ژنراتورها(Electric generator)
این مقاله درباره تولید برق الکترومغناطیسی است. برای ژنراتورهای الکترواستاتیک مانند دستگاه Van de Graaff ، به ژنراتور الکترواستاتیک مراجعه کنید. برای دستگاه هایی که فوتون ها را به الکتریسیته تبدیل می کنند به پنل فتوولتائیک مراجعه کنید.
در تولید برق ، ژنراتور دستگاهی است که نیروی محرکه (انرژی مکانیکی) را برای استفاده در یک مدار خارجی به نیروی الکتریکی تبدیل می کند. منابع انرژی مکانیکی شامل توربین بخار ، توربین گاز ، توربین آب ، موتورهای احتراق داخلی ، توربین های بادی و حتی میل لنگ دستی است. اولین ژنراتور الکترومغناطیسی ، دیسک فارادی ، در سال ۱۸۳۱ توسط دانشمند انگلیسی ، مایکل فارادی اختراع شد. ژنراتورها تقریباً تمام قدرت شبکه های برق را تأمین می کنند.
تبدیل معکوس انرژی الکتریکی به انرژی مکانیکی توسط یک موتور الکتریکی انجام می شود و موتورها و ژنراتورها شباهت های زیادی دارند. بسیاری از موتورها را می توان به صورت مکانیکی برای تولید برق هدایت کرد. اغلب آنها ژنراتور دستی قابل قبولی می سازند.
ژنراتورهای الکترومغناطیسی در یکی از دو دسته وسیع دینام قرار می گیرند.
دینام ها با استفاده از کموتاتور جریان مستقیم پالس ایجاد می کنند.
دینام ها جریان متناوب تولید می کنند.
از نظر مکانیکی یک ژنراتور شامل یک قسمت چرخشی و یک قسمت ثابت است:
روتور:
قسمت دوار یک ماشین الکتریکی.
استاتور:
قسمت ثابت یک ماشین الکتریکی است که روتور را احاطه کرده است.
یکی از این قسمتها یک میدان مغناطیسی ایجاد می کند ، دیگری دارای سیم سیم است که در آن میدان متغیر باعث ایجاد جریان الکتریکی می شود:
سیم پیچ میدان یا آهنرباهای میدان (دائمی):
جزء مولد میدان مغناطیسی یک ماشین الکتریکی. میدان مغناطیسی دینامو یا دینام را می توان با سیم پیچ هایی به نام سیم پیچ میدان یا آهنرباهای دائمی تأمین کرد. ژنراتورهای برانگیخته الکتریکی شامل یک سیستم تحریک برای تولید شار میدان هستند. گاهی به ژنراتوری که از آهنرباهای دائمی (PM) استفاده می کند magneto یا ژنراتور همزمان مغناطیس دائمی (PMSM) می گویند.
آرماتور:
جزء تولیدکننده قدرت یک ماشین الکتریکی. در یک ژنراتور ، دینام یا دینام ، سیم پیچ های آرماتور جریان الکتریکی را تولید می کنند ، که قدرت یک مدار خارجی را تأمین می کند.
بسته به نوع طراحی ، آرمیچر می تواند روی روتور یا استاتور باشد ، در قسمت دیگر سیم پیچ میدان یا آهنربا باشد.
تاریخچه:
قبل از کشف ارتباط بین مغناطیس و الکتریسیته ، ژنراتورهای الکترواستاتیک اختراع شدند. آنها بر اساس اصول الکترواستاتیک ، با استفاده از تسمه ها ، صفحات و دیسک های دارای بار الکتریکی که بار را به الکترود با پتانسیل بالا منتقل می کردند ، کار می کردند. بار با استفاده از هر دو مکانیسم ایجاد می شود: القای الکترواستاتیک یا اثر تریبوالکتریک. چنین ژنراتورهایی ولتاژ بسیار بالا و جریان کم ایجاد می کنند. ژنراتورهای الکترواستاتیک به دلیل ناکارآمدی و دشواری عایق کاری ماشین هایی که ولتاژهای بسیار بالایی تولید می کردند ، دارای قدرت پایین بودند و هرگز برای تولید مقادیر قابل توجهی از نیروی الکتریکی مورد استفاده قرار نگرفتند. تنها کاربردهای عملی آنها برای تغذیه لوله های اشعه ایکس اولیه و بعداً در برخی شتاب دهنده های ذرات اتمی بود
دیسک ژنراتور فارادی:
اصل عملکرد ژنراتورهای الکترومغناطیسی در سالهای ۱۸۳۱-۱۸۳۲ توسط مایکل فارادی کشف شد. این اصل ، که بعدها قانون فارادی نامیده شد ، این است که یک نیروی الکتروموتور در یک رسانای الکتریکی ایجاد می شود که یک جریان مغناطیسی متفاوت را احاطه می کند.
او همچنین اولین ژنراتور الکترومغناطیسی را به نام دیسک فارادی ساخت. نوعی ژنراتور هم قطبی ، با استفاده از یک دیسک مسی که بین قطب های آهن ربا نعل اسب می چرخد. ولتاژ DC کمی تولید می کرد.
این طرح ناکارآمد بود ، زیرا جریانهای خودکار در مناطقی از دیسک که تحت تأثیر میدان مغناطیسی قرار نگرفته بودند ، لغو شد. در حالی که جریان مستقیماً در زیر آهنربا ایجاد می شد ، جریان در مناطقی که خارج از تأثیر میدان مغناطیسی قرار داشتند ، به عقب می چرخید. این جریان متقابل ، توان خروجی را به سیمهای وانت محدود کرد و باعث گرمایش ضایعات دیسک مسی شد. ژنراتورهای هم قطبی بعداً این مشکل را با استفاده از آرایه ای از آهن ربا که در اطراف دیسک قرار گرفته اند حل می کنند تا یک اثر میدان ثابت را در یک جهت جریان جریان حفظ کنند.
معایب دیگر این بود که ولتاژ خروجی بسیار کم بود ، به دلیل مسیر تک جریان از طریق شار مغناطیسی. آزمایشگران دریافتند که استفاده از چند دور سیم در سیم پیچ می تواند ولتاژهای مفیدتر و بالاتری تولید کند. از آنجا که ولتاژ خروجی متناسب با تعداد دورها است ، می توان ژنراتورها را به گونه ای طراحی کرد که با تغییر تعداد دورها ، ولتاژ مورد نظر را تولید کنند. سیم پیچ سیم به یک ویژگی اساسی در تمام طرح های ژنراتور بعدی تبدیل شد.
