ژنراتور برق دستگاهی است که نیروی الکتریسیته و برق تولید کرده و از قطع فعالیت های روزانه یا اختلال در ملیات کاری پیشگیری می کند. ژنراتورها به شکل های فیزیکی و الکتریکی برای کاربردهای مختلف در دسترس می باشند. 

ژنراتور چگونه کار می کند؟

ژنراتور برق وسیله ای است که انرژی مکانیکی به دست آمده از منبع بیرونی را به انرژی الکتریکی به عنوان خروجی تبدیل می کند. باید بدانیم که ژنراتور انرژی الکتریکی تولید نمی کند. در عوض، با استفاده از انرژی مکانیکی عرضه شده و با ایجاد حرکت و تولید بار الکتریکی در سیم پیچ ها در مدار الکتریکی، برق را به عنوان خروجی سیستم تولید می کند. این جریان، شارژ الکتریکی جریان الکتریکی عرضه شده توسط ژنراتور است. مکانیسم ژنراتور را می توان با درک کار پمپ آب فهمید که باعث جریان آب می شود اما واقعا آبی ایجاد نمی کند و فقط آب جریان می یابد. ژنراتورهای برق از دو قسمت تشکیل شده اند: قسمت متحرک را روتور و قسمت ساکن آن را استاتور می گویند. روتورها نیز از نظر ساختمان دو دسته اند: ماشین های قطب صاف و ماشین های قطب برجسته. این دستگاه ها به طور قرار دادی بر اساس توان برق بر حسب کیلووات آمپر (KVA یا کاوا) و یا کیلو وات (KW) تقسیم بندی می شوند. در واقع هم موتور باید توان تولید این نیرو را (که بر حسب اسب بخار نیز عنوان می شود) داشته باشد و هم ژنراتور باید بتواند با نیروی محرک هایی که موتور تولید می کند این خروجی را بدهد.

ژنراتور برق کانوپی دار

انواع موتور ژنراتور از لحاظ سوخت مصرفی

• موتور ژنراتورهای گازوئیل سوز (Diesel Gensets)
• موتور ژنراتورهای گازسوز (Gas Gensets)
• موتور ژنراتور های دوگانه سوز (Dual Fuel Gensets)

اجزای اصلی ژنراتور

1. موتور
2. ژنراتور
3. سیستم سوخت
4. تنظیم کننده ولتاژ
5. سیستم خنک سازی و اگزوز
6. سیستم روغنکاری
7. شارژ باطری
8. پنل کنترل
9. چارچوب اصلی

1. موتور

این قسمت حیاتی ترین بخش دیزل ژنراتور است و تمام توان مکانیکی که ژنراتور برای حرکت می خواهد تامین می کند. موتور در دیزل ژنراتور باید بسیار دقیق انتخاب شود. زیرا توان مکانیکی که یک موتور تامین می کند، می تواند توان الکتریکی خروجی ژنراتور را مشخص کند و به این وسیله قدرت الکتریکی برای استفاده از دیزل ژنراتور بدست می آید. در انتخاب موتور دیزل ژنراتور موارد دیگری همانند میزان صدای تولیدی ژنراتور و میزان حجم محفظه سوخت نیز مهم هستند که باید به آن ها توجه نمود. موتورهای دیزلی برای راه اندازی و تولید توان، نیاز به توان الکتریکی دارند. از این رو در اکثر موارد از منبع تغذیه که ولتاژ مستقیمی (DC) در حدود 12 تا 24 ولت را تولید می کند، برای راه اندازی موتور استفاده می شود. این منبع تغذیه می تواند خود موتور الکتریکی یا تعداد باتری باشد که این میزان ولتاژ را تامین می کند.

2. ژنراتور

ژنراتور برق قلب تپنده تولید توان الکتریکی دیزل ژنراتور است که انرژی اولیه خود را از موتور گرفته و تولید برق می کند. نوع ژنراتور بر حسب نیاز ما تعیین می شود. برای مثال برای تولید توان بالا نیاز به ژنراتور القایی داریم. ساختمان ژنراتور اعم ازنوع سیم پیچی روتور و استاتور و جریان تحریک آن، تعیین کننده نحوه عملکرد دیزل ژنراتور است.

