ژنراتور سنکرون

ژنراتور سَنکرون یا مولد هم‌زمان (Synchronous Generator)، ماشین جریان متناوب (AC) است که برای تبدیل انرژی مکانیکی به انرژی الکتریکی (برق سه‌فاز) به کار می‌رود.
در مولد سنکرون، جریان مستقیم (DC) به سیم‌پیچ روتور اعمال می‌شود که میدان مغناطیسی روتور را تولید می‌کند. روتور توسط یک محرک خارجی مانند توربین بخار به گردش درمی‌آید. به این ترتیب یک میدان مغناطیسی دوّار درون ماشین ایجاد می‌شود. این میدان دوار در سیم‌پیچ‌های استاتور (به ازای هر فاز، حداقل یک سیم‌پیچ)، ولتاژ القاء می‌کند. ولتاژ القاءشده، سه‌فاز است.
از آنجایی‌که فرکانس برق تولیدشده این ژنراتور با سرعت چرخش روتور تناسبِ مستقیم دارد، به این ژنراتور، سنکرون می‌گویند.

ساختمان روتور

قطب‌های مغناطیسی روتور می‌توانند برجسته یا صاف باشند. قطب برجسته نسبت به سطح روتور برآمدگی دارد و قطب صاف با روتور هم‌سطح است. روتورهای قطب‌صاف معمولاً برای ماشین‌های دو یا چهار قطبی و روتورهای قطب‌برجسته برای ماشین‌های چهارقطبی یا بیشتر به کار می‌روند.
چون روتور در معرض میدان‌های مغناطیسی متغیر قرار دارد، آن را از لایه‌لایه می‌سازند تا تلفات جریان گردابی کاهش یابد.

آزمون مدار باز

اولین گام، آزمون مدار باز بر روی مولد است. برای این آزمایش، مولد در سرعت نامی چرخانده می‌شود، پایانه‌ها به بار اتصال ندارند و جریان میدان برابر صفر قرار داده می‌شود، سپس جریان میدان را با گام‌های تدریجی افزایش می‌دهند و ولتاژ پایانه‌ای را در هر گام انداره می‌گیرند چون پایانه‌ها باز هستند و در نتیجه جریانی از مدار نمی‌گذرد پس ولتاژ پایانه برابر  است و بدین ترتیب می‌توان منحنی  یا  را بر حسب  رسم کرد. این منحنی مشخصهٔ مدار باز مولد (OCC) نام دارد، که از آن می‌توان ولتاژ تولید شدهٔ داخلی را به ازای هر مقدار جریان ساخت. منحنی ابتدا خطی است ولی به ازای مقادیر بزرگ جریان پدیدهٔ اشباع تا حدی مشاهده می‌شود و دلیل این پدیده این است که رلوکتانس آهن اشباع نشده در مولد سنکرون بسیار کوچک‌تر از رلوکتانس فاصلهٔ هوایی است پس در ابتدا تقریباً همهٔ نیروی محرکه مغناطیسی روی فاصلهٔ هوایی قرار دارد و افزایش شار ناشی از آن خطی است، هنگامی که آهن به اشباع می‌رسد، رلوکتانس آن به سرعت افزایش می‌یابد و آهنگ افزایش شار در اثر افزایش نیروی محرکهٔ مغناطیسی کندتر می‌شود. ناحیهٔ خطی مشخصهٔ مدار باز، خط فاصلهٔ هوایی نامیده می‌شود.

آزمون اتصال کوتاه

برای این آزمون دوباره جریان میدان در صفر تنظیم می‌شود و پایانه‌های مولد توسط مجموعه‌ای از آمپرمترها اتصال کوتاه می‌شوند. سپس جریان آرمیچر  یا جریان خط  همراه با افزایش جریان میدان اندازه‌گیری می‌شود. این منحنی مشخصه اتصال کوتاه (SCC)نام دارد.

مقادیر نامی مولد سنکرون

مقادیر نامی ماشین سنکرون عبارت‌اند از ولتاژ، بسامد، سرعت، توان ظاهری (کیلوولت آمپر)، ضریب توان، جریان میدان و ضریب سرویس.

