مولد های جریان متناوب

در این مقاله شما با مولد های جریان متناوب آشنا خواهید شد. به مولد های جریان متناوب ژنراتور یا آلترناتور نیز گفته می‌شود. مولدها ولتاژ متناوب تولید می کنند و در ماشین های جریان مستقیم به کمک کموتاتور ولتاژمتناوب را به مستقیم تبدیل می کنند. چنانچه ولتاژ متناوب تولید شده در یک مولد را به همان صورت به بیرون هدایت کرده و مورد بهره برداری قرار دهیم مولد جریان متناوب خواهیم داشت. 

ساختمان مولد های جریان متناوب

به طور کلی مولد های جریان متنناوب از دو قسمت زیر تشکیل می‌شوند:

1. القا کننده (قطب‌ها)

2. القا شونده (کلاف‌ها)

در مولدها یا القا‌کننده ثابت و القاءشونده متحرک و یا القاکننده متحرک و القا شونده ثابت می‌باشد.

قسمت ساکن مولد را استاتور و قسمت متحرک را روتور می‌نامند.

در مولد های جریان متناوب با قدرت کم، القاءکننده ثابت ولی القاءشونده متحرک است ولی در آلترناتورهای با قدرت زیاد، القاءکننده متحرک و القاءشونده ثابت است.

القاءکننده مولدهای جریان متناوب یا دارای قطب های برجسته (آشکار) یا نا آشکار هستند. سیم‌پیچی تحریک این نوع القاءکننده به دور قطب‌ها پیچیده و سپس ابتدا و انتهای سیم ‌یچی به منبع تحریک متصل می‌شود.

نوع دیگر القاءکننده دارای قطب های ناآشکار بوده یعنی قطب ها به صورت استوانه‌ای بوده که بر سطح جانبی آن شیارهایی به فواصل مساوی و موازی هم تعبیه شده و سیم پیچ تحریک داخل شیارها جای می گیرد. القا کننده این مولد متحرک و القاءشونده آن ثابت می‌باشد.

جریان تحریک قطب‌ها که یک جریان DC می‌باشد یا به وسیله باتری یا به وسیله مولد جریان دائمی که روی محور مولد نصب می‌شود، تامین می‌گردد. این جریان تحریک توسط دو حلقه برنجی و جاروبک‌ها که با حقه‌ها در تماس هستند به سیم پیچی قطب‌ها می‌رسد. (3-5-الف) قسمتی از یک ژنراتور جریان متناوب همراه با مولد جریان دائم را نشان می‌دهد.

سیم‌پیچ القا شونده آلترناتورها بر اساس نوع آلترناتور (از نظر تعداد فاز) اجرا می‌شود. مثلا مولد تکفازه دارای یک کلاف سیم‌پیچی می‌باشد. باید توجه داشته باشید ک در مولد تکفاز فقط از یک کلاف استفاده نکنید چون الاً نیرو محرکه القایی در یک کلاف سینوسی نبوده، ثانیاً راندمان دستگاه بسیار کم است و ثالثاً حجم زیاد تری را اشغال می‌کند. 

بنابراین در مولدهای یک فاز به جای یک کلاف از چند کلاف که با هم سری می‌شوند، استفاده می‌کنند و سر بنده کلاف‌ها باید طوری انجام شود که نیو محرکه القایی در آن با هم جمع شوند. ولی القا شونده مولد سه فازه از سه دسته کلاف تشکیل می‌شود که این سه دسته کلاف نسبت به هم 120 درجه الکتریکی اختلاف فاز دارند.

ساختمان مولد سه فاز مانند ساختمان مولد یک فاز می‌باشد. تنها تفاوتی که دارد این است که در فاصله هر دو قطب همنام مجاور آن سه دسته سیم‌پیچی قرار دارد و چون در فاصله بین این دو قطب یک دوره تناوب کامل الکتریکی تولید می‌شود. 

زاویه اختلاف فاز الکتریکی هر دسته کلاف با دسته کلاف مجاور خود 120 درجه الکتریکی است. درضمن باید توجه داشت که کلاف‌هایی که در شیار استاتور قرار می‌گیرند نسبت به بدنه استاتور و نسبت به یکدیگر عایق باشند.

در شکل (4-5) شکل قرار گرفتن سیم پیچی استاتور را نشان می‌دهد . مولد های جریان متناوب اکثراً سه فاز هستند و به ندرت پیش می‌آید که این نوع مولدها یک فاز باشند. شکل (4-5-الف) نوع موجی سیم‌پیچی استاتور با سه شیار در مقابل هر قطب را نشان می‌دهد.

نیروی مکانیکی برای چرخش آلترناتور

نیروی مکانیکی که برای چرخش آلترناتور به کار می‌رود یا از یک موتور احتراقی و یا توربین آبی و یا از توربین گازی و… استفاده می‌شود.

