار دارد و افزایش شار ناشی از آن خطی است، هنگامی که آهن به اشباع می رسد، رلوکتانس آن به سرعت افزایش می یابد و آهنگ افزایش شار در اثر افزایش نیروی محرکهٔ مغناطیسی کندتر می شود. ناحیه خطی مشخصه مدار باز، خط فاصله هوایی نامیده می شود.
آزمون اتصال کوتاه
برای انجام این آزمون دوباره جریان میدان در صفر تنظیم می شود و پایانه های مولد توسط مجموعه ای از آمپرمترها اتصال کوتاه می شوند. سپس جریان آرمیچر {displaystyle I_{a}} یا جریان خط {displaystyle I_{L}} همراه با افزایش جریان میدان اندازه گیری می شود. این منحنی مشخصه اتصال کوتاه (SCCC)نام دارد.
تعیین راکتانس هم زمان
1. ولتاژ تولید شده واقعی {displaystyle E_{A}} را به ازای جریان میدان از مشخصهٔ مدار باز به دست می آوریم.
2. جریان اتصال کوتاه {displaystyle I_{a}} را به ازای چریان میدان از مشخصهٔ اتصال کوتاه به دست می آوریم.
3. با استفاده از معادلهٔ {displaystyle X_{s}={frac {E_{A}}{I_{a}}}}، {displaystyle X_{s}} را به دست می آوریم.
در این روش ما {displaystyle X_{s}>>R_{A}} در نظر می گیریم که این قضیه با واقعیت موضوع نیز می خواند. اما مشکل اساسی این روش این است که در آن ماشین به ازای جریان های بزرگ میدان در اشباع قرار دارد، در حالی که {displaystyle I_{a}} که از آزمایش اتصال کوتاه به دست می آید به ازای تمامی جریان های میدان در حالت اشباع نشده قرار دارد؛ بنابراین {displaystyle E_{A}} گرفته شده از OCC به ازای یک جریان معین میدان، همان {displaystyle E_{A}}شرایط اتصال کوتاه نیست و این تفاوت موجب می شود که مقدار {displaystyle X_{s}} تنها تقریبی از مقدار واقعی باشد.
با این وجود جواب به دست آمده از این روش تا نقطه اشباع دقیق است، پس راکتانس هم زمان اشباع نشده ماشین را می توان به ازای جریان میدان واقع در ناحیه خطی (خط فاصله هوایی) منحنی OCC به آسانی به دست آورد. رفتار مولد زیر بار به شدت تابع توان بار و کار کردن آن به تنهایی یا موازی با دیگر مولدهای هم زمان است.
مشخصه های بسامد – توان مولد هم زمان
توان خروجی مولد هم زمان با بسامد آن مرتبط است. مشخصه بسامد – توان نقش مهمی در کار موازی مولدهای هم زمان بازی می کند.
رابطه بسامد و توان را می توان به طور کلی با معادله زیر بیان کرد:
{displaystyle P=s_{p}(f_{nl}-k_{sys})}
که در آن:
{displaystyle P}: توان خروجی مولد
{displaystyle s_{p}}: شیب منحنی
{displaystyle f_{nl}}: بسامد بی باری
{displaystyle f_{sys}}: بسامد کار سیستم
مقادیر نامی مولد هم زمان
کمیات نامی ماشین هم زمان عبارت اند از: ولتاژ، بسامد، سرعت، توان ظاهری (کیلوولت آمپر)، ضریب توان، جریان میدان و ضریب سرویس
ولتاژ، سرعت و بسامد نامی
بسامد نامی مولد هم زمان به سیستم قدرتی که به آن متصل است بستگی دارد. امروزه بسامدهایی که معمولاً در سیستم قدرت به کار می روند عبارت اند از :Hz ۵۰ (در اروپا، آسیا و غیره)، Hz ۶۰ (در آمریکا) و Hz ۴۰۰ (برای مقاصد خاص و کاربردهای کنترلی)[نیازمند منبع].
اگر بسامد کار معلوم باشد به ازای تعداد قطب معین تنها یک سرعت چرخش ممکن وجود خواهد داشت:
{displaystyle f_{e}={frac {n_{m},p}{120}}}
شاید بدیهی ترین محدودیت، ولتاژی است که مولد برای کار در آن طراحی شده است. ولتاژ مولد به شار، سرعت چرخش و ساختمان مکانیکی ماشین بستگی دارد. به ازای اندازهٔ مکانیکی معین بدنه و سرعت معین هرچه ولتاژ مطلوب بیشتر باشد، شار لازم در ماشین بیشتر خواهد بود. اما شار را نمی توان به طور نامحدود زیاد کرد، زیرا همیشه یک جریان ماکزیمم مجاز جریان میدان وجود دارد.
جنبهٔ دیگری که در تعیین ماکزیمم ولتاژ مجاز وجود دارد، ولتاژ شکست عایق سیم پیچی است. (ولتاژهای عادی نباید به مقدار ولتاژ شکست نزدیک شوند)
توان ظاهری و ضریب توان نامی
دو عامل وجود دارد که حدود توان ماشین های الکتریکی را تعیین می کند: یکی از آن ها گشتاور مکانیکی روی محور ماشین و دیگری گرم شدن سیم پیچی های آن است. در همهٔ ماشین های هم زمان عملی محور استحکام مکانیکی کافی برای تحمل توان در حالت پایدار بسیار بزرگ تر از مقدار نامی ماشین را دارد. پس حدود عملی حالت پایدار را گرمایش سیم پیچی های ماشین تعیین می کند.
درمولد هم زمان دو سیم پیچی وجود دارد و هر دوی آن ها باید در برابر گرمایش زیاد حفاظت شود. این دو سیم پیچی، سیم پیجی آرمیچر و سیم پیچی میدان هستند.
کار کوتاه مدت
مهم ترین عامل محدودکننده کار حالت پایدار مولد هم زمان، گرم شدن سیم پیچی های آرمیچر و میدان آن است. اما حد گرمایی معمولاً نقطه ای بسیار پایین تر از ماکزیمم توانی که مولد از نظر عملی می تواند تولید کند قرار دارد. در واقع یک مولد هم زمان نوعی می تواند در زمان محدود تا ۳۰۰ درصد توان نامی اش تولید کند. (تا اینکه سیم پیچی هایش بسوزد)
مولد را می توان در توان های بیشتر از توان نامی به کار برد مشروط به آنکه قبل از برداشتن بار اضافی سیم پیچی ها بیش از حد اضافی گرم نشده باشند. هرچه توان نامی بیشتر باشد، مدت زمانی که ماشین می تواند آن را تحمل کند کمتر می شود. ماکزیمم افزایش درجه حرارتی که ماشین می تواند تحمل کند به کلاس عایقی سیم پیچی هایش بستگی دارد. چهار کلاس عایقی وجود دارد: H ،F ،B ،A عموماً این کلاس ها به ترتیب متناظر با افزایش درجه حرارت به مقدار ۶۰، ۸۰، ۱۰۵ و ۱۲۵ درجه بیشتر از درجه حرارت محیط اند. هرچه کلاس عایقی یک ماشین معین بیشتر بلشد توانی که بدون گرمایش بیش از حد می توان از آن کشید بیشتر است.
گرم شدن بیش از حد سیم پیچی ها مسئله ای بسیار جدی برای ماشین است. یک قاعده سر انگشتی قدیمی می گوید به ازای هر ۱۰ درجه افزایش درجه حرارت نسبت به حرارت مجاز سیم پیچی ها عمر متوسطه ماشین نصف می شود. حساسیت مواد عایقی امروزی نسبت به شکست کمتر از این است، اما افزایش حرارت هنوز به طور موثری اثر خود را دارد.
ضریب سرویس
غالباً قبل از نصب، اندازه بار فقط به صورت تقریبی معلوم است، به همین دلیل ماشین هایی با کاربرد عام یک ضریب سرویس دارند. ضریب سرویس به صورت نسبت ماکزیمم توان واقعی ماشین به مقدار نامی پلاک آن تعریف می شود. ضریب سرویس یک محدودهٔ اطمینان برای خطای ناشی از تخمین نامناسب بار فراهم می کند.

