بخشی از مقاله
1- ژنراتور سنكرون (6 و 4)
در اين فصل ابتدا به شرح ساختمان داخلي ژنراتور سنكرون مي پردازيم و سپس مدل رياضي و مدار معادل آن مطرح مي شود.
1-1 ساختمان داخلي و اصول كار:
هر ماشين الكتريكي و الكترونيكي داراي دو قسمت مي باشد، يك قسمت گردنده به نام موتور و ديگري قسمت ساكن، استاتوره و رتور به وسيله يك فاصله هوايي كوچك از يكديگر جدا شده اند. استاتور يك استوانه توخالي است و از مواد فرومغناطيسي ساخته شده است. درون استاتور
شيارهاي طولي تعبيه شده است. اين استوانه تو خالي از ورقه هاي نازك به هم چسبنده به وجود مي‌آيد، درون شيارها كلانهايي سيم پيچ قرار مي گيرند و طوري به هم اتصال داده شده اند كه سيم پيچ جداگانه را تشكيل مي دهد. لذا استاتور هم درون شيارهاي خود سيسم پيچ ها را جاي مي دهد و هم براي ميدان مغناطيسي حاصله اي ار رتور يك مسير برگشتي با مقاومت مغناطيسي كم ايجاد مي‌كند.
رتور نيز استوانه تو پر بوده و از مواد فرومغناطيسي ساخته شده است، سيم پيچ تحريك بر روي رتور قرار دارد و اين سيم پيچ به منبع تغذيه DC موسوم به تحريك كننده متصل مي شود. عمل سيم پيچ تحريك ايجاد يك ميدان مغناطيسي قوي است و چون رتور مي تواند درون استاتور بچرخد لذا اين ميدان سيم پيچ استاتور را قطع كرده و بر طبق قانون القاي فارادي در آنها ولتاژ القا مي‌كند. رتور
استاتور طوري طراحي مي شوند كه هنگام گردش رتور تحت سرعت ثابتي در هر يك از سيم پيچ ها استاتور ولتاژي سينوسي القا شود. اين سه ولتاژ از نظر دامنه با يكديگر برابر بوده و فقط با يكديگر 120 درجه اختلاف فازي زماني دارند.
اگر اين سه سيم پيچ استاتور را به صورت سه فاز به هم متصل كنيم يك مولد سه فاز خواهيم داشت. بايد دانست كه به خاطر ملاحظات عملي سيم پيچ هاي استاتور بهصورت ستاره به يكديگر متصل مي شوند.
سنكرون ساده تكفاز از روي شكل 1-1 درك كرد.
سيم پيچ ميدان تحريك (سيم پيچ رتور) توسط يك جريان مستقيم كه توسط جاروبكهاي لغزنده روي كلكتور وارد سيم پيچي مي شوند تغذيه مي شوند. سيم پيچي آرميچر نيز شامل يك كلاف N دروري است كه سطح مقطع آن در محيط داحخلي استاتور جاي داده شده است. مفتول هائي كه دو طرف اين كلاف را تشكيل مي هند موازي محور ژنراتور بوده و با يكديگر سري شده اند. رتور با
سرعت ثابت توسط يك منبع قدرت مكانيكي كه به محور ژنراتور متصل است مي چرخد مسير شار مغناطيسي درشكل به صورت نقطه چين رسم شده است. توزيع چگالي شار در B در فاصله هوائي تابعي از زاويه پيرامون فاصله هوائي است كه در شكل a-2-1 نشان داده شده است.
توزيع موج چگالي شار را مي توان با شكل دادن صحيح صفحات قطبها به صورت سينوسي درآورد. هنگامي كه رتور مي چرخد شار موجي شكل توسط دو طرف كلاف ( ) جاروب مي شود.
ولتاژ منتجه كلاف در شكل b-2-1 كه يك تابع زماني است داراي شكل موجي شبيه موج چگالي شار B مي باشد.
