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.

بخش اول

پس از مطالعه این بخش شما موارد زیر را یاد خواهید گرفت:

1-انواع ساختمان مولد های جریان متناوب

2- شرح ساختمان مولد های جریان متناوب

3-رسم منحنی بی باری و بار داری مولد های جریان متناوب و علل تغیرات ولتاژ در بار های مختلف

4-رسم دیاگرام توازن قدرت در مولد های جریان متناوب و کمیت های آن

ساختمان مولد های جریان متناوب

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

1-القا کننده (قطب ها)

2-القا شونده (کلاف ها)

در مولدها یا القا کننده ثابت و القاءشونده متحرک و یا القا کننده متحرک و القا شونده ثابت می باشد.

قسمت ساکن مولد را استاتور و قسمت متحرک را روتور می نامند.

در مولدهای 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 ناآشکار هستند. سیم پیچی تحریک این نوع القاءکننده به دور قطب ها پیچیده شده و سپس ابتدا و انتهای سیم پیچی به منبع تحریک متصل می شود.

در شکل زیر(1-5)  یک مولد جریان متناوب با قطب های برجسته نشان داده شده است که القاءکننده ثابتت و القاءشونده متحرک می باشد.

نوع دیگر القاءکننده دارای قطب های ناآشکار بوده یعنی قطب ها به صورت استوانه ای بوده که بر سطح جانبی آن شیارهایی به فواصل مساوی و موازی هم تعبیه شده و سیم پیچ تحریک داخل شیارها جای می گیرد. در شکل (2-5) یک مولد جریان متناوب با قطب ناآشکار یا مخفی دیده می شود. القا کننده این مولد متحرک و القاءشونده آن ثابت می باشد.

سیم پیچی تحریک طب ها را طوری انجام می دهند که بر محیط القاء کننده یک سری قطب های متوالی شمال و جنوب به دست آید.

 نحوه عملکرد:

جریان تحریک قطب ها که یک جریان DC می باشد یا به وسیله باتری یا به وسیله مولد جریان دائمی که روی محور مولد نصب می‌شود،تامین می گردد. این جریان تحریک توسط دو حلقه ی برنجی و جاروبک ها که با حقه ها در تماس هستند به سیم پیچی قطب ها می رسد. (3-5-الف) قسمتی از یک ژنراتور جریان متناوب همراه با مولد جریان دائم را نشان می‌دهد.

سیم پیچ القا شونده آلترناتورها بر اساس نوع آلترناتور (از نظر تعداد فاز) اجرا می شود. مثلا مولد یکفازه دارای یک کلاف سیم پیچی می باشد. باید توجه داشته باشید ک در مولد یکفاز 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 می کند. بنابراین در مولدهای یک فاز به جای یک کلاف از چند کلاف که با هم سری می‌شوند، استفاده می کنند و سر بنده کلاف ها 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 می باشد. تنها تفاوتی که دارد این است که در فاصله هر دو قطب همنام مجاور آن سه دسته سیم پیچی قرار دارد و چون در فاصله بین این دو قطب یک دوره تناوب کامل الکتریکی تولید می شود. زاویه اختلاف فاز الکتریکی هر دسته کلاف با دسته کلاف مجاور خود 120 درجه الکتریکی است. درضمن باید توجه داشت که کلاف هایی که در شیار استاتور قرار می گیرند 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 می آید که این نوع مولد ها یک فاز باشند. شکل (4-5-الف) نوع موجی سیم پیچی استاتور با سه شیار در مقابل هر قطب را نشان می دهد.

نیروی مکانیکی برای چرخش آلترناتور

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

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 می نماید.(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 می شوند استفاده می شود. این دیزل ها معمولا از 10 اسب بخار تا 5000 اسب بخار قدرت دارند.

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

در عمل چنانچه قدرت های 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 می شود. این طریقه مقرون به صرفه می باشد.

تقسیم بندی ژنراتورهای جریان متناوب

ژنراتورهای جریان متناوب به دو دسته تقسیم می شوند.

دسته اول: توربوآلترناتور

توربو آلترناتورها که دارای قطب های صاف می باشند توسط توربین های بخار و گاز به گردش در می آیند. سرعت این ژنراتورها 1500 الی 3000 دور در دقیقه می باشد. برای خنک کردن این ژنراتورها از هیدروژن مایع و یا هوای سرد استفاده می شود. در شکل (5-5) آرمیچر یک تربوآلترناتور می‌بینید.

دسته دوم: دیزل آلترناتور

این آلترناتورها که دارای قطب های برجسته می باشند. توسط موتورهای دیزلی به گدش در می آیند.سرعت این نوع آلترناتور کم است. برای کمک کردن این نوع آلترناتورها از روغن و یا آب سرد استفاده می کنند.

در آلترناتورها به جای کلکتور از حلقه هایی که باز این حلقه ها نسبت به هم و نسبت به محور عایق می باشند استفاده شده است.

تعداد حلقه ها و آلترناتورهای یک فازه دو عدد و در سه فازه سه عدد می باشند.

