تولید ولتاژ توسط ژنراتور

 

انواع ژنراتور یا مولد الکتریکی

 

  • پدیده القای الکترومغناطیس و تولید ولتاژ در ژنراتور

ولتاژ در یک ژنراتور توسط یک شار مغناطیسی در حال تغییر در ارتباط با یک سیم پیچ رسانا تولید می شود. پدیده القای الکترومغناطیس بیان می کند که یک رسانا در میدان مغناطیسی متغیر با زمان، نیروی محرکه الکتریکی تولید می کند. تغییر میدان مغناطیسی در اثر دو عامل جریان متناوب و یا حرکت سرعتی رسانا و میدان ایجاد می شود.

 

القای-الکترومغناطیس

 

دو روش برای تغییر میدان مغناطیسی وجود دارد، یا میدان مغناطیسی در اطراف یک هادی ثابت (ساکن) بچرخد یا هادی در درون یک میدان مغناطیسی به گردش درآید. در هر دو حالت خطوط میدان مغناطیسی که بر روی هادی اعمال شده تغییر می کند و جریان الکتریکی را در هادی القا می کند.

چگونگی-تولید-ولتاژ-در-ژنراتور

 

 


بیشتر بخوانید:

اساس کار موتور الکتریکی

مقایسه و بررسی انواع موتور الکتریکی

بررسی عملکرد موتور سنکرون


 

  • ساختار ژنراتور

در شکل زیر اجزای یک مدل ژنراتور سه فاز AC را مشاهده می کنید.

 

اجزای-یک-ژنراتور-سه-فاز-AC-قطب-مخفی
                                                                                             اجزای یک ژنراتور سه فاز AC قطب صاف

 

  • تفاوت ژنراتور رتور قطب برجسته و قطب صاف

ساختار رتور استوانه ای به دو صورت قطب صاف و قطب برجسته است. رتور قطب برجسته که در آن قطب ها به صورت برجسته تر از سطح رتور مشهود هستند. از این نوع رتورها برای ژنراتورهای 4 قطب یا بیشتر استفاده می شود. در رتور قطب صاف، قطب ها هم سطح رتور هستند و در ژنراتور سنکرون  و توربوژنراتورهای 2 یا 4 قطبی استفاده می شوند. 

رتورهای قطب برجسته در در ژنراتورهای هیدرولیکی و کم سرعت چند قطبی استفاده می شوند. رتورهای قطب برجسته به طور مثال در ماشین های سرعت کم مانند نیروگاه های آبی استفاده می شوند. رتورهای قطب صاف در ژنراتورهای با سرعت بالا کاربرد دارند. در شکل زیر به خوبی تفاوت ساختار رتور قطب برجسته و رتور قطب صاف (قطب مخفی) در ژنراتور نشان داده شده است. 

 

تفاوت-ساختار-رتور-قطب-برجسته-و-قطب-صاف-در-ژنراتور

 

  • انواع ژنراتور

1- ژنراتور AC

2- ژنراتور DC

 

 

ژنراتور AC

 

ژنراتور AC یا آلترناتور ژنراتوری است که انرژی مکانیکی را به انرژی الکتریکی AC تبدیل می کند. این ژنراتور برای تولید جریان متناوب با فرکانس 50 یا 60 هرتز طراحی شده است. در ژنراتور AC از یک هادی یا حلقه سیم در یک میدان مغناطیسی که توسط یک الکترومغناطیس تولید شده، تشکیل شده است. دو انتهای حلقه به حلقه های لغزان متصل می شود و با دو جاروبک در تماس هستند.این حلقه ها از طریق جاروبک ها جریان مدار را فراهم می کنند. هنگامی که حلقه چرخانده شود، خطوط مغناطیسی نیرو را قطع می کند، (ابتدا در یک جهت و سپس در جهت دیگر).

اساس-و-ساختار-ژنراتور-AC

هنگامی که حلقه در حالت عمودی (صفر درجه) قرار دارد، سیم پیچ به موازات میدان حرکت می کند و خطوط مغناطیسی نیرو را قطع نمی کند. در این زمان هیچ ولتاژی ناشی از حلقه تولید نمی شود. با چرخش سیم پیچ در خلاف جهت عقربه های ساعت، وجوه سیم پیچ، خطوط مغناطیسی نیرو را در جهت مخالف قطع می کند.

