بررسي مولدهاي جريان مستقيم

[shirin71]

ماشينهاي الكتريكي :
مقاله: بررسي مولدهاي جريان مستقيم
کاربرد مولدهاي جريان مستقيم
از مولدهاي جريان مستقيم بيشتر به عنوان منبع انرژي براي تحريك مولدهاي نيروگاهي و ماشينهاي خودكار، هواپيماها، جوشكاري با قوس الكتريكي، قطارهاي راه آهن، اتوبوسهاي برقي، زير درياييها و غيره استفاده مي نمايند بدين ترتيب كاربرد مولدهاي جريان مستقيم زياد و متنوع است و لذا مولدهاي جريان مستقيم با توان ها و دورهاي مختلف ساخته مي شوند.
طبقه بندي مولدهاي جريان مستقيم
ماشين هاي DC واقعي داراي دو دسته سيم پيچ هستند
1- سيم پيچ آرميچر
2- سيم پيچ تحريك (قطب ها)
كه با توجه به نحوه ارتباط الكتريكي سيم پيچ تحريك و سيم پيچ آرميچر به دو دسته كلي تقسيم بندي مي شوند.
1- مولدهاي تحريك مستقل
2- مولدهاي خود تحريك
- در مولدهاي تحريك مستقل بين سيم پيچ آرميچر و سيم پيچ تحريك هيچ ارتباط الكتريكي وجود ندارد
- در مولدهاي خود تحريك بين اين دو سيم پيچ ارتباط الكتريكي وجود دارد و انرژي سيم پيچ تحريك از انرژي توليدي خود مولد تامين مي شود نحوه اين ارتباط الكتريكي مولدهاي خود تحريك را به دو دسته تقسيم بندي مي كند.
- مولدهاي تحريك شنت يا موازي
- مولدهاي تحريك سري
- مولدهاي تحريك مختلط يا كمپوند
با توجه به اهميت مولدهاي DC به بررسي كامل اين مولدها و مشخصات آنها مي پردازيم

http://eleir.persiangig.com/tor.jpgمولد تحريك مستقل
همانطور كه گفته شد در اين مولد بين سيم پيچ تحريك و آرميچر هيچ ارتباط الكتريكي وجود ندارد و مدار تحريك توسط يك منبع تغذيه جريان مستقيم خارجي تغذيه ميشود به اين منبع اكسايتر گفته ميشود. در مدار تحريك از يك مقاومت متغيير استفاده مي شود تا جريان تحريك را كنترل و فوران مغناطيسي قطبها را تغيير دهد. شكل زير مدار معادل الكتريكي يك مولد تحريك مستقل را نشان ميدهد.
در اين مولد جريان بار، ولتاژ ترمينال و جريان تحريك از روابط زير بدست مي آيد.
IL : جريان بار
IA : جريان آرميچر
VT : ولتاژ ترمينال
EA : نيرومحركه القاء شده آرميچر
RA : مقاومت اهمي آرميچر
ε : افت ولتاژ ناشي از عكس العمل
VF : ولتاژ تحريك
RF : مجموع مقاومت سيم پيچ تحريك و رئوستاي تنظيم
IF : جريان تحريك - مشخصه بي باري يا مشخصه مغناطيسي مولد تحريك مستقل
مشخصه بي باري يا مغناطيس مولد تغييرات نيرومحركه القاء شده آرميچر (EA) را به ازاء تغييرات جريان تحريك (IF) در شرايط دور ثابت n = const و بدون بار IL = 0 نشان ميدهد اين مشخصه در شكل زير نشان داده شده است.
در بررسي بيشتر اين مشخصه به نكات زير توجه بيشتري داريم
1- مشخصه مغناطيسي به سه قسمت تقسيم بندي مي شود قسمت اول منحني تقريباٌ خط مستقيم است زيرا به ازاء جريان تحريك كم، تمام نيرومحركه مغناطيسي براي ايجاد فوران در فاصله هوايي كه قابليت نفوذ مغناطيسي آن ثابت است به مصرف مي رسد اما در قسمت دوم اشباع ماشين شروع شده و مشخصه به شكل منحني در مي آيد و در قسمت سوم كه هسته به اشباع مي رود مشخصه با محور افقي تقريباٌ موازي مي شود.
