ژنراتور سنکرون چیست؟
در این مقاله، می‌خواهیم به شما توضیح دهیم که ژنراتور سنکرون به چه معناست. همراه با الکتروشایلی، با ما همراه شوید تا اطلاعات جامعی از تاریخچه، ساختار، طرز کار، و تمام جزییات ژنراتور سنکرون دریافت کنید.
در نمونه‌های اولیه مانند ماشین جریان مستقیم، سیم‌پیچ‌هایی روی آرمیچر گردان وجود داشتند که به حلقه‌های لغزان متصل شده بودند و قطبهای ثابت بر روی استاتور، میدان تحریک را فراهم می‌کردند. این طرح به عنوان قطب خارجی شناخته می‌شد.
در سالهای بعد، نمونه‌های دیگر با جابجایی میدان و آرمیچر به ویژه توجه جلب کردند. این نمونه که شکل اولیه ژنراتور سنکرون را داشت، به عنوان ژنراتور قطب داخلی شناخته شد و در صنعت برق جایگاه خود را پیدا کرد.
از قطبهای مغناطیسی و سیم‌پیچ‌های میدان با شکل‌های مختلف بر روی رتور استفاده شد، در حالی که سیم‌پیچ‌های استاتور به صورت تکفاز یا سه‌فاز بودند. پژوهشگران به سرعت فهمیدند که ترکیب سه جریان متناوب با اختلاف فاز بهینه برای به دست آوردن عملکرد بهتر است.
استاتور از سه جفت سیم‌پیچ تشکیل شده بود که در یک طرف به نقطه اتصال ستاره و در طرف دیگر به خط انتقال وصل می‌شدند.
در واقع، ایده ماشین جریان متناوب سه فاز به تلاش‌های دانشمندان برجسته مانند نیکولا تسلا، گالیلئو فراریس، چارلز برادلی، دبروولسکی و هاسلواندر برمی‌گشت. هاسلواندر در سال ۱۸۸۷ اولین ژنراتور سنکرون سه فاز را ساخت که توانایی تولید حدود ۸/۲ کیلووات را در سرعت ۹۶۰ دور بر دقیقه (فرکانس ۳۲ هرتز) داشت.
این ماشین دارای آرمیچر سه فاز ثابت و رتور سیم‌پیچی چهار قطبی بود که میدان تحریک مورد نیاز را فراهم می‌کرد. این ژنراتور برای تأمین بارهای محلی به کار می‌رفت.
ژنراتور سنکرون چیست؟
در گذشته، به دلیل محدودیت امکانات و نداشتن دانش کافی، از ژنراتورهای ذغالی برای تبدیل انرژی مکانیکی به الکتریکی (سه فاز) استفاده می‌شد. اما با پیشرفت علم و فناوری، معایب ژنراتورهای ذغالی، از جمله راندمان پایین، مشکلات تعویض جاروبک‌ها و بالابودن جریان تحریک، گران بودن و ابعاد بزرگ قطعه AVR، موجب شده است که استفاده از آنها به مرور زمان منسوخ شود.
در این زمینه، دانشمندان با تولید ژنراتور سنکرون یا همان القایی، توانسته‌اند معایب ژنراتورهای ذغالی را برطرف کرده و محصولات با کارایی بهتری را به بازار عرضه کنند.
احتمالاً به ذهن خود می‌آید که ژنراتور سنکرون چیست؟ این نوع ژنراتور به عنوان ژنراتور القایی شناخته می‌شود که سرعت آن با فرکانس ۵۰ هرتزی هماهنگ است. هماهنگی سرعت با فرکانس ۵۰ هرتزی باعث می‌شود که این ژنراتور القایی به عنوان ژنراتور سنکرون شناخته شود. در ادامه، به بررسی کامل عملکرد ژنراتور سنکرون پرداخته خواهد شد.
ساختار ژنراتور سنکرون
در این بخش از ژنراتور سنکرون، یک جزء به نام “روتور” وجود دارد که خود دارای دو حالت، یعنی “سیم پیچ” و “مغناطیس دائم” یا به اختصار “PMG” میباشد. روش عملکرد ژنراتور سنکرون به این صورت است که ابتدا جریان dc به بخش سیم پیچ روتور منتقل می‌شود تا باعث ایجاد یک میدان مغناطیسی شود.
