ژنراتورها دستگاه‌های بسیار مفیدی هستند که در طول قطعی برق، منابع الکتریکی لازم را تامین می‌کنند و همچنین موجب جلوگیری از ایجاد وقفه در فعالیت‌های روزانه و اختلال در فعالیت‌های کاری ما می‌شود. ژنراتورها در تنظیمات مختلف الکتریکی و فیزیکی برای استفاده در کاربردهای مختلف در دسترس هستند. در ادامه به نحوه عملکرد ژنراتورها، معرفی اجزای اصلی یک ژنراتور و همچنین نحوه عملکرد یک ژنراتور به عنوان منبع ثانویه تولید برق در کاربرد مسکونی و صنعتی می‌پردازیم.
نحوه‌ی عملکرد ژنراتور به چه صورت است؟
ژنراتور الکتریکی دستگاهی است که انرژی مکانیکی دریافتی از یک منبع خارجی را به عنوان خروجی به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند.
این نکته قابل ذکر است که ژنراتور انرژی الکتریکی را «تولید» نمی‌کند. در عوض از انرژی مکانیکی دریافتی به منظور ایجاد حرکت بارهای الکتریکی موجود در سیم سیم پیچ‌ها از طریق مدار الکتریکی خارجی استفاده می‌کند. این جریان بارهای الکتریکی، خروجی جریان الکتریکی تامین شده به وسیله ژنراتور را تغییر می‌دهد. در صورتی که ژنراتور را با یک پمپ آب که سبب ایجاد یک جریان آبی بوده اما خود تولید کننده آبی جاری نیست، مقایسه کنیم به درک بهتری از این مکانیزم دست خواهیم یافت.
ژنراتورهای امروزی بر مبنای قانون القای الکترومغناطیس که در سال ۳۲-۱۸۳۱ توسط مایکل فارادی کشف شد، عمل می‌کنند. فارادی دریافت که جریان بارهای الکتریکی بالا را می‌توان با حرکت یک رسانای الکتریکی مانند یک سیم با بار الکتریکی در یک میدان مغناطیسی، القا نمود. این حرکت موجب ایجاد اختلاف ولتاژ در دو سر سیم یا رسانای الکتریکی می‌شود. که در ادامه موجب جریان بار الکتریکی و در نهایت موجب تولید جریان الکتریکی می‌گردد.
اجزای اصلی یک ژنراتور
به طور کلی اجزای اصلی یک ژنراتور الکتریکی به صورت زیر طبقه بندی می‌شوند:
- موتور
- آلترناتور (دستگاه تولید برق متناوب)
- مخزن سوخت
- تنظیم کننده ولتاژ
- سیستم‌های خنک کننده و اگزوز
- سیستم روغنکاری
- شارژر باتری
- پنل کنترل
- قالب/ چارچوب اصلی
در ادامه توضیحاتی در خصوص اجزای اصلی ژنراتور ارائه شده است.
۱. موتور
موتور منبع انرژی مکانیکی ورودی ژنراتور است. اندازه ژنراتور مستقیما متناسب با حداکثر توان خروجی تامین شده توسط ژنراتور، در نظر گرفته می‌شود. در زمان بررسی موتور ژنراتور می‌بایست چند عامل را به درستی بررسی کنید. به منظور دستیابی به بهترین عملکرد موتور و نگهداری مناسب از آن، حتما با تولیدکننده موتور مشورت کنید.
الف) نوع سوخت مورد استفاده- موتور ژنراتور با انواع سوخت‌ها از جمله دیزل، بنزین، پروپان (به شکل گاز یا مایع) و یا گاز طبیعی کار می‌کند. موتورهای کوچکتر معمولا با بنزین کار می‌کنند، در حالی که سوخت رایج موتورهای بزرگتر دیزل، بنزین، پروپان، گاز پروپان یا گاز طبیعی است. برخی از موتورهای خاص، در حالت دوگانه‌سوز از گاز و دیزل به طور همزمان استفاده می‌کنند.