نقطه كار: ماشين بايد در قسمت منحني يعني شروع حالت اشباع باشد زيرا اگر ولتاژ نامي ماشين روي قسمت خطي قرار گيرد به ازاء تغيير جزيي در جريان تحريك ولتاژ به شدت تغيير مي كند و كار ماشين ناپايدار است و چنانچه روي قسمت اشباع شده واقع شود امكان تنظيم ولتاژ ماشين محدود ميشود.
2- در صورتيكه اين مشخصه را براي سرعت ثابت ديگري بدست آوريم شكل كلي مشخصه تغيير نخواهد كرد در صورتيكه سرعت بالاتر انتخاب كنيم مشخصه در بالاتر و به ازاء سرعت پايين تر مشخصه در پايينتر تشكيل مي شود.
نكته: اگر مشخصه را براي دور نامي داشته باشيم مي توان مشخصه را براي دورهاي ديگر نيز بدست آوريم.
مشخصه خارجي يا بارداري مولد تحريك مستقل: اين مشخصه عبارت است از تغييرات ولتاژ خروجي به ازاء تغييرات جريان بار در شرايط جريان تحريك و سرعت ثابت
VT = f.(IL) RF=const n=const
اين مشخصه در حقيقت نشان ميدهد كه با عبور جريان از آرميچر افت ولتاژ اهمي آرميچر IA.RA و افت ولتاژ ناشي از عكس العمل مغناطيسي چگونه باعث كاهش ولتاژ ترمينال مي شوند.

مولد تحريك شنت
در اين مولد مدار تحريك با آرميچر به صورت موازي وصل مي شود. جريان تحريك تابع ولتاژ خروجي و مقاومت مدار تحريك است و قسمتي (حدود 2 تا 3 درصد) از جريان آرميچر را تشكيل ميدهد. براي اينكه با جريان تحريك كم بتوان آمپر دور زياد براي مولد تامين نمود بايد تعداد دور سيم پيچ تحريك زياد باشد و در نتيجه سطح مقطع آن بايد كاهش يابد. ولتاژ خروجي مولد توسط يك مقاومت متغيير كه با سيم پيچ تحريك سري مي شود تنظيم مي گردد. مدار معادل الكتريكي مولد شنت بصورت زير است:
روابط زير نيز براي جريان آرميچر، ولتاژ خروجي و جريان تحريك مولد شنت برقرار است
راه اندازي مولد شنت و تعيين نقطه كار: شروع كار مولد شنت بر اثر وجود پسماند مغناطيسي قطبها مي باشد. يعني ژنراتور بوسيله محرك با دور نامي به گردش در مي آوريم به علت قطع خطوط قواي پس ماند توسط هاديهاي آرميچر، ولتاژي در آن القاء مي شود. اين ولتاژ به دو سر مدار تحريك اعمال مي گردد. جريان كمي از سيم پيچ قطبها عبور مي كند و درنتيجه فوران قطبها زياد شده (در صورتيكه فوران هم جهت پسماند باشد) و نيرومحركه الكتريكي بيشتري در آرميچر القاء ميشود و ولتاژ دو سر مدار تحريك بالا مي رود و مجدداٌ جريان تحريك افزايش يافته و ولتاژ القائي بزرگتر ميشود. افزايش ولتاژ القائي تا جايي ادامه مي يابد كه به VT = Rf.If برسد در اين مقدار نيرومحركه القايي ثابت مي ماند. اگر مشخصه Rf.If را رسم كنيم خطي بدست مي آيد كه در نقطه اي مانند B منحني بي باري را قطع مي كند به خط Rf.If خط القاء گفته ميشود نقطه تقاطع اين خط با منحني نقطه كار مولد شنت مي باشد.
مقاومت بحراني و دور بحراني: در صورتيكه مقاومت مدار تحريك آنقدر زياد شود كه خط القاء بر منحني بي باري مماس شود مولد حالت ناپايدار خواهد داشت و نيرومحركه نمي تواند مقدار معيني داشته باشد در اين حالت مي گويند مقاومت مدار تحريك بحراني است. اگر مدار تحريك مقاومت بيش از اين داشته باشد ديگر مولد تحريك نخواهد شد در صورتيكه سرعت مولد آنقدر كم باشد كه مشخصه بي باري بر خط القاء مماس شود نيز مولد به حالت ناپايدار خواهد رسيد اين دور نيز به دور بحراني معروف است.
