شکاف هوایی ناهموار بین استاتور و روتور (که معمولاً به عنوان "خروج از مرکز شکاف هوایی" شناخته میشود) در ژنراتورهای آبی بزرگ یک حالت خطای جدی است که میتواند مجموعهای از اثرات نامطلوب را بر عملکرد پایدار و طول عمر واحد داشته باشد.
به عبارت ساده، شکاف هوایی ناهموار باعث توزیع نامتقارن میدان مغناطیسی میشود که به نوبه خود باعث ایجاد یک سری مشکلات الکترومغناطیسی و مکانیکی میشود. در زیر به تفصیل تأثیر آن بر جریان و ولتاژ استاتور و همچنین سایر پیامدهای نامطلوب مرتبط را بررسی میکنیم.
I. تأثیر بر جریان استاتور
این مستقیمترین و آشکارترین تأثیر است.
۱. افزایش اعوجاج جریان و شکل موج
اصل: در مناطقی با شکافهای هوایی کوچکتر، مقاومت مغناطیسی کوچکتر و چگالی شار مغناطیسی بزرگتر است؛ در مناطقی با شکافهای هوایی بزرگتر، مقاومت مغناطیسی بزرگتر و چگالی شار مغناطیسی کوچکتر است. این میدان مغناطیسی نامتقارن، نیروی محرکه الکتریکی نامتعادلی را در سیمپیچهای استاتور القا میکند.
عملکرد: این امر باعث عدم تعادل در جریانهای سه فاز استاتور میشود. مهمتر از آن، تعداد زیادی هارمونیک مرتبه بالا، به ویژه هارمونیکهای فرد (مانند هارمونیکهای سوم، پنجم، هفتم و غیره)، به شکل موج جریان وارد میشوند و باعث میشوند شکل موج جریان دیگر یک موج سینوسی صاف نباشد، بلکه دچار اعوجاج شود.
۲. تولید مولفههای جریان با فرکانسهای مشخصه
اصل: میدان مغناطیسی خارج از مرکز چرخان معادل یک منبع مدولاسیون فرکانس پایین است که جریان فرکانس پایه برق را مدوله میکند.
عملکرد: باندهای جانبی در طیف جریان استاتور ظاهر میشوند. به طور خاص، اجزای فرکانس مشخصه در دو طرف فرکانس اساسی (50 هرتز) ظاهر میشوند.
۳. گرمای بیش از حد موضعی سیمپیچها
اصل: اجزای هارمونیک در جریان، تلفات مسی (تلفات I²R) سیمپیچهای استاتور را افزایش میدهند. در عین حال، جریانهای هارمونیک، تلفات جریان گردابی و هیسترزیس اضافی را در هسته آهنی ایجاد میکنند که منجر به افزایش تلفات آهن میشود.
عملکرد: دمای موضعی سیمپیچهای استاتور و هسته آهنی به طور غیرطبیعی افزایش مییابد، که ممکن است از حد مجاز مواد عایق فراتر رود، پیری عایق را تسریع کند و حتی باعث حوادث فرسودگی اتصال کوتاه شود.
دوم. تأثیر بر ولتاژ استاتور
اگرچه تأثیر بر ولتاژ به اندازه تأثیر بر جریان مستقیم نیست، اما به همان اندازه مهم است.
۱. اعوجاج شکل موج ولتاژ
اصل: نیروی محرکه الکتریکی تولید شده توسط ژنراتور مستقیماً با شار مغناطیسی شکاف هوایی مرتبط است. شکاف هوایی ناهموار باعث اعوجاج شکل موج شار مغناطیسی میشود که به نوبه خود باعث میشود شکل موج ولتاژ استاتور القایی نیز اعوجاج یابد و حاوی ولتاژهای هارمونیک باشد.
عملکرد: کیفیت ولتاژ خروجی کاهش مییابد و دیگر موج سینوسی استاندارد نیست.
۲. عدم تعادل ولتاژ
در موارد شدید نامتقارن، ممکن است باعث ایجاد درجه خاصی از عدم تعادل در ولتاژ خروجی سه فاز شود.