 

 

جهت ولتاژهای القایی به جهت حرکت سیم پیچ بستگی دارد:

  • ولتاژهای القایی به صورت سری اضافه می شوند، و حلقه لغزان X را  مثبت + و حلقه لغزان Y را منفی  –  می کنند.
  • پتانسیل موجود در مقاومت R باعث می شود، جریان الکتریکی از Y به X از طریق مقاومت جریان یابد.
  • در صورت افقی بودن سیم پیچ نسبت به خطوط مغناطیسی نیرو (90 درجه)،  این جریان تا رسیدن به جریان ماکزیمم افزایش می یابد.
  • سیم پیچ افقی به صورت عمود بر میدان حرکت می کند و بیشترین تعداد خطوط نیروی مغناطیسی را قطع می کند.

 

نمودار-سینوسی-ولتاژ-در-ژنراتور-AC

 

با ادامه چرخش سیم پیچ، ولتاژ و جریان القایی تا رسیدن به صفر کاهش می یابد تا جایی که سیم پیچ دوباره در حالت عمودی قرار (180 درجه) قرار بگیرد. در نیمه دیگر دوران ولتاژ معادل تولید می شود، فقط پلاریته قطب عکس می شود (270 و 360 درجه). معکوس شدن تناوبی پلاریته منجر به تولید ولتاژ می شود. چرخش 360 درجه ای سیم پیچ منجر به خروجی موج سینوسی  AC می شود.

عملکرد-و-نمودار-جریان-ژنراتور-سه-فاز-AC

 

ژنراتور DC

 

ژنراتور DC نیز نوعی از ژنراتور است که انرژی مکانیکی را به انرژی الکتریکی DC تبدیل می کند. جریان القایی در هادی های آرمیچر به طور طبیعی، متناوب است و با استفاده از کموتاتور (حلقه رسانای استوانه ای لغزان) به DC تبدیل می شود.

کموتاتور یک حلقه رسانای استوانه ای لغزان دارای شکاف است که به آرمیچر متصل می شود و باعث سوئیچینگ (تغییر) جریان می شود. کموتاتور  در ژنراتور DC، جریان را از آرمیچر دوار گرفته و آن را به صورت جریان مستقیم به بار می فرستد. در واقع وظیفه کموتاتور در ژنراتور DC جمع کردن و گرفتن جریان است. جاروبک ها در ژنراتور DC جریان را از کموتاتور می گیرند و به مدار منتقل می کنند.

عملکرد-و-نمودار-جریان-ژنراتور-DC

در ژنراتور DC دو انتهای حلقه سیم به کموتاتور متصل می شود. با چرخش حلقه سیمی در میدان مغناطیسی، حلقه شکاف دار کموتاتور می چرخد؛ هر نیمه حلقه شکاف دار با جاروبک ها در تماس است. جاروبک ها مدار خارجی را به سیم دوار متصل می کنند. مقدار ولتاژ القایی بر اساس زاویه حرکت سیم نسبت به خطوط شار است، زیرا مقدار خطوط شار که سیم قطع می کند به زاویه حرکت بستگی دارد.

در نیمه دوم تغییرات، جاروبک ها به کموتاتور مخالف سوئیچ می کنند و همین امر باعث می شود که پلاریته ولتاژ خروجی تغییر نکند. وقتی تعداد حلقه ها به دو یا چند حلقه افزایش یابد، میانگین ولتاژ افزایش یافته و باعث ریپل نرم تر می شود.

 

نمودار-ولتاژ-در-ژنراتور-DC

 

در ژنراتور DC جاروبک ها سریع تر فرسوده می شوند. ژنراتورهای DC دارای مشخصه های کاری و قابل کنترل هستند. شکل زیر تفاوت ساختار ژنراتورهای AC و DC را به خوبی نشان می دهد.

تفاوت-ژنراتور-AC-و-DC

ژنراتور های جریان مستقیم از نظر مدار تحریک با مدار آرمیچر در چند دسته مطابق تصویر زیر طبق بندی می شوند.

 

انواع-ژنراتورهای-DC

 

مدار معادل ژنراتور DC یا جریان مستقیم با تحریک مستقل

در ژنراتور تحریک مستقل ارتباط الکتریکی بین مدار آرمیچر و مدار تحریک موجود نیست و سیم پیچی تحریک از طریق منبع ولتاژ مستقل تغذیه می شود.

