چگونه یک ژنراتور برق تولید می کند؟ ژنراتورها چگونه کار می کنند

ژنراتورها وسایل مفیدی هستند که برق را در زمان قطع برق تامین می کنند و از قطع شدن فعالیت های روزانه یا اختلال در عملیات تجاری جلوگیری می کنند. ژنراتورها در پیکربندی های مختلف الکتریکی و فیزیکی برای استفاده در کاربردهای مختلف موجود هستند. در بخش‌های بعدی، نحوه عملکرد ژنراتور، اجزای اصلی ژنراتور و نحوه عملکرد ژنراتور به عنوان منبع ثانویه برق در کاربردهای مسکونی و صنعتی را بررسی خواهیم کرد.

یک ژنراتور چگونه کار می کند؟

ژنراتور الکتریکی دستگاهی است که انرژی مکانیکی حاصل از یک منبع خارجی را به انرژی الکتریکی به عنوان خروجی تبدیل می کند.

درک این نکته مهم است که یک ژنراتور در واقع انرژی الکتریکی "ایجاد" نمی کند. در عوض، از انرژی مکانیکی عرضه شده به آن برای وادار کردن حرکت بارهای الکتریکی موجود در سیم سیم پیچ هایش از طریق یک مدار الکتریکی خارجی استفاده می کند. این جریان الکتریکی، جریان الکتریکی خروجی تولید شده توسط ژنراتور را تشکیل می دهد. این مکانیسم را می‌توان با در نظر گرفتن مولد به‌عنوان مشابه پمپ آب درک کرد، که باعث جریان آب می‌شود اما در واقع آب جاری از آن را ایجاد نمی‌کند.

ژنراتور امروزی بر اساس اصل القای الکترومغناطیسی کار می کند که توسط مایکل فارادی در سال های 1831 تا 1832 کشف شد. فارادی کشف کرد که جریان بارهای الکتریکی بالا را می توان با حرکت یک هادی الکتریکی، مانند سیمی که حاوی بارهای الکتریکی است، در میدان مغناطیسی القا کرد. این حرکت باعث ایجاد اختلاف ولتاژ بین دو سر سیم یا هادی الکتریکی می شود که به نوبه خود باعث جاری شدن بارهای الکتریکی و در نتیجه تولید جریان الکتریکی می شود.

اجزای اصلی یک ژنراتور:

اجزای اصلی یک ژنراتور الکتریکی را می توان به طور کلی به صورت زیر طبقه بندی کرد:

• موتور

• آلترناتور

• سیستم سوخت

• تنظیم کننده ولتاژ

• سیستم های خنک کننده و اگزوز

• سیستم روغن کاری

• شارژر باطری

• کنترل پنل

• فریم یا شاسی

موتور

موتور منبع انرژی مکانیکی ورودی به ژنراتور است. اندازه موتور به طور مستقیم با حداکثر توان خروجی که ژنراتور می تواند تامین کند، متناسب است. چندین فاکتور وجود دارد که باید هنگام ارزیابی موتور ژنراتور خود در نظر داشته باشید. برای بدست آوردن مشخصات کامل عملکرد موتور و برنامه های نگهداری و تعمیرات باید به کاتالوگ محصول مراجعه شود.

الف) نوع سوخت مصرفی

موتورهای ژنراتور با سوخت های مختلفی مانند گازوئیل، بنزین، پروپان (به صورت مایع یا گاز) یا گاز طبیعی کار می کنند. موتورهای کوچکتر معمولاً با بنزین کار می کنند در حالی که موتورهای بزرگتر با گازوئیل، پروپان مایع، گاز پروپان یا گاز طبیعی کار می کنند. برخی از موتورها همچنین می توانند با تغذیه دوگانه گازوئیل و گاز در حالت کارکرد دوگانه سوز کار کنند.

