مهندسي نيرو كه مهندسي سيستم هاي قدرت نيز ناميده مي شود ، زيرمجموعه اي از مهندسي برق است كه به توليد ، انتقال ، توزيع و استفاده از نيروي الكتريكي و دستگاه هاي الكتريكي متصل به اين سيستم ها مي پردازد. اگرچه بيشتر اين زمينه مربوط به مشكلات برق سه فاز AC است - استاندارد انتقال و توزيع برق در مقياس بزرگ در جهان مدرن - بخش قابل توجهي از اين زمينه مربوط به تبديل بين برق AC و DC و توسعه سيستم هاي قدرت ويژه مانند آنهايي كه در هواپيماها يا شبكه هاي راه آهن الكتريكي استفاده مي شود. مهندسي نيرو بيشتر مباني نظري خود را از مهندسي برق مي گيرد.
سالهاي پيشگام
در اواخر قرن هفدهم برق مورد علاقه علمي قرار گرفت. طي دو قرن بعدي تعداد زيادي از اكتشافات مهم از جمله لامپ رشته اي و شمع ولتايي انجام شد. [1] [2] احتمالاً بزرگترين كشف در رابطه با مهندسي نيرو از مايكل فارادي بود كه در سال 1831 كشف كرد كه تغيير در شار مغناطيسي باعث ايجاد يك نيروي الكتريكي در يك حلقه سيم مي شود - اصولي كه به عنوان القاي الكترومغناطيسي شناخته مي شود و به توضيح نحوه كار ژنراتورها و ترانسفورماتورها كمك مي كند. ]
در سال 1881 دو برق اولين نيروگاه برق جهان را در Godalming در انگلستان ساختند. اين ايستگاه براي توليد جريان متناوب از دو چرخ چرخ استفاده كرد كه براي تأمين هفت لامپ قوس الكتريكي زيمنس در 250 ولت و سي و چهار لامپ رشته اي در 40 ولت استفاده مي شد. [4] با اين وجود تأمين متناوب بود و در سال 1882 توماس اديسون و شركت او ، شركت الكتريك الكتريك اديسون ، اولين نيروگاه برق مجهز به بخار را در خيابان پرل در شهر نيويورك توسعه دادند. ايستگاه خيابان پرل از چندين مولد تشكيل شده بود و در ابتدا حدود 3000 لامپ را براي 59 مشتري تأمين مي كرد. [5] [6] نيروگاه از جريان مستقيم استفاده مي كرد و با يك ولتاژ كار مي كرد. از آنجا كه توان جريان مستقيم را نمي توان به راحتي به ولتاژهاي بيشتري كه براي به حداقل رساندن اتلاف انرژي در هنگام انتقال لازم است تبديل كرد ، فاصله احتمالي بين ژنراتورها و بار به حدود نيم مايل (800 متر) محدود شد. [7]
همان سال در لندن ، لوسين گولارد و جان ديكسون گيبس اولين ترانسفورماتور مناسب براي استفاده در سيستم قدرت واقعي را به نمايش گذاشتند. مقدار عملي ترانسفورماتور گولارد و گيبس در سال 1884 در تورين نشان داده شد ، جايي كه از ترانسفورماتور براي روشنايي چهل كيلومتر راه آهن از يك مولد جريان متناوب استفاده شد. [8] عليرغم موفقيت سيستم ، اين جفت اشتباهات اساسي انجام دادند. شايد جدي ترين مسئله اتصال اوليه مقدماتي ترانسفورماتورها به اين ترتيب باشد كه روشن يا خاموش كردن يك لامپ بر ساير لامپهاي پايين خط تأثير بگذارد. پس از تظاهرات ، جورج وستينگهاوس ، يك كارآفرين آمريكايي ، تعدادي ترانسفورماتور را به همراه يك ژنراتور زيمنس وارد كرد و مهندسان خود را به اميد بهبود آنها براي استفاده در سيستم برق تجاري ، با آنها آزمايش كرد.
