موضوعات اصلي
بين سالهاي 1880 تا 1892 خطوط انتقال و توزيع برق بدون اينکه نقطه نوترال يا نول زمين شده داشته باشند احداث مي شدند و هيچ نقطه اي از شبکه و تجهيزات ارت نميشدند و اساسآ مفهومي به نام ارت وجود نداشت.
مشکلات برق گرفتگي و آتش سوزي در منازل و اماکن عمومي و صنعتي وجود داشت بدون اينکه فيوزهاي حفاظتي نصب شده در شبکه عيوب راتشخيص بدهند .
مشکلات ادارات بيمه جهت جبران خسارت بيشتر و بيشتر ميشد و به طور موازي تحقيقاتي جهت کاهش اين خطرات به عمل ميآمد.
در سال 1924 انجمن مهندسان برق (IEE) در انگلستان اتصال بدنه فلزي وسائل برقي به زمين يا همان ارت کردن را اجباري نمود هر چند اينکار ساده نبود و مشکلات فراواني داشت.
در سال 1923 فرانسه نيز در استانداردهاي ملي کشورش ارت کردن بدنه تجهيزات برقي را الزامي نمود.
در سال 1927 فرانسه بحث ارت کردن نقطه نول ترانسفورماتورها را نيز تصويب نمود.
در سال 1935 استانداردهاي جامع حفاظت اشخاص و تجهيزات تدوين و اجرائي شد و از آن سالها به بعد ارتينگ همگاني شد.
همانطور که در تاريخچه نيز اشاره شد به خاطر حفظ پايداري شبکه برق و مسائل ديگر در سال 1927 به بعد اتصال نول به زمين اجباري شد که در اينحالت وضعيت به صورت زير قابل بيان است :
اتصال فاز به زمين ميتواند فيوز را سوزانده و مدار و تجهيزات را محا فظت کند.
اتصال نول به زمين خطري براي شبکه و تجهيزات ندارد.
اتصال بدن انسان به يک فاز( تنها) بسيار خطرناک است
اين وضعيت دو حالت دارد :
• اگر بدنه دستگاه به زمين که همان نول است وصل شده باشد
(يعني همان سيستم زمين حفاظتي )که در اينحالت فيوز سريعا سوخته و از عبور طولاني جريان به بدن جلوگيري ميکند
• اگر بدنه دستگاه به زمين که همان نول است وصل نشده باشد
يعني سيستم ارت نداشته باشيم که در اين حالت بعيد است فيوز بسوزد لذا جريان برق تا زمانيکه شخص به خود آمده و خود را رها کند و يا کسي به کمک او بيايد از بدن عبور خواهد کرد و اين فاجعه است.
خلاصه اين حالت:
در صورت عدم نصب ارت مناسب
خطرات انساني: بسيار زياد
آسيب به تجهيزات و شبکه برق: زياد
در صورت نصب سيستم ارت مناسب
خطرات انساني: کمتر
آسيب به تجهيزات و شبکه برق: کمتر
به عبارتی در حالتی که سيستم ارت نصب شده باشد جريان خطا سه مسير جهت عبور جريان خطا و برگشت به منبع دارد و سهم کمي از جريان خطا ممکن است از بدن شخصي که با دست دستگاه را لمس ميکند عبور کند خصوصا اگر مقاومت زمين دستگاه نيز خيلي کم باشد
انواع زمین کردن
زمين کردن به طور کلي به دو بخش تقسيم ميشود:
۱- زمين کردن الکتريکي يا زمين کردن نوترال يا نول کردن يا گراندينگ سيستم Ground System
به طور كلي منظور از زمين كردن نوترال رسيدن به اهداف زير است :
الف : كاهش تنش الكتريكي ناشي از اثرات كليدزني
و صاعقه
ب: تامين و كنترل جريان اتصالي در حد قابل قبول
ج: كاهش عدم تعادل ولتاژ
د: محدود كردن ولتاژ نقطه نول
2- زمين حفاظتي يا ايمني Safety Ground
از اين نوع سيستم حفاظتي در ايجاد ايمني براي افرادي که بنا به وظيفه شغلي در تماس با تجهيزات سيستم هاي الکتريکي و نيز براي افراد جامعه که مصرف کننده نهايي انرژي برق ميباشند ،استفاده ميشود.هدف ديگر از اين نوع سيستم زمين ، محدود کردن خطر آتش سوزي از راه قطع سريع مدار معيوب به کمک وصل بدنه هاي فلزي به هادي خنثي يا زمين است.
در برخي موارد تفکيک دو نوع اتصال زمين براي دو هدف بالا ممکن نيست و به همين دليل ايجاد يک اتصال زمين براي هر دو منظور کافي است.ولي در بعضي شرايط تفکيک دو سيستم زمين لازم وضروري است و گاهي مسائل مربوط به زمين هاي ديگر مثل زمين صاعقه و زمين ابزار دقيق موضوع را پيچيده تر ميکند.
گاورنرها به 3 دسته تقسيم ميشوند:
- گاورنر مكانيكي
- گاورنر الكترومكانيكي
- گاورنر الكترونيكي
در حال حاضر فقط از گاورنر الكترونيكي در نيروگاههاي جديد استفاده ميشود و گاورنرهاي مكانيكي و الكترومكانيكي را فقط در نيروگاههاي قديمي ميتوان پيدا كرد.
گاورنرهاي جديد داراي دو قسمت الكترونيكي و هيدروليكي ميباشند.
1- قسمت الكترونيكي گاورنر
يك كنترلكننده الكترونيكي حلقه بسته (close loop) ، مجهز به PLC ، بهصورت كاملا” دوتايي (Full redundant)، كنترل سيستم را بر عهده ميگيرد.
سيگنالهاي ورودي اين كنترلكننده معمولا" عبارتند از:
- سيگنال آنالوگ سرعت توربين، از خروجي سنسورهاي سرعت توربين (mA20-4)
- سيگنال آنالوگ نشاندهنده موقعيت ويكت گيتهاي توربين(mA20-4)
- سيگنال آنالوگ نشاندهنده توان خروجي ژنراتور (mA20-4)
بر اســــاس سيگنـــــالهاي ورودي فــوق و پــردازش آنها در كنتـرلكننده PLC، سيگنال خروجــي گـــاورنر الكتـــرونيكي (mA20-4) به شـــير راهنمـــا(Pilot valve) اعمـــال شـــده و با عمــلكرد اين شيـر، فشـــار و دبــي لازم روغـــن براي حركــــت سـرووموتور و دريچههـــاي هـــادي توربيـــن(wicket gates) از طريـق شيـــر كنتـــرل اصـــلي(main valve) گاورنر فراهم ميگردد.
كنتـــرلكننده فــوق معمولا" به صـورت دوتــايي بـــه عنــوان گاورنــر اصلي و گاورنر پشتيبان در تابلوي كنترل گاورنر قرار ميگيرند.
در صـــورت بروز اشكال در گاورنر اصلي(main) ، كنترل سيستم به صورت خودكار، به گاورنر پشتيبان (backup) منتقل ميشود.
سيستم كنترل گاورنر داراي سه حالت عملكرد به شرح زير است:
- حـــالت كنتــــرل ســـرعت با كنترلكننده PID (speed control)
- حالت كنترل مقدار بازشدگي دريچههاي هادي(wicket gate) توربين با كنترلكننده تناسبي (P)(opening control)
- حالت كنترل توان خروجي ژنراتور با كنترلكننده PID (Power control)
2- قسمت هيدروليكي گاورنر
قســـمت هيدروليكي گاورنر شامل تجهيزات زير ميباشد:
- عمــلكنندههـــاي الكتروهـــيدروليكي براي تبديل سيگنالهاي الكتريكي به مقـــادير مكــانيكي متناظر
- تقويتكننده هيدروليكي
- واحد تأمين فشار روغن
از اين واحـــد به منظـــور تأميـــن فشـــار روغــــن بـــراي عمــــلكرد سرومــــوتورهاي تـــوربين و نهايتا” باز و بسته شدن ويكت گيتهاي توربين استفاده ميشود.
سيستم روغـن گـاورنر شامل مخــزن روغن، تانك فشار روغن/هوا(Air Oil Vessel) ، دو دستگاه پمـپ روغـــن گـــاورنر، شيرهاي سولونوئيدي، شير هيدروليكي، سيستم خنككن روغن (شامل دو دستگاه پمپ، كولر و فيلتر دوتايي مربوطه)، تجهيزات كنترل و اندازهگيري، لولهكشي و غيره ميباشد.
برق سيســـتم كنتــــرل گـــاورنر از دو فيـــدر مجــزا،از سيستم DC نيروگاه تأمين ميشود.
از دیرباز آرزوی بشر دستیابی به منبعی از انرژی بوده که علاوه بر آنکه بتواند مدت مدیدی از آن استفاده کند تولید پسماندهای خطرناک نیز در پی نداشته باشد.اکنون در هزاره سوم میلادی این آرزوی به ظاهر دست نیافتنی کم کم به واقعیت می پیوندد.اکنون بشر خود را آماده می کند تا با ساخت اولین رآکتور گرما هسته ای (همجوشی هسته ای)آرزوی نیاکان خود را تحقق بخشد.سوختی پاک و ارزان به نام هیدروژن,انرژی تولیدی سرشار و پسماندی بسیار پاک به نام هلیوم.
اکنون می پردازیم به واکنشهای گرما هسته ای راهکارهای استفاده از آن.
خورشید و ستارگان:
سالهاست که دانشمندان واکنشی را که در خورشید و ستارگان رخ داده و در آن انرژی تولید می کند کشف کرده اند. این واکنش عبارت است از ترکیب (برخورد) هسته های چهار اتم هیدروژن معمولی و تولید یک هسته اتم هلیوم.اما مشکلی سر راه این نظریه است.
بالا ترین دمایی که در خورشید وجود دارد مربوط به مرکز آن است که برابر 15ضرب در 10 به توان6 می باشد. در حالی که در ستارگان بزرگتر این دما به 20 ضرب در ده به توان 6 می رسد.به همین خاطر تصور بر این است که آن واکنش معروف ترکیب چهار اتم هیدروژن معمولی وتولید یک اتم هلیم در سایر ستارگان بزرگ نیست که باعث تولید انرژی می شود.بلکه احتمالا چرخه کربن در آنها به کمک آمده و کوره آنها را روشن نگه می دارد.منظور از چرخه کربن آن چرخه ای نیست که روی زمین اتفاق می افتد.بلکه به این صورت است که ابتدا یک اتم هیدروژن معمولی با یک اتم کربنC12ترکیب می شود(همجوشی) و یک اتم نیتروژن 13 به همراه یک واحد پرتو گاما را آزاد می کند. بعد این اتم با یک واپاشی به یک اتم کربن 13 به علاوه یک پوزیترون ویک نوترینو تبدیل می شود.بعد اینC13دوباره با یک اتم هیدروژن ترکیب می شود وN14و یک واحد گاما حاصل می شود.دوباره در اثر ترکیب این نیتروژن با یک هیدروژن معمولی اتمO15و یک واحد گاما تولید می شود و اکسیژن15واپاشی کرده و N15به علاوه یک پوزیترون ویک نوترینو را بوجود می آورد.و دست آخر با ترکیب N15با یک هیدروژن معمولیC12به علاوه یک اتم هلیوم بدست می آید.
دیدید که در این چرخه C12نه مصرف شد و نه به وجود آمد بلکه فقط نقش کاتالیزگر را داشت.این واکنشها به ترتیب و پشت سر هم انجام می شوند. و واکنش اصلی همان تبدیل چهار اتم هیدروژن به یک اتم هلیوم است. مزیت چرخه کربن این است که سرعت کار را خیلی بالا می برد. ولی اشکالی که دارد این است که در دمای حد اقل20 ضرب در ده به توان6 شروع می شود.بنا بر این احتمال زیادی می رود که در ستاره های بزرگتر چرخه کربن باعث تولید انرژی می شود.
محصور سازی
یک تعریف ساده و پایه ای از همجوشی عبارت است از فرو رفتن هسته های چند اتم سبکتر و تشکیل یک هسته سنگینتر. مثلا واکنش کلی همجوشی که در خورشید رخ می دهد عبارت است از برخورد هسته های چهاراتم هیدروژن وتبدیل آنها به یک اتم هلیوم .
تا اینجا ساده به نظر میرسد ولی مشکلی اساسی سر راه است;می دانید هسته از ذرات ریزی تشکیل شده است که پروتون و نوترون جزءلاینفک آن هستند.نوترون بدون بار وپروتون با بار مثبت که سایربارهای مثبت رابه شدت ازخود می راند. مشکل مشخص شد؟ بله…اگر پروتون ها(هسته های هیدروژن)یکدیگررادفع می کنندچگونه می توان آنهارادرهمجوشی شرکت داد؟
همانطورکه حدس زدید راه حل اساسی آن است که به این پروتون ها آن قدر انرژی بدهیم که انرژی جنبشی آنهابیشتراز نیروی دافعه کولنی آنهاشود و پروتون ها بتوانند به اندازه کافی به هم نزدیک شوند.حال چگونه این انرژی جنبشی را تولید کنیم؟گرما راه حل خوبیست.در اثر افزایش دما جنب و جوش وبه عبارت دیگرانرژی جنبشی ذرات بیشتر و بیشتر می شود به طوری که تعداد برخوردها و شدت آنها بیشتر و بیشتر می شود.به نظر شما آیا دیگر مشکلی وجود ندارد؟ خیر,مسئله اساسیتری سر راه است.
