درون ژنراتورهای الکتریکی، ولتاژ از طریق شار مغناطیسی مرتبط با یک سیم‌پیچ ایجاد می‌شود. پدیده القای الکترومغناطیسی نشان می‌دهد که زمانی که یک سیم‌پیچ در یک میدان مغناطیسی متغیر قرار می‌گیرد، نیروی محرکه الکتریکی تولید می‌شود. تغییرات در میدان مغناطیسی می‌تواند به دلیل جریان متناوب یا حرکت سریع سیم‌پیچ در میدان مغناطیسی ایجاد شود.
دو روش برای ایجاد تغییر در میدان مغناطیسی وجود دارد: ابتدا، میدان مغناطیسی می‌تواند در اطراف یک هادی ثابت حرکت کند. دوم، هادی می‌تواند درون یک میدان مغناطیسی به حرکت درآید و تغییرات در خطوط میدان مغناطیسی ایجاد کند که به تبع آن جریان الکتریکی در سیم‌پیچ القا می‌شود.
1. موتور:
- موتور ژنراتور به عنوان محرک اصلی عمل می‌کند و سوخت را به انرژی مکانیکی تبدیل می‌نماید.
- انواع مختلف موتورها مانند موتورهای رفت و برگشتی، بخار، توربین و میکروتوربین ممکن است استفاده شوند.
- سوخت موتور می‌تواند بنزین، گازوئیل، گاز طبیعی، پروپان، بیودیزل، آب، گاز فاضلاب یا هیدروژن باشد.
2. ژنراتور:
- ژنراتور برق تولیدی، انرژی مکانیکی تولید شده توسط موتور را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند.
- ساختمان ژنراتور شامل استاتور و روتور است و جریان الکترومغناطیسی را تولید می‌کند.
3. سیستم سوخت:
- شامل مخزن سوخت، پمپ سوخت، فیلتر سوخت و انژکتور است.
- این سیستم وظیفه جمع‌آوری و انتقال سوخت از مخزن به موتور را بر عهده دارد.
4. تنظیم‌کننده ولتاژ:
- این قسمت برای تنظیم و کنترل ولتاژ تولیدی ژنراتور استفاده می‌شود.
- تنظیم‌کننده ولتاژ برای تنظیم و حفظ ولتاژ خروجی به کار می‌رود.
5. سیستم‌های خنک‌سازی و اگزوز:
- سیستم خنک‌سازی از گرمای بیش از حد جلوگیری کرده و دمای اجزای ژنراتور را تنظیم می‌کند.
- سیستم اگزوز برای دفع گازهای مضر تولید شده از مصرف سوخت به کار می‌رود.
6. سیستم روغن‌کاری:
این سیستم مسئول روان نگه‌داشتن قطعات متحرک ژنراتور و تزریق روغن به نقاط مورد نیاز است.
تعویض منظم روغن و کنترل سطح آن از اهمیت زیادی برخوردار است.
7. سیستم شارژ باتری:
باتری در ابتدای عملکرد ژنراتور جهت شروع به کار مورد استفاده قرار می‌گیرد.
شارژر باتری به شارژ کردن و نظارت بر سطح باتری می‌پردازد.
8. پنل کنترل:
پنل کنترل مسئول کنترل الکتریکی کل سیستم ژنراتور است.
کنترل و نظارت بر ولتاژ، جریان، فرکانس و دیگر پارامترهای مهم بر عهده این بخش است.
9. چارچوب اصلی:
چارچوب یا شاسی موتور ژنراتور، ساختار اصلی است که تمامی اجزای بالا بر روی آن نصب می‌شوند.
این قسمت می‌تواند قابل حمل یا ثابت باشد و تمامی تجهیزات را در بر می‌گیرد.
تفاوت بین رتور قطب برجسته و رتور قطب صاف
رتورهای الکتریکی به دو نوع قطب برجسته و قطب صاف تقسیم می‌شوند. در رتور قطب برجسته، قطب‌ها به صورت برجسته‌تر از سطح رتور قرار می‌گیرند و این نوع رتورها معمولاً در ژنراتورهای ۴ قطبی یا بیشتر استفاده می‌شوند. از طرف دیگر، در رتور قطب صاف، قطب‌ها هم‌سطح با سطح رتور هستند و عمدتاً در ژنراتورهای سنکرون و توربوژنراتورهای ۲ یا ۴ قطبی به کار می‌روند.