3. سیستم سوخت

تانک سوخت معمولا ظرفیت کافی برای حفظ کارکرد 6 تا 8 ساعت را بطور متوسط دارد. در مورد واحدهای کوچک موتور ژنراتور، تانک سوخت قسمتی از پایه ژنراتور شده است. برای کاربردهای تجاری، ممکن است لازم باشد تا بطور مستقیم باشد و روی تانک سوخت خارجی نصب شده باشد.

قسمت های معمول سیستم سوخت

• ارتباط لوله از مخزن سوخت به موتور
• عرضه مستقیم سوخت از تانک به موتور و برگشت مستقیم از موتور به تانک
• ارتباط سرریز از تانک سوخت به لوله زهکش
• پمپ سوخت
• سوخت را از تانک ذخیره اصلی به تانک روز منتقل می کند. پمپ سوخت نوعا بطور الکتریکی کار می کند.
• جداکننده آب و سوخت، آب و ماده خارجی را از سوخت مایع برای پشتیبانی از اجزای دیگر ژنراتور در مقابل خوردگی و آلودگی جدا می کند.
• انژکتور سوخت، سوخت مایع را اتمیزه کرده و در مورد نیاز سوخت در اتاقک احتراق موتور اسپری می شود.

4. رگولاتور ولتاژ

رگولاتور ولتاژ وظیفه تنظیم ولتاژ خروجی ژنراتور را دارد که این کار با عملکرد اجزایی مانند رگولاتور، سیم پیچی تحریک کننده و روتور یکسو کننده انجام می پذیرد.

5. سیستم خنک کننده

در دیزل ژنراتورها خنک کردن اجزای ولتاژ بسیار مهم است چرا که داغ شدن زیاد و طولانی مدت آن باعث خراب شدن قطعات می شود که به عملکرد دستگاه ضربه می زند. در برخی از دیزل ژنراتورها از مایع و در برخی دیگر از گاز هیدروژن برای خنک سازی استفاده می شود.

6. سیستم روغنکاری

در دیزل ژنراتور اجزای مکانیکی بسیاری وجود دارد که دائما در حال کار و حرکت می باشند. لذا برای کارایی بهتر نیاز است که اجزا روغن کاری شوند. معمولا هر 10 ساعت کار با دیزل ژنراتور، باید سطح روغن آن را کنترل کرد و هر 500 ساعت روغن باید تعویض شود.

7. شارژر باتری

شروع عملکرد ژنراتور باطری محور است. این قسمت علاوه بر شارژ باتری، میزان شارژ را نشان می دهد. توان این شارژ با توان خروجی ژنراتور متناسب است.

8. کنترل پنل

این قسمت وظیفه کنترل الکتریکی کل سیستم را دارد. قسمت هایی که لازم است کنترل شوند به شرح ذیل است:

• کنترل ژنراتور، شامل کنترل تمامی پارامترهای دخیل در ژنراتور است که شامل ولتاژ، جریان و فرکانس است.
• کنترل موتور، در قسمت کنترل موتور باید پارامترهای سرعت، میزان روشن بودن، فشار روغن، میزان حرارت سیال خنک کننده و غیره اندازه گیری شود.
• پنل خاموش و روشن، سیستم روشن و خاموش کردن اتوماتیک که در بعضی از دیزل ژنراتورها وجود دارد.

9. چارچوب/شاسی موتور ژنراتور

دیزل ژنراتور قابل حمل یا ثابت می باشد. در حالت کلی تمامی تجهیزات بالا بر روی سکو یا همان شاسی قرار می گیرد.

سیستم دود خروجی ژنراتور

در دیزل ژنراتورها به علت تولید دود سمی خروجی نیاز است که سیستمی برای کنترل این دود و جداسازی این قسمت از سایر قسمت ها موجود باشد. به همین منظور این سیستم در قسمت خروجی موتور قرار دارد. دیزل ژنراتورها، بسته به نیاز، دارای تجهیزات جانبی هستند که می توان به موارد زیر اشاره کرد:

• برد کنترل با قابلیت استارت اتوماتیک به هنگام قطع برق شهر
• سیستم پیش گرمکن آب (Jacket Water Heater)
• رادیاتور Tropical (مخصوص مناطق گرمسیری)
• باتری و باتری شارژر اتوماتیک
• ضربه گیرهای الاستیک بین موتور و شاسی و نیز ژنراتور و شاسی
• کانوپی (اتاقک) صداگیر و عایق ضد آب