سپس، با چرخش روتور در سرعت نامی، میدان دوار شکل گرفته و با برخورد با سیم پیچ‌های استاتور، عمل القای ولتاژ را انجام می‌دهد. به این معنا که القای ولتاژ از طریق میدان روتور به سیم پیچ استاتور اتفاق می‌افتد و در نهایت ولتاژ به جریان تبدیل می‌شود که از طریق خود استاتور تأمین می‌شود.
نیروی محرکه برای چرخش روتور از طریق موتورهای دیزلی یا بنزینی تأمین می‌شود که در نهایت، چرخش روتور منجر به تولید میدان مغناطیسی می‌گردد. نکته مهم در این قسمت 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 مورد نام‌گذاری سیم پیچ‌ها در ژنراتور سنکرون، دو عبارت به نام‌های “سیم پیچ‌های میدان” و “سیم‌پیچ‌های آرمیچر” برخوردار هستیم. سیم پیچ میدان به سیم پیچ‌هایی گفته می‌شود که مسئول تولید میدان مغناطیسی اصلی در ژنراتور هستند. همچنین، سیم پیچ آرمیچر به مواردی اشاره دارد که وظیفه ایجاد القا ولتاژ اصلی را بر عهده دارند. مکان قرارگیری سیم پیچ میدان در ژنراتور سنکرون، درون همان سیم پیچ روتور است.
لازم به ذکر است که روتور در ژنراتور سنکرون نقش یک آهن‌ربای الکتریکی بزرگ را ایفا می‌کند که می‌تواند قطبهای مغناطیسی برجسته و غیربرجسته داشته باشد. برجستگی قطب‌ها در روتور به عنوان یک ویژگی ظاهری مطرح است و اینجا با برجستگی، ارتفاع قطب‌ها اشاره شده است. قطب برجسته در روتور برابر با سطحر با روتور است. در صورتی که روتور برجستگی نداشته باشد، برای مواردی که نیاز به آهن ربای دو یا ۴ قطبی دارند استفاده می‌شود. این در حالی است که روتورهای دارای برجستگی به عنوان آهن‌ربای ۴ قطبی مورد استفاده قرار می‌گیرند.
با توجه به اینکه میدان مغناطیسی روتور به طور دائمی در حال تغییر است، برای کاهش تلفات و افزایش بازدهی، روتورها را از لایه‌های نازک ساخته می‌شود. به مدار میدان در روتور باید یک جریان ثابت اعمال کرد تا روتور در حال چرخش بتواند جریان dc را به سیم‌پیچ‌های میدان منتقل کند.
ژنراتور سنکرون: ساختار و عملکرد
در دنیای ژنراتورهای سنکرون، بخش مهمی به نام “روتور” وجود دارد که دو حالت اصلی، یعنی “سیم پیچ” و “مغناطیس دائم” یا “PMG” را در خود جای داده است. فرآیند کارکرد ژنراتور سنکرون به این صورت است که ابتدا جریان dc به بخش سیم پیچ روتور منتقل می‌شود تا موجب ایجاد یک میدان مغناطیسی گردد. با چرخش روتور در سرعت نامی، میدان دواری شکل می‌گیرد و این میدان دوار پس از برخورد با سیم پیچ‌های استاتور، القای ولتاژ را به وجود می‌آورد. به عبارت دیگر، القای ولتاژ از طریق میدان روتور به سیم پیچ استاتور رخ می‌دهد که در نهایت به جریان تبدیل می‌شود و جریان خروجی از طریق خود استاتور تأمین می‌گردد.
نیروی محرکه برای چرخش روتور از طریق موتورهای دیزلی یا بنزینی فراهم می‌شود و در نهایت، چرخش روتور منجر به تولید میدان مغناطیسی می‌گردد. نکته حائز اهمیت در اینجا این است که میدان دوار، عامل انتقال ولتاژ به سیم پیچ استاتور میباشد. این میدان مغناطیسی دوار ولتاژ سه فاز را القا می‌کند که نتیجتاً جریان الکتریسیته تولید می‌شود.
در خصوص نام‌گذاری سیم پیچ‌ها در ژنراتور سنکرون، دو عبارت به نام‌های “سیم پیچ‌های میدان” و “سیم‌پیچ‌های آرمیچر” بیان شده‌اند. سیم پیچ میدان وظیفه تولید میدان مغناطیسی اصلی را بر عهده دارد. همچنین، سیم پیچ آرمیچر به مواردی اشاره دارد که القای ولتاژ اصلی را ایجاد می‌کنند. مکان قرارگیری سیم پیچ میدان در ژنراتور سنکرون درون همان سیم پیچ روتور قرار دارد.