جدلیک و پدیده خود برانگیختگی:
اینیوس جدلیک مستقل از فارادی ، آزمایش خود را در سال ۱۸۲۷ با دستگاههای چرخشی الکترومغناطیسی آغاز کرد که او آنها را روتورهای الکترومغناطیسی نامید. در نمونه اولیه استارت الکتریکی تک قطبی (بین ۱۸۵۲ تا ۱۸۵۴ به پایان رسید) هر دو قسمت ثابت و گردان الکترومغناطیسی بودند. این همچنین کشف اصل تحریک خود دینامو بود ،که جایگزین طرح های آهنربای دائمی شد. او همچنین ممکن است مفهوم دینامو را در سال ۱۸۶۱ (قبل از زیمنس و Wheatstone) تدوین کرده باشد ، اما آن را به ثبت نرساند زیرا فکر می کرد اولین کسی نیست که به این موضوع پی برد..
ژنراتورهای جریان مستقیم:
سیم پیچ سیم که در میدان مغناطیسی می چرخد ، جریانی را ایجاد می کند که با هر ۱۸۰ درجه چرخش جهت تغییر می کند ، یک جریان متناوب (AC). با این حال بسیاری از استفاده های اولیه از برق به جریان مستقیم (DC) نیاز داشت. در اولین ژنراتورهای الکتریکی عملی که دینامو نامیده می شد ، AC با یک کموتاتور ، مجموعه ای از کنتاکت های سوئیچ دوار بر روی محور آرمیچر ، به DC تبدیل شد. کموتاتور اتصال سیم پیچ آرماتور به مدار را در هر ۱۸۰ درجه چرخش محور معکوس می کند و یک جریان DC تپنده ایجاد می کند. یکی از اولین دیناموها توسط Hippolyte Pixii در سال ۱۸۳۲ ساخته شد.
دینامو اولین ژنراتور الکتریکی بود که می توانست برای صنعت نیرو تولید کند. ژنراتور الکتریکی وولریچ در سال ۱۸۴۴ ، اکنون در Thinktank ، موزه علم بیرمنگام ، اولین ژنراتور الکتریکی است که در یک فرآیند صنعتی استفاده می شود.توسط شرکت Elkingtons برای آبکاری تجاری استفاده شد.
دیناموی مدرن ، مناسب برای استفاده در کاربردهای صنعتی ، مستقل توسط سر چارلز ویتستون ، ورنر فون زیمنس و ساموئل آلفرد وارلی اختراع شد. وارلی در ۲۴ دسامبر ۱۸۶۶ ثبت اختراع کرد ، در حالی که زیمنس و ویتستون هر دو کشفیات خود را در ۱۷ ژانویه ۱۸۶۷ اعلام کردند ، دومی مقاله ای را درباره کشف خود به انجمن سلطنتی تحویل داد.
“ماشین دینامیکی-الکتریکی” برای ایجاد میدان استاتور از سیم پیچ های الکترومغناطیسی خودران استفاده کرد تا آهنرباهای دائمی.طراحی Wheatstone شبیه به زیمنس بود ، با این تفاوت که در طراحی زیمنس الکترومغناطیس استاتور در یک سری با روتور قرار داشت ، اما در طراحی Wheatstone موازی بود.استفاده از آهنرباهای الکتریکی به جای آهنرباهای دائمی قدرت خروجی دینامو را تا حد زیادی افزایش داده و تولید برق با قدرت بالا را برای اولین بار فعال کرد. این اختراع مستقیماً منجر به اولین استفاده های عمده صنعتی از برق شد. به عنوان مثال ، در دهه ۱۸۷۰ زیمنس از دینام های الکترومغناطیسی برای تامین نیروی کوره های قوس الکتریکی برای تولید فلزات و سایر مواد استفاده کرد.
دستگاه دینامویی که توسعه داده شد شامل یک ساختار ثابت بود که میدان مغناطیسی را فراهم می کند و مجموعه ای از سیم پیچ های چرخشی که در آن میدان می چرخند. در ماشینهای بزرگتر میدان مغناطیسی ثابت توسط یک یا چند آهنربای الکتریکی تأمین می شود که معمولاً به آنها کویل میدان می گویند.
امروزه به دلیل استفاده تقریباً جهانی از جریان متناوب برای توزیع برق ، دینامهای بزرگ تولید برق به ندرت دیده می شوند. قبل از تصویب AC ، دیناموهای جریان مستقیم بسیار بزرگ تنها وسیله تولید و توزیع برق بودند. AC به دلیل توانایی AC به راحتی تبدیل به ولتاژهای بسیار بالا و اجازه تلفات کم در فواصل زیاد ، غالب شده است
ژنراتورهای همزمان (ژنراتورهای جریان متناوب):
از طریق مجموعه ای از اکتشافات ، دینام توسط بسیاری از اختراعات بعدی ، به ویژه دینام AC ، که قادر به تولید جریان متناوب بود ، موفق شد. معمولاً به عنوان ژنراتورهای همزمان (SGs) شناخته می شود. ماشینهای سنکرون مستقیماً به شبکه متصل هستند و باید هنگام راه اندازی به طور مناسب همگام شوند.علاوه بر این ، آنها با کنترل خاصی برای افزایش ثبات سیستم قدرت هیجان زده می شوند.
سیستمهای تولید جریان متناوب در اشکال ساده از کشف اولیه مایکل فارادی در مورد القای مغناطیسی جریان الکتریکی شناخته شده بودند. خود فارادی یک دینام اولیه ساخت. دستگاه او یک “مستطیل دوار” بود ، که عملکرد آن غیر قطبی بود – هر هادی فعال پی در پی از مناطقی عبور می کرد که میدان مغناطیسی در جهت مخالف قرار داشت.
ژنراتورهای بزرگ جریان متناوب دو فاز توسط یک برقکار انگلیسی ، J.E.H. گوردون ، در سال ۱۸۸۲. اولین تظاهرات عمومی “سیستم دینام” توسط ویلیام استنلی جونیور ، کارمند وستینگهاوس الکتریک در سال ۱۸۸۶ انجام شد.