عوامل زير سبب عدم تحريك يا عدم راه اندازي مولد شنت مي شود
1- پس ماند مغناطيسي ناچيز يا صفر باشد
2- جهت جريان تحريك طوري باشد كه فوران ناشي از فوران پسماند را خنثي كند
3- مقاومت مدار تحريك از حد معيني بيشتر باشد
4- جهت گردش آرميچر برعكس باشد كه سبب عكس شدن جريان تحريك مي شود
5- دور محور از حد معين كمتر باشد
مشخصه مغناطيسي يا بي باري مولد شنت: همانطور كه در مورد مولد تحريك مستقل گفته شد مشخصه بي باري تغييرات نيرومحركه القاء شده آرميچر نسبت به تغييرات جريان تحريك در شرايط بدون بار و دور ثابت است. مشخصه بي باري مولد شنت با مولد تحريك مستقل تفاوتي ندارد و بصورت زير مي باشد.
مشخصه بارداري يا خارجي مولد شنت: اين مشخصه تغييرات ولتاژ ترمينال به ازاء تغييرات جريان بار را در شرايط دور ثابت و ثابت RF = نشان ميدهد.در مولد شنت سه عامل باعث افت ولتاژ خروجي خواهد شد:
1- افت ولتاژ اهمي آرميچر
2- افت ولتاژ ناشي از عكس العمل
3- افت ولتاژ خروجي بدليل كاهش جريان تحريك بعلت كاهش ولتاژ خروجي ناشي از دو عامل بالا
نكته مهم ديگر در اين مولد با كاهش مقاومت بار جريان IL (بار) تا مقدار معيني Icr كه معمولاٌ 2 تا 5/2 برابر جريان نامي است افزايش مي يابد و سپس رو به كاهش مي رود. توجيه اين مسئله (يعني كاهش جريان بار با توجه به كم شدن مقاومت بار) به اين صورت است كه در نقطه برگشت منحني اثر كاهش ولتاژ خروجي آنقدر زياد است كه نمي تواند جريان خروجي بار زياد شود. شكل زير مشخصه خارجي مولد شنت را در مقايسه با مولد تحريك مستقل را نشان ميدهد.
كاربرد مولد شنت: از اين مولدها بعلت اينكه تنظيم ولتاژ بهتري دارند در شارژ باتري ها و تامين برق روشنايي و تغذيه سيم پيچ مولدهاي نيروگاهي استفاده ميشود.
مولد تحريك سري
در اين ژنراتور آرميچر با سيم پيچ تحريك به صورت سري قرار مي گيرد. از آنجا كه جريان بار از سيم پيچ آرميچر و سيم پيچ تحريك عبور كند بايد سيم پيچ تحريك داراي سطح مقطع زياد و تعداد دور كم باشد. مدار الكتريكي مولد سري و روابط آن بصورت زير است.
IS : جريان مدار تحريك سري
RS : مقاومت سيم پيچ تحريك سري
مشخصه بي باري مولد سري: (VT = f(IL) n = const)
براي بدست آوردن مشخصه خارجي مولد سري دور مولد را به دور نامي مي رسانيم، اول حداكثر مقاومت بار را در مدار قرار ميدهيم در اين حالت با عبور جريان كم از آرميچر و تحريك، فوران اگر مخالف پسماند نباشد نيرومحركه القايي زياد ميشود كه در نتيجه ولتاژ خروجي افزايش مي يابد با كاهش مقاومت بار جريان تحريك كه برابر با جريان بار و آرميچر است زياد شده و قطبها را اشباع مي كند و در نتيجه فوران ثابت مي ماند و چون دور هم ثابت است نيرومحركه ثابت مي ماند اما ولتاژ خروجي به دلايل زير كاهش مي يابد:
1- افت ولتاژ در هادي هاي آرميچر
2- افت ولتاژ در سيم پيچي تحريك
3- افت ولتاژ بر اثر عكس العمل مغناطيسي آرميچر
كاربرد مولد سري: مورد استفاده مولد سري خيلي كم است چون ولتاژ دو سر آرميچر بر اثر تغيير جريان بار به طور قابل ملاحظه اي تغيير مي كند. در عين حال از اين مولد بعنوان جبران كننده افت ولتاژ خطوط جريان مستقيم استفاده ميشود.

