آشنایی با ژنراتور سنکرون

ژنراتور‌های سنکرون یا آلترناتور‌ها ماشین‌هایی سنکرونی هستند که برای تبدیل توان مکانیکی به الکتریکی ac به کار می‌روند.

در ژنراتور سنکرون، یک جریان dc به سیم پیچی روتور اعمال می‌شود، که میدان مغناطیسی روتور را تولید می‌کند. روتور ژنراتور نیز توسط یک محرک اولیه به گردش درمی آید و به این ترتیب یک میدان مغناطیسی دوار درون ماشین ایجاد می‌شود. این میدان مغناطیسی دوار در سیم پیچی‌های استاتور ژنراتور یک مجموعه ولتاژ سه فاز القا می‌کند، چون استاتور به صورت سه فاز سیم پیچی شده ولتاژ القا شده در آن نیز سه فاز می‌باشد.
سیم پیچی میدان و سیم پیچی آرمیچر دو اصطلاح متداولی هستند که برای توصیف سیم پیچی‌های ماشین به کار می‌رود. به طور کلی، اصطلاح ” سیم پیچی ” به سیم پیچی‌هایی اطلاق می‌شود که میدان مغناطیسی اصلی ماشین را تولید می‌کند، و اصطلاح ” سیم پیچی آرمیچر ” به سیم پیچی‌هایی اطلاق می‌شود که ولتاژ اصلی در آن القا می‌شود. در ماشین‌های سنکرون، سیم پیچی‌های میدان روی روتور قرار دارند؛ پس عبارت‌های ” سیم پیچی روتور ” و ” سیم پیچی میدان ” را می‌توان به جای هم به کار برد. عبارت‌های ” سیم پیچی استاتور ” و ” سیم پیچی آرمیچر ” نیز وضعیت مشابهی دارند.
روتور ژنراتور سنکرون اساسا یک الکترو مغناطیس بزرگ است. قطب‌های مغناطیسی روتور می‌توانند ساختمان برجسته یا صاف داشته باشند. قطب برجسته قطب مغناطیسی‌ای است که نسبت به سطح روتور پیش آمدگی دارد. از سوی دیگر، قطب صاف قطب مغناطیسی‌ای است که با سطح روتور هم سطح باشد. در شکل زیر یک قطب صاف و یک قطب برجسته نشان داده شده است. روتو‌های قطب – صاف معمولا برای ماشین‌های دو یا چهار قطبی یا بیشتر به کار می‌روند. چون روتور در معرض میدان‌های مغناطیسی متغییر قرار دارد، آن را از لایه‌های نازک می‌سازند تا تلفات جریان گردابی کاهش یابد.
یک جریان dc باید به مدار روتور اعمال شود تا میدان مغناطیسی رتور شکل بگیرد. چون روتور در حال دوران است، برای دادن توان dc به سیم پیچی‌های میدان آن آرایش خاصی لازم است. برای فراهم کردن این توان dc دو روش متداول وجود دارد:

فراهم کردن توان dc خارجی با استفاده از حلقه‌ای لغزان و جاروبک ها.
فراهم کردن توان dc از یک منبع تغذیه dc خاص که مستقیما بر روی محور ژنراتور سنکرون نصب شده است.

حلقه‌های لغزان حلفه‌های فلزی هستند که محور ماشین را کاملا احاطه کرده اند، اما نسبت به آن عایق شده اند. هر کدام از سر‌های سیم پیچی روتور به یکی از دو حلقه لغزان روی محور ماشین سنکرون متصل می‌شود، و بر روی هر حلقه‌ی لغزان یک جاروبک سوار است. اگر سر مثبت یک منبع ولتاژ dc به یک جاروبک و سر منفی آن به جاروبک دیگر متصل شود، آن ولتاژ dc در همه‌ی زمان‌ها به سیم پیچی میدان اعمال می‌شود و مقدار آن به موقعیت زاویه‌ای و سرعت روتور ربطی ندارد.

هنگامی که برای تامین توان dc سیم پیچی میدان ماشین سنکرون حلقه‌های لغزان و جاروبک‌ها به کار می‌روند، چند مشکل ایجاد می‌شود. مراقبت و نگهداری ماشین باید بیش از پیش صورت گیرد ,، زیرا جاروبک‌ها را باید از نظر فرسودگی به طور منظم کنترل کرد. به علاوه در ماشین‌هایی که جریان میدان بزرگتری دارند، افت ولتاژ جاروبک‌ها می‌تواند یک عامل مهم افت توان باشد. با وجود این مسایل، حلقه‌های لغزان و جاروبک‌ها در تمام ماشین‌های سنکرون کوچک به کار می‌روند ,، چون هیچ روش ارزان قیمت دیگری برای تامین جریان dc میدان وجود ندارد.