یک سماور پر از آب را تصور کنید.وقتی سماور را روشن می کنید با این کار به آب درون سماور گرما می دهید(انرژی منتقل می کنید).در اثر این انتقال انرژی دمای آب رفته رفته بالاتر می رود و به عبارتی جنب و جوش مولکول های آب زیاد می شود.در این حالت بین مولکولهای آب برخوردهایی پدید می آید.هر مولکول که از شعله(یا المنت یا هر چیز دیگری)مقداری انرژی دریافت کرده است آنقدر جنب و جوش می کند تا بالاخره (به علت محدود بودن محیط سماور و آب)انرژی خود رابه دیگری بدهد.مولکول بعدی نیز به نوبه خود همین عمل را انجام میدهد. بدین ترتیب رفته رفته انرژی منبع گرما در تمام آب پخش می شود و دمای آب بالا می رود. خوب یک سوال: آیا وقتی بدنه سماور را لمس می کنیم هیچ گرمایی حس نمی کنیم؟…بله حس می کنیم.دلیلش هم که روشن است.برخورد مولکول های پر انرژی آب با بدنه سماور و انتقال انرژی خود به آن.هدف ما از روشن کردن سماور گرم کردن آب بود نه سماور. امیدوارم تا اینجا پاسخ اولین مشکل اساسی بر سر راه همجوشی را دریافت کرده باشید.بله اگر اگر با صرف هزینه و زحمت بالا سوخت را به دمایی معادل میلیون ها درجه کلوین برسانیم آیا این اتم ها آنقدر صبر خواهند کرد تا با دیگر اتمها وارد واکنش شوند یا در اولین فرصت انرژی بالای خود را به دیواره داده وآن را نابود می کند؟(...شما بودید چه می کردید؟؟؟...). بنابر این نیاز به محصور سازی داریم;یعنی باید به طریقی اجازه ندهیم که این گرما به دیواره منتقل شود.
رسیدن به دمای بالا:
شروع واکنش همجوشی به دمای بسیار بالایی نیازمند است.درست است که دمای پانزده میلیون درجه دمای بسیار بالایست و تصور بوجود آوردنش روی زمین مشکل و کمی هم وحشتناک می باشد ولی معمولا در زندگی روزمره دور و برمان دماهای خیلی بالایی وجود دارند و ما از آنها غافلیم.مثلا وقتی در اثر اتصالی سیمهای برق داخل جعبه تقسیم می سوزد وشما صدای جرقه آنرا می شنوید و پس از بررسی متوجه می شوید که کاملا ذوب شده فقط به خاطر دمای وحشتناکی بوده که آن تو به وجود آمده. شاید باور نکنید ولی این دما به حدود سی-چهل هزار درجه کلوین می رسد. البته این دما برای همجوشی حکم طفل نی سواری را دارد. یا اینکه می توانیم با استفاده از ولتاژهای بسیار بالا قوسهای الکتریکی را از درون لوله های موئین عبور بدهیم.به این ترتیب دمای هوای داخل لوله که اکنون به پلاسما تبدیل شده به نزدیک چند میلیون درجه می رسد.(که باز هم برای همجوشی کم است).یکی از بهترین راهها استفاده از لیزر است. می دانید که لیزرهایی با توانهای بسیار بالا ساخته شده اند.مثلا نوعی از (لیزر)) به نام لیزر نوا(NOVA)می تواند در مدت کوتاهی انرژی ای معادل ده به توان پنج ژول تولید کند. اما بازهم در کنار هر مزیت معایبی هست.مثلا این لیزر تبعا انرژی زیادی مصرف می کند که حتی با صرف نظر از آن مشکل دیگری هست که می گوید اگر انرژی تولیدی لیزر در آن مدت کوتاه باید تحویل داده بشود پس برای برقرار ماندن معیار لاوسن (حالا که مدت زمان محصور سازی پایین آمده)باید چگالی بالاتر برود.که در این مورد از تراکم و چگالی جامد هم بالاتر می رود.
انواع واکنشها:
برای بهینه سازی کار رآکتورهای همجوشی و افزایش توان خروجی آنها راههای متعددی وجود دارد.یکی از این راهها انتخاب نوع واکنشی است که قرار است در رآکتور انجام بشود.
واکنش زیر نوعی از واکنش همجوشی بصورتی است که در آن دو هسته سبک با یکدیگر واکنش داده و یک هسته سنگین تر را بوجود میاورند. یعنی حاصل ترکیب دو هسته دوتریم و تولید یک هسته ترتیم به علاوه یک هسته هیدروژن معمولی است.این واکنش انرژی ده می باشد.چون تفاوت انرژی بستگی هسته سنگین تر وهسته های سبکتر مقداری منفیست.
در این واکنش مقدار انرژی ای تولیدی برابرMeV4می باشد.
قبلا گفته شد که باید برای انجام همجوشی هسته ها به اندازه کافی به هم نزدیک بشوند. این مقدار کافی حدودا معادل 3fm می باشد. چون در این فاصله ها انرژی پتانسیل الکتروستاتیکی دو دوترون در حدود MeV0.5 هست پس می توانیم با این مقدار انرژی دادن به یکی از دوترونها دافعه کولنی بین دوترونها ر شکسته و واکنش را شروع کنیم که بعد از انجام مقدارMeV4.5تولید می شود.( MeV0.5 انرژی جنبشی به علاوه 4MeVانرژی آزاد شده(
همانطور که می بینید بهترین گزینه واکنش سوم می باشد
می توانیم رآکتور خود را طوری طراحی کنیم که دور دیواره بیرونی آن لیتیم مایع تحت فشار جریان داشته باشد.این لیتیم مایع گرمای تولیدی اضافی را از واکنش گرفته و به آب منتقل می کند و با تبدیل آن به بخار باعث می شود که توربین و ژنراتور به حرکت درآیند و برق تولید بشود.
اما چرا لیتیم؟
قبلا دیدید که مقرون به صرفه ترین واکنش در راکتور همجوشی واکنش دوتریم . ترتیم است.در این واکنش دیدید که یک نوترون پر انرژی تولید می شد.این مساله یعنی نوترون زایی می تواند سبب تضعیف بخشهایی از رآکتور شود.از طرفی برای محیط زیست و مخصوصا سلامتی کسانی که در اطراف رآکتور فعالیت می کنند بسیار مضر است.اما اگر لیتیم را به عنوان خنک کننده داشته باشیم این جریان لیتیم همچنین نقش مهم کند کنندگی را بازی خواهد کرد.به این صورت که با نوترون اضافی تولید شده در واکنش ترکیب شده و سوخت گران قیمت و بسیار کمیاب رآکتور رو که همان ترتیم است تولید می کند.واکنش دقیق آن به شکل زیر است.البته در این مورد باید ضخامت لیتیم مایع در جریان حداقل یک متر باشد.
از دیرباز آرزوی بشر دستیابی به منبعی از انرژی بوده که علاوه بر آنکه بتواند مدت مدیدی از آن استفاده کند تولید پسماندهای خطرناک نیز در پی نداشته باشد.اکنون در هزاره سوم میلادی این آرزوی به ظاهر دست نیافتنی کم کم به واقعیت می پیوندد.اکنون بشر خود را آماده می کند تا با ساخت اولین رآکتور گرما هسته ای (همجوشی هسته ای)آرزوی نیاکان خود را تحقق بخشد.سوختی پاک و ارزان به نام هیدروژن,انرژی تولیدی سرشار و پسماندی بسیار پاک به نام هلیوم.
اکنون می پردازیم به واکنشهای گرما هسته ای راهکارهای استفاده از آن.
خورشید و ستارگان:
سالهاست که دانشمندان واکنشی را که در خورشید و ستارگان رخ داده و در آن انرژی تولید می کند کشف کرده اند. این واکنش عبارت است از ترکیب (برخورد) هسته های چهار اتم هیدروژن معمولی و تولید یک هسته اتم هلیوم.اما مشکلی سر راه این نظریه است.
بالا ترین دمایی که در خورشید وجود دارد مربوط به مرکز آن است که برابر 15ضرب در 10 به توان6 می باشد. در حالی که در ستارگان بزرگتر این دما به 20 ضرب در ده به توان 6 می رسد.به همین خاطر تصور بر این است که آن واکنش معروف ترکیب چهار اتم هیدروژن معمولی وتولید یک اتم هلیم در سایر ستارگان بزرگ نیست که باعث تولید انرژی می شود.بلکه احتمالا چرخه کربن در آنها به کمک آمده و کوره آنها را روشن نگه می دارد.منظور از چرخه کربن آن چرخه ای نیست که روی زمین اتفاق می افتد.بلکه به این صورت است که ابتدا یک اتم هیدروژن معمولی با یک اتم کربنC12ترکیب می شود(همجوشی) و یک اتم نیتروژن 13 به همراه یک واحد پرتو گاما را آزاد می کند. بعد این اتم با یک واپاشی به یک اتم کربن 13 به علاوه یک پوزیترون ویک نوترینو تبدیل می شود.بعد اینC13دوباره با یک اتم هیدروژن ترکیب می شود وN14و یک واحد گاما حاصل می شود.دوباره در اثر ترکیب این نیتروژن با یک هیدروژن معمولی اتمO15و یک واحد گاما تولید می شود و اکسیژن15واپاشی کرده و N15به علاوه یک پوزیترون ویک نوترینو را بوجود می آورد.و دست آخر با ترکیب N15با یک هیدروژن معمولیC12به علاوه یک اتم هلیوم بدست می آید.
دیدید که در این چرخه C12نه مصرف شد و نه به وجود آمد بلکه فقط نقش کاتالیزگر را داشت.این واکنشها به ترتیب و پشت سر هم انجام می شوند. و واکنش اصلی همان تبدیل چهار اتم هیدروژن به یک اتم هلیوم است. مزیت چرخه کربن این است که سرعت کار را خیلی بالا می برد. ولی اشکالی که دارد این است که در دمای حد اقل20 ضرب در ده به توان6 شروع می شود.بنا بر این احتمال زیادی می رود که در ستاره های بزرگتر چرخه کربن باعث تولید انرژی می شود.
محصور سازی
یک تعریف ساده و پایه ای از همجوشی عبارت است از فرو رفتن هسته های چند اتم سبکتر و تشکیل یک هسته سنگینتر. مثلا واکنش کلی همجوشی که در خورشید رخ می دهد عبارت است از برخورد هسته های چهاراتم هیدروژن وتبدیل آنها به یک اتم هلیوم .
تا اینجا ساده به نظر میرسد ولی مشکلی اساسی سر راه است;می دانید هسته از ذرات ریزی تشکیل شده است که پروتون و نوترون جزءلاینفک آن هستند.نوترون بدون بار وپروتون با بار مثبت که سایربارهای مثبت رابه شدت ازخود می راند. مشکل مشخص شد؟ بله…اگر پروتون ها(هسته های هیدروژن)یکدیگررادفع می کنندچگونه می توان آنهارادرهمجوشی شرکت داد؟
همانطورکه حدس زدید راه حل اساسی آن است که به این پروتون ها آن قدر انرژی بدهیم که انرژی جنبشی آنهابیشتراز نیروی دافعه کولنی آنهاشود و پروتون ها بتوانند به اندازه کافی به هم نزدیک شوند.حال چگونه این انرژی جنبشی را تولید کنیم؟گرما راه حل خوبیست.در اثر افزایش دما جنب و جوش وبه عبارت دیگرانرژی جنبشی ذرات بیشتر و بیشتر می شود به طوری که تعداد برخوردها و شدت آنها بیشتر و بیشتر می شود.به نظر شما آیا دیگر مشکلی وجود ندارد؟ خیر,مسئله اساسیتری سر راه است.
یک سماور پر از آب را تصور کنید.وقتی سماور را روشن می کنید با این کار به آب درون سماور گرما می دهید(انرژی منتقل می کنید).در اثر این انتقال انرژی دمای آب رفته رفته بالاتر می رود و به عبارتی جنب و جوش مولکول های آب زیاد می شود.در این حالت بین مولکولهای آب برخوردهایی پدید می آید.هر مولکول که از شعله(یا المنت یا هر چیز دیگری)مقداری انرژی دریافت کرده است آنقدر جنب و جوش می کند تا بالاخره (به علت محدود بودن محیط سماور و آب)انرژی خود رابه دیگری بدهد.مولکول بعدی نیز به نوبه خود همین عمل را انجام میدهد. بدین ترتیب رفته رفته انرژی منبع گرما در تمام آب پخش می شود و دمای آب بالا می رود. خوب یک سوال: آیا وقتی بدنه سماور را لمس می کنیم هیچ گرمایی حس نمی کنیم؟…بله حس می کنیم.دلیلش هم که روشن است.برخورد مولکول های پر انرژی آب با بدنه سماور و انتقال انرژی خود به آن.هدف ما از روشن کردن سماور گرم کردن آب بود نه سماور. امیدوارم تا اینجا پاسخ اولین مشکل اساسی بر سر راه همجوشی را دریافت کرده باشید.بله اگر اگر با صرف هزینه و زحمت بالا سوخت را به دمایی معادل میلیون ها درجه کلوین برسانیم آیا این اتم ها آنقدر صبر خواهند کرد تا با دیگر اتمها وارد واکنش شوند یا در اولین فرصت انرژی بالای خود را به دیواره داده وآن را نابود می کند؟(...شما بودید چه می کردید؟؟؟...). بنابر این نیاز به محصور سازی داریم;یعنی باید به طریقی اجازه ندهیم که این گرما به دیواره منتقل شود.
رسیدن به دمای بالا:
شروع واکنش همجوشی به دمای بسیار بالایی نیازمند است.درست است که دمای پانزده میلیون درجه دمای بسیار بالایست و تصور بوجود آوردنش روی زمین مشکل و کمی هم وحشتناک می باشد ولی معمولا در زندگی روزمره دور و برمان دماهای خیلی بالایی وجود دارند و ما از آنها غافلیم.مثلا وقتی در اثر اتصالی سیمهای برق داخل جعبه تقسیم می سوزد وشما صدای جرقه آنرا می شنوید و پس از بررسی متوجه می شوید که کاملا ذوب شده فقط به خاطر دمای وحشتناکی بوده که آن تو به وجود آمده. شاید باور نکنید ولی این دما به حدود سی-چهل هزار درجه کلوین می رسد. البته این دما برای همجوشی حکم طفل نی سواری را دارد. یا اینکه می توانیم با استفاده از ولتاژهای بسیار بالا قوسهای الکتریکی را از درون لوله های موئین عبور بدهیم.به این ترتیب دمای هوای داخل لوله که اکنون به پلاسما تبدیل شده به نزدیک چند میلیون درجه می رسد.(که باز هم برای همجوشی کم است).یکی از بهترین راهها استفاده از لیزر است. می دانید که لیزرهایی با توانهای بسیار بالا ساخته شده اند.مثلا نوعی از (لیزر)) به نام لیزر نوا(NOVA)می تواند در مدت کوتاهی انرژی ای معادل ده به توان پنج ژول تولید کند. اما بازهم در کنار هر مزیت معایبی هست.مثلا این لیزر تبعا انرژی زیادی مصرف می کند که حتی با صرف نظر از آن مشکل دیگری هست که می گوید اگر انرژی تولیدی لیزر در آن مدت کوتاه باید تحویل داده بشود پس برای برقرار ماندن معیار لاوسن (حالا که مدت زمان محصور سازی پایین آمده)باید چگالی بالاتر برود.که در این مورد از تراکم و چگالی جامد هم بالاتر می رود.