ولتاژ، سرعت و بسامد نامی

بسامد نامی مولد سنکرون به سیستم قدرتی که به آن متصل است بستگی دارد. امروزه بسامدهایی که معمولاً در سیستم قدرت به کار می‌روند عبارت‌اند از Hz ۵۰ (در اروپا، آسیا و غیره)، Hz ۶۰ (در آمریکا) و Hz ۴۰۰ (برای مقاصد خاص و کاربردهای کنترلی) .
اگر بسامد معلوم باشد به ازای تعداد قطب معین، سرعت چرخش برابر است با
ولتاژی که مولد برای آن طراحی شده‌است، به شار، سرعت چرخش و ساختمان مکانیکی ماشین بستگی دارد. به ازای اندازهٔ بدنه و سرعت معین، هرچه ولتاژ بیشتر باشد، شار لازم در ماشین بیشتر خواهد بود. اما شار را نمی‌توان به‌طور نامحدود زیاد کرد، زیرا همیشه یک جریان ماکزیمم مجاز جریان میدان وجود دارد.
در تعیین حداکثر ولتاژ مجاز، ولتاژ شکست عایق سیم‌پیچ در نظر گرفته می‌شود (ولتاژهای عادی نباید به مقدار ولتاژ شکست نزدیک شوند).

توان ظاهری و ضریب توان نامی

دو عامل حدود توان ماشین‌های الکتریکی را تعیین می‌کنند: گشتاور و گرم شدن سیم‌پیچ‌ها. محور ماشین‌های سنکرون، استحکام کافی برای تحمل توان در حالت بزرگ‌تر از مقدار نامی ماشین را دارد. پس حدود عملی را گرم شدن سیم‌پیچ‌های ماشین تعیین می‌کند.
مولد سنکرون دو سیم‌پیچ دارد و هر دوی آن‌ها باید در برابر گرمای زیاد حفاظت شوند. این دو سیم‌پیچ، سیم‌پیج آرمیچر و سیم‌پیچ میدان هستند.

کار کوتاه‌مدت

مهم‌ترین عامل محدودکنندهٔ کار حالت پایدار مولد سنکرون، گرم شدن سیم‌پیچ‌های آرمیچر و میدان آن است. اما حد گرمایی معمولاً نقطه‌ای بسیار پایین‌تر از ماکزیمم توانی که مولد از نظر عملی می‌تواند تولید کند قرار دارد. در واقع یک مولد سنکرون نوعی می‌تواند در زمان محدود تا ۳۰۰ درصد توان نامی‌اش تولید کند. (تا اینکه سیم‌پیچ‌هایش بسوزد)
مولد را می‌توان در توان‌های بیشتر از توان نامی به کار برد مشروط به آنکه قبل از برداشتن بار اضافی، سیم‌پیچ‌ها بیش از حد اضافی گرم نشده باشند. هرچه توان نامی بیشتر باشد، مدت زمانی که ماشین می‌تواند آن را تحمل کند کمتر می‌شود. ماکزیمم افزایش درجه حرارتی که ماشین می‌تواند تحمل کند به کلاس عایقی سیم‌پیچ‌هایش بستگی دارد. چهار کلاس عایقی وجود دارد: H ،F ،B ،A عموماً این کلاس‌ها به ترتیب متناظر با افزایش درجه حرارت به مقدار ۶۰، ۸۰، ۱۰۵ و ۱۲۵ درجه بیشتر از درجه حرارت محیط‌اند. هرچه کلاس عایقی یک ماشین معین بیشتر بلشد توانی که بدون گرمایش بیش از حد می‌توان از آن کشید بیشتر است.
گرم‌شدن بیش از حد سیم‌پیچ‌ها مسئله‌ای بسیار جدی برای ماشین است. یک قاعده سر انگشتی قدیمی می‌گوید به ازای هر ۱۰ درجه افزایش درجه حرارت نسبت به حرارت مجاز سیم‌پیچ‌ها عمر متوسطه ماشین نصف می‌شود. حساسیت مواد عایقی امروزی نسبت به شکست کمتر از این است، اما افزایش حرارت هنوز اثر خود را دارد.

ضریب سرویس

غالباً قبل از نصب، اندازه بار فقط به صورت تقریبی معلوم است، به همین دلیل ماشین‌هایی با کاربرد عام یک ضریب سرویس دارند. ضریب سرویس به صورت نسبت ماکزیمم توان واقعی ماشین به مقدار نامی پلاک آن تعریف می‌شود. ضریب سرویس یک محدودهٔ اطمینان برای خطای ناشی از تخمین نامناسب بار فراهم می‌کند.