ب) موتورهای OHV در مقابل موتورهای Non-OHV

موتورهای OHV با موتورهای دیگر تفاوت دارند زیرا دریچه‌های ورودی و خروجی موتور در سر سیلندر موتور قرار دارند و بر روی بلوک موتور نصب می‌شوند. موتورهای OHV دارای چندین مزیت نسبت به موتورهای دیگر هستند، مانند:

• طراحی فشرده

• مکانیسم عملیات ساده تر

• دوام

• کاربر پسند در اجرا و عملیات

• صدای کم در حین عملیات

• سطوح کم انتشار

با این حال، موتورهای با سوپاپ در سر سیلندر OHV نیز گرانتر از سایر موتورها هستند.

ج) اسلیو چدنی (CIS) در سیلندر موتور

اسلیو چدنی یک آستر در سیلندر موتور است. سایش و پارگی را کاهش می دهد و دوام موتور را تضمین می کند. شایان ذکر است که بیشتر موتورهای با سوپاپ در سر سیلندر (OHV) مجهز به اسلیو چدنی هستند. اسلیو چدنی یک مشخصه گران قیمت نیست، اما نقش مهمی در دوام موتور ایفا می کند، به خصوص اگر شما نیاز به استفاده از ژنراتور خود اغلب یا برای مدت طولانی داشته باشید.

آلترناتور

آلترناتور که به نام ژنراتور نیز شناخته می شود، بخشی از ژنراتور است که خروجی الکتریکی را از ورودی مکانیکی تامین شده توسط موتور تولید می کند. این شامل مجموعه ای از قطعات ثابت و متحرک است که در یک محفظه محصور شده اند. اجزاء با هم کار می کنند تا حرکت نسبی بین میدان های مغناطیسی و الکتریکی ایجاد کنند که به نوبه خود الکتریسیته تولید می کند.

الف) استاتور: این جزء ثابت است. این شامل مجموعه ای از هادی های الکتریکی است که در سیم پیچ هایی روی یک هسته آهنی پیچیده شده اند.

ب) روتور / آرمیچر: این جزء متحرکی است که میدان مغناطیسی دوار را به یکی از سه روش زیر تولید می کند:

توسط القا - اینها به عنوان آلترناتور بدون جاروبک شناخته می شوند و معمولاً در ژنراتورهای بزرگ استفاده می شوند.

توسط آهنرباهای دائمی - این مورد در واحدهای آلترناتو کوچک رایج است.

با استفاده از محرک - یک محرک منبع کوچکی از جریان مستقیم (DC) است که از طریق مجموعه‌ای از حلقه‌های لغزشی و جاروبک ‌ها به روتور انرژی می‌دهد.

روتور یک میدان مغناطیسی متحرک در اطراف استاتور ایجاد می کند که باعث ایجاد اختلاف ولتاژ بین سیم پیچ های استاتور می شود. این جریان متناوب (AC) خروجی ژنراتور را تولید می کند.

موارد زیر عواملی هستند که باید هنگام ارزیابی آلترناتور یک ژنراتور در نظر داشته باشید:

• محفظه فلزی در مقابل پلاستیک - طراحی تمام فلزی دوام آلترناتور را تضمین می کند. محفظه های پلاستیکی با گذشت زمان تغییر شکل می دهند و باعث می شوند که قسمت های متحرک آلترناتور در معرض دید قرار گیرند. این امر باعث افزایش سایش و پارگی می شود و مهمتر از آن برای کاربر خطرناک است.

• بلبرینگ در مقابل بلبرینگ (بیرینگ) سوزنی - بلبرینگ ها ترجیح داده می شوند و عمر بیشتری دارند.

• طراحی بدون جاروبک - آلترناتور که از جاروبک استفاده نمی کند نیاز به نگهداری و تعمیرات کمتری دارد و همچنین توان خالص تری تولید می کند.