در ژنراتور و موتور‌های بزرگتر، برای تامین جریان dc میدان ماشین، تحریک‌های بدون جاروبک به کار می‌روند. تحریک بدون جاروبک یک ژنراتور ac کوچک است که مدار میدان آن در استاتور و مدار آرمیچر آن بر محور موتور سوار شده است. خروجی سه – فاز ژنراتور تحریک توسط یک مدار یک سوکننده‌ی سه فاز، که آن نیز روی محور ژنراتور سوار شده است، یکسو شده، به مدار میدان اصلی داده می‌شود (که روی رتور قرار دارد). با کنترل جریان کوچک dc میدان ژنراتور تحریک (که در استاتور قرار دارد) می‌توان جریان میدان اصلی ماشین را بدون استفاده از حلقه‌های لغزان و جاروبک‌ها تنظیم کرد.
شکل زیر روتور یک ماشین سنکرون را نشان می‌دهد که تحریک بدون جاروبک آن روی محور ماشین سوار شده است. چون بین روتور و استاتور هیچ اتصال مکانیکی وجود ندارد، تحریک بدون جاروبک در مقایسه با حلقه‌های اصطکاکی و جاروبک‌ها نگهداری بسیار کمتری لازم دارد.

برای تحریک ژنراتور کاملا مستقل از منبع تغذیه خارجی باشد. معمولا یک تحریک راهنما به سیستم اضافه می‌کنند. تحریک راهنما یک ژنراتور ac کوچک با مغناطیس دائم است. مغناطیس دائم روی محور روتور و سیم پیچی سه فاز در استاتور قرار دارد. این ژنراتور توان مدار میدان ماشین اصلی را کنترل می‌کند. اگر یک تحریک راهنما روی محور ژنراتور وجود داشته باشد، برای به کار انداختن ژنراتور منبع الکتریکی خارجی لازم نیست.

در بسیاری از ژنراتور‌های سنکرون دارای تحریک بدون جاروبک، حلقه‌های لغزان و جاروبک‌ها نیز تعبیه شده اند، تا در مواقع اضطراری یک منبع جریان dc کمکی برای میدان در دسترس باشد.

استاتور ژنراتور سنکرون معمولا از پیچک‌های پیش ساخته تشکیل می‌شود که به صورت دو طبقه دراستاتور قرار می‌گیرند. خود سیم پیچی توزیع شده است و گام کوتاه دارد تا دامنه هارمونیک‌های ولتاژ‌ها و جریان‌های خروجی کم باشند.

ژنراتور‌های سنکرون طبق تعریف سنکرون یا همزمان اند، به این معنی که فرکانس الکتریکی تولید شده با سرعت چرخش مکانیکی ژنراتور همزمان است. روتور ژنراتور سنکرون یک الکترومغناطیس است که به آن جریان dc اعمال می‌شود. میدان مغناطیسی روتور همراه با چرخش روتور می‌چرخد. پس بین سرعت چرخش میدان مغناطیسی ماشین و فرکانس الکتریکی استاتور رابطه‌ی زیر برقرار است:
۱۲۰/fe = NM P.
fe: فرکانس الکتریکی، برحسب HZ

Nm: سرعت مکانیکی میدان مغناطیسی بر حسب r/ min (سرعت روتور ماشین سنکرون)

P.: تعداد قطب ها.
چون روتور با همان سرعت میدان مغناطیسی می‌چرخد، این معادله سرعت چرخش روتور را به فرکانس الکتریکی حاصل مربوط می‌کند. توان الکتریکی در فرکانس ۵۰ یا ۶۰ هرتز تولید می‌شود، پس ژنراتور باید با سرعت ثابتی، که به تعداد قطب‌های ماشین بستگی دارد بچرخد. به عنوان مثال، برای تولید توان HZ ۶۰ در یک ماشین دو – قطبی، روتور باید با سرعت r/min ۳۶۰۰ بچرخد. برای تولید HZ ۵۰ در یک ماشین چهار قطبی، روتور باید با سرعت r/min ۱۵۰۰ بچرخد. سرعت چرخش لازم برای یک فرکانس معین را همیشه می‌توان با استفاده از معادله بالا حساب کرد.

اندازه ولتاژ القا شده در یک فاز معین استاتور از رابطه‌ی زیر بدست می‌آید:
EA = k.NC. Ø. f. این ولتاژ به شار ماشین Ø. , فرکانس یا سرعت چرخش، و ساختمان ماشین بستگی دارد. برای حل مسایل مربوط به ماشین‌های سنکرون گاهی این معادله را به شکل ساده تری می‌نویسند. در این معادله کمیتی که در هنگام کار ماشین تغییر می‌کنند واضح‌تر دیده می‌شوند. این شکل ساده به صورت زیر است:

EA=K Ø. W

 

منبع:g-m-u