رتورهای قطب برجسته بیشتر در ژنراتورهای هیدرولیکی و چند قطبی با سرعت پایین به کار می‌روند، مانند نیروگاه‌های آبی که به سرعت پایین نیاز دارند. اما رتورهای قطب صاف در ژنراتورهای با سرعت بالا مورد استفاده قرار می‌گیرند. این رتورها برای ماشین‌هایی که به سرعت بالا نیاز دارند، مناسب هستند. تصویر زیر تفاوت‌های ساختاری بین رتور قطب برجسته و رتور قطب صاف (قطب مخفی) در ژنراتور را به‌طور دقیق نشان می‌دهد.
ژنراتورها به دو دسته کلی AC و DC تقسیم می‌شوند:
ژنراتور AC یا آلترناتور، دستگاهی است که توان مکانیکی را به توان الکتریکی AC تبدیل می‌کند. این نوع ژنراتور برای تولید جریان متناوب با فرکانس ۵۰ یا ۶۰ هرتز طراحی شده است. ساختار ژنراتور AC شامل یک هادی یا حلقه سیم در یک میدان مغناطیسی تولید شده توسط یک الکترومغناطیس است.
دو انتهای حلقه به حلقه‌های لغزان متصل شده و با دو جاروبک در تماس قرار دارند. این حلقه‌ها از طریق جاروبک‌ها جریان مدار را تأمین می‌کنند. زمانی که حلقه چرخانده می‌شود، خطوط مغناطیسی نیرو را قطع می‌کند، ابتدا در یک جهت و سپس در جهت دیگر.
زمانی که حلقه در وضعیت عمودی (صفر درجه) قرار دارد، سیم‌پیچ موازی با میدان حرکت کرده و خطوط مغناطیسی نیرو را قطع نمی‌کند. در این لحظه، هیچ ولتاژی از حلقه تولید نمی‌شود. اما با چرخش سیم‌پیچ به سمت خلاف جهت عقربه‌های ساعت، سیم‌پیچ خطوط مغناطیسی نیرو را در جهت مخالف قطع می‌کند و این اقدام منجر به تولید ولتاژ می‌شود.
جهت ولتاژهای القایی به جهت حرکت سیم‌پیچ وابسته است:
جهت ولتاژهای القایی به صورت مستقیم تحت تأثیر جهت حرکت سیم‌پیچ قرار دارد. این ولتاژها به صورت سری جمع می‌شوند، به طوری که حلقه لغزان X به عنوان قطب مثبت (+) و حلقه لغزان Y به عنوان قطب منفی (-) عمل می‌کند. بنابراین، پتانسیل موجود در مقاومت R باعث جریان الکتریکی از Y به سمت X از طریق مقاومت می‌شود.
زمانی که سیم‌پیچ به صورت افقی نسبت به خطوط مغناطیسی قرار دارد (در زاویه ۹۰ درجه)، جریان به حداکثر مقدار خود می‌رسد. این وضعیت باعث می‌شود که سیم‌پیچ به صورت عمود بر میدان مغناطیسی حرکت کند و بیشترین تعداد خطوط نیروی مغناطیسی را قطع کند.
با ادامه چرخش سیم‌پیچ، ولتاژ و جریان القایی تا رسیدن به صفر کاهش می‌یابد، تا جایی که سیم‌پیچ دوباره به حالت عمودی (۱۸۰ درجه) برگردد. در نیمه دیگر دوران، ولتاژ با پلاریته معکوس می‌شود (۲۷۰ و ۳۶۰ درجه). این تغییر پلاریته با چرخش ۳۶۰ درجه‌ای سیم‌پیچ، به تولید موج سینوسی AC منجر می‌شود.
ژنراتور DC نوع دیگری از ژنراتورها است که انرژی مکانیکی را به انرژی الکتریکی DC تبدیل می‌کند. جریان القایی که در هادی‌های آرمیچر ایجاد می‌شود، در ابتدا به صورت متناوب است و با استفاده از کموتاتور (حلقه رسانای استوانه‌ای لغزان) به جریان مستقیم (DC) تبدیل می‌شود.