سیستم سوخت

مخزن سوخت معمولا ظرفیت کافی برای کارکردن ژنراتور را به طور متوسط بین 6 تا 8 ساعت دارد. در مورد واحدهای ژنراتور کوچک، مخزن سوخت بخشی از پایه شاسی ژنراتور است یا در بالای فریم ژنراتور نصب می شود. برای کاربردهای تجاری، ممکن است نیاز به نصب و نصب مخزن سوخت خارجی باشد. ویژگی های مشترک سیستم سوخت رسانی شامل موارد زیر است:

• اتصال لوله از مخزن سوخت به موتور - خط تامین سوخت را از تانک به موتور و خط برگشت سوخت را از موتور به تانک هدایت می کند.

• لوله تهویه مخزن سوخت - مخزن سوخت دارای یک لوله تهویه برای جلوگیری از ایجاد فشار یا خلاء در هنگام پر کردن و تخلیه مخزن است. هنگامی که تانک سوخت را دوباره پر می کنید، از تماس فلز به فلز بین نازل پرکننده و مخزن سوخت اطمینان حاصل کنید تا از ایجاد جرقه جلوگیری شود.

• اتصال سرریز از مخزن سوخت به لوله تخلیه - این مورد لازم است تا سرریز در هنگام پر کردن مجدد مخزن باعث نشت مایع روی مجموعه ژنراتور نشود.

• پمپ سوخت - این کار سوخت را از تانک ذخیره اصلی به تانک روزانه منتقل می کند. پمپ بنزین معمولاً به صورت الکتریکی کار می کند.

• جداکننده آب سوخت / فیلتر سوخت - این مورد آب و مواد خارجی را از سوخت مایع جدا می کند تا سایر اجزای ژنراتور را از خوردگی و آلودگی محافظت کند.

• انژکتور - این کار سوخت مایع را اتمیزه (تبديل به پودر) می کند و مقدار سوخت مورد نیاز را به داخل محفظه احتراق موتور می پاشد.

تنظیم کننده ولتاژ

همانطور که از نامش پیداست، این قطعه ولتاژ خروجی ژنراتور را تنظیم می کند. مکانیزم در برابر هر جزء که در فرآیند چرخه ای تنظیم ولتاژ نقش دارد، به شرح زیر توضیح داده شده است:

1. تنظیم کننده ولتاژ: تبدیل ولتاژ AC به جریان DC - تنظیم کننده ولتاژ بخش کوچکی از خروجی ولتاژ AC ژنراتور را می گیرد و آن را به جریان DC تبدیل می کند. سپس تنظیم کننده ولتاژ این جریان DC را به مجموعه ای از سیم پیچ های ثانویه در استاتور که به عنوان سیم پیچ های تحریک کننده معروف هستند، تغذیه می کند.

2. سیم پیچ تحریک کننده: تبدیل جریان DC به جریان متناوب - سیم‌پیچ‌های محرک اکنون مشابه سیم‌پیچ‌های استاتور اولیه عمل می‌کنند و جریان AC کوچکی تولید می‌کنند. سیم پیچ های تحریک کننده به واحدهایی به نام یکسو کننده های دوار متصل می شوند.

3. یکسو کننده های دوار: تبدیل جریان AC به جریان DC - اینها جریان AC تولید شده توسط سیم پیچ های محرک را تصحیح می کنند و آن را به جریان DC تبدیل می کنند. این جریان DC به روتور/ آرمیچر تغذیه می شود تا علاوه بر میدان مغناطیسی چرخشی روتور/ آرمیچر یک میدان الکترومغناطیسی ایجاد کند.

4. روتور/ آرمیچر: تبدیل جریان DC به ولتاژ AC- روتور / آرمیچر اکنون ولتاژ AC بزرگتری را در سیم پیچ های استاتور القا می کند که ژنراتور اکنون به عنوان ولتاژ AC خروجی بزرگتر تولید می کند.

این چرخه تا زمانی ادامه می یابد که ژنراتور شروع به تولید ولتاژ خروجی معادل ظرفیت عملیاتی کامل خود کند. با افزایش خروجی ژنراتور، تنظیم کننده ولتاژ جریان DC کمتری تولید می کند. هنگامی که ژنراتور به ظرفیت کامل عملیاتی رسید، تنظیم کننده ولتاژ به حالت تعادل می رسد و جریان DC کافی برای حفظ خروجی ژنراتور در سطح عملیاتی کامل تولید می شود.

