شرکت Cummins Generator Technologies طیف وسیعی از ژنراتورهای AC را برای کاربردهای متنوع ارائه می‌دهد؛ از تأمین برق دائم گرفته تا مصارف دریایی، صنایع نفت و گاز و دیگر موارد.

استاتور ژنراتورهای AC این شرکت با یکی از دو نوع پیچش سیم‌پیچی ساخته می‌شود:

• پیچش 2/3

• پیچش 5/6

نوع پیچش سیم‌پیچی تأثیر مستقیمی بر موارد زیر دارد:

• شکل موج ولتاژ خروجی (میزان هارمونیک‌ها)

• سطح ولتاژ مؤلفه‌ی اصلی (فرکانس پایه)

• جریان‌های سیرکوله در حالت کار موازی

• روش اتصال نول (زمین کردن نقطه ستاره)

اتصال موازی ژنراتورهایی با پیچش متفاوت نیازمند بررسی‌های دقیق است؛ مخصوصاً اگر نقطه ستاره ژنراتورها به یکدیگر متصل باشند.

هر دو نوع سیم‌پیچی (۲/۳ و ۵/۶) دارای مزایا و معایب خاص خود هستند. انتخاب درست، بسته به نوع کاربرد، برای دستیابی به یک راهکار تأمین برق اقتصادی و مؤثر، بسیار کلیدی است.

پیچش سیم‌پیچی استاتور یک ژنراتور، یک پارامتر طراحی مهم محسوب می‌شود که می‌تواند برای بهینه‌سازی شکل موج خروجی ژنراتور و کاهش هزینه‌ها مورد استفاده قرار گیرد.

پیچش کوتاه‌تر (نسبت‌های پایین‌تر مانند 2/3) باعث کاهش مؤثر در استفاده از استاتور می‌شود و در نتیجه برای تولید توان مشابه (کیلووات یکسان)، به مواد بیشتری مانند فولاد الکتریکی و مس نیاز خواهد بود نسبت به ژنراتورهایی با پیچش بالاتر (مانند 5/6).

در مقایسه مشخصات ژنراتورها، مقدار اعوجاج کل هارمونیکی ولتاژ خروجی (THD%) ممکن است در هر دو نوع سیم‌پیچی مشابه باشد. ژنراتوری که به‌خوبی طراحی شده باشد، می‌تواند با هر دو نوع سیم‌پیچی به سطح مشابهی از اعوجاج ولتاژ برسد.

ما استفاده از پیچش 2/3 را برای تمامی ژنراتورهای AC با ولتاژ پایین (Low Voltage – LV) توصیه می‌کنیم. دلیل آن این است که این سیستم‌ها به‌طور کلی به یک نول نیاز دارند تا بتوانند بارها را تغذیه کنند.

در سیستم‌های ولتاژ پایین، چه در فرکانس 50هرتز و چه 60هرتز، استفاده از پیچش 2/3 باعث می‌شود که هارمونیک‌های سه‌گانه (3، 9، 15 و …) که از خود ژنراتور ایجاد می‌شوند، کاملاً حذف شوند و بدین ترتیب از افزایش این نوع هارمونیک‌ها در کل سیستم جلوگیری می‌شود.

اما در سیستم‌های ولتاژ متوسط (MV) و ولتاژ بالا (HV)، استفاده از پیچش‌های دیگر قابل قبول است. چرا که در این سیستم‌ها معمولاً نول مستقیماً برای تغذیه‌ی بارها استفاده نمی‌شود و در نتیجه هارمونیک‌های سه‌گانه در ترانسفورماتورهایی با اتصال مثلثی (دلتا) به صفر می‌رسند و تأثیرشان حذف می‌شود.

در گذشته، محصولات STAMFORD فقط در محدوده ولتاژ پایین تولید می‌شدند و همگی با سیم‌پیچی 2/3 طراحی می‌شدند. در این حالت، جمع شدن هارمونیک‌های سه‌گانه در سیستم توزیع اتفاق می‌افتد، نه در خود ژنراتور. حتی اگر جریان نول در سیستم زیاد باشد، ژنراتور به آن دامن نمی‌زد و در خود سیم‌پیچ‌ها جریان نول جمع نمی‌شد.

با توجه به روش‌های اتصال به زمین در نیروگاه‌های LV، استفاده از پیچش 2/3 کاملاً درست و منطقی است و همچنان نیز این موضوع صحت دارد.

مزیت دیگر پیچش 2/3:

در اتصال موازی چند ژنراتور، جریان‌های سیرکوله در نول (Neutral Circulating Currents) ممکن است بین ژنراتورها برقرار شود. اما پیچش 2/3 از ایجاد چنین جریان‌هایی جلوگیری می‌کند.

هنگامی که ژنراتور سری P80 طراحی شد، تصمیم گرفته شد که همین پیچش 2/3 برای همه‌ی دستگاه‌ها (LV، MV و HV) استفاده شود.