فهرست
ابر رسانایی……………………………… 2
کاربردهای ابر رسانه …………………………………………………… 4
SMESچیست………………………………………………. 5
اولین سیستم SMES ……………………………………………… 6
SMES و مدل سازی آن ……………………………………….. 7
چگونگی انجام کار ابر رسانایی ……………………………………………………………………. 9
ابر رساناها و ژنراتورهای هیدرودینامیک مغناطیسی…………………………………………. 10
کاربرد ابر رسانا در محدود سازهای جریان خطا……………………………………………………………….. 12
کاربرد ابر رسانا در ذخیره سازهای مغناطیسی………………………………….. 14
کاربرد ابر رسانا در موتورها و ژنراتورها………………………………………………………………….. 17
کاربرد ابر رسانا درترانسفورماتورها…………………………………………………. 18

ویژگی گاورنر …………………………………………………………….. 19
محدوده فشار خروجی گاورنرها ………………………. 20
سیستم کنترل توربین های گازیEGATROL …………………………………. 22
انواعASD …………………………………………………………… 24
سیستم هایASDجهت کنترل سرعت موتورهای القایی ……………………… 25
ASDاز نوع ولتاژ متغییر و فرکانس ثابت ……………………………………. 27
ASDاز نوع ولتاژ و فرکانس متغییر………………………………………. 29
مولدهای همزمانی سنکرون …………………………………………………………………………… 31
اندازه گیری پارامترهای مدل مولد همزمان ………………………………………… 35
آزمون مدار باز …………………………………………. 35
تعیین راکتانس همزمان ………………………………………………………………. 37
اثر تغییرات باربر کار مولد همزمان …………………………… 38
شرایط لازم موازی کردن مولدها …………………………………………………………………………… 41
روش کلی موازی کردن مولدها ………………………………………………………… 42
مشخصه های بسامد- توان مولد همزمان ………………………… 43
مقادیر نامی مولد همزمان …………… 44
توان ظاهری و ضریب توان نامی ……………………………………………………… 45
کار کوتاه مدت و ضریب سرویس ……………………………. 46

مقدمه
در چند دهه ی اخیر سیستم های ذخیره ساز انرژی با انگیزه های متفاوتی به منظور بهبود عملکرد سیستم قدرت، موردتوجه قرار گرفته اند. بطور معمول در سیستم قدرت بین قدرتهای الکتریکی تولیدی و مصرفی تعادل لحظه ای برقرار است و هیچ گونه ذخیره انرژی در آن صورت نمی گیرد. بنابراین لازم است میزان تولید شبکه، منحنی مصرف منطقه را تغقیب کند. واضح است بهره برداری از سیستم بدین طریق، با توجه به شکل متعارف منحنی مصرف غیر اقتصادی است.
استفاده از ذخیره سازی های انرژی با ظرفیت بالا به منظور تراز سازی منحنی مصرف و افزایش ضریب بار، از اولین کاربردهای ذخیره انرژی در سیستم قدرت در جهت بهره برداری اقتصادی می باشد.
علاوه بر این، اغتشاش های مختلف در شبکه (تغییرات ناگهانی بار، قطع و وصل خطوط انتقال و…) خارج شدن سیستم از نقطه تعادل را به دنبال دارد. در این شرایط ابتدا از محل انرژی جنبشی محور ژنراتورهای سنکرون انرژی برداشت می شود، سپس حلقه های کنترل سیستم فعال شده و تعادل را بر قرار می سازند. این روند، نوسان متغیرهای مختلف مانند فرکانس، توان الکتریکی روی خطوط و… را موجب می شود که مشکلات مختلفی را در بهره برداری از سیستم قدرت به دنبال دارد. هر گاه در سیستم مقداری انرژی ذخیره شده باشد، با مبادله سریع آن با شبکه در مواقع مورد نیاز به حد قابل توجهی می توان مشکلات فوق را کاهش داد. به عبارت دیگر، ذخیره ساز انرژی را می توان در بهبود عملکرد دینامیکی سیستم نیز بکار برد.
www.prozhe.com

از اوایل دهه ی هفتاد مفهوم ذخیره سازی انرژی الکتریکی به شکل مغناطیسی مورد توجه قرار گرفت. با ظهور تکنولژی ابر رسانایی، کاربردهای گوناگونی برای این پدیده فیزیکی مطرح شد. از معروف ترین این کاربردها می توان به SMES اشاره کرد. در SMES انرژی در یک سیم پیچ با اندوکتاس بزرگ که از ابر رسانا ساخته شده است، ذخیره می شود. ویژگی ابر رسانایی سیم پیچ موجب می شود که راندمان رفت و برگشت فرایند ذخیره انرژی بالا و در حدود 95% باشد. ویژگی راندمان بالای SMES آن را از سایر تکنیکهای ذخیره انرژی متمایز می کند. همچنین از آنجایی که در این تکنیک انرژی از صورت الکتریکی به صورت مغناطیسی و یا برعکس تبدیل می شود، SMES دارای پاسخ دینامیکی سریع می باشد. بنابراین می تواند در جهت بهبود عملکرد دینامیکی نیز بکار رود. معمولاً واحدهای ابر رسانایی ذخیره سازی انرژی را به دو گونه ظرفیت بالا (MWh 500) جهت ترازسازی منحنی مصرف، و ظرفیت پایین(چندین مگا ژول) به منظور افزایش میرایی نوسانات و بهبود پایداری سیستم می سازند.
بطور خلاصه مهم ترین قابلیت SMESجداسازی و استقلال تولید از مصرف است که این امر مزایای متعددی از قبیل بهره برداری اقتصادی، بهبود عملکرد دینامیکی و کاهش آلودگی را به دنبال دارد.

ابررسانایی
در سال 1908 وقتی کمرلینگ اونز هلندی در دانشگاه لیدن موفق به تولید هلیوم مایع گردید حاصل شد که با استفاده از آن توانست به درجه حرارت حدود یک درجه کلوین برسد.
یکی از اولین بررسی هایی که اونز با این درجه حرارت پایین قابل دسترسی انجام داد مطالعه تغییرات مقاومت الکتریکی فلزات بر حسب درجه حرارت بود. چندین سال قبل از آن معلوم شده بود که مقاومت فلزات وقتی دمای آن ها به پایین تر از دمای اتاق برسد کاهش پیدا می کند. اما معلوم نبود که اگر درجه حرارت تا حدود کلوین تنزل یابد مقاومت تا چه حد کاهش پیدا می کند. آقای اونز که با پلاتینیم کار می کرد متوجه شد که مقاومت نمونه سرد تا یک مقدار کم کاهش پیدا می کرد که این کاهش به خلوص نمونه بستگی داشت. در آن زمان خالص ترین فلز قابل دسترس جیوه بود و در تلاش برای بدست آوردن رفتار فلز خیلی خالص اونز مقاومت جیوه خالص را اندازه گرفت. او متوجه شد که در درجه حرارت خیلی پایین مقاومت جیوه تا حد غیرقابل اندازه گیری کاهش پیدا می کند که البته این موضوع زیاد شگفت انگیز نبود اما نحوه از بین رفتن مقاومت غیر منتظره می نمود. موقعی که درجه حرارت به سمت صفر تنزل داده می شود به جای این که مقاومت به آرامی کاهش یابد در درجه حرارت 4 کلوین ناگهان افت می کرد و پایین تر از این درجه حرارت جیوه هیچ گونه مقاومتی از خود نشان نمی داد. همچنین این گذار ناگهانی به حالت بی مقاومتی فقط مربوط به خواص فلزات نمی شد و حتی اگر جیوه ناخالص بود اتفاق می افتاد.آقای اونز قبول کرد که پایین تر از 4 کلوین جیوه به یک حالت دیگری از خواص الکتریکی که کاملاً با حالت شناخته شده قبلی متفاوت بود رفته است و این حالت تازه "حالت ابر رسانایی" نام گرفت. بعداً کشف شد که ابررسانایی را می توان از بین برد (یعنی مقاومت الکتریکی را می توان مجددا بازگردانید). و در نتیجه معلوم شد که اگر یک میدان مغناطیسی قوی به فلز اعمال شود این فلز در حالت ابر رسانایی دارای خواص مغناطیسی بسیار متفاوتی با حالت درجه حرارت های معمولی می باشد.
تاکنون مشخص شده است که نصف عناصر فلزی و همچنین چندین آلیاژ در درجه حرارت های پایین ابر رسانا می شوند. فلزاتی که ابررسانایی را در درجه حرارت های پایین از خود نشان می دهند (ابر رسانا) نامیده می شوند. سال های بسیاری تصور می شد که تمام ابررساناها بر طبق یک اصول فیزیکی مشابه رفتار می کنند. اما اکنون ثابت شده است که دو نوع ابررسانا وجود دارد که به نوع I و II مشهور می باشد. اغلب عناصری که ابررسانا هستند ابررسانایی از نوع I را از خود نشان می دهند. در صورتی که آلیاژها عموماً ابررسانایی از نوع II را از خود نشان می دهند. این دو نوع چندین خاصیت مشابه دارند. اما رفتار مغناطیسی بسیار متفاوتی از خود بروز می دهند.
پدیده ی ابر رسانایی در تکنولوژی از توانایی گستردهای بر خوردار است زیرا بر پایه ی این پدیده بارهای الکتریکی می توانند بدون تلفات گرمایی از یک رسانا عبور کنند. به طور مثال جریان القا شده در یک حلقه ی ابر رسانا بدون وجود هیچ باطری در مدار به مدت چند سال بدون کاهش باقی می ماند. برای نمونه در واشنگتن از یک خلقه ابر رسانای بزرگ برای ذخیره کردن انرژی الکتریکی در تکوما استفاده می شود. ذخیره ی انرژی در این حلقه تا 5 مگاوات بالا می رود و انرژی در مدت مورد نظر آزاد می شود.
عمده مشکل ایجاد کردن شرایط برای این پدیده دمای بسیار پایین آن می باشد که باید دماهای بسیار پایین را محیا کرد. اما در سال 1986 مواد سرامیکی جدیدی کشف شد که در دماهای بالاتری توانایی ابر رسانایی را داشته باشد. (تا اکنون در دمای 138 درجه کلوین این امر میسر شده است).