ژنراتور-تحریک-مستقل

  • کاربرد ژنراتورهای تحریک مستقل

این نوع ژنراتورها از نظر پایداری ولتاژ در ازای تغییر جریان بار، بسیار مناسب هستند. در واقع می توان گفت تقریباً دارای ولتاژ ثابت هستند. کاربرد این ژنراتورها در نیروگاه های برق و تغذیه تحریک ژنراتورهای AC است. هم چنین به منظور شارژ باتری نیز از این نوع ژنراتور بهره گرفته می شود.

 

مدار معادل ژنراتور DC شنت

مدار سیم پیچ تحریک، موازی با مدار سیم پیچی آرمیچر ارتباط داده می شود. کاربرد ژنراتور شنت بیش از ژنراتورهای تحریک مستقل است. زیرا به منبع ولتاژ مستقل برای تحریک نیازی ندارد. هم چنین جریان بار و جریان تحریک از طریق سیم پیچ آرمیچر ژنراتور شنت تأمین می شود. به سیم پیچ آرمیچر ژنراتور شنت نسبت به ژنراتور تحریک مستقل جریان بیشتری وارد می شود. بنابراین افت ولتاژ ناشی از مقاومت سیم پیچی آرمیچر و اثرات مغناطیسی آرمیچر بیشتر می شود.

ژنراتور-تحریک-شنت

  • کاربرد ژنراتور شنت

از این نوع ژنراتورها نیز برای شارژ باتری ها و هم چنین به منظور تحریک ژنراتورهای نیروگاه ها استفاده می شود.

 

ژنراتور جریان مستقیم DC با تحریک سری

در ژنراتور DC سری مدار تحریک با مدار آرمیچر به صورت سری قرار می گیرند. بنابراین جریان سیم پیچ تحریک و جریان آرمیچر با هم برابر است و عبور جریان آرمیچر از سیم پیچ تحریک موجب تأمین ولتاژ سیم پی تحریک می شود.

ژنراتور-تحریک-سری

  • کاربرد ژنراتور DC سری

از این نوع ژنراتور به دلیل عدم پایداری ولتاژ در ازای تغییر بار در پایانه های آن، نمی توان به عنوان یک منبع ولتاژ ثابت مناسب استفاده کرد و درصد تنظیم ولتاژ بالایی نیاز دارد. بنابراین این نوع ژنراتور کاربرد چندانی ندارد.

 

 

ژنراتورهای DC با تحریک کمپوند

این دسته از ژنراتورهای DC با توجه به نوع اتصال سیم پیچی های تحریک شنت و سری و سیم پیچ آرمیچر در دسته های زیر قرار می گیرند.

    • ژنراتور کمپوند اضافی
    • ژنراتور کمپوند نقصانی
    • ژنراتور کمپوند شنت بلند
    • ژنراتور کمپوند شنت کوتاه

 

مدار الکتریکی معادل ژنراتور کمپوند شنت بلند

ژنراتور-کمپوند-شنت-بلند
                                   مدار الکتریکی معادل ژنراتور کمپوند شنت بلند

 

 

مدار الکتریکی معادل ژنراتور کمپوند شنت کوتاه

 

ژنراتور-کمپوند-شنت-کوتاه
                         مدار الکتریکی معادل ژنراتور کمپوند شنت کوتاه

 

  • ژنراتور تک فاز و آرایش سیم پیچی آن

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 مناسب تر و عملی تر ژنراتور، در شکل زیر 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.

 

 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. به طور مثال 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، سیم پیچ های متمرکز این سیم پیچی طوری به یکدیگر وصل می شوند، که ولتاژهای القاء شده در همه آن ها به یکدیگر اضافه شوند و 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 می گیرند.

سه نوع سیم پیچی متداول برای این ماشين ها در شکل زیر نشان داده شده است. واضح است که ولتاژهای القاء شده در سیم پیچ 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 سیم پیچ 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 سیم پیچ ها بوده، و از جمع جبری این ولتاژها، کوچکتر است.

سیم پیچی تک رشته ای ساده تک فاز

 

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

 


در وبلاگ الیکا الکتریک مطالب مرتبط را دریابید

بیشتر بخوانید:

روش های کنترل دور موتور DC

راه اندازی موتور الکتریکی تک فاز


 

  • کاربرد 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 تک فاز که از یک ژنراتور تک فاز 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 زیر 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.

 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 موج این دو ولتاژ در شکل زیر نشان داده شده است. این ژنراتور را طبق تعریف یک ژنراتور دو فاز می نامند. پس اگر به ژنراتور تک فاز 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

 

 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 تک فاز است، اما در عوض همچنان که در شکل زیر 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

 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.

