ژنراتور سنکرون

قطب‌های مغناطیسی روتور می‌توانند برجسته یا صاف باشند. قطب برجسته نسبت به سطح روتور برآمدگی دارد و قطب صاف با روتور هم‌سطح است. روتورهای قطب‌صاف معمولاً برای ماشین‌های دو یا چهار قطبی و روتورهای قطب‌برجسته برای ماشین‌های چهار قطبی یا بیشتر به کار می‌روند.
چون روتور در معرض میدان‌های مغناطیسی متغیر قرار دارد، آن را لایه‌لایه می‌سازند تا تلفات جریان گردابی کاهش یابد.

انتقال توان روتور

فراهم کردن جریان DC برای روتور چندین روش دارد که به دو روش آن اشاره می‌گردد.

1. با استفاده از حلقه‌های لغزان و جاروبک‌ها
2. با استفاده از یک منبع DC خاص که مستقیماً بر روی محور مولد نصب شده‌اند.

در مولدهای سنکرون، طبق تعریف، فرکانس الکتریکی تولید شده با سرعت چرخش ژنراتور متناسب است. میدان مغناطیسی روتور همراه با چرخش روتور می‌چرخد. بین سرعت چرخش میدان مغناطیس ماشین (${\displaystyle n_m}$

ولتاژ القا شدهٔ یک فاز نیز از رابطهٔ زیر به دست می‌آید:

این ولتاژ به شار ماشین (${\displaystyle \varphi }$

1. اعوجاج شاری که به علت جریان استاتور در میدان مغناطیسی فاصلهٔ هوایی ایجاد شده و عکس‌العمل آرمیچر نامیده می‌شود.
2. خودالقایی سیم‌پیچ‌های آرمیچر
3. مقاومت سیم‌پیچ‌های آرمیچر
4. اثر شکل قطب برجستهٔ روتور (این مورد مربوط به روتور قطب برجسته می‌شود)

عکس العمل آرمیچر موجب تغییر شار در مدار مغناطیسی مولد می‌شود در نتیجه می‌توان برای آن ولتاژی در نظر گرفت (ولتاژ عکس‌العمل آرمیچر) و برای مدل کردن آن از یک القاگر سری با ولتاژ داخلی استفاده کرد: (${\displaystyle X_{a}r}$

سیم‌پیچ‌های استاتور نیز یک خودالقایی و یک مقاومت دارند: (${\displaystyle X_A}$

معمولاً راکتانس‌های ناشی از عکس‌العمل آرمیچر و خودالقایی ماشین را با هم ترکیب می‌کنند و به صورت راکتانس سنکرون (${\displaystyle X_s}$

مولد سنکرون ماشینی است که توان مکانیکی را به توان الکتریکی سه فاز تبدیل می‌کند. منبع توان مکانیکی روتور می‌تواند یک موتور دیزل، یک توربین بخار، یک توربین آبی یا هر وسیلهٔ مشابه دیگر باشد. این منبع هرچه باشد باید صرف نظر از میزان تقاضای توان، سرعت ثابتی داشته باشد. در غیر این صورت بسامد برق تولید شده، ثابت نخواهد بود.
تمام توان مکانیکی ورودی مولد سنکرون به توان الکتریکی خروجی تبدیل نمی‌شود و اختلاف بین این دو توان تلفات ماشین را نشان می‌دهد. این تلفات را می‌توان به سه قسمت تقسیم کرد:

• تلفات گردشی: چون سرعت ماشین سنکرون ثابت است پس تلفات گردشی مولد سنکرون نیز ثابت است و شامل تلفات نیز زیر می‌شود: تلفات اصطکاک و تهویه که مربوط به ایجاد تلفات در بلبرینگ‌ها، اصطکاک بر اثر مالش بین قطعات و اصطکاک بین قطعات و هوا می‌شود و تلفات هسته در آرمیچر
• تلفات میدان تحریک DC
• تلفات اتصال کوتاه که شامل:
  • تلفات بار مسی که ناشی از مقاومت آرمیچر است.
  • تلفات سرگردان که دو قسمت دارد:
    • تلفات هستهٔ آهنی ناشی از شار آرمیچر
    • تلفات مس اضافی ناشی از اثر پوستی و جریان‌های گردابی در فرکانس‌های سنکرون

