تولید ولتاژ توسط ژنراتور

 

تولید ولتاژ توسط ژنراتور

 

 

  • تولید ولتاژهای تک فاز، دو فاز و سه فاز ترانسفورماتورها و وسایل اندازه گیری

  • ژنراتورهای تکفاز و آرایش سیم پیچی آن ها

یک ژنراتور (آلرناتور) ac که دارای یک حلقه سیم است، و با سرعت ثابت در یک میدان مغناطیسی با چگالی شار یکنواخت، حرکتی دورانی دارد. حاصل این حرکت، تولید ولتاژی با شکل موج سینوسی در حلقه سیم بود. در این حالت شکاف هوایی بسیار بزرگ میان دو قطب میدان، مانع تولید چگالی شار مناسب شده، در نتیجه ولتاژ بسیار کمی در مولد القا می شود، بنابراین این طرح غیر عملی است. یک طرح مناسبتر و عملی تر ژنراتور، در شکل (۱) نشان داده شده است.

یک روش عملی برای ساخت ژنراتور، که می توان با تحریک dc، میدان آن را دوران داد و شار فاصله هوایی سیم پیچ های ثابت ac را قطع می کند.

 

شکل (۱) یک روش عملی برای ساخت ژنراتور، که می توان با تحریک dc، میدان آن را دوران داد

و شار فاصله هوایی سیم پیچ های ثابت ac را قطع می کند.

 

در این حالت قطب های میدان روی بخش متحرک ماشین، یعنی روتور قرار دارد و جریان سیم پیچ های آن توسط یک منبع dc و از طریق جاروبک ها و حلقه های لغزان تأمین می شود، روتور نیز توسط یک عامل خارجی با سرعت ثابتی چرخانده می شود. در این حالت تعداد قطب های ماشین، (که همواره زوج است) بستگی به سرعت روتور و فرکانس سیم پیچی استاتور دارد. همان طور که در شکل نشان داده شده است، برای تولید ولتاژ در یک ماشین ۶ قطب با فرکانس Hz۶۰، سرعت روتور rpm ۱۲۰۰ است.

باید توجه داشت که در این ماشین سیم پیچی آرمیچر ساکن است، بر روی استاتور قرار دارد، پیچک های متمرکز این سیم پیچی طوری به یکدیگر وصل می شوند، که ولتاژهای القاء شده در همه آن ها به یکدیگر اضافه شوند ولتاژ نهایی را نتیجه دهند.

با قرار دادن یک مقاومت متغیر در خط تغذیه dc می توان جریان تحریک قطبها را تغییر داد. بدینوسیله چگالی شار فاصله هوایی و در نتیجه ولتاژ متناوب خروجی را کنترل کرد.

این ژنراتور، هنوز هم دارای ساختار مؤثر و مطلوبی نیست، زیرا سیم پیچی های هر قطب در یک شیار استاتور متمرکز شده، و در این حالت استفاده بهینه از حجم و محیط داخلی استاتور نمی شود. در ماشین های تجارتی معمولاً تعداد شیارهای بیشتری در استاتور وجود دارد و سیم پیچی ها به صورت توزیع شده در این شیارها قرار میگیرند.

سه نوع سیم پیچی متداول برای این ماشين ها در شکل (۲) نشان داده شده است. واضح است که ولتاژهای القاء شده در پیچک های او ۲ و ۳ به طور همزمان در مقدار حداکثر خود قرار نمی گیرند، و اختلاف فازی میان آن ها وجود دارد، اندازه این اختلاف فاز به اختلاف زاویه مکانیکی بین محور پیچک ها و نیز تعداد قطب های ماشین بستگی دارد. بنابراین ولتاژ خروجی القاء شده در یک سیم پیچی توزیع شده، حاصل جمع برداری ولتاژهای همه پیچک ها بوده، و از جمع جبری این ولتاژها، کوچکتر است.

 

 

سیم پیچی تک رشته ای ساده تک فاز

 

شکل (۲) سیم پیچی تک رشته ای ساده تک فاز به صورت: a) حلزونی b) حلقوی c) موجی

 

 

  • کاربردهای ژنراتورهای تک فاز بزرگ

 ژنراتورهای تک فاز بزرگ، معمولاً به صورت تجارتی و انبوه ساخته نمی شوند، سهم عمده در بازار متعلق به ژنراتورهای با توان KVA 1 تا KVA ۵ است. این ژنراتورها معمولاً به عنوان مولدهای کمکی برای دستگاه های قابل حمل و یا به عنوان مولدهای کمکی خانگی در هنگام قطع برق شبکه مورد استفاده قرار می گیرند و توان مکانیکی آن ها توسط موتورهای احتراقی، تراکتورها و یا منابع دیگر تأمین می شود.

