دانلود مقاله ژنراتور الکتریکی

مقدمه

قبل از اینکه ارتباط بین مغناطیس و الکتریسته کشف شود، ژنراتورها از اصول الکتروستاتیک بهره می‌بردند.

ماشین ویمشارت از القای الکتروستاتیک یا تأثیر کردن استفاده می‌کرد.

ژنراتور واندوگراف از اثر تریبوالکتریک برق مالشی برای جدا سازی بارهای الکتریکی با استفاده از اصطکاک بین عایقها استفاده می‌کرد.

ژنراتورهای الکتروستاتیک کارآمد نیستند و تنها برای آزمایشات علمی که نیازمند ولتاژهای بالا است، مناسب هستند.

فارادی

در سال 1831–1832م مایکل فارادی کشف کرد که بین دو سر یک هادی الکتریکی که بصورت عمود بر یک میدان مغناطیسی حرکت می‌کند، اختلاف پتانسیلی ایجاد می‌شود.

او اولین ژنراتور الکترومغناطیسی را بر اساس این اثر ساخت که از یک صفحه مسی دوار بین قطبهای یک آهنربای نعل اسبی تشکیل شده بود.

این وسیله یک جریان مستقیم کوچک را تولید می کرد.

دینامو

دینامو اولین ژنراتور الکتریکی قادر به تولید برق برای صنعت بود و کماکان مهمترین ژنراتور مورد استفاده در قرن بیست و یکم است.

دینامو از اصول الکترومغناطیس برای تبدیل چرخش مکانیکی به یک جریان الکتریکی متناوب ، استفاده می‌کند.

اولین دینامو بر اساس اصول فارادی در سال 1832 توسط هیپولیت پیکسی که یک سازنده تجهیزات بود، ساخته شد.

این وسیله دارای یک آهنربای دائم بود که توسط یک هندل گردانده می‌شد.

آهنربای چرخنده بگونه‌ای قرار داده می‌شد که یک تکه آهن که با سیم پوشانده شده بود، از قطبهای شمال و جنوب آن عبور می‌کرد.

پیکسی کشف کرد که آهنربای چرخنده ، هر بار که یک قطبش از سیم پیچ عبور می‌کند، تولید یک پالس جریان در سیم می‌کند.

به علاوه قطبهای شمال و جنوب آهنربا جریانها را در جهتهای مختلف القا می‌کنند.

پیکسی توانست با اضافه کردن یک کموتاتور جریان متناوب تولیدی به این روش را به جریان مستقیم تبدیل کند.

دیناموی گرام

به هر حال هر دوی این طرحها دارای مشکل یکسانی بودند: آنها پرشهای جریانی القا می‌کردند که از هیچ چیز پیروی نمی‌کرد.

یک دانشمند ایتالیایی به نام آنتونیو پاسینوتی این مسأله را با جایگزینی سیم پیچ چرخنده توسط یک سیم پیچ حلقه‌ای که او با سیم پیچی یک حلقه آهنی درست کرده بود، حل کرد.

این بدان معنی بود که آهنربا همواره از بخشی سیم پیچ عبور می‌کرد که این مسأله موجب یکنواختی جریان خروجی می‌شد.

زنوب گرام چند سال بعد در حین طراحی اولین نیروگاه تجاری در پاریس در دهه 1870م ، این طرح را دوباره ابداع کرد.

طراحی وی با نام دینامی گرام معروف است.

نسخه‌های مختلف و تغییرات زیادی از آن هنگام تا کنون در این طراحی بوجود آمده است، اما ایده اصلی چرخش یک حلقه بی پایان از سیم ، کماکان قلب تمامی دیناموهای پیشرفته باقی ماند.

مفاهیم

دانستن این مطلب مهم است که ژنراتور تولید جریان الکتریکی می‌کنند و نه بار الکتریکی که در سیمهای سیم پیچی‌اش وجود دارد.

این تا حدودی شبیه یک پمپ آب است که ایجاد یک جریان آب می‌کند اما خود آب را ایجاد نمی‌کند.

ژنراتورهای الکتریکی دیگری هم وجود دارند، اما بر اساس دیگر پدیده‌های الکتریکی نظیر: پیزو الکتریسته و هیدرو دینامیک مغناطیسی ، ساختار یک دینامو شبیه یک موتور الکتریکی است و تمام انواع عمومی دیناموها می‌توانند مانند موتورها کار کنند.

