سیم پیچ

ژنراتورها

ژنراتورها

مولد الکتریکی و ژنراتور القایی

در تولید انرژی الکتریکی مولد الکتریکی یا ژنراتور برقی (به انگلیسی: Electric Generator) به ماشینی گفته می‌شود که از طریق القای الکترومغناطیسی انرژی مکانیکی را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند. تبدیل بالعکس انرژی الکتریکی به انرژی مکانیکی به وسیله موتور الکتریکی صورت می‌گیرد.موتورها و مولدهای الکتریکی از جهات مختلفی دارای شباهت‌های زیادی با یکدیگر هستند.منبع تأمین‌کنندهٔ انرژی مکانیکی ممکن است توربین بخار، توربین آبی، توربین بادی یا یک موتور احتراق داخلی ( مانند موتورهای دیزلی، بنزینی و گازی ) باشد.

  ژنراتور

صفحه فارادی

در سال‌های ۱۸۳۱–۱۸۳۲ مایکل فارادی اصول عملکرد مولدهای الکترومغناطیسی را کشف کرد. این اصل بعدها قانون فارادی نام گرفت که بر این نکته دلالت می‌کند که در دو سر هادی که به‌طور عمودی نسبت به یک میدان مغناطیسی حرکت کند پتانسیل الکتریکی ایجاد می‌شود. او همچنین اولین مولد الکترومغناطیس را نیز ساخت که به آن صفحه فارادی گفته شد.این مولد یک مولد هم قطب بود که از یک صفحه مسی که بین دو آهن‌ربای نعل اسبی می‌چرخید تشکیل شده بود. این مولد قادر به ساخت میزان اندکی ولتاژ جریان مستقیم با یک جریان بالا بود.

البته این طراحی از جهات مختلفی کم بازده بود چرا که ولتاژ تنها در قسمت‌هایی از صفحه به وجود می‌آمد که زیر قطب‌ها قرار داشتند و جریان تولیدی به سرعت در دیگر قسمت‌های صفحه پخش می‌شد و این جریان جاری شده در صفحه موجب هدر رفتن انرژی به صورت گرما می‌شد. مولدهای هم قطب بعدی این مشکل را با استفاده از آهن‌رباهایی که تمام محیط صفحه را پوشش می‌دادند حل کردند به طوری که میدان در طول تمام صفحه به‌طور یک‌نواخت وجود داشته باشد.

دینام

دینام اولین مولد الکتریکی بود که این قابلیت را داشت تا برق مورد نیاز صنایع را تأمین کند. دینام از اصول الکترومغناطیس برای تبدیل انرژی مکانیکی به انرژی الکتریکی استفاده می‌کند و با استفاده از کموتاتور جریان مستقیم را در خروجی خود تولید می‌کند. در طول مجموعه‌ای از اکتشافات تصادفی دینام به یک منبع برای اختراع ماشین‌هایی چون موتور الکتریکی جریان مستقیم، تناوب‌گر AC، موتور سنکرون و مبدل گردان تبدیل شد.

یک دینام از یک قسمت ثابت که میدان مغناطیسی دائمی را تولید می‌کند و مجموعه‌ای از سیم‌پیچ‌های متحرک که در داخل میدان می‌گردند تشکیل شده‌است. در دینام‌های کوچک میدان ثابت ممکن است به وسیله چند آهنربای دائمی فراهم شود. در دینام‌های بزرگ این میدان به وسیله یک یا چند آهنربای الکتریکی ایجاد می‌شود.

امروزه به ندرت می‌توان مولدهای دینامی بزرگی را دید که برای تولید انرژی الکتریکی مورد استفاده قرار گیرند و این به دلیل عدم استفاده از جریان مستقیم است. امروزه استفاده از جریان متناوب به علت بهره‌وری بالا در حین تولید، توزیع و انتقال به شدت گسترش یافته و برای تبدیل از جریان متناوب به جریان مستقیم نیز معمولاً از مدارات الکترونیکی و الکترونیک قدرت استفاده می‌شود. اما پیش از کشف اصول جریان متناوب تولید انرژی الکتریکی تقریباً فقط با استفاده از تعداد زیادی مولد دینامی ممکن بود. امروزه مولدهای دینامی تنها به عنوان ابزاری نمادین برای نشان دادن تاریخ تولید برق مورد استفاده قرار می‌گیرند.