ويليام استنلي ، يكي از مهندسان وستينگهاوس ، مشكل اتصال ترانسفورماتورها را به صورت موازي تشخيص داد و همچنين دريافت كه ساختن هسته آهني يك ترانسفورماتور به عنوان يك حلقه كاملا محصور ، تنظيم ولتاژ سيم پيچ ثانويه را بهبود مي بخشد. وي با استفاده از اين دانش در سال 1886 اولين سيستم برق متناوب مبتني بر ترانسفورماتور عملي جهان را در گريت بارينگتون ، ماساچوست ساخت. [9] [10] در سال 1885 ، فيزيكدان و مهندس برق ايتاليايي گاليله فراري موتور القايي را به نمايش گذاشت و در سال 1887 و 1888 مهندس صرب-آمريكايي طيف وسيعي از اختراع ثبت شده مربوط به سيستم هاي قدرت را ثبت كرد از جمله يكي براي يك موتور القايي دو فاز عملي [11] [12 ] كه وستينگهاوس براي سيستم AC خود مجوز گرفت.
تا سال 1890 صنعت نيرو شكوفا شد و شركتهاي برق هزاران سيستم برق (هر دو جريان مستقيم و متناوب) در ايالات متحده و اروپا ايجاد كردند - اين شبكهها به طور موثر به تأمين روشنايي الكتريكي اختصاص يافتند. در اين مدت يك رقابت شديد در ايالات متحده آمريكا معروف به "جنگ جريانات" بين اديسون و وستينگهاوس بر سر كدام شكل انتقال (جريان مستقيم يا متناوب) برتر بود. در سال 1891 ، وستينگهاوس اولين سيستم قدرت اصلي را نصب كرد كه براي هدايت يك موتور الكتريكي و نه فقط تأمين روشنايي الكتريكي طراحي شده بود. اين نصب از يك موتور همزمان 100 اسب بخار (75 كيلووات) در تلورايد ، كلرادو بهره مي برد و موتور توسط يك موتور القايي تسلا راه اندازي شد. [13] در آن سوي اقيانوس اطلس ، اسكار فون ميلر يك خط انتقال سه فاز 20 كيلوولت 176 كيلومتري از Lauffen am Neckar تا Frankfurt am Main براي نمايشگاه مهندسي برق در فرانكفورت ساخت. [14] در سال 1895 ، پس از طولاني شدن فرآيند تصميم گيري ، ايستگاه توليد شماره 1 آدامز در آبشارهاي نياگارا انتقال جريان متناوب سه فاز را به بوفالو با سرعت 11 كيلوولت آغاز كرد. پس از اتمام پروژه آبشارهاي نياگارا ، سيستم هاي جديد برق به طور فزاينده اي جريان متناوب را در مقابل جريان مستقيم براي انتقال برق انتخاب كردند. [15]
قرن بيستم
مهندسي نيرو و بلشويسم
توليد برق به ويژه پس از به دست گرفتن قدرت بلشويكي از اهميت ويژه اي برخوردار بود. لنين اظهار داشت: "كمونيسم قدرت شوروي به علاوه برقرساني كل كشور است." [16] او بعداً در بسياري از پوسترها ، تمبرها و غيره شوروي با ارائه اين ديدگاه حضور داشت. طرح GOELRO در سال 1920 به عنوان اولين آزمايش بلشويكي در برنامه ريزي صنعتي آغاز شد و لنين شخصاً درگير آن شد. گلب Krzhizhanovsky يكي ديگر از شخصيتهاي اصلي درگير بود ، كه در ساخت يك نيروگاه در مسكو در سال 1910 شركت داشت. او همچنين از سال 1897 كه هر دو در بخش سن پترزبورگ اتحاديه مبارزه براي آزادي طبقه كارگر
مهندسي نيرو در ايالات متحده آمريكا
در سال 1936 اولين خط جريان مستقيم ولتاژ بالا تجاري (HVDC) با استفاده از شيرهاي قوس جيوه اي بين Schenectady و Mechanicville ، نيويورك ساخته شد. HVDC قبلاً با نصب ژنراتورهاي جريان مستقيم به صورت سري (سيستمي موسوم به سيستم Thury) بدست آمده بود اگرچه اين امر از مشكلات قابل توجهي در قابليت اطمينان رنج مي برد. [17] در سال 1957 زيمنس اولين يكسوساز حالت جامد را به نمايش گذاشت (يكسوسازهاي حالت جامد اكنون استاندارد سيستمهاي HVDC هستند) اما در اوايل دهه 1970 اين فناوري در سيستمهاي قدرت تجاري مورد استفاده قرار نگرفت. [18] در سال 1959 وستينگهاوس اولين قطع كننده مدار را نشان داد كه از SF6 به عنوان ماده قطع كننده استفاده مي كرد. [19] SF6 يك دي الكتريك بسيار برتر از هوا است و در چند وقت اخير استفاده از آن براي توليد تجهيزات سوئيچينگ فشرده تر (معروف به تابلو برق) و ترانسفورماتور گسترش يافته است. [20] [21] بسياري از تحولات مهم نيز از گسترش نوآوري ها در حوزه ICT به حوزه مهندسي نيرو حاصل شده است. به عنوان مثال ، توسعه رايانه ها به اين معني است كه مطالعات جريان بار مي تواند با كارآيي بيشتري انجام شود و امكان برنامه ريزي بسيار بهتر سيستم هاي قدرت را فراهم مي كند. پيشرفت در فناوري اطلاعات و ارتباطات از راه دور همچنين امكان كنترل از راه دور بسيار بهتر سوئيچ ها و مولدهاي سيستم قدرت را فراهم مي كند.
