مولد همزمان

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد.

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

در مولد هم‌زمان، یک جریان مستقیم (DC) به سیم‌پیچی روتور (چرخانه) اعمال می‌شود که میدان مغناطیسی چرخانه 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 .

قطب‌های مغناطیسی چرخانه می‌توانند ساختمان برجسته یا صاف داشته باشند. قطب برجسته، قطب مغناطیسی‌ای است که نسبت به سطح چرخانه پیش‌آمدگی داشته باشد و قطب صاف قطب مغناطیسی‌ای است که با سطح روتور هم‌سطح باشد. چرخانه‌های قطب صاف معمولاً برای ماشین‌های دو یا چهار قطبی و روتورهای قطب برجسته برای ماشین‌های چهارقطبی یا بیشتر به کار می‌روند .

چون چرخانه در معرض میدان‌های مغناطیسی متغیر قرار دارد، آن را از لایه‌های نازک می‌سازند تا تلفات جریان گردان کاهش یابد .

برای فراهم کردن توان DC برای انتقال به سیم‌پیچی‌های روتور که در حال دوران است دو روش وجود دارد :

  1. با استفاده از حلقه‌های لغزان و جاروبک‌ها
  2. با استفاده از یک منبع DC خاص که مستقیماً بر روی محور مولد نصب شده‌

مولدهای هم‌زمان طبق تعریف سنکرون یا هم‌زمانند ،به این معنی که بسامد الکتریکی تولید شده با سرعت چرخش ژنراتور هم‌زمان است. چرخانه هم‌زمان یک الکترومغناطیس است که به آن جریان DC اعمال می‌شود. میدان مغناطیس چرخانه همراه با چرخش چرخانه می‌چرخد پس بین سرعت چرخش میدان مغناطیس ماشین (nm) و فرکانس الکتریکی ایستانه (استاتور) (fe) رابطه‌ای وجود به صورت معادلۀ زیر وجود دارد (P نشان‌دهندۀ تعداد قطب‌های موجود است .):

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

اندازۀ ولتاژ القا شدۀ در یک فاز معین استاتور نیز از رابطۀ زیر به دست می‌آید :

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

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

  1. اعوجاجی که به علت جریان استاتور در میدان مغناطیسی فاصلۀ هوایی ایجاد شده و عکس العمل آرمیچر نامیده می‌شود .
  2. خودالقاکنایی پیچک‌های آرمیچر
  3. مقاومت پیچک‌های آرمیچر
  4. اثر شکل قطب برجستۀ 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: (Xar)

پیچک‌های ایستانه نیز یک خودالقایی و یک مقاومت دارند: (XA) , (RA)

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

{V_\varphi} = {E_A} - {j\, X_S\,I_A} - {R_A\, I_A}

مدار الکتریکی مولد سنکرون
بزرگ شود
مدار الکتریکی مولد سنکرون

با توجه به این معادله می‌توان مدار معادل مولد هم‌زمان را به صورت زیر رسم کرد :







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

  1. تلفات گردشی: چون سرعت ماشین سنکرون ثابت است پس تلفات گردشی مولد هم‌زمان نیز ثابت است و شامل تلفات نیز زیر می‌شود :تلفات اصطکاک و تهویه که مربوط به ایجاد تلفات در بوبرینگها ف اصطکاک بر اثر مالش بین قطعات و اصطکاک بین قطعات و هوا می‌شود و تلفات هسته در آرمیچر
  2. تلفات میدان تحریک DC
  3. 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 هستۀ اهنی ناشی از شار آرمیچر

ب - تلفات مس اضافی ناشی از اثر پوستی و جریانهای گردابی در فرکانسهای هم‌زمان

فهرست مندرجات

[ویرایش] اندازهگیری پارامترهای مدل مولد هم‌زمان

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

  1. رابطۀ بین جریان و شار میدان (جریان میدان و EA)
  2. راکتانس هم‌زمان
  3. مقاومت آرمیچر

برای پیدا کردن این کمیتها آزمونهای مختلف طراحی شدهاند :

