انواع ژنراتورهای DC — از صفر تا صد (+ دانلود فیلم آموزش رایگان)

قبلاً در مجله فرادرس، اصول عملکرد ژنراتورهای DC‌ و اجزای آن‌ها را شرح دادیم. در این آموزش، انواع ژنراتورهای جریان مستقیم را معرفی خواهیم کرد.

ژنراتورهای DC را برحسب چگونگی تامین جریان میدان الکترومغناطیسی آن‌ها - که جریان تحریک (excitation current) نامیده می‌شود - و نیز نوع سیم‌بندی دسته‌بندی می‌کنند. همان‌طور که در آموزش‌های پیشین گفتیم، تقریباً همه ژنراتورهای DC از آهنربای الکتریکی برای ایجاد میدان مغناطیسی استفاده می‌کنند (البته در ژنراتورهای بسیار کوچک می‌توان از مغناطیس دائم استفاده کرد که در این آموزش به آن نمی‌پردازیم).

گفتیم که عامل اول دسته‌بندی، نوع تحریک ژنراتورها است. برای آنکه یک آهنربای الکتریکی میدان تولید کند، به جریان نیاز دارد. جریان مورد نیاز میدان را می‌توان از دو راه تامین کرد: (ا) استفاده از یک منبع جداگانه (تحریک جداگانه)؛ (۲) استفاده از بخشی از خروجی خود ژنراتور (خود تحریک). هر دو روش، مزایا و معایبی دارند که درباره آن‌ها بحث خواهیم کرد.

عامل دوم در دسته‌بندی ژنراتورهای DC این است که سیم‌پیچی‌های میدان و آرمیچر یک ژنراتور خود تحریک چگونه بسته شده‌اند. سیم‌پیچی‌ها می‌توانند سری، شنت (موازی) یا کمپوند (ترکیبی) باشند. لازم به ذکر است که سیم‌پیچی میدان به‌صورت شماتیک، تکی نشان داده می‌شود، اما در عمل هر یک از بخش‌های آن، روی قطب‌ها سوار می‌شوند. شکل 1، دسته‌بندی ژنراتورهای DC را نشان می‌دهد.

ژنراتور DC تحریک جداگانه

شکل 2، نمودار یک ژنراتور شنت تحریک جداگانه را نشان می‌دهد. آرمیچر با یک دایره مشخص شده که جاروبک‌ها نیز در دو سمت آن رسم شده‌اند. A1 و A2 سیم‌های متصل به جاروبک‌ها را نشان می‌دهند. سیستم با یک منبع ولتاژ خارجی تحریک می‌شود.

فیلم آموزش مبانی مهندسی برق ۲ در فرادرس

کلیک کنید

در شکل ۱، ولتاژ میدان از یک باتری تامین شده و ترمینال‌های سیم‌پیچ میدان، با F1 و F2 مشخص شده‌اند.

در حالت بی‌باری، ولتاژ خروجی برابر با ولتاژ آرمیچر است. وقتی بار به ژنراتور متصل شود، ولتاژ خروجی به‌اندازه IR کاهش می‌یابد.

ژنراتور تحریک جداگانه، با تغییر منبع کنترل می‌شود و در سیستم‌های انرژی تجدیدپذیر مانند توربین‌های بادی به‌کار می‌رود است که در آن‌ها سرعت شفت تغییر می‌کند. کنترل تحریک، به ثابت نگه داشتن خروجی DC کمک می‌کند. عیب این روش آن است که باید یک منبع DC را تهیه کرد که خود هزینه را افزایش می‌دهد.

ژنراتور خود تحریک

همان‌گونه که گفتیم، در ژنراتور‌های خود تحریک، از خروجی ژنراتور برای تحریک میدان آن استفاده می‌شود. بسته به نوع قرارگیری سیم‌پیچی‌ها در مدار ماشین، سه نوع ژنراتور خود تحریک سری، شنت و کمپوند وجود دارد که در ادامه هریک را توضیح می‌دهیم.

فیلم آموزش مروری ماشین های الکتریکی ۱ در فرادرس

کلیک کنید

ژنراتور DC‌ سری

در ژنراتورهای DC‌ سری، سیم‌پیچی‌ میدان با سیم‌پیچی‌ آرمیچر و بار سری است. به‌دلیل این اتصال سری، جریان میدان، جریان آرمیچر و جریان بار یکسان هستند. اگر بار زیاد شود (مقاومت کمتر شود)، جریان افزایش می‌یابد. بنابراین، جریان میدان و میدان مغناطیسی افزایش خواهند یافت. نتیجه این است که ولتاژ خروجی بر اثر افزایش بار زیاد خواهد شد. افزایش ولتاژ، جریان را بیشتر و بیشتر خواهد کرد. این فیدبک مثبت، در بسیاری از کاربردها نامطلوب است. به همین دلیل، ژنراتورهای سری فقط در موارد محدودی مورد استفاده قرار می‌گیرند.

