معادله (۲-۹) ، (۲-۱۰)

شکل (۲-۸) راندمان توربین انبساطی بر اساس شکل (۱-۹) تغییرات آنتالپی و انتروپی توربین انبساطی
تغییرات دبی برای سرعت های مختلف

۲-۳-۴-۶ شافت و گیربکس (Shaft and gearbox ) :
به دلیل اینکه سرعت توربین انبساطی در حدود ۲۰۰۰۰ دور در دقیقه بوده و این سرعت ، سرعت بسیار زیادی بوده و نمی توان زنراتور را در چنین سرعتی مورد بهره برداری قرار داد به همین جهت از سیستم گیربکس برای کمتر نمودن سرعت توربین استفاده می شود . معمولا سرعت خروجی گیربکس حدود ۱۵۰۰ الی ۱۵۰۷ دور در دقیقه می باشد.
معادلات مورد استفاده در مدل سازی گیربکس به صورت زیر می باشد:
معادله(۲-۱۱)
معادله(۲-۱۳)
معادله(۲-۱۴)
معادله(۲-۱۵)
معادله(۲-۱۶)
شکل(۱-۱۰) مدل شفت و گیربکس جهت کوبل ژنراتور و توربین انبساطی
۲-۳-۴-۷ ژنراتور (Generator):
ژنراتور های توربین انبساطی از نوع القایی (آسنکرون) بوده و معمولا جهار قطب می باشند. روتور ژنراتور و روتور توربین با هم ، هم محور بوده و دور تحویلی به روتور ژنراتور از ۱۵۰۰ تا ۱۵۰۷ دور در دقیقه است که با گردش روتور درون استاتور برق تولیدی توسط پایانه های استاتور خارج شده و به شبکه وارد می شود.
شکل (۱-۱۱) مدل الکتریکی ژنراتور مورد استفاده در توربین انبساطی[
۲-۳-۴-۸ری هیتر ( Reheater):
دمای گاز خروجی توربین انبساطی که به سمت مصرف کننده های گاز می رود ، به دلیل اینکه انرژی خود را به پره های توربین می دهد، خیلی پایین بوده و برای اینکه دمای گاز را به مقدار لازم جهت استفاده در مشعل ها برسانند از گرمایش مجدد یا ری هیتر استفاده می کنند.
فصل سوم
ژنراتور آسنکرون
۳-۱. مقدمه :
در میان تمام ماشین­های الکتریکی، ماشین آسنکرون بخصوص نوع قفس سنجابی محبوب­ترین نوع ماشین در بین مهندسین طراح است و همواره سعی می­ شود طراحی به گونه ­ای انجام شود تا بتوان از این نوع ماشین در سیستم مورد طراحی استفاده کرد. بی نیاز بودن از تعمیرات و مراقبت­های مختلف، عدم نیاز به تغذیه مجزا جهت ایجاد میدان تحریک، مستحکم بودن رتور، سادگی در تحلیل نسبت به ماشین­های سنکرون، عمر بالا، قیمت پائین و همچنین داشتن نسبت انرژی به وزن بالا(W/Kg) از مزایایی است که می­توان برای ماشین آسنکرون بر شمرد. بکارگیری این نوع ماشین به عنوان ژنراتور بخصوص در سطح توان پایین و نیروگاه­های کوچک که در مناطق دور از شبکه سراسری به کار می­روند مثل نیروگاه­های آبی بسیار کوچک و یا بادی که به منظور برق رسانی به روستاه­هایی که فاصله زیادی از شهرها دارند و احداث خطوط انتقال و پست توزیع در آن­ها مقرون به صرفه نیست همواره مورد توجه است و این در حالی است که این ماشین علی رغم تمام مزایایی که دارد به شدت تحت تاثیر اندازه ولتاژ ترمینال خود می­باشد و این بدان علت است که در این ماشین، مانند ماشین dc شنت، میدان تحریک و آرمیچر هر دو تابع ولتاژ ترمینال بوده و در صورت تضعیف این ولتاژ هر دو میدان ضعیف شده و گشتاور الکتریکی ایجاد شده در ماشین به شدت تضعیف می­گردد. تضعیف ولتاژ ترمینال در اثر افت ولتاژ روی امپدانس کابل انتقال می­باشد که در اثر بالا بودن جریان پس فاز مصرفی ماشین ظاهر می­گردد . این جریان پس فاز که ناشی از اندوکتیو بودن مدار معادل ماشین می­باشد، منجر به مصرف توان راکتیو در این ماشین می­­شود که در مقادیر بالا نیازمند به جبران سازی جهت اصلاح پروفایل ولتاژ است. بدین منظور ساده­ترین راه خازن گذاری در ترمینال ماشین است که به طور مؤثری در کاهش اندازه جریان عبوری از کابل­های رابط اثر گذار است و افت