آشنایی با مولدهای هم‌زمان

مولدهای هم‌زمان یا ژنراتورهای سنکرون (Synchronous Generator)، ماشین‌های هم‌زمانی هستند که برای تبدیل توان مکانیکی به جریان الکتریکی متناوب به کار می‌روند.

درمولد هم‌زمان، یک جریان مستقیم به سیم‌پیچی روتور اعمال می‌شود که میدان مغناطیسی روتور را تولید می‌کند. چرخانه مولد نیز توسط یک محرک اولیه به گردش درمی‌آید و به این ترتیب یک میدان مغناطیسی دوار درون ماشین ایجاد می‌شود.

ساختمان روتور

قطب‌های مغناطیسی روتور می‌توانند ساختمان برجسته یا صاف داشته باشند. قطب برجسته، نوعی قطب مغناطیسی‌است که نسبت به سطح روتور پیش‌آمدگی داشته باشد و قطب صاف قطب مغناطیسی‌ای‌است که با سطح روتور هم‌سطح باشد. روتورهای قطب صاف معمولاًً برای ماشین‌های دو یا چهار قطبی و روتورهای قطب برجسته برای ماشین‌های چهارقطبی یا بیشتر به کار می‌روند.
چون روتور در معرض میدان‌های مغناطیسی متغیر قرار دارد، آن را از لایه‌های نازک می‌سازند تا تلفات جریان گردابی کاهش یابد.

انتقال توان روتور

برای فراهم کردن توان DC برای انتقال به سیم‌پیچی‌های روتور که در حال دوران است چندین روش وجود دارد که برای مثال در زیر به دو روش آن اشاره می‌گردد:

با استفاده از حلقه‌های لغزان و جاروبک‌ها
با استفاده از یک منبع DC خاص که مستقیماًً برروی محور مولد نصب شده‌اند.

مولدهای هم‌زمان طبق تعریف سنکرون یا هم‌زمانند، به این معنی که فرکانس الکتریکی تولید شده با سرعت چرخش ژنراتور هم‌زمان است. میدان مغناطیس چرخانه همراه با چرخش چرخانه می‌چرخد پس بین سرعت چرخش میدان مغناطیس ماشین ( $n_m$ ) و فرکانس الکتریکی ایستانه (استاتور) ( $f_e$ ) رابطه‌ای وجود به صورت معادلهٔ زیر وجود دارد (P نشان‌دهندهٔ تعداد قطب‌های موجود است .):

$f_e = frac{{n_m},{p}}{120}$

اندازهٔ ولتاژ القا شدهٔ در یک فاز معین استاتور نیز از رابطهٔ زیر به دست می‌آید :

$E_A = sqrt{{2}}, {pi}, {N_e}, {phi}, {f}$

این ولتاژ به شار ماشین ( $phi$ )، فرکانس یاسرعت چرخش ( $f$ ) و ساختمان ماشین بستگی دارد. ولتاژ ( $E_A$ )، ولتاژ داخلی تولید شده در یک فاز مولد هم‌زمان است اما این ولتاژی نیست که معمولاًً در پایانه‌های مولد ظاهر می‌شود. در حقیقت تنها زمانی ولتاژ داخلی ( $E_A$ )، برابر با ولتاژ خروجی یک فاز ( $V_varphi$ ) است که جریانی از آرمیچر ماشین نگذرد. تفاوت بین ( $E_A$ ) و ( $V_varphi$ ) در اثر چند عامل است:

اعوجاج شاری که به علت جریان استاتور در میدان مغناطیسی فاصلهٔ هوایی ایجاد شده و عکس العمل آرمیچر نامیده می‌شود.
خودالقاکنایی پیچک‌های آرمیچر
مقاومت پیچک‌های آرمیچر
اثر شکل قطب برجستهٔ چرخانه (این مورد مربوط به چرخانه قطب برجسته می‌شود.)