[ویرایش] آزمون مدار باز

اولین گام در این راه انجام آزمون مدار باز بر روی مولد است. برای انجام این آزمایش ف 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 رد هر گام انداره میگیرند چون پایانهها باز هستند و در نتیجه جریانی از مدار نمیگذرد پس ولتاژ پایانه برابر EA است و بدین ترتیب می‌توان منحنی EA یا V_\varphi را بر حسب If رسم کرد .این منحنی مشخصۀ مدار باز مولد (OCC) نام دارد، که از آن می‌توان ولتاژ تولید شدۀ داخلی را به ازای هر مقدار جریان ساخت .در شکل یک منحنی به صورت نوعی نشان داده شده است. توجه کنید که منحنی ابتدا خطی است ولی به ازای مفادیر بزرگ جریان پدیدۀ اشباع تا حدی مشاهده می‌شود و دلیل این پدیده این است که رلوکتانس آهن اشباع نشده در مولد هم‌زمان بسیار کوچک‌تر از رلوکتانس فاصلۀ هوایی است پس در ابتدا تقریباً همۀ نیروی محرکه مغناطیسی روی فاصلۀ هوایی قرار دارد و افزایش شار ناشی از آن خطی سات، هنگامی که آهن به اشباع میرسد، رلوکتانس آن به سرعت افزایش مییابد و آهنگ افزایش شار در اثر افزایش نیروی محرکۀ مغناطیسی کندتر می‌شود. ناحیۀ خطی مشخصۀ مدار باز، خط فاصلۀ هوایی نامیده می‌شود .

[ویرایش] 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 Ia یا جریان خط IL همراه با افزایش جریان میدان اندازه گیری می‌شود .این منحنی مشخصه اتصال کوتاه (SCC)نام دارد و در شکل نشان داده شده است .

[ویرایش] تعیین راکتانس هم‌زمان

  1. ولتاژ تولید شده واقعی EA را به ازای جریان میدان از مشخصۀ مدار باز به دست میآوریم .
  2. جریان اتصال کوتاه Ia را به ازای چریان میدان از مشخصۀ اتصال کوتاه به دست میآوریم .
  3. با استفاده از معادلۀ X_s = \frac{E_A}{I_a}، Xs را به دست میآوریم .

در این روش ما Xs > > RA در نظر میگیریم که این قضیه با واقعیت موضوع نیز میخواند .اما مشکل اساسی ای روش این است که در آن ماشین به ازای جریانهای بزرگ میدان در اشباع قرار دارد، در حالی که Ia که از آزمایش اتصال کوتاه به دست میآید به ازای تمامی جریانهای میدان در حالت اشباع نشده قرار دارد. بنابراین EA گرفته شده از OCC به ازای یک جریان معین میدان، همان EA شرایط اتصال کوتاه نیست و این تفاوت موجب می‌شود که مقدار Xs تنها تقریبی از مقدار واقعی باشد .

با این وجود جواب به دست آمده از این روش تا نقطۀ اشباع دقیق است، پس راکتانس هم‌زمان اشباع نشدۀ ماشین را می‌توان به ازای جریان میدان واقع در ناحیۀ خطی (خط فاصلۀ 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 .

[ویرایش] اثر تغییرات بار بر کار مولد هم‌زمان تنها

مولدی یک بار را تغذیه می‌کند اگر بار مولد را ریاد کنیم چه روی می‌دهد ؟

افزایش بار به معنی افزایش توان حقیقی و/یا واکنشی است که از مولد کشیده می‌شود. این افزایش بار باعث زیاد شدن جریان بار کشیده شده از مولد می‌شود. چون مقاومت میدان تغییر نکرده است، جریان میدان ثابت است و بنابراین شار نیز ثابت است. چون گردانندۀ اولیه نیز سرعت w را ثابت نگه میدارد اندازۀ EA ثابت میماند .

اگر EA ثابت بماند، با تغییر بار چه چیزی تغییر می‌کند ؟ اگر EA ثابت بماند با تغییر بار چه چیزی تغییر می‌كرد؟ برای پاسخ دادن به این پرسش از رسم كردن نمودار فازوری و نشان دادن تغییر بار، همراه با در نظر گرفتن محدودیت‌های مولد استفاده می‌كنیم .

  • مقاومت مولد را در نظر نمی‌گیریم .

نخست مولدی را در نظر می‌گیریم كه با ضریب قدر پس‌فاز كار می‌كند، اگر با همین ضریب توان بار افزایش یابد، اندازۀ IA اما نسبت به V_\varphi همین زاویۀ قبلی را خواهد داشت، بنابراین ولتاژ عكس‌العمل آرمیچر jXsIA بزرگ‌تر از قبل می‌شود اما زاویه‌اش تغییری نمی‌كند .چون بردار \overrightarrow{j X_s I_A} باید انتهای V_\varphi را كه به عنوان مرجع است به انتهای EA كه به رغم تغییرات بار اندازه‌اش تغییر نمی‌كند وصل كند با در نظر گرفتن موارد بالا تنها یك نقطه وجود دارد كه در ان ولتاژ عكس‌العمل آرمیچر با موقعیت قبلی‌اش موازی است و اندازه‌اش افزایش یافته است و مشاهده می‌كنیم كه با افزایش بار ولتاژ V_\varphi كاهش نسبتاً شدیدی یافته است .