Sebastian Ziani de Ferranti Ferranti، Thompson and Ince را در سال ۱۸۸۲ تأسیس کرد تا بازار Alternator Ferranti-Thompson خود را که با کمک فیزیکدان مشهور لرد کلوین اختراع شده بود به بازار عرضه کند.دینام های اولیه او فرکانسی بین ۱۰۰ تا ۳۰۰ هرتز تولید می کرد. فرانتی در سال ۱۸۸۷ با استفاده از سیستم جریان متناوب ، نیروگاه دپتفورد را برای شرکت تامین برق لندن طراحی کرد. پس از تکمیل در ۱۸۹۱ ، این اولین نیروگاه واقعاً مدرن بود که برق AC ولتاژ بالا را تأمین می کرد و سپس برای استفاده مصرف کنندگان در هر خیابان “قطع” شد. این سیستم اساسی امروزه در سراسر جهان مورد استفاده قرار می گیرد.
یک دینام کوچک AC نیروگاه مستقیم با قدرت ۷۵ کیلو ولت در اوایل دهه ۱۹۰۰ ، با ژنراتور تحریک کننده کمربند جداگانه.
پس از ۱۸۹۱ ، متناوب های چند فازی برای تأمین جریانهای مختلف مختلف معرفی شدند.آلترناتورهای بعدی برای تغییر فرکانسهای جریان متناوب بین شانزده تا حدود صد هرتز ، برای استفاده در روشنایی قوس ، روشنایی رشته ای و موتورهای الکتریکی طراحی شدند.
خود برانگیختگی:
با افزایش نیازهای تولید برق در مقیاس بزرگتر ، محدودیت جدیدی افزایش یافت:
میدان های مغناطیسی موجود از آهنرباهای دائمی. انتقال مقدار کمی از توان تولید شده توسط ژنراتور به سیم پیچ میدان الکترومغناطیسی به ژنراتور اجازه می دهد تا نیروی قابل ملاحظه ای تولید کند. این مفهوم خود تحریک نامیده شد.
سیم پیچ های میدان به صورت سری یا موازی با سیم پیچ آرماتور متصل می شوند. هنگامی که ژنراتور برای اولین بار شروع به چرخش می کند ، مقدار کمی از مغناطیس باقی مانده موجود در هسته آهن ، یک میدان مغناطیسی را برای شروع به کار فراهم می کند و یک جریان کوچک در آرمیچر ایجاد می کند. این جریان در سیم پیچ های میدان جریان می یابد و یک میدان مغناطیسی بزرگتر ایجاد می کند که جریان آرمیچر بیشتری ایجاد می کند. این روند “بوت استرپ” ادامه می یابد تا زمانی که میدان مغناطیسی در هسته به دلیل اشباع خاموش شود و ژنراتور به خروجی قدرت ثابت برسد.
ژنراتورهای نیروگاه های بسیار بزرگ اغلب از یک ژنراتور کوچکتر جداگانه برای تحریک سیم پیچ های بزرگتر استفاده می کنند. در صورت قطعی شدید برق در جایی که جزیره سازی نیروگاهها رخ داده است ، ایستگاهها ممکن است نیاز به شروع مشکی برای تحریک میدانهای بزرگترین ژنراتورهای خود داشته باشند تا خدمات برق مشتریان را بازیابی کنند.
* انواع تخصصی ژنراتور
جریان مستقیم (DC):
دینام از کموتاتورها برای تولید جریان مستقیم استفاده می کند. این خود هیجان زده است ، یعنی الکترومغناطیس های میدان آن توسط خروجی خود دستگاه تغذیه می شوند. انواع دیگر ژنراتورهای DC از منبع جداگانه جریان مستقیم برای ایجاد انرژی در آهنرباهای میدان خود استفاده می کنند.
ژنراتور همو قطبی
ژنراتور هم قطبی یک ژنراتور الکتریکی DC است که شامل یک دیسک یا سیلندر رسانای الکتریکی است که در یک صفحه عمود بر میدان مغناطیسی ایستا یکنواخت می چرخد. یک تفاوت بالقوه بین مرکز دیسک و لبه (یا انتهای سیلندر) ایجاد می شود ، قطبیت الکتریکی بسته به جهت چرخش و جهت میدان است.
همچنین به عنوان ژنراتور تک قطبی ، ژنراتور غیر چرخه ای ، دینام دیسک یا دیسک فارادی شناخته می شود. ولتاژ معمولاً در حدود چند ولت در مورد مدلهای نمایشی کوچک کم است ، اما ژنراتورهای تحقیقاتی بزرگ می توانند صدها ولت تولید کنند ، و برخی از سیستم ها دارای چندین ژنراتور به صورت سری برای تولید ولتاژ حتی بزرگتر هستند.آنها از این نظر غیرمعمول هستند که می توانند جریان الکتریکی فوق العاده ای تولید کنند ، چیزی بیش از یک میلیون آمپر ، زیرا ژنراتور هم قطبی می تواند مقاومت داخلی بسیار پایینی داشته باشد.
مولد مغناطید هیدرودینامیکی (MHD)
یک ژنراتور مغناطیدرودینامیکی مستقیماً نیروی الکتریکی را از حرکت گازهای داغ در یک میدان مغناطیسی ، بدون استفاده از ماشین های الکترومغناطیسی چرخشی ، استخراج می کند. ژنراتورهای MHD در ابتدا توسعه داده شدند زیرا خروجی ژنراتور MHD پلاسما شعله ای است که به خوبی قادر به گرم کردن دیگهای بخار نیروگاه است. اولین طراحی کاربردی AVCO Mk بود. ۲۵ ، توسعه یافته در ۱۹۶۵. دولت ایالات متحده بودجه قابل ملاحظه ای را تأمین کرد ، که در سال ۱۹۸۷ در یک کارخانه نمایش ۲۵ مگاواتی به اوج خود رسید. در اتحاد جماهیر شوروی از ۱۹۷۲ تا اواخر ۱۹۸۰ ، نیروگاه MHD U 25 به طور منظم در سیستم برق مسکو فعالیت می کرد. امتیاز ۲۵ مگاوات ، بزرگترین امتیاز نیروگاه MHD در جهان در آن زمان.ژنراتورهای MHD که به عنوان یک چرخه تاپینگ کار می کنند در حال حاضر (۲۰۰۷) کارآمدتر از توربین های گازی سیکل ترکیبی هستند.