عکس العمل آرمیچر موجب تغییر شار در مدار مغناطیسی مولد می‌شود در نتیجه می‌توان برای آن ولتاژی در نظر گرفت (ولتاژ عکس العمل آرمیچر) و برای مدل کردن آن از یک القاگر سری با ولتاژ داخلی استفاده کرد: ( $X_ar$ )

پیچک‌های ایستانه نیز یک خودالقایی و یک مقاومت دارند: ( $X_A$ ) , ( $R_A$ )

معمولاًً راکتانس‌های ناشی از عکس العمل آرمیچر و خودالقایی ماشین را با هم ترکیب می‌کنند و به صورت راکتانس هم‌زمان ( $X_s$ ) نمایش می‌دهند که در این صورت ولتاژ پایانه را می‌توان به صورت زیر بیان کرد (در ماشین‌های هم‌زمان واقعی راکتانس هم‌زمان معمولاًً بسیار بزرگ‌تر از مقاومت سیم‌پیچی‌است .):

${V_varphi} = {E_A} - {j, X_S,I_A} - {R_A, I_A}$

مدار الکتریکی مولد سنکرون

تلفات درمولد سنکرون

مولد هم‌زمان ماشین هم‌زمانی‌است که به صورت مولد کار می‌کند و توان مکانیکی را به توان الکتریکی سه فاز تبدیل می‌کند. منبع توان مکانیکی چرخانندهٔ اولیه می‌تواند یک موتور دیزل، یک توربین بخار، یک توربین آبی یا هر وسیلهٔ مشابه دیگر باشد. این منبع هرچه باشد باید صرف نظر از میزان تقاضای توان، سرعت تقریباًً مشابهی داشته باشد. در غیر این صورت بسامد سیستم قدرت مقدار ثابتی نخواهد بود.
تمام توان مکانیکی ورودی مولد هم‌زمان به توان الکتریکی خروجی تبدیل نمی‌شود و اختلاف بین این دو توان تلفات ماشین را نشان می‌دهد. این تلفات را می‌توان به سه قسمت تقسیم کرد:

تلفات گردشی: چون سرعت ماشین سنکرون ثابت است پس تلفات گردشی مولد هم‌زمان نیز ثابت است و شامل تلفات نیز زیر می‌شود^{[نیازمند منبع]}: تلفات اصطکاک و تهویه که مربوط به ایجاد تلفات در بلبرینگ‌ها، اصطکاک بر اثر مالش بین قطعات و اصطکاک بین قطعات و هوا می‌شود و تلفات هسته در آرمیچر
تلفات میدان تحریک DC
تلفات اتصال کوتاه که شامل :
1. تلفات بار مسی که ناشی از مقاومت آرمیچر است.
2. تلفات سرگردان که به دو قسمت تقسیم می‌شود:

الف – تلفات هستهٔ آهنی ناشی از شار آرمیچر ب – تلفات مس اضافی ناشی از اثر پوستی و جریان‌های گردابی در فرکان سهای هم‌زمان

مدل الکتریکی مولد هم‌زمان

مدار معادلی که برای مولد هم‌زمان به دست آمد سه کمیت دارد و برای توصیف دقیق رفتار یک مولد هم‌زمان واقعی باید آن‌ها را تعین کرد:

رابطهٔ بین جریان و شار میدان (جریان میدان و $E_A$ )
راکتانس هم‌زمان
مقاومت آرمیچر

برای پیدا کردن این کمیت‌ها آزمونهای مختلف طراحی شده‌اند:

آزمون مدار باز

اولین گام در این راه انجام آزمون مدار باز برروی مولد است. برای انجام این آزمایش، مولد در سرعت نامی چرخانده می‌شود، پایانه‌ها به بار اتصال ندارند و جریان میدان برابر صفر قرار داده می‌شود، سپس جریان میدان را با گام‌های تدریجی افزایش می‌دهند و ولتاژ پایانه‌ای را در هر گام انداره می‌گیرند چون پایانه‌ها باز هستند و در نتیجه جریانی از مدار نمی‌گذرد پس ولتاژ پایانه برابر $E_A$ است و بدین ترتیب می‌توان منحنی $E_A$ یا $V_varphi$ را بر حسب $I_f$ رسم کرد. این منحنی مشخصهٔ مدار بازمولد (OCC) نام دارد، که از آن می‌توان ولتاژ تولید شدهٔ داخلی را به ازای هر مقدار جریان ساخت. توجه کنید که منحنی ابتدا خطی‌است ولی به ازای مقادیر بزرگ جریان پدیدهٔ اشباع تا حدی مشاهده می‌شود و دلیل این پدیده این است که رلوکتانس آهن اشباع نشده درمولد هم‌زمان بسیار کوچک‌تر از رلوکتانس فاصلهٔ هوایی‌است پس در ابتدا تقریباًً همهٔ نیروی محرکه مغناطیسی روی فاصلهٔ هوایی قرار دارد و افزایش شار ناشی از آن خطی‌است، هنگامی که آهن به اشباع می‌رسد، رلوکتانس آن به سرعت افزایش می‌یابد و آهنگ افزایش شار در اثر افزایش نیروی محرکهٔ مغناطیسی کندتر می‌شود. ناحیهٔ خطی مشخصهٔ مدار باز، خط فاصلهٔ هوایی نامیده می‌شود.