همچنین تمامی انواع عمومی موتورهای الکتریکی می‌توانند مانند یک ژنراتور کار کنند.

ژنراتور اشعه ایکس

یک مولد یا ژنراتور اشعه ایکس وسیله‌ای است که انرژی الکتریکی را جهت لامپ اشعه ایکس فراهم می‌نماید.

در واقع این وسیله انرژی مکانیکی را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌نماید.

این ژنراتور با یک منبع انرژی الکتریکی شروع می‌شود و سپس این انرژی را به نحوی تغییر می‌دهد تا نیاز لامپ اشعه ایکس را مرتفع سازد.

لامپ به دو منظور به انرژی الکتریکی نیازمند است.

ابتدا برای ملتهب نمودن فیلمان (کاتد) و تابش الکترون از آن ، سپس شتاب دادن به این الکترونها از کاتد به سمت آند.

ژنراتور اشعه ایکس برای هر کدام از این اعمال دارای یک مدار خاص می‌باشد که به ترتیب مدار فیلمان و مدار ولتاژ قوی نامیده می‌شوند.

قسمتهای مختلف ژنراتور اشعه ایکس

صفحه کنترل ژنراتور

صفحه کنترل شامل یک کلید اصلی جهت روشن نمودن دستگاه ، دو عدد وسیله اندازه گیری که میزان حقیقی MA وKVP را در خلال تولید اشعه ایکس اندازه گیری می‌نماید، است.

مجموعه مبدل

دومین جز ژنراتور اشعه ایکس یعنی مجموعه مبدلها یک جعبه فلزی با اتصال زمین پر شده از روغن است.

این جعبه شامل یک مبدل کاهنده برای مدار فیلمان و یک مبدل افزاینده برای مدار ولتاژ قوی می‌باشد.

بنابراین یک مبدل وسیله‌ای است که ولتاژ را در یک مدار افزایش یا کاهش می‌دهد.

این قسمت شامل دو سیم پیچ می‌باشد که به دو طرف یک حلقه آهنی پیچیده شده است.

هنگامیکه جریان از میان سیم پیچ اول عبور می‌نماید، یک میدان مغناطیسی در یک حلقه آهنی ایجاد شده و موجب القای یک جریان در سیم پیچ ثانویه می‌گردد.

اما این نکته مهم است که یک جریان فقط هنگامی در مدار ثانویه عبور می‌نماید که میدان مغناطیسی افزایش و کاهش یابد.

هنگامیکه میدان مغناطیسی در حالت پایدار است، هیچ جریانی از مدار عبور نخواهد کرد.

به این علت استفاده از یک جریان ثابت مستقیم (مانند جریان یک باتری) در سیم پیچ اولیه قادر به ایجاد یک جریان مداوم در سیم پیچ ثانویه نمی‌باشد.

بکار گیری جریان متناوب در مبدلها به علت آن است که این نوع جریان بوسیله یک اختلاف پتانسیل تولید شده و بطور مداوم اندازه و به صورت متناوب جهت آن تغییر می‌نماید.

یعنی مهمترین مشخصه جریان متناوب تغییر پیوسته ولتاژ آن می‌باشد که بدین ترتیب یک میدان مغناطیسی که دائما در حال تغییر است، ایجاد می‌نماید. 

انواع مبدل

یک مبدل با تعداد دور‌ های بیشتر در سیم پیچ ثانویه نسبت به سیم پیچ اولیه موجب افزایش ولتاژ می‌گردد که بدین ترتیب آن را یک مبدل افزاینده می‌نامند.

یک مبدل با دوره‌های کمتر در سیم پیچ ثانویه موجب پایین آوردن ولتاژ شده و به نام مبدل کاهنده نامیده می‌شود.

اتو ترانسفورماتور و وظایف آن

ولتاژ تحویلی به اتاق رادیوگرافی از طریق یک اتو ترانسفورماتور به ژنراتور اشعه ایکس متصل می‌گردد.

اتو ترانسفورماتور دارای چندین وظیفه است که به شرح زیر می‌باشد.

فراهم آوردن ولتاژ لازم برای مدار فیلمان.

فراهم آوردن ولتاژ لازم برای مدار اولیه مبدل ولتاژ قوی.

فراهم آوردن یک محل مناسب برای قرار دادن وسیله نمایش KVP که نشانگر ولتاژ اعمال شده به دو سر لامپ است.