ب) موتور با سوپاپ رو (OHV) در مقایسه با موتور بدون سوپاپ- موتورهای OHV متفاوت از سایر موتورها هستند. در این نوع موتورها، سوپاپ خروجی و ورودی به جای بدنه موتور، بر روی سر سیلندر موتور قرار گرفته است. موتورهای OHV نسبت به سایر موتورها مزایای بسیاری دارند:
- طراحی فشرده
- مکانیزم عملکرد ساده تر
- ماندگاری بیشتر
- کاربری آسان در عملیات
- تولید سر و صدای کمتر در عملیات
- انتشار دود کمتر
گرچه موتورهای OHV نسبت به سایر موتورهای هزینه‌های بالاتری دارند.
پ) روکش چدنی (CIS) در سیلندر موتور- CIS در سیلندر موتور به عنوان یک آستری عمل می‌کند. ساییدگی و خراشیدگی‌ها را کاهش داده و موجب افزایش ماندگاری موتور می‌گردد. بیشتر موتورهای OHV به CIS مجهز هستند اما لازم است که از وجود این ویژگی در موتور ژنراتور اطمینان یابید. CIS چندان گران قیمت نیست اما نقش مهمی در ماندگاری موتور، به خصوص در هنگامی که به مدت طولانی از ژنراتور استفاده می‌کنید، ایفا می‌کند.
۲. آلترناتور ( دستگاه تولید برق متناوب)
آلترناتور یا دینام، بخشی از ژنراتور است که از ورودی مکانیکی به دست آمده از موتور، خروجی الکتریکی تولید می‌کند. دینام از قطعات ثابت و متحرکی تشکیل شده که درون یک محفظه قرار دارند. این اجزا به منظور ایجاد حرکت نسبی بین میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی، با یکدیگر کار می‌کنند که در نهایت سبب تولید الکتریسیته می‌شوند.
الف) استاتور- یکی از اجزای ثابت است. استاتور از مجموعه ای از رساناهای الکتریکی تشکیل شده که در درون فنرهایی بر روی مرکز آهنی قرار دارند.
ب) روتور/ آرمیچر- یکی از اجزای متحرک است که به یکی از سه روش زیر یک میدان مغناطیسی چرخشی ایجاد می‌کند:
- با استفاده از القا- این نوع از آلترناتورها با عنوان آلترناتورهای جاروبک (براشلس) شناخته می‌شوند و اغلب در ژنراتورهای بزرگ به کار می‌روند.
- با استفاده از مغناطیس دائم- معمولا در واحدهای آلترناتور کوچک از آن‌ها استفاده می‌شود.
- با استفاده از یک محرک- محرک یک منبع کوچک جریان مستقیم (DC) است که از طریق مجموع حلقه‌های لغزش رسانا جاروبک‌ها در روتور تولید برق می‌کند.
روتور در اطراف استاتور یک میدان مغناطیسی متحرک ایجاد می‌کند که سبب ایجاد یک تفاوت ولتاژ بین سیم پیچی‌های استاتور می‌گردد. همین موضوع سبب ایجاد خروجی جریان متناوب (AC) از ژنراتور می‌شود.
در ادامه برخی از نکات ضروری در هنگام ارزیابی آلترناتور ژنراتور را مشاهده می‌نمایید:
- محفظه فلزی و یا پلاستیکی- یک طراحی تمام فلزی ماندگاری آلترناتور را تضمین می‌کند. محفظه‌های پلاستیک در طول زمان تغییر شکل داده و سبب بیرون آمدن برخی از اجزای متحرک آلترناتور می‌شوند. همین موضوع سبب ساییدگی و خراشیدگی و از همه مهم‌تر، ایجاد خطر برای کاربر خواهد شد.
- بلبرینگ یا بلبرینگ سوزنی- همه بیرینگ‌ها مناسب بوده و طول عمر بیشتری خواهند داشت.
- طراحی جاروبک (براشلس)- آلترناتورهای بدون جاروب، به مراقبت و نگهداری کمتری نیاز داشته و برق پایدارتری تولید می‌کند.
۳. مخزن سوخت
معمولا مخزن سوخت، ظرفیت کافی برای عملکرد ۶ تا ۸ ساعته (به طور میانگین) ژنراتور را داراست. در صورتی که واحدهای ژنراتور کوچکتری داشته باشید، مخزن سوخت بخشی از پایه ژنراتور شده و یا در بالای بدنه ژنراتور قرار می‌گیرد. ممکن است برای کاربردهای تجاری، لازم باشد که یک مخزن سوخت خارجی جدید نصب کنید. همه این نوع نصب‌ها می‌بایست با تایید سازمان برنامه ریزی شهری صورت گیرد.