انواع واکنشها:
برای بهینه سازی کار رآکتورهای همجوشی و افزایش توان خروجی آنها راههای متعددی وجود دارد.یکی از این راهها انتخاب نوع واکنشی است که قرار است در رآکتور انجام بشود.
واکنش زیر نوعی از واکنش همجوشی بصورتی است که در آن دو هسته سبک با یکدیگر واکنش داده و یک هسته سنگین تر را بوجود میاورند. یعنی حاصل ترکیب دو هسته دوتریم و تولید یک هسته ترتیم به علاوه یک هسته هیدروژن معمولی است.این واکنش انرژی ده می باشد.چون تفاوت انرژی بستگی هسته سنگین تر وهسته های سبکتر مقداری منفیست.
در این واکنش مقدار انرژی ای تولیدی برابرMeV4می باشد.
قبلا گفته شد که باید برای انجام همجوشی هسته ها به اندازه کافی به هم نزدیک بشوند. این مقدار کافی حدودا معادل 3fm می باشد. چون در این فاصله ها انرژی پتانسیل الکتروستاتیکی دو دوترون در حدود MeV0.5 هست پس می توانیم با این مقدار انرژی دادن به یکی از دوترونها دافعه کولنی بین دوترونها ر شکسته و واکنش را شروع کنیم که بعد از انجام مقدارMeV4.5تولید می شود.( MeV0.5 انرژی جنبشی به علاوه 4MeVانرژی آزاد شده(
همانطور که می بینید بهترین گزینه واکنش سوم می باشد
می توانیم رآکتور خود را طوری طراحی کنیم که دور دیواره بیرونی آن لیتیم مایع تحت فشار جریان داشته باشد.این لیتیم مایع گرمای تولیدی اضافی را از واکنش گرفته و به آب منتقل می کند و با تبدیل آن به بخار باعث می شود که توربین و ژنراتور به حرکت درآیند و برق تولید بشود.
اما چرا لیتیم؟
قبلا دیدید که مقرون به صرفه ترین واکنش در راکتور همجوشی واکنش دوتریم . ترتیم است.در این واکنش دیدید که یک نوترون پر انرژی تولید می شد.این مساله یعنی نوترون زایی می تواند سبب تضعیف بخشهایی از رآکتور شود.از طرفی برای محیط زیست و مخصوصا سلامتی کسانی که در اطراف رآکتور فعالیت می کنند بسیار مضر است.اما اگر لیتیم را به عنوان خنک کننده داشته باشیم این جریان لیتیم همچنین نقش مهم کند کنندگی را بازی خواهد کرد.به این صورت که با نوترون اضافی تولید شده در واکنش ترکیب شده و سوخت گران قیمت و بسیار کمیاب رآکتور رو که همان ترتیم است تولید می کند.واکنش دقیق آن به شکل زیر است.البته در این مورد باید ضخامت لیتیم مایع در جریان حداقل یک متر باشد.
در دنیایی که تمام ابزار و وسایل زندگی روزمره برقی شده است و تصور زندگی بدون برق حتی برای لحظه ای هم ، مشکل یا در بعضی جاها غیر ممکن است ، لازم است که با اصول اولیه حفاظت الکتریکی آشنا شویم.خطاهاي ناشي از جريان برق عمدتاً به سه دسته تقسيم ميشوند:
۱- اتصال بدنه كه عبارت است از اتصال يكي از سيمهاي جريان برق به بدنه دستگاه.
۲- اتصال كوتاه عبارت است از اتصال دو سيم لخت كه نسبت به هم داراي اختلاف پتانسيل الكتريكي مي باشند.
۳- اتصال به زمين كه عبارت است از اتصال يكي از سيم هاي حامل جريان به زمين.
خطا هاي نامبرده شده به دو صورت كامل و ناقص اتفاق مي افتد. در اتصال كامل در محل اتصال مقاومت وجود ندارد و جريان زيادي از اين نقطه عبور ميكند. اما اگر اتصال ناقص باشد در محل اتصال مقاومت وجود دارد، بنابراين جريان خطا نسبت به حالت قبل كمتر است.
انواع حفاظت
۱- حفاظت سيم ها و كابل ها:
۲- حفاظت مصرف كننده ها و دستگاهاي الكتريكي: قسمت عمده مصرف كننده هاي سه فاز در مراكز صنعتي را موتورهاي الكتريكي تشكيل ميدهند. معمولا" جهت حفاظت موتورهاي الكتريكي از كليد حفاظت موتور استفاده مي شود. اين كليد موتور را در مقابل بار اضافي و همچنين اتصال كوتاه حفاظت مي كند. بدين صورت كه در اثر اضافه بار و يا دو فاز شدن موتور جريان كمي بيشتر از جريان نامي آن ميشود.حرارت بي متال كــــــه عضو حفاظت كننده حرارتي است بالا رفته و در اثر تغيير فرم بي متال به اهرم فشار آورده و كليد را قطع مي كند. اگر خطاهايي مانند اتصال كوتاه در موتور پيش آيد در اثر عبور جريان از بوبين حفاظت كننده مغناطيسي كليد اهرم آهني به سرعت به سمت هسته بوبين جذب شده و كليد را قطع مي نمايد.
۳- حفاطت اشخاص:معمولاً ولتاژ بيش از 65 ولت براي انسان خطرناك مي باشد.
انواع حفاظت اشخاص عبارتند از:
1- حفاظت توسط سيم زمين:كه اغلب در مجتمع ها و ساختمان ها از اين نوع حفاظت استفاده مي كنند.
الكترود زمين عبارت است از يك قطعه جسم هادي كه در زمين قرار داده ميشود و سيم زمين به آن متصل مي شود.
الكترودها به اشكال مختلف ساخته مي شوند.
الف: ميله هاي مسي معمولاً به قطر 16 ميليمتر كه با چكش در زمين كوبيده مي شوند. اين ميله ها داراي نوك تيز فولادي هستند كه فرو رفتن در زمين را آسان ميكند. پس از كو بيدن يك ميله ميتوان ميله ديگري به آن پيچ كرد و كوبيدن را ادامه داد تا ميله با طول مورد نظر تا حدود 3 متر به دست آيد.
ب: صفحه هاي مسي كه در عمق 60 سانتيمتري يا بيشتر به صورت افقي خوابانده مي شود. اجراي اين روش با زحمت بيشتري همراه است.
ج: استفاده از لولههاي آب شهري در گذشته بسيار معمول بوده است ولي امروزه كه بيشتر از لولههاي پلاستيكي استفاده مي شود اين روش قابل استفاده نيست.
د: غلاف يا زره فلزي - كابلهاي زير زميني امروزه بيشتر به عنوان الكترود زمين و سيم زمين مورد استفاده قرار مي گيرد. غلاف و زره كابل در پست بهنقطه صفر ترانسفورماتور متصل هستند. در اين سيستمها در صورت اتصالي، جريان از غلاف يا زره عبور كرده و به زمين نفوذ نمي كند.
در بسياري از موارد براي كاهش دادن مقاومت زمين از مجموعه ميله ها استفاده مي كنند و با اتصال الكتريكي آنها به يكديگر آنها را به صورت الكترود واحد مورد استفاده قرار مي دهند. اما نكته قابل توجه اين است كه مقاومت بين الكترود و زمين بستگي به مقاومت ويژه زمين دارد كه خود بسته به جنس زمين و ميزان رطو بت است.
۲- سيستم حفاظت نول: به صورت يك سيم جداگانه به بدنه تابلو يا دستگاه وصل مي شود. كاربرد آن در تا سيسات الكتريكي كه در آنها دستگاه ها بصورت انفرادي به زمين وصل مي شوند، مي باشد و نبايد براي دستگاههاي ديگر از حفاظت نول استفاده نمود. چون با بودن مقاومت كم جريان زيادي مي گذرد در نتيجه اختلاف ولتاژ نسبتاً زيادي در روي تمام مصرف كننده هاي ديگر بين بدنه هادي آنها و زمين بوجود خواهد آمد.
۳- حفاظت بوسيله عايق كردن:
تمام قسمتهايي كه امكان اتصال با بدن انسان را دارد عايق مي كنند كه براي ساختمانها اقتصادي نيست.
امروزه در صنعت، ماشينهاي متفاوت و با سرعت هاي مختلف مورد استفاده قرار مي گيرد كه موارد قابل ذكر عبارتند از : ماشين برش فلزات ، چرثقيل الكتريكي ، ماشينهاي مربوط به حمل ونقل وانواع مختلف وسايل چاپ ، معدن ذغال سنگ و صنايع ديگر . براي مثال چرخاننده الكتريكي در ماشين برش فلزات ، سرعت سيستم مي بايد مطابق با نوع كار ، فلز و كيفيت نوع برش واندازه قطعه مورد نظر ، قابل تنظيم باشد . در كليه ماشين آلات ذكر شده ، چرخاننده بايد مجهز به كنترل سرعت باشد تا بتواند كميت توليد زياد ، شرايط كار مطلوب و كيفيت محصول خوب باشد . توسط كنترل سرعت مي توان سرعت چرخاننده را به ميزان مورد نياز جهت انجام مراحل كار تغيير داد . مفهوم كنترل سرعت يا تنظيم نبا يد شامل تغيير طبيعي در هنگام اخذ بار شود . تغيير سرعت مورد نياز در روي موتور چرخاننده و يا عنصر مرتبط به موتور چرخاننده انجام مي گيرد ، كه ممكن است اين عمل با دست توسط اپراتور و يا به طور اتوماتيك توسط وسايل كنترل انجام گيرد . امروزه تنظيم سرعت توسط مدار الكتريكي توسعه يافته و از نظر اقتصادي و نتايج حاصله بر كنترل مكانيكي ارجحيت دارد .
موتورهاي آسنكرون سه فاز به خاطر امتيازات چشمگيرشان در صنايع كاربرد متنوعي دارند . از آن جمله در سيستمهاي محركه اي كه نياز به تغيير وتنظيم دور دارند بيشتر وبيشتر بكار گرفته مي شوند .
دور موتور آسنكرون به خودي خود حداكثر 1- min 3000 (برايP=1 ،F=50 HZ ) است . اما صنعت اتوماسيون و تنظيم دقيق ، نياز به دورهايي از حدود1 تاmin -1 100000 و بيشتر ( مثلا min -1 350000 در دندانپزشكي با بلبرينگ مغناطيسي ) مي باشد . برخي سيستمهاي محركه نظير جراثقال به دور كمي نيازمنداند. دور موتور آسنكرون وابسته از F فركانس شبكه ، P تعداد زوج قطب موتور و S لغزش آن مي باشد :
Nr = (1- S) NS = ( 1-S )
توسط تغييرات اين سه عامل مي توان دور موتور آسنكرون را تغيير داد . براي اين منظور مدارهاي متنوعي را مي توان تحقق بخشيد . در اين ميان سعي برآنست مدارهائي مورد استفاده قرار گيرند كه با هزينه كمتري تحقق پذيرند ، ساده ترند و نيز تلفاتشان كمتر است. بدين ترتيب تعداد اين مدارها عملاً محدود مي گردد در ادامه متدهاي كلاسيك ومدرن تنظيم دور موتور آسنكرون را مورد بحث قرار خواهيم داد .
موتورهاي القايي AC عمومي ترين موتورهايي هستند كه در سامانه هاي كنترل حركت صنعتي و همچنين خانگي استفاده مي شوند.طراحي ساده و مستحكم , قيمت ارزان , هزينه نگه داري پايين و اتصال آسان و كامل به يك منبع نيروي AC امتيازات اصلي موتورهاي القايي AC هستند.انواع متنوعي از موتورهاي القايي AC در بازار موجود است.موتورهاي مختلف براي كارهاي مختلفي مناسب اند.با اينكه طراحي موتورهاي القايي AC آسانتر از موتورهاي DC است , ولي كنترل سرعت و گشتاور در انواع مختلف موتورهاي القايي AC نيازمند دركي عميقتر در طراحي و مشخصات در اين نوع موتورهاست.
اين نكته در اساس انواع مختلف , مشخصات آنها , انتخاب شرايط براي كاربريهاي مختلف و روشهاي كنترل مركزي يك موتورهاي القايي AC را مورد بحث قرار مي دهد.
اصل ساخت اوليه و كاربري
مانند بيشتر موتورها , يك موتورهاي القايي AC يك قسمت ثابت بيروني به نام استاتور و يك روتور كه در درون آن مي چرخد دارند , كه ميان آندو يك فاصله دقيق كارشناسي شده وجود دارد.به طور مجازي همه موتورهاي الكتريكي از ميدان مغناطيسي دوار براي گرداندن روتورشان استفاده مي كنند.يك موتور سه فاز القايي AC تنها نوعي است كه در آن ميدان مغناطيسي دوار به طور طبيعي بوسيله استاتور به خاطر طبيعت تغذيه گر آن توليد مي شود.در حالي كه موتورهاي DC به وسيله اي الكتريكي يا مكانيكي براي توليد اين ميدان دوار نياز دارند.يك موتور القايي AC تك فاز نيازمند يك وسيله الكتريكي خارجي براي توليد اين ميدان مغناطيسي چرخشي است.