III. سایر عوارض جانبی جدیتر (ناشی از مشکلات جریان و ولتاژ)
مشکلات جریان و ولتاژ فوق، باعث ایجاد یک سری واکنشهای زنجیرهای میشوند که اغلب کشندهتر هستند.
۱. کشش مغناطیسی نامتعادل (UMP)
این مهمترین و خطرناکترین پیامد خروج از مرکز شکاف هوایی است.
...
اصل: در سمتی که شکاف هوایی کوچکتری دارد، کشش مغناطیسی بسیار بیشتر از سمتی است که شکاف هوایی بزرگتری دارد. این کشش مغناطیسی خالص (UMP) روتور را بیشتر به سمتی که شکاف هوایی کوچکتری دارد، میکشاند.
چرخه معیوب: UMP مشکل شکاف هوایی ناهموار را تشدید میکند و یک چرخه معیوب تشکیل میدهد. هرچه خروج از مرکز شدیدتر باشد، UMP بیشتر است؛ هرچه UMP بیشتر باشد، خروج از مرکز شدیدتر است.
پیامدها:
• افزایش لرزش و صدا: دستگاه لرزش قوی با فرکانس دو برابر (عمدتاً دو برابر فرکانس برق، ۱۰۰ هرتز) ایجاد میکند و سطح لرزش و صدا به طور قابل توجهی افزایش مییابد.
• آسیب مکانیکی به قطعات: UMP طولانی مدت باعث افزایش سایش یاتاقان، خستگی ژورنال، خم شدن شفت میشود و حتی ممکن است باعث شود استاتور و روتور به یکدیگر ساییده شوند (اصطکاک و برخورد متقابل)، که یک خرابی ویرانگر است.
۲. افزایش لرزش دستگاه
منابع: عمدتاً از دو جنبه:
۱. ارتعاش الکترومغناطیسی: ناشی از کشش مغناطیسی نامتعادل (UMP)، فرکانس آن به میدان مغناطیسی چرخان و فرکانس شبکه مربوط میشود.
۲. ارتعاش مکانیکی: ناشی از سایش یاتاقان، عدم همترازی شفت و سایر مشکلات ناشی از UMP.
عواقب: بر عملکرد پایدار کل مجموعه ژنراتور (از جمله توربین) تأثیر میگذارد و ایمنی سازه نیروگاه را تهدید میکند.
۳. تأثیر بر اتصال شبکه و سیستم برق
اعوجاج شکل موج ولتاژ و هارمونیکهای جریان، سیستم برق نیروگاه را آلوده کرده و به شبکه تزریق میکنند، که ممکن است بر عملکرد عادی سایر تجهیزات در همان باس تأثیر بگذارد و الزامات کیفیت برق را برآورده نکند.
۴. کاهش راندمان و توان خروجی
تلفات هارمونیکی اضافی و گرمایش، راندمان ژنراتور را کاهش میدهد و تحت همان توان ورودی آب، توان اکتیو مفید خروجی کاهش مییابد.
نتیجهگیری
شکاف هوایی ناهموار بین استاتور و روتور در ژنراتورهای آبی بزرگ به هیچ وجه مسئلهای پیش پا افتاده نیست. این مشکل به عنوان یک مشکل الکترومغناطیسی شروع میشود، اما به سرعت به یک خطای جدی جامع تبدیل میشود که جنبههای الکتریکی، مکانیکی و حرارتی را در بر میگیرد. کشش مغناطیسی نامتعادل (UMP) که ایجاد میکند و ارتعاش شدید ناشی از آن، عوامل اصلی تهدیدکننده عملکرد ایمن واحد هستند. بنابراین، در طول نصب، نگهداری و بهرهبرداری و نگهداری روزانه واحد، یکنواختی شکاف هوایی باید به شدت کنترل شود و علائم اولیه خطاهای خروج از مرکز باید به موقع از طریق سیستمهای نظارت آنلاین (مانند لرزش، جریان و نظارت بر شکاف هوایی) شناسایی و برطرف شوند.
زمان ارسال: ۱۸ دسامبر ۲۰۲۵