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.
اصطلاح سنکرون و پارالل کردن به معنای موازی سازی است.
در واقع پارالل سنکرون دیزل ژنراتور با هم به این معنی است که دو یا چند دیزل ژنراتور در کنار هم بصورت موازی میتوانند همزمان کار کنند و مجموع توان خروجی آنها وارد مدار شود.
برای مدیریت این فرایند باید از کنترلر هایی استفاده کرد که به آنها برد کنترلی سنکرون پارالل می گویند.
این کار برای صرفه جویی و کاهش در هزینه های خرید و سرویس دیزل ژنراتور ، کاهش مصرف سوخت ، افزایش توان خروجی مورد نیاز و … می باشد.
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 لایه‌لایه می‌سازند تا تلفات جریان گردابی کاهش یابد.
فراهم کردن جریان DC برای روتور چندین روش دارد که به دو روش آن اشاره می‌گردد.
در مولدهای سنکرون، طبق تعریف، فرکانس الکتریکی تولید شده با سرعت چرخش ژنراتور متناسب است. میدان مغناطیسی روتور همراه با چرخش روتور می‌چرخد. بین سرعت چرخش میدان مغناطیس ماشین (formula_1) و فرکانس الکتریکی استاتور (formula_2) رابطه زیر وجود دارد (p تعداد قطب‌ها است ): formula_3
ولتاژ القا شدهٔ یک فاز نیز از رابطهٔ زیر به دست می‌آید:
formula_4
این ولتاژ به شار ماشین (formula_5)، فرکانس یا سرعت چرخش (formula_6) و ساختمان ماشین بستگی دارد. ولتاژ formula_7، ولتاژ تولید شده در یک فاز مولد سنکرون است اما ولتاژی نیست که معمولاً در پایانه‌های مولد ظاهر می‌شود. در حقیقت تنها زمانی ولتاژ داخلی (formula_7)، برابر با ولتاژ خروجی یک فاز (formula_9) است که جریانی از آرمیچر ماشین نگذرد. تفاوت بین (formula_7) و (formula_9) در اثر چند عامل است:
عکس العمل آرمیچر موجب تغییر شار در مدار مغناطیسی مولد می‌شود در نتیجه می‌توان برای آن ولتاژی در نظر گرفت (ولتاژ عکس‌العمل آرمیچر) و برای مدل کردن آن از یک القاگر سری با ولتاژ داخلی استفاده کرد: (formula_12)
سیم‌پیچ‌های استاتور نیز یک خودالقایی و یک مقاومت دارند: (formula_13) , (formula_14)
معمولاً راکتانس‌های ناشی از عکس‌العمل آرمیچر و خودالقایی ماشین را با هم ترکیب می‌کنند و به صورت راکