ژنراتور
ژنراتورها وسیله ای مفید هستند که نیروی الکتریسیته و برق تولید می کنند و از قطع فعالیت های روزانه یا اختلال در عملیات کاری پیشگیری می کنند. ژنراتورها در شکل های فیزیکی و الکتریکی برای کاربردهای مختلف در دسترس هستند. دراین بخش ، نگاهی به چگونگی عملکردها، اجزای اصلی ژنراتور و چگونگی اینکه ژنراتور به عنوان منبع ثانویه نیروی الکتریکی در کاربردهای مسکونی و صنعتی عمل می کنند خواهیم داشت.
بسته به اینکه چقدر می خواهید عقب بروید . ژنراتوری که ما امروز می شناسیم از کار مایکل فارادی و جوزف هنری در دهه ۱۸۳۰ شکل گرفت. این دو مخترع پدیده های القای الکترومغناطیسی را که اکنون به عنوان “قانون فارادی” شناخته می شود . کشف و ثبت کردند. این اصل بدون داشتن بیش از حد فنی بیان می کند که یک نیروی الکتروموتور در یک رسانای الکتریکی . ایجاد می شود که یک جریان مغناطیسی متفاوت را در بر می گیرد. بر این اساس. فارادی همچنین اولین ژنراتور الکترومغناطیسی – دیسک فارادی را ساخت.
کلمه قانون فارادی گسترش یافت و در سال ۱۸۳۲ ، هیپولیت پیکسی فرانسوی اولین ژنراتور دینام را ساخت. مدل او پالس های الکتریسیته ایجاد کرد که بدون جریان جدا شده اند. به طور اتفاقی ، او همچنین اولین آلترناتور را ایجاد کرد. او نمی دانست با تغییر جریان چه کند . بنابراین روی تلاش برای حذف جریان متناوب برای به دست آوردن قدرت DC تمرکز کرد.
نحوه کارکرد ژنراتور
ژنراتور برق وسیله ای است که انرژی مکانیکی به دست آمده از منبع بیرونی را به انرژی الکتریکی به عنوان خروجی تبدیل می کند. باید بدانیم که ژنراتور انرژی الکتریکی تولید نمی کند. در عوض، با استفاده از انرژی مکانیکی عرضه شده و با ایجاد حرکت و تولید بار الکتریکی در سیم پیچ ها در مدار الکتریکی، برق را به عنوان خروجی سیستم تولید می کند. این جریان، شارژ الکتریکی جریان الکتریکی عرضه شده توسط ژنراتور است.
برق تولید شده توسط ژنراتور ها یا برق خروجی ژنراتور ها می تواند به صورت سه فاز و تک فاز باشد. برق تکفاز در مصارف کوچک به عنوان مثال خانگی مورد استفاده قرار می گیرد و نوع سه فاز که با نام ژنراتور سه فاز نیز شناخته می شود در مصارف کوچک، نیمه صنعتی، صنعتی و نیروگاهی مورد استفاده قرار می گیرد.
ژنراتور ها در دو نوع زغالی و اکسایتری تولید می شوند که امروز بیشتر مشتریان تمایل به استفاده از ژنراتور های اکسایتری یا همان غیر زغالی را دارند که آن هم به این دلیل است که در ژنراتورهای زغالی به دلیل تعویض دائم زغال مشتریان اقبال کمتری به آن دارند، در صورتی که در ژنراتور های اکسایتری یا براشلس زغال وجود ندارد و به واسطه القای ولتاژ تحریک می شوند مکانیسم ژنراتور را می توان با درک کار پمپ آب فهمید که باعث جریان آب می شود اما واقعا آبی ایجاد نمی کند و فقط آب جریان می یابد.
ژنراتور ها در واقع در سه نوع دی سی، سنکرون و آسنکرون موجود می باشند که در ژنراتور های سنکرون سرعت میدان مغناطیسی بوجود آمده با سرعت روتور برابر است حتی در زیر بار که بیشتر برای تولید ژنراتور های سه فاز مورد استفاده قرار می گیرد در صورتی که در ژنراتور های آسنکرون سرعت میدان مغناطیسی بوجود آمده با سرعت گردش رتور برابر نیست در ساخت الکتروموتور ها این چنین است.
ژنراتور های برق از دو قسمت تشکیل شده اند: قسمت متحرک را روتور و قسمت ساکن آن را استاتور می گویند. روتور ها نیز از نظر ساختمان دو دسته اند: ماشین های قطب صاف و ماشین های قطب برجسته.
این دستگاه ها به طور قراردادی بر اساس توان برق بر حسب کیلووات آمپر (KVA یا کاوا) و یا کیلووات (KW) تقسیم بندی می شوند. در واقع هم موتور باید توان تولید این نیرو را (که بر حسب اسب بخار نیز عنوان می شود) داشته باشد و هم ژنراتور باید بتواند با نیروی محرک هایی که موتور تولید می کند این خروجی را بدهد.
اجزا تشکیل دهنده ژنراتور
- موتور: به منبع انرژی مکانیکی ورودی به ژنراتور، موتور گفته میشود. موتور با سوخت‌های متنوعی کار میکند از جمله گازوئیل، بنزین و گاز.
۲. ژنراتور: ژنراتور یا همان آلترناتور وظیفه تولید جریان نامی الکتریکی خروجی توسط ورودی مکانیکی عرضه شده را دارد که از ۲ بخش اصلی تشکیل شده است:
_ استاتور هسته بیرونی سیم پیچ: این قست شامل مجموعه ای از سیم پیچ‌های الکتریکی میباشد که به صورت ساکن بر روی یک هسته آهنی قرار دارد.
_ روتور هسته درونی سیم پیچ: این قسمت با حرکت دورانی خود وظیفه تولید یک میدان مغناطیسی دوار را دارد.
۳. رگلاتور(تنظیم کننده ولتاژ): این قسمت وظیفه تنظیم ولتاژ خروجی ژنراتور در حد استاندارد را دارد.
۴. برد کنترلر: برد کنترل، مونیتورینگ و نمایش کلیه پارامترهای موتور ژنراتور از جمله دمای آب، فشار روغن، فرکانس، دور موتور و … را نشان میدهد، همچنین چگونگی راه‌ندازی موتور ژنراتور برق را تعیین میکند.
۵. تابلو کنترل: تابلو کنترل یک محفظه فلزی است که تمام تجهیزات در آن نصب شده و وظیفه نظارت و محافظت از یک یا چند ژنراتور را بر عهده دارد. تابلو کنترل به عنوان مغز موتور ژنراتور در نظر گرفته شده.
۶. سیستم خنک کننده(رادیاتور): در صورت استفاده مداوم از موتور ژنراتور گرمای بسیار زیادی تولید میشود که در این خصوص نیاز است یک سیستم خنک کننده برای خنک کردن اجزاء مختلف موتور ژنراتور وجود داشته باشد و همچنین یک تهویه مطبوع به منظور خارج کردن حرارت تولید شده به بیرون الزامیست.
۷. گاورنر: گاورنر یا همان تنظیم کننده دور موتور که وظیفه ثابت نگه داشتن سرعت محرکه اولیه از طریق تنظیم خروجی موتور با وارد کردن بار در یک مدت معین را دارد.
۸. کانوپی(کاناپی): یک محفظه ضد صدا که معمولا از جنس استیل، فولاد ضد زنگ یا آلومینیوم میباشد و از طرفی با توجه به طراحی مؤثر در خصوص جریان هوا باعث خنک شدن موتور میشود. به عبارت دیگر کانوپی یک اتاقک یا محفظه‌ای است که موتور مولد داخل آن قرار میگیرد و دارای عایق صوتی میباشد. از طرفی از موتور مولد در برابر گرد و غبار، حرارت، لرزش و شرایط محیطی محافظت می کند.
۹. یاتاقان: تجهیزی است که اصطکاک ناشی از چرخش را کاهش می دهد.
انواع ژنراتور نیروگاهی
ژنراتور های نیروگاهی که در انواع مختلف با سوخت های متفاوت عرضه می شوند را می توان به شکل های زیر دسته بندی نمود:
- ژنراتور های سه فاز نیروگاه آبی
- ژنراتور های سه فاز نیروگاه بادی
- ژنراتو رهای سه فاز نیروگاه سوخت فسیلی (گازی یا گازوئیلی)
ژنراتور های نیروگاهی که در واقع به صورت ژنراتور های سه فاز می باشند از لحاظ ساختاری و فنی متغییر با ژنراتور های معمول مورد استفاده در صنعت، کارگاه ها و مجتمع ها می باشند. ژنراتورهای نیروگاهی با سوخت فسیلی رایج تر نسبت به دو نوع دیگر هستند و برای نوع سه فاز بیشتر به صورت گازی ارائه می شوند.
ژنراتورهای نیروگاهی معمولا ۱۰۰۰ یا ۷۰۰ دور می باشند که از لحاظ تعداد دور نسبت به ژنراتور های معمول در صنعت کمتر هستند که همین امر باعث شده تا ابعاد و اندازه بزرگ تری نسبت به ژنراتور هایی با تعداد دور ۱۵۰۰ داشته باشند. ژنراتور های نیروگاهی دائم کار هستند و فاصله تعمیر و نگه داری و همچنین بازدید دوره ای طولانی تری نسبت به ژنراتور های معمول دارند همین ویژگی ها موجب شده تا ژنراتور های نیروگاهی به صورت سفارشی تولید و وارد شوند.
ژنراتور۲۲۰ولت
ژنراتور های ۲۲۰ ولت به ژنراتور هایی اتلاق می شوند که به صورت تکفاز با برق ۲۲۰ ولت شهری مقایسه می شوند به طور کلی موتور برق هایی با توان کوچک از ۱ کیلووات تا نهایتا ۱۵ کیلووات که با سوخت هایی نظیر بنزین، گازوئیل یا گازی شهری و مایع کار می کنند موجود می باشند که به صورت ۲۲۰ ولت برق شهری خروجی جریان می دهند.
این موتور برق ها معمولا مجهز به ای وی آر هستند که وظیفه آن تنظیم ولتاژ خروجی می باشد که اصطلاحا به آن تثبیت کننده ولتاژ یا رگولاتور ولتاژ می گویند.
انواع ژنراتور برق
برحسب کاربرد، کارخانجات سازنده چهار نوع را پیشنهاد می دهند:
- اضطراری (Standby)
- پایه (Prime)
- دائم (Continuous)
- چندمنظوره
ژنراتور برق اضطراری یا مولد اضطراری (Standby)
این مولد (ژنراتور برق اضطراری خانگی یا صنعتی) در حالت قطع برق شهری به صورت خودکار اقدام به تامین برق مشترکین می کند. یک مدل از ژنراتور بصورت استندبای ممکن است لازم باشد تا چند ساعت در ماه عمل کند، اما مدل های دیگری از ژنراتور های پرایم (Prime) هستند که باید پیوسته کار کنند. زمانی که یک ژنراتور جایگزین راه می افتد، ممکن است با شرایط بخصوص عمل کند، مانند ۱۰% بار اضافه (Over Load).
موارد کاربرد، تامین برق اضطراری بیمارستان، کارخانجات، ادارات و غیره بدون اتصال به شبکه می باشد.
مولد پایه (Prime)
معمولا در اماکنی که موقتا به برق نیاز است، مورد استفاده قرار می گیرد؛ مانند اردوگاه ها، نمایشگاه ها، اکتشاف معادن و کمپ ها. این مولد نباید در کاربرد های ساخت نیروگاه استفاده شود. خروجی با بار های مختلف در زمان های نامحدود قابل تامین می باشد. این ژنراتور ها عموما قادر به تامین پیک تقاضای ۱۰۰% ظرفیت اولیه ekW بوده و با ۱۰% ظرفیت اضافه بار برای مدت زمان محدود نیز در دسترس می باشند (توان اولیه مطابق با ISO8528 و توان اضافی مطابق با BS5514 ،DIN6271 ،ISO3046 و AS2789)
این دسته بندی (Rating) برای تمامی مدل های ژنراتور قابل استفاده نیست. کاربرد های عمومی آن که فقط ژنراتور مرجع توان بوده و برای ارتباط راه دور با معادن، سایت های ساختمانی، زمین برگزاری نمایشگاه و فستیوال و غیره است.
مولد دائم (Continuous)
مولد دائم برای امور نیروگاهی یا برق سراسری مورد استفاده قرار می گیرد و قابلیت فراهم سازی توان پیوسته برای یک بار ثابت تا ظرفیت نامی خروجی برای زمان های نامحدود را دارد. امکان جانشین شدن اضافه بار برای این رتبه در دسترس نیست. برای انتخاب دسته صحیح با توزیع کننده های مجاز مشورت فرمایید(مطابق با ISO8528 ،BS5514 ،DIN6271 ،ISO3046 ،AS2789)
این رتبه بندی برای تمامی مدل های ژنراتور ها قابل استفاده نمی باشد. کاربرد های عمومی برای ژنراتور هایی که بار یکسان پیوسته را تامین می کنند یا به صورت موازی با فیدر توان اصلی و دائم شبکه برای ماکزیمم سطح مجاز ۸۷۶۰ ساعت در سال. همچنین ممکن است برای پشتیبانی / پیک شبکه (حتی از طریق اعمال برای ۲۰۰ ساعت در سال) مورد استفاده قرار گیرد.
ساختمان و اساس کار ژنراتور سنکرون
در ژنراتور سنکرون یک جریان DC به سیم پیچ روتور اعمال می گردد تا یک میدان مغناطیسی روتور تولید شود. سپس روتور مربوط به ژنراتور به وسیله محرک اصلی چرخانده می شود، تا یک میدان مغناطیسی دوار در ماشین بوجود آید. این میدان مغناطیسی، یک ولتاژ سه فاز را در سیم پیچ های استاتور ژنراتور القاء می کند.
در یک ماشین دو عبارت در توصیف سیم پیچ ها بسیار مورد استفاده است، یکی سیم پیچ های میدان و دیگری سیم پیچ های آرمیچر.
سیم پیچ های میدان به سیم پیچ هایی گفته می شود که میدان مغناطیسی اصلی را در ماشین تولید می نماید. سیم پیچ های آرمیچر به سیم پیچ هایی اتلاق می شود که ولتاژ اصلی در آن القاء می شود. برای ماشین های سنکرون، سیم پیچ های میدان در روتور است.
رتورژنراتور سنکرون در اصل یک آهنربای الکتریکی بزرگ است. قطب های مغناطیسی در روتور می تواند از نوع برجسته یا غیر برجسته باشد. قطب برجسته، یک قطب مغناطیسی خارج شده از سطح روتور می باشد. ازطرف دیگر، یک قطب برجسته یک قطب مغناطیسی هم سطح با سطح روتور است. یک روتور غیر برجسته یا صاف معمولا برای موارد ۲ یا ۴ قطبی بکار می روند. در حالی که روتور های برجسته برای ۴ قطب یا بیشتر مورد استفاده هستند. چون در روتور میدان مغناطیسی متغیر است برای کاهش تلفات، آن را از لایه های نازک می سازند. به مدار میدان در روتور باید جریان ثابتی اعمال شود. چون روتور می چرخد، نیاز به آرایش خاصی برای رساندن توان DC به سیم پیچ های میدانش دارد. برای انجام این کار دو روش موجود است:
- تهیه توان DC از یک منبع بیرونی به روتور با رینگ های لغزان و جاروبک
- فراهم نمودن توان DC از یک منبع توان DC که مستقیما روی شفت ژنراتور های سنکرون نصب می شود
رینگ های لغزان بطور کامل شفت ماشین را احاطه می کنند ولی از آن جدا هستند. یک انتهای سیم پیچ DC به هر یک از دو انتهای رینگ لغزان در شفت موتور سنکرون متصل است و یک جاروبک ثابت روی هر رینگ لغزان سر می خورد. جاروبک ها بلوکی از ترکیبات گرافیک مانند هستند که الکتریسیته را به راحتی هدایت می کنند ولی اصطکاک خیلی کمی دارند و در نتیجه روی رینگ ها خوردگی بوجود نمی آورد. اگر سمت مثبت منبع ولتاژ DC به یک جاروبک و سر منفی به جاروبک دیگر وصل شود، آنگاه ولتاژ ثابتی به سیم پیچ، جدا از مکان و سرعت زاویه ای آن، میدان در تمام مدت اعمال می شود. رینگ های لغزان و جاروبک ها به هنگام اعمال ولتاژ DC چند مشکل برای سیم پیچ های میدان ماشین سنکرون ایجاد می کنند. آنها نگهداری را در ماشین افزایش می دهند، زیرا جاروبک باید به طور مرتب به لحاظ سائیدگی چک شود. علاوه بر آن، افت ولتاژ جاروبک ممکن است تلفات قابل توجه توان را همراه با جریان های میدان به دنبال داشته باشد. علیرغم این مشکلات رینگ های لغزان روی همه ماشین های سنکرون کوچک تر بکار می رود، زیرا راه اقتصادی تر برای اعمال جریان میدان موجود نیست.
در موتور ها و ژنراتور های بزرگ تر، از محرک های بی جاروبک استفاده می شود تا جریان میدان DC را به ماشین برسانند. یک محرک بی جاروبک، یک ژنراتور AC کوچک است که مدار میدان آن روی استاتور و مدار آرمیچر آن روی روتور نصب شده است. خروجی سه فاز ژنراتور محرک یکسو شده و جریان مستقیم توسط یک مدار یکسو ساز سه فاز که روی شفت ژنراتور نصب است حاصل می شود که بطور مستقیم به مدار میدان DC اصلی اعمال می گردد. با کنترل جریان میدان DC کوچکی از ژنراتور محرک (که روی استاتور نصب می شود) می توان جریان میدان را روی ماشین اصلی و بدون استفاده از رینگ های لغزان و جاروبک ها تنظیم کرد. چون اتصال مکانیکی هرگز بین روتور و استاتور بوجود نمی آید، یک محرک جاروبک نسبت به نوع حلقه های لغزان و جاروبک ها، به نگهداری کمتری نیاز دارد. برای اینکه تحریک ژنراتور بطور کامل مستقل از منابع تحریک بیرونی باشد، محرک پیلوت کوچکی اغلب در سیستم لحاظ می گردد. محرک پیلوت، یک ژنراتور AC کوچک با مگنت های (آهن ربا) دائمی نصب شده بر روی شفت رتور و یک سیم پیچ روی استاتور است. این محرک انرژی را برای مدار میدان محرک بوجود می آورد که به نوبه خود مدار میدان ماشین اصلی را کنترل می نماید. اگر یک محرک پیلوت روی شفت ژنراتور نصب شود آن گاه هیچ توان الکتریکی خارجی برای راندمان ژنراتور لازم نیست.
بسیاری از ژنراتور های سنکرون که دارای محرک های بی جاروبک هستند، دارای رینگ های لغزان و جاروبک نیز هستند. بنابراین یک منبع اضافی جریان میدان DC در موارد اضطراری در اختیار است. استاتور ژنراتور های سنکرون معمولا” در دو لایه ساخته می شوند: خود سیم پیچ توزیع شده و گام های کوچک دارد تا مولفه های هارمونیک ولتاژ ها و جریان های خروجی را کاهش دهد.
چون روتور با سرعتی برابر با سرعت میدان مغناطیسی می چرخد، توان الکتریکی با فرکانس ۵۰ یا ۶۰ هرتز تولید می شود. ژنراتور بسته به تعداد قطب ها باید با سرعت ثابتی بچرخد مثلا برای تولید توان ۶۰ هرتز در یک ماشین دو قطب روتور باید با سرعت ۳۶۰۰ دور در دقیقه بچرخد. برای تولید توان ۵۰ هرتز در یک ماشین ۴ قطب، روتور باید با سرعت ۱۵۰۰ دور در دقیقه دوران کند.
ولتاژ القایی در استاتور به شار در ماشین، فرکانس یا سرعت چرخش و ساختمان ماشین بستگی دارد. ولتاژ تولیدی داخلی مستقیما متناسب با شار و سرعت است ولی خود شار به جریان جاری در مدار میدان رتور بستگی دارد. ولتاژ درونی برابر ولتاژ خروجی نیست و چندین فاکتور، عامل اختلاف بین این دو هست:
- اعوجاج موجود درمیدان مغناطیسی فاصله هوا به علت جریان جاری در استاتور که به آن عکس العمل آرمیچر می گویند.