ویژگی‌های مشترک سیستم سوخت شامل موارد زیر می‌شوند:
- اتصال لوله از مخزن سوخت به موتور- خط تغذیه سوخت داخل مخزن را به موتور متصل کرده و خط بازگشت، سوخت را از موتور به مخزن باز‌می‌گرداند.
- لوله تهویه برای مخزن سوخت- در مخزن سوخت یک لوله تهویه قرار داده شده که از افزایش تدریجی فشار یا ایجاد خلا در زمان سوخت‌گیری مجدد یا زهکشی مخزن جلوگیری می‌نماید.
- اتصال سر ریز از مخزن سوخت به لوله زهکشی- در زمان سوخت‌گیری مجدد مخزن این اتصال بسیار کارآمد خواهد بود، زیرا از نشت مایع بر روی ژنراتور جلوگیری می‌نماید.
- لوله سوخت- این لوله، سوخت را از مخزن ذخیره اصلی به مخزن روزانه انتقال می‌دهد. لوله سوخت معمولا با برق کار می‌کند.
- جداکننده آب از سوخت/ فیلتر سوخت- این وسیله آب و عوامل خارجی را از سوخت جدا کرده و از دیگر اجزای ژنراتور در مقابل پوسیدیگ و آلودگی جلوگیری می‌نماید.
- تزریق کننده سوخت- این مورد، سوخت مایع را تجزیه نموده و مقدار مورد نیاز سوخت را به داخل محفظه احتراق موتور اسپری می‌کند.
۴. تنظیم کننده ولتاژ
همانطور که از نامش هم پیداست، تنظیم کننده ولتاژ وظیفه تنظیم کردن ولتاژ خروجی ژنراتور را بر عهده دارد. در ادامه مکانیزم این بخش را در مقابل هر یک از اجزا که نقشی در روند گردشی تنظیم ولتاژ ایفا می‌کنند، خواهیم دید.
- تنظیم کننده ولتاژ: تبدیل ولتاژ AC به جریان DC- تنظیم کننده ولتاژ بخش کوچکی از خروجی ژنراتور ولتاژ AC را اشغال کرده و آن را به جریان DC تبدیل می‌کند. سپس تنظیم کننده ولتاژ این جریان DC را برای مجموعه سیم‌پیچ‌های ثانویه استاتور که با نام سیم‌پیچ‌های محرک شناخته می‌شوند، تامین می‌کند.
- سیم‌پیچ‌های محرک: تبدیل جریان DC به جریان AC- حالا سیم‌پیچ‌های محرک عملکردی مشابه با سیم‌پیچ‌های اولیه استاتور دارند و اندکی جریان AC تولید می‌کنند. سیم‌پیچ‌های محرک به واحدهایی به نام یکسوکننده چرخشی متصل هستند.
- یکسوکننده چرخشی: تبدیل جریان AC به جریان DC- این بخش جریان AC تولید شده به وسیله سیم‌پیچ‌های محرک را یکسو کرده و آن را به جریان DC تبدیل می‌کند. این جریان DC به روتور/ آرمیچر رسیده و سبب می‌شود تا آن‌ها علاوه بر میدان مغناطیسی چرخشی روتور/ آرمیچر، یک میدان الکترومغناطیسی نیز ایجاد کنند.
- روتور/ آرمیچر: تبدیل جریان DC به ولتاژ AC- حالا روتور/ آرمیچر یک ولتاژ AC بزرگتر در سیم‌پیچ‌های استاتور به وجود می‌آورد، و در نتیجه حالا ژنراتور یک ولتاژ AC خروجی بزرگتر تولید می‌نماید.
این چرخه تا زمانی که ژنراتور ولتاژ خروجی برابر با ظرفیت کامل عملکرد خود تولید کند، ادامه می‌یابد. هر چه خروجی ژنراتور افزایش یابد، تنظیم کننده ولتاژ جریان DC کمتری تولید می‌کند. زمانی که ژنراتور به ظرفیت عملکردی کامل خود برسد، تنظیم کننده ولتاژ به حالت تعادل رسیده و تنها خروجی ژنراتور را در سطح عملکرد کامل حفظ می‌کند.