کاربردهای ابر رسانایی
کاربردهای زیادی را برای ابررساناها در نظر گرفته است به عنوان مثال استفاده از ابر رساناها باعث خواهد شدکه مدار ماهواره های چرخنده به دور زمین با دقت بسیاربالایی کنترل شوند. خاصیت اصلی ابر رساناها به دلیل نداشتن مقاومت الکتریکی امکان انتقال جریان الکتریکی- حجم کوچکی از ابررسانا است. به همین خاطر اگر بجای سیمهای مسی از ابر رساناها استفاده شود، موتورهای فضاپیماها تا 6 برابر نسبت به موتورهای فعلی سبکتر خواهند شد و باعث می شود که وزن و فضاپیما بسیار کاهش یابد .
از دیگر زمینه هایی که ابررساناها می توانند نقش اساسی در آن ها بازی می کنند می توان کاوش های بعدی انسان از فضارا نام برد. ابررساناها بهترین گزینه برای تولید و انتقال بسیار کارآمد انرژی الکتریکی هستند و طی شب های طولانی ماه که دما تا 173- درجه سانتی گراد پایین می آید و طی ماه های ژانویه تا مارس دستگاه های MRI ساخته شده ازسیمهای ابررسانا، ابزار تشخیص دقیق و توانمندی در خدمت سلامت خدمه فضاپیما خواهد بود. و همچنین ساخت ابر کامپیوترهای بسیار کوچک و کم مصرف می باشد.
SMES چیست؟
Superconducting Mgnetic Enrgy Storage
ابرسانای ذخیره کننده انرژی مغناطیسی وسیله ای است برای ذخیره کردن انرژی و بهبود پایداری سیستم و کم کردن نوسانات. این انرژی توسط میدان مغناطیسی که توسط جریان مستقیم ایجاد می شود ذخیره می شود.

این وسیله می تواند هزاران بار شارژ و دشارژ شود بدون این که تغییری در مغناطیس آن ایجاد شود .

اولین سیستم SMES
اولین نظریه ها در مورد این سیستم توسط فرریهFerrier در سال 1969 مطرح شد او سیم پچی بزرگ مارپیچی که توانایی ذخیره انرژی روزانه کل فرانسه داشت پیشنهاد کرد. که به خاطر هزینه ساخت بسیار زیاد آن کسی پیگیری نکرد. در سال 1971 تحقیقات در آمریکا در دانشگاه ویسکانسین برای فهمیدن بحث های بنیادی اثر متقابل مابین انرژی ذخیره شده و سیستم های چند فازه منجر به ساخت اولین دستگاه شد.
هیتاچی در سال1986 یک دستگاه SMES به میزان 5MJ را ساخت و آزمایش کرد. در سال1998 یک SMES 100KWH توسط ISTEC در ژاپن ساخته شد.
SMES و مدل سازی آن
یک واحد SMES که در سیستمهای قدرت بکار گرفته می شود از یک سیم پیچ بزرگ ابررسانا و یک سیستم سردکننده هلیم به منظور نگهداری دمای هلیم در زیر دمای بحرانی تشکیل شده است. سیم پیچ ابررسانا از طریق دو مبدل AC/DC شش تریسیتور و یک ترانسفورماتور قدرت سه سیم پیچه کاهنده به سیستم قدرت متصل است.
در شکل اندوکتانس L بهzعنوان بار در قسمت DC در منطقه کنترل دما قرار می گیرد. و مبدل های AC/DCدر خارج این منطقه قرار می گیرند. با کنترل زاویه آتش تریسیتورها ولتاژ DC دو سر سیم پیچ ابر رسانا را می توان به طور پیوسته در بازه ی وسیعی از مقادیر ولتاژهای مثبت و منفی کنترل کرد. اگر از تلفات جزیی سیستم صرف نظر کنیم بر اساس تئوری مبدل ها داریم:

که در آن Ed ولتاژ دو سرسیم پیچ Ed ولتاژ ماکزیمم دو سر سیم پیچ در بی باری، Idجریان سیم پیچ ابر رسانا،xc راکتانس کموتاسیون همگی بر حسب pu و a زاویه آتش می باشد مشخصه کاری SMES دارای دو حالت یکسوسازی و اینورتری می باشد. معمولاً این پریود در زاویه آتش صفر یعنی حداکثر ولتاژ انجام می شود. در حالت اینورتری انرژی مغناطیسی ذخیره شده در سیم پیچ به شکل الکتریکی وارد شبکه می گردد.
شکل زیر بلوک دیاگرام مدل SMES را نشان می دهد. ولتاژ Ed دو سر سیم سیم پیچ به عنوان عامل کنترل توان مورد استفاه قرار می گیرد. بسته به نوع کاربرد SMES یکی از کمیت های تغییر فرکانس شبکه تغییر سرعت ماشین سنکرون، تغییرات ولتاژ شبکه و… به عنوان ورودی به SMES انتخاب می شود. خروجی SMES نیز توان دریافتی می باشد. در این شکل Tdc تاخیر زمانی مبدل،Kf بهره حلقه کنترل و L اندوکتانس سیم پیچ می باشد. معمولاً پس از تخلیه انرژی SMES زمان زیادی لازم است تا جریان به حالت اولیه بر می گردد، به منظور رفع این مشکل می توان از یک فیدبک تغییر جریان استفاده کرد. بدین ترتیب SMES را در مطالعات دینامیکی می توان با این مدل غیر خطی مرتبه دوم توصیف کرد.

چگونگی انجام کار ابررسانایی
اجسام ابررسانا ظرفیت ذخیزه را افزایش می دهند، در دماهای پایین اجسام ابررسانا در مقابل عبور جریان از خود مقاومتی نشان نمی دهند. به هر حال کاربرد ابرساناها توسط عواملی چون وضعیت کاهش دما، میدان مغناطیسی بحرانی و چگالی جریان بحرانی محدود می شود.

SMES انرژی الکتریکی را در میدان مغناطیسی ناشی از جریانDC جاری در سیم پیچ ذخیره می شود. اگر سیم پیچ از موادی مثل مس باشد انرژی مغناطیسی زیادی در سیم به خاطر مقاومت بیهوده تلف می شود؛ اگر سیم از جنس ابر رسانا باشد انرژی در حالت "پایا" و تا زمانی که لازم است ذخیره شود. ابررساناها در مقابل جریان DC مقاومت ندارند و به همین دلیل در دمای پایین تلفات اهمی را محو می کنند در کابرد AC جریان الکتریکی هنوز تلفات دارد اما این تلفات می تواند با طراحی مناسب کاهش پیدا کند. برای هر دوحالت کاری AC DC انرژی زیادی ذخیره می شود.بهینه ترین دما برای دستگاهها 77-50 کلوین است.
انرژی ذخیره شده در سیم پیچ برابر است با :
حجم چگالی انرژی :

ابررساناها و ژنراتورهای هیدرودینامیک مغناطیسی
اصول کلی ژنراتورهای هیدرودینامیک مغناطیسی (MHD) که از سال 1959 پژوهش هایی برای تولید برق به وسیله آن ها شروع شده و هنوز ادامه دارد، بر این اساس است که جریان گاز پلاسما (بسیار داغ) یا فلز مذاب از میان میدان مغناطیسی قوی عبور داده می شود. با عبور گاز داغ یا فلز مذاب، در اثر میدان مغناطیسی بسیار قوی موجود، یون های مثبت و منفی به سمت الکترودهایی که در بالا و پایین جریان گاز پلاسما یا فاز مذاب قرار دارند، جذب می شوند و مانند یک ژنراتور جریان مستقیم، تولید الکتریسیته را باعث می شوند. قدرت الکتریکی این ژنراتور جریان مستقیم با اینورترهای الکترونیک قدرت، به برق جریان متناوب تبدیل و به شبکه متصل می شود. با توجه به هزینه بالای تولید الکتریسیته در ژنراتورهای MHD، استفاده از آنها تنها به منظور یکنواختی منحنی مصرف در زمانهای پرباری شبکه مفید است. سیم پیچهای بزرگ ابررسانا که از مواد ابررسانای متعارف مانند آلیاژ نیوبیوم تیتانیوم ساخته شده اند برای تولید میدانهای مغناطیسی بسیار قوی مناسب و قابل استفاده است. اگر فاصله دو الکترود 1/0 متر، سرعت یونها 400 متر بر ثانیه و میدان مغناطیسی 5 تسلا باشد، ولتاژ خروجی 200 ولت خواهد بود و در طول کانال 6 متری و با قطر یک متر، 40 مگاوات انرژی قابل تولید است. مزیت اصلی ژنرتورهای MHD وزن نسبتاً کم آنها در مقایسه با ژنراتورهای متعارف است که استقبال از کاربرد آنها را در صنایع هوایی و دریایی موجب شده است.