* جریان متناوب (AC)
ژنراتور القایی:
موتورهای القایی AC ممکن است به عنوان ژنراتور استفاده شوند و انرژی مکانیکی را به جریان الکتریکی تبدیل کنند. ژنراتورهای القایی با چرخاندن مکانیکی روتور خود سریعتر از سرعت همزمان عمل می کنند و لغزش منفی ایجاد می کنند. یک موتور معمولی AC ناهمزمان معمولاً می تواند به عنوان ژنراتور بدون هیچ گونه تغییر داخلی استفاده شود. ژنراتورهای القایی در کاربردهایی مانند نیروگاه های مینی هیدرو ، توربین های بادی یا کاهش جریان گازهای فشار قوی به فشار پایین مفید هستند ، زیرا می توانند با کنترل های نسبتاً ساده انرژی را بازیابی کنند. آنها نیازی به مدار تحریک کننده ندارند زیرا میدان مغناطیسی دوار با القاء از مدار استاتور تأمین می شود. آنها همچنین نیازی به تجهیزات تنظیم سرعت ندارند زیرا ذاتاً در فرکانس شبکه متصل کار می کنند.
برای کار ، یک ژنراتور القایی باید با ولتاژ پیشرو تحریک شود. این کار معمولاً با اتصال به شبکه برق انجام می شود ، یا گاهی اوقات با استفاده از خازن های تصحیح فاز خود را تحریک می کنند.
ژنراتور الکتریکی خطی
در ساده ترین شکل ژنراتور الکتریکی خطی ، آهنربای کشویی از طریق یک شیر برقی – یک قرقره سیم مسی به جلو و عقب حرکت می کند. با استفاده از قانون القایی فارادی ، هر بار که آهنربا از درون عبور می کند ، یک جریان متناوب در حلقه های سیم ایجاد می شود. این نوع ژنراتور در چراغ قوه فارادی استفاده می شود. از ژنراتورهای خطی بزرگتر برق در طرح های توان موج استفاده می شود.
ژنراتورهای فرکانس ثابت با سرعت متغیر
بسیاری از تلاش های انرژی های تجدیدپذیر تلاش می کنند تا منابع طبیعی انرژی مکانیکی (باد ، جزر و مد و غیره) را برای تولید برق جمع آوری کنند. از آنجا که این منابع در توان اعمال شده نوسان دارند ، ژنراتورهای استاندارد با استفاده از آهنرباهای دائمی و سیم پیچ های ثابت ولتاژ و فرکانس نامنظم را ارائه می دهند. سربار تنظیم (چه قبل از ژنراتور از طریق کاهش دنده و چه بعد از تولید با وسایل الکتریکی) متناسب با انرژی طبیعی موجود ، زیاد است.
طرح های جدید ژنراتور مانند ژنراتور تغذیه ای ناهمزمان یا القایی ، ژنراتور تغذیه مضاعف یا ژنراتور تغذیه مضاعف روتور بدون جاروبک در برنامه های فرکانس ثابت با سرعت متغیر مانند توربین های بادی یا سایر فناوری های انرژی تجدیدپذیر موفقیت آمیز است. بنابراین این سیستم ها مزایای هزینه ، قابلیت اطمینان و کارایی را در موارد خاص استفاده ارائه می دهند.
*) موارد استفاده متداول
نیروگاه:
نیروگاه ، همچنین به عنوان نیروگاه یا نیروگاه و گاهی ایستگاه تولید یا نیروگاه ، از تاسیسات صنعتی برای تولید برق استفاده می شود. بیشتر نیروگاهها دارای یک یا چند ژنراتور هستند ، یک ماشین چرخشی که توان مکانیکی را به نیروی الکتریکی سه فاز تبدیل می کند. حرکت نسبی بین میدان مغناطیسی و رسانا جریان الکتریکی ایجاد می کند. منبع انرژی مورد استفاده برای چرخاندن ژنراتور بسیار متفاوت است. بیشتر نیروگاه های جهان سوخت های فسیلی مانند زغال سنگ ، نفت و گاز طبیعی را برای تولید برق می سوزانند. منابع تمیزتر شامل انرژی هسته ای و استفاده روزافزون از انرژی های تجدیدپذیر مانند خورشید ، باد ، موج و برق آبی است.
* ژنراتورهای خودرو
وسایل نقلیه جاده ای:
وسایل نقلیه موتوری به انرژی الکتریکی نیاز دارند تا ابزار مورد نیاز خود را تامین کنند ، موتور خود را فعال نگه دارند و باتری های خود را شارژ کنند. تا حدود دهه ۱۹۶۰ وسایل نقلیه موتوری تمایل به استفاده از ژنراتور DC (دینام) با تنظیم کننده های الکترومکانیکی داشتند. با توجه به روند تاریخی بالا و به دلایل مشابه ، اکنون این مدارها با مدارهای یکسو کننده داخلی جایگزین شده اند.
دوچرخه:
دوچرخه برای تغذیه چراغ های روشن و سایر تجهیزات به انرژی نیاز دارد. دو نوع ژنراتور متداول در دوچرخه ها استفاده می شود: دینام بطری که بر حسب نیاز لاستیک دوچرخه را درگیر می کند و دینام های توپی که مستقیماً به قطار دوچرخه متصل می شوند. این نام معمولی است زیرا اینها دینام های کوچک مغناطیسی دائمی هستند ، نه ماشینهای DC خود هیجان انگیز مانند دینامو. برخی از دوچرخه های برقی قادر به ترمز مجدد هستند ، جایی که موتور محرک به عنوان مولد برای بازیابی مقداری انرژی در هنگام ترمز استفاده می شود.
قایق های بادبانی:
قایق های قایقرانی ممکن است از یک ژنراتور آب یا باد استفاده کنند تا باتری ها را شارژ کنند. یک ملخ کوچک ، توربین بادی یا پروانه به یک ژنراتور کم توان وصل می شود تا جریانها را با سرعت معمولی باد یا سرعت حرکت تامین کند.