مدار معادل مولد سنکرون، سه جزء دارد و برای توصیف دقیق رفتار یک مولد سنکرون باید آن‌ها را تعین کرد؛

1. رابطهٔ بین جریان و شار میدان (جریان میدان و ${\displaystyle E_A}$
   )
2. راکتانس سنکرون
3. مقاومت آرمیچر

برای پیدا کردن این کمیت‌ها آزمون‌های مختلف طراحی شده‌اند.

آزمون مدار باز

اولین گام، آزمون مدار باز بر روی مولد است. برای این آزمایش، مولد در سرعت نامی چرخانده می‌شود، پایانه‌ها به بار اتصال ندارند و جریان میدان برابر صفر قرار داده می‌شود، سپس جریان میدان را با گام‌های تدریجی افزایش می‌دهند و ولتاژ پایانه‌ای را در هر گام انداره می‌گیرند چون پایانه‌ها باز هستند و در نتیجه جریانی از مدار نمی‌گذرد پس ولتاژ پایانه برابر ${\displaystyle E_A}$

آزمون اتصال کوتاه

برای این آزمون دوباره جریان میدان در صفر تنظیم می‌شود و پایانه‌های مولد توسط مجموعه‌ای از آمپرمترها اتصال کوتاه می‌شوند. سپس جریان آرمیچر ${\displaystyle I_a}$

تعیین راکتانس سنکرون

1. ولتاژ تولید شده واقعی ${\displaystyle E_A}$
   را به ازای جریان میدان از مشخصهٔ مدار باز به دست می‌آوریم.
2. جریان اتصال کوتاه ${\displaystyle I_a}$
   را به ازای جریان میدان از مشخصهٔ اتصال کوتاه به دست می‌آوریم.
3. با استفاده از معادلهٔ ${\displaystyle X_s=\frac{E_A}{I_a}}$
   ، ${\displaystyle X_s}$
   را به دست می‌آوریم.

در این روش ما ${\displaystyle X_s>>R_A}$

توان خروجی مولد سنکرون با بسامد آن مرتبط است. مشخصهٔ بسامد – توان نقش مهمی در کار موازی مولدهای سنکرون بازی می‌کند.
رابطهٔ بسامد و توان را می‌توان به‌طور کلی با معادلهٔ زیر بیان کرد:

که در آن:

${\displaystyle P}$

: توان خروجی مولد

${\displaystyle s_p}$

: شیب منحنی

${\displaystyle f_{nl}}$

: بسامد بی‌باری

${\displaystyle f_{sys}}$

: بسامد کار سیستم

مقادیر نامی ماشین سنکرون عبارت‌اند از ولتاژ، بسامد، سرعت، توان ظاهری (کیلو ولت‌آمپر)، ضریب توان، جریان میدان و ضریب سرویس.

ولتاژ، سرعت و بسامد نامی

بسامد نامی مولد سنکرون به سیستم قدرتی که به آن متصل است بستگی دارد. امروزه بسامدهایی که معمولاً در سیستم قدرت به کار می‌روند عبارت‌اند از Hz ۵۰ (در اروپا، آسیا و غیره)، Hz ۶۰ (در آمریکا) و Hz ۴۰۰ (برای مقاصد خاص و کاربردهای کنترلی).

اگر بسامد معلوم باشد به ازای تعداد قطب معین، سرعت چرخش برابر است با

ولتاژی که مولد برای آن طراحی شده‌است، به شار، سرعت چرخش و ساختمان مکانیکی ماشین بستگی دارد. به ازای اندازهٔ بدنه و سرعت معین، هرچه ولتاژ بیشتر باشد، شار لازم در ماشین بیشتر خواهد بود. اما شار را نمی‌توان به‌طور نامحدود زیاد کرد، زیرا همیشه یک جریان ماکزیمم مجاز جریان میدان وجود دارد.