در درون هر موتور دو سري آهنرباي مغناطيسي تعبيه شده است.در يك موتور القايي AC يك سري از مغناطيس شونده ها به خاطراينكه تغذيه AC به پيچه هاي استاتور متصل است در استاتور تعبيه شده اند.بخاطر طبيعت متناوب تغذيه ولتاژ AC بر اساس قانون لنز نيرويي الكترومغناطيسي به روتور وارد مي شود (درست شبيه ولتاژي كه در ثانويه ترانسفورماتور القا مي شود).بنابر اين سري ديگر از مغناطيس شونده ها خاصيت مغناطيسي پيدا مي كنند.-نام موتور القايي از اينجاست-.تعامل ميان اين مگنت ها انرژي چرخيدن يا تورك (گشتاور) را فراهم مي آورد.در نتيجه موتور در جهت گشتاو بوجود آمده چرخش مي كند.
استاتور از چندين قطعه باريك آلومنيوم يا آهن سبك ساخته شده است.اين قطعات بصورت يك سيلندر تو خالي به هم منگنه و محكم شده اند(هسته استاتور) با شيارهايي
كه در شكا يك نشان داده شده اند.سيم پيچهايي از سيم روكش دار در اين شيارها جاسازي شده اند.هر گروه پيچه با هسته اي كه آن را فرا گرفته يك آهنرباي مغناطيسي (با دو پل) را براي كار كردن با تغذيه AC شكل مي دهد.تعداد قطبهاي يك موتور القايي AC به اتصال دروني پيچه هاي استاتوربستگي دارد.پيچه هاي استاتور مستقيما به منبع انرژي متصل اند.آنها به صورتي متصل اند كه با برقراري تغذيه AC يك ميدان مغناطيسي چرخنده توليد مي شود.
روتور از چندين قطعه مجزاي باريك فولادي كه ميانشان ميله هايي از مس يا آلومنيوم تعبيه شده ساخته شده است.در رايج ترين نوع روتور (روتور قفس سنجابي) اين ميله ها در انتهاي خود به صورت الكتريكي و مكانيكي بوسيله حلقه هايي به هم متصل شده اند.تقريبا 90 درصد از موتورهاي القايي داراي روتور قفس سنجابي مي باشند و اين به خاطر آن است كه اين نوع روتور ساختي مستحكم و ساده دارد.اين روتور از هسته اي چند تكه استوانه اي با محوري كه شكافهاي موازي براي جادادن رساناها درون آن دارد تشكيل شده است.هر شكاف يك ميله مسي يا آلومنيومي يا آلياژي را شامل مي شود.در اين ميله ها به طور دائمي بوسيله حلقه هاي انتهايي آنها مدار كوتاه برقرار است.چون اين نوع مونتاژ درست شبيه قفس سنجاب است , اين نام براي آن انتخاب شده است.ميله اي روتور دقيقا با محور موازي نيستند.در عوض به دو دليل مهم قدري اريب نصب مي شوند.
دليل اول آنكه موتور با كاهش صوت مغناطيسي بدون صدا كاركرده و براي آنكه از هارمونيكها در شكافها كاسته شود.
دليل دوم آن است كه گرايش روتور به هنگ كردن كمتر شود.دندانه هاي روتور به خاطر جذب مغناطيسي مستقيم (محض) تلاش مي كنند كه در مقابل دندانه هاي استاتور باقي بمانند.اين اتفاق هنگامي مي افتد كه تعداد دندانه هاي روتور و استاتور برابر باشند.
روتور بوسيله مهار هايي در دو انتها روي محور نصب شده ; يك انتهاي محور در حالت طبيعي براي انتقال نيرو بلندتر از طرف ديگر گرفته مي شود.ممكن است بعضي موتورها محوري فرعي در طرف ديگر(غير گردنده - غير منتقل كننده نيرو) براي اتصال دستگاههاي حسگر حالت(وضعيت) و سرعت داشته باشند.بين استاتور و روتور شكافي هوايي موجود است.بعلت القا انرژي از استاتور به روتور منتقل مي شود.تورك توليد شده به روتور نيرو داده و سپس براي چرخيدن به آن نيرو مي كند.صرف نظر از روتور استفاده شده قواعد كلي براي دوران يكي است.
ميدان مغناطيسي اي كه در استاتور توليد ميشود با سرعت سنكرون مي چرخد.(Ns)
در روتور ميدان مغناطيسي توليد مي شود زيرا به طور طبيعي ولتاژ متناوب است.
براي كاهش سرعت نسبي نسبت به (شار)استاتور , روتور چرخش را در همان جهتي كه شار استاتور دارد آغاز مي كند و تلاش مي كند تا به سرعت چرخش فلاكس نايل شود.با اينحال روتور هرگز موفق نمي شود كه به سرعت ميدان استاتور برسد.روتور از سرعت ميدان استاتور كندتر مي گردد.اين سرعت Base speed نام دارد.(Nb)
تفاوتها ميان Ns و NbSlip نام دارد.اسليپ مقادير مختلف فشار(مكانيكي) بستگي دارد.هر افزايشي در فشار موجب كندتر كار كردن روتور و افزايش اسليپ مي شود.برعكس كاهش فشار سبب سرعت گرفتن روتور و كاهش اسليپ مي شود.اسليپ بوسيله درصد نشان داده شده و با فرمول زير مشخص مي شود.
عموما دسته بندي موتورهاي القاي براساس تعداد پيچه هاي استاتور است كه عبارتند از:
موتورهاي القايي تك فاز
موتورهاي القايي سه فاز
) موتورهای AC :
موتورهای AC تک فاز:
معمولترین موتور تک فاز موتور سنکرون قطب چاکدار است، که اغلب در دستگاه هایی بکار می رود که گشتاور پایین نیاز دارند، نظیر پنکههای برقی ، اجاقهای ماکروویو و دیگر لوازم خانگی کوچک. نوع دیگر موتور AC تک فاز موتور القایی است، که اغلب در لوازم بزرگ نظیر ماشین لباسشویی و خشک کن لباس بکار میرود. عموماً این موتورها میتوانند گشتاور راه اندازی بزرگتری را با استفاده از یک سیم پیچ راه انداز به همراه یک خازن راه انداز و یک کلید گریز از مرکز ، ایجاد کنند.
هنگام راه اندازی ، خازن و سیم پیچ راه اندازی از طریق یک دسته از کنتاکتهای تحت فشار فنر روی کلید گریز از مرکز دوار ، به منبع برق متصل میشوند. خازن به افزایش گشتاور راه اندازی موتور کمک میکند. هنگامی که موتور به سرعت نامی رسید، کلید گریز از مرکز فعال شده ، دسته کنتاکتها فعال میشود، خازن و سیم پیچ راه انداز سری شده را از منبع برق جدا میسازد، در این هنگام موتور تنها با سیم پیچ اصلی عمل میکند
موتورهای AC سه فاز:
برای کاربردهای نیازمند به توان بالاتر، از موتورهای القایی سه فاز AC (یا چند فاز) استفاده میشود. این موتورها از اختلاف فاز موجود بین فازهای تغذیه چند فاز الکتریکی برای ایجاد یک میدان الکترومغناطیسی دوار درونشان ، استفاده میکنند. اغلب ، روتور شامل تعدادی هادیهای مسی است که در فولاد قرار داده شدهاند. از طریق القای الکترومغناطیسی میدان مغناطیسی دوار در این هادیها القای جریان میکند، که در نتیجه منجر به ایجاد یک میدان مغناطیسی متعادل کننده شده و موجب میشود که موتور در جهت گردش میدان به حرکت در آید.
این نوع از موتور با نام موتور القایی معروف است. برای اینکه این موتور به حرکت درآید بایستی همواره موتور با سرعتی کمتر از فرکانس منبع تغذیه اعمالی به موتور ، بچرخد، چرا که در غیر این صورت میدان متعادل کنندههای در روتور ایجاد نخواهد شد. استفاده از این نوع موتور در کاربردهای ترکشن نظیر لوکوموتیوها ، که در آن به موتور ترکشن آسنکرون معروف است، روز به روز در حال افزایش است. به سیم پیچهای روتور جریان میدان جدایی اعمال میشود تا یک میدان مغناطیسی پیوسته ایجاد شود، که در موتور سنکرون وجود دارد، موتور به صورت همزمان با میدان مغناطیسی دوار ناشی از برق AC سه فاز ، به گردش در میآید. موتورهای سنکرون را میتوانیم به عنوان مولد جریان هم بکار برد.
سرعت موتور AC در ابتدا به فرکانس تغذیه بستگی دارد و مقدار لغزش ، یا اختلاف در سرعت چرخش بین روتور و میدان استاتور ، گشتاور تولیدی موتور را تعیین میکند. تغییر سرعت در این نوع از موتورها را میتوان با داشتن دسته سیم پیچها یا قطبهایی در موتور که با روشن و خاموش کردنشان سرعت میدان دوار مغناطیسی تغییر میکند، ممکن ساخت. به هر حال با پیشرفت الکترونیک قدرت می توانیم با تغییر دادن فرکانس منبع تغذیه ، کنترل یکنواخت تری بر روی سرعت موتورها داشته باشیم. روشهاي كنترل سرعت در موتورهاي القايي : همانطور كه در گذشته نيز گفته شد از معايب اصلي موتورهاي آسنكرون نسبت به موتورهاي DC در عدم امكانات مناسب در كنترل سرعت آنها مي باشد كه به همين دليل در صنعت كه احتياج به كنترل دور موتور با دقت زياد و در رنج وسيعي مي باشد استفاده از ماشينهاي DC ترجيح داده مي شود و اين مسئله در هنگامي كه گشتاور راه اندازي بزرگي نيز مورد احتياج باشد ، تشديد مي گردد . به همين دليل براي كنترل سرعت ماشينهاي القايي نيز تمهيداتي انجام گرفته
است كه توسط آنها بتوان تا حد امكان به كنترل سرعت اين موتورها پرداخت0 به طور كلي به چهار روش مي توان به كنترل دور موتورهاي القايي پرداخت كه اين موارد عبارتنداز : 1-كنترل دور به وسيله كنترل ولتاژ 2-كنترل دور توسط كنترل فركانس 3-كنترل دور به وسيله كنترل ولتاژ و كنترل فركانس به صورت همزمان 4-كنترل سرعت از طريق كنترل جفت قطب در بين اين روشها بهترين روش كنترل دوربه وسيله كنترل همزمان ولتاژ و فركانس مي باشد چون مقدار فوران ميدان مغناطيسي دوار موتورهاي القايي متناسب با نسبت ولتاژ به فركانس مي باشد بنا براين در صورتي كه به همان نسبت كه ولتاژ را تغيير مي دهيم مقدار فركانس را نيز تغيير دهيم نتيجتاً مقدار دامنهي ميدان مغناطيسي دوار موتور تغييري نمينمايد و در نتيجه در كار ماشين اختلالي وجود نخواهد داشت. از طرف ديگر با تغيير مشخصات منبع تغذيه منحني گشتاور بر حسب سرعت تغيير خواهد نمود . عيب اين روش در قيمت بسيار بالاي مبدلهايي مي باشند كه به صورت همزمان فركانس و ولتاژ را كنترل مي نمايند و همچنين داراي ساختمان پيچيده اي هستند و تعمير و نگهداري آنها مشكل مي باشد و بعضاّ هزينه هاي مربوط به اين مبدّل ها از هزينه مربوط به خود موتور بيشتر مي گردد . بنابراين در بسياري از مواقع از لحاظ اقتصادي استفاده از اين روش براي كنترل سرعت موتور القايي مقرون به صرفه نمي باشد.
موتورهای پلهای :
نوع دیگری از موتورهای الکتریکی موتور پلهای است، که در آن یک روتور درونی ، شامل آهنرباهای دائمی توسط یک دسته از آهنرباهای خارجی که به صورت الکترونیکی روشن و خاموش میشوند، کنترل میشود. یک موتور پلهای ترکیبی از یک موتور الکتریکی DC و یک سلونوئید است. موتورهای پلهای ساده توسط بخشی از یک سیستم دندهای در حالتهای موقعیتی معینی قرار میگیرند، اما موتورهای پلهای نسبتا کنترل شده ، میتوانند بسیار آرام بچرخند. موتورهای پلهای کنترل شده با کامپیوتر یکی
از فرمهای سیستمهای تنظیم موقعیت است، بویژه وقتی که بخشی از یک سیستم دیجیتال دارای کنترل فرمان یار باشند.
موتورهای خطی :
یک موتور خطی اساساً یک موتور الکتریکی است که از حالت دوار در آمده تا بجای اینکه یک گشتاور (چرخش) گردشی تولید کند، یک نیروی خطی توسط ایجاد یک میدان الکترومغناطیسی سیار در طولش ، بوجود آورد. موتورهای خطی اغلب موتورهای القایی یا پلهای هستند. میتوانید یک موتور خطی را در یک قطار سریع السیر ماگلیو مشاهده کنید که در آن قطار روی زمین پرواز میکند.
احتمالا بيشتر از كل انواع موتورها از موتورهاي القايي AC تك فاز استفاده مي شود.منطقي است كه بايد موتورهاي داراي كمترين گراني و هزينه نگه داري بيشتر استفاده شود. موتور القايي AC تك فاز بهترين مصداق اين توصيف است.آن طور كه از نام آن برميايد اين نوع از موتور تنها يك پيچه (پيچه اصلي) دارد و با يك منبع تغذيه تك فاز كار مي كند.در تمام موتورهاي القايي تك فاز روتور از نوع قفس سنجابي است.
موتور القايي تك فاز خود راه انداز نيست.هنگامي كه موتور به يك تغذيه تك فاز متصل است پيچه اصلي داراي جرياني متناوب مي شود.اين جريان متناوب ميدان مغناطيسي اي ضرباني توليد مي كند.بسبب القا روتور تحريك مي شود.چون ميدان مغناطيسي اصلي ضرباني است توركي كه براي چرخش موتور لازم است بوجود نمي آيد و سبب ارتعاش روتور و نه چرخش آن مي شود.از اين رو موتور القايي تك فاز به دستگاه آغاز گري نياز داردكه مي تواندضربات آغازي را براي چرخش موتور توليد كند.