اسکوتر برقی:
اسکوترهای برقی با ترمزهای احیا کننده در سراسر جهان محبوب شده اند. مهندسان از سیستم های بازیابی انرژی جنبشی روی اسکوتر برای کاهش مصرف انرژی و افزایش دامنه آن تا ۴۰-۶۰ by با بازیابی انرژی به سادگی با استفاده از ترمز مغناطیسی استفاده می کنند که انرژی الکتریکی را برای استفاده بیشتر تولید می کند. سرعت خودروهای مدرن تا ۲۵-۳۰ کیلومتر در ساعت می رسد و می توانند تا ۳۵-۴۰ کیلومتر حرکت کنند.
Genset:
موتور ژنراتور ترکیبی از یک ژنراتور الکتریکی و یک موتور (حرکت دهنده اصلی) است که در کنار هم قرار گرفته اند و یک قطعه واحد از تجهیزات مستقل را تشکیل می دهند. موتورهای مورد استفاده معمولاً موتورهای پیستونی هستند ، اما می توان از توربین های گازی نیز استفاده کرد و حتی واحدهای هیبریدی گازوئیل گاز وجود دارد که واحدهای دوگانه سوز نامیده می شوند. نسخه های مختلفی از ژنراتورهای موتور موجود است – از مجموعه های کوچک قابل حمل بنزینی گرفته تا تاسیسات توربین بزرگ. مزیت اصلی ژنراتورهای موتور این است که به طور مستقل برق تولید می کنند و به واحدها اجازه می دهد تا به عنوان راه حل های برق پشتیبان عمل کنند.
ژنراتورهای الکتریکی با نیروی انسانی:
یک ژنراتور همچنین می تواند توسط نیروی عضلانی انسان هدایت شود (به عنوان مثال ، در تجهیزات ایستگاه های رادیویی صحرایی).
معترضان در اشغال وال استریت از دوچرخه های متصل به موتور و دیود یک طرفه برای شارژ باتری لوازم الکترونیکی خود استفاده می کنند.
ژنراتورهای برقی با نیروی انسانی در دسترس تجاری هستند و پروژه برخی از علاقه مندان به DIY بوده است. به طور معمول با استفاده از نیروی پدال ، مربی دوچرخه یا پمپ پا ، این ژنراتورها عملاً می توانند برای شارژ باتری استفاده شوند و در برخی موارد با اینورتر انتگرال طراحی می شوند. به طور متوسط یک “انسان سالم” می تواند ۷۵ وات ثابت (۰٫۱ اسب بخار) را برای مدت هشت ساعت کامل تولید کند ، در حالی که یک “ورزشکار درجه یک” می تواند تقریباً ۲۹۸ وات (۰٫۴ اسب بخار) برای یک دوره مشابه تولید کند. در پایان آن ، یک دوره نامشخص استراحت و بهبودی لازم است. با قدرت ۲۹۸ وات ، متوسط ”انسان سالم” در عرض ۱۰ دقیقه خسته می شود.به دلیل کارایی ژنراتور ، قدرت خالص الکتریکی قابل تولید کمتر خواهد بود. گیرنده های رادیویی قابل حمل با لنگ برای کاهش نیاز خرید باتری ساخته شده است ، رادیو ساعت کار را ببینید. در اواسط قرن بیستم ، رادیوهای پدالی در سرتاسر استرالیا برای تأمین مدارس (مدرسه هوا) ، پزشکی و سایر نیازها در ایستگاه ها و شهرهای دور افتاده مورد استفاده قرار گرفت.
اندازه گیری مکانیکی:
ژنراتور یک دستگاه الکترومکانیکی است که ولتاژ خروجی متناسب با سرعت محور آن تولید می کند. ممکن است برای نشانگر سرعت یا در سیستم کنترل سرعت بازخورد استفاده شود. از ژنراتورهای فشارسنج اغلب برای تغذیه سرعت سنج ها برای اندازه گیری سرعت موتورهای الکتریکی ، موتورها و تجهیزات مورد نیاز آنها استفاده می شود. ژنراتورها ولتاژ تقریباً متناسب با سرعت شفت ایجاد می کنند. با ساخت و طراحی دقیق ، می توان ژنراتورهایی را تولید کرد که ولتاژهای بسیار دقیقی برای محدوده های مشخصی از سرعت شفت تولید کنند.
مدار معادل:
مدار معادل ژنراتور و بار در نمودار مجاور نشان داده شده است. ژنراتور توسط یک ژنراتور انتزاعی متشکل از منبع ولتاژ ایده آل و امپدانس داخلی نشان داده می شود. ژنراتور {\ displaystyle V _ {\ text {G}}} {\ displaystyle V _ {\ text {G}}} و {\ displaystyle R _ {\ text {G}}} {\ displaystyle R _ {\ text {G}} } پارامترها را می توان با اندازه گیری مقاومت سیم پیچ (اصلاح شده در دمای کار) ، و اندازه گیری مدار باز و ولتاژ بارگذاری شده برای بار جاری تعریف شده تعیین کرد.
این ساده ترین مدل ژنراتور است ، ممکن است برای نمایش دقیق عناصر بیشتری نیاز باشد. به طور خاص ، برای ایجاد سیم پیچ و جریان نشت مغناطیسی ، می توان القایی را اضافه کرد
همچنین میتوان باین نمود:
ژنراتورها وسایل مفیدی هستند که برق را در هنگام قطع برق تأمین می کنند و از تداوم فعالیت های روزانه و یا اختلال در عملیات تجاری جلوگیری می کنند. ژنراتورها در پیکربندی های مختلف الکتریکی و فیزیکی برای استفاده در برنامه های مختلف موجود هستند. در بخشهای بعدی ، نحوه عملکرد ژنراتور ، اجزای اصلی ژنراتور و نحوه عملکرد ژنراتور به عنوان منبع ثانویه برق در کاربردهای مسکونی و صنعتی را بررسی خواهیم کرد.
ژنراتور چگونه کار می کند؟
ژنراتور الکتریکی وسیله ای است که انرژی مکانیکی به دست آمده از منبع خارجی را به انرژی الکتریکی به عنوان خروجی تبدیل می کند.
