سیر تکاملی ژنراتور های سنکرون
هدف از انجام این تحقیق بررسی سیر تحقیقات انجام شده با موضوع طراحی ژنراتور سنکرون است. به این منظور، بررسی مقالات منتشر شده IEEE که با این موضوع مرتبط بودند، در دستور کار قرار گرفت. به عنوان اولین قدم کلیه مقالات مرتبط در دهه‌های مختلف جستجو و بر مبنای آنها یک تقسیم‌بندی موضوعی انجام شد. سپس سعی شد بدون پرداختن به جزییات، سیرتحولات استخراج شود. رویکرد کلی این بوده است که تحولات دارای کاربرد صنعتی بررسی شود.
با توجه به گستردگی موضوع و حجم مطالب، این گزارش در دو بخش ارایه شده است. در بخش اول ابتدا پیشرفتهای اولیه ژنراتورهای سنکرون از آغاز تا دهه 1970 بررسی شده است و در ادامه تحولات دهه‌های 1970 و 1980 به تفصیل مورد توجه قرار گرفته‌اند. در پایان هر دهه یک جمعبندی از کل فعالیتهای صورت گرفته ارایه و سعی شده است ارتباط منطقی پیشرفتهای هر دهه با دهه‌های قبل و بعد بیان شود.ماشین سنکرون همواره یکی از مهمترین عناصر شبکه قدرت بوده و نقش کلیدی در تولید انرژی الکتریکی و کاربردهای خاص دیگر ایفاء کرده است.
ساخت اولین نمونه ژنراتور سنکرون به انتهای قرن 19 برمی‌گردد. مهمترین پیشرفت انجام شده در آن سالها احداث اولین خط بلند انتقال سه فاز از لافن به فرانکفورت آلمان بود. درکانون این تحول؛ یک هیدروژنراتور سه فاز 210 کیلووات قرار گرفته بود.
علیرغم مشکلات موجود در جهت افزایش ظرفیت وسطح ولتاژ ژنراتورها، در طول سالهای بعد تلاشهای گسترده‌ای برای نیل به این مقصود صورت گرفت.مهمترین محدودیتها در جهت افزایش ظرفیت، ضعف عملکرد سیستمهای عایقی و نیز روشهای خنک‌سازی بود. در راستای رفع این محدودیتها ترکیبات مختلف عایقهای مصنوعی، استفاده از هیدروژن برای خنک‌سازی و بهینه‌سازی روشهای خنک‌سازی با هوا نتایج موفقیت‌آمیزی را در پی داشت به نحوی که امروزه ظرفیت ژنراتورها به بیش از MVA1600 افزایش یافته است.در جهت افزایش ولتاژ، ابداع پاورفرمر در انتهای قرن بیستم توانست سقف ولتاژ تولیدی را تا حدود سطح ولتاژ انتقال افزایش دهد به نحوی که برخی محققان معتقدند در سالهای نه چندان دور، دیگر نیازی به استفاده از ترانسفورماتورهای افزاینده نیروگاهی نیست.همچنین امروزه تکنولوژی ژنراتورهای ابررسانا بسیار مورد توجه است. انتظار می‌رود با گسترش این تکنولوژی در ژنراتورهای آینده، ظرفیتهای بالاتر در حجم کمتر قابل دسترسی باشند.
تاریخچه
ژنراتور سنکرون تاریخچه‌ای بیش از صد سال دارد. اولین تحولات ژنراتور سنکرون در دهه 1880 رخ داد. در نمونه‌های اولیه مانند ماشین جریان مستقیم، روی آرمیچر گردان یک یا دو جفت سیم‌پیچ وجود داشت که انتهای آنها به حلقه‌های لغزان متصل می‌شد و قطبهای ثابت روی استاتور، میدان تحریک را تامین می‌کردند. به این طرح اصطلاحاً قطب خارجی می‌گفتند. در سالهای بعد نمونه دیگری که در آن محل قرار گرفتن میدان و آرمیچر جابجا شده بود مورد توجه قرار گرفت. این نمونه که شکل اولیه ژنراتور سنکرون بود، تحت عنوان ژنراتور قطب داخلی شناخته و جایگاه مناسبی در صنعت‌برق پیدا کرد. شکلهای مختلفی از قطبهای مغناطیسی و سیم‌پیچهای میدان روی رتور استفاده شد، در حالی که سیم‌پیچی استاتور، تکفاز یا سه‌فاز بود. محققان بزودی دریافتند که حالت بهینه از ترکیب سه جریان متناوب با اختلاف فاز نسبت به هم بدست می‌آید. استاتور از سه جفت سیم‌پیچ تشکیل شده بود که در یک طرف به نقطه اتصال ستاره و در طرف دیگر به خط انتقال متصل بودند.