کاربرد ابررسانا در محدودسازهای جریان خطا
علاوه بر موارد گفته شده، محدودسازهای ابررسانائی جریان خطا یا SFCL نیز رده تازه ای از وسایل حفاظتی سیستم قدرت را ارائه می کنند که قادرند شبکه را از اضافه جریان های خطرناکی که باعث قطعی پر هزینه برق و خسارت به قطعات حساس سیستم می شوند حفاظت نمایند. اتصال کوتاه یکی از خطاهای مهم در سیستم قدرت است که در زمان وقوع، جریان خطا تا بیشتر از 10 برابر جریان نامی افزایش می یابد و با رشد و گسترش شبکه های برق، به قدرت اتصال کوتاه شبکه نیز افزوده می شود. تولید جریانهای خطای بزرگتر، ازدیاد گرمای حاصله ناشی از عبور جریان القائی زیاد در ژنراتورها، ترانسفورماتورها و سایر تجهیزات و همچنین کاهش قابلیت اطمینان شبکه را در پی دارد. لذا عبور چنین جریانی از شبکه احتیاج به تجهیزاتی دارد که توانایی تحمل این جریان را داشته باشند و جهت قطع این جریان نیازمند کلیدهایی با قدرت قطع بالا هستیم که هزینه های سنگینی به سیستم تحمیل می کند. اما اگر به روشی بتوان پس از آشکارسازی خطا، جریان را محدود نمود، از نظر فنی و اقتصادی صرفه جویی قابل توجهی صورت می گیرد. انواع مختلفی از محدود کننده های خطا تا به حال برای شبکه های توزیع و انتقال معرفی شده اند که ساده ترین آن ها فیوزهای معمولی است که البته پس از هر بار وقوع اتصال کوتاه باید تعویض شوند. از آنجایی که جریان اتصال کوتاه در لحظات اولیه به خصوص در پریود اول موج جریان، دارای بیشترین دامنه است و بیشترین اثرات مخرب از همین سیکل های اولیه ناشی می شود باید محدودسازهای جریان خطا بلافاصله بعد از وقوع خطا در مدار قرار گیرند. محدودکننده های جریان اتصال کوتاه طراحی شده در دهه های اخیر، عناصری سری با تجهیزات شبکه هستند و وظیفه دارند جریان اتصال کوتاه مدار را قبل از رسیدن به مقدار حداکثر خود محدود نمایند به طوری که توسط کلیدهای قدرت موجود قابل قطع باشند. این تجهیزات در حالت عادی، مقاومت کمی در برابر عبور جریان از خود نشان می دهند ولی پس از وقوع اتصال کوتاه و در لحظات اولیه شروع جریان، مقاومت آن ها یکباره بزرگ شده و از بالا رفتن جریان اتصال کوتاه جلوگیری می کنند. این تجهیزات پس از هر بار عملکرد باید قابل بازیابی بوده و در حالت ماندگار سیستم، باعث ایجاد اضافه ولتاژ و یا تزریق هارمونیک به سیستم نگردند. محدودسازهای اولیه با استفاده از کلیدهای مکانیکی امپدانسی را در زمان خطا در مسیر جریان قرار می دادند. با ورود ادوات الکترونیک قدرت کلیدهای تریستوری برای این موضوع مورد استفاده قرار گرفتند و مدارهای متعددی از جمله مدارهای امپدانس تشدید و ابررسانا، ارائه گردیده است. محدودکننده های ابررسانا در شرایط بهره برداری عادی سیستم یک سیم پیچ با خاصیت ابررسانایی بوده (مقاومت و افت ولتاژ کمی را باعث می شود) ولی به محض وقوع اتصال کوتاه و افزایش جریان از یک حد معینی (جریان بحرانی) سیم پیچ مربوط مقاومت بالایی از خود نشان می دهد و به همین دلیل جریان خطا کاهش می یابد. عمل فوق در زمان کوتاهی انجام می پذیرد و نیاز به سیستم کشف خطا نمی باشد.

کاربرد ابررسانا در ذخیره سازهای مغناطیسی
در سیستم قدرت بین قدرت های الکتریکی تولیدی و مصرفی تعادل لحظه ای برقرار است و هیچ گونه ذخیره انرژی در آن صورت نمی گیرد. بنابراین تولید شبکه ناچار به تبعیت از منحنی مصرف است که غیراقتصادی می باشد. ابرسانای ذخیره کننده انرژی مغناطیسی (SMES) وسیله ای است که برای ذخیره کردن انرژی، بهبود پایداری سیستم قدرت و کم کردن نوسانات قابل استفاده می باشد. این انرژی توسط میدان مغناطیسی که توسط جریان مستقیم ایجاد می شود ذخیره می شود. ابرسانای ذخیره کننده انرژی مغناطیسی هزاران بار قابلیت شارژ و دشارژ دارد بدون اینکه تغییری در خواص مغناطیس آن ایجاد شود. ویژگی ابر رسانایی سیم پیچ نیز موجب می شود که راندمان رفت و برگشت فرایند ذخیره انرژی بسیار بالا و در حدود 95% باشد. اولین نظریه ها در مورد این سیستم در سال1969 توسط فریه مطرح شد. وی طرح ساخت سیم پیچ مارپیچی بزرگی را که توانایی ذخیره انرژی روزانه برای تمامی فرانسه را داشت ارائه کرد که به خاطر هزینه ساخت بسیار زیاد آن پیگیری نشد. در سال1971 تحقیقات در آمریکا در دانشگاه ویسکانسین برای فهمیدن بحثهای بنیادی اثر متقابل بین انرژی ذخیره شده و سیستم های چند فاز به ساخت اولین دستگاه انجامید. شرکت هیتاچی در سال1986 یک دستگاه SMES به ظرفیت 5 مگاژول را آزمایش کرد. در سال1998 نیز ذخیره ساز 360 مگاژول توسط شرکت ایستک در ژاپن ساخته شد. علاوه بر ذخیره سازی انرژی به منظور تراز منحنی مصرف و افزایش ضریب بار، سیستم های مورد اشاره با اهداف دیگری نیز مورد توجه قرار گرفته اند. بروز اغتشاش های مختلف در شبکه قدرت از جمله تغییرات ناگهانی بار، قطع و وصل خطوط انتقال و… به عدم تعادل سیستم می انجامد. در این شرایط انرژی جنبشی محور ژنراتورهای سنکرون مجبور به تامین افزایش انرژی ناشی از اختلال هستند و درصورت حفظ پایداری دینامیکی، حلقه های کنترل سیستم فعال شده و تعادل را برقرار می سازند. این روند، نوسان متغیرهای مختلف مانند فرکانس، توان الکتریکی روی خطوط و… را موجب می شود که مشکلات مختلفی را در بهره برداری از سیستم قدرت به دنبال دارد. اما اگر در سیستم مقداری انرژی ذخیره شده باشد، با مبادله سریع آن با شبکه در مواقع موردنیاز می توان مشکلات فوق را کاهش داد. با توجه به اینکه در این سیستم انرژی از صورت الکتریکی به صورت مغناطیسی و یا برعکس تبدیل می شود، ذخیره ساز ابررسانایی دارای پاسخ دینامیکی سریع می باشد و بنابراین می تواند در جهت بهبود عملکرد دینامیکی نیز به کار رود. معمولاً واحدهای ابررسانایی ذخیره انرژی را در دو مقیاس ظرفیت بالا یعنی حدود 1800 مگاژول برای تراز منحنی مصرف، و ظرفیت پایین (چندین مگا ژول) به منظور افزایش میرایی نوسانات و بهبود پایداری سیستم می سازند. سیم پیچ ابررسانا از طریق مبدل به سیستم قدرت متصل و شارژ می شود و با کنترل زاویه آتش تریسیتورها ولتاژ DC دو سر سیم پیچ ابررسانا به طور پیوسته در بازه ی وسیعی از مقادیر ولتاژهای مثبت و منفی قابل کنترل است. ورودی ذخیره ساز انرژی می تواند تغییرات ولتاژ شبکه، تغییر فرکانس شبکه، تغییر سرعت ماشین سنکرون و… باشد و خروجی نیز توان دریافتی خواهد بود. مهم ترین قابلیت SMES جداسازی و استقلال تولید از مصرف است که این امر مزایای متعددی از قبیل بهره برداری اقتصادی، بهبود عملکرد دینامیکی و کاهش آلودگی را به دنبال دارد. در کابرد AC جریان الکتریکی هنوز تلفات دارد اما این تلفات می تواند با طراحی مناسب کاهش پیدا کند. برای هر دوحالت کاری AC وDC انرژی زیادی قابل ذخیره سازی است. بهترین دمای عملکرد برای دستگاه های مورد اشاره نیز 50 تا 77 درجه کلوین است.

کاربرد ابررسانا در موتورها و ژنراتورها
درصورت استفاده از سیم های ابررسانا به جای سیم های مسی در روتور ماشین های القایی، تلفات، حجم، وزن و قیمت آن ها کاهش قابل ملاحظه ای خواهد داشت و با افزایش بازده، صرفه جویی قابل توجهی در انرژی الکتریکی صورت می گیرد. کویل ژنراتورهای سنکرون نیز با مواد ابررسانای سرامیکی قابل ساخت می باشد که منجر به افزایش قابل توجهی در بازده ژنراتور خواهد شد. به علاوه تکنولوژی ابررسانا امروزه در ساخت کندانسورهای سنکرون نیز کاربرد دارد. کندانسورهای ابررسانا دارای بازده بیشتر، هزینه نگهداری کمتر و قابلیت انعطاف بهتری هستند.

کاربرد ابررسانا در ترانسفورماتورها
استفاده از مواد ابررسانا در سیم بندی ترانسفورماتورها باعث 50% کاهش در تلفات، وزن و ابعاد ترانسفورماتور نسبت به انواع متداول ترانسفورماتورهای روغنی شده و به علاوه تاثیر قابل توجهی نیز در افزایش بازده، کاهش افت ولتاژ و افزایش ظرفیت اضافه بار ترانسفورماتور دارد. استفاده از ترانسفورماتورهای ابررسانا با توجه به حجم کم و عدم استفاده از روغن برای خنک سازی، نقش قابل ملاحظه ای در بهبود فضای شهری و کاهش هزینه های زیست محیطی خواهد داشت.