در ژنراتورهای DC، کموتاتور نقش حیاتی در تبدیل جریان متناوب به جریان مستقیم دارد. این حلقه رسانا به گونه‌ای طراحی شده است که به طور مداوم قطب‌های جریان را تغییر داده و جریان DC پایداری را تولید می‌کند. با چرخش آرمیچر در میدان مغناطیسی، ولتاژ القایی در هادی‌های آرمیچر ایجاد می‌شود که توسط کموتاتور به جریان مستقیم تبدیل می‌شود.
این فرآیند باعث می‌شود که ژنراتورهای DC برای کاربردهایی که نیاز به جریان مستقیم دارند، مانند شارژ باتری‌ها و تغذیه سیستم‌های الکتریکی DC، بسیار مناسب باشند.
کموتاتور یک حلقه رسانای استوانه‌ای با شکاف‌هایی است که به آرمیچر متصل شده و تغییرات جریان را ایجاد می‌کند. در ژنراتور DC، کموتاتور وظیفه دارد جریان تولید شده توسط آرمیچر دوار را گرفته و آن را به صورت جریان مستقیم به بار ارسال کند. به عبارت دیگر، کموتاتور در ژنراتور DC مسئول جمع‌آوری و هدایت جریان است. جاروبک‌ها نیز در ژنراتور DC جریان را از کموتاتور می‌گیرند و آن را به مدار خارجی منتقل می‌کنند.
در ساختار ژنراتور DC، دو انتهای حلقه سیم به کموتاتور متصل می‌شوند. با چرخش حلقه سیم در میدان مغناطیسی، حلقه شکاف‌دار کموتاتور به حرکت درمی‌آید و هر نیمه از حلقه شکاف‌دار با جاروبک‌ها در تماس قرار می‌گیرد. جاروبک‌ها وظیفه دارند ارتباط مدار خارجی را با سیم دوار برقرار کنند. مقدار ولتاژ القایی بسته به زاویه حرکت سیم نسبت به خطوط شار تغییر می‌کند، زیرا تعداد خطوط شاری که سیم قطع می‌کند به زاویه حرکت آن بستگی دارد.
این فرآیند بدین صورت است که با چرخش آرمیچر در میدان مغناطیسی، جریان القایی تولید شده در هادی‌های آرمیچر به صورت متناوب است. کموتاتور این جریان متناوب را به جریان مستقیم تبدیل می‌کند و به مدار خروجی ارسال می‌کند. این ویژگی باعث می‌شود ژنراتورهای DC برای کاربردهایی که نیاز به جریان مستقیم دارند، مانند شارژ باتری‌ها و تأمین انرژی سیستم‌های الکتریکی DC، بسیار مناسب باشند.
کموتاتور به گونه‌ای طراحی شده است که همواره قطب‌های جریان را تغییر داده و جریان DC پایداری را تولید کند. با چرخش آرمیچر و تغییر زاویه نسبت به میدان مغناطیسی، مقدار ولتاژ القایی تغییر می‌کند و کموتاتور این تغییرات را مدیریت می‌کند تا جریان مستقیم پایداری به دست آید.
در نیمه دوم دوران چرخش، جاروبک‌ها به کموتاتور مخالف سوئیچ می‌کنند و این تغییر باعث می‌شود که پلاریته ولتاژ خروجی تغییر نکند. با افزایش تعداد حلقه‌ها به دو یا چند حلقه، میانگین ولتاژ افزایش یافته و منجر به ریپل نرم‌تر می‌شود.
در مدار معادل ژنراتور DC با تحریک مستقل، یک نوآوری جدید به کار گرفته شده است که کاملاً متفاوت از روش‌های معمول تولید جریان مستقیم است. در اینجا، الکتریسیته به صورت مستقل از مدار آرمیچر به مدار تحریک منتقل می‌شود. سیم‌پیچ تحریک از طریق یک منبع ولتاژ مستقل تغذیه می‌شود، و این به وسیله‌ی ارتباط الکتریکی میان مدار آرمیچر و مدار تحریک بهبود یافته است.