درک این نکته ضروری است که ژنراتور در واقع انرژی الکتریکی “ایجاد” نمی کند. در عوض ، از انرژی مکانیکی تأمین شده برای حرکت بارهای الکتریکی موجود در سیم سیم پیچ های آن از طریق یک مدار الکتریکی خارجی استفاده می کند. این جریان بارهای الکتریکی جریان الکتریکی خروجی تولید شده توسط ژنراتور را تشکیل می دهد. این مکانیسم را می توان با در نظر گرفتن مشابه بودن ژنراتور با پمپ آب درک کرد ، که باعث جریان آب می شود اما در واقع آبی را که از آن عبور می کند “ایجاد” نمی کند.
ژنراتور امروزی بر اساس القای الکترومغناطیسی کار می کند که توسط مایکل فارادی در سالهای ۱۸۳۱ تا ۳۲ کشف شد. فارادی کشف کرد که جریان بالای بارهای الکتریکی را می توان با حرکت یک رسانای الکتریکی ، مانند سیم که حاوی بارهای الکتریکی است ، در یک میدان مغناطیسی ایجاد کرد. این حرکت بین دو انتهای سیم یا رسانای الکتریکی اختلاف ولتاژ ایجاد می کند که به نوبه خود باعث جریان بارهای الکتریکی شده و در نتیجه جریان الکتریکی ایجاد می کند.
اجزای اصلی ژنراتور:
اجزای اصلی یک ژنراتور الکتریکی را می توان به طور کلی به شرح زیر طبقه بندی کرد:
- موتور
- دینام
- سیستم سوخت
- تنظیم کننده ولتاژ
- سیستم های خنک کننده و اگزوز
- سیستم روغن کاری
- شارژر باطری
- صفحه کنترل
- مجمع اصلی / قاب
شرح اجزای اصلی ژنراتور در زیر آورده شده است.
Engine:
موتور منبع انرژی مکانیکی ورودی به ژنراتور است. اندازه موتور با حداکثر توان خروجی ژنراتور متناسب است. هنگام ارزیابی موتور ژنراتور خود چندین عامل را باید در نظر داشته باشید. برای به دست آوردن مشخصات کامل موتور و برنامه های تعمیر و نگهداری ، باید با سازنده موتور مشورت شود.
الف) نوع سوخت مورد استفاده – موتورهای ژنراتور بر روی انواع سوختها مانند گازوئیل ، بنزین ، پروپان (به صورت مایع یا گاز) یا گاز طبیعی کار می کنند. موتورهای کوچکتر معمولاً با بنزین کار می کنند در حالی که موتورهای بزرگتر با گازوئیل ، پروپان مایع ، گاز پروپان یا گاز طبیعی کار می کنند. برخی از موتورها همچنین می توانند با تغذیه دوگانه دیزل و گاز در حالت عملکرد دوگانه سوز کار کنند.
ب) موتورهای سوپاپ سربار (OHV) در مقابل موتورهای غیر OHV-موتورهای OHV با موتورهای دیگر تفاوت دارند از این نظر که سوپاپ های ورودی و خروجی موتور در سر سیلندر موتور قرار دارند ، بر خلاف اینکه روی بلوک موتور نصب شده اند. موتورهای OHV چندین مزیت نسبت به موتورهای دیگر دارند ، از جمله:
• طراحی فشرده
• مکانیزم عملکرد ساده تر
• دوام
• کاربر پسند در عملیات
• صدای کم در حین کار
• سطوح انتشار پایین
با این حال ، موتورهای OHV گران تر از موتورهای دیگر هستند.
(ج) آستین چدنی (CIS) در سیلندر موتور – CIS یک پوشش در سیلندر موتور است. این فرسودگی را کاهش می دهد و دوام موتور را تضمین می کند. اکثر موتورهای OHV مجهز به CIS هستند ، اما بررسی این ویژگی در موتور ژنراتور ضروری است. CIS یک ویژگی گران قیمت نیست ، اما نقش مهمی در دوام موتور بازی می کند ، به ویژه اگر شما نیاز به استفاده از ژنراتور خود اغلب یا برای مدت طولانی دارید.
دینام:
دینام ، همچنین به عنوان “ژن هد” شناخته می شود ، بخشی از ژنراتور است که خروجی الکتریکی را از ورودی مکانیکی تامین شده توسط موتور تولید می کند. این شامل مجموعه ای از قطعات ثابت و متحرک است که در یک محفظه محصور شده اند. اجزاء با هم کار می کنند و باعث ایجاد حرکت نسبی بین میدان های مغناطیسی و الکتریکی می شوند که به نوبه خود الکتریسیته تولید می کند.
(الف) Stator – این جزء ثابت است. این شامل مجموعه ای از رساناهای الکتریکی است که در سیم پیچ ها روی یک هسته آهنی پیچیده شده اند.
(ب) روتور / آرمیچر – این جزء متحرک است که میدان مغناطیسی دوار را به یکی از سه روش زیر تولید می کند:
(الف) با القایی – اینها به عنوان آلترناتیو بدون برس شناخته می شوند و معمولاً در ژنراتورهای بزرگ استفاده می شوند.
(ب) توسط آهنرباهای دائمی – این در واحدهای دینام کوچک رایج است.
(ج) با استفاده از یک برانگیزاننده – یک محرک منبع کوچک جریان مستقیم (DC) است که به روتور از طریق مجموعه ای از حلقه های لغزش رسانا و برس ها انرژی می دهد.
روتور یک میدان مغناطیسی متحرک در اطراف استاتور ایجاد می کند که باعث ایجاد اختلاف ولتاژ بین سیم پیچ های استاتور می شود. این خروجی جریان متناوب (AC) ژنراتور را تولید می کند.
موارد زیر مواردی است که هنگام ارزیابی دینام ژنراتور باید به آنها توجه داشته باشید:
(الف) مسکن فلزی در برابر پلاستیک-طراحی تمام فلزی دوام دینام را تضمین می کند. بدنه های پلاستیکی با گذشت زمان تغییر شکل می دهند و باعث می شوند قسمت های متحرک دینام در معرض دید قرار گیرد. این باعث افزایش سایش و پارگی می شود و مهمتر از همه ، برای کاربر خطرناک است.
(ب) بلبرینگ در مقابل بلبرینگ سوزنی – بلبرینگ ها ترجیح داده می شوند و بیشتر عمر می کنند.