ولتاژآن­ها را کاهش می­دهد و بدین ترتیب ولتاژ ترمینال ماشین با نوسانات بار، تغییرات کوچکتری از خود نشان می­دهد. بدین ترتیب امروزه در مراکز صنعتی که ماشین­های آسنکرون مصرف فراوان دارند نیاز توان راکتیو بالا توسط بانک­های خاز­نی بر طرف شده است. اندازه این بانک­های خازنی به قدری است که در شرائط بار نامی، ولتاژ ترمینال در مقدار نامی خود حفظ گردد و در واقع مقدار VAR آن­ها به اندازه مقدار VAR مصرفی نامی ماشین است و در صورتی که ماشین دچار نوسانات بار شود مثلاً در حالت اضافه بار و نیازمند مقدار توان راکتیو تزریقی بیشتری می­ شود که در صورت عدم تحقق شاهد کاهش ولتاژ بوده و بر عکس در شرایط کم باری به علت وجود مقدار منبع تولید VAR اضافی شاهد اضافه ولتاژ در ترمینال ماشین خواهیم بود. مشکل دیگر بانک تولید­های خازنی وابستگی شدید توان راکتیو ترزیقی آن­ها به اندازه ولتاژ ترمینال آن­ها است که این مسئله باعث می­ شود تا کارائی بانک خازنی در شرایطی که به آن نیاز است یعنی در شرایط افت ولتاژ کمتر از آنچه که انتظار می­رود باشد و این مسئله در ژنراتورهای آسنکرون خود تحریک بیشتر حائز اهمیت است چرا که این پدیده منجر به شکل گیری یک فیدبک مثبت مخرب شده و ولتاژ ترمینال آن ممکن است به صفر برسد و ماشین از حالت ژنراتوری خارج و ناپایدار گردد. این پدیده در دیاگرام زیر نشان داده شده است .
افت ولتاژ تولیدی کاهش میدان ژنراتور افت ولتاژ بانک خازنی
وجود این گونه مشکلات در بهره ­برداری از ماشین آسنکرون نیاز به یک سیستم انعطاف پذیر جهت کنترل میزان توان راکتیو تزریقی به ترمینال ژنراتور را ضروری می­نماید. این انعطاف پذیری که عمدتاً با نوسانات ولتاژ خواهد بود تأثیر بسزایی در رفتار دینامیکی ماشین خواهد داشت. با پیشرفت روز افزون صنعت ساخت ادوات نیمه هادی قدرت بالا، نظیر GTO^[1] ها، IGBT^[2] ها و اخیراً IGCT^[3] ها امکان ساخت این گونه تجهیزات کنترلی بصورت صنعتی فراهم گشته است. بکارگیری این تجهیزات مستلزم صرف هزینه­­های نسبتاً بالایی است و قبل از ساخت این گونه تجهیزات بایستی از عملکرد این گونه تجهیزات مطمئن شد، به همین علت شبیه­سازی این گونه سیستم­ها امری لازم وضروری است. و در حقیقت مرحله شبیه سازی، مرحله­ ای بین تئوری و عمل بوده که امروزه با پیشرفت صنعت و با ساخت پردازنده­های سرعت بالا، امکان شبیه سازی و حل عددی معادلات دیفرانسیل بیان کننده دینامیک سیستم توسط کامپیوترهای شخصی فراهم گشته است..
۳-۲. معرفی ژنراتور آسنکرون:
ژنراتور آسنکرون، یک موتور آسنکرون از نوع رتور قفس سنجابی است که با یک محرک اولیه در ما فوق سرعت سنکرون، گردانده شده و برای تولید نیروی برق استفاده می شود و ساختار و مشخصه های آن مثل موتور آسنکرون است. ساختارهای رتور و یاتاقانهای آن نیز برای تحمل سرعت فرار توربین طراحی شده است. وقتی یک موتور آسنکرون با ولتاژ نامی و در حالت بی باری، مورد بهره برداری قرار گیرد، با سرعتی می چرخد که فقط برای تولید گشتاور لازم برای غلبه بر افت ناشی از اصطکاک و مقاومت هوا کافی باشد. اگر یک نیروی مکانیکی خارجی برابر با این افتها به موتور آسنکرون در همان جهت چرخش اعمال شود، رتور آن به سرعت سنکرون خواهد رسید. هنگامیکه رتور به سرعت سنکرون می رسد، با همان سرعت میدان مغناطیسی ناشی از ولتاژ تغذیه می چرخد و ولتاژ ثانویه ای القا نمی شود زیرا فلوی مغناطیسی هیچیک از هادیهای ثانویه را قطع نمی کند، هیچ جریانی از سیم پیچهای رتور نمی گذرد و فقط جریان تحریک در سیم پیچهای اولیه جریان می یابد.