آزمون اتصال کوتاه

برای انجام این آزمون دوباره جریان میدان در صفر تنظیم می‌شود و پایانه‌های مولد توسط مجموعه‌ای از آمپرمترها اتصال کوتاه می‌شوند. سپس جریان آرمیچر $I_a$ یا جریان خط $I_L$ همراه با افزایش جریان میدان اندازه گیری می‌شود. این منحنی مشخصه اتصال کوتاه (SCC)نام دارد.

تعیین راکتانس هم‌زمان

ولتاژ تولید شده واقعی $E_A$ را به ازای جریان میدان از مشخصهٔ مدار باز به دست می‌آوریم.
جریان اتصال کوتاه $I_a$ را به ازای چریان میدان از مشخصهٔ اتصال کوتاه به دست می‌آوریم.
با استفاده از معادلهٔ $X_s = frac{E_A}{I_a}$ ، $X_s$ را به دست می‌آوریم.

در این روش ما $X_s>> R_A$ در نظر می‌گیریم که این قضیه با واقعیت موضوع نیز می‌خواند. اما مشکل اساسی این روش این است که در آن ماشین به ازای جریان‌های بزرگ میدان در اشباع قرار دارد، در حالی که $I_a$ که از آزمایش اتصال کوتاه به دست می‌آید به ازای تمامی جریان‌های میدان در حالت اشباع نشده قرار دارد. بنابراین $E_A$ گرفته شده از OCC به ازای یک جریان معین میدان، همان $E_A$ شرایط اتصال کوتاه نیست و این تفاوت موجب می‌شود که مقدار $X_s$ تنها تقریبی از مقدار واقعی باشد.
با این وجود جواب به دست آمده از این روش تا نقطهٔ اشباع دقیق است، پس راکتانس هم‌زمان اشباع نشدهٔ ماشین را می‌توان به ازای جریان میدان واقع در ناحیهٔ خطی (خط فاصلهٔ هوایی) منحنی OCC به آسانی به دست آورد. رفتار مولد زیر بار به شدت تابع توان بار و کار کردن آن به تنهایی یا موازی با دیگر مولدهای هم‌زمان است.

مشخصه‌های بسامد – توان مولد هم‌زمان

توان خروجی مولد هم‌زمان با بسامد آن مرتبط است. مشخصهٔ بسامد – توان نقش مهمی در کار موازی مولدهای هم‌زمان بازی می‌کند.
رابطهٔ بسامد و توان را می‌توان به طور کلی با معادلهٔ زیر بیان کرد:

$P=s_p (f_{nl}-k_{sys})$

که در آن :

P

: توان خروجی مولد

s_p

: شیب منحنی

f_{nl}

: بسامد بی‌باری

f_{sys}

: بسامد کار سیستم

مقادیر نامی مولد هم‌زمان

کمیات نامی ماشین هم‌زمان عبارت‌اند از: ولتاژ، بسامد، سرعت، توان ظاهری (کیلوولت آمپر)، ضریب توان، جریان میدان و ضریب سرویس

ولتاژ، سرعت و بسامد نامی

بسامد نامی مولد هم‌زمان به سیستم قدرتی که به آن متصل است بستگی دارد. امروزه بسامدهایی که معمولاًً در سیستم قدرت به کار می‌روند عبارت‌اند از :Hz ۵۰ (در اروپا، آسیا و غیره)، Hz ۶۰ (در آمریکا) و Hz ۴۰۰ (برای مقاصد خاص و کاربردهای کنترلی)^{[نیازمند منبع]}.