(ج) طراحی بدون برس – آلترناتیو که از برس استفاده نمی کند ، نیاز به تعمیر و نگهداری کمتری دارد و همچنین نیروی پاکتری تولید می کند.
سیستم سوخت:
مخزن سوخت معمولاً دارای ظرفیت کافی برای کارکردن ژنراتور به طور متوسط ۶ تا ۸ ساعت است. در مورد واحدهای ژنراتور کوچک ، مخزن سوخت بخشی از پایه لغزش ژنراتور است یا در بالای قاب ژنراتور نصب شده است. برای کاربردهای تجاری ، ممکن است احداث و نصب یک مخزن سوخت خارجی ضروری باشد. کلیه این تاسیسات منوط به تأیید بخش برنامه ریزی شهری است. برای اطلاعات بیشتر در مورد مخازن سوخت ژنراتورها روی پیوند زیر کلیک کنید.
ویژگی های مشترک سیستم سوخت شامل موارد زیر است:
(الف) اتصال لوله از مخزن سوخت به موتور – خط تغذیه سوخت را از مخزن به موتور و خط برگشت سوخت را از موتور به مخزن هدایت می کند.
ب) لوله تهویه مخزن سوخت-مخزن سوخت دارای یک لوله تهویه برای جلوگیری از ایجاد فشار یا خلاء در هنگام پر شدن و تخلیه مخزن است. هنگام پر کردن مجدد مخزن سوخت ، از تماس فلز به فلز بین نازل پرکننده و مخزن سوخت اطمینان حاصل کنید تا از ایجاد جرقه جلوگیری شود.
(ج) اتصال سرریز از مخزن سوخت به لوله تخلیه – این مورد مورد نیاز است تا هر گونه سرریز در هنگام پر شدن مجدد مخزن باعث نشت مایع روی مجموعه ژنراتور نشود.
(د) پمپ سوخت – این سوخت را از مخزن ذخیره اصلی به مخزن روز منتقل می کند. پمپ بنزین معمولاً از طریق برق کار می کند.
ه) جدا کننده آب سوخت / فیلتر سوخت – این امر آب و مواد خارجی را از سوخت مایع جدا می کند تا از سایر اجزای ژنراتور در برابر خوردگی و آلودگی محافظت کند.
(و) انژکتور سوخت – این سوخت مایع را اتمی می کند و مقدار مورد نیاز سوخت را به محفظه احتراق موتور می پاشاند.
تنظیم کننده ولتاژ:
همانطور که از نامش مشخص است ، این جزء ولتاژ خروجی ژنراتور را تنظیم می کند. مکانیسم زیر در برابر هر جزء که در روند چرخه ای تنظیم ولتاژ نقش دارد توضیح داده شده است.
(۱) تنظیم کننده ولتاژ: تبدیل ولتاژ AC به جریان DC – تنظیم کننده ولتاژ بخش کوچکی از خروجی ژنراتور ولتاژ AC را گرفته و آن را به جریان DC تبدیل می کند. سپس تنظیم کننده ولتاژ این جریان DC را به مجموعه ای از سیم پیچ های ثانویه در استاتور ، که به سیم پیچ تحریک کننده معروف است ، تغذیه می کند.
(۲) سیم پیچ Exciter: تبدیل جریان DC به جریان AC – سیم پیچ های برانگیزان در حال حاضر شبیه به سیم پیچ های اولیه استاتور عمل می کنند و یک جریان AC کوچک ایجاد می کنند. سیم پیچ های تحریک کننده به واحدهایی موسوم به یکسو کننده های چرخشی متصل می شوند.
(۳) اصلاح کننده های چرخشی: تبدیل جریان AC به جریان DC – اینها جریان AC تولید شده توسط سیم پیچ های برانگیز را تصحیح کرده و آن را به جریان DC تبدیل می کنند. این جریان DC به روتور / آرمیچر داده می شود تا علاوه بر میدان مغناطیسی دوار روتور / آرمیچر ، یک میدان الکترومغناطیسی ایجاد کند.
(۴) روتور / آرمیچر: تبدیل جریان DC به ولتاژ AC – روتور / آرمیچر در حال حاضر ولتاژ AC بزرگتری را در سیم پیچ های استاتور ایجاد می کند ، که ژنراتور اکنون به عنوان ولتاژ AC خروجی بزرگتر تولید می کند.
این چرخه تا زمانی ادامه می یابد که ژنراتور شروع به تولید ولتاژ خروجی معادل ظرفیت کارکرد کامل خود کند. با افزایش خروجی ژنراتور ، تنظیم کننده ولتاژ جریان DC کمتری تولید می کند. هنگامی که ژنراتور به ظرفیت کامل کار می رسد ، تنظیم کننده ولتاژ به حالت تعادل می رسد و فقط جریان DC کافی تولید می کند تا خروجی ژنراتور را در سطح عملکرد کامل حفظ کند.
وقتی بار را به ژنراتور اضافه می کنید ، ولتاژ خروجی آن کمی کاهش می یابد. این باعث می شود تنظیم کننده ولتاژ وارد عمل شود و چرخه فوق شروع می شود. این چرخه تا زمانی ادامه می یابد که خروجی ژنراتور به حداکثر ظرفیت اولیه خود برسد.
سیستم خنک کننده و اگزوز:
الف) سیستم خنک کننده:
استفاده مداوم از ژنراتور باعث گرم شدن اجزای مختلف آن می شود. داشتن سیستم خنک کننده و تهویه برای خروج گرمای تولید شده در این فرآیند ضروری است.
آب خام/شیرین گاهی اوقات به عنوان خنک کننده برای ژنراتورها استفاده می شود ، اما این موارد بیشتر به موقعیتهای خاصی مانند ژنراتورهای کوچک در برنامه های شهری یا واحدهای بسیار بزرگ با قدرت ۲۲۵۰ کیلو وات و بالاتر محدود می شود. گاهی از هیدروژن به عنوان خنک کننده برای سیم پیچ های استاتور واحدهای ژنراتور بزرگ استفاده می شود ، زیرا در جذب گرما کارآمدتر از سایر خنک کننده ها است. هیدروژن گرما را از ژنراتور خارج می کند و آن را از طریق مبدل حرارتی به یک مدار خنک کننده ثانویه منتقل می کند که حاوی آب معدنی زدایی شده به عنوان خنک کننده است. به همین دلیل است که ژنراتورهای بسیار بزرگ و نیروگاه های کوچک اغلب برجهای خنک کننده بزرگی را در کنار خود دارند. برای همه کاربردهای معمول دیگر ، چه مسکونی و چه صنعتی ، یک رادیاتور و فن استاندارد روی ژنراتور نصب شده و به عنوان سیستم خنک کننده اولیه عمل می کند.