مهم است بدانیم که در ژنراتور سنکرون، روتور نقش یک آهن‌ربای الکتریکی بزرگ را بازی می‌کند. روتور می‌تواند قطبهای مغناطیسی برجسته و غیربرجسته داشته باشد. برجستگی قطب‌ها در روتور به عنوان یک ویژگی ظاهری مدنظر قرار گرفته است و اینجا با ویژگی برجستگی، ارتفاع قطب‌ها مورد بررسی قرار می‌گیرد. در صورتی که روتور برجستگی نداشته باشد، از آن برای مواردی استفاده می‌شود که نیاز به آهن‌ربای دو یا ۴ قطبی دارند. روتورهای با برجستگی به عنوان آهن‌ربای ۴ قطبی استفاده می‌شوند.
با توجه به تغییرات مستمر در میدان مغناطیسی روتور، برای کاهش تلفات و افزایش بازدهی، روتورها از لایه‌های نازک ساخته می‌شوند. برای تأمین جریان dc به سیم‌پیچ‌های میدان، یک جریان ثابت در مدار میدان روتور اعمال می‌شود.
طرز كار ژنراتور سنکرون
در ژنراتور سنکرون، جریان مستقیم “DC” به سیم پیچ روتور وارد می‌شود تا یک میدان مغناطیسی حول روتور ایجاد نماید. این روتور تحت تأثیر یک نیروی خارجی به چرخش در می‌آید و در نتیجه، یک میدان مغناطیسی در داخل ژنراتور ایجاد می‌شود.
میدان مغناطیسی ساخته شده در سیم پیچ‌های استاتور یک مجموعه ولتاژ سه فازی القاء می‌کند. هرچه چرخش روتور بیشتر باشد، فرکانس و توان تولیدی ژنراتور سنکرون نیز افزایش می‌یابد. در این نوع ژنراتور، سیم پیچ‌های میدان مغناطیسی در روتور جای می‌گیرند و روتور به عنوان یک الکترومغناطیس بزرگ عمل می‌کند.
روتور دارای قطبهای مغناطیسی است که این قطب‌ها به صورت برجسته و صاف طراحی شده‌اند. قطب برجسته از سطح روتور برآمدگی دارد و قطب صاف هم سطح با آن همخوانی دارد. اغلب روتورهایی که قطب صاف دارند، برای دستگاه‌های دو یا چهار قطبی مورد استفاده قرار می‌گیرند.
روش‌های راه‌اندازی موتورهای سنکرون
برای راه‌اندازی موتورهای سنکرون، سه روش اصلی وجود دارد.
1- کاهش سرعت میدان مغناطیسی استاتور: این روش با کاهش فرکانس منبع تغذیه انجام می‌شود تا روتور بتواند در نیم سیکل چرخش میدان مغناطیسی شتاب گیرد و با آن قفل شود.
2- استفاده از یک گرداننده اولیه: با استفاده از یک گرداننده اولیه، سرعت موتور تا سرعت سنکرون افزایش می‌یابد و سپس با مراحل موازی‌سازی ماشین، مثل ژنراتور سنکرون، روی خط قرار می‌گیرد. پس از این مراحل، با جدا کردن گرداننده اولیه، موتور به یک موتور تبدیل می‌شود.
3- استفاده از سیم‌پیچ‌های میراکننده: این سیم‌پیچ‌ها در انتهای قطبهای روتور نصب می‌شوند. در موتورهای سنکرون، سرعت حرکت روتور همواره برابر با سرعت میدان دوار استاتور خواهد بود و افزایش بار تنها باعث عقب‌ماندگی روتور نسبت به میدان می‌شود. اختلاف فاز این دو میدان Bs و BR زاویه گشتاور را تا 90 درجه تغییر می‌دهد.
در صورت افزایش بار بیش از حد، ممکن است موتور از حالت سنکرونیزم خارج شود که به آن عدم پایداری گفته می‌شود. همچنین، در حین کار با سرعت سنکرون، تغییرات جریان تحریک امتداد جریان آرمیچر و ضریب قدرت ماشین از حالت پس‌فازی به اهمی و پیش‌فازی قابل کنترل خواهد بود. این ویژگی جهت اصلاح ضریب قدرت شبکه استفاده می‌شود و برای موتورهای سنکرون پرتحرک (کار در حالت پیش‌فازی)، خازن‌های سنکرون نیز گفته می‌شود.