در صورتی که رتور بواسطه یک نیروی خارجی در سرعتی بالاتر از سرعت سنکرون خود، چرخش کند، جهت ولتاژ آسنکرون ثانویه، خلاف موقعی خواهد بود که به عنوان موتور آسنکرون ، چرخش می کرد، زیرا سرعت چرخش هادی رتور فراتر از سرعت چرخش میدان مغناطیسی می شود و گشتاوری که سرعت رتور را کند می کند بین جریان ثانویه ناشی از این ولتاژ آسنکرون و میدان مغناطیسی ایجاد شده و واحد مثل یک ژنراتور، کار می کند. یعنی، توان مکانیکی خارجی اعمال شده، به توان الکتریکی تبدیل می شود که در سیم پیچهای اولیه تولید شده اند. ماشین آسنکرون دارای منحنی گشتاور- سرعت مثل شکل (۲-۱) می باشد. طبق این مشخصه اگر موتور آسنکرون سرعتی بیش از n_s داشته باشد جهت گشتاور آسنکرون معکوس می شود و بعنوان ژنراتور عمل خواهد کرد. با افزایش گشتاور اعمالی به شفت مقدار توان تولیدی افزایش می یابد.
شکل(۳-۱). مشخصه گشتاور- سرعت ماشین آسنکرون
همانطوری که از شکل (۳-۱) معلوم است. درمد ژنراتوری یک گشتاور آسنکرون max دارد که با افزایش توان ورودی گشتاور آسنکرون به حد max رسیده و بعد از آن ژنراتور به ناحیه ناپایدار وارد می شود. در این حالت فلوی پیوندی بین رتور و استاتور می شکند و به طور ناگهانی رتور آزادانه می چرخد و هیچ توانی تولید نمی شود. ماشین های آسنکرون درمد ژنراتوری دارای محدودیت های جدی است و بعلت عدم وجود مدار تحریک جداگانه نمی تواند توان راکتیو تولید کند. بنابراین مصرف کننده توان راکتیو است و برای حفظ میدان مغناطیسی استاتور نیاز به یک منبع توان راکتیو بیرونی دارد. علاوه بر این، چنین منبع توان راکتیوی بعلت عدم وجود جریان تحریک مستقل نمی تواند به کنترل V_o کمک کند، چرا که در کار ژنراتور آسنکرون، اشباع هسته نقش عمده ای دارد و برای دستیابی به یک سطح ولتاژ معین، خازنهای تحریک باید جریان مغناطیس کننده متناظر با آن سطح را تولید کند. در راه اندازی ژنراتور آسنکرون پدیده ای بنام تحریک خودی مطرح می شود که براساس آن، ولتاژ سازی صورت می گیرد. از این نظر ژنراتور آسنکرون بسیار شبیه ژنراتور DC شنت بوده و در واقع خازنهای تحریک معادل مقاومت تحریک یا میدان در ژنراتور DC شنت می باشند. همچنین بطور مشابه با اضافه کردن خازنهای سری می توان ژنراتور آسنکرون را بصورت کمپوند اضافی به کار برد.
با افزایش توان راکتیو ناشی از خازنهای سری، مقداری از توان راکتیو مورد نیاز بار جبران شده و از افت ولتاژ جلوگیری می کند. طبق مشخصه گشتاور- سرعت با تغییر بار، فرکانس ژنراتور آسنکرون تغییر می کند، لذا از آنجاییکه این منحنی در محدوده نرمال کاری شیب تندی دارد، تغییر فرکانس تا لغزش معمولاً کمتر از ۵ درصد می باشد. چنین تغییری در فرکانس ژنراتورهای ایزوله و متصل به شبکه قابل قبول است.
در کاربردهای متصل به شبکه قدرت با بهره گرفتن از خازن تصحیح ضریب توان صورت گرفته و ولتاژ را می توان به کمک بار یا خود شبکه قدرت کنترل کرد.