در تعیین حداکثر ولتاژ مجاز، ولتاژ شکست عایق سیم‌پیچ در نظر گرفته می‌شود (ولتاژهای عادی نباید به مقدار ولتاژ شکست نزدیک شوند).

توان ظاهری و ضریب توان نامی

دو عامل حدود توان ماشین‌های الکتریکی را تعیین می‌کنند: گشتاور و گرم شدن سیم‌پیچ‌ها. محور ماشین‌های سنکرون، استحکام کافی برای تحمل توان در حالت بزرگ‌تر از مقدار نامی ماشین را دارد. پس حدود عملی را گرم شدن سیم‌پیچ‌های ماشین تعیین می‌کند.

مولد سنکرون دو سیم‌پیچ دارد و هر دوی آن‌ها باید در برابر گرمای زیاد حفاظت شوند. این دو سیم‌پیچ، سیم‌پیج آرمیچر و سیم‌پیچ میدان هستند.

کار کوتاه‌مدت

مهم‌ترین عامل محدودکنندهٔ کار حالت پایدار مولد سنکرون، گرم شدن سیم‌پیچ‌های آرمیچر و میدان آن است. اما حد گرمایی معمولاً نقطه‌ای بسیار پایین‌تر از ماکزیمم توانی که مولد از نظر عملی می‌تواند تولید کند قرار دارد. در واقع یک مولد سنکرون نوعی می‌تواند در زمان محدود تا ۳۰۰ درصد توان نامی‌اش تولید کند. (تا اینکه سیم‌پیچ‌هایش بسوزد)

مولد را می‌توان در توان‌های بیشتر از توان نامی به کار برد مشروط به آنکه قبل از برداشتن بار اضافی، سیم‌پیچ‌ها بیش از حد اضافی گرم نشده باشند. هرچه توان نامی بیشتر باشد، مدت زمانی که ماشین می‌تواند آن را تحمل کند کمتر می‌شود. ماکزیمم افزایش درجه حرارتی که ماشین می‌تواند تحمل کند به کلاس عایقی سیم‌پیچ‌هایش بستگی دارد. چهار کلاس عایقی وجود دارد: H ,F ،B ,A عموماً این کلاس‌ها به ترتیب متناظر با افزایش درجه حرارت به مقدار ۶۰، ۸۰، ۱۰۵ و ۱۲۵ درجه بیشتر از درجه حرارت محیط‌اند. هرچه کلاس عایقی یک ماشین معین بیشتر باشد توانی که بدون گرمایش بیش از حد می‌توان از آن کشید بیشتر است.

گرم‌شدن بیش از حد سیم‌پیچ‌ها مسئله‌ای بسیار جدی برای ماشین است. یک قاعده سر انگشتی قدیمی می‌گوید به ازای هر ۱۰ درجه افزایش درجه حرارت نسبت به حرارت مجاز سیم‌پیچ‌ها عمر متوسطه ماشین نصف می‌شود. حساسیت مواد عایقی امروزی نسبت به شکست کمتر از این است، اما افزایش حرارت هنوز اثر خود را دارد.

ضریب سرویس

غالباً قبل از نصب، اندازه بار فقط به صورت تقریبی معلوم است، به همین دلیل ماشین‌هایی با کاربرد عام یک ضریب سرویس دارند. ضریب سرویس به صورت نسبت ماکزیمم توان واقعی ماشین به مقدار نامی پلاک آن تعریف می‌شود. ضریب سرویس یک محدودهٔ اطمینان برای خطای ناشی از تخمین نامناسب بار فراهم می‌کند.

• چاپمن، استفن. مبانی ماشین‌های الکتریکی ترجمهٔ علیرضا صدوقی، محمود دیانی - نشر نص - چاپ پنجم - ویرایش سوم - زمستان ۱۳۸۳ شابک ‎۹۶۴-۵۸۰۱-۱۳-۳

• تولید انرژی الکتریکی
• مولد الکتریکی
• موتور الکتریکی