وقتی که به ژنراتور بار اضافه می‌کنیم، ولتاژ خروجی آن اندکی پایین میآید. همین موضوع سبب به کار افتادن تنظیم کننده ولتاژ شده و چرخه بالا آغاز می‌شود. این چرخه همچنان ادامه دارد تا زمانی که حجم خروجی ژنراتور تا ظرفیت عملکردی کامل و اصلی خود افزایش یابد.
۵. سیستم اگزوز و خنک کننده
سیستم خنک کننده
استفاده مداوم از ژنراتور باعث می‌شود تا بسیاری از اجزای آن داغ شوند. به منظور از بین بردن گرمای تولید شده در هنگام کار، وجود یک سیستم تهویه و خنک کننده ضروری است.
در برخی مواقع از آب تازه/ سرد به عنوان خنک کننده ژنراتور استفاده می‌شود، اما می‌توان گفت که تنها به برخی شرایط خاص مثل ژنراتورهای کوچک در کاربردهای شهری یا واحدهای بسیار بزرگ و بالاتر از ۲۲۵۰ کیلوواتی محدود هستند. در برخی مواقع از هیدروژن به عنوان خنک کننده سیم‌پیچ‌های استاتور واحدهای ژنراتور بزرگ استفاده می‌شود، زیرا بهره وری آن‌ها در جذب گرما بیشتر از سایر خنک کننده‌هاست. هیدروژن گرما را از ژنراتور گرفته و آن را از طریق تبدیل کننده گرما به یک جریان خنک کننده ثانویه تبدیل می‌کند که در آن مقداری آب بدون املاح معدنی به عنوان خنک کننده قرار دارد.
به همین خاطر است که اغلب در کنار ژنراتورهای بسیار بزرگ و نیروگاه‌های کوچک یک برج خنک کننده بزرگ قرار داده می‌شود. برای کاربردهای معمولی دیگر، چه مسکونی و یا صنعتی، یک رادیاتور استاندارد و یک فن بر روی ژنراتور قرار می‌گیرند و به عنوان سیستم خنک کننده اولیه کار می‌کنند.
لازم است که سطح خنک کننده ژنراتور به صورت روزانه بررسی شود. سیستم خنک کننده و لوله آب سرد را می‌بایست بعد از ۶۰۰ ساعت کار تخلیه نمود و همچنین تبدیل کننده گرما را می‌بایست بعد از ۲۴۰۰ ساعت کار ژنراتور تمیز کنید. ژنراتور در یک فضای تهویه شده و آزاد و با دسترسی کافی به هوای تازه قرار می‌گیرد. طبق دستورالعمل کد الکتریکی ملی (NEC)، به منظور دسترسی ژنراتور به جریان هوای خنک، می‌بایست از هر سو حداقل ۳ فوت فضای خالی در اختیار آن قرار بگیرد.
سیستم اگزوز
دود اگزوز ژنراتور درست مانند همه اگزوزهای موتورهای دیزلی یا بنزینی است و حاوی مقدار بالای مواد شیمیایی سمی می‌باشد که باید به خوبی مدیریت شوند. از این رو، به منظور رهایی از دست گازهای اگزوز لازم است گه یک سیستم اگزوز مناسب نصب شود. از آنجایی که خفگی با کربن مونواکسید در مناطق سیل زده هم همچنان یکی از مهمترین عوامل مرگ و میر به شمار می‌رود و اغلب مردم تا قبل از وقوع حادثه به آن فکر نمی‌کنند، این نکته از اهمیت بسیار بالایی برخوردار است.
لوله‌های اگزوز معمولا از جنس چدن، آهن ورزیده و استیل هستند. این قطعه را می‌بایست به صورت جداگانه نصب کنید، به نحوی که بر روی موتور ژنراتور قرار نگیرد. لوله‌های اگزوز معمولا با استفاده از اتصالات انعطاف پذیر به موتور وصل می‌شوند تا میزان لرزش را به حداقل رسانیده و از آسیب به سیستم اگزوز ژنراتور جلوگیری کنند.