این نوع مدار باعث افزایش کارایی ژنراتور DC می‌شود و از ایجاد پیچیدگی‌های اضافی در ارتباطات الکتریکی جلوگیری می‌کند. با این روش نوین، انتقال الکتریکی بین مدارها بهبود یافته و به تحقیقات و پیشرفت در زمینه‌ی فناوری انرژی جدیدی افتخار کرده است.
ژنراتورهای تحریک مستقل به دلیل پایداری ولتاژ بسیار بالا در مقابل تغییرات جریان بار، در بسیاری از کاربردها به کار می‌روند. عملاً این ژنراتورها دارای ولتاژ ثابت هستند و این ویژگی آن‌ها را برای استفاده در نیروگاه‌های برق و تغذیه تحریک ژنراتورهای AC بسیار مناسب می‌سازد. همچنین، در فرآیند شارژ باتری‌ها نیز از این نوع ژنراتور بهره‌مندی بسیار بالایی دارند. این تنوع در کاربردها نشان‌دهنده چندگانگی و کارآیی بالای ژنراتورهای تحریک مستقل است که در انتقال و تولید انرژی برق نوآوری مهمی را ایجاد کرده است.
جدیدترین اختراع در علم تکنولوژی: مدار معادل ژنراتور DC شنت
در این نسل جدید از ژنراتورها، مدار سیم‌پیچ تحریک به طور موازی با مدار سیم‌پیچی آرمیچر متصل می‌شود. این مدل نوآورانه، که به نام ژنراتور DC شنت شناخته می‌شود، کاربردهای گسترده‌تری نسبت به ژنراتورهای تحریک مستقل دارد. این ژنراتور بدون نیاز به منبع ولتاژ مستقل برای تحریک عمل کرده و جریان بار و جریان تحریک توسط سیم‌پیچ آرمیچر تأمین می‌شود.
علاوه بر این، جریان بیشتری به سیم‌پیچ آرمیچر ژنراتور شنت وارد می‌شود نسبت به ژنراتورهای تحریک مستقل. به همین دلیل، افت ولتاژ ناشی از مقاومت سیم‌پیچی آرمیچر و تأثیرات مغناطیسی آرمیچر در این ژنراتور بیشتر از سایر مدل‌ها است.
کاربردهای ژنراتور DC شنت نیز بسیار متنوع است؛ این ژنراتورها برای شارژ باتری‌ها و همچنین برای تحریک ژنراتورهای نیروگاهی با کارآیی بالا به کار می‌روند. این اختراع نوین، انتقال انرژی را به سطح جدیدی از کارایی و بهره‌وری برای صنعت برق و انرژی ارتقا داده است.
در دسته‌بندی ژنراتورهای DC، مدل سری با مدار تحریک به شیوه‌ای جدید معرفی شده است. در این مدل، مدار تحریک به صورت سری با مدار آرمیچر متصل می‌شود، که تداخل مستقیم جریان سیم‌پیچ تحریک و جریان آرمیچر را ایجاد می‌کند. این هماهنگی منحصر به فرد باعث تأمین ولتاژ سیم‌پیچ تحریک می‌شود.
ژنراتورهای DC با تحریک سری به دلیل ساختار ساده و کارآیی بالا، در کاربردهای مختلفی مورد استفاده قرار می‌گیرند. این ژنراتورها برای تأمین انرژی پایدار و قابل اعتماد در سیستم‌های الکتریکی مختلف از جمله شارژ باتری‌ها و تأمین برق دستگاه‌های الکتریکی مناسب هستند. این پیشرفت تکنولوژیک جدید، بهره‌وری و کارایی ژنراتورهای DC را به سطح جدیدی ارتقا داده و صنعت برق را متحول کرده است.
کاربرد ژنراتور DC سری نیز در زمینه‌های خاصی قابل اجراست. به دلیل ناپایداری ولتاژ در مقابل تغییرات بار در پایانه‌های آن، استفاده از این نوع ژنراتور به عنوان یک منبع ولتاژ ثابت مناسب نیست و نیاز به درصد بالایی از تنظیم ولتاژ دارد. این ویژگی‌ها باعث می‌شود که ژنراتور DC سری در برخی موارد محدودیت‌هایی داشته باشد و کاربردهای محدودی پیدا کند.