دستگاه آغاز گر موتورهاي القايي تك فاز اساسا پيچه اي اضافي در استاتور است (پيچه كمكي) .پيچه استارت مي تواند داراي خازنهاي سري ويا سوئيچ گريز از مركز باشد.هنگامي كه ولتاژ تغذيه برقرار است جريان در پيچه اصلي بسبب مقاومت پيچه اصلي ولتاژتغذيه را افت ميدهد (ولتاژ به جريان تبديل مي شود).در همين حين جريان در پيچه استارت بسته به مقاومت دستگاه استارت به افزايش ولتاژ تغذيه تبديل مي شود.فعل و انفعال ميان ميدانهاي مغناطيسي كه پيچه اصلي و دستگاه استارت مي سازند ميدان برايندي ميسازند كه در جهتي گردش مي كند.موتور گردش را در جهت اين ميدان برايند آغاز ميكند.
هنگامي كه موتور به 75 درصد دور مجاز خود مي رسد يك سوئيچ گريز از مركز پيچه استارت را از مدار خارج مي كند.از اين لحظه به بعد موتور تك فاز مي تواند تورك كافي را براي ادامه كاركرد خود نگه دارد.
بجز انواع خاص داراي Capacitor start / capacitor run عموماهمه موتورهاي تك فاز فقط براي كاربري هاي بالاي 3/4 hp استفاده مي شوند.
بسته به انواع تكنيكهاي استارت موتورهاي القايي تك فاز AC در دسته بندي اي وسيع قرار دارند.
AC فاز شكسته
موتور فاز شكسته همچنين به عنوان Induction start/Induction run (استارت القايي/كاركرد القايي)هم شناخته مي شود كه دو پيچه دارد.پيچه استارت از سيم نازكتر و تعداد دور كمتر نسبت به پيچه اصلي براي بوجود آوردن مقاومت بيشتر ساخته شده است.همچنين ميدان پيچه استارت در زاويه اي غير از آنچه كه پيچه اصلي دارد قرار مي گيرد كه سبب آغاز چرخش موتور مي شود.پيچه اصلي كه از سيم ضخيم تري ساخته شده است موتور را هميشه درحالت چرخش باقي نگه مي دارد.
تورك آغازين كم است مثلا 100 تا 175 درصد تورك ارزيابي شده.موتور براي استارت جرياني زياد طلب مي كند.تقريبا 700 تا 1000 درصد جريان ارزيابي شده.تورك بيشينه توليد شده نيز در محدوده 250 تا 350 درصد از تورك براوردشده مي باشد.
كاربريهاي خوب براي موتورهاي فاز شكسته شامل سمباده (آسياب) هاي كوچك , دمنده ها و فنهاي كوچك و ديگر دستگاههايي با نياز به تورك آغازين كم با و نياز به قدرت 1/20 تا 1/3 اسب بخار مي باشد.از استفاده از اين موتورها در كاربريهايي كه به دوره هاي خاموش و روشن و گشتاور زياد نيازدارند خود داري نماييد.
اين نوع , موتور اصلاح شده فاز شكسته با خازني سري با آن براي بهبود استارت است.همانند موتور معمولي فاز شكسته اين نوع موتور يك سوئيچ گريز از مركز داشته كه هنگامي كه موتور به 75 درصد سرعت ارزيابي شده مي رسد , پيچه استارت را از مدار خارج مي نمايد.از آنجا كه خازن با مدار استارت موازي است , گشتاور استارت بيشتري توليد مي كند , معمولا در حدود 200 تا 400 درصد گشتاور ارزيابي شده.و جريان استارت معمولا بين 450 تا 575 درصد جريان ارزيابي شده است.كه بسيار كمتر از موتور فاز شكسته و بعلت سيم ضخيمتر در مدار استارت است.براي منحني سرعت گشتاور به شكل 9 مراجعه كنيد.
نوع اصلاح شده اي از موتو با استارت خازني ، موتور با استارت مقاومتي است.در اين نوع موتور خازن استارت با يك مقاومت جايگزين شده است.موتور استارت مقاومتي در كاربريهايي مورد استفاده قرار مي گيرد كه ميزان گشتاور استارتينگي كمتر از مقداري كه موتور استارت خازني توليد مي كند لازم است.صرف نظر از هزينه اين موتور امتيازات عمده اي نسبت به موتور استارت خازني ندارد.
اين موتورها در انواع مختلف كاربريهاي پولي و تسمه اي مانند تسمه نقاله هاي كوچك , پمپها و دمنده هاي بزرگ به خوبي بسياري از خود گردانها و كاربريهاي چرخ دنده اي استفاده مي شوند.
AC القايي با خازن دائمي اسپليت
اين موتور (PSC) نوعي خازن دائما متصل به صورت سري به پيچه استارت دارد.اين كار سبب آن ميشود كه پيچه استارت تازماني كه موتور به سرعت چرخش خود برسد بصورت پيچه اي كمكي عمل كند.از آنجا كه خازن عملكرد اصلي , بايد براي استفاده مداوم طراحي شده باشد , نميتواند توان استارتي معادل يك موتور استارت خازني ايجاد نمايد.گشتاور استارت يك موتور (PSC) معمولا كم و در حدود 30 تا 150 درصد گشتاور ارزيابي شده است.موتورهاي (PSC) جريان استارتي پايين , معمولا در كمتر از 200 درصد جريان برآورد شده دارند كه آنها را براي كاربريهايي با سرعتهاي داراي چرخه هاي خاموش روشن بالا بسيار مناسب ميسازد.براي منحني سرعت – گشتاور به شكل 9 مراجعه كنيد.
موتورهاي PSC امتيازات فراواني دارند.طراحي موتور براحتي براي استفاده با كنترل كننده هاي سرعت ميتواند اصلاح شود.همچنين مي توانند براي بازدهي بهينه و ضريب توان بالا در فشار برآورد شده طراحي شوند.آنها به عنوان قابل اطمينان ترين موتور تك فاز مطرح ميشوند.مخصوصا به اين خاطر كه به سوئيچ گريز از مركز نيازي ندارند.
موتورهاي AC القايي استارت با خازن/ كاركرد با خازن
اين موتور , همانند موتور با استارت خازن , خازني از نوع استارتي در حالت سري با پيچه كمكي براي گشتاور زياد استارت دارد.همچنين مانند يك موتور PSC خازني از نوع كاركرد كه دركنار خازن استارت در حالت سري با پيچه كمكي است كه بعد از شروع به كار موتور از مدار خارج مي شود.اين حالت سبب بوجود آمدن گشتاوري در حد اضافي مي شود.
اين نوع موتور مي تواند … و بازده بيشتر طراحي شود.(منحني سرعت – گشتاور در شكل 9 را ببينيد).اين موتور بخاطر خازنهاي كاركرد و استارت و سوئيچ گريز از مركز آن پرهزينه است.
اين موتور مي تواند در بسياري از كاربريهايي كه از هرموتور تك فاز ديگري انتظار ميرود استفاده شود.اين كاربريها شامل ماشينهاي مرتبط با چوب , كمپرسورهاي هوا , پمپهاي آب فشار قوي , پمپهاي تخليه و ديگر كاربردهاي نيازمند گشتاورهاي بالا در حد 1 تا 10 اسب بخار مي شوند.
AC با قطب سايه دار
موتورهاي با قطب سايه دار فقط يك پيچه اصلي دارند و پيچه استارت ندارند.استارت خوردن بوسيله طرح خاص آن كه حلقه پيوسته مسي اي را دور قسمت كوچكي از هر قطب موتور حلقه مي كند انجام مي شود.اين سايه كه قطب را دو تكه مي كند سبب مي شود كه ميدان مغناطيسي اي ضعيفتر در ناحيه سايه خورده نسبت به قسمت ديگر و در كنار آن بوجود آيد.تعامل ميان ميدانها محور را به چرخش وامي دارد.
چون موتور با قطب سايه خورده پيچه استارت , سوئيچ استارت ويا خازن ندارد از نظر الكتريكي ساده و ارزان است.همچنين سرعت آن راصرفا با تغيير ولتاژ يا بوسيله يك پيچه با چند دور مختلف مي توان كنترل كرد.
ساخت موتور با قطب سايه خورده از نظر مكانيكي اجازه توليد انبوه را ميدهد.درحقيقت اين موتورها به موتورهاي يك بار مصرف معروفند.بدين معني كه جايگزين كردن آنها ارزانتر از تعمير آنهاست.
موتورهاي با قطب سايه دار بسياري مشخصات مثبت دارند.اما چندين مورد بي فايدگي هم دارند.گشتاور استارت كم آن معمولا 25 تا 75 درصد گشتاور برآوردي است.اين موتور موتوري با اتلاف بالاست كه سرعتي حدود 7 تا 10 درصد سرعت سنكرون دارد.عموما بازده اين نوع موتور بسيار پايين است (زير 20 درصد).
هزينه اوليه پايين آن را براي قدرت كمتر يا كاربردهاي با كار كمتر مناسب مي سازد.شايد وسيعترين استفاده از آنها در فنهاي چند سرعته براي استفاده خانگي است.ولي گشتاور كم موتور داراي قطب سايه دار را براي بيشتر كاربريهاي صنعتي يا تجاري كه در آنها كار مداوم يا چرخه هاي گردش بيشتر معمول است غير قابل استفاده مي كند.
PSC بسته به طراحيشان كاربري بسيار متنوعي دارند كه شامل فنها , دمنده ها با نياز به گشتاور استارت كم و چرخه هاي كاري غير دائمي مانند تنظيم دستگاهها (طرز كارها) , عملگر درگاهها و بازكننده هاي درب گاراژها ميشود.
كنترل و اتوماسيون يكي از مهمترين مباحث نيروگاهها ميباشد. بطور كلي سه عضو اصلي هر سيستم كنترلي، واحد اندازهگيري و واحد تغييردهنده كميت(Actuator) و كنترلر ميباشند. دو عضو اول در فيلد (جايي كه سيستم اصلي وجود دارد) و عضو سوم معمولا" در اتاق كنترل ميباشد.
مساله مهم در روند كنترل به شكل فوق، موضوع سيگنالها ميباشد؛ سيگنالهايي كه بين دستگاه كنترلكننده و دستگاههاي نصب شده در فيلد، رد و بدل ميشوند. به منظور سهولت استفاده از كنترلكنندهها در صنايع مختلف، لزوم وجود يك استاندارد براي تعريف ماهيت سيگنالهاي مزبور، از مدتها قبل حس شده بود. ابتدا در سالهاي دهه 50 ، بصورت استاندارد ، از سيگنالهاي بادي با فشار بين 3-15 psi براي اين منظور استفاده ميشد.
با گسترش الكترونيك و با توجه به مشكلات روش قبلي، در دهه هفتاد ميلادي، استفاده از سيگنالهاي جرياني 4 تا 20 ميليآمپر براي كار سيگنالينگ ، معرفي گرديدند. گرچه در اين سالها از سطوح ولتاژ و جريانهاي ديگري نيز، خارج از استاندارد فوق استفاده مي شد، اما رفته رفته، با توجه به مزاياي اين روش، ساير روشها كنار گذاشته شد. يكي از مهمترين مزاياي كاربرد حلقه جرياني 20- 4 ميليآمپر، مصونيت بالاي آن نسبت به نويز بود.
در دهه 90 سنسورهاي هوشمند (smart) پديد آمدند كه علاوه بر عملكرد يك ترانسميتر و يك ترانسديوسر، با بهرهگيري از تكنولوژي ميكروپروسسور، در خود عمليات ديگري همچون كاليبراسيون، عيبيابي، تبديل واحد اندازهگيري و نيز بعضي از عمليات كنترلي را ميتوانستند انجام دهند.
با توسعه شبكههاي كامپيوتري و مفاهيم آن، ايده استفاده از اين تكنولوژي در پروسه كنترل صنعتي بوجود آمد و فيلدباس (Field bus) به اين صورت، شكل گرفت.
فيلدباس يك پروتكل ارتباطي بين سنسورهاي هوشمند است كه توسط آن، سنسورها و ساير اجزاي كنترلي در فيلد، يك شبكه محلي LAN را تشكيل دادهاند. مشخصات اصلي فيلدباس بصورت زير بيان ميشود:
- جايگزين ديجيتالي روش سنتي انتقال اطلاعات حلقه جرياني 4 تا 20 ميليآمپر است.
- كنترل، آلارم ، منحنيهاي عملكردي (Trend) و ساير عمليات، توسط فيلدباس، بين اجزاي كنترلي ، توزيع ميشود.
- دستگاههاي ساخته شده توسط هر كمپاني، با رعايت استاندارد فيلدباس، قابليت كار با هم و در كنار هم را داشته باشند.
- Open system است، به اين معني كه بدون هيچگونه ليسانسي، كليه اطلاعات و جزييات آن برا همگان در دسترس است.
دستگاهها و سنسورهاي مورد استفاده در فيلدباس از نوع smart هستند. اما كليه سنسورهاي smart موجود ، قابل استفاده در فيلدباس نيستند. فيلدباس يك سيستم كامل است كه عمليات كنترل را بين دستگاههاي نصب شده در فيلد، توزيع ميكند و همزمان امكان تنظيمات و تغييرات و نظارت را در اتاق كنترل، توسط خطوط ارتباطي شبكهاي، فراهم ميسازد. فيلدباس بعبارت كوتاهتر، جايگزين روش سنتي 4 تا 20 ميليآمپر و كنترل DCS كه در آن پروسه كنترل، به عهده يك يا چند كنترلر بصورت متمركز قرار دارد، شده است.
در ادامه به معرفي دو استراتژي Field bus و DCS ميپردازيم.
