این احتمال وجود دارد که از خود سوال کنید ژنراتور سنکرون چیست؟ ژنراتور سنکرون به ژنراتور القایی گفته می شود که سرعت ژنراتور با فرکانس ۵۰ هرتزی اش هم گام است. هم گام بودن سرعت و فرکانس ۵۰ هرتزی منجر شده تا به این ژنراتور القایی ژنراتور سنکرون گفته شود. در ادامه به بررسی کلی عملکرد ژنراتور سنکرون می‌پردازیم.
ساختار ژنراتور سنکرون (القایی)
ژنراتور سنکرون بخشی با نام «روتور» دارد که خود روتور در دو حالت «سیم پیچ» یا «مغناطیس دائم» یا به اختصار”PMG”ساخته شده است. روش کار ژنراتور سنکرون به این شکل است که ابتدا جریان dc را به بخش سیم پیچ روتور منتقل می‌کنند تا منجر به ایجاد یک میدان مغناطیسی شود. پس از چرخش روتور در سرعت نامی، میدان دواری شکل گرفته و این میدان دوار پس از برخورد با سیم پیچ‌های استاتور عمل القا را انجام می دهد. به این معنی که القای ولتاژ از طریق میدان روتور به سیم پیچ استاتور اتفاق می افتد که در نهایت ولتاژ به جریان تبدیل می شود و جریان خروجی از طریق خود استاتور تامین میشود.
نیروی محرکه برای چرخش روتور، به‌وسیله‌ی موتورهای دیزلی و یا بنزینی تامین میشود که در آخر، چرخش روتور منجر به تولید میدان مغناطیسی میشود. نکته مهم در این بخش این است که عامل انتقال ولتاژ به سیم پیچ استاتور میدان دوار است. میدان مغناطیسی دوار ولتاژ سه فاز را القاء می‌کند تا جریان الکتریسیته تولید شود.
در رابطه با نام گذاری سیم پیچ ها در ماشین سنکرون با دو عبارت مواجه‌ایم که به آن ها سیم پیچ های میدان و سیم‌پیچ‌های آرمیچر گفته میشود. سیم پیچ میدان به سیم پیچ هایی گفته میشود که وظیفه تولید میدان مغناطیسی اصلی را در ماشین برعهده دارد. سیم پیچ آرمیچر نیز به مواردی گفته می شود که القاء ولتاژ اصلی را انجام دهد. محل قرارگیری سیم پیچ میدان در ماشین سنکرون، درون همان سیم پیچ روتور است.
جالب است بدانید که روتور در ژنراتور سنکرون، نقش یک آهن‌ربای الکتریکی بزرگ را ایفا می‌کند که می‌تواند قطب‌های مغناطیسی برجسته و غیربرجسته داشته باشد. برجسته بودن قطب‌ها در روتور از بابت ظاهری است و در این جا منظور از برجستگی، برآمده بودن آنها است. قطب برجسته از بابت سطحر با روتور برابر است. اگر روتور برجستگی نداشته باشد، برای مواردی به کار میرود که نیازمند آهن ربای دو یا ۴ قطبی است. این درحالی است که روتورهای دارای برجستگی به عنوان آهن ربای ۴ قطبی مورد استفاده قرار می‌گیرند.
از آن جایی که میدان مغناطیسی روتور به طور دایم در حال تغییر است، برای کاهش تلفات و افزایش بازدهی، روتورها را از لایه‌های نازک می‌سازند. به مدار میدان در روتور باید یک جریان ثابت اعمال کنیم، چرا که روتور در حال چرخش برای انتقال جریان dc به سیم‌پیچ‌های میدان نیازمند آرایش خاصی است.
برای انجام این کار ۲ روش موجود است:
- از یک منبع بیرونی به رتور با رینگ های لغزان و جاروبک.
- فراهم نمودن توان DC از یک منبع توان DC ، که مستقیما” روی شفت ژنراتور سنکرون نصب میشود.
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 لذا روی رینگ ها خوردگی بوجود نمی آورد.
اگر سمت مثبت منبع ولتاژ DC به یک جاروبک و سر منفی به جاروبک دیگر وصل می شود. آنگاه ولتاژ ثابتی به سیم پیچ، جدا از مکان و سرعت زاویه ای آن، میدان درتمام مدت اعمال می شود. رینگ های لغزان و جاروبک ها به هنگام اعمال ولتاژ DC چند مشکل برای سیم پیچ های میدان ماشین سنکرون تولید می کنند آنها نگهداری را در ماشین افزایش می دهند، زیرا جاروبک بایدمرتبا” 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 میرود. زیرا راه اقتصادی تر برای اعمال جریان میدان موجود نیست.
در موتور ها و دیزل ژنراتور، از محرک های بی جاروبک استفاده می شود تا جریان میدان DC را به ماشین برسانند یک محرک بی جاروبک، یک ژنراتور AC کوچکی است که مدار میدان آن روی استاتور و مدار آرمیچر آن روی رتور نصب 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 میگردد.
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 رتور 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، یک محرک پیلوت کوچکی اغلب در سیستم لحاظ میگردد.
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 این به نوبه خود مدار میدان ماشین اصلی را کنترل می نماید. اگر یک محرک پیلوتروی 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 رتور باسرعتی برابر باسرعت میدان مغناطیسی می چرخد، توان الکتریکی با فرکانس ۵۰ یا ۶۰ هرتز تولید می شود و از ژنراتور بسته به تعداد قطب ها باید با سرعت ثابتی بچرخد مثلا” برای تولید توان ۶۰ هرتز در یک ماشین دو قطب رتور باید با سرعت ۳۶۰۰ دور در دقیقه بچرخد. برای تولید توان ۵۰ هرتز در یک ماشین ۴ قطب، رتور باید با سرعت ۱۵۰۰ دور دردقیقه دوران کند.
سرعت مورد نیاز یک فرکانس مفروض همیشه از معادله زیر قابل محاسبه است:
- فرکانس
- سرعت مکانیکی
- تعداد قطب ها
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 چندین فاکتور ، عامل اختلاف بین این دو هست:
- اعوجاج موجود در میدان 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 ها ی برجسته رتور.
وقتی یک ژنراتور کار می کند و بار های سیستم را تغذیه می کند آنگاه:
- توان مستقیم و رآکتیو تولیدی بوسیله ژنراتور برابر با مقدار توان تقاضا شده بوسیله بار متصل شده به آن است.
- نقاط تنظیم گاورنر ژنراتور، فرکانس کار سیستم قدرت را کنترل می نماید.
- جریان میدان ( یانقاط تنظیم رگولاتور میدان ) ولتاژ پایانه سیستم قدرت را کنترل می نماید.
این وضعیتی است که در ژنراتورهای جدا و به فواصل دور از هم وجود دارد.
نتیجه گیری
در نتیجه، ژنراتور سنکرون یک دستگاه تولید انرژی است که با استفاده از اصول الکترومغناطیس، انرژی مکانیکی را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند. این ژنراتورها با تنظیم سرعت چرخشی به شکل هماهنگ با فرکانس شبکه برق محلی، به صورت بهینه‌تر انرژی تولید می‌کنند و از سازه‌ها و قطعاتی که برای حفظ هماهنگی استفاده می‌شوند، به عنوان ژنراتورهای سنکرون شناخته می‌شوند. این دستگاه‌ها نقش اساسی در انتقال انرژی الکتریکی از نیروگاه‌ها به شبکه برق و در نهایت تأمین برق برای مصارف مختلف، از جمله خانه‌ها و صنعت، را ایفا می‌کنند.