موتورهای سنکرون در حالت کار پیش‌فازی کم تحریک هستند و به علت سادگی ساختار و عدم وجود کلکتور، موتورهای آسنکرون متداول‌تر هستند.
مزایای موتور سنکرون
- ضریب قدرت قابل تنظیم: موتور سنکرون از یک ضریب قدرت مناسب و قابل تنظیم برخوردار است که این امکان را به کاربران می‌دهد تا ضریب قدرت را به دلخواه تنظیم و بهینه کنند.
- بازده عالی: این موتور از یک بازده عالی برخوردار است، که به معنای بهره‌وری بالا از انرژی و توان استفاده شده در عملکرد آن میباشد.
- حساسیت کم به نوسانات ولتاژ: موتور سنکرون در برابر نوسانات ولتاژ حساسیت کمی دارد، که این ویژگی باعث پایداری عملکرد آن در شرایط مختلف تغییرات ولتاژ می‌شود.
- قابلیت استفاده با ولتاژ زیاد: این موتور قابلیت بکارگیری با ولتاژهای زیاد را داراست، که این ویژگی به کاربران امکان می‌دهد از منابع با ولتاژ بالا بهره‌مند شوند.
- مصرف کم قدرت راکتیو: با تحریک مناسب، موتور سنکرون هیچ گونه قدرت راکتیو را مصرف نمی‌کند و تنها قدرت اکتیو مناسب را بهره می‌برد.
- کاربرد به عنوان مولد قدرت راکتیو: این موتور به عنوان یک مولد قدرت راکتیو برای افزایش ضریب قدرت در شبکه‌های برق استفاده می‌شود.
اجزای ژنراتور سنکرون
دستگاه‌های سنکرون به دو دسته تقسیم می‌شوند: ژنراتوری و موتوری. ژنراتورهای سنکرون انرژی مکانیکی را از موتورهای دیزل دریافت کرده و با چرخش موتور، انرژی الکتریکی تولید می‌کنند.
ساختار داخلی ژنراتور سنکرون دارای دو قسمت اصلی میباشد:
- استاتور (آرمیچر)
- روتور
اگر بخواهیم عملکرد این اجزا را بدانیم، کافی است به ترکیب کلمات مرتبط با هرکدام توجه کنیم.
استاتور از واژه “stationary” به معنای ثابت و روتور از واژه “rotating” یا چرخان گرفته شده است.
استاتور قسمت ثابت موتور است، در حالی که روتور قسمتی است که درون استاتور چرخش می‌کند.
وظیفه استاتور در ژنراتور سنکرون تغذیه بار را انجام می‌دهد.
سیم‌پیچ‌های استاتور به گونه‌ای طراحی شده‌اند که قادر به تحمل جریان و ولتاژ بالا باشند.
روتور ژنراتور سنکرون حاوی سیم‌پیچ تحریک و سیم‌پیچ میدان است که توسط جریان DC تحریک می‌شود.
روتور بر روی شفت استاتور قرار دارد.
نتیجه‌گیری
ژنراتورهای سنکرون با گذشت بیش از ۱۰۰ سال از ارایه نخستین نمونه خود، همچنان موضوع تحقیقات بسیاری در دهه‌های مختلف بوده‌اند. در حال حاضر نیز، شاهد ظهور تکنولوژی‌های جدید در این زمینه هستیم. با این حال، چالش‌های اساسی همچنان در زمینه عایق کاری و خنک‌سازی وجود دارند.
پیشرفت‌های تکنولوژی در تولید ژنراتورها و ریسک‌های مرتبط با آن، تعداد تولیدکنندگان مستقل ژنراتور را کاهش داده است. با وجود این موانع، بالا بردن نقطه زانویی اشباع مواد مغناطیسی می‌تواند تأثیرگذار باشد، اما تاکنون به دلیل دشواری‌های فنی، پیشرفت مهمی در این زمینه به دست نیامده است.
تلاش‌هایی در گذشته برای کاهش تلفات الکتریکی لایه‌های هسته انجام شده، اما این پیشرفت‌ها به کاهش ضخامت لایه‌ها یا افزایش قیمت ناپذیر آنها منوط شده‌اند. متأسفانه، پیش‌بینی برای پیشرفت مهمی در این زمینه در آینده قابل ارائه نمی‌باشد.