قدرت
خطوط انتقال نيرو را از طريق شبكه انتقال مي دهند.
مهندسي نيرو با توليد ، انتقال ، توزيع و استفاده از برق و همچنين طراحي طيف وسيعي از دستگاههاي مرتبط سروكار دارد. اين شامل ترانسفورماتور ، ژنراتور الكتريكي ، موتور الكتريكي و الكترونيك قدرت است.
مهندسان نيرو همچنين ممكن است روي سيستم هايي كار كنند كه به شبكه متصل نمي شوند. به اين سيستم ها سيستم هاي برق خارج از شبكه گفته مي شود و به دلايل مختلف ممكن است در اولويت سيستم هاي درون شبكه استفاده شود. به عنوان مثال ، در مكانهاي از راه دور توليد معدن براي معدن ارزانتر از پرداخت هزينه اتصال به شبكه است و در بيشتر برنامه هاي تلفن همراه اتصال به شبكه عملي نيست.
زمينه هاي
توليد برق شامل انتخاب ، طراحي و ساخت تأسيساتي است كه انرژي را از اشكال اوليه به توان الكتريكي تبديل مي كند.
انتقال برق الكتريكي نياز به مهندسي خطوط انتقال ولتاژ بالا و امكانات پست براي اتصال به سيستم هاي توليد و توزيع دارد. سيستم هاي جريان مستقيم ولتاژ بالا يكي از عناصر شبكه برق الكتريكي است.
مهندسي توزيع نيروي الكتريكي آن عناصر سيستم برق را از پست تا مشتري نهايي تحت پوشش قرار مي دهد.
حفاظت از سيستم قدرت ، مطالعه روشهاي خرابي سيستم برق الكتريكي و روشهاي شناسايي و كاهش چنين خرابي هايي است.
در بيشتر پروژه ها ، يك مهندس نيرو بايد با بسياري از رشته هاي ديگر مانند مهندسين عمران و مكانيك ، كارشناسان محيط زيست و پرسنل حقوقي و مالي هماهنگي داشته باشد. پروژه هاي مهم سيستم قدرت مانند يك ايستگاه بزرگ توليد ممكن است علاوه بر مهندسان سيستم قدرت به تعداد زيادي از متخصصان طراحي نيز نياز داشته باشند. در بيشتر سطوح حرفه اي مهندسي سيستم قدرت حرفه اي ، مهندس به همان اندازه مهارت مهندسي برق به مهارتهاي اداري و سازماني نياز دارد.
جوامع حرفه اي و سازمان هاي استاندارد بين المللي
هم در انگليس و هم در ايالات متحده ، جوامع حرفه اي از مدت ها قبل براي مهندسان عمران و مكانيك وجود داشته است. IEE در انگلستان در سال 1871 ، و AIEE در ايالات متحده در سال 1884 تاسيس شد. اين جوامع به تبادل دانش برق و توسعه آموزش مهندسي برق كمك كردند. در سطح بين المللي ، كميسيون بين المللي الكتروتكنيك ، كه در سال 1906 تاسيس شد ، استانداردهايي را براي مهندسي نيرو آماده مي كند ، با 20،000 متخصص برق از 172 كشور ، مشخصات جهاني را بر اساس اجماع توسعه مي دهند.