ویژگی
گاورنر وسیله ای است که در سر راه ورودی گاز به وسایل گازسوز قبل از شیر کنترل قرار می گیرد و وظیفه آن تثبیت فشار ورودی به وسیله گازسوز می باشد.
برای این منظور گاورنر مدل GCP83 به صورت خود تنظیم Self Adjusting فشار خروجی را در محدوده معینی به ازای تغییرات فشار شبکه تنظیم می نماید قطعاً عملکرد وسایل گازسوز در فشار نامی 18 mbar منجر به راندمان بالاتر و کاهش آلاینده های خطرناک حاصل از احتراق سوخت وسیله گازسوز خواهد شد و همچنین کارکرد ایمن و بدون خطر وسیله را تضمین می نماید چرا که احتراق در فشارهای بالاتر از فشار نامی وسیله گازسوز منجر به حرارت بیش از حد و افزایش میزان غیر مجاز منوکسید کربن می شود که در مورد اولی می تواند منجر به آسیب رساندن به قطعات وسیله گازسوز و به تبع آن ایجاد خطر شود و در مورد دوم آلودگی را افزایش داده که منجر به آسیب رساندن به سیستم تنفس انسان و حتی مرگ خواهد شد.
مشخصات فنی GCP83
این گاورنر بر اساس استاندارد EN88 طراحی و ساخته شده است.
کلاسه بندی این گاورنر رده B گروه 2 می باشد. برای استفاده از گازهای طبیعی و یا مایع پیشنهاد می شود. این گاورنر نیاز به سرویس و تعمیرات ندارد. دمای کارکرد آن C°80 تا 15-°C می باشد. اتصالات پیچی آن مطابق استاندارد DIN2999 PART1 ISO7-1 می باشد. محدوده دبی گاورنر بر اساس دبی هوا 1.8m3/h تا Q=0.5 می باشد. دبی نامی گاورنر برای اختلاف فشار ورودی و خروجی 1.5m3/h,∆P=2.5 mbar برای هوا می باشد. ابعاد اتصالات ورودی و خروجیRP3/8 می باشد. حداکثر فشار ورودی Pi=100 mbar می باشد. محدوده فشار خروجی PO=2.5-30 mbar می باشد (بر اساس نوع فنر).

محدوده فشار خروجی
محدوده فشار خروجی متفاوتی با تعویض فنر قابل حصول است که در این محدوده ها برای تغییر فشار با در دست داشتن نیاز مشتری و بر اساس وسیله گازسوز موردنظر در مسیر خروجی می توان با برداشتن درپوش و تنظیم پیچ تنظیم پلاستیکی فشار خروجی موردنیاز را به دست آورد و بر اساس نوع فنرها که سازنده گاورنر (گاز کنترل پارس) برای هر فشار خروجی طراحی نموده است محدوده فشار خروجی تنظیم و ارائه نماید.

شرایط نصب
گاورنر GCP83 در هر وضعیتی قابل نصب است و از لحاظ جهت چرخشی آن محدودیتی ندارد.

راه اندازی استاتیکی تجهیزات با کمترین زمان توقف
تجهیزات راه اندازی استاتیکی جدید مبتنی بر فن آوری PROCONTROLP شرکت ABBبوده و وظایفی را انجام می دهد که عبارتند از:
– راه اندازی و گردش روتور
– قابلیت تعمیر توربین گازی ، شامل اندازه گیریهای لازم و تجزیه و تحلیل نتایج
– تست عملکرد سیستم کنترل ، شامل برنامه کنترل توربین گازی ، محرک های خودکار و سیستم ایمنی توربین
– ارتباط با اتاقهای کنترل گرمایی والکتریکی
– عملکرد هشدار دهنده ها و قفل های حفاظتی.
این مرحله شامل نصب یک ترانسفورماتور جدید راه اندازی و اصلاح نقطه خنثی ژنراتور نیز بوده است

سیستم کنترل توربین های گازی"EGATROL"
در توربین GT13 نیروگاها قبلاً به وسیله سیستم گاورنر مکانیکی کنترل می شده است ، بسیاری از قطعات ، دچار فرسودگی می شده و نیاز به تعمیرات مکرر داشت . برای بهبود عملکرد و قابلیت اطمینان سیستم ، این گاورنرها با سیستم های کنترل EGATROL جایگزین شده است .
GATROL در سال 1983 به عنوان سیستم کنترل استاندارد توربین های گازی GT13 توسط ABB بکار گرفته شد. این سیستم الکتروهیدرولیکی از دو بخش تشکیل می شود، واحد کنترل الکتروهیدرولیکی و سیستم های الکترونیکی مربوط به کنترل و مراقبت تمام عوامل کار توربین گازی است. با تغییر سیستـم کنترل بـهEGATROL، تعداد قطعات مکانیکی به شدت کاهش یافت و قطعات در معرض ساییدگی، کلاً حذف می شود. برتری دیگر سیستم EGATROL نیازبه تعداد موتورهای الکتریکی کمتر است. در این سیستم ، دسترسی به داده های فرایندی و تعویض قطعات معیوب و فرسوده ، ساده تر است.
EGATROL در سال 1983 به عنوان سیستم کنترل استاندارد توربین های گازی GT13 توسط ABBبکار گرفته شد. این سیستم الکتروهیدرولیکی از دو بخش تشکیل می شود، واحد کنترل الکتروهیدرولیکی و سیستم های الکترونیکی مربوط و کنترل و مراقبت تمام عوامل کارتوربین گازی . با تغییر سیستم کنترل به EGATROL، تعداد قطعات مکانیکی به شدت کاهش یافت و قطعات در معرض ساییدگی کلاً حذف شد. برتری دیگر سیستم EGATROL نیاز به تعداد موتورهای الکتریکی کمتر است . دراین سیستم ، دسترسی به داده های فرایندی و تعویض قطعات معیوب و فرسوده ، ساده تر است.
EGATROL براساس سیستم PROCONTROLP کار می کند و از ویژگی هایی برخوردار است که عبارتند از:
– فن آوری استاندارد که تعویض سیستم های فرسوده اندازه گیری و کنترل آن ساده است.
– کاهش ارتباط بین اجزا
– انعطاف پذیری بالا و امکان تنظیم برنامه هنگام کار
– نیاز به فضای کم
– استفاده از دستگاه های فرایندهای موجود
– بهینه سازی با استفاده از سیستم کنترل رایانه ای
– مقادیر کنترل دقیق و تکرار پذیر
برای تغییر سیستم کنترل به اگاترول تنها تغییرات جزیی در سیستم موجود، لازم است . در سیستم کنترل اگاترول نیز تغییراتی داده شده تا با سیستم موجود در نیروگاه هماهنگ شود.

انواع ASD
1- ASD از نوع AC (جریان متناوب)
2- ASD از نوع DC(جریان مستقیم)
در ASD از نوع AC، ولتاژ منبع تغذیه موتورهای القایی و یا سنکرون توسط کنترل کننده های ولتاژ AC تنظیم و کنترل می شود، تا در شرایط خاصی از بار، سرعت در مقدار معینی تثبیت گردد. باید دانست کنترل ولتاژ تغذیه موتورهای القایی می ›واند توسط سیکلوکنورتور یا اینورتور صورت پذیرد.
در ASD از نوع DC از یکسو ساز یا برشگر استفاده می شود تا سرعت مطلوبی برای موتورهای DC از نوع تحریک جداگانه یا موتورهای DC سری حاصل گردد. انتخاب نیمه های قدرت برای ASD به منبع تغذیه موجود و مشخصه بار بستگی دارد.

سیستم های ASD جهت کنترل سرعت موتورهای القایی "آسنکرون"
سرعت موتورهای القایی که تحت مشخصه گشتاور سرعت مفروضی بار مکانیکی را می چرخانند توسط دو روش زیر قابل کنترل است:
1- کنترل سرعت میدان گردنده "سرعت سنکرون"
2- کنترل لغزش رتور
اگر تعداد قطب های استاتور ثابت باشد، سرعت سنکرون را می توان با تنظیم و کنترل فرکانس تغییر داد و آن را کنترل نمود. همچنین کنترل لغزش در شرایط بارداری توسط تنظیم دامنه ولتاژ یا جریان اعمال شده به استاتور امکان پذیر است. در رتورهای سیم پیچی شده لغزش رتور را می توان از بازیافت توان از مدار رتور تنظیم و کنترل نمود. گاهی اوقات بازیافت توان را توان برگشتی نیز می نامند. محرک های تنظیم پذیر سرعت (ASD) برای کنترل سرعت موتورهای القایی از نقطه نظر کاربرد به سه دسته تقسیم می شوند:
1- ASD از نوع ولتاژ متغییر و فرکانس ثابت
این سیستم کنترل گاهی به سیستم کنترل ولتاژ استاتور نیز معروف است. در این سیستم ولتاژ اعمال شده به استاتور تغییر کرده و برای این منظور از سیستم کنترل مندرج در فصل 10 (بخش 10-2) استفاده می شود. باید دانست در این سیستم فرکانس همواره ثابت است.