در نتيجه يك دور چرخش كامل رتور دو قطبي يك سيكل كامل ولتاژ در آرميچر القا مي شود. از اين رو فركانس ولتاژ بر حسب سيكل بر ثانيه (هرتز) مساوي گردش رتور در ثانيه است يعني فركانس الكتريكي با سرعت مكانيكي همزمان (سنكرونيزه) شده است و بدين علت چنين ماشين هايي را سنكرون مي گويند يك ماشين سنكرون دو قطبي بايد 3000 درو در دقيقه بچرخد. تا ولتاژي با فركانس 50 هرتز توليد نمايد. بسياري از ماشين هاي سنكرون داراي قطب هاي بيشتر از دو مي باشد. شكل 3-1 يك مولد چهار قطبي تك فاز مقدماتي را نشان مي دهد.
سيم پيچي آرميچر شامل دو كلاف و مي باشد كه به طور سري به هم متصل شده اند. پهناي هر كلاف نصف طول موج شار مي باشد. در اين حالت ولتاژ توليد شده دو سيكل كامل را در هر چرخش رتور طي مي‌كند. فركانس ولتاژ توليد شده دو برابر سرعت چرخش بر ثانيه است. (بر حسب هرتز)
سيم پيچي ميدان توزيع شده در شيارها قرار دارد و طوري پيچيده شده تا توليد يك ميدان سينوسي در فاصله هوايي بنمايد.
بعلت مزاياي سيستم سه فاز در توليد، انتقال و مصرف، در قدرت هاي زياد از مولد هاي سنكرون سه فاز استفاده مي شود. براي توليد يك مجموعه سه فازه كه فازها به اندازه 120 درجه الكتريكي در زمان با هم فاصله دارند بايد از سه كلاف كه 120 درجه الكتريكي باهم فاصله دارند استفاده كرد. در شكل 6-1 يك ماشين دو قطبي سه فاز با يك كلاف در هر فاز را نشان مي دهد. فازها توسط N و S مشخص شده اند.
در يك ماشين چهار قطبي مقدماتي مانند شكل b-6-1 محيط استاتور بايد شامل دو مجموعه كلاف باشد به طوري كه در يك ماشين P قطبي مجموعه كلاف بايد وجود داشته باشد. در شكل b-6-1 براي آنكه ولتاژ هاي هر فاز با هم جمع شوند دو كلاف درهر ماه به طور سري متصل شده اند.
سه فاز ممكن است به صورت يا Y به هم متصل شوند..
موقعي كه يك مولد سنكرون قدرت به بار تحويل مي دهد جريان آرميچر توليد شاري در فاصله هوائي مي نمايد كه با سرعت سنكرون مي چرخد.
اين شار نسبت به شار توليد شده توسط جريان ميدان تحريك عكس العمل نشان مي دهد و گشتاور الكترومغناطيسي ناشي از برايند اين دو ميدان مغناطيسي مي باشد. در ژنراتور گشتاور الكترومغناطيسي يا چرخش مخالفت مي نمايد و براي نگهداري عمل چرخش يك گشتاور مكانيكي بايد از طرف محرك اوليه اعمال شود. ناگفته نماند كه اگر تقسيم چگالي شار در قطب ها سينوسي باشد نيروي الكتروموتوري emf القا شده در آرميچر از يك رابطه سينوسي پيروري مي‌كند و اگر منحني فضايي ميدان مغناطيسي شامل رمونيك هاي بالا باشد نيروي الكتروموتوري القا شده نيز بدون هارمنونيك نخواهد بود، در نتيجه مي توان گفت كه توزيع چگالي شار در قطب ها در موقع گردش آزاد رتور (بدون بار)درست با تغييرات زماني تغييرات نيروي الكتروموتوري در سيم پيچ هاي استاتور مطابقت دارد.
2-1مدار معادل
مولدهاي انرژي الكتريكي همواره داراي مقاومت داخلي مي باشد كه در مولد هاي جريان متناوب اين مقاومت داخلي تركيبي از مقاومت اهمي و راكتانس سلفي مي باشد در مولد هاي جريان متناوب سنكرون مقدار اهمي نسبت به راكنانس سلفي خيلي كوچك است و معمولا ازآن در محاسبات صرفنظر مي كنند. با توجه به اين مطلب مداد معادل يك فاز ژنراتور سنكرون در شكل 7-1 آمده است.