قدرت مکانیکی که به آلترناتور می‌دهند. تا به گردش درآید بستگی به قدرت آلترناتور دارد؛ یعنی آگر قدرتی که ژنراتور می دهد زیاد باشد باید قدرت مکانیکی آن را زیاد انتخاب کرد، زیرا مولد فقط انرژی را تبدیل می‌نماید. (تبدیل انرژی مکانیکی به الکتریکی).

هرگاه قدرت مکانیکی بیشتر مورد احتیاج باشد و قدرت را نیز بخواهیم توسط موتور تأمین نماییم، به جای موتور بنزینی از دیزل هایی که برای این منظور ساخته می‌شوند، استفاده می‌شود. این دیزل‌ها معمولا از 10 اسب بخار تا 5000 اسب بخار قدرت دارند.

قدرت مکانیکی بعًی از آلترناتورها را قدرت های طبیعی بر عهده دارند مانند توربین‌های گازی و توربین‌های هیدرولیکی.

در عمل چنانچه قدرت‌های قابل ملاحضه ای مورد احتیاج باشد به جای دیزل از توربین بخار و در مناطقی که امکان ایجاد و ساختمان آبشار وجود دارد از توربین آبی استفاده می‌شود. این طریقه مقرون به صرفه می‌باشد.

تقسیم بندی ژنراتورهای جریان متناوب

ژنراتورهای جریان متناوب به دو دسته تقسیم می‌شوند.

دسته اول: توربوآلترناتور

توربو آلترناتورها که دارای قطب‌های صاف می‌باشند توسط توربین‌های بخار و گاز به گردش در می‌آیند. سرعت این ژنراتورها 1500 الی 3000 دور در دقیقه می‌باشد. برای خنک کردن این ژنراتورها از هیدروژن مایع و یا هوای سرد استفاده می‌شود. در شکل (5-5) آرمیچر یک توربوآلترناتور می‌بینید.

دسته دوم: دیزل آلترناتور

این آلترناتورها که دارای قطب‌های برجسته می‌باشند. توسط موتورهای دیزلی به گدش در می‌آیند.سرعت این نوع آلترناتور کم است. برای کمک کردن این نوع آلترناتورها از روغن و یا آب سرد استفاده می‌کنند.

در آلترناتورها به جای کلکتور از حلقه‌هایی که باز این حلقه‌ها نسبت به هم و نسبت به محور عایق می‌باشند استفاده می‌شود.

تعداد حلقه‌ها و آلترناتورهای یک فازه دو عدد و در سه فازه سه عدد می‌باشند.

چگونگی کار یک آلترناتور سه فاز

در قسمت چپ آلترناتور یک فلکه قرار دارد، که نیرور چرخش موتور محرک توسط تسمه به روی این فلکه وارد می‌شود. در نتیجه روتور آلترناتور بر اثر این نیروی چرخش به گردش در می‌آید.

قسمت راست محور آلترناتور یک دیناموی شنت قرار دارد که هم حور با محور آلترناتور می‌باشد. در نتیجه بر اثر گردش آلترناتور آرمیچر دینامو به چرخش درمیاید و جریان اِم تولید می‌نماید. این جریان داِم توسط دو سیم به دو اتصال M₁ و M₂ که روی بدنه آلترناتور می‌باشند هدایت می‌شود. از آن به سیم‌پیچی قطب‌ها وارد می‌شود، در نتیجه میدان مغناطیسی ثابتی در قسمت القا‌کننده به وجود می‌آید.

استاتور این آلترناتور دارای سه دسته کلاف می‌باشد. شش سر این سه دسته کلاف به شش اتصالی که روی بدنه مولد قرار دارد اتصال پیدا می‌کنند، سپس در داخل این جعبه اتصال، سه سر از شش سر کلاف‌ها به هم متصل می‌شود سپس در داخل این جعبه اتصال، سه سر از شش سر کلاف ها به هم متصل می‌شود، و سه سر دیگر توسط سیم‌های رابط به تابلوی برق آلترناتور وصل شده‌اند.

روی این تابلو یک کلید چاقویی برای قطع و وصل کردن جریان برق و سه آمپرمتر که هر یک شدت جریان هر فاز را نشان می‌دهند و یک ولت‌متر که ولتاژ خط را اندازه می‌گیرند قرار دارد. مصرف کننده‌های این آلترناتور سه لامپ و یک موتور سه فاز می‌باشد.

حال بر اثر چرخش آلترناتور میدان مغناطیسی قطب‌ها سیم‌پیچی القا شونده را قطع نموده؛ در نتیجه نیرو محرکه ای در کلاف‌ها القا می‌نماید. وقتی که کلید را وصل کنیم، بر اثر بستن مدار، جریان در داخل و خارج آلترناتور برقرار می‌شود. در نتیجه بارهایی که از اسن آلترناتور تغذیه می نمایند به کار می‌افتند.