فيلدباس يك پروتكل ارتباطي است كه بايد استاندارد گردد تا بصورت جهاني، مورد قبول و استفاده در آيد. فيلدباس همانگونه كه گفته شد يك سيستم ارتباطي ديجيتالي دو طرفه را جايگزين روش سنتي 4 تا 20 ميليآمپر ميكند. مزاياي استفاده از اين سيستم ارتباطي جديد را ميتوان بصورت زير درنظر گرفت:
- دقت و اقابليت اطمينان بيشتر اطلاعات رد و بدل شده
- امكان دسترسي متنوعتر به يك سنسور
- امكان عيبيابي و پيكربندي از راه دور
- كاهش حجم سيمكشي
- امكان استفاده از سيمكشي فعلي
قابليت اطمينان و دقت اين سيستم از آنجا ناشي ميشود كه سنسورها مجهز به ميكروپروسسور هستند و مثلا" در يك حلقه كنترلي، ميكروپروسسورهاي موجود در سنسور و شيرهاي كنترلي، مستقيما" با يكديگر اطلاعات را بصورت ديجيتالي رد و بدل ميكنند و نه به كمك مبدلهاي A/D و D/A كه خود منجر به بروز خطا ميشود. مزيت انتقال ديجيتالي در آن است كه نويزهاي موجود، به هيچ وجه نميتوانند كميت منتقله را دچار تغيير نمايند.
امكان دسترسي متنوع به يك سنسور هم به اين معني است كه مثلا" سنسور فشار كه وظيفه اصلي آن اندازهگيري فشار است، همزمان ميتواند دماي پروسه را هم اندازهگيري كرده و انتقال دهد.
تنظيمات و پيكربندي(Configuration) دستگاهها و همچنين كاليبره كردن آنها براحتي و از اتاق كنترل ميسر است.
كاهش حجم سيمكشي نيز با توجه به آنكه، همگي يا گروهي از سنسورها بر روي فقط يك كابل دو رشته نصب شدهاند و نيازي به سيمكشي مجزا براي هر سنسور تا اتاق كنترل نيست، مشهود ميباشد.
بسياري از پروتكلهاي فعلي سنسورهاي هوشمند (smart) غير فيلدباس، مختص فقط كمپاني سازنده خود است. استفاده از اين محصولات، باعث وابسته شدن مصرفكننده به يك شركت خاص است و اگر در طرح توسعه، نياز به سنسوري خاص باشد كه آن شركت نداشته باشد، مصرفكننده مجبور است به 4 تا 20 ميلي آمپر برگردد. اما يك سيستم باز (Open system) ، چيزي دقيقا" مخالف مورد بالاست.
در يك سيستم باز، آخرين استانداردها براحتي در دسترس همگان است و شركتهاي متعدد ميتوانند سنسورها و تجهيزات خود را مطابق آن ساخته و به دست مصرفكننده برسانند. مطابق اين استاندارد و وجود استاندار 4 تا 20 ميليآمپر باعث شده است كه سنسورها و تجهيزات مطابق اين استاندارد، بتوانند بدون هيچگونه مشكلي كار كنند. اين موضوع را انطباق و يا توانايي كار با هم گويند (Interoperability) . فيلدباس اين موضوع را نيز پشتيباني ميكند.
سيستمهاي فيلدباس براي ايجاد ارتباط بهتر بين وسايل سطح field و واحد كنترل، درصنعت بوجود آمدند. نگاهي به روش قديميتر انتقال اطلاعات، ما را با ضرورت استفاده از باس آشنا مي سازد. پس از كنترلرهاي پنيوماتيكي و همزمان با استفاده از كنترلرهاي الكتريكي، مقدار استاندارد جريان 4 تا 20 ميلي آمپر براي انتقال اطلاعات آنالوگ بصورت استاندارد پذيرفته شد. در اين كنترل كننده ها براي هر كدام از وسايل سطح فيلد، بايد يك جفت سيم از اتاق كنترل كشيده مي شد و ارتباط از طريق اين سيمها فقط در يك جهت انجام مي شد.
با پيشرفت تكنولوژي از شبكه هاي باس براي انتقال اطلاعات كنترل كننده هاي ديجيتالي جديد و ابزار دقيق هوشمند استفاده مي شد. به اين ترتيب نياز به استفاده از مبدلهاي D/A,A/D از بين مي رفت. در ضمن از آنجايي كه سيگنال ديجيتال بطوردائم بر روي خط نيست، امكان اتصال چند وسيله به اين خط انتقال دوطرفه ممكن مي شد. به اين ترتيب انتقال اطلاعات از طريق باس، با كاهش سيم كشي و وسايل جانبي همراه شده و جايگزين روش قديمي تر 4-20 مي شد.
باس هايي كه در سيستمهاي اتوماسيون صنعتي استفاده مي شوند ويژگيهاي ديگري را نيز بايد به همراه داشته باشند :
- داشتن يك پروتكل open براي اينكه كاربر بتواند از روي ابزار دقيق ساخته شده توسط سازندگان مختلف، در شبكه خود استفاده كند. (به اين صورت interoperability و interchangeability وجود خواهد داشت)
- امكان استفاده در محيط هاي خطرناك لازم مي دارد كه محيط انتقال اطلاعات هم در برابر انفجار، ايمن باشند. مثلاً براي سيستمهاي فيلدباس، مدل FISCO يك راه براي بيان شرايط ايمن انتقال اطلاعات است. در شبكه field ذاتآ ايمن ، جريان و ولتاژ به وسيله Safety barrier P.S ها محدود ميشود.
- در پروسه هاي پيچيده (وبخصوص) خطرناك امكان قطع شبكه و تعويض device هاي شبكه بدون shut down كردن پروسه وجود ندارد. براي همين هم بايد امكان plug & play بودن براي اين وسايل وجود داشته باشد.
- شبكه دو سيمه: براي كاهش هزينه ها ، كوتاه كردن سيم كشي و كم كردن تعداد safety barrier ها، بجاي شبكه 4 سيم از شبكه 2 سيم استفاده مي شود و توان لازم هم از طريق خط سيگنال منتقل مي شود.
- Baud rate انتقال داده بايد به اندازه اي باشد كه تضمين كند سيكل زماني شبكه، از كمترين زمان لازم براي تغييرات اطلاعات كمتر باشد.
- امكان استفاده از توپولوژيهاي مختلف براي باس مثلاً line , tree و… امكانپذير باشد.
- علاوه بر موارد بالا، شبكه ها بايد قابل انعطاف بوده و از نظر اقتصادي نيز به صرفه باشند. به اين منظور تعداد ابزار دقيق هوشمند استفاده شده، بايد حداقل شود. شبكه انتقال اطلاعات بايد سطوح مختلفي داشته باشد و امكان انتقال اطلاعات براي عمليات سريع و بلادرنگ نيز بايد وجود داشته باشد.
هزينه سيستمهاي فيلدباس با توجه به كاهش هزينه هاي كابل كشي، برنامه نويسي و نصب تا حدود 40 درصد كمتر از سيستمهاي قديمي تر 4 تا 20 ميلي آمپر است. قابليت انعطاف اين سيستمها بالا و خطا در آنها كمتر است. كامپيوتر هاو PLC ها به راحتي مي توانند در اين شبكه ها قرار بگيرند و سيستمهاي نظارتي بسيار پيشرفته در آنها استفاده مي شود. همچنين به علت خاصيت interoperability تضمين شده در سيستمهاي فيلدباس، انتخاب Device ها كاملآ آزاد و مستقل از يك سازندة خاص است.
در سيستمهاي فيلدباس، كنترل به صورت توزيع شده واقعي انجام مي پذيرد. به اين معني كه عمليات كنترلي به صورت توابعي تعريف شده، بين Device هاي تشكيل دهندة يك حلقه كنترلي تقسيم مي شوند و از كنترل متمركز موجود در سيستمهاي DCS تا حدودي بي نياز ميگرديم. يعني كه Device ها (ترانسيمترها و عملگرها) در فيلدباس هموشمند هستند. بنابراين ميتوان دريك شبكه فيلدباس،آنها را جزئي از شبكه دانست. در واقع دامنه ديد در كنترل با فيلد باس، تا لايه فيلد، وسيع مي گردد.
به عنوان آخرين و شايد مهمترين ويژگي سيستمهاي فيلدباس ، متذكر مي شويم كه دسترسي به اطلاعات ،چه از نوع مهندسي و چه از نوع مديريتي در اين شبكه ها بسيار آسان است.با توجه به هوشمند بودن وسايل و توانايي آنها در تهيه و ارسال اطلاعات كاملي از شرايط و نحوه كاركردخود ، همه گونه اطلاعات مهندسي براي مرتفع كردن مسايل نگهداري ، تعميرات ، ايمني ،شرايط خاص و ... در دسترس است. همچنين اطلاعات مديريتي ، از قبيل مديريت نگهداري ، كيفيت ، بازرگاني و ... با توجه به قابليت موجود در سيستمهاي فيلد باس به طور قابل توجهي افزايش يافته اســت .
امروزه بيش از 100 نوع سيستم فيلدباس مختلف ارائه شده است كه تعداد كمي از آنها همه نيازهاي موجود در صنعت را به عنوان يك سيستم Field Network برآورده مي سازند.از ميان آنها دو سيستم فيلدباس مهم با يكديگر رقابت مي كنند؛ PROFIBUS كه در اروپا به وجود آمد و FOUNDATION Field bus كه در آسيا و آمريكا مورد استفاده قرار مي گيرد .
اهميت ارايه يك استاندارد جهاني براي فيلدباس، سازمانهايي مانند
- ISA (Instrument Society of America)
- IEC (International Electromecanical Commission
- Profibus (German National Standard)
- FIP (French national standard)
را بر آن داشت تا كميته فيلد باس SP50 (IEC/ISA) را تشكيل دهند.
در سال 1992 ، دو گروه كه شامل شركتهاي بزرگ جهاني بودند، هر كدام فيلدباس مربوط به خود را به بازار ارايه دادند. ضمن آنكه اعلام كردند كه به مجرد فرموله شدن استاندارد كميته SP50 ، محصولات خود را مطابق آن تغيير خواهند داد. اسامي اين دو گروه در زير آورده شده است :
- Interoperable System Project(ISP)
- World Factory Instrumentation Protocol(WorldFIP)
در سال 1994 ، دو گروه فوق نيز با هم متمركز شده و Foundation Fieldbus را در راستاي تسريع پروسه استانداردسازي فيلدباس، تاسيس كردند.
امروزه بيش از 100 نوع سيستم فيلد باس مختلف ارائه شده است كه تعداد كمي از آنها، همه نيازهاي موجود در صنعت را به عنوان يك سيستم Field Network برآورده مي سازند. از ميان آنها دو سيستم فيلدباس مهم با يكديگر رقابت مي كنند. Profibus كه در اروپا به وجود آمد و FOUNDATION Field bus كه در آسيا و آمريكا مورد استفاده قرار مي گيرد.
ساير سيستمهاي فيلدباس مطرح عبارتند از:
- INTERBUS – S
- DeviceNet
- ARCNET
- AS-I
- Seriplex
- LonWorks
- SDS
- ControlNet
- CANopen
- Ethernet
- Modbus Plus
- Modbus RTU/ASCII
- Data Highway Plus(DH+)
سيستم كنترل توزيع يافته (DCS)
با معرفي ميكروپروسسورها ، و ميكروكامپيوترها به بازار ، كارهايي كه در يك پروسه بر عهده يك كامپيوتر بود بين ميكروپروسسورها و ميكروكامپيوترها تقسيم شد و باعث به وجود آمدن نسلي از روش كنترل به نام DCS شد. DCS مخفف Distributed Controller System است و هدف از آن، انجام عمليات كنترلي به صورت غيرمتمركز است.
برخلاف ظاهر سيستم DCS ، كليه كنترلرها به اتاق كنترل آورده شده اند و به نظر مي رسد كه كنترل به صورت متمركز انجام مي شود. اين در حالي است كه در سيستم هاي نيوماتيك كنترلرها اكثرا به صورت محلي وجود دارند كه در سايت نصب ميشوند؛ درحاليكه در DCS ، ديگر كنترلري در محل سايت نداريم. آنچه اساسا در سيستم DCS رخ مي دهد ؛ تقسيم عمليات كنترلي بين چندين كنترل كننده است كه در اتاق كنترل قرار گرفته اند ؛ به دليل همين تقسيم است كه سيستم Distributed نام گذاري شده است. در اين سيستم، حلقه هاي ساده اي متشكل از Field و كنترلر وجود دارد كه اين كنترلرها (ميكروپروسسورها) در يك لايه بالاتر در سطح supervisor به هم متصل هستند.
براي DCS مي توان چهارسطح كاري در نظر گرفت:
1- Field: در اين سطح ما با سنسورها و عملكردها سرو كار داريم.
2- Marshal cabinet: ترمينالهايي كه wiring را مرتب مي كنند در اين ترمينالها ايزولاتور ، signal conditioner barriers و… موجود است.
3- Process station: شامل كابينت هايي است كه داخلشان كارت I/O و كنترلرها قرار دارند.
4- Operator station: جايي كه اپراتور مي نشيند و plant را نظارت مينمايد.
در اين جا I/O Bus به صورت سريال استو كنترلرهاي مختلف از طريق data highway به هم متصل ميشوندو معمولا" از پروتكل RS485يا RS232استفاده مي كنند. در سيستم DCS معمولا" كنترلرها به صورت Full redundant هستند( CPU و باتريها)، به اين صورت كه دو تا كنترلر در مدار وجود دارد يكي slave و ديگري master.
سيستم slaveدائما" سالم بودن master را چك مي كند و چنانچه به هر علتي، درست عمل نكند ، خود slave جاي سيستم Master را ميگيرد. كارت هاي I/O هم قابليت redundancy دارند ولي آنچه در مورد كارتهاي I/O بايد دقت شود آن است كه كارت هايي كه redundant يكديگر هستند در يك rack قرار نگيرند ؛ كه اگر احتمالا" back plane (بورد الكترونيكي كه PLC و كارتهاي I/O بر روي آن نصب ميگردند) دچار مشكل شد، بتوان از كارت redundant استفاده نماييم . نكته بسيار مهم در مورد DCS قابليت ذخيره سازي اطلاعات است.
در سيستم هاي قديمي چنانچه از اطلاعات بدست آمده استفاده نكنيم ؛ اطلاعات ازبين مي رود، در حاليكه در سيستم DCS ، قابليت ذخيره سازي اطلاعات وجود دارد. مشكل عمده در سيستم هاي DCS ، Vendor dependent بودن اين سيستم است يعني اگر كنترلري را از يك شركت خريداري كنيم ؛ قطعات يدكي را هم بايد از همان شركت بخريم .