۳-۲-۱ مزایای ژنراتور آسنکرون
به سیستم تحریک احتیاج نداشته و ساختمان ساده ای دارد ودر نتیجه تعمیر و نگهداری آن آسان است.
راه اندازی و بهره برداری از آن آسان است، زیرا نیازی به سنکرونیزاسیون یا تنظیم تحریک ندارد.
جریان اتصال کوتاه آن کم و زمان کاهش آن در مقایسه با ماشینهای سنکرون کوتاه تر است، زیرا در هنگام اتصال کوتاه،تحریک قطع می شودو جریان اتصال کوتاه فقط در یک مدت زمان فوق العاده کوتاه، جریان می یابد تا اینکه فلوی مغناطیسی ناپدید شود.
چون همیشه بطور موازی با ژنراتور سنکرون کار می کند و هرگز مستقلا مورد بهره برداری قرار نمی گیرد،به ژنراتور سرعت نیازی ندارد.
وقتی بار پس زده شود،جریان تحریک، قطع و ولتاژ ناپدید می شودلذا هیچگونه صدمه و خسارتی به بخشهای عایقی دستگاه از جانب ولتاژ اضافی، صرف نظر از میزان افزایش سرعت، رخ نمی دهد.
وقتی ولتاژ سیستم افت میکند، جریان تحریک خود به خود کاهش می یابد.
چون گاورنر سرعت استفاده نمی شودتا حدی که سرعت آن از سرعت مجاز توربین هیدرولیکی بیشتر نشود به تولید انرژی ادامه می دهد.
در مواقعی که سیستم دچار اختلال می شود،این دستگاه می تواند به صورت پایدار و بدون قطع شدن به کار خود ادامه دهد.
علاوه بر مزایای فوق، یک ژنراتور آسنکرون دارای کاربرد ایزوله، بهای کم واحد تولیدی، رتور بدون جاروبک، ساختمان ساده و محکم (رتور قفس سنجابی)، عدم وجود منبع DC جداگانه برای تحریک، نگهداری آسان می باشد و در ضمن لازم نیست رتور به طور مداوم با سرعت ثابتی بچرخد. بخاطر مزایای فوق و سادگی کنترل نسبت به ژنراتور سنکرون و قابلیت اطمینان بالا باعث شده این ژنراتور، انتخاب بسیار مناسبی برای نیروگاه های بادی و آبی کوچک یا کاربرد در ژنراتورهای اضطراری برای شبکه قدرت موجود می باشد.
۳-۲-۲ معایب ژنراتور آسنکرون
فقط وقتی مثل یک ژنراتور کار می کند که با ماشین سنکرون موازی شده باشد و نمی تواند مستقلا برق تولید کند.(در کاربرد متصل به شبکه)
چون جریان اولیه ژنراتور در ارتباط با ولتاژ خروجی در پیش فاز است لذا فقط می تواند برای بارهای قدرتی تامین کند که نیاز به جریان پیش فاز دارند.
ضریب قدرت جریان بار بوسیله ضریب قدرت بار تعیین نمی شود، بلکه بوسیله ضریب قدرت ذاتی خود ژنراتور تعیین می شود. به این معنی که ضریب قدرت بوسیله ظرفیت تعیین می شود و قابل کنترل نیست.ژنراتور سنکرونی که به طور موازی به ژنراتور آسنکرون وصل شده، باید علاوه بر جریان تاخیرفاز مورد نیاز بار، جریان تحریک مورد نیاز ژنراتور آسنکرون را نیز تولید کند. بنابراین ضریب قدرت ژنراتور سنکرون بدتر شده و ظرفیت قابل حصول آن نیز کاهش می یابد. این امر همچنین باعث افزایش تلفات در خطوط انتقال می شود. برای جبران این تلفات باید از خازنها استفاده شود.
در بهره برداری موازی، جریان هجومی بالایی جریان می یابد و روی ولتاژ سیستم اثرمی گذارد.
ماشینهای آسنکرون با سرعتهای پایین و قطبهای زیاد،نسبت به ماشینهای سنکرون از لحاظ ضریب قدرت و ابعاد ماشین نا مرغوبترند.