چگونگی کار یک آلترناتور سه فاز
شکل (6-5) یک آلترناتور سه فاز را که در حال انرژی به مدار خارج می باشد نمایش می دهد. در قسمت چپ آلترناتور یک فلکه قرار دارد، که نیرور چرخش موتور محرک توسط تسمه به روی این فلکه وارد می شود. در نتیجه روتور آلترناتور بر اثر این نیروی چرخش به گردش در می آید.

قسمت راست محور آلترناتور یک دیناموی شنت قرار دارد که هم حور با محور آلترناتور می باشد. در نتیجه بر اثر گردش آلترناتور آرمیچر دینامو به چرخش درمیاید و جریان اِم تولید می نماید. این جریان داِم توسط دو سیم به دو اتصال M₁ و M₂ که روی بدنه آلترناتور می باشند هدایت می شود. از آن به سیم پیچی قطب ها وارد می‌شود، در نتیجه میدان مغناطیسی ثابتی در قسمت القا کننده به وجود می آید.

استاتور این آلترناتور دارای سه دسته کلاف می باشد. 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 کلاف ها به هم متصل می‌شود سپس در داخل این جعبه اتصال، سه سر از شش سر کلاف ها به هم متصل می‌شود، ( یعنی آلترناتور به حالت ستاره کار می مند ) و سه سر دیگر توسط سیم های رابط به تابلوی برق آلترناتور وصل شده اند

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 می دهند و یک ولتمتر که ولتاژ خط (بین دو فاز) را اندازه می گیرند قرار دارد. مصرف کننده های این آلترناتور سه لامپ و یک موتور سه فاز می باشد.

حال بر اثر چرخش آلترناتور میدان مغناطیسی قطب ها سیم پیچی القا شونده را قطع نموده؛ در نتیجه نیرو محرکه ای در کلاف ها القا می نماید. وقتی که کلید را وصل کنیم، بر اثر بستن مدار، جریان در داخل و خارج آلترناتور برقرار می‌شود. در نتیجه بارهایی ( لامپ-موتورسه فاز) که از اسن آلترناتور تغذیه می نمایند به کار می افتند.

منحنی مشخصه ژنراتورهای جریان متناوب

روی آلترناتورها آزمایش های زیر را انجام می دهند و منحنی مشخصه هر یک را رسم می کنند.

1-منحنی بی باری:

منحنی بی باری آلترناتورها همان منحنی اشباع مغناطیسی می باشد که اگر آلترناتور سه فاز باشد پ، این منحنی را فقط برای یک فاز آن رسم می نمایند.

در این حالت مولد را بدون آنکه باری روی آن قرار داشته باشد به گردش در می آورند. وقتی که دور آلترناتور به دور نامی خود رسید، دور ثابت نگاه می داریم. آنگاه جریان تحریک را به تدریج از صفر افزایش می دهیم در نتیجه به ازای هر جریان تحریک در دور ثابت آلترناتور نیرو محرکه ای که با نیروی محرکه بی باری معروف است در کلاف ها القا می شود که توسط ولت‌متر دوسر آلترناتور خوانده می شود. حال با یادداشت کردن جریان تحریک و به ازای آن نیرو محرکه القایی منحنی مشخصه بی باری را رسم می کنیم. شکل (7-5)

در حالت فوق چون دور ثابت است پس بنا به فرمول فرکانس جریان متناوب ثابت می ماند. به علت پسماند مغناطیسی منحنی بی باری از نقطه بالا تر از صفر شروع می شود.

2-منحنی مشخصۀ بارداری:

قبل از برسی بارداری آلترناتور به شرح زیر توجه می کنیم:

چنانچه جریانی از سیمی بگزرد اطراف آن سیم میدان مغناطیسی ایجاد می گردد که از قانون دست راست تبعیت می کند:

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 می دهیم و توجه شما را به این نکته جلب می کنیم 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) ا در نظر می گیریم، زمانی که قطب های N  و S  ثابت القا کننده روبهروی سیم های 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 می دهد 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 می اندازد پس زمانی که قطب های N  و S  القا کننده روبه روی بازوهای سیم القاءشونده گذشته اند، فوران آن ایجاد می شود که طبق شکل به وسیله میدان های القا کننده بیشتر تضعیف می شوند.

ج-بار ظرفیتی یا خازنی  (8-5-ج): در این نوع اتصال به علت خاصیت خازنی بار، جریان از ولتاژدو سر آن جلو تر است؛ پس جریان و در نتیجه فوران هم فاز آن قبل از اینکه قطب های N  و S  روبه روی سیم های القا شونده برسند، ایجاد می شود و همان طوری که در شکل (8-5-ج) مشاهده می گردد در دو قطب تقویت میدان وجود خواهد داشت و افزایش فلوی مغتاطیسی باعث تقویت ولتاژخروجی مولد شده است.

از مطالب ذکر شده چنین نتیجه گیری می شود 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 می یابد، افت ولتاژ حاصل از پراکندگی نیز بالا می رود و در بار خازنی تقویت فلوی مغناطیسی نتیجه شده از فوران های 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 شده و دوباره ولتاژ خروجی رو به کاهش می گذارد. شکل(9-5)رمدار و منحنی مشخصۀ بارداری آلترناتور سنکرون را نشان می دهد