شکل 3، ژنراتور DC سری را نشان می‌دهد. هرچند خود ژنراتور DC کاربردهای بسیار محدودی دارد، اما سیم‌پیچی سری میدان در ژنراتورهای کمپوند بسیار مفید است. ژنراتور، با مغناطیس باقیمانده قطب‌های استاتور شروع به کار می‌کند. در این حالت، وجود مقداری پسماند (هیسترزیس)‌، یک مزیت است، زیرا مقداری خاصیت مغناطیسی در هسته، سبب ایجاد ولتاژ کوچکی در خروجی خواهد شد. اگر از ژنراتور برای مدت زیادی استفاده نشود، باید یک منبع خارجی به سیم‌پیچ میدان اعمال کرد تا شروع به کار کند. البته اکثر ژنراتورهای DC خود تحریک هستند و در میدان خود، از مغناطیس باقیمانده برای راه‌اندازی استفاده می‌کنند.

ژنراتور DC شنت

اغلب ژنراتورهای DC، شنت خود تحریک هستند. در یک ژنراتور DC‌ شنت، سیم‌پیچی‌های میدان و آرمیچر با هم موازی هستند. برخلاف ژنراتور سری، جریان سیم‌پیچی میدان، جدا از جریان بار است، هرچند، بار هنوز بر ژنراتور تاثیر دارد. وقتی جریان خروجی افزایش یابد، ولتاژ سیم‌پیچی آرمیچر کاهش پیدا می‌کند که خود سبب کاهش ولتاژ خروجی می‌شود. یک عامل دیگر که خروجی را کاهش می‌دهد، عکس‌العمل آرمیچر (Armature reaction) نامیده می‌شود. عکس‌العمل آرمیچر، اثری است که با جریان آرمیچر ایجاد می‌گردد. بدین صورت که جریان آرمیچر یک نیروی محرکه مغناطیسی (mmf) تولید می‌کند که سبب اعوجاج و کاهش شار مغناطیسی سیم‌پیچ میدان می‌شود. این دو اثر سبب می‌شود ژنراتور خود تحریک، جریان کمتری به سیم‌پیچ‌های میدان تزریق کند که خود سبب کاهش میدان مغناطیسی و تمایل به افت ولتاژ بار خواهد شد.

رئوستای R1 با میدان شنت سری است و جریان میدان را کنترل می‌کند. میدان، به کمتر از ۲ درصد خروجی ژنراتور برای تحریک نیاز دارد که رئوستا آن را تنظیم می‌کند. سیم‌پیچی میدان، یک مقاومت ثابت دارد، بنابراین، جریان میدان متناسب با ولتاژ اعمالی است. افزایش جریان میدان، سبب افزایش میدان مغناطیسی تا نقطه اشباع می‌شود. اشباع، نقطه‌ای است که در آن‌جا، افزایش شدت میدان مغناطیسی (H) در هسته، سبب افزایش چگالی شار نمی‌شود. رئوستا با تنظیم جریان میدان تا نقطه اشباع، ولتاژ خروجی را کنترل می‌کند.

ژنراتور DC کمپوند

یک ژنراتور DC کمپوند، دو سیم‌پیچ میدان دارد: یک سیم‌پیچ سری و یک سیم‌پیچ موازی. جریان بار و سیم‌پیچ سری با هم برابرند، بنابراین، افزایش جریان بار، سبب افزایش میدان مغناطیسی سیم‌پیچی سری خواهد شد و در نتیجه ولتاژ خروجی شروع به افزایش می‌کند. برای جبران افزایش جریان بار در سیم‌پیچ شنت، ولتاژ خروجی تمایل به کاهش دارد. سیم‌پیچ‌های سری و شنت، به‌صورت ترکیبی با هم کار کرده و قدرت میدان مغناطیسی را ثابت نگه می‌دارند. بنابراین، ولتاژ خروجی مستقل از بار خواهد بود. به همین خاطر است که این نوع ژنراتور، ژنراتور کمپوند تخت (flat compounded generator) نامیده می‌شود. جبران افت ولتاژ، می‌تواند تغییرات خروجی را به ۱ تا 2 درصد محدوده بارهای کامل برساند. ژنراتورهای کمپوند، باثبات‌ترین ولتاژ خروجی را برای بارهای متغیر تامین می‌کنند.

سیم‌پیچی میدان سری، از سیم‌های قطوری با تعداد دورهای کم تشکیل شده که با سیم‌پیچی آرمیچر سری است، در حالی که سیم‌پیچی میدان شنت شامل تعداد دور زیاد از سیمی با قطر کوچک است.

سیم‌پیچی میدان شنت را می‌توان با دو روش متصل کرد. اولین راه، اتصال سیم‌پیچی میدان، آرمیچر و رئوستا مطابق شکل 5 است. در این پیکربندی، سیم‌پیچی میدان شنت و رئوستا با هم سری شده و مجموعه آن‌ها با مجموعه سری سیم‌پیچی میدان سری و آرمیچر، موازی است. این پیکربندی، ژنراتور شنت بلند (long-shunt generator) نامیده می‌شود.

راه دوم برای اتصال سیم‌پیچی‌ها، مطابق شکل 6 است که ژنراتور شنت کوتاه (short-shunt generator) نامیده می‌شود.

در آموزش‌های بعدی، روابط حاکم بر ژنراتورهای dc را بیان خواهیم کرد.

اگر به یادگیری مباحث مشابه این مطلب علاقه‌مند هستید، پیشنهاد می‌کنیممطالب زیر را نیز مطالعه کنید:

• اصول عملکرد ترانسفورماتور — به زبان ساده
• کنترل سرعت موتورهای DC — از صفر تا صد
• القای الکترومغناطیسی (Electromagnetic Induction) — از صفر تا صد

^^