 

 

  • ژنراتور سه فاز

ژنراتور سه فاز شامل 6 سیم پیچ رساناست که در یک میدان مغناطیسی متغیر قرار می گیرند. سه فاز ولتاژ با زاویه فاز 120 درجه از یکدیگر قرار دارند. شکل زیر ژنراتوری را نشان می دهد که در آن سه سیم پیچ بر روی یک محور مشترک قرار دارند، زاویه میان نقطه شروع هر کدام از آن ها و پیچک بعدی ۱۲۰ درجه است.

در شکل حلقه لغزان نشان داده شده است. با وجود این می توان یک ترمینال از هر سیم پیچ 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.

 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.

 

عملکرد-ژنراتور-AC-سه-فاز

 

نمودار-ژنراتور-AC-سه-فاز

 

 

در صورتی که سوالی در خصوص مطالب بیان شده دارید می توانید در قسمت نظرات از ما بپرسید یا با ارائه پیشنهادات خود، ما را در بالا بردن کیفیت مقالات یاری کنید. 

مقالات مرتبط

10 نظرات

  1. سعید

    پاسخ دادن

    سلام ی کتاب ب من معرفی کنید درمورد مراحل ساخت ژنراتور مثلاننو اهن ربا تعداد قطب های استاتور سط مقتع سیم پیچی و تعداد حلقه های سیم پیچی شده قطبها و برای تولید ولتاژ و امپر معینی چه چیزی روی اون تاثیر داره لطفا کمک کنید من تعمیرگاه موتورسیکلت دارم میخوام تغییراتی در ولتاژ و امپر بدهم

    27 مارس 2020
  2. شایان فانی

    پاسخ دادن

    سلام وقت بخیر
    من دنبال تک ژنراتور هستم تا اون رو به یک ژنراتور پایدار تبدیل کنم بدونه نیاز به مصرف سوخت بطور رایگان برق تولید کنه که برق مورد نیاز ۵عدد دستگاه استخراج بیت کوین (ماینر) رو تولید کنه، هر یک از این ماینر ها توانشون ۲۲۰۰ وات و ۱۵آمپر هستن
    لطفاً راهنمایی کنید
    باسپاس

    21 آگوست 2020
    • الیکا الکتریک

      پاسخ دادن

      سلام. روز بخیر
      این کار در ایران خیلی سخته و این طرح در کشورهای پیشرفته هم انجام شده ولی پایدار نیست شما فکر پنل‌های خورشیدی باشید مقرون بصرفه ترین هستش .

      22 آگوست 2020
  3. Moannad

    پاسخ دادن

    درود بر شما
    بسیار عالی و قابل فهم توضیح داده شد.
    ممنونم.🙏
    اگر مقدور هست در مورد ژنراتورهای هیدرولیکی یا دور پایین توضیح بدهید به همراه تصاویر و انیمیشن.
    🙏🌹

    22 آگوست 2020
    • الیکا الکتریک

      پاسخ دادن

      سلام. خوشحالم که این مقاله برای شما مفید بوده. حتما این مقاله رو با محتوای ویدیویی خوب تکمیل می کنیم. ممنون از نظرتون

      22 آگوست 2020
  4. مجید محمدی

    پاسخ دادن

    با عرض سلام و وقت بخیر، بسیار ممنون از مقاله ساده و مفیدتون، راجع به یک ژنراتور میخواستم ازتون تلفنی مشورت بگیرم آیا امکانش هست؟

    8 مارس 2021
    • الیکا الکتریک

      پاسخ دادن

      سلام وقت بخیر.
      خوشحالیم که این مقاله برای شما مفید بود.
      بله حتما می تونین با شماره دفتر تماس بگیرید یا در واتسپ با ما در ارتباط باشید
      ۰۳۱۳۲۶۶۳۸۳۶
      ۰۹۱۲۰۸۶۵۹۷۰

      15 مارس 2021
  5. رضا عبدلی

    پاسخ دادن

    سلام وقت بخیر منبع این مقاله رو میگید؟

    26 مارس 2021
    • الیکا الکتریک

      پاسخ دادن

      سلام وقت شما هم بخیر.
      منابع بسیار زیادی برای این مقاله استفاده شده که عمدتا مقالات خارجی بوده.

      11 آوریل 2021

نظرات