در حوزه ژنراتورهای DC، نوآوری‌های جدیدی به نام ژنراتورهای DC با تحریک کمپوند معرفی شده‌اند که بر اساس نحوه اتصال سیم‌پیچ‌های تحریک، به چندین زیردسته تقسیم می‌شوند.
ژنراتور کمپوند اضافی: این نوع ژنراتور دارای سیم‌پیچ تحریک به صورت سری با سیم‌پیچ آرمیچر و یک سیم‌پیچ تحریک شنت است. این ترکیب منحصر به فرد امکان تولید ولتاژ ثابت و پایدار را فراهم می‌کند.
ژنراتور کمپوند نقصانی: در این نوع، سیم‌پیچ تحریک به صورت سری با سیم‌پیچ آرمیچر و سیم‌پیچ تحریک شنت می‌شود. این تنظیمات به منظور کاهش نقصان‌های ولتاژ در تغییرات بار مفید هستند.
ژنراتور کمپوند شنت بلند: این ژنراتور با سیم‌پیچ تحریک به صورت سری با سیم‌پیچ آرمیچر و یک سیم‌پیچ تحریک شنت بلند ارتباط دارد. این تنظیمات به منظور تولید ولتاژ با نقصان کمتر در تغییرات بار مناسب هستند.
ژنراتور کمپوند شنت کوتاه: در این ژنراتور، سیم‌پیچ تحریک به صورت سری با سیم‌پیچ آرمیچر و یک سیم‌پیچ تحریک شنت کوتاه ارتباط دارد. این ترکیب مناسب برای کاربردهایی است که نیاز به کنترل دقیق ولتاژ در طول تغییرات بار دارند.
با این پیشرفت‌های تکنولوژی، ژنراتورهای DC با تحریک کمپوند تنوع و بهره‌وری بیشتری در انتقال انرژی فراهم می‌کنند. این ژنراتورها با قابلیت تنظیم ولتاژ و پایداری بالا، برای کاربردهای مختلفی مانند سیستم‌های تولید برق، نیروگاه‌ها و صنایع نیازمند کنترل دقیق ولتاژ، بسیار مناسب هستند. نوآوری‌های موجود در این ژنراتورها، امکان بهبود عملکرد و افزایش کارایی در انتقال و توزیع انرژی را فراهم کرده‌اند.
در دنیای انرژی، ژنراتورهای تک فاز (آلترناتورها) نقش اساسی در تولید جریان متناوب AC دارند. این ژنراتورها با داشتن یک حلقه سیم که با سرعت ثابت در میدان مغناطیسی با چگالی شار یکنواخت حرکت می‌کند، ولتاژ سینوسی تولید می‌کنند.
در حالتی که فاصله هوایی بزرگی بین دو قطب میدان وجود دارد، تولید چگالی شار مناسب دشوار می‌شود و این منجر به تولید ولتاژ کم در مولد می‌شود، که این آرایش را غیرعملی می‌سازد.
در این نوع ژنراتور، قطب‌های میدان روی بخش متحرک ماشین، یعنی روتور، قرار دارند و جریان سیم‌پیچ‌های آن توسط یک منبع DC و از طریق جاروبک‌ها و حلقه‌های لغزان تأمین می‌شود. روتور توسط یک عامل خارجی با سرعت ثابت چرخانده می‌شود. تعداد قطب‌های ماشین (که همواره زوج هستند) به سرعت روتور و فرکانس سیم‌پیچی استاتور وابسته است. برای مثال، برای تولید ولتاژ در یک ماشین ۶ قطب با فرکانس ۶۰ هرتز، سرعت روتور باید ۱۲۰۰ دور در دقیقه باشد.
در این ماشین، سیم‌پیچ آرمیچر ثابت است و سیم‌پیچ‌های متمرکز آن به گونه‌ای به یکدیگر متصل می‌شوند که ولتاژهای القایی در تمامی آن‌ها با هم جمع شده و ولتاژ نهایی را تشکیل می‌دهند.
با قرار دادن یک مقاومت متغیر در خط تغذیه DC، می‌توان جریان تحریک قطب‌ها را تغییر داد و به این ترتیب، چگالی شار فاصله هوایی و در نتیجه ولتاژ متناوب خروجی را کنترل کرد.