2- ASD از نوع فرکانس متغییر
در این سیستم ها فرکانس استاتور متغییر کرده و باید دانست در این طرح ولتاژ یا جریان اعمال شده به استاتور نیز تغییر می کند.

3- ASD که براساس بازیافت توان لغزشی کار می کند
در این سیستم ها با استفاده از مدارهای نیمه هادی قدرت که به پایانه رتور وصل می شوند، بازیافت توان "یا توان برگشتی" در فرکانس لغزشی به خط تغذیه موتور منتقل می گردد. باید دانست فرکانس لغزشی از حاصلضرب فرکانس منبع و لغزش موتور بدست می آید. به طور کلی در این طرح بر روی مدار رتور کنترل خواهیم داشت.
در این جا متذکر می شویم که ASD از نوع فرکانس متغییر بر دو نوع است:
الف: طرح های حاوی ارتباط DC "جریان مستقیم"
ب: سیکلوکنورتورها
در طرح های حاوی ارتباط DC منبع تغذیه AC توسط یکسو ساز، یکسو شده و سپس توسط اینورتور مجدداً به منبع AC دست می یابیم. اینورتورها بر دو نوع اند:
1- اینورتورهای تغذیه ولتاژ "اینورتورهای ولتاژ"
2- اینورتورهای تغذیه جریان "اینورتورهای جریان"
در اینورتورهای ولتاژ، متغییر تحت کنترل همان ولتاژ و فرکانس اعمالی به استاتور است. در اینورتورهای جریان بر دامنه جریان و فرکانس استاتور کنترل داریم.
اینورتورهای ولتاژ بر دو نوع اند:
1- اینورتورهای با موج مربعی
2- اینورتورهای با مدولاسیون عرض یا پهنای پالس (PWM)

ASD از نوع ولتاژ متغییر و فرکانس ثابت
در این گونه سیستم ها دامنه ولتاژ اعمالی به استاتور کنترل می شود. برای این مقصود از کنترل کننده ولتاژ استفاده شده و فرکانس اعمالی به استاتور همان فرکانس منبع تغذیه ورودی به کنترل کننده ولتاژ است.
شکل (11-3) یک محرک تنظیم پذیر سرعت (ASD) را نشان می دهد که در آن از یک کنترل کننده ولتاژ در سر راه موتور استفاده شده است. این نوع محرک ها در سطوح قدرت متوسط و پایین مورد استفاده قرار می گیرند. فی المثل می توان از بادبزن های نسبتاً بزرگ یا پمپ ها نام برد. در این روش ولتاژ استاتور را می توان بین صفر و ولتاژ اسمی در محدود زاویه آتش بین صفر تا 120 درجه تنظیم و کنترل نمود. این سیستم بسیار ساده بوده و برای موتورهای القایی قفس سنجایی کلاس D با لغزش نسبتاً بالا (10 تا 15درصد) مقرون بصرفه است. عملکرد این محرک ها زیاد جالب توجه نیست زیرا جریان خط تغذیه حاوی هارمونیک های قوی بوده و ضریب توان محرک پایین است از قبل به یاد داریم که گشتاور خروجی موتور القایی سه فاز به قرار زیر است:
الف- گشتاور خروجی به مجذور ولتاژ تغذیه استاتور بستگی دارد.
ب- گشتاور خروجی تابعی از لغزش است.
ج- در تحت لغزش ثابت گشتاور تابعی از مجذور ولتاژ تغذیه می باشد.

شکل(11-3) کنترل سرعت موتور القایی سه فازه توسط کنترل کننده ولتاژ سه فاز از نوع AC

مشخصه گشتاور سرعت موتور القایی سه فاز را در تحت ولتاژهای گوناگون اعمالی به استاتور متفاوت است. اگر بخواهیم سرعت موتور را در تحت ولتاژ مفروضی بدست آوریم باید مشخصه گشتاور سرعت بار نیز در دسترس باشد.
معمولاً مشخصه گشتاور سرعت بار بر دو نوع است:
1- بارهای با گشتاور ثابت
2- بارهایی که گشتاور آن متناسب با مجذور سرعت است. (مانند پمپ ها و بادبزن ها) که به گتشاورهای درجه دوم معروف اند. برای این بارها داریم.
که:
KL: عددیست ثابت  TL= KL
TL: گشتاور مکانیکی بار می باشد.

ASD از نوع ولتاژ و فرکانس متغیر
اگر منبع تغذیه استاتور از نوع فرکانس متغیر انتخاب شود. عملکرد محرک های تنظیم پذیر سرعت (ASD) بهبود می یابد. باید دانست که شار در فاصله هوایی موتورهای القایی با ولتاژ اعمالی به استاتور متناسب بوده و با فرکانس منبع تغذیه نسبت عکس دارد. بنابراین اگر فرکانس را کم کنیم تا کنترل سرعت در زیر سرعت سنکرون امکان پذیر گردد و ولتاژ را معادل ولتاژ اسمی ثابت نگه داریم و در این صورت شار فاصله هوایی زیاد می شود برای جلوگیری از به وقوع پیوستن اشباع به خاطر افزایش شار، ASD از نوع فرکانس متغییر باید از نوع ولتاژ متغییر نیز باشد تا بتواند شار فاصله هوایی را در حد قابل قبولی نگه دارد. معمولاً به این سیستم کنترل، سیستم کنترل VF ثابت نیز گفته می شود. یعنی اگر فرکانس را کم کردیم باید ولتاژ را طوری کم کنیم که شار در فاصله هوایی در حد اسمی خود باقی بماند. از این سیستم برای کنترل سرعت موتورهای قفس سنجابی کلاس های A,B,C,D استفاده می شود.

مُولِدهای همزمان های ژنراتورهای سنکرون (Synchronous Generator)
ماشین های همزمانی هستند که برای تبدیل توان مکانیکی به جریان الکتریکی متناوب (AC) به کار می روند.
در مولد همزمان، یک جریان مستقیم (DC) به سیم پیچی روتور (چرخانه) اعمال می شود که میدان مغناطیسی چرخانه را تولید می کند. چرخانه مولد نیز توسط یک محرک اولیه به گردش در می آید و به این ترتیب یک میدان مغناطیسی دوار درون ماشین ایجاد می شود.
قطب های مغناطیسی چرخانه می توانند ساختمان برجسته یا صاف داشته باشند. قطب برجسته، قطب مغناطیسی ای است که نسبت به سطح چرخانه پیش آمدگی داشته باشد و قطب صاف قطب مغناطیسی ای است که با سطح روتور هم سطح باشد. چرخانه های قطب صاف معمولاً برای ماشین های دو یا چهار قطبی و روتورهای قطب برجسته برای ماشین های چهارقطبی یا بیشتر به کار می روند.
چون چرخانه در معرض میدان های مغناطیسی متغیر قرار دارد، آن را از لایه های نازک می سازند تا تلفات جریان گردان کاهش یابد.
برای فراهم کردن توان DC برای انتقال به سیم پیچی های روتور که در حال دوران است دو روش وجود دارد:
1- با استفاده از حلقه های لغزان و جاروبک ها
2- با استفاده از یک منبع DC خاص که مستقیماً بر روی محور مولد نصب شده
مولدهای همزمان طبق تعریف سنکرون یا همزمانند، به این معنی که بسامد الکتریکی تولید شده با سرعت چرخش ژنراتور همزمان است. چرخانه همزمان یک الکترومغناطیس است که به آن جریان DC اعمال می شود. میدان مغناطیس چرخانه همراه با چرخش چرخانه می چرخد پس بین سرعت چرخش میدان مغناطیس ماشین (nm) و فرکانس الکتریکی ایستانه (استاتور) (fe) رابطه ای وجود به صورت معادله ی زیر وجود دارد (P نشان دهنده ی تعداد قطب های موجود است .):

اندازه ی ولتاژ القا شده ی در یک فاز معین استاتور نیز از رابطه ی زیر به دست می آید:

این ولتاژ به شار ماشین (φ)، فرکانس یا سرعت چرخش (f) و ساختمان ماشین بستگی دارد. ولتاژ (EA)، ولتاژ داخلی تولید شده در یک فاز مولد همزمان است اما این ولتاژی نیست که معمولاً در پایانه های مولد ظاهر می شود. در حقیقت تنها زمانی ولتاژ داخلی (EA)، برابر با ولتاژ خروجی یک فاز () است که جریانی از آرمیچر ماشین نگذرد. تفاوت بین (EA) و () در اثر چند عامل است:
1- اعوجاجی که به علت جریان استاتور در میدان مغناطیسی فاصله ی هوایی ایجاد شده و عکس العمل آرمیچر نامیده می شود.
2- خودالقاکنایی پیچک های آرمیچر.
3- مقاومت پیچک های آرمیچر.
4- اثر شکل قطب برجسته ی چرخانه (این مورد مربوط به چرخانه قطب برجسته می شود).
عکس العمل آرمیچر موجب تغییر شار در مدار مغناطیسی مولد می شود در نتیجه می توان برای آن ولتاژی در نظر گرفت (ولتاژ عکس العمل آرمیچر) و برای مدل کردن آن از یک القاگر سری با ولتاژ داخلی استفاده کرد: (Xar)
پیچک های ایستانه نیز یک خودالقایی و یک مقاومت دارند: (XA) , (RA)
معمولاً راکتانس های ناشی از عکس العمل آرمیچر و خودالقایی ماشین را با هم ترکیب می کنند و به صورت راکتانس همزمان (Xs) نمایش می دهند که در این صورت ولتاژ پایانه را می توان به صورت زیر بیان کرد (در ماشین های همزمان واقعی راکتانس همزمان معمولاً بسیار بزرگ تر از مقاومت سیم پیچی است):