واحدهای ژنراتوری تکفاز که از یک ژنراتور تکفاز به همراه یک موتور بنزینی تشکیل شده است، نیز متداول بوده و به صورت قابل حمل و یا ثابت ساخته می شوند.

این واحدها در جاهایی که قطع برق شبکه خسارت هایی را به دنبال دارد، اهمیت ویژه ای دارند. مثلا یک واحد سردخانه را در نظر بگیرید که دارای چند صد کیلوگرم گوشت در یخچال های آن است، واضح است که در هنگام قطع برق شبکه و فقدان مولد کمکی این واحد خسارات زیادی را متحمل می شود.

 

 

  • تولید ولتاژ دوفاز

در شکل (۳) یک حلقه سیم دیگر که دو انتهای آن به دو حلقه لغزان دیگر متصل شده است، به آن اضافه شده است. زاویه مکانیکی بین این دو حلقه (در یک ماشین دو قطب) ۹۰ درجه است، و هنگامی که ولتاژ حلقه اول در مقدار حداکثر خود قرار دارد، ولتاژ حلقه دوم صفر است و بر عکس.

 

 

حلقۀ ثانویه که با 90 درجه اختلاف زاویه به حلقۀ اصلی اضافه شده است. ولتاژ در هر حلقه طی ربع سیکل یا 90 درجه به حداکثر خود می رسد.

 

شکل (۳) حلقۀ ثانویه که با ۹۰ درجه اختلاف زاویه به حلقۀ اصلی اضافه شده است.

ولتاژ در هر حلقه طی ربع سیکل یا ۹۰ درجه به حداکثر خود می رسد.

 

 

شکل موج این دو ولتاژ در شکل (۴) نشان داده شده است. این ژنراتور را طبق تعریف یک ژنراتور دو فاز می نامند. پس اگر به ژنراتور شکل (۱) یک دسته سیم پیچی دیگر که مشابه با سیم پیچی اول بوده، با این تفاوت که نقطه شروع آن ۳۰ درجه نسبت به نقطه شروع سیم پیچی اول چرخش دارد، اضافه کنیم یک ژنراتور دو فاز به دست می آید.

 

 

نمایش شکل موج تولیدی توسط مدار

 

شکل (۴) نمایش شکل موج تولیدی توسط مدار

 

 

سال ها پیش که صنعت برق نوپا بود، در برخی موارد، از سیستم های دو فاز استفاده می شد. در بحث موتورهای الکتریکی می بینم، ساختار موتورهای دوفاز ساده تر از موتورهای تکفاز است، اما در عوض همچنانکه در شکل (۵) نشان داده شده است، این سیستم ولتاژ نامناسب و غیر استانداردی را بین خطوط خارجی ایجاد می کند، که غیر مفید است. منطقه فیلادلفیا در آمریکا تنها ناحیه ای است که در آن توزیع انرژی دوفاز هنوز هم مورد استفاده قرار می گیرد.

 

 

یک سیستم سه فاز سه سیمه و چهارسیمه

شکل (۵) یک سیستم سه فاز سه سیمه و چهارسیمه که a) فازهای یک موتور دو فاز را تغذیه می کند.

 b) دو فاز به صورت یک سیستم سه سیمه ترکیب شده اند.

 

 

  • تولید ولتاژ سه فاز

شکل (۶) ژنراتوری را نشان می دهد که در آن سه پیچک بر روی یک محور مشترک قرار دارند، زاویه میان نقطه شروع هر کدام از آن ها و پیچک بعدی ۱۲۰ درجه است.

در شکل شش حلقه لغزان نشان داده شده است. با وجود این می توان یک ترمینال از هر پیچک را به عنوان نقطه مشترک (نقطه نول) به یکدیگر وصل کرده و فقط سه ترمینال باقی مانده را به سه حلقه لغزان وصل کرده، آن ها را از ماشین خارج کرد. این نوع اتصال، Y یا ستاره نامیده می شود.

 

 

ژنراتور سه فاز ابتدایی که حلقه هایش 120 درجه اختلاف زاویِۀ مکانی دارند. معمولاً یک سر از هر سیم پیچ به هم متصل می شوند، به گونه ای که تنها به سه حلقه لغزنده نیاز است.

 

شکل (۶) ژنراتور سه فاز ابتدایی که حلقه هایش ۱۲۰ درجه اختلاف زاویِۀ مکانی دارند.

معمولاً یک سر از هر سیم پیچ به هم متصل می شوند، به گونه ای که تنها به سه حلقه لغزنده نیاز است.

 

 

 

مقالات مرتبط