انواع مولد

برحسب کاربرد، کارخانجات سازنده چهار نوع را پیشنهاد می دهند:

1. اضطراری (Standby)
2. پایه (Prime)
3. دائم (Continuous)
4. چندمنظوره

مولد اضطراری (Standby)

این مولد در حالت قطع برق شهری به صورت خودکار اقدام به تامین برق مشترکین می کند. یک مدل از ژنراتور بصورت استندبای ممکن است لازم باشد تا چند ساعت در ماه عمل کند، اما مدل های دیگری از ژنراتورهای پرایم (Prime) هستند که باید پیوسته کار کنند. زمانی که یک ژنراتور جایگزین راه می افتد، ممکن است با شرایط بخصوص عمل کند، مانند 10% بار اضافه (Over Load). موارد کاربرد، تامین برق اضطراری بیمارستان، کارخانجات، ادارات و غیره بدون اتصال به شبکه می باشد.

مولد پایه (Prime)

معمولا در اماکنی که موقتا به برق نیاز است، مورد استفاده قرار می گیرد؛ مانند اردوگاه ها، نمایشگاه ها، اکتشاف معادن و کمپ ها. این مولد نباید در کاربردهای ساخت نیروگاه استفاده شود. خروجی با بارهای مختلف در زمان های نامحدود قابل تامین می باشد. این ژنراتورها عموما قادر به تامین پیک تقاضای 100% ظرفیت اولیه ekW بوده و با 10% ظرفیت اضافه بار برای مدت زمان محدود نیز در دسترس می باشند (توان اولیه مطابق با ISO8528 و توان اضافی مطابق با BS5514 ،DIN6271 ،ISO3046 و AS2789). این دسته بندی (rating) برای تمامی مدل های ژنراتور قابل استفاده نیست. کاربردهای عمومی آن که فقط ژنراتور مرجع توان بوده و برای ارتباط راه دور با معادن، سایت های ساختمانی، زمین برگزاری نمایشگاه و فستیوال و غیره است.

مولد دائم (Continuous)

مولد دائم برای امور نیروگاهی یا برق سراسری مورد استفاده قرار می گیرد و قابلیت فراهم سازی توان پیوسته برای یک بار ثابت تا ظرفیت نامی خروجی برای زمان های نامحدود را دارد. امکان جانشین شدن اضافه بار برای این رتبه در دسترس نیست. برای انتخاب دسته صحیح با توزیع کننده های مجاز مشورت فرمایید (مطابق با ISO8528 ،BS5514 ،DIN6271 ،ISO3046 ،AS2789). این رتبه بندی برای تمامی مدل های ژنراتورها قابل استفاده نمی باشد. کاربردهای عمومی برای ژنراتورهایی که بار یکسان پیوسته را تامین می کنند یا به صورت موازی با فیدر توان اصلی و دائم شبکه برای ماکزیمم سطح مجاز 8760 ساعت در سال. همچنین ممکن است برای پشتیبانی / پیک شبکه (حتی از طریق اعمال برای 200 ساعت در سال) مورد استفاده قرار گیرد.

کوپله دیزل ژنراتور

کار اتصال موتور دیزل و ژنراتور به هم و نصب آن بر روی شاسی فلزی و قراردادن یک تابلو و کنترل را در کنار آن اصطلاحا کوپله کردن (Coupling) گویند.

ساختمان و اساس کار ژنراتور سنکرون

در ژنراتور سنکرون یک جریان DC به سیم پیچ روتور اعمال می گردد تا یک میدان مغناطیسی روتور تولید شود. سپس روتور مربوط به ژنراتور به وسیله محرک اصلی چرخانده می شود، تا یک میدان مغناطیسی دوار در ماشین بوجود آید. این میدان مغناطیسی، یک ولتاژ سه فاز را در سیم پیچ های استاتور ژنراتور القاء می کند.