- خود القایی بوبین های آرمیچر
- مقاومت بوبین های آرمیچر
- تاثیر شکل قطب های برجسته روتور
ژنراتور آسنکرون
ژنراتور آسنکرون در واقع از لحاظ ساختمان همان موتور القایی یا موتور آسنکرون می باشد که تحت شرایطی تولید برق خواهد داشت .همانطور که می دانید در موتور های القایی سه فاز با اتصال به منبع نیرو یا برق سه فاز یک میدان دوار در استاتور موتور القایی ایجاد می شود که با سرعت سنکرون شروع به چرخش میکند ،که این سرعت سنکرون در فرکانس ۵۰ هرتز برابر ۱۵۰۰ دور بر دقیقه و در فرکانس ۶۰ هرتز برابر ۱۸۰۰ دور بر دقیقه می باشد .و همانطور که میدانیم منظور از این چرخش چرخش میدان مغناطیسی است که در محیط استاتور شکل میگیرد و چون خطوط میدان مغطناطیسی در حین چرخش رتور را قطع میکنند در رتور یه ولتاژ و به طبع آن جریانی پدید می آید که حاصل آن یک میدان دوار خواهد بود که میدان استاتور را با سرعت کمی کمتر دنبال خواهد کرد .پس در نتیجه سرعت چرخش رتور از سرعت میدان مغناطیسی استاتور کمتر می باشد .حال اگر رتور را توسط یک محرک خارجی مثلا یک موتور دیزلی ،توربین بادی یا آبی به چرخش در بیاوریم چه اتفاقی خواهد افتاد ،اگر سرعت چرخش رتور از استاتور بیشتر شود به اصطلاح لغزش منفی می شود در نتیجه به جای اینکه استاتور در رتور جریان القا کند در این حالت رتور در استاتور جریان القا خواهد کرد در نتیجه در این حالت موتور تبدیل به ژنراتور می شود .
ولی ژنراتور های القایی نیاز به توان راکتیو دارند در نتیجه در صورتی که منبعی برای تامین توان راکتیو این ژنراتور ها نباشد نمی توان این نوع ژنراتور ها را راه اندازی کرد .
مزایای ژنراتور آسنکرون( القایی) :
۱- چون به سیستم تحریک احتیاج ندارد و ساختمان آن ساده است در نتیجه تعمیر و نگهداری آن آسان است.
۲- راه‌اندازی و بهره‌برداری از آن آسان است، زیرا نیازی به سنکرونیزاسیون یا تنظیم تحریک ندارد.
۳- جریان اتصال کوتاه آن کم است و زمان کاهش آن در مقایسه با ماشینهای سنکرون کوتاهتر است، زیرا در هنگام اتصال کوتاه، تحریک قطع میشود و جریان اتصال کوتاه فقط در یک مدت فوق‌العاده کوتاه جریان می‌یابد تا اینکه فلوی مغناطیسی ناپدید شود.
۴- وقتی بار پس زده میشود، جریان تحریک قطع میشود و ولتاژ ناپدید میشود و لذا هیچگونه صدمه و خسارتی به بخشهای عایقی دستگاه از جانب ولتاژ اضافی صرفنظر از میزان افزایش سرعت رخ نمی‌دهد.
۵- وقتی ولتاژ سیستم افت میکند، جریان تحریک خودبه‌خود کاهش می‌یابد.
۶- جون گاورنر سرعت در حالت اتصال به شبکه مورد استفاده قرار نمی‌گیرد، لذا تا حدی که سرعت آن از سرعت مجاز توربین هیدرولیکی بیشتر نشود به تولید انرژی ادامه میدهد.
۷- در مواقعی که سیستم دچار اختلال میشود، این دستگاه می‌تواند به صورت پایدار و بدون قطع شدن به کار خود ادامه دهد.
در صورت علاقه‌مندی به موضوعات مربوط به الکتریسیته، پیشنهاد می کنیم مطالب دیگر سایت همچون الکترو موتور های تک فاز، ترموکوپل، دیمر و … را مشاهده فرمایید.
چنانچه در حوزه کاری خود به مشکلی برخورد کرده‌اید و در جستجوی فرد و یا شرکت‌های توانمند برای حل مشکلتان هستید می توانید با عضویت در سامانه گلوپ و ثبت مشکل خود با این افراد و شرکت ها ارتباط برقرار کنید.
برای مشاهده مطالب بیشتر به گلوپ پلاس مراجعه فرمایید.