هنگامی که باری را به یک ژنراتور اضافه می کنید، ولتاژ خروجی آن کمی کاهش می یابد. این باعث می شود که تنظیم کننده ولتاژ وارد عمل شود و چرخه فوق شروع شود. این چرخه تا زمانی ادامه می یابد که خروجی ژنراتور به ظرفیت کامل اصلی خود برسد.

سیستم های خنک کننده و اگزوز

الف) سیستم خنک کننده

استفاده مداوم از ژنراتور باعث گرم شدن اجزای مختلف آن می شود. داشتن یک سیستم خنک کننده و تهویه برای برداشت گرمای تولید شده در این فرآیند ضروری است.

آب خام یا شیرین گاهی اوقات به عنوان خنک کننده برای ژنراتورها استفاده می شود، اما اینها عمدتا به موقعیت های خاص مانند ژنراتورهای کوچک در کاربردهای شهری یا واحدهای بسیار بزرگ بیش از 2250 کیلووات و بالاتر محدود می شوند. هیدروژن گاهی اوقات به عنوان خنک کننده برای سیم پیچ های استاتور واحدهای بزرگ ژنراتور استفاده می شود زیرا در جذب گرما کارآمدتر از خنک کننده های دیگر است. هیدروژن گرما را از ژنراتور خارج می کند و آن را از طریق یک مبدل حرارتی به مدار خنک کننده ثانویه منتقل می کند که حاوی آب غیر معدنی به عنوان خنک کننده است. به همین دلیل است که ژنراتورهای بسیار بزرگ و نیروگاه های کوچک اغلب برج های خنک کننده بزرگی در کنار خود دارند. برای همه کاربردهای رایج دیگر، اعم از مسکونی و صنعتی، یک رادیاتور و فن استاندارد روی ژنراتور نصب شده و به عنوان سیستم خنک کننده اولیه کار می کند.

بررسی سطح مایع خنک کننده ژنراتور به صورت روزانه ضروری است. سیستم خنک کننده و پمپ آب خام باید پس از هر 600 ساعت شستشو و مبدل حرارتی پس از هر 2400 ساعت کارکرد ژنراتور تمیز شود. ژنراتور باید در یک منطقه باز و دارای تهویه هوا قرار گیرد که هوای تازه کافی داشته باشد. آیین‌نامه ملی برق امریکا دستور می دهد که حداقل فضای 3 فوتی باید در همه طرف های ژنراتور در نظر گرفته شود تا جریان آزاد هوای خنک کننده تضمین شود.

ب) سیستم اگزوز

دود اگزوز ساطع شده از یک ژنراتور درست مانند اگزوز هر موتور دیزلی یا بنزینی دیگر است و حاوی مواد شیمیایی بسیار سمی است که باید به درستی مدیریت شوند. از این رو، نصب یک سیستم اگزوز کافی برای دفع گازهای خروجی ضروری است. این نکته را نمی توان به اندازه کافی مورد تاکید قرار داد که مسمومیت با مونوکسید کربن بجامانده یکی از شایع ترین علل مرگ و میر در مناطق آسیب دیده پس از طوفان است زیرا مردم تا دیر نشده حتی به آن فکر نمی کنند.