مولد های AC یا آلترناتورها

مولد های AC یا آلترناتور ها درست مثل مولدهای DC براساس القاء الکترومغناطیس کار می کنند و شامل یک سیم پیچ آرمیچر و یک میدان مغناطیسی هستند. اما یک اختلاف مهم بین این دو وجود دارد. در ژنراتورهای DC آرمیچر چرخیده می شود و سیستم میدان ثابت است اما در آلترناتورها آرایش بر عکس وجود دارد. آلترناتور یک ژنراتور ساده بدون کموتاتور است جریان الکتریکی متناوب تولید می کند. چنین جریان متناوبی برای انتقال توان الکتریکی مزیت زیادی دارد و از این رو بیشتر ژنراتورهای الکتریکی بزرگ از نوع AC هستند. ژنراتور AC در دو حالت خاص با ژنراتور DC فرق می کند. پایانه های سیم پیچ آرمیچرش بیرون هستند. برای حلقه های لغزان جزئی شده جامد روی شفت (میله) ژنراتور به جای کموتاتور و سیم پیچ های میدان توسط یک منبع DC خارجی تغذیه انرژی می شود تا اینکه توسط خود ژنراتور این کار انجام شود. ژنراتور های AC سرعت پایینی دارند و با تعداد زیادی قطب در حدود 100 قطب ساخته می شوند، هم برای بهبود بازه و هم برای دست یافتن به فرکانس دلخواه به آسانی. آلترناتورها با توربین های سرعت بالا راه اندازی می شوند. فرکانس جریان گرفته شده توسط ژنراتور AC مساوی است با نیمی از تعداد قطب ها و تعداد چرخش آرمیچر در ثانیه. بخاطر احتمال جرقه زنی بین جاروبک ها و حلقه های لغزان و خطر شکست های مکانیکی ممکن است سبب اتصال کوتاه شود. آلترناتورها به یک سیم پیچ ساکن که به دور یک روتور می چرخد ساخته می شوند. این روتور شامل تعدادی آهنربای مغناطیسی میدان هستند. اصل عملکرد آن ها نیز دقیقا مشابه عملکرد ژنراتورهای AC توصیف شده اند.

ژنراتور با ولتاژ بالا

ژنراتورهای با ولتاژ بالا بدون نیاز به ترانسفورماتور افزاینده بطور مستقیم به شبکه قدرت متصل می گردد. ایده جدید بکار گرفته شده در این طرح استفاده از کابل به عنوان سیم پیچ استاتور می باشد. ژنراتور ولتاژ بالا برای هر کاربرد در نیروگاه های حرارتی و آبی مناسب می باشد. راندمان بالا، کاهش هزینه های تعمیر و نگهداری، تلفات کمتر، تاثیرات منفی کمتر بر محیط زیست (با توجه به مواد بکار رفته) از مزایای این نوع ژنراتور می باشد. ژنراتور ولتاژ بالا در مقایسه باژنراتورهای معمولی در ولتاژ بالا و جریان پائین کار می کند. ماکزیمم ولتاژ خروجی این ژنراتور با تکنولوژی کابل محدود می گردد که در حال حاضر با توجه به تکنولوژی بالای ساخت کابل ها می توان ولتاژ آن را تا سطح 400 کیلو ولت طراحی نمود. هادی استفاده شده در ژنراتور ولتاژ بالا بصورت دوار می باشد در حالیکه در ژنراتورهای معمولی این هادی مثلثی است. در نتیجه میدان الکتریکی در ژنراتورهای ولتاژ بالا یکنواخت تر می باشد. ابعاد سیم پیچ بر اساس ولتاژ سیستم و ماکزیمم قدرت ژنراتور تعیین می گردد. در ژنراتورهای ولتاژ بالا لایه خارجی کابل در تمام طول کابل زمین می گردد، این امر موجب می شود که میدان الکتریکی در طول کابل محدود گردد و دیگر مانند ژنراتورهای معمولی نیاز به کنترل میدان در ناحیه انتهایی سیم پیچ نباشد. تخلیه جزیی (Partial discharge) در هیچ ناحیه ای از سیم پیچ وجود ندارد و ایمنی افراد بهره بردار و یا تعمیرکار افزایش می یابد. سربندی ها و اتصالات معمولا در فضای خالی در دسترس در محل انجام می گیرد، بنابراین محل این اتصالات در یک نیروگاه نسبت به نیروگاه دیگر متفاوت می باشد. اما در هر حال این اتصالات خارج از هسته استاتور هستند. برای مثال اتصالات و سربندی ها ممکن است زیر ژنراتور و یا خارج از قاب استاتور (Stator frame) انجام گیرد. بدین ترتیب اتصالات و سربندی ها، مشکلات ناشی از ارتعاشات و لرزش های بوجود آمده در ماشین های معمولی را نخواهند داشت. در طرح کنونی ژنراتور ولتاژ بالا دو نوع سیستم خنک کنندگی وجود دارد. روتور و سیم پیچ های انتهایی توسط هوا خنک می گردند در حالی که استاتور توسط آب خنک می گردد. سیستم خنک کنندگی آب شامل لوله های XLPE قرار گرفته شده در هسته استاتور می شود. آب از این لوله ها جریان می یابد و هسته استاتور را خنک نگه می دارد. مقایسه جریان اتصال کوتاه در نیروگاه مجهز به ژنراتور ولتاژ بالا با نیروگاه مجهز به ژنراتور معمولی نشان می دهد که چون در نیروگاه با ژنراتور ولتاژ بالا راکتانس ترانسفورماتور حذف می گردد جریان های خطا کوچکتر هستند.

