آلترناتور یا ژنراتور تک چیست؟
ژنراتور تک (ژنراتور بدون موتور) یا آلترناتور (Alternator) به قطعه ای الکترونیکی گفته می شود که با انرژی مکانیکی به دست آمده از موتور می تواند برق تولید کند. ژنراتور که به آن آلترناتور یا سیم پیچ نیز گفته می شود، جزء قطعه های اصلی در دیزل ژنراتورها ژنراتورهای گازی و بنزینی می باشد که در فرآیند کوپله کردن و مونتاژ کردن به موتور، به دستگاه خروجی برق تبدیل می شود. معمولا ژنراتور با هر انرژی مکانیکی به دست آمده مانند موتورهای احتراقی، توربین های گازی، آبی، بادی، بخار و غیره در یک مدار خارجی می تواند آن را به انرژی الکتریکی تبدیل کند.
تقسیم بندی آلترناتورها بر اساس معیارهای متفاوتی انجام می شود که در ادامه ذکر شده است:
- دسته بندی اول بر حسب تعداد فاز است که ژنراتور تک یا الترناتور به دو دسته تکفاز و سه فاز تقسیم می شود. بسته به نوع ورودی و خروجی، عمدتا ژنراتور های تک فاز در ولتاژهای خروجی 120 و 240 ولت (برق تکفاز) و ژنراتورهای 3 فاز در ولتاژهای خروجی 380 و 400 ولت (برق سه فاز) برق تولید می کنند.
- دسته بندی دوم بر حسب نوع سیستم داخلی است که یا بدون سیم پیچی (ذغالی یا جاروبک دار) و یا با سیم پیچی (براشلس) می باشد.
انواع ژنراتور تک
در ادامه به شرح انواع ژنراتور تک می پردازیم:
ژنراتور ذغالی یا جاروبکی چیست؟
ساختار آن به گونه ای است که نیاز به ولتاژ تحریک خارجی دارد. این تحریک خارجی می تواند باتری یا یک منبع تغذیه باشد.
اجزا ژنراتور ذغالی یا جاروبکی
- FAN (قطعه خنک کننده)
- SOURCE POWER TO AVR (خروجی استاتور به AVR)
- AVR (رگولاتور تنظیم ولتاژ)
- STATOR (قطعه ثابت موتور)
- ROTOR (قطعه متحرک موتور)
- SUPPLY (ورودی ولتاژ تحریک)
- EXCITER (محرک یا تحریک کننده)
- RECTIFIER (مبدل جریان مستقیم به جریان متناوب)
- PMG (سنسور دور شفت)
در ژنراتور ها معمولا 4 روش تحریک برای راه اندازی ژنراتورهای ذغالی وجود دارد که روش بالا نمونه شنت یا خود تحریک می باشد. در بین چهار روش تحریک عادی ژنراتورها، از یک رگولاتور ولتاژ اتوماتیک یا همان (AVR) استفاده می شود. در واقع رگولاتور، ولتاژ اتوماتیک را برای تامین کردن خروجی DC یا برای جریان مستقیم به جهت تحریک کردن استاتور استفاده می کند.
معمولا ژنراتورهای ذغالی از لحاظ کوپلینگ به ژنراتورهای دو سر بلبرینگ (TWOBEARINGS) یا شفت دار تقسیم می شوند. این ژنراتورها در زمان کوپل شدن با موتورها هزینه های زیادی به همراه خواهند داشت زیرا در زمان نصب با موتور نیازمند واسطه کوپله نیز هستند.
ژنراتور براشلس چیست؟
ژنراتور براشلس (بدون جاروبک) یا آهنربا دائم به ژنراتوری اطلاق می شود که با بهره گیری از مغناطیس دائم که به روتور متصل است جهت تحریک می شود و در این نوع از ژنراتورها نیازی به ذغال نداریم.
ژنراتورهای براشلس از لحاظ نوع کوپلینگ به دو نوع تقسیم می شوند:
- تک سر بلبرینگ (صفحه ای): به ژنراتوری گفته می شود که مستقیم (بدون واسطه) به موتور کوپله می شود.
- دو سر بلبرینگ (شافت دار): به ژنراتوری گفته می شود که در زمان کوپله با موتور به واسطه کوپلینگ نیاز دارد.
مقایسه ژنراتور های ذغالی و براشلس
- قیمت: معمولا ژنراتورهای براشلس به دلیل وجود سیم پیچ در آنها، گران تر از ژنراتورهای ذغالی می باشند.
- طول عمر: ژنراتورهای ذغالی به نسبت ژنراتورهای براشلس عمر کمتری دارند.