لوله های اگزوز معمولا از چدن، آهن فرفورژه یا فولاد ساخته می شوند. اینها باید مستقل باشند و نباید توسط موتور ژنراتور پشتیبانی شوند. لوله های اگزوز معمولا با استفاده از اتصال دهنده های انعطاف پذیر به موتور متصل می شوند تا لرزش ها را به حداقل برسانند و از آسیب به سیستم اگزوز ژنراتور جلوگیری کنند. لوله اگزوز به بیرون ختم می شود و از درها، پنجره ها و دیگر منافذ به خانه یا ساختمان منتهی می شود. باید مطمئن شوید که سیستم اگزوز ژنراتور شما به هیچ تجهیزات دیگری متصل نیست. همچنین باید با قوانین شهری محلی مشورت کنید تا تعیین کنید که آیا عملیات ژنراتور شما نیاز به اخذ تأییدیه از مقامات محلی خواهد داشت تا اطمینان حاصل شود که از قوانین محلی برای محافظت در برابر جریمه ها و سایر مجازات ها پیروی می کنید.

سیستم روغن کاری

از آنجایی که ژنراتور شامل قطعات متحرک در موتور خود است، برای اطمینان از دوام و عملکرد روان برای مدت طولانی، نیاز به روغن کاری دارد. موتور ژنراتور توسط روغن ذخیره شده در پمپ روغن کاری می شود. شما باید سطح روغن روانکار را هر 8 ساعت کارکرد ژنراتور بررسی کنید. همچنین باید نشتی روان کننده را بررسی کنید و هر 500 ساعت کارکرد ژنراتور روغن روان کننده را تعویض کنید.

شارژر باطری

عملگر استارت یک ژنراتور با باتری کار می کند. شارژر باتری، باتری ژنراتور را با تامین ولتاژ "شناور" دقیق شارژ نگه می‌دارد. اگر ولتاژ شناور بسیار کم باشد، باتری کم شارژ باقی می ماند. اگر ولتاژ شناور بسیار بالا باشد، عمر باتری را کاهش می دهد. شارژرهای باتری معمولا از فولاد ضد زنگ برای جلوگیری از خوردگی ساخته می شوند. آنها همچنین کاملاً اتوماتیک هستند و نیازی به تنظیمات یا تغییر تنظیمات ندارند. ولتاژ خروجی DC شارژر باتری 2.33 ولت در هر سلول تنظیم شده است که ولتاژ شناور دقیق برای باتری های اسید سرب است. شارژر باتری دارای یک خروجی ولتاژ DC ایزوله است که در عملکرد طبیعی ژنراتور اختلال ایجاد می کند.

کنترل پنل

این کنترل پنل واسطه ای الکترونیکی برای مشاهده، کنترل و تنظیم پارامترهای دیزل و ژنراتور می باشد. سازندگان مختلف دارای ویژگی های متنوعی برای ارائه در کنترل پنل واحدهای خود هستند. در زیر به برخی از این موارد اشاره شده است:

1. شروع و خاموش شدن برقی: پنل ‌های کنترل راه‌اندازی خودکار به‌طور خودکار ژنراتور شما را در هنگام قطع برق روشن می‌کنند، ژنراتور را در حین کار پایش می‌کنند و در صورت عدم نیاز به طور خودکار دستگاه را خاموش می‌کنند.

2. گیج های موتور: گیج های مختلف پارامترهای مهمی مانند فشار روغن، دمای مایع خنک کننده، ولتاژ باتری، سرعت چرخش موتور و مدت زمان کارکرد را نشان می دهند. اندازه‌گیری و پایش مداوم این پارامترها باعث می‌شود تا زمانی که هر یک از این پارامترها از سطح آستانه مربوطه خود عبور کنند، ژنراتور را خاموش کند.

3. گیج های ژنراتور: همچنین کنترل پنل دارای متری برای اندازه گیری جریان و ولتاژ خروجی و فرکانس کاری است.

4. سایر کنترل ها: سوئیچ انتخابگر فاز، سوئیچ فرکانس و کلید کنترل موتور (حالت دستی، حالت خودکار) در میان سایر موارد طبقه بندی می شود.

فریم یا شاسی

همه ژنراتورها چه قابل حمل و چه ثابت، دارای محفظه های سفارشی هستند که یک ساپورت پایه ساختاری را تامین می کند. فریم یا شاسی همچنین اجازه می دهد که برای ایمنی محصول تولید شده به زمین متصل شود.