شكل 7-1 مدار معادل
با توجه به مدار معادل
(1-1)
علامت نمايشگر مقادير فاز وري مي باشد. چون شار در فاصله هوايي به صورت سينوسي توزيع شده است. و ژنراتور با سرعت زاويه الكتريكي چرخاننده مي شود داريم:
(2-1)
E نيروي محركه القايي در استاتور، N تعداد دور سيسم پيچي هر فاز استاتور
فركانس ولتاژ القا شده و حداكثر شار در فاصله هوائي مي باشد.
وابسته به جريان تحريك مي باشد.
لذا نيروي محركه القايي وابسته به جريان تحريك و فركانس ولتاژ القا شده (سرعت چرخش رتور) مي باشد يا:
(3-1)
2- تحريك (3 و 4)
1-2- مقدمه
ولتاژ تحريك بايد از حالت بي باري تا بارنامي ژنراتور در حدود 5/2 باربر يا بيشتر قابليت تنظيم و تغيير داشته باشد. در حالتي كه در اثر سيم هاي انتقال انترژي بي باري، بار ژنراتور خازني مي گردد و بايد تحريك بي باري ژنراتور نيز كوچكتر گردد. از اين جهت ولتاژ تحريك ژنراتور هاي بزرگ كه به شبكه هاي با قدرت زياد متصل هستند و ولتاژ ترمينال آنها توسط شبكه تعيين ميگردد بايد تقريباً بين صفر و ولتاژي كه در موقع اضافه بار لازم است قابل تنظيم باشد، همچنين لازم است كه ولتاژ تحريك ژنراتور توسط تنظيم كننده ولتاژ حتي الامكان به طور سريع تنظيم گردد تا در موقعي كه ضربه هاي بار به ژنراتور وارد مي شود افت ولتاژ تا آنجا كه ممكن است كوچك نگه داشته شود.
به طور كلي ژنراتور همزمان با تغييرات بار ژنراتور تغيير مي‌كند و تنها راه براي ثابت نگه داشتن ولتاژ ترمينال تنظيم جريان تحريك ژنراتور و يا به عبارت ديگر تنظيم ولتاژ سيم پيچي تحريك مي باشد. اين عمل به كمك تنظيم كننده ولتاژ انجام مي گيرد اين دستگاه ولتاژ تحريك را متناسب با افت ولتاژ ژنراتور تنظيم مي‌كند.
عواملي كه باعث تغيير ولتاژ ژنراتور مي شود عبارتند از: ضريب توان و شدت جريان بار، سرعت چرخش و درجه حرارت براي دستگاه تنظيم ولتاژ بايد مستقل از عامل بوجود آورنده تغيير ولتاژ باشد. تنظيم ولتاژ تحريك ژنراتور براي تنظيم و تثبيت ولتاژ ترمينال هميشه با يك ثابت زماني قابل توجهي همراه است و نمي تواند به طول همزمان صورت گيرد.
2-2-انواع متداول تحريك
1-2-1 تحريك مستقيم
در ژنراتور هاي جريان متناوب با تحريك مستقيم جريان تحريك مستقيماً از ترمينال ژنراتور دريافت مي شود. لذا تغييرات جزئي بار روي جريان تحريك به طور مستقيم و همزمان موثر واقع مي شود. چنين
ژنراتورهاي فاقد ژنراتور تحريك مستقل هستند و جريان تحريك بدون بار ژنراتور توسط ولتاژ پس مانده مغناطيسي تامين مي شود. چون ژنراتور زير بار به جريان تحريك بيشتري نياز دارد اين جريان بدون تاخير و كاملا همزمان از جريان بار ژنراتور گرفته مي شود و به اين ترتيب علاوه بر جريان اختلاف فاز جريان نيز در جريان تحريك شده موثر مي باشد.
تنها اشكال اين نوع تحريك تنظيم آن در موقعي است كه تغييرات ولتاژ در اثر سرعت چرخش رتور و يا درجه حرارت بوجود آمده باشد. اين عيب توسط دستگاه جبران كننده خاصي برطرف مي گردد.