- ابعاد: ژنراتورهای براشلس از نظر ابعاد کوچک تر از ژنراتورهای ذغالی می باشند.
اجزای اصلی آلترناتور
انواع ژنراتورهای برق از یک قسمت چرخان و متحرک به اسم روتور و از یک قسمت ثابت به اسم استاتور تشکیل شده اند.
- روتور
به قطعه ای دوار یا متحرک گفته می شود که در درون ساختار ژنراتور، نیروی مکانیکی دوار خروجی موتور را دریافت کرده و با چرخش خودحول محور مشخص و محور آرمیچر باعث ایجاد میدان مغناطیسی شده که این میدان باعث القای نیروی الکترومغناطیس در سیم پیچی آلترناتور می شود.
آرمیچر: منظور از آرمیچر، آهن ربای دائم کار در مدل های براشلس و نمونه تحریک پذیر در مدل های ذعالی می باشد.
کموتاتور: وسیله ای فلزی که از جنس برنج یا مس بوده و ذغال های جاروبک بر روی آن قرار دارند. وظیفه آن انتقال ولتاژ تحریک به سیم پیچی درونی روتور است. هر کدام از صفحات موازی کوموتاتور به کلاف سیم پیچ مقابل خود متصل بوده و با آرایش و قطب بندی آهن ربای الکترومغناطیس القایی رابطه داشته که در نهایت با طرح متوالی قطب های N و S درون ساختار سیم پیچ موجب القای الکترومغناطیس در ساختار استاتور می شود.
جاروبک: به قطعات کربنی یا اصطلاحا ذغالی گفته می شود که حامل ولتاژ تحریک بوده و با اتصال خود به سطح کوموتاتور، مدار را کامل می کنند.
جارو نگهدار: وسیله ای است که موجب اتصال صحیح قطعات ذغال جاروبک به سطح کوموتاتور می شود و محافظت از آن را بر عهده دارد.
- استاتور
به قسمت ثابت ژنراتور، استاتور گفته می شود که از چند لایه فلزی به شکل یک استوانه تو خالی ساخته شده است. استاتور دارای مش بندی و کلاف سیم مسی لاکی بوده که با محاسبات دقیق، ولتاژ تحریک درون روتور را به ولتاژ خروجی مورد نظر تبدیل می کند.در حالت کلی وظیفه استاتور تامین ولتاژ خروجی استاندارد بوده که در ژنراتورهای کوچک ولتاژ خروجی مستقیم یا متناوب به وسیله قطعه رکتیفایر صورت می پذیرد.
کلاف: به رشته های تنیده شده، سیم مسی گفته می شود.
رکتیفایر: به قطعه ای گفته می شود که ولتاژ خروجی متناوب را به ولتاژ مستقیم یا بالعکس تبدیل می کند.
روتور با چرخش خود که نیروی دورانی خود را از یک منبع خارجی به دست آورده است، درون فضای خالی استاتور که به فضای هوایی معروف است، باعث القای جریان الکترومغناطیسی تحریک به سیم پیچ استاتور می شود.
- یاتاقان بندی
بهترین جزء در یاتاقان بندی، بلبرینگ می باشد که در مرکز درب های ژنراتور قرار می گیرد.
بلبرینگ: به قطعه ای گفته می شود که موجب تراز بندی روتور در ساختار استاتور شده، نیروهای شعاعی و محوری را تحمل کرده و موجب می شود قطعات دوار و ثابت در کنار یکدیگر به صورت استاندارد قرار گیرند.
- رگولاتور ولتاژ (AVR)
رگولاتور ولتاژ یا همان AVR (Automatic Voltage Regulator) به قطعه ای گفته می شود که در واقع خروجی ولتاژ ژنراتور را بررسی می کند.
وظایف رگولاتور ولتاژ یا همان AVR
- بررسی خروجی خطاها
- سیستم حفاظتی خروجی
- تنظیم ولتاژ
- نوسان ولتاژ در خود ساختار ژنراتور
- تنظیم ولتاژ در خروجی
- پوسته: پوسته یا کیسینگ به قطعه ای گفته می شود که ضمن در کنار یکدیگر قرار دادن قطعات درونی ژنراتور موجب حفاظت فیزیکی این قطعات در مقابل عوامل مخرب مانند ضربه، گرد و غبار، نور آفتاب و رطوبت می شود.
- پروانه خنک کن: به قطعه ای گفته می شود که با چرخش خود که به شفت اصلی متصل است باعث گردش جریان هوا درون ساختار ژنراتور شده و میزان انتقال حرارت را بالا برده و موجب خنک شدن ساختار درونی ژنراتور می شود.