ژنراتور القایی

ژنراتور القایی نوعی ژنراتور الکتریکی است که به لحاظ مکانیکی و الکتریکی شبیه به موتور القایی است. ژنراتورهای القایی هنگامی که شافتشان از فرکانس سنکرون موتور القایی معادل سریع تر بچرخد، توان الکتریکی تولید می کنند. ژنراتورهای القایی غالبا در توربین های باد و برخی سازه های آبی میکرو استفاده می شوند. نسبت به ژنراتورهای نوع دیگر، ساده تر هستند. این ژنراتورها نیرومند بوده و نیاز به شانه و جا به جاگر ندارند. ژنراتورهای القایی خودالقا کننده نیستند، این به معنی این است که نیاز به یک منبع خارجی برای تولید شار دوار مغناطیسی است و به توان مورد استفاده برای این کار، جریان باز فعال (Reactive) گفته می‌شود. منبع خارجی می تواند از شبکه الکتریکی یا از خود ژنراتور تأمین شود. شار مغناطیسی دوار استاتور، باعث القای جریان در روتور و تولید میدان مغناطیسی می شود. اگر روتور با سرعتی کمتر از نرخ شار دوار بچرخد، ماشین مانند یک موتور القایی کار می کند. در صورتی‌ که موتور تندتر بچرخد، مانند ژنراتور کار می کند و در فرکانس سنکرون، توان تولید می کند. مشکل رایج این ژنراتورهای القایی در توربین باد، دنده است. معمولاً موتورهای القایی برای کار کردن در سرعت های بیشتر از 1500 دور بر دقیقه برای همگام شدن، نیاز به دنده ‌دارند.

جایگزین های مغناطیس دائم

جایگزین های مغناطیس دائم (PMA) از یک مجموعه آهنرباهای الکتریکی و یک مجموعه آهنرباهای دائم تشکیل شده است. معمولا آهنرباهای دائم بر روی روتور و آهنرباهای الکتریکی بر روی استاتور سوار می شوند. موتورهای آهنربایی دائم و تکنولوژی ژنراتور در چند سال اخیر پیشرفت بسیار زیادی کرده است و آهنربا های زمینی کمیابی ساخته شده اند. معمولا کویل ها در سه فاز استاندارد why یا delta سیم پیچی می شوند. جایگزین های مغناطیس دائم می توانند بسیار پربازده و در محدوده بین 60-95 درصد باشد. ژنراتور برخلاف موتور نیاز به کنترل سه فازی ندارد. به‌ راحتی می توان توان آنها را یکسو کرده و بانک باتری را شارژ کرد.

موتور Brushed DC

موتورهای Brushed DC معمولا برای ساخت توربین های بادی خانگی استفاده می شوند. در موتور Brushed DC، آهنرباهای الکتریکی روی روتور با توان ورودی جابجاگر (Commutator) می چرخند. این عمل باعث ایجاد توان خروجی یکسو شده می شود. یک موتور Brushed DC می تواند راندمان خوبی تا 700% داشته باشد. مزایایی بسیاری در استفاده از موتور Brushed DC وجود دارد. یکی از این مزایا، عدم نیاز به دنده و شارژ باتری حتی در باد کم است. همچنین این موتورها به راحتی یافت می شوند.