اگر بسامد کار معلوم باشد به ازای تعداد قطب معین تنها یک سرعت چرخش ممکن وجود خواهد داشت:

$f_e=frac {n_m , p} {120}$

شاید بدیهی‌ترین محدودیت، ولتاژی‌است که مولد برای کار در آن طراحی شده‌است. ولتاژ مولد به شار، سرعت چرخش و ساختمان مکانیکی ماشین بستگی دارد. به ازای اندازهٔ مکانیکی معین بدنه و سرعت معین هرچه ولتاژ مطلوب بیشتر باشد، شار لازم در ماشین بیشتر خواهد بود. اما شار را نمی‌توان به طور نامحدود زیاد کرد، زیرا همیشه یک جریان ماکزیمم مجاز جریان میدان وجود دارد.

جنبهٔ دیگری که در تعیین ماکزیمم ولتاژ مجاز وجود دارد، ولتاژ شکست عایق سیم‌پیچی‌است. (ولتاژهای عادی نباید به مقدار ولتاژ شکست نزدیک شوند)

توان ظاهری و ضریب توان نامی

دو عامل وجود دارد که حدود توان ماشین‌های الکتریکی را تعیین می‌کند: یکی از آن‌ها گشتاور مکانیکی روی محور ماشین و دیگری گرم شدن سیم‌پیچی‌های آن است. در همهٔ ماشین‌های هم‌زمان عملی محور استحکام مکانیکی کافی برای تحمل توان در حالت پایدار بسیار بزرگ‌تر از مقدار نامی ماشین را دارد. پس حدود عملی حالت پایدار را گرمایش سیم‌پیچی‌های ماشین تعیین می‌کند.

درمولد هم‌زمان دو سیم‌پیچی وجود دارد و هر دوی آن‌ها باید در برابر گرمایش زیاد حفاظت شود. این دو سیم‌پیچی، سیم‌پیجی آرمیچر و سیم‌پیچی میدان هستند.

کار کوتاه‌مدت

مهم‌ترین عامل محدودکنندهٔ کار حالت پایدار مولد هم‌زمان، گرم شدن سیم‌پیچی‌های آرمیچر و میدان آن است. اما حد گرمایی معمولاًً نقطه‌ای بسیار پایین‌تر از ماکزیمم توانی که مولد از نظر عملی می‌تواند تولید کند قرار دارد. در واقع یک مولد هم‌زمان نوعی می‌تواند در زمان محدود تا ۳۰۰ درصد توان نامی‌اش تولید کند. (تا اینکه سیم‌پیچی‌هایش بسوزد)

مولد را می‌توان در توان‌های بیشتر از توان نامی به کار برد مشروط به آنکه قبل از برداشتن بار اضافی سیم‌پیچی‌ها بیش از حد اضافی گرم نشده باشند. هرچه توان نامی بیشتر باشد، مدت زمانی که ماشین می‌تواند آن را تحمل کند کمتر می‌شود. ماکزیمم افزایش درجه حرارتی که ماشین می‌تواند تحمل کند به کلاس عایقی سیم‌پیچی‌هایش بستگی دارد. چهار کلاس عایقی وجود دارد: H ،F ،B ،A عموماًً این کلاس‌ها به ترتیب متناظر با افزایش درجه حرارت به مقدار ۶۰، ۸۰، ۱۰۵ و ۱۲۵ درجه بیشتر از درجه حرارت محیط‌اند. هرچه کلاس عایقی یک ماشین معین بیشتر بلشد توانی که بدون گرمایش بیش از حد می‌توان از آن کشید بیشتر است.

گرم‌شدن بیش از حد سیم‌پیچی‌ها مسئله‌ای بسیار جدی برای ماشین است. یک قاعده سر انگشتی قدیمی می‌گوید به ازای هر ۱۰ درجه افزایش درجه حرارت نسبت به حرارت مجاز سیم‌پیچی‌ها عمر متوسطه ماشین نصف می‌شود. حساسیت مواد عایقی امروزی نسبت به شکست کمتر از این است، اما افزایش حرارت هنوز به طور مؤثری اثر خود را دارد.

ضریب سرویس

غالباًً قبل از نصب، اندازه بار فقط به صورت تقریبی معلوم است، به همین دلیل ماشین‌هایی با کاربرد عام یک ضریب سرویس دارند. ضریب سرویس به صورت نسبت ماکزیمم توان واقعی ماشین به مقدار نامی پلاک آن تعریف می‌شود. ضریب سرویس یک محدودهٔ اطمینان برای خطای ناشی از تخمین نامناسب بار فراهم می‌کند.