مولد های AC یا آلترناتورها
مولدهای AC یا آلترناتور ها درست مثل مولد های DC براساس القاء الکترومغناطیس کار می کنند و شامل یک سیم پیچ آرمیچر و یک میدان مغناطیسی هستند. اما یک اختلاف مهم بین این دو وجود دارد. در ژنراتور های DC آرمیچر چرخیده می شود و سیستم میدان ثابت است اما در آلترناتور ها آرایش بر عکس وجود دارد.
آلترناتور یک ژنراتور ساده بدون کموتاتور است جریان الکتریکی متناوب تولید می کند. چنین جریان متناوبی برای انتقال توان الکتریکی مزیت زیادی دارد و از این رو بیشتر ژنراتور های الکتریکی بزرگ از نوع AC هستند. ژنراتور AC در دو حالت خاص با ژنراتور DC فرق می کند. پایانه های سیم پیچ آرمیچرش بیرون هستند. برای حلقه های لغزان جزئی شده جامد روی شفت (میله) ژنراتور به جای کموتاتور و سیم پیچ های میدان توسط یک منبع DC خارجی تغذیه انرژی می شود تا اینکه توسط خود ژنراتور این کار انجام شود. ژنراتور های AC سرعت پایینی دارند و با تعداد زیادی قطب در حدود 100 قطب ساخته می شوند، هم برای بهبود بازه و هم برای دست یافتن به فرکانس دلخواه به آسانی. آلترناتور ها با توربین های سرعت بالا راه اندازی می شوند. فرکانس جریان گرفته شده توسط ژنراتور AC مساوی است با نیمی از تعداد قطب ها و تعداد چرخش آرمیچر در ثانیه.
بخاطر احتمال جرقه زنی بین جاروبک ها و حلقه های لغزان و خطر شکست های مکانیکی ممکن است سبب اتصال کوتاه شود. آلترناتور ها به یک سیم پیچ ساکن که به دور یک روتور می چرخد ساخته می شوند. این روتور شامل تعدادی آهنربای مغناطیسی میدان هستند. اصل عملکرد آنها نیز دقیقا مشابه عملکرد ژنراتور های AC توصیف شده اند.
ژنراتور با ولتاژ بالا
ژنراتور های با ولتاژ بالا بدون نیاز به ترانسفورماتور افزاینده بطور مستقیم به شبکه قدرت متصل می گردد. ایده جدید بکار گرفته شده در این طرح استفاده از کابل به عنوان سیم پیچ استاتور می باشد. ژنراتور ولتاژ بالا برای هر کاربرد در نیروگاه های حرارتی و آبی مناسب می باشد. راندمان بالا، کاهش هزینه های تعمیر و نگهداری، تلفات کمتر، تاثیرات منفی کمتر بر محیط زیست (با توجه به مواد بکار رفته) از مزایای این نوع ژنراتور می باشد. ژنراتور ولتاژ بالا در مقایسه با ژنراتور های معمولی در ولتاژ بالا و جریان پائین کار می کند. ماکزیمم ولتاژ خروجی این ژنراتور با تکنولوژی کابل محدود می گردد که در حال حاضر با توجه به تکنولوژی بالای ساخت کابل ها می توان ولتاژ آن را تا سطح 400 کیلوولت طراحی نمود. هادی استفاده شده در ژنراتور ولتاژ بالا بصورت دوار می باشد در حالیکه در ژنراتور های معمولی این هادی مثلثی است. در نتیجه میدان الکتریکی در ژنراتور های ولتاژ بالا یکنواخت تر می باشد. ابعاد سیم پیچ بر اساس ولتاژ سیستم و ماکزیمم قدرت ژنراتور تعیین می گردد. در ژنراتور های ولتاژ بالا لایه خارجی کابل در تمام طول کابل زمین می گردد، این امر موجب می شود که میدان الکتریکی در طول کابل محدود گردد و دیگر مانند ژنراتور های معمولی نیاز به کنترل میدان در ناحیه انتهایی سیم پیچ نباشد.
تخلیه جزیی (Partial Discharge) در هیچ ناحیه ای از سیم پیچ وجود ندارد و ایمنی افراد بهره بردار و یا تعمیرکار افزایش می یابد. سربندی ها و اتصالات معمولا در فضای خالی در دسترس در محل انجام می گیرد، بنابراین محل این اتصالات در یک نیروگاه نسبت به نیروگاه دیگر متفاوت می باشد. اما در هر حال این اتصالات خارج از هسته استاتور هستند. برای مثال اتصالات و سربندی ها ممکن است زیر ژنراتور یا خارج از قاب استاتور (Stator Frame) انجام گیرد. بدین ترتیب اتصالات و سربندی ها، مشکلات ناشی از ارتعاشات و لرزش های بوجود آمده در ماشین های معمولی را نخواهند داشت.