بررسی سطح خنک کننده ژنراتور به صورت روزانه ضروری است. سیستم خنک کننده و پمپ آب خام باید بعد از هر ۶۰۰ ساعت شسته شوند و مبدل حرارتی باید پس از هر ۲۴۰۰ ساعت کار ژنراتور تمیز شود. ژنراتور باید در یک منطقه باز و تهویه قرار گیرد که دارای هوای تازه کافی است. کد ملی برق (NEC) حکم می کند که برای اطمینان از جریان آزاد هوای خنک کننده ، باید حداقل ۳ فوت در هر طرف ژنراتور مجاز باشد.
(ب) سیستم اگزوز:
گازهای خروجی خروجی از یک ژنراتور دقیقاً مانند خروجی از موتورهای دیزلی یا گازی دیگر هستند و حاوی مواد شیمیایی بسیار سمی هستند که باید به درستی مدیریت شوند. بنابراین ، نصب یک سیستم اگزوز مناسب برای دفع گازهای خروجی ضروری است. نمی توان این نکته را به اندازه کافی تأکید کرد زیرا مسمومیت با گاز مونوکسید کربن یکی از شایع ترین علل مرگ در مناطق تحت تأثیر طوفان باقی می ماند زیرا مردم تمایل ندارند حتی تا دیر وقت به آن فکر نکنند.
لوله های خروجی معمولاً از چدن ، آهن فرفورژه یا فولاد ساخته می شوند. اینها باید مستقل باشند و نباید توسط موتور ژنراتور پشتیبانی شوند. لوله های خروجی معمولاً با استفاده از اتصالات انعطاف پذیر به موتور متصل می شوند تا ارتعاشات را به حداقل برسانند و از آسیب به سیستم خروجی ژنراتور جلوگیری کنند. لوله اگزوز در خارج از منزل خاتمه یافته و از درها ، پنجره ها و سایر دهانه ها به خانه یا ساختمان منتهی می شود. شما باید اطمینان حاصل کنید که سیستم خروجی ژنراتور شما به هیچ دستگاه دیگری متصل نیست. همچنین باید از مقررات شهرهای محلی برای تعیین اینکه آیا عملکرد ژنراتور شما نیاز به تأیید مقامات محلی دارد یا خیر ، اطمینان حاصل کنید که مطابق قوانین محلی هستید و از جریمه و سایر مجازات ها پیروی می کنید.
سیستم روانکاری:
از آنجا که ژنراتور شامل قطعات متحرک در موتور خود است ، برای اطمینان از دوام و عملکرد روان برای مدت زمان طولانی ، نیاز به روانکاری دارد. موتور ژنراتور توسط روغن ذخیره شده در یک پمپ روغن کاری می شود. هر ۸ ساعت کار ژنراتور باید سطح روغن روان کننده را بررسی کنید. همچنین باید نشت روان کننده را بررسی کرده و روغن پرکننده را هر ۵۰۰ ساعت در کار ژنراتور تعویض کنید.
شارژر باطری:
عملکرد استارت یک ژنراتور با باتری کار می کند. شارژر باتری با تأمین ولتاژ دقیق “شناور” باتری ژنراتور را شارژ نگه می دارد. اگر ولتاژ شناور بسیار پایین باشد ، باتری زیر شارژ باقی می ماند. اگر ولتاژ شناور بسیار زیاد باشد ، عمر باتری را کوتاه می کند. شارژرهای باتری معمولاً از فولاد ضد زنگ ساخته می شوند تا از خوردگی جلوگیری شود. آنها همچنین کاملاً اتوماتیک هستند و نیازی به انجام هیچ گونه تنظیم یا تغییر در تنظیمات ندارند. ولتاژ خروجی DC شارژر باتری ۲٫۳۳ ولت در هر سلول تنظیم شده است که ولتاژ شناور دقیق باتری های سربی اسید است. شارژر باتری دارای خروجی ولتاژ DC جدا شده است که عملکرد طبیعی ژنراتور را مختل می کند.
کنترل پنل:
این رابط کاربری ژنراتور است و شامل مفاهیم مربوط به پریزها و کنترل ها است. مقاله زیر جزئیات بیشتری را در مورد کنترل پنل ژنراتور ارائه می دهد. تولیدکنندگان مختلف ویژگی های متفاوتی را در کنترل پنل های واحدهای خود ارائه می دهند. برخی از این موارد در زیر ذکر شده است.
(الف) راه اندازی و خاموش شدن الکتریکی-پانل های کنترل استارت خودکار به طور خودکار ژنراتور شما را در هنگام قطع برق روشن می کند ، در حین کار بر روی ژنراتور نظارت می کند و در صورت عدم نیاز دیگر دستگاه را به طور خودکار خاموش می کند.
(ب) موتور سنج – اندازه گیرهای مختلف پارامترهای مهمی مانند فشار روغن ، دمای خنک کننده ، ولتاژ باتری ، سرعت چرخش موتور و مدت زمان کار را نشان می دهند. اندازه گیری و نظارت مداوم بر این پارامترها باعث می شود که ژنراتور در صورت عبور هر یک از سطوح آستانه مربوطه خاموش شود.
(ج) ژنراتورها – صفحه کنترل همچنین دارای متر برای اندازه گیری جریان و ولتاژ خروجی و فرکانس کار است.
(د) سایر کنترلها – سوئیچ انتخاب کننده فاز ، سوئیچ فرکانس و سوئیچ کنترل موتور (حالت دستی ، حالت خودکار) و سایر موارد.
همه ژنراتورها ، قابل حمل یا ثابت ، دارای محفظه های سفارشی هستند که یک پایه پایه ساختاری را ارائه می دهند. این قاب همچنین اجازه می دهد تا تولید شده برای ایمنی به زمین متصل شود.