این تنظیمات به بهبود عملکرد و کارایی ژنراتورها کمک کرده و امکان تولید پایدارتر و قابل اعتمادتری را فراهم می‌کنند. نوآوری‌های موجود در این فناوری‌ها، راه را برای پیشرفت‌های بیشتر در زمینه تولید و مدیریت انرژی باز کرده است.
تکنولوژی پیشرفته ژنراتورهای تک فاز و بهینه‌سازی ساختار
در حال حاضر، ساختار ژنراتورهای تک فاز هنوز بهینه نیست؛ زیرا سیم‌پیچ‌های هر قطب در یک شیار استاتور متمرکز شده‌اند و از حجم و محیط داخلی استاتور به بهینه‌ترین شکل استفاده نمی‌شود. در ماشین‌های تجاری، تعداد بیشتری شیار در استاتور وجود دارد و سیم‌پیچ‌ها به صورت توزیع شده در این شیارها قرار می‌گیرند.
ژنراتورهای تک فاز بزرگ به طور معمول در مقیاس تجاری و انبوه ساخته نمی‌شوند و اکثراً در محدوده توان ۱ KVA تا ۵ KVA قرار دارند. این دستگاه‌ها به عنوان منابع تأمین اضطراری برای دستگاه‌های قابل حمل یا به عنوان ژنراتورهای اضطراری خانگی در زمان قطعی از شبکه برق استفاده می‌شوند. واحدهای ژنراتوری تک فاز که از ترکیب ژنراتور تک فاز به همراه یک موتور بنزینی ساخته می‌شود، نیز در قالب‌های قابل حمل یا ثابت موجود هستند.
در این نوع ژنراتور، یک حلقه سیم دیگر به دو حلقه لغزان دیگر متصل شده است، که دو انتهای آن به یکدیگر متصل می‌شوند. زاویه مکانیکی بین این دو حلقه (در یک ماشین دو قطب) ۹۰ درجه است. در هنگامی که ولتاژ حلقه اول در مقدار حداکثر خود قرار دارد، ولتاژ حلقه دوم صفر است و برعکس.
این پیشرفت‌ها در تکنولوژی ژنراتورهای تک فاز امکان ارائه راهکارهای بهینه‌تر برای تولید و تأمین برق در محیط‌های مختلف را فراهم می‌کند.
ژنراتورهای سه فاز با حاوی ۶ سیم پیچ رسانا، در میدان مغناطیسی متغیر قرار دارند و سه فاز ولتاژ را با فاصله زاویه‌ای ۱۲۰ درجه از یکدیگر تولید می‌کنند. ساختار این ژنراتورها، سه سیم پیچ را بر روی یک محور مشترک قرار داده و زاویه بین نقطه شروع هرکدام و پیچک بعدی را برابر با ۱۲۰ درجه می‌سازد. حلقه لغزان نیز در این ساختار دیده می‌شود. با اتصال یک ترمینال از هر سیم پیچ به عنوان نقطه مشترک یا نقطه نول به یکدیگر، و سه ترمینال باقی‌مانده را به سه حلقه لغزان متصل کنیم، می‌توان آن‌ها را از ماشین جدا کرد. این نوع اتصال به نام Y یا ستاره شناخته می‌شود.
در مقاله حاضر، به بررسی و تحلیل دقیق ساختار و عملکرد ژنراتورهای AC و DC پرداخته شد. ابتدا به ژنراتور AC با توضیح در مورد مبانی فیزیکی و نحوه تولید جریان متناوب پرداخته شد. سپس به ژنراتور DC پرداخته شد و نحوه تولید جریان مستقیم با استفاده از کموتاتور مورد بررسی قرار گرفت. همچنین انواع مختلف ژنراتورها از جمله تحریک مستقل و شنت نیز مورد بحث قرار گرفت. در نهایت، برخی از کاربردهای این ژنراتورها، از جمله در نیروگاه‌ها و شارژ باتری‌ها، به طور خاص مورد بررسی قرار گرفت. این تحلیل‌ها و توضیحات به فهم بهتر و کاربردی‌تر این تکنولوژی در صنعت برق کمک می‌کند.