اینك فرض كنید كه بار دارای ضریب توان واحد است. با افزایش بار مشاهده خواهیم كرد كه در این بار V_\varphi اندكی كاهش یافته است .سرانجام فرض كنید كه مولد بار پیش‌فاز داشته باشد با زیاد شدن بار افت ولتاژ آرمیچر در بیرون مقدار قبلی‌اش قرار می‌گیرد و Vvarphi افزایش می‌یابد .

تنظیم ولتاژ معیار مناسبی برای مقایسۀ رفتار مولدها است. تنظیم ولتاژ (VR) مولد با معادلۀ زیر تعریف می‌شود :

شکست در تجزیه (خطای ناشناخته): V_F=\frac{V_nl–V_fl}{V_fl}


كه در آن مقدار Vnl ولتاژ بی‌باری مولد و Vfl ولتاژ بار كامل است .

معمولاً ثابلت ماندن ولتاژ تغذیۀ بار حتی اگر خود بار تغییر كند، وضعیت مطلوبی است .بنابراین راه واضح جبران اثر تغییرات ف تغییر دادن EA است. ب عنوان مثال فرض كنید یك بار پس‌فاز به مولد افزوده می‌شود و همان‌طور كه نشان دادیم ولتاژ پایانه‌ای افت می‌كند، برای جبران این افت اعمال زیر را دنبال می‌كنیم :

  1. كاهش مقاومت میدان مولد، جریان میدان را افزایش می‌دهد .
  2. افزایش جریان میدان باعث زیاد شدن شار جانبی می‌شود .
  3. افزایش شار ماشین ولتاژ داخلی را زیاد می‌كند .
  4. افزایش EA، V_\varphi و ولتاژ پایانه‌ای مولد را افزایش می‌دهد .

[ویرایش] كار موازی مولدها

امروزه به ندرت می‌توان مولد هم‌زمانی یافت كه مستقل از دیگر مولدها كار كند و به تنهایی بار خودش را تغذیق كند. چنین حالتی را تنها در كاربردهای اندكی، مثلاً‌به عنوان مولدهای اضطراری می‌توان یافت. در كاربردهای معمولی همیشه تعدادی مولد به طور موازی توان مورد نیاز بارها را تولید می‌كند .

موازی كردن مولدهای هم‌زمان چندین فایده دارد :

  1. باری كه چند مولد می‌توانند تأمین كنند بیشتر از باری است كه یك ماشین به تنهایی تءمین می‌كند .
  2. داشتن موتدهای زیاد، قابلیت اطمینان را افزایش می‌دهد، چون خرابی یكی از آنها موجب نمی‌شود كه تمام توان توان تأمین شده برای بار قطع شود .
  3. اگر تعداد مولدها زیاد باشد امكان خارج كردنیك یا چند مولد از مئار برای سرویس و نگه‌داری موجود است .

[ویرایش] شرایط لازم موازی كردن

  1. مقدار rms ولتاژهای خط دو مولد باید برابر باشد .
  2. دو مولد باید ترتیب فاز یكسانی داشته باشند .
  3. زوایای فاز باید برابر باشد .
  4. بسامد مولد جدید (مولدی كه به مدار وارد می‌شود) باید اندكی بیشتر از بسامد سیستم در حال كار باشد ..

[ویرایش] روش كلی موازی كردن مولدها

فرض كنید بخواهیم مولدی را به سیستم در حال كاری وصل كنیم، برای این كار باید مراحل زیر را انجام دهیم :

نخست با استفاده از ولت‌متر، جریان میدان مولد جدید را تنظیم می‌كنیم تا ولتاژ پایانه‌اش برابر ولتاژ خط سیستم در حال كار شود .

دوم، ترتیب فاز مولد جدید را با ترتیب فاز سیستم در حال كار مقایسهع می‌كنیم .این كار را به چند راه مختلف می‌توان انجام داد، یكی از این راه‌ها روش سه لامپی است. در این روش بین سه لاكپ را با كلیدی كه مولد را به سیستم وصل می‌كند موازی می‌كنیم وقتی كه زاویۀ فاز بین دو سیستم تغییر می‌كند، لامپ‌ها پرنور (اختلاف فاز زیاد) و كم‌نور (اختلاف فاز كم) می‌شود .اگر هرسه لامپ با هم پرنورو كم‌نور شوند ف دو سیستم ترتیب فاز یكسانی دارند .

سپس بسامد مولد جدید را باید تنظیم كرد تا بیشتر از بسامد سیستم در حال كار باشد. برای این كار ابتدا با بسامدسنج، بسامدها رال اندازه می‌گیریم تا بسامدهای نزدیك به هم به دست آید و سپس تغییرات فاز بین دو سیستم را در نظر می‌گیریم وقتی كه بسامدها خیلی نزدیك به هم باشند، فاز ولتاژهای دو سیستم نسبت به هم خیلی كند حركت می‌كند. این تغییرات فاز را مشاهده می‌كنیم و هنگامی‌كه زوایای فازها نسبت به هم برابر شوند كلید را می‌بندیم .