مولد همزمان ماشین همزمانی است که به صورت مولد کار می کند و توان مکانیکی را به توان الکتریکی سه فاز تبدیل می کند. منبع توان مکانیکی چرخاننده ی اولیه می تواند یک موتور دیزل، یک توربین بخار، یک توربین آبی یا هر وسیله ی مشابه دیگر باشد. این منبع هرچه باشد باید صرف نظر از میزان تقاضای توان، سرعت تقریباً مشابه ای داشته باشد. در غیر این صورت بسامد سیستم قدرت مقدار ثابتی نخواهد بود. تمام توان مکانیکی ورودی مولد همزمان به توان الکتریکی خرجی تبدیل نمی شود و اختلاف بین این دو توان تلفات ماشین را نشان می دهد. این تلفات را می توان به سه قسمت تقسیم کرد:
1- تلفات گردشی: چون سرعت ماشین سنکرون ثابت است پس تلفات گردشی مولد همزمان نیز ثابت است و شامل تلفات نیز زیر می شود: تلفات اصطکاک و تهویه که مربوط به ایجاد تلفات در بوبرینگها، اصطکاک بر اثر مالش بین قطعات و اصطکاک بین قطعات و هوا می شود و تلفات هسته در آرمیچر.
2- تلفات میدان تحریک DC
3- تلفات اتصال کوتاه که شامل:
– تلفات بار مسی که ناشی از مقاومت آرمیچر است.
– تلفات سرگردان که به دو قسمت تقسیم می شود:
الف- تلفات هسته ی آهنی ناشی از شار آرمیچر
ب- تلفات مس اضافی ناشی از اثر پوستی و جریان های گردابی در فرکانس های همزمان

اندازه گیری پارامترهای مدل مولد همزمان
مدار معدلی که برای مولد همزمان به دست آمد سه کمیت دارد و برای توصیف دقیق رفتار یک مولد همزمان واقعی باید آنها را تعین کرد:
1- رابطه ی بین جریان و شار میدان (جریان میدان و EA)
2- راکتانس همزمان
3- مقاومت آرمیچر
برای پیدا کردن این کمیت ها آزمون های مختلف طراحی شده اند:

آزمون مدار باز
اولین گام در این راه انجام آزمون مدار باز بر روی مولد است. برای انجام این آزمایش، مولد در سرعت نامی چرخانده می شود، پایانه ها به بار اتصال ندارند و جریان میدان برابر صفر قرار داده می شود، سپس جریان میدان را با گام های تدریجی افزایش می دهند و ولتاژ پایانهای را رد هر گام انداره می گیرند چون پایانه ها باز هستند و در نتیجه جریانی از مدار نمی گذرد پس ولتاژ پایانه برابر EA است و بدین ترتیب می توان منحنی EA یا را برحسب If رسم کرد. این منحنی مشخصه ی مدار باز مولد (OCC) نام دارد، که از آن می توان ولتاژ تولید شده ی داخلی را به ازای هر مقدار جریان ساخت. در شکل یک منحنی به صورت نوعی نشان داده شده است. توجه کنید که منحنی ابتدا خطی است ولی به ازای مفادیر بزرگ جریان پدیده ی اشباع تا حدی مشاهده می شود و دلیل این پدیده این است که رلوکتانس آهن اشباع نشده در مولد همزمان بسیار کوچکتر از رلوکتانس فاصله ی هوایی است پس در ابتدا تقریباً همه ی نیروی محرکه مغناطیسی روی فاصله ی هوایی قرار دارد و افزایش شار ناشی از آن خطی است، هنگامی که آهن به اشباع می رسد، رلوکتانس آن به سرعت افزایش می یابد و آهنگ افزایش شار در اثر افزایش نیروی محرکه ی مغناطیسی کندتر می شود. ناحیه ی خطی مشخصه ی مدار باز، خط فاصله ی هوایی نامیده می شود.

آزمون اتصال کوتاه
برای انجام این آزمون دوباره جریان میدان در صفر تنظیم می شود و پایانه های مولد توسط مجموعه ای از آمپرمترها اتصال کوتاه می شوند. سپس جریان آرمیچر Ia یا جریان خط IL همراه با افزایش جریان میدان اندازه گیری می شود. این منحنی مشخصه اتصال کوتاه (SCC) نام دارد و در شکل نشان داده شده است.

تعیین راکتانس همزمان
1- ولتاژ تولید شده واقعی EA را به ازای جریان میدان از مشخصه ی مدار باز به دست می آوریم.
2- جریان اتصال کوتاه Ia را به ازای جریان میدان از مشخصه ی اتصال کوتاه به دست می آوریم.
3- با استفاده از معادله ی ، Xs را به دست می آوریم.
در این روش ما Xs > > RA در نظر می گیریم که این قضیه با واقعیت موضوع نیز می خواند .اما مشکل اساسی ای روش این است که در آن ماشین به ازای جریان های بزرگ میدان در اشباع قرار دارد، در حالی که Ia که از آزمایش اتصال کوتاه به دست می آید به ازای تمامی جریان های میدان در حالت اشباع نشده قرار دارد. بنابراین EA گرفته شده از OCC به ازای یک جریان معین میدان، همان EA شرایط اتصال کوتاه نیست و این تفاوت موجب می شود که مقدار Xs تنها تقریبی از مقدار واقعی باشد.
با این وجود جواب به دست آمده از این روش تا نقطه ی اشباع دقیق است، پس راکتانس همزمان اشباع نشده ی ماشین را می توان به ازای جریان میدان واقع در ناحیه ی خطی (خط فاصله ی هوایی) منحنی OCC به آسانی به دست آورد.
رفتار مولد زیر بار به شدت تابع توان بار و کار کردن آن به تنهایی یا موازی با دیگر مولدهای همزمان است.

اثر تغییرات بار بر کار مولد همزمان تنها
مولدی یک بار را تغذیه می کند اگر بار مولد را زیاد کنیم چه روی می دهد؟
افزایش بار به معنی افزایش توان حقیقی و یا واکنشی است که از مولد کشیده می شود. این افزایش بار باعث زیاد شدن جریان بار کشیده شده از مولد می شود. چون مقاومت میدان تغییر نکرده است، جریان میدان ثابت است و بنابراین شار نیز ثابت است. چون گرداننده ی اولیه نیز سرعت w را ثابت نگه می دارد اندازه ی EA ثابت می ماند.
اگر EA ثابت بماند، با تغییر بار چه چیزی تغییر می کند؟ اگر EA ثابت بماند با تغییر بار چه چیزی تغییر می کرد؟ برای پاسخ دادن به این پرسش از رسم کردن نمودار فازوری و نشان دادن تغییر بار، همراه با در نظر گرفتن محدودیت های مولد استفاده می کنیم.
– مقاومت مولد را در نظر نمی گیریم.
نخست مولدی را در نظر می گیریم که با ضریب قدر پس فاز کار می کند، اگر با همین ضریب توان بار افزایش یابد، اندازه ی IA اما نسبت به همین زاویه ی قبلی را خواهد داشت، بنابراین ولتاژ عکس العمل آرمیچر jXsIA بزرگتر از قبل می شود اما زاویه اش تغییری نمی کند. چون بردار باید انتهای را که به عنوان مرجع است به انتهای EA که به رغم تغییرات بار اندازه اش تغییر نمی کند وصل کند با در نظر گرفتن موارد بالا تنها یک نقطه وجود دارد که در آن ولتاژ عکس العمل آرمیچر با موقعیت قبلی اش موازی است و اندازه اش افزایش یافته است و مشاهده می کنیم که با افزایش بار ولتاژ کاهش نسبتاً شدیدی یافته است.
اینک فرض کنید که بار دارای ضریب توان واحد است. با افزایش بار مشاهده خواهیم کرد که در این بار اندکی کاهش یافته است. سرانجام فرض کنید که مولد بار پیش فاز داشته باشد با زیاد شدن بار افت ولتاژ آرمیچر در بیرون مقدار قبلی اش قرار می گیرد و Vvarphi افزایش می یابد.
تنظیم ولتاژ معیار مناسبی برای مقایسه ی رفتار مولدها است. تنظیم ولتاژ (VR) مولد با معادله ی زیر تعریف می شود:
شکست در تجزیه (خطای lexing): V_F=frac{{V_nl} -{V_fl}}{V_fl}

که در آن مقدار Vnl ولتاژ بی باری مولد و Vfl ولتاژ بار کامل است.
معمولاً ثابت ماندن ولتاژ تغذیه ی بار حتی اگر خود بار تغییر کند، وضعیت مطلوبی است. بنابراین راه واضح جبران اثر تغییرات، تغییر دادن EA است. به عنوان مثال فرض کنید یک بار پس فاز به مولد افزوده می شود و همان طور که نشان دادیم ولتاژ پایانه ای افت می کند، برای جبران این افت اعمال زیر را دنبال می کنیم:
– کاهش مقاومت میدان مولد، جریان میدان را افزایش می دهد.
– افزایش جریان میدان باعث زیاد شدن شار جانبی می شود.
– افزایش شار ماشین ولتاژ داخلی را زیاد می کند.
– افزایش EA، و ولتاژ پایانه ای مولد را افزایش می دهد.