از دیرباز آرزوی بشر دستیابی به منبعی از انرژی بوده که علاوه بر آنکه بتواند مدت مدیدی از آن استفاده کند تولید پسماندهای خطرناک نیز در پی نداشته باشد.اکنون در هزاره سوم میلادی این آرزوی به ظاهر دست نیافتنی کم کم به واقعیت می پیوندد.اکنون بشر خود را آماده می کند تا با ساخت اولین رآکتور گرما هسته ای (همجوشی هسته ای)آرزوی نیاکان خود را تحقق بخشد.سوختی پاک و ارزان به نام هیدروژن,انرژی تولیدی سرشار و پسماندی بسیار پاک به نام هلیوم.
اکنون می پردازیم به واکنشهای گرما هسته ای راهکارهای استفاده از آن.
خورشید و ستارگان:
سالهاست که دانشمندان واکنشی را که در خورشید و ستارگان رخ داده و در آن انرژی تولید می کند کشف کرده اند. این واکنش عبارت است از ترکیب (برخورد) هسته های چهار اتم هیدروژن معمولی و تولید یک هسته اتم هلیوم.اما مشکلی سر راه این نظریه است.
بالا ترین دمایی که در خورشید وجود دارد مربوط به مرکز آن است که برابر 15ضرب در 10 به توان6 می باشد. در حالی که در ستارگان بزرگتر این دما به 20 ضرب در ده به توان 6 می رسد.به همین خاطر تصور بر این است که آن واکنش معروف ترکیب چهار اتم هیدروژن معمولی وتولید یک اتم هلیم در سایر ستارگان بزرگ نیست که باعث تولید انرژی می شود.بلکه احتمالا چرخه کربن در آنها به کمک آمده و کوره آنها را روشن نگه می دارد.منظور از چرخه کربن آن چرخه ای نیست که روی زمین اتفاق می افتد.بلکه به این صورت است که ابتدا یک اتم هیدروژن معمولی با یک اتم کربنC12ترکیب می شود(همجوشی) و یک اتم نیتروژن 13 به همراه یک واحد پرتو گاما را آزاد می کند. بعد این اتم با یک واپاشی به یک اتم کربن 13 به علاوه یک پوزیترون ویک نوترینو تبدیل می شود.بعد اینC13دوباره با یک اتم هیدروژن ترکیب می شود وN14و یک واحد گاما حاصل می شود.دوباره در اثر ترکیب این نیتروژن با یک هیدروژن معمولی اتمO15و یک واحد گاما تولید می شود و اکسیژن15واپاشی کرده و N15به علاوه یک پوزیترون ویک نوترینو را بوجود می آورد.و دست آخر با ترکیب N15با یک هیدروژن معمولیC12به علاوه یک اتم هلیوم بدست می آید.
دیدید که در این چرخه C12نه مصرف شد و نه به وجود آمد بلکه فقط نقش کاتالیزگر را داشت.این واکنشها به ترتیب و پشت سر هم انجام می شوند. و واکنش اصلی همان تبدیل چهار اتم هیدروژن به یک اتم هلیوم است. مزیت چرخه کربن این است که سرعت کار را خیلی بالا می برد. ولی اشکالی که دارد این است که در دمای حد اقل20 ضرب در ده به توان6 شروع می شود.بنا بر این احتمال زیادی می رود که در ستاره های بزرگتر چرخه کربن باعث تولید انرژی می شود.
محصور سازی
یک تعریف ساده و پایه ای از همجوشی عبارت است از فرو رفتن هسته های چند اتم سبکتر و تشکیل یک هسته سنگینتر. مثلا واکنش کلی همجوشی که در خورشید رخ می دهد عبارت است از برخورد هسته های چهاراتم هیدروژن وتبدیل آنها به یک اتم هلیوم .
تا اینجا ساده به نظر میرسد ولی مشکلی اساسی سر راه است;می دانید هسته از ذرات ریزی تشکیل شده است که پروتون و نوترون جزءلاینفک آن هستند.نوترون بدون بار وپروتون با بار مثبت که سایربارهای مثبت رابه شدت ازخود می راند. مشکل مشخص شد؟ بله…اگر پروتون ها(هسته های هیدروژن)یکدیگررادفع می کنندچگونه می توان آنهارادرهمجوشی شرکت داد؟
همانطورکه حدس زدید راه حل اساسی آن است که به این پروتون ها آن قدر انرژی بدهیم که انرژی جنبشی آنهابیشتراز نیروی دافعه کولنی آنهاشود و پروتون ها بتوانند به اندازه کافی به هم نزدیک شوند.حال چگونه این انرژی جنبشی را تولید کنیم؟گرما راه حل خوبیست.در اثر افزایش دما جنب و جوش وبه عبارت دیگرانرژی جنبشی ذرات بیشتر و بیشتر می شود به طوری که تعداد برخوردها و شدت آنها بیشتر و بیشتر می شود.به نظر شما آیا دیگر مشکلی وجود ندارد؟ خیر,مسئله اساسیتری سر راه است.
یک سماور پر از آب را تصور کنید.وقتی سماور را روشن می کنید با این کار به آب درون سماور گرما می دهید(انرژی منتقل می کنید).در اثر این انتقال انرژی دمای آب رفته رفته بالاتر می رود و به عبارتی جنب و جوش مولکول های آب زیاد می شود.در این حالت بین مولکولهای آب برخوردهایی پدید می آید.هر مولکول که از شعله(یا المنت یا هر چیز دیگری)مقداری انرژی دریافت کرده است آنقدر جنب و جوش می کند تا بالاخره (به علت محدود بودن محیط سماور و آب)انرژی خود رابه دیگری بدهد.مولکول بعدی نیز به نوبه خود همین عمل را انجام میدهد. بدین ترتیب رفته رفته انرژی منبع گرما در تمام آب پخش می شود و دمای آب بالا می رود. خوب یک سوال: آیا وقتی بدنه سماور را لمس می کنیم هیچ گرمایی حس نمی کنیم؟…بله حس می کنیم.دلیلش هم که روشن است.برخورد مولکول های پر انرژی آب با بدنه سماور و انتقال انرژی خود به آن.هدف ما از روشن کردن سماور گرم کردن آب بود نه سماور. امیدوارم تا اینجا پاسخ اولین مشکل اساسی بر سر راه همجوشی را دریافت کرده باشید.بله اگر اگر با صرف هزینه و زحمت بالا سوخت را به دمایی معادل میلیون ها درجه کلوین برسانیم آیا این اتم ها آنقدر صبر خواهند کرد تا با دیگر اتمها وارد واکنش شوند یا در اولین فرصت انرژی بالای خود را به دیواره داده وآن را نابود می کند؟(...شما بودید چه می کردید؟؟؟...). بنابر این نیاز به محصور سازی داریم;یعنی باید به طریقی اجازه ندهیم که این گرما به دیواره منتقل شود.
رسیدن به دمای بالا:
شروع واکنش همجوشی به دمای بسیار بالایی نیازمند است.درست است که دمای پانزده میلیون درجه دمای بسیار بالایست و تصور بوجود آوردنش روی زمین مشکل و کمی هم وحشتناک می باشد ولی معمولا در زندگی روزمره دور و برمان دماهای خیلی بالایی وجود دارند و ما از آنها غافلیم.مثلا وقتی در اثر اتصالی سیمهای برق داخل جعبه تقسیم می سوزد وشما صدای جرقه آنرا می شنوید و پس از بررسی متوجه می شوید که کاملا ذوب شده فقط به خاطر دمای وحشتناکی بوده که آن تو به وجود آمده. شاید باور نکنید ولی این دما به حدود سی-چهل هزار درجه کلوین می رسد. البته این دما برای همجوشی حکم طفل نی سواری را دارد. یا اینکه می توانیم با استفاده از ولتاژهای بسیار بالا قوسهای الکتریکی را از درون لوله های موئین عبور بدهیم.به این ترتیب دمای هوای داخل لوله که اکنون به پلاسما تبدیل شده به نزدیک چند میلیون درجه می رسد.(که باز هم برای همجوشی کم است).یکی از بهترین راهها استفاده از لیزر است. می دانید که لیزرهایی با توانهای بسیار بالا ساخته شده اند.مثلا نوعی از (لیزر)) به نام لیزر نوا(NOVA)می تواند در مدت کوتاهی انرژی ای معادل ده به توان پنج ژول تولید کند. اما بازهم در کنار هر مزیت معایبی هست.مثلا این لیزر تبعا انرژی زیادی مصرف می کند که حتی با صرف نظر از آن مشکل دیگری هست که می گوید اگر انرژی تولیدی لیزر در آن مدت کوتاه باید تحویل داده بشود پس برای برقرار ماندن معیار لاوسن (حالا که مدت زمان محصور سازی پایین آمده)باید چگالی بالاتر برود.که در این مورد از تراکم و چگالی جامد هم بالاتر می رود.
انواع واکنشها:
برای بهینه سازی کار رآکتورهای همجوشی و افزایش توان خروجی آنها راههای متعددی وجود دارد.یکی از این راهها انتخاب نوع واکنشی است که قرار است در رآکتور انجام بشود.
واکنش زیر نوعی از واکنش همجوشی بصورتی است که در آن دو هسته سبک با یکدیگر واکنش داده و یک هسته سنگین تر را بوجود میاورند. یعنی حاصل ترکیب دو هسته دوتریم و تولید یک هسته ترتیم به علاوه یک هسته هیدروژن معمولی است.این واکنش انرژی ده می باشد.چون تفاوت انرژی بستگی هسته سنگین تر وهسته های سبکتر مقداری منفیست.
در این واکنش مقدار انرژی ای تولیدی برابرMeV4می باشد.
قبلا گفته شد که باید برای انجام همجوشی هسته ها به اندازه کافی به هم نزدیک بشوند. این مقدار کافی حدودا معادل 3fm می باشد. چون در این فاصله ها انرژی پتانسیل الکتروستاتیکی دو دوترون در حدود MeV0.5 هست پس می توانیم با این مقدار انرژی دادن به یکی از دوترونها دافعه کولنی بین دوترونها ر شکسته و واکنش را شروع کنیم که بعد از انجام مقدارMeV4.5تولید می شود.( MeV0.5 انرژی جنبشی به علاوه 4MeVانرژی آزاد شده(
همانطور که می بینید بهترین گزینه واکنش سوم می باشد
می توانیم رآکتور خود را طوری طراحی کنیم که دور دیواره بیرونی آن لیتیم مایع تحت فشار جریان داشته باشد.این لیتیم مایع گرمای تولیدی اضافی را از واکنش گرفته و به آب منتقل می کند و با تبدیل آن به بخار باعث می شود که توربین و ژنراتور به حرکت درآیند و برق تولید بشود.
اما چرا لیتیم؟
قبلا دیدید که مقرون به صرفه ترین واکنش در راکتور همجوشی واکنش دوتریم . ترتیم است.در این واکنش دیدید که یک نوترون پر انرژی تولید می شد.این مساله یعنی نوترون زایی می تواند سبب تضعیف بخشهایی از رآکتور شود.از طرفی برای محیط زیست و مخصوصا سلامتی کسانی که در اطراف رآکتور فعالیت می کنند بسیار مضر است.اما اگر لیتیم را به عنوان خنک کننده داشته باشیم این جریان لیتیم همچنین نقش مهم کند کنندگی را بازی خواهد کرد.به این صورت که با نوترون اضافی تولید شده در واکنش ترکیب شده و سوخت گران قیمت و بسیار کمیاب رآکتور رو که همان ترتیم است تولید می کند.واکنش دقیق آن به شکل زیر است.البته در این مورد باید ضخامت لیتیم مایع در جریان حداقل یک متر باشد.
در اين نوع نيروگاه ها که عموما داراي ظرفيت توليد برق بالايي ميباشند، از سوخت مازوت و يا گاز طبيعي براي توليد بخار توسط بويلر جهت به حرکت درآوردن پره هاي توربين و روتور ژنراتور استفاده شده و در نهايت موجب توليد برق ميگردد. در اين نيروگاه ها از سيستم خنک کننده خشک و تر جهت خنک کردن آب حاصل از چگالش بخار خروجي از توربين بخار استفاده ميگردد. اين نيروگاه ها معمولا به يکي از دو منظور ذيل مورد استفاده قرار مي گيرند:
1. نيروگاه هاي بخاري جهت توليد برق
2. نيروگاه هاي بخاري جهت مصارف صنعتي
درشبکه سراسري برق ايران حدود 65 % از برق توليدي توسط نيروگاه هاي بخارتأمين ميشود.
بزرگترين نيروگاه بخاري ايران نيروگا رامين اهواز است.
نيروگاه هاي بخار به منظور تامين انرژي الکتريکي به سه نوع تبديل انرژي نياز دارند:
1. انرژي شيميايي موجود در سوخت هاي فسيلي به انرژي حرارتي تبديل مي شود و توسط حرارت توليد شده آب مايع به بخار تبديل مي شود. اين کار در ديگ بخار انجام مي شود.
2. تبديل انرژي حرارتي بخار به انرژي مکانيکي، اين کار توسط توربين انجام مي شود.
3. تبديل انرژي مکانيکي به انرژي الکتريکي، اين کار توسط ژنراتور انجام مي شود.
مطابق شکل ديگ بخار با استفاده از حرارت منبع حرارتي، بخار مورد نياز تآمين مي شود. اين بخار با فشار و دماي بالا وارد توربين شده و توربين را به حرکت در مي آورد؛ بخار خروجي از توربين بايد به نحوي وارد سيکل نيروگاه شود که از آنجايي که امکان پمپ نمودن بخار وجود ندارد، بخار خروجي توربين ابتدا در سيستم خنک کننده تبديل به مايع شود و توسط پمپ آب مجدداًوارد سيکل نيروگاه شود.
اين نوع نيروگاهها ( توربين ها ) از نظر فشار بخار توليدي در بويلر و بخار مصرفي در توربين بدو دسته عمده تقسيم مي گردند .