یک اتو ترانسفورماتور شامل یک سیم پیچ منفرد بر روی یک هسته آهنی لایه لایه بوده و بر اساس اصل خود القایی کار می‌کند.

اعمال یک جریان متناوب ، یک میدان مغناطیسی در اطراف هسته القا خواهد نمود.

که این میدان با تمام دورهایی که سیم پیچ را تشکیل می‌دهد، در ارتباط است و با انتخاب نقطه اتصال مناسب می‌توان تعداد دورهای لازم برای فراهم کردن ولتاژ مورد نیاز سایر اجزای ژنراتور اشعه ایکس را فراهم آورد.

اتو ترانسفورماتور در یک محدوده بسیار کوچک می‌تواند عمل یک مبدل افزاینده یا کاهنده را انجام دهد.

اتو ترانسفورماتور در یک محدوده بسیار کوچک می‌تواند عمل یک مبدل افزاینده یا کاهنده را انجام دهد.

ژنراتور آبی ژنراتور نیروگاه آبی ژنراتــــــور مهمترین بخــــش نیــــروگاه آبی اســـت که انـــــرژی مکـــــانیکی دورانـــی را تبدیـــــل به انرژی الکــــتریکی مــی‎کند و از دو بخــــش اصلــــی روتــور و استاتور تشکیل شده است.

ژنراتورهای نوع سنکرون عمودی شامل بخش‎های زیر می‎باشند: - قاب استاتور(Stator Frame) - هسته استاتور( Stator Core) - سیم‎پیچ استاتور(ُStator Winding) - روتور(Rotor) - حلقه مورق روتور(Rotor Rim) - قطبها(Poles) - یاتاقان‎های کف‎گرد(Thrust Bearing) - یاتاقان‎های هادی(Guide Bearing) - سیستم روانکاری هیدوراستاتیک(Hydrostatic lubrication system) - سیستم خنک‎کننده Cooling system - واحد ترمز و بالابری (Braking and jacking unit) استاتور فریم یا قاب استاتور(Stator Frame) قاب استاتـــــور از اجـــــزاء فـولادی نورد شده ســــاخته شـده است که هســـته، سـیم‎پیچ و اجـــزاء جــــانبی اســـتاتور نظـــیرکولرهــای هوایی-آبی را روی خـــــود جـــای می‎دهد.

قاب اســـتاتور با ســـاختار خـــاص خود کل وزن روتــور را از طــریق براکــت تراست تحمل می‎نمـــاید.

عـــلاوه بر نیــروهای ناشی از گشــتار و وزن خود استاتـــور، قاب استاتـــور وزن کلیه اجراء گردان (ژنراتــور و توربیــــن)، وزن براکـــت تراست و بارهـای ناشـــی از فشــــار هیدرولیـــکی را از طریق سل پلیت ها یا حلقه‎هـــای نگهدارنده به فونداسیــــون منتقل می‎نمـــاید.

دریچه‎هـــای خـــروج هـــوا نیز در قـــاب استاتـور تعبیه شده است.در شکل زیر می توانید نمای استاتور فریم یک ژنراتور آبی با توان ۸۱ مگاولت آمپر را مشاهده نمایید.

هسته استاتور (Stator Core) هسته استاتور مسیری با رلوکتانس مغناطیسی پایین جهت عبور شار مغناطیسی فراهم می سازد.

قطر داخلی استاتور بوسیله گشتاور در حجم( Torque Per Volume) و اثر لختی GD² تعیین می شود.

هسته استاتور از دو قسمت تشکیل شده است : 1- ( یوغYoke ) : قسمتی است که بین شیار و قطر خارجی قرار می گیرد.

2- (Teeth دندانه ها) : قسمتهایی از هسته که بین شیارها قرار می گیرد.

قسمتهای انتهایی هسته ، جهت کاهش دمای ناشی از عبور شار مغناطیسی به روش خاصی تهیه می شوند و معمولا“ در این قسمتها فاصله هوایی بیشتر از مرکز هسته می باشد.

شیارها در بدنه هسته استاتور پانچ می شوند و محل قرار گرفتن سیم پیچی استاتور می باشند.

ورقه های هسته از سیلیکن با تلفات پایین و مقاوم در برابر پیری ( Non-Aging ) و با ضخامت 5/0 میلیمتر تهیه می شوند.

این ورقه ها از هر دو طرف با لایه های وارنیش عایق شده اند ( عایق کلاس F ).