چه وقت می‌توان گفت دو سیستم همفازند؟ یك راه ساده مشاهدۀ سه لامپی است هنگامی كه هر سه لامپ خاموشند، اختلاف ولتاژ دو سر آنها صفر است و دو سیستم همفازند. البته این روش زیاد دقیق نیست و راه بهتر استفاده از سنكروسكوپ است .

[ویرایش] مشخصه‌های بسامد – توان مولد هم‌زمان

توان خروجی مولد هم‌زمان با بسامد آن مرتبط است. شكل روبرو مثالی از یك منحنی بسامد بر حسب توان را نشان می‌دهد. مشخصۀ بسامد – توان نقش مهمی در كار موازی مولدخای هم‌زمان بازی می‌كند .

رابطۀ بسامد و توان را می‌توان به طور كلی با معادلۀ زیر بیان كرد:

P = sp(fnlksys)


كه در آن :

P: توان خروجی مولد
sp: شیب منحنی
fnl: بسامد بی‌باری
fsys: بسامد كار سیستم

[ویرایش] مقادیر نامی مولد هم‌زمان

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

[ویرایش] ولتاژ، سرعت و بسامد نامی

بسامد نامی مولد هم‌زمان به سیستم قدرتی كه به آن متصل است بستگی دارد. امروزه بسامدهایی كه معمولاً در سیستم قدرت به كار می‌روند عبارت‌اند از :Hz 50 (در اروپا، آسیا و غیره)، Hz 60 (در امریكا) و Hz 400 (برای مقاصد خاص و كاربردهای كنترلی) .

اگر بسامد كار معلوم باشد به ازای تعداد قطب معین تنها یك سرعت چرخش ممكن وجود خواهد داشت :

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


شاید بدیهی‌ترین محدودیت، ولتاژی است كه مولد برای كار در آن طراحی شده است. ولتاژ مولد به شار، سرعت چرخش و ساختمان مكانیكی ماشین بستگی دارد .به ازای اندازۀ مكانیكی معین بدنه و سرعت معین هر چه ولتاژ مطلوب بیشتر باشد، شار لازم در ماشین بیشتر خواهد بود. اما شار را نمی‌توانبه طور نامحدود زیاد كرد، زیرا همیشه یك جریان ماكزیمم مجاز جریان میدان وجود دارد .

جنبۀ دیگری كه در تعیین ماكزیمم ولتاژ مجاز وجود دارد، ولتاژ شكست عایق سیم‌پیچی است. (ولتاژهای عادی نباید به مقدار ولتاژ شكست نزدیك شود)

[ویرایش] توان ظاهری و ضریب توان نامی

دو عامل وجود دارد كه حدود توان ماشین‌های الكتریكی را تعیین می‌كند: یكی از آنها گشتاور مكانیكی روی محور ماشین و دیگری گرم شدن سیم‌پیچی‌های آن است. در همۀ ماشین‌های هم‌زمان عملی محور استحكام مكانیكی كافی برای تحمل توان در حالت پایدار بسیار بزرگ‌تر از مقدار نامی ماشین را دارد .پس حدود عملی حالت پایدار را گرمایش سیم‌پیچی‌های ماشین تعیین می‌كند .

در مولد 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 .

[ویرایش] کار کوتاه‌مدت و ضریب سرویس

مهم‌ترین عامل محدودکنندهٔ کار حالت پایدار مولد هم‌زمان، گرم شدن سیم‌پیچی‌های آرمیچر و میدان آن است. اما حد گرمایی معمولاً 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 این که سیم‌پیچی‌هایش بسوزد)

مولد را می‌توان در توان‌های بیشتر از توان نامی به کار برد مشروط به آن که 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 عموماً این کلاس‌ها به ترتیب متناظر با افزایش درجه حرارت به مقدار ۶۰، ۸۰، ۱۰۵ و ۱۲۵ درجه بیشتر از درجه حرارت محیط‌اند. هر چه 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 مسأله‌ای 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 متوسه 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.

یک سوال در مورد مسألهٔ گرمایش بیش از حد مطرح است: توان مورد نیازی که باید از ماشین گرفته شود را باید با چه دقتی بدانیم؟ غالباً قبل از نصب، 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.

[ویرایش] منبع

  • چاپمن،استفن.مبانی ماشین‌های الکتریکی .ترجمۀ علیرضا صادقی ،محمود دیانی .نشر نص .چاپ پنجم .ویرایش سوم .زمستان 1383 .ISBN 964-5801-13-3