در توربين هاي از نوع فشار ثابت (constant pressure) بويلر و توربين هيچ نوع انعطافي از خودنشان نمي دهند و لذا از اين نوع توربين ها ( نيروگاهها ) در جهت توليد بار پايه استفاده مي گردد.
در توربين هاي از نوع فشار متغير (sliding pressure ) مي توان بر روي بويلر و توربين ، تغييرات فشار را اعمال نمود . اين نوع مولدها معمولا جهت توليد بار مياني هفته بکار مي روند .
قدرت قابل دسترسي اين نوع مولدها از چند مگا وات تا يک هزار مگاوات متغير است . هزينه سرمايه گذاري براي هر کيلو وات قدرت نصب شده متناسب با حجم تجهيزات کمکي و قدرت واحد و نوع آن از پانصد تا يک هزار دلار متغير است و مدت زمان اجراي آن معمولاٌ پنج سال طول مي کشد .
از آنجائي که در اين نوع نيروگاهها هزينه قدرت نصب شده به ازاي هر کيلو وات با افزايش قدرت واحد ، کاهش مي يابد ِ، از اين رو سير افزايش قدرت قابل ساخت و نصب اين نوع واحدها از سرعت بيشتري برخوردار است . لازم به توضيح است که راندمان اين نوع نيروگاهها تا 40 درصد هم مي رسد .
روش توليد برق در اين نوع نيروگاهها به اين ترتيب است که سوخت فسيلي ( ذغال سنگ ،گاز، گازوئيل، مازوت ) بوسيله مشعل هاي خاصي ، به محفظه اي بنام کوره ، پاشيده مي گردد و با اشتعال آن در مجاورت هوا که بوسيله فن هاي بزرگي تامين مي شود ، حرارت قابل توجهي در اين محفظه توليد مي گردد. حرارت حاصله، آب ( گرمي ) راکه با پمپ از داخل لوله هاي تعبيه شده در آن عبور مي کند پس از طي مراحلي به بخاري با درجه حرارت بالا و فشار زياد که در اصطلاح به آن بخار خشک مي گويند ، تبديل مي نمايد. بخار خشک حاصله پس از خروج از کوره وارد توربين مي شود.
بخار وارده به توربين آن را به حرکت در مي آورد و ژنراتور را که با توربين هم محور و کوپله است به همراه آن به گردش در مي آيد و جريان برق توليد مي شود . بخار ورودي به توربين با از دست دادن بخش عمده اي از حرارت و فشار خود وارد محوطه اي بنام کندانسور مي شود .در کندانسور اين بخار به لحاظ تماس با سطح سرد ، تقطير مي شود و به آب تبديل مي گردد .آب تقطير شده مجدداً از هيتر هاي متعددي عبور داده شده و گرم مي شود و در نهايت توسط پمپ مجدداً به درون کوره هدايت مي شود و سيکل خود را دوباره طي مي کند .
آب خنک کن ( آبي که جهت ايجاد سطوح سرد در کنداسور بکار مي رود ) که خود ضمن سرد کن بخار خروجي از توربين ، گرم شده است به برج خنک کن هدايت مي شود و پس از خنک شدن دوباره به مدار خود باز مي گردد.
راندمان نيروگاههاي بخاري در حدود 40 درصد است . تقريبا 10 درصد انرژي در اگزوز و 50 درصد نيز از طريق کندانسور تلف مي شود .
سيستم آتش نشاني
آب: کليه قسمتهاي نيروگاه (ساختمان شيمي ، ماشين خانه ، بويلر ، کارگاه ، انبار و ...) و محوطه مجهز به سيستم آب آتش نشاني ميباشند.
فوم: کليه قسمتهاي سوخت رساني اعم از مخازن سوخت سبک و سنگين و ايستگاه تخليه سوخت ، بويلر ديزل اضطراري و بويلر کمکي مجهز به سيستم فوم ميباشند.
گاز CO2: کليه سيستمهاي الکتريکي از قبيل ساختمان الکتريکي و... توسط گاز CO2 حفاظت ميگردد.
درنیروگاه های بخارعامل انتقال : بخارمایع می باشد.
نیروگاه گازی دارای توربین گازی است ،یعنی باسیکل رایتون کارمی کند.ساختمان آن درمجموع ساده است :
1. کمپرسور: وظیفه فشردن کردن هوا .
2. اتاق احتراق : وظیفه سوزاندن سوخت درمحفظه .
3. توربین : وظیفه گرداندن ژنراتور .
کمپرسور به کاررفته درنیروگاه های گازی شبیه توربین است ، دارای رتوری است که برروی این رتور پره متحرک است ، هوا به حرکت درآمده وبه پره های ساکنی برخوردکرده ، درنتیجه جهت حرکت هوا عوض شده واین هوا بازبه پره های متحرک برخورد کرده واین سیکل ادامه دارد ودرهرعمل هوا فشرده ترمی شود.
کمپرسور مصرف کننده عظیم انرژی است .
هوای فشرده گرم است .
هوای فشرده کمپرسور وارد اتاق احتراق که دارای سوخت گازوئیل است می شود .
چون هوای فشرده شده گرم است ودراتاق احتراق سوخت آتش گرفته وهوافشرده وداغ می شود .
هوای داغ فشرده کارهمان بخارداغ فشرده توربین های بخار راانجام می دهد .
هوای داغ فشرده رابه توربین می دهیم ؛ توربین دارای پره های متحرک وساکن است .
پره های ثابت چسبیده به استاتور می باشد ؛ پره های متحرک چسبیده به رتور می باشد.
حال ژنراتور رامی توان به محور وصل کرده واز ترمینال های ژنراتور می توان برق گرفت ؛ طول نیروگاه ممکن است به m 20 است . ژنراتور را می توان به محل B ویا A متصل نمود ؛ اما محل A بهتراست .
قدرت نیروگاه های گازی از 1 M w وتا بالای 100Mw نیز ساخته می شود .
نحوه راه اندازی واستارت نیروگاه چگونه است ؟
درابتدا نیاز به یک عامل خارجی است تا توربین رابه سرعت 3000 دوربرساند.
حسن نیروگاه :
1. سادگی آن است –تمام آن روی یک شافت سواراست .
2. ارزان است – چون تجهیزات آن کم است . یکی از عواملی که برروی راندمان تأثیرمی گذارداین است که هوای ورودی چه دمایی دارد.
3. سریع النصب است .
4. کوچک است . درسکوهای نفتی که نیاز به برق زیادی می باشد بایدازنیروگاه گازی استفاده کرد، تاجای کمتری بگیرد.
5. احتیاج به آب ندارد. ( درسیکل اصلی نیروگاه نیاز به آب نیست ) اما درتجهیزات جنبی نیازبه آب است برای خنک کردن هیدروژن به کاررفته جهت سردکردن ژنراتور درسرعت های بالا .
6. راه اندازی این نیروگاه سریع است .
7. پرسنل کم .
زمانی نیروگاه گازی خاموش است که دراتاق احتراق سوخت نباشد .
یک نیروگاه بخار رابعد از راه اندازی نباید خاموش کرد .
اما نیروگاه گازی بدین صورت است که صبح می توان روشن کردوآخرشب خاموش نمود .
نیروگاه گازی بسیارمناسب برای بارپیک است ونیروگاه بخاربرای بارپیک نامناسب است .
معایب :
1. آلودگی محیط زیست زیاد است .
2. عمرآن کم است .( فرسودن توربین وکمرسور)
سوخت مازوت به علت آلودگی بیشتری که نسبت به سوخت گازوئیل دارد، کمتربه کارمی رود .
3. استهلاک زیاداست . ( پره توربین ، پره کمپرسور )
4. راندمان کم است . ( مصرف سوخت آن زیاد است ) ؛ این نقیصه ای است که کشورهای اروپایی باآن مواجهند .
دلایل راندمان پایین :
الف ) خروج دود بادمای زیاد
ب ) حدود 3/1 توان توربین صرف کمپرسور می شود . بنابراین درنیروگاه گازی برای استفاده درازمدت اصلا جایزنیست چراکه هزینه مصرف سوخت گران است .
5. امکان استفاده ازسوخت جامد فراهم نیست . ( مانند زغال سنگ ) چراکه بلافاصله پره های رتورپرازدود می شود .
نیروگاه های گازی رااگربخواهیم برای مدت طولانی استفاده کنیم ، هزینه نیروگاه گازی بالا ست .
نیروگاه گازی راازجایی استفاده کنند که امکان بهره برداری زمان بهره برداری زیر2000 ساعت باشد .
اگرزمان بهره برداری بالای 2000 ساعت باشد (رسال) نیروگاه بخار اگرزمان بهره برداری درسال بالای 5000ساعت باشد ، نیروگاه آبی استفاده می شود.
درکشورما برق عمده مصرفی برق خانگی است ( 60% ) وحدود 30 % برق صنعتی است . درنتیجه 50 % نیروگاه های کشورباید هرشب روشن شود ؛ بنابراین قسمت عمده برق تولیدی ماباید ازنوع نیروگاه گازی باشد.
نیروگاه گازی رابه دلیل ارزانی درکارخانجات نیز می توان به کاربرد .نیروگاه گازی را درنیروگاه اتمی نیزاستفاده می شود جهت سردکردن رآکتور به کارمی رود که درنتیجه هواداغ وفشرده می شود ودرنتیجه به نیروگاه گازی داده وبرق مصرفی نیروگاه اتمی راتأمین می کنند .
درنیروگاه های گازی جهت افزایش راندمان روش هایی رااتخاذ می کنند.
1- دود خروجی هوای ورودی به اتاق را گرم می کند .( سیکل پیچیده ترشده اما راندمان بالا می رود. )
حالت اول : دودباهواب ورودی کمپرسورکناریکدیگرقرارداده دراین صورت راندمان تجهیزات به شدت افت می کند.
حالت دوم : باروش ذیل راندمان 1 الی 2 درصدقابل افزایش است ؛ ( هوای ورودی به اتاق احتراق گرم می شود )
2 – استفاده از توربین های دو مرحله ای :
زیاد شدن راندمان مستلزم مخارج وصرف هزینه نیز می باشد .
2. استفاده از کمپرسور دومرحله ای هر چه دمای ورودی کمپرسور پایین ترباشد ؛ راندمان بیشتراست .
بااین روش دمای ورودی کمپرسور به طورمصنوعی پایین نگه داشته می شود درمرحله L p به دلیل بالارفتن فشارهواگرم می شود که ازکولراستفاده می کنند ؛ آب سرد برروی لوله فشارهوا ریخته وهواخنک کرده آب گرم می شود وخارج می شود .
بالاترین راندمان چیزیث درحدود 35% است که نیروگاه دارای کمپرسور دومرحله ای توربین دومرحله ای وپیش گرم کن می باشد.
نیروگاه گازی به این معنا نیست که سوخت ان گازاست ، بلکه توربین آن گازی است وسوخت آن مایع است یا گازوئیل است که اکثرا گازوئیل است .
درکشورما به دلیل زیادبودن سوخت گازوئیل ، نیروگاه گازی باسوخت گازوئیل نیروگاه گازی باسوخت گازوئیل به کار میرودومرسوم است اما درکشورهای اروپایی به دلیل زیادبودن سوخت جامد ، نیروگاه گازی به نحو دیگری طراحی شده که باسوخت جامد کارمی کند ، به این نیروگاه ها ، نیروگاه گازی سیکل بسته می گویند.
هوای داغ ناشی ازاحتراق راداخل گرم کن می چرخانیم وبعد هوارابیرون می فرستیم .
ملاحظه می شودکه هوای داغ ناشی از احتراق داخل توربین می شود .لذامی توان ازسوخت جامد استفاده کردکه این نوع ساده ترین نوع نیروگاه گازی سیکل بسته می باشد.
می توان سیکل فوق راکامل ترکرد. اگرهوای ورودی به کمپرسورتصفیه شده باشد ، پره های توربین دارای عمرزیادی خحواهدبود. مشکل ایجاد این است که هوای خارج شده ازتوربین به دلیل تصفیه بودن بایداستفاده شود ، پس هواس خروجی ازتوربین رااستفاده می کنیم ، اما این هوا داغ است وگاز وارد کمپرسور شود راندمان افت می کند ؛ لذااز کولراستفاده می کنیم وهواراسرد می کنند .
در نیروگاه گازی هرچه هوای ورودی به کمپرسور سردتر باشد، راندمان افزایش م یابد. لذا نیروگاه های گازی درزمستان راندمان بهتری دارند.
محاسن نیروگاه های گازی سیکل بسته :
1. امکان استفاده ازسوخت جامد فراهم می شود.
2. عمرزیاد ( خوردگی پره ها کم است )
3. چون سیکل بسته است ، لذاضرورت نداردکه فشارهوای خروجی توربین 1 Atm باشد، پس می توان سطح کارفشار هوارابالا برد، به جای 1 Atm از 10 Atm که چون هوای فشرده ترشده ، جای کمتری گرفته وحجم کمپرسور وتوربین درنهایت کوچک ترمی شود.
معایب :
1. راندمان درمقایسه باسیکل بازکمتر است . 4 الی 5 درصد راندمان کاهش می یابد.
2. هزینه زیاداست .
درسوخت مایع نیروگاه های گازی سیکل بسته ، اجازه داریم توربین رادوقسمتی بسازیم .
کمپرسورهواراگرفته وداخل اتاق احتراق می سوزاند ، هوای خروجی آن راوارد گرم کن می کنیم که خود گرم کن یک سیکل بسته راتشکیل می دهد.
توربین کمکی قدرت لازم ازژنراتور کوچک درقسمت توربین کمکی به کاربرد .
درنیروگاه گازی سیکل بازدارای معایب زیراست :
قدرت کمپرسور خیلی ازانرژی توربین رامی گیرد وهمچنین دود خروجی داغ است 3 00 C درنتیجه سوخت ایجاد شده به هدرمی رود ؛ لذا راندمان کاهش می یابد.
استفاده از نیروگاه سیکل ترکیبی ( نیروگاه گازی درکنار نیروگاه بخار(
هوای گرم خروجی ازتوربین رابال اضافه کردن اکسیژن به آن به طرف بویل نیروگاه بخار برده می شود .
راندمان این قبیل نیروگاه ها50 % می باشد.