هسته بر روی Stator Frame نصب می شود و در ضمن هنگام ورقه چینی ، ورقه‌های لایه‌های مختلف بر روی یکدیگر همپوشانی دارند.

برای محکم کردن ورقه ها ، از تعدادی Pressure Finger که بر روی Clamping Plate جوش می شوند و همچنین از تعدادی پیچ با مقطع دم‌چلچله‌ای (DoveTail ) استفاده می‌شود و ورقه ها به همدیگر پرس می شوند.

در ماشینهای بزرگ از تعدادی Clamping Bolt که از هسته نیز عایق می باشند برای استحکام بیشتر استفاده می کنند.

هسته استاتــور شامل صفحات دینامو کم تلفات است که ضخامت هر یک 5/0 میلیمتر می‎باشد.

برای خنک کردن هسته ، تعدادی کانال درون هسته جاسازی شده است که جنس این کانالها از تعدادی میله های غیرمغناطیسی که بر روی ورقه های سیلیکون با ضخامت 65/0 میلیمتر جوش می شوند، تشکیل شده است.

جریان هوا از درون این کانالها عبور کرده و هسته را خنک می کند.

شیارهایی در داخلی ورقه‎ها تعبیه شده‎اند تا امکان استقرار سیم‎پیچ‎های استاتور فراهم گردد.

وقتی که سیم‎پیچ‎ها در شیارها قرار گرفتند توسط گوه‎هایی عایق به شکل دم چلچله در محل خود ثابت شده و محل شیار پر می‎گردد.

هسته استاتور از طریق Stator Frame ، نیروهای ناشی از وقوع خطا و یا انبساط حرارتی را به فونداسیون منتقل می کند.

در شکل زیر می توان Stator Frame ، هسته و پیچهای دم چلچله ای را مشاهده نمود.

سیم پیچ استاتور (ُStator Winding) روتور و روتور هاب در شکل زیر ، نحوه گردش هوا را در تهویه مستقل( فن با یک موتور مستقل می چرخد) یک ژنراتور آبی نمایش می دهد.

سیم‌پیچ استاتور را با نامهای سیم‌پیچ آرمیچر یا سیم‌پیچ اندویی ( Induced Winding) نیز بیان می کنند.

این سیم‌پیچ شامل یک مدار الکتریکی است که ولتاژ و جریان آن ( وقتی که به شبکه وصل می شود) ، توسط یک شار مغناطیسی متغیر حاصله از "جریان روتور و حرکت روتور" ، القا می شود.

نوع ، جانمایی و ابعاد این سیم‌پیچی توسط توان نامی ، ولتاژ ، تعداد قطبها(سرعت)، نیازمندیهای ناشی از حداکثر مجاز گرم شدن سیم‌پیچی، راکتانس، راندمان و هزینه کمتر تعیین می شود.

انواع سیم‌پیچ به صورت زیر می باشند : 1- کلاف ( چند دور)( Coil) 2- Bar (تک دور) سیم پیچ استاتور از هادیهای مستطیلی تشکیل شده که به منظور اعمال ولتاژ مورد نظر و انجام تستهای معین ، نسبت به هم عایق شده اند.

سیم پیچ استاتور معمولا“ به صورت ستاره به هم متصل شده و دارای 3 ترمینال فاز و 3 ترمینال زمین می باشد.

سیم پیچ استاتور از دو ماده گرانقیمت عایق و مس ساخته شده که برای ساختن آن نیازمند ساعتهای کاری زیادی هستیم.

جهت ساخت سیم پیچ ، عملیاتی انجام می شود که به آن VPI یا Vacuum Pressure Impregnation گویند و با توجه به اندازه ماشین این عملیات بصورت زیر انجام می شود: 1- VPI کلی برای ماشینهای با قدرت کم و متوسط با Coil یا Bar (هسته و سیم پیج به همراه هم به کوره می روند .) 2-VPI گروهی برای ماشینهای با قدرت متوسط یا زیاد که بصورت Coil باشند ( در کوره های فولادی ) 3- VPI جداگانه برای ماشینهای با قدرت متوسط یا زیاد که بصورت Bar باشند ( در کوره های مخصوص ) باید توجه کرد که Coil ها به صورت سیم پیچی حلقوی تولید می شوند که در قسمت Over-Hang ترانسپوزه شده اند ولی Bar ها به