همانطور كه ميدانيم اختلاف سطح ژنراتور با تغيير كردن جريان تحريك شده به طور نمايي تغيير مي‌كند و عواملي كه بايد در تنظيم جريان تحريك موثر باشند عبارت از جريان بار، ضريب توان و درجه
حرارت مي باشد. موثر ترين عامل در تنظيم، جريان بار و ضريب توان مي باشد. اين دو كميت بايد به طريق در تنظيم جريان تحريك دخالت داده شوند تا ولتاژ ترمينال ژنراتور تابعي از جريان و ضريب توان بار نباشد. شكل 1-2 مدار تحريك ژنراتوري را نشان مي دهد. اين ژنراتور همانطور كه ديده مي شود توسط پس ماند مغناطيسي قطبها به شرح زير تحريك مي گردد.
ولتاژي كه در اثر پس ماند مانند مغناطيسي در سيم پيچ استاتور القا مي شود به كمك سلف D تبديل به جريان مي شود.
شكل1-2- تحريم مستقيم
جريان به كمك يكسو كننده پل Gl يكسو مي شود و از سيم پيچي تحريك f ژنراتور G گذشته و ولتاژ ژنراتور را تا ولتاژ نامي بالا مي برد. مقاومت سلفي سلف D و مقاومت سيم پيچي تحريك طوري محاسبه مي شوند كه جريان تحريك بدون بار لازم بوجود آيد. مقدار اين جريان به كمك منحني بدون بار ژنراتور و خط مقاومت طبق شكل 2-2 تعيين مي شود.
شكل 2-2- تعيين اندازه سلف
اضافه تحريكي كه بايد متناسب با جريان و ضريب توان بار باشد توسط ترانسفورمر جريان St تامين مي شود. به اين طريق جريان ثانويه ترانسفورمر جريان St متناسب با بار ژنراتور مي باشد، با جريان جمع شده و پس از يكسو شدن توسط پل Gl مدارش را از طريق سيم پيچ تحريك F مي بندند. در شكل 1-2 برآيند اين دو جريان در اختلاف فاز خاصي نشان داده شده است.
اگرضريب توان يك باشد ( ) جريان با جريان داراي اختلاف فاز 90 درجه مي باشد و به طور هند
سي با هم جمع مي شوند و برآيند آنها مي باشد.
در صورتي كه ضريب توان بار صفر باشد ( ) جريان بار و جريان هم فاز هستند و به طور جبري با يكديگر جمع مي شوند و برآيند آنها مي باشد. (a نسبت تبديل ترانسفورمر جريان St مي باشد.) چنانكه ديده مي شود جريان بار نه تنها از نظر قدر مطلق بلكه از نظر اختلاف فاز در جريان تحريك موثر واقع مي شود. با كمپوند كردن به طريق فوق جريان تحريك متناسب با ضريب توان طوري تغيير مي‌كند كه ولتاژ ترمينال ژنراتور ثابت بماند. اين نوع كمپوند كردن باعث مي شود اولا جريان تحريك بسيار سريع تنظيم شود زيرا تغييرات جريان ثانويه ترانسفورمر جريان St به طور همزمان با تغييرات جريان اوليه صورت مي گيرد، ثانياً به علت اينكه تنظيم بر روي يك مدار بسته اثر نمي كند و مدار تنظيم باز است در ضمن تنظيم، ولتاژ ژنراتور نوساني نميشود و تنظيم بسيار آرام و يكنواخت صورت مي گيرد.
2-2-2- تحريك بدون جاروبيك
تحريك ژنراتورهاي بزرگ احتياج به جريان هاي بسيار بزرگ دارد كه ساختن ژنراتورهاي جريان دائم با قدرت زياد به علت وجود كلكتور و جاروبيك و اصولاً كموتاسيون امروزه با مشكلات زيادي مواجه است. بدين جهت براي تحريك ژنراتورهاي بزرگ ابتدا از ماشين جريان متناوب سه فاز استفاده شد، به طوري كه جريان سه فاز توسط ديودهاي ثابت يكسو شده و به كمك كابل جاروبك و رينگ ب
ه سيم پيچي قطبهاي گردان ژنراتور هدايت مي شد. سپس با از ميان رفتن كلكتور و مشكلات آن درصدد برداشتن رينگ و جاروبك براي هدايت جريان از مكان ثابتي به سيم پيچ قطبتهاي گردان ژنراتور برآمدند. درمرحله بعدي به جاي ديودهاي ثابت از ديودهاي گردان استفاده شد. و تحريك كننده جريان متناوب جانشين ژنراتور جريان دائم شد و ديودهاي روي محور گردان رتور جاساسزي شدند و به اين ترتيب تمام مشكلات جاروبك و كلكتور و حلقه هاي تماس و غيره رفع شد.