انتهای لوله اگزوز در بیرون قرار گرفته و از درها، پنچره‌ها و سایر خروجی‌های خانه یا ساختمان خارج می‌شود. باید اطمینان حاصل کنید که سیستم اگزوز ژنراتور شما به هیچ یک از تجهیزات دیگر متصل نیست. همچنین با مسئولین ذی ربط مشورت کرده و در صورت نیاز به اخذ تاییدیه برای ژنراتور از آن آگاه شوید. در غیر اینصورت ممکن است مجبور به پرداخت جریمه شده و یا عواقب دیگری برای شما در پی داشته باشد.
۶. سیستم روغنکاری
از آنجایی که موتور ژنراتور شامل اجزای متحرک می‌شود، به منظور حفظ دوام و عملکرد مناسب و طولانی مدت لازم است تا روغنکاری شوند. موتور ژنراتور به وسیله روغن ذخیره شده در لوله روغنکاری می‌شود. باید بعد از هر ۸ ساعت کار ژنراتور، سطح روغن مخزن روغنکاری را بررسی کنید. همچنین باید از وجود نشتی آگاه شده و بعد از هر ۵۰۰ ساعت کار ژنراتور، روغن داخل مخزن روغنکاری را تعویض کنید.
۷. شارژر باتری
عملکرد شروع ژنراتور به وسیله باتری انجام می‌شود. شارژر باتری با تامین مقدار مناسب «ولتاژ شناور» باتری ژنراتور را شارژ می‌کند. در صورتی که میزان ولتاژ شناور کم باشد، باتری بدون شارژ باقی می‌ماند. اگر مقدار ولتاژ شناور بسیار زیاد باشد، از طول عمر باتری می‌کاهد. شارژرهای باتری را اغلب به منظور جلوگیری از زنگ زدگی، از جنس فولاد ضد زنگ می‌سازند.
همچنین از اجزا کاملا اتوماتیک بوده و به هیچگونه تنظیمات خاص و یا تغییر تنظیمات نیازی ندارند. ولتاژ DC خروجی شارژر باتری بر روی مقدار ۲.۳۳ ولت بر هر سلول تنظیم شده است، که مقدار دقیق ولتاژ شناور برای باتری‌های اسید سربی می‌باشد. شارژر باتری یک ولتاژ DC خروجی ایزوله دارد که با عملکرد عادی ژنراتور تداخل دارد.
۸. کنترل پنل
رابط کاربری ژنراتور است و شامل تنظیمات خاصی برای پریزها و کنترل‌های برق است. تولیدکننده‌های مختلف ویژگی‌های متنوعی به کنترل پنل واحدهای خود اختصاص داده اند، که در ادامه به برخی از آن‌ها اشاره می‌کنیم.
- روشن و خاموش الکتریکی- کنترل پنل‌های اتوماتیک ژنراتور را در زمان قطعی برق به صورت اتوماتیک روشن نموده، عملکرد آن را در هنگام کار زیر نظر داشته و زمانی که دیگر به ژنراتور نیازی نداشته باشید، آن را به صورت اتوماتیک خاموش می‌کند.
- درجه‌ی موتور- درجات مختلف پارامترهای مهمی همچون فشار روغن، دمای خنک کننده، ولتاژ باتری، سرعت چرخش موتور و طول مدت کارکرد را نشان می‌دهند. اندازه‌گیری و کنترل مداوم این پارامترها ، باعث می‌شود تا زمانی که هر یک از آن‌ها به سطح مشخصی رسیده باشند، ژنراتور به صورت اتوماتیک خاموش شود.
- درجه‌ی ژنراتور- کنترل پنل درجاتی برای اندازه‌گیری جریان خروجی، ولتاژ و همچنین فرکانس عملکرد دارد.
- سایر کنترل‌ها- سوییچ انتخاب کننده فاز، سوییچ فرکانس و سوییچ کنترل موتور (حالت اتوماتیک و غیر اتوماتیک) هم از دیگر کنترل‌های قابل ذکر هستند.
۹. قالب/ چارچوب اصلی
همه ژنراتورهای ثابت و قابل حمل، محفظه مخصوصی دارند که به عنوان پشتیبان ساختاری آن عمل می‌کند. قالب امکان اتصال به زمین را به منظور حفظ ایمنی بیشتر، برای ژنراتورها فراهم می‌کند.
ترجمه: مینا مقدس نژاد (عضو تیم تحریریه وک شاپ)
منبع مطلب: generatorsource