کار موازی مولدها
امروزه به ندرت می توان مولد همزمانی یافت که مستقل از دیگر مولدها کار کند و به تنهایی بار خودش را تغذیق کند. چنین حالتی را تنها در کاربردهای اندکی، مثلاً به عنوان مولدهای اضطراری می توان یافت. در کاربردهای معمولی همیشه تعدادی مولد به طور موازی توان موردنیاز بارها را تولید می کند.
موازی کردن مولدهای همزمان چندین فایده دارد:
– باری که چند مولد می توانند تامین کنند بیشتر از باری است که یک ماشین به تنهایی تامین می کند.
– داشتن موتدهای زیاد، قابلیت اطمینان را افزایش می دهد، چون خرابی یکی از آن ها موجب نمی شود که تمام توان توان تامین شده برای بار قطع شود.
– اگر تعداد مولدها زیاد باشد امکان خارج کردن یک یا چند مولد از شبکه برای سرویس و نگه داری موجود است.

شرایط لازم موازی کردن
1- مقدار rms ولتاژهای خط دو مولد باید برابر باشد.
2- دو مولد باید ترتیب فاز یکسانی داشته باشند.
3- زوایای فاز باید برابر باشد.
4- بسامد مولد جدید (مولدی که به مدار وارد می شود) باید اندکی بیشتر از بسامد سیستم در حال کار باشد.

روش کلی موازی کردن مولدها
فرض کنید بخواهیم مولدی را به سیستم در حال کاری وصل کنیم، برای این کار باید مراحل زیر را انجام دهیم:
نخست با استفاده از ولت متر، جریان میدان مولد جدید را تنظیم می کنیم تا ولتاژ پایانه اش برابر ولتاژ خط سیستم در حال کار شود.
دوم، ترتیب فاز مولد جدید را با ترتیب فاز سیستم در حال کار مقایسه ی می کنیم. این کار را به چند راه مختلف می توان انجام داد، یکی از این راه ها روش سه لامپی است. در این روش بین سه لاکپ را با کلیدی که مولد را به سیستم وصل می کند موازی می کنیم وقتی که زاویه ی فاز بین دو سیستم تغییر می کند، لامپ ها پرنور (اختلاف فاز زیاد) و کم نور (اختلاف فاز کم) می شود. اگر هرسه لامپ با هم پرنور و کم نور شوند، دو سیستم ترتیب فاز یکسانی دارند.
سپس بسامد مولد جدید را باید تنظیم کرد تا بیشتر از بسامد سیستم در حال کار باشد. برای این کار ابتدا با بسامدسنج، بسامدها رال اندازه می گیریم تا بسامدهای نزدیک به هم به دست آید و سپس تغییرات فاز بین دو سیستم را در نظر می گیریم وقتی که بسامدها خیلی نزدیک به هم باشند، فاز ولتاژهای دو سیستم نسبت به هم خیلی کند حرکت می کند. این تغییرات فاز را مشاهده می کنیم و هنگامی که زوایای فازها نسبت به هم برابر شوند کلید را می بندیم.
چه وقت می توان گفت دو سیستم هم فازند؟ یک راه ساده مشاهده ی سه لامپی است هنگامی که هر سه لامپ خاموشند، اختلاف ولتاژ دو سر آنها صفر است و دو سیستم هم فازند. البته این روش زیاد دقیق نیست و راه بهتر استفاده از سنکروسکوپ است.

مشخصه های بسامد – توان مولد همزمان
توان خروجی مولد همزمان با بسامد آن مرتبط است. رابطه ی بسامد و توان را می توان به طور کلی با معادله ی زیر بیان کرد:
شکست در تجزیه (خطای lexing): P = {s_p} ({f_nl} – {f_sys})
که در آن:
P: توان خروجی مولد
sp: شیب منحنی
fnl: بسامد بی باری
fsys: بسامد کار سیستم

مقادیر نامی مولد همزمان
کمیات نامی ماشین همزمان عبارتند از: ولتاژ، بسامد، سرعت، توان ظاهری (کیلوولت آمپر)، ضریب توان، جریان میدان و ضریب سرویس

ولتاژ، سرعت و بسامد نامی
بسامد نامی مولد همزمان به سیستم قدرتی که به آن متصل است بستگی دارد. امروزه بسامدهایی که معمولاً در سیستم قدرت به کار می روند عبارتند از:Hz 50 (در اروپا، آسیا و غیره)،Hz 60 (در امریکا) و Hz 400 (برای مقاصد خاص و کاربردهای کنترلی).
اگر بسامد کار معلوم باشد به ازای تعداد قطب معین تنها یک سرعت چرخش ممکن وجود خواهد داشت:

شاید بدیهی ترین محدودیت، ولتاژی است که مولد برای کار در آن طراحی شده است. ولتاژ مولد به شار، سرعت چرخش و ساختمان مکانیکی ماشین بستگی دارد. به ازای اندازه ی مکانیکی معین بدنه و سرعت معین هرچه ولتاژ مطلوب بیشتر باشد، شار لازم در ماشین بیشتر خواهد بود. اما شار را نمی توان به طور نامحدود زیاد کرد، زیرا همیشه یک جریان ماکزیمم مجاز جریان میدان وجود دارد.
جنبه ی دیگری که در تعیین ماکزیمم ولتاژ مجاز وجود دارد، ولتاژ شکست عایق سیم پیچی است. (ولتاژهای عادی نباید به مقدار ولتاژ شکست نزدیک شود)

توان ظاهری و ضریب توان نامی
دو عامل وجود دارد که حدود توان ماشین های الکتریکی را تعیین می کند: یکی از آن ها گشتاور مکانیکی روی محور ماشین و دیگری گرم شدن سیم پیچی های آن است. در همه ی ماشین های همزمان عملی محور استحکام مکانیکی کافی برای تحمل توان در حالت پایدار بسیار بزرگتر از مقدار نامی ماشین را دارد. پس حدود عملی حالت پایدار را گرمایش سیم پیچی های ماشین تعیین می کند.
در مولد همزمان دو سیم پیچی وجود دارد و هر دوی آن ها باید در برابر گرمایش زیاد حفاظت شود. این دو سیم پیچی، سیم پیچی آرمیچر و سیم پیچی میدان هستند.

کار کوتاه مدت و ضریب سرویس
مهم ترین عامل محدودکننده ی کار حالت پایدار مولد همزمان، گرم شدن سیم پیچی های آرمیچر و میدان آن است. اما حد گرمایی معمولاً نقطه ای بسیار پایین تر از ماکزیمم توانی که مولد از نظر عملی می تواند تولید کند قرار دارد. در واقع یک مولد همزمان نوعی می تواند در زمان محدود تا 300 درصد توان نامی اش تولید کند. (تا این که سیم پیچی هایش بسوزد)
مولد را می توان در توان های بیشتر از توان نامی به کار برد مشروط به آن که قبل از برداشتن بار اضافی سیم پیچی ها بیش از حد اضافی گرم نشده باشند. هرچه توان نامی بیشتر باشد، مدت زمانی که ماشین می تواند آن را تحمل کند کمتر می شود. ماکزیمم افزایش درجه حرارتی که ماشین می تواند تحمل کند به کلاس عایقی سیم پیچی هایش بستگی دارد. چهار کلاس عایقی وجود دارد:H, F, B, A عموماً این کلاس ها به ترتیب متناظر با افزایش درجه حرارت به مقدار 60، 80، 105، 125 درجه بیشتر از درجه حرارت محیط اند. هرچه کلاس عایقی یک ماشین معین بیشتر باشد توانی که بدون گرمایش بیش از حد می توان از آن کشید بیشتر است.
گرم شدن بیش از حد سیم پیچی ها مساله ای بسیار جدی برای ماشین است. یک قاعده سر انگشتی قدیمی می گوید به ازای هر 10 درجه افزایش درجه حرارت نسبت به حرارت مجاز سیم پیچی ها عمر متوسطه ماشین نصف می شود. حساسیت مواد عایقی امروزی نسبت به شکست کمتر از این است اما افزایش حرارن هنوز به طور موثری اثر خود را دارد.
یک سوال در مورد مساله ی گرمایش بیش از حد مطرح است: توان مورد نیازی که باید از ماشین گرفته شود را باید با چه دقتی بدانیم؟ غالباً قبل از نصب، بار فقط به صورت تقریبی معلوم است به همین دلیل ماشین هایی با کاربرد عام یک ضریب سرویس دارند. ضریب سرویس به صورت نسبت ماکزیمم توان واقعی ماشین به مقدار نامی پلاک آن تعریف می شود. ضریب سرویس یک محدوده ی اطمینان برای خطای ناشی از تخمین نامناسب بار فراهم می کند.

منابع
* چاپمن، استفن. مبانی ماشین های الکتریکی ترجمه علیرضا صدوقی، محمود دیانی – نشر نص – چاپ پنجم – ویرایش سوم – زمستان ۱۳۸۳ ISBN 964-5801-13-3

64