در طرح کنونی ژنراتور ولتاژ بالا دو نوع سیستم خنک کنندگی وجود دارد. روتور و سیم پیچ های انتهایی توسط هوا خنک می گردند در حالی که استاتور توسط آب خنک می گردد. سیستم خنک کنندگی آب شامل لوله های XLPE قرار گرفته شده در هسته استاتور می شود. آب از این لوله ها جریان می یابد و هسته استاتور را خنک نگه می دارد.
مقایسه جریان اتصال کوتاه در نیروگاه مجهز به ژنراتور ولتاژ بالا با نیروگاه مجهز به ژنراتور معمولی نشان می دهد که چون در نیروگاه با ژنراتور ولتاژ بالا راکتانس ترانسفورماتور حذف می گردد جریان های خطا کوچکتر هستند.
ژنراتور القایی
ژنراتور القایی نوعی ژنراتور الکتریکی است که به لحاظ مکانیکی و الکتریکی شبیه به موتور القایی است. ژنراتور های القایی هنگامی که شافتشان از فرکانس سنکرون موتور القایی معادل سریع تر بچرخد، توان الکتریکی تولید می کنند. ژنراتور های القایی غالبا در توربین های باد و برخی سازه های آبی میکرو استفاده می شوند. نسبت به ژنراتور های نوع دیگر، ساده تر هستند. این ژنراتورها نیرومند بوده و نیاز به شانه و جابجاگر ندارند.
ژنراتور های القایی خودالقا کننده نیستند، این به معنی این است که نیاز به یک منبع خارجی برای تولید شار دوار مغناطیسی است و به توان مورد استفاده برای این کار، جریان باز فعال (Reactive) گفته می شود. منبع خارجی می تواند از شبکه الکتریکی یا از خود ژنراتور تأمین شود. شار مغناطیسی دوار استاتور، باعث القای جریان در روتور و تولید میدان مغناطیسی می شود. اگر روتور با سرعتی کمتر از نرخ شار دوار بچرخد، ماشین مانند یک موتور القایی کار می کند. در صورتی که موتور تندتر بچرخد، مانند ژنراتور کار می کند و در فرکانس سنکرون، توان تولید می کند. مشکل رایج این ژنراتورهای القایی در توربین باد، دنده است. معمولاً موتورهای القایی برای کار کردن در سرعت های بیشتر از 1500 دور بر دقیقه برای همگام شدن، نیاز به دنده دارند.
جایگزین های مغناطیس دائم
جایگزین های مغناطیس دائم (PMA) از یک مجموعه آهنرباهای الکتریکی و یک مجموعه آهنرباهای دائم تشکیل شده است. معمولا آهنرباهای دائم بر روی روتور و آهنرباهای الکتریکی بر روی استاتور سوار می شوند. موتورهای آهنربایی دائم و تکنولوژی ژنراتور در چند سال اخیر پیشرفت بسیار زیادی کرده است و آهنرباهای زمینی کمیابی ساخته شده اند. معمولا کویل ها در سه فاز استاندارد Why یا Delta سیم پیچی می شوند.
جایگزین های مغناطیس دائم می توانند بسیار پربازده و در محدوده بین 60 تا 95 درصد باشد. ژنراتور برخلاف موتور نیاز به کنترل سه فازی ندارد. به راحتی می توان توان آنها را یکسو کرده و بانک باتری را شارژ کرد.
موتور Brushed DC
موتورهای Brushed DC معمولا برای ساخت توربین های بادی خانگی استفاده می شوند. در موتور Brushed DC، آهنرباهای الکتریکی روی روتور با توان ورودی جابجاگر (Commutator) می چرخند. این عمل باعث ایجاد توان خروجی یکسو شده می شود. یک موتور Brushed DC می تواند راندمان خوبی تا 700 درصد داشته باشد.
مزایایی بسیاری در استفاده از موتور Brushed DC وجود دارد. یکی از این مزایا، عدم نیاز به دنده و شارژ باتری حتی در باد کم است. همچنین این موتور ها به راحتی یافت می شوند.
تاریخچه ژنراتور
ژنراتور به عنوان اولین مولد مغناطیسی توسط مایکل فارادی دانشمند انگلیسی در سال 1831 اختراع شد. مدتی بعد ژنراتورهای پیشرفته تری که تقریبا تمامی برق مصرفی را تولید می کردند، توسط لرد کلوین و سباستین فرانتی تولید شدند که قابلیت تولید فرکانس هایی بین 100 تا 300 هرتز را داشتند.
دیـــدگاهها
شما هم درباره این کالا دیدگاه ثبت کنید.