بزرگترين مزيت ژنراتور بدون جاروبك در حقيقت نداشتن جاروبك ها مي باشد زيرا جاروبك ها اجسامي با خواص كاملا متغير در مقابل درجه حرارت اثرات شيميايي، رطوبت و غيره هستند و كار كردن با آنها بسيار مشكل مي باشد. از اين جهت بايد دائماً تحت كنترل و مراقبت و نگهداري بسيار دقيق قرا رداشته باشند. در صورتي كه ژنراتور بدون جاروبك تقريباً احتياج به نگهداري و مراقبت ندارد شكل 3-2 قسمت هاي مختلف ژنراتور بدون جاروبك را نشان مي دهد.
شكل 3-2 ژنراتور بدون جاروبك
در اين شكل 2 ماشين تحريك كمكي با قطب هاي آهنرباي دائم كه جريان تحريك ماشين تحريك اصلي 5 را به كمك تنظمي كننده ولتاژ 1 تامين مي تنظيم مي‌كند. 8 ژنراتور اصلي و 7 سيم پيچ تحريك آن مي باشد. 6 مدار ديودهاي گردان مي باشد. ژنراتور 5 از نوع ژنراتو سه فاز با قطبهاي خارجي (در استاتور) است، جريان متناوبي كه در سيم پيچ رتور اين ماشين ايجاد مي شود توسط يكسو كننده هاي سيليكوني، كه روي محور رتور جا داده شده است و با رتور مي چرخد يكسو شده و پس از تبديل به جريان دائم توسط كابل از داخل محور رتور مجبور كرده و به سيم پيچي تحريك ژنراتور اصلي هدايت مي شود. سيم پيچ 4 براي سنجش جريان تحريك و رينگ هاي 3 براي كنترل اتصال زمين است.
3-تنظيم كننده سريع ولتاژ
در اين فصل نوعي از تنظيم كننده سريع ولتاژ كه به صورت تريستوري كنترل مي شود شرح داده مي شود. تريستور به عنوان يك كليد در تنظيم كننده ولتاژ به كار برده مي شود و در حقيقت عمل قطع و وصل تحريك را انجام مي دهد در شكل 1-4 استفاده از تريستور براي تنظيم ولتاژ را نشان مي دهند، جريان تحريك ژنراتور سنكرون 1 توسط ماشين تحريك كننده 2 و مقاومت 3 تامين مي شود. موازي با مقاومت 3 تريستور تنظيم كننده 4 قرار دارد عضو سنجشي ولتاژ ژنراتور را مي سنجد اگر اين ولتاژ نامي كمتر باشد يك پالس روشن كننده از طرف مولد پالس 6 بر روي گيت تريستور مي‌كند و جريان تحريك ژنراتور با آن ولتاژ ژنراتور بالا مي رود. براي خاموش كردن تريستور 4 از تريستور 7 و خازن 8 استفاده مي شود. خازن 8 به وسيله ولتاژ ژنراتور توسط ترانسورمر ولتاژ 9 و يكسو كننده 10 شارژ مي شود. دستگاه فرمان 11 طوري تنظيم شده است كه در انتهاي هر پريود ولتاژ ژنراتور، تريستور 7 روشن شود و با آن تريستور 4 خاموش شود.
شكل 1-4 مدار تنظيم كننده سريع ولتاژ
جريان تحريك ژنراتور 1 در شكل 2-4 نشان داده شده است. يكسو كننده 12 مانع از به وجود آمدن ولتاژ گذرانده زياد روي سيم پيچ تحريك در اثر قطع جريان تحريك در هنگام خاموش شدن تريستور 4 مي شود.