ژنراتور القایی

ژنراتور القایی یا ژنراتور آسنکرون نوعی ژنراتور الکتریکی جریان متناوب است که می‌توان با بکارگیری اصول موتورهای القایی از آن در تولید برق نیز استفاده کرد. یک موتور القایی معمولی نیز بدون نیاز به هیچ‌گونه اصلاحات یا تغییراتی در ساختمان داخلی آن می‌تواند به یک ژنراتور القایی تبدیل شود؛ برای این عمل نیاز است تا یک گرداننده خارجی به صورت مکانیکی روتور موتور القایی را با سرعتی بیش از سرعت سنکرون به حرکت درآورد که در این حالت لغزش ماشین منفی شده و موتورالقایی به عنوان یک ژنراتور عمل می‌کند. ژنراتورهای القایی به این دلیل که تقریباً به هیچ تنظیمی نیاز نداشته و کنترل نسبتاً ساده‌ای دارند، به‌طور معمول در نیروگاه‌های بادی، نیروگاه‌های آبی کوچک یا سیستم‌های بازیابی گرما و کاهش فشار گاز بالا به فشار پایین به کار گرفته می‌شوند. ژنراتورهای القایی برای تأمین توان باید همواره به یک سیستم قدرت متصل باشند و این توانایی را ندارند تا به‌صورت بلک استارت در یک سیستم فاقد توان (قطع شده) راه‌اندازی شده و شبکه را برق‌دار کنند.

مبانی عملکرد

ژنراتورها و موتورهای القایی در حالتی که روتور آن‌ها با سرعتی بیش از سرعت سنکرون چرخانده شوند، انرژی الکتریکی تولید می‌کنند. برای نمونه سرعت سنکرون برای موتور چهار قطبی مشابه‌ای که در شبکه‌های برق ۶۰ و ۵۰ هرتز کار می‌کند به ترتیب ۱۸۰۰ و ۱۵۰۰ دور بر دقیقه‌است.

در حالت عادی کارکرد موتوری، سرعت چرخش میدان مغناطیسی استاتور بیشتر از سرعت چرخش روتور است که همین حرکت نسبی سبب می‌شود میدان مغناطیسی استاتور در روتور ولتاژ القاء نماید که باعث بوجود آمدن جریان (القایی) در مدار روتور می‌شود که این جریان به نوبه خود سبب به وجود آمدن شار یا میدان مغناطیسی در روتور شده که جهت آن مخالف میدان مغناطیسی استاتور است. به این ترتیب همواره روتور پشت سر استاتور کشیده می‌شود و باعث به وجود آمدن یک حرکت نسبی بین روتور و میدان مغناطیسی استاتور می‌شود که مقدار آن برابر لغزش موتور است.

در حالت ژنراتوری، گرداننده اولیه روتور را با سرعتی بیش از سرعت سنکرون به حرکت درمی‌آورد. میدان مغناطیسی دوار استاتور سبب به وجود آمدن میدانی مغناطیسی در روتور می‌شود اما این میدان که در جهت مخالف میدان استاتور قرار دارد از سیم‌پیچ‌های گذشته و سبب به وجود آمدن جریان در آن‌ها می‌شود و باعث ارسال توان به سیستم قدرت می‌شود.

تحریک

توجه داشته باشید که ژنراتور القایی هنوز هم به یک منبع جریان تحریک برای ایجاد شار مغناطیسی در استاتور که باعث القای جریان در روتور آن می‌گردد، نیاز دارد.

به‌طور کلی ژنوراتورهای القایی خود تحریک نیستند و این بدین معناست که ژنراتورهای القایی برای تولید شار مغناطیسی دوار حداقل در بدو راه‌اندازی به یک منبع الکتریکی نیازمند هستند (هرچند در عمل ژنراتورهای القایی اغلب به دلیل وجود مغناطیس پسماند (شار پسماند) بدون نیاز به منبع خارجی شروع به کار می‌کنند). منبع تغذیه می‌تواند از شبکه برق (قدرت) یا پس از آغاز تولید توان توسط ژنراتور، توسط خود آن تأمین شود. شار مغناطیسی دوار استاتور باعث القای جریان در روتور می‌گردد که این جریان به نوبه خود سبب تولید یک میدان مغناطیسی می‌شود. اگر روتور با سرعتی کمتر از میدان دوار به چرخش درآید، ماشین القایی همانند یک موتور عمل می‌کند. اما اگر با سرعتی بیشتر به گردش درآید مانند یک ژنراتور عمل کرده و توان تولید می‌نماید.