منحنی مشخصه ژنراتورهای جریان متناوب

روی آلترناتورها آزمایش‌های زیر را انجام می‌دهند و منحنی مشخصه هر یک را رسم می‌کنند.

1. منحنی بی‌باری:

منحنی بی‌باری آلترناتورها همان منحنی اشباع مغناطیسی می‌باشد که اگر آلترناتور سه فاز باشد، این منحنی را فقط برای یک فاز آن رسم می‌نمایند.

در این حالت مولد را بدون آنکه باری روی آن قرار داشته باشد به گردش در می‌آورند. وقتی که دور آلترناتور به دور نامی خود رسید، دور ثابت نگاه می‌داریم. آنگاه جریان تحریک را به تدریج از صفر افزایش می‌دهیم. 

در نتیجه به ازای هر جریان تحریک در دور ثابت آلترناتور نیرو محرکه‌ای که با نیروی محرکه بی‌باری معروف است در کلاف‌ها القا می‌شود که توسط ولت‌متر دوسر آلترناتور خوانده می‌شود. حال با یادداشت کردن جریان تحریک و به ازای آن نیرو محرکه القایی منحنی مشخصه بی‌باری را رسم می‌کنیم. شکل (7-5)

در حالت فوق چون دور ثابت است پس بنا به فرمول فرکانس جریان متناوب ثابت می‌ماند. به علت پسماند مغناطیسی منحنی بی‌باری از نقطه بالا تر از صفر شروع می‌شود.

2. منحنی مشخصۀ بارداری:

قبل از برسی بارداری آلترناتور به شرح زیر توجه می‌کنیم:

چنانچه جریانی از سیمی بگذرد اطراف آن سیم میدان مغناطیسی ایجاد می‌گردد که از قانون دست راست تبعیت می‌کند.

اگر دست راست را ببندیم به طوری که شست جهت جریان عبوری از سیم را نشان دهد، چهار انگشت دیگر جهت دوران خطوط قوا را نشان خواهند داد. با این تعریف بار های اهمی-سلفی و خازنی را به استاتور آلترناتور اتصال می‌دهیم و توجه شما را به این نکته جلب می‌کنیم که در تمام حالات چون جریان تحریک با قطب های N  و S  دور محور ثابت است پس نیرو محرکه القایی در استاتور ثابت و فقط ولتاژخروجی در حال تغییر است.

الف)‌ بار اهمی: 

شکل (8-5-الف) در نظر می‌گیریم، زمانی که قطب‌های N  و S  ثابت القاکننده روبه‌روی سیم‌های القا شونده قرار دارد. در همان زمان به علت هم فاز بودن جریان و ولتاژ القا شونده، فوران استاتور نیز با جریان هم فاز است و شکل نشان می‌دهد که دو میدان القاءکننده و القاءشونده در یک جهت تقویت در یک جهت تقویت و در جهت دیگر تضعیف یکدیگر را به عهده دارند.

ب)‌ بار القایی یا سلفی شکل (8-5-ب):

در این حال بار القایی جریان را از ولتاژ دو سر آلترناتور به تأخیر می‌اندازد پس زمانی که قطب‌های N  و S  القا کننده روبه روی بازوهای سیم القاءشونده گذشته‌اند، فوران آن ایجاد می‌شود که طبق شکل به وسیله میدان‌های القاکننده بیشتر تضعیف می‌شوند.

ج) بار ظرفیتی یا خازنی  (8-5-ج):

در این نوع اتصال به علت خاصیت خازنی بار، جریان از ولتاژ دو سر آن جلو تر است. پس جریان و در نتیجه فوران هم فاز آن قبل از اینکه قطب‌های N  و S  روبه روی سیم‌های القا شونده برسند، ایجاد می‌شود. همان طوری که در شکل (8-5-ج) مشاهده می‌گردد در دو قطب تقویت میدان وجود خواهد داشت و افزایش فلوی مغتاطیسی باعث تقویت ولتاژخروجی مولد می‌شود.

از مطالب ذکر شده چنین نتیجه‌گیری می‌شود که در بار اهمی افت ولتاژ حاصل از مقاومت اهمی استاتور و افت ولتاژ حاصل از پراکندگی خطوط قوا کمتر از بار القایی است. زیرا در حالت القایی چون افت خطوط مغناطیسی افزایش می‌یابد. 

افت ولتاژ حاصل از پراکندگی نیز بالا می‌رود و در بار خازنی تقویت فلوی مغناطیسی نتیجه شده از فوران‌های رتور و استاتور باعث اغزایش ولتاژ خروجی است. ولی با بالا رفتن جریان مصرف در استاتور، آهن آن اشباع شده و فوران اضافی به صورت پراکندگی ظاهر می‌شود و دوباره ولتاژ خروجی رو به کاهش می‌گذارد.