مولد مختلط يا كمپوند
اين مولد داراي دو سيم تحريك سري و موازي با آرميچر مي باشد.
مولد كمپوند از نظر اتصالات سيم پيچ داراي دو نوع هستند:
1- مولد كمپوند با انشعاب بلند
2- مولد كمپوند با انشعاب كوتاه
مدار الكتريكي اين دو نوع كمپوند در شكل زير نشان داده شده است
روابط تحليل مولد كمپوند بصورت زير است
مولدهاي كمپوند از نظر جهت فوران سيم پيچ تحريك سري بصورت زير تقسيم بندي مي شود:
1- مولد كمپوند اضافي
2- مولد كمپوند نقصاني
- مولد كمپوند اضافي: فوران ناشي در اين مولد فوران سيم پيچ تحريك شنت را تقويت مي كند در اين مولد سيم پيچ تحريك شنت نقش اصلي را بعهده دارد و سيم پيچ تحريك سري براي جبران افت ولتاژ اهمي و عكس العمل مغناطيسي آرميچر به كار ميرود.
- مولد كمپوند نقصاني: در اين مولد فوران ناشي از سيم پيچ تحريك سري با فوران ناشي از سيم پيچ تحريك شنت مخالفت مي كند.
مشخصه خارجي مولد كمپوند اضافي
براي مولد كمپوند اضافي در حالت بارداري ممكن است يكي از سه حالت زير پيش آيد:
1- با افزايش بار ولتاژ خروجي نيز زياد شود اين حالت را فوق كمپوند مي گويند. در اين حالت افزايش نيرومحركه ناشي از سيم پيچ سري بزرگتر از افت ولتاژ در اثر مقاومت و عكس العمل آرميچر است.
2- با افزايش بار ولتاژ خروجي ثابت مي ماند، در اين حالت افت ولتاژ ناشي از مقاومت و عكس العمل با افزايش نيرومحركه ناشي از سيم پيچ سري جبران ميشود. به اين حالت كمپوند مسطح گفته ميشود.
3- با افزايش بار، ولتاژ خروجي كاهش مي يابد در اين حالت افزايش نيرومحركه ناشي از سيم پيچ سري نمي تواند افت ولتاژها را جبران كند اين حالت را زير كمپوند مي گويند. حتي در اين حالت افت ولتاژ مولد كمتر از افت ولتاژ مولد شنت مي باشد. شكل اين مشخصه ها در زير رسم شده است.
مشخصه بارداري مولد كمپوند نقصاني
در اين مولد ولتاژ خروجي با افزايش بار به شدت كاهش مي يابد بدليل اينكه با افزايش بار جريان سيم پيچ تحريك سري زيادتر و در نتيجه فوران سيم پيچ سري بيشتر شده و ميدان اصلي را تضعيف تر مي كند پس ولتاژ خروجي به شدت كاهش مي يابد. مدار الكتريكي اين مولد و مشخصه بارداري آن در شكل زير رسم شده است.
كاربرد مولد كمپوند
از مولد كمپوند اضافي در تحريك مولدهاي نيروگاهي استفاده مي شود. از مولدهاي كمپوند تخت جاي استفاده مي شود كه نياز به ولتاژ ثابتي باشد و فاصله بين مولد و مصرف كننده كم باشد. در صورتيكه به علت وجود فاصله بين مولد و مصرف كننده در سيمها افت ولتاژ بوجود آيد از مولد كمپوند در حالت فوق استفاده مي شود از مولد كمپوند نقصاني در جوشكاري استفاده مي شود چون در ابتدا براي ايجاد قوس نياز به ولتاژ بالا و بعد از برقراري قوس براي جلوگيري از افزايش جريان ولتاژ بايد بشدت كاهش يابد.