• نکته مهم: اتصال نول (نقطه ستاره) به زمین و هم‌پتانسیل‌سازی تجهیزات معمولاً با هم اشتباه گرفته می‌شوند.
  پیچش سیم‌پیچی فقط روی الزامات اتصال نقطه نول اثر دارد، در حالی که هم‌پتانسیل‌سازی (equipotential bonding) ــ یعنی اتصال الکتریکی همه‌ی قسمت‌های فلزی و رسانا برای جلوگیری از اختلاف پتانسیل خطرناک ــ در هر صورت الزامی است، صرف‌نظر از نوع پیچش سیم‌پیچی.

• وقتی نقطه ستاره ژنراتور زمین شده است، نباید اجازه داده شود که جریان نول در مسیر زمین جریان یابد. چرا؟ چون این جریان ممکن است باعث اختلال در سیستم‌های مخابراتی و همچنین ایجاد ولتاژهای ساکن در زمین شود.

درباره‌ی کار موازی ژنراتورها:

• وقتی ژنراتورهای مختلف در حالت موازی قرار می‌گیرند و نقاط ستاره آن‌ها به هم متصل می‌شود، در صورت تفاوت در نوع پیچش سیم‌پیچی (۲/۳ در مقابل ۵/۶) ممکن است جریان‌های سیرکوله (گردشی) بین ژنراتورها ایجاد شود.

• اما اگر همه‌ی ژنراتورها پیچش سیم‌پیچی و توان مشابه داشته باشند، مشکلی برای خود ژنراتورها پیش نمی‌آید، ولی ممکن است در سیستم توزیع کشتی‌ها، جریان هارمونیکی مرتبه سوم ظاهر شود.

• اگر ژنراتورهایی با پیچش متفاوت به باس‌بار مشترک متصل شوند، باید اقداماتی برای کنترل جریان‌های سیرکوله صورت گیرد. (این موضوع در بخش ششم توضیح داده خواهدشد.)

شرکت Cummins Generator Technologies برای سال‌ها ژنراتورهای AvK را در انواع LV، MV و HV تولید کرده است. پیچش سیم‌پیچی در این ژنراتورها بسته به کاربرد و گاهی سطح ولتاژ انتخاب می‌شود:

• 2/3 پیچش برای:

  • 400 ولت در فرکانس 50 هرتز

  • 480 ولت در فرکانس 60 هرتز

• 5/6 پیچش برای:

  • 690 ولت در فرکانس 50 یا 60 هرتز

  • کلیه‌ی سیستم‌های ولتاژ متوسط و بالا (MV و HV)

ولتاژ	فرکانس	نوع پیچش
400 ولت	50 هرتز	2/3
480 ولت	60 هرتز	2/3
690 ولت	50 یا 60 هرتز	5/6
MV و HV (تا 13.8kV)	50 یا 60 هرتز	5/6

وقتی دو طرف یک سیم‌پیچ به اندازه‌ی فاصله‌ی بین دو قطب متوالی (Pole Pitch = 180 درجه الکتریکی) از هم فاصله داشته باشند، به آن سیم‌پیچ با پیچش کامل (Full-Pitch Coil) گفته می‌شود.

ویژگی‌های سیم‌پیچ با پیچش کامل:

• ولتاژ القا شده در هر دو طرف سیم‌پیچ در یک فاز قراردارد.

• جمع ولتاژها به‌صورت حسابی (جمع ساده) است.

• اما شکل موج ولتاژ حاصل می‌تواند دارای هارمونیک‌های بالاتر باشد.

راه‌حل برای بهبود شکل موج:

استفاده از پیچش کوتاه (Short-Pitch Coil) یا همان پیچش کسری (Fractional Pitch)، باعث بهبود شکل موج خروجی می‌شود. در این حالت، زاویه‌ی سیم‌پیچی کمتر از 180 درجه الکتریکی است. به این نوع سیم‌پیچ‌ها سیم‌پیچ با پیچش جزئی (Partial Pitch) یا پیچش کسری نیز می‌گویند.

در سیم‌پیچ‌های با پیچش کوتاه ، ولتاژ القایی کمتر از پیچش کامل است، اما شکل موج خروجی هارمونیک‌های کمتری دارد.

(i) پیچش کامل (Full Pitch – شکل 1):

• فرض: استاتور 48 شیار دارد.

• فاصله بین قطب‌ها = 48/4 = 12 شیار → پس سیم‌پیچ از شیار 1 تا 13 قرار دارد.

(ii) پیچش ۵/۶ (Short 5/6 Pitch – شکل 2):

• فاصله سیم‌پیچ = 5/6 × 12 شیار = 10 شیار → مثلاً از شیار 1 تا 11.

• ویژگی: حذف مؤثر هارمونیک‌های پنجم و هفتم.

(iii) پیچش ۲/۳ (Short 2/3 Pitch – شکل 3):

• فاصله سیم‌پیچ = 2/3 × 12 شیار = 8 شیار → مثلاً از شیار 1 تا 9.

• ویژگی: حذف مؤثر هارمونیک‌های سه‌گانه (سوم، نهم و …)