۳-۲-۳ بررسی مشخصه گشتاور- سرعت:
منحنی مشخصه گشتاور - سرعت ماشین آسنکرون شکل (۳-۱) نشان می­دهد که اگر یک موتور در حالیکه به شبکه متصل است با سرعتی بزرگتر از سرعت سنکرون توسط یک محرک اولیه مانند دیزل، توربین آبی و یا بادی و … به گردش درآورده شود رتور از میدان مغناطیسی گردان ایجاد شده توسط استاتور در فاصله هوایی سبقت گرفته و هادی­های رتور میدان مغناطیسی را در جهت عکس حالت موتوری قطع می ­نمایند در نتیجه جهت نیروی محرکه و جریان رتور عکس حالت موتوری می­گردد، بنابراین عکس العمل نیروی بین میدان مغناطیسی دوار و جریان رتور عکس شده و با حرکت رتور مخالفت می­نماید و برای ثابت نگه داشتن حرکت دورانی رتور، بایستی از طریق محرک اولیه انرژی مکانیکی به رتور منتقل نمود، در این حالت که سرعت رتور از سرعت سنکرون و N_S بزرگتر است ماشین همانند یک ژنراتور عمل می­نماید و ژنراتور آسنکرون همانند حالت موتوری از طریق منبع ac که بدان متصل است توان راکتیو جذب می­نماید و این عامل باعث تضعیف ضریب قدرت شبکه خواهد شد.
۳-۲-۴ نقطه کار ژنراتور
در صورتی­که گشتاور اعمال شده به شفت ماشین آسنکرون توسط محرک اولیه افزایش یابد میزان قدرت تولید شده توسط ژنراتورهای آسنکرون نیز افزایش می­یابد. در صورتی­که سرعت رتور افزایش یابد توان الکتریکی خروجی نیز افزایش می­یابد و وقتی سرعت رتور به یک حد مشخص برسد گشتاور متناظر با آن سرعت به یک حد مشخص می­رسد که در حقیقت گشتاور متناظر با آن سرعت به حد ماکزیمم خود رسیده و پس از آن ژنراتور بصورت ناپایدار در می ­آید و با افزایش سرعت مواجه خواهد شد و سر انجام حالت ژنراتوری از بین می­رود و به همین دلیل در بسیاری از طراحی­ها لغزش ماشین ۰۵/۰- در ناحیه کار ژنراتوری در نظر گرفته می­ شود. چنانچه از منحنی گشتاور - سرعت مشخص است این منحنی از دو قسمت خطی و سهمی تشکیل شده است که ناحیه کار در قسمت خطی که ناحیه پایدار است در نظر گرفته می شود. مدار معادل یک ژنراتور آسنکرون را می توان معادل شکل (۲- ۲) در نظر گرفت.
شکل(۳- ۲). مدار معادل ژنراتور آسنکرون
در شکل فوق جریان  جریان بی باری ماشین است و از دو مولفه مغناطیسی  و تلفات آهن  تشکیل شده است و مانند حالت موتوری ثابت باقی می­ماند زیرا شرایط میدان مغناطیسی در حالت موتوری و ژنراتوری یکسان است. قدرت ماشین در چنین شرایط منفی است، بدین معنی که ماشین به جای اینکه از منبع انرژی الکتریکی دریافت نمایند به آن انرژی الکتریکی تحویل می­دهد.
چون لغزش در حالت ژنراتوری منفی است  بنابراین با توجه به روابط فوق قدرت منفی بوده و ماشین انرژی به شبکه تحویل می­دهد. برای مقادیر منفی لغزش مقاومت بار یعنی  به صورت یک مقاومت منفی عمل می­ کند این مقاومت قدرتی را جذب نمی­کند بلکه به صورت یک منبع در خواهد آمد و به عبارت دیگر یک تبدیل انرژی مکانیکی به الکتریکی در رتور صورت می­گیرد.
هنگامی­که ماشین آسنکرون به صورت ژنراتور کار می­ کند جریان مغناطیسی (راکتیو) مورد نیاز خود را به دو روش می ­تواند تهیه نماید و بدین ترتیب با دو نحوه مختلف تحریک ژنراتور آسنکرون مواجه خواهیم شد و این در حالی است که جریان اکتیو تولید می­نماید.
۳-۲-۵ ژنراتور آسنکرون متصل به شبکه Grid Connected Induction Generator( GCIG)
زمانیکه نیروگاه توربین انبساطی ، آبی و یا بادی در نزدیکی شبکه­ ای قوی تأسیس می­گردد می­توان ژنراتورهای آسنکرون را به شبکه موجود متصل نموده و در این حالت ژنراتور آسنکرون جریان اکتیو به شبکه تزریق و جریان راکتیو از شبکه اخذ می­نماید. این نوع تحریک شدن ژنراتور را، ژنراتورهای آسنکرون با تحریک خارجی (Excitation External) نیز می­نامند.