در واقع ایده ماشین جریان متناوب سه فاز، مرهون تلاشهای دانشمندان برجسته‌ای مانند نیکولا تسلا، گالیلئو فراریس، چارلز برادلی، دبروولسکی، هاسلواندر بود.هاسلواندر اولین ژنراتور سنکرون سه فاز را در سال 1887 ساخت که توانی در حدود 8/2 کیلووات را در سرعت 960 دور بر دقیقه (فرکانس 32 هرتز) تولید می‌کرد. این ماشین دارای آرمیچر سه فاز ثابت و رتور سیم‌پیچی شده چهار قطبی بود که میدان تحریک لازم را تامین می‌کرد. این ژنراتور برای تامین بارهای محلی مورد استفاده قرار می‌گرفت.در سال 1891 برای اولین بار ترکیب ژنراتور و خط بلند انتقال به منظور تامین بارهای دوردست با موفقیت تست شد. انرژی الکتریکی تولیدی این ژنراتور توسط یک خط انتقال سه فاز از لافن به نمایشگاه بین‌المللی فرانکفورت در فاصله 175 کیلومتری منتقل می‌شد. ولتاژ فاز به فاز 95 ولت، جریان فاز 1400 آمپر و فرکانس نامی 40 هرتز بود. رتور این ژنراتور که برای سرعت 150 دور بر دقیقه طراحی شده بود، 32 قطب داشت. قطر آن 1752 میلیمتر و طول موثر آن 380 میلیمتر بود. جریان تحریک توسط یک ماشین جریان مستقیم تامین می‌شد. استاتور آن 96 شیار داشت که در هر شیار یک میله مسی به قطر 29 میلیمتر قرار می‌گرفت. از آنجا که اثر پوستی تا آن زمان شناخته نشده بود، سیم‌پیچی استاتور متشکل از یک میله برای هر قطب / فاز بود. بازده این ژنراتور 5/96% بود که در مقایسه با تکنولوژی آن زمان بسیار عالی می‌نمود. طراحی و ساخت این ژنراتور را چارلز براون انجام داد.در آغاز، اکثر ژنراتورهای سنکرون برای اتصال به توربینهای آبی طراحی می‌شدند، اما بعد از ساخت توربینهای بخار قدرتمند، نیاز به توربوژنراتورهای سازگار با سرعت بالا احساس شد. در پاسخ به این نیاز اولین توربورتور در یکی از زمینه‌های مهم در بحث ژنراتورهای سنکرن، سیستم عایقی است. مواد عایقی اولیه مورد استفاده مواد طبیعی مانند فیبرها، سلولز، ابریشم، کتان، پشم و دیگر الیاف طبیعی بودند. همچنین رزینهای طبیعی بدست آمده از گیاهان و ترکیبات نفت خام برای ساخت مواد عایقی مورد استفاده قرارمی‌گرفتند. در سال 1908 تحقیقات روی عایقهای مصنوعی توسط دکتر بایکلند آغاز شد. در طول جنگ جهانی اولی رزینهای آسفالتی که بیتومن نامیده می‌شدند، برای اولین بار همراه با قطعات میکا جهت عایق شیار در سیم‌پیچهای استاتور توربوژنراتورها مورد استفاده قرار گرفتند. این قطعات در هر دو طرف، با کاغذ سلولز مرغوب احاطه می‌شدند. در این روش سیم‌پیچهای استاتور ابتدا با نوارهای سلولز و سپس با دو لایه نوار کتان پوشیده می‌شدند. سیمپیچها در محفظه‌ای حرارت می‌دیدند و سپس تحت خلا قرار می‌گرفتند. بعد از چند ساعت عایق خشک و متخلخل حاصل می‌شد. سپس تحت خلا، حجم زیادی از قیر داغ روی سیمپیچها ریخته می‌شد. در ادامه محفظه با گاز نیتروژن خشک با فشار 550 کیلو پاسکال پر و پس از چند ساعت گاز نیتروژن تخلیه و سیمپیچها در دمای محیط خنک و سفت می‌شدند. این فرآیند وی پی‌آی نامیده می‌شد.
در اواخر دهه 1940 کمپانی جنرال الکتریک به منظور بهبود سیستم عایق سیم‌پیچی استاتور ترکیبات اپوکسی را برگزید. در نتیجه این تحقیقات، یک سیستم به اصطلاح رزین ریچ عرضه شد که در آن رزین در نوارها و یا وارنیش مورد استفاده بین لایه‌ها قرار می‌گرفت.
در دهه‌های 1940 تا 1960 همراه با افزایش ظرفیت ژنراتورها و در نتیجه افزایش استرسهای حرارتی، تعداد خطاهای عایقی به طرز چشمگیری افزایش یافت. پس از بررسی مشخص شد علت اکثر این خطاها بروز پدیده جدا شدن نوار یا ترک خوردن آن است. این پدیده به علت انبساط و انقباض ناهماهنگ هادی مسی و هسته آهنی به وجود می‌آمد. برای حل این مشکل بعد از جنگ جهانی دوم محققان شرکت وستینگهاوس کار آزمایشگاهی را بر روی پلی‌استرهای جدید آغاز کرده و سیستمی با نام تجاری ترمالاستیک عرضه کردند.نسل بعدی عایقها که در نیمه اول دهه 1950 مورد استفاده قرار گرفتند، کاغذهای فایبرگلاس بودند. در ادامه در سال 1955 یک نوع عایق مقاوم در برابر تخلیه جزیی از ترکیب 50 درصد رشته‌های فایبرگلاس و 50 درصد رشته‌های PET بدست آمد که روی هادی پوشانده می‌شد و سپس با حرارت دادن در کوره‌های مخصوص، PET ذوب شده و روی فایبرگلاس را می‌پوشاند. این عایق بسته به نیاز به صورت یک یا چند لایه مورد استفاده قرار می‌گرفت. عایق مذکور با نام عمومی پلی‌گلاس و نام تجاری داگلاس وارد بازار شد.مهمترین استرسهای وارد بر عایق استرسهای حرارتی است. بنابراین سیستمهای عایقی همواره در ارتباط تنگاتنگ با سیستمهای خنک‌سازی بوده‌اند. خنک‌سازی در ژنراتورهای اولیه توسط هوا انجام می‌گرفت. بهترین نتیجه بدست آمده با این روش خنک‌سازی یک ژنراتور MVA200 با سرعت rpm1800 بود که در سال 1932 در منطقه بروکلین نیویورک نصب شد. اما با افزایش ظرفیت ژنراتورها نیاز به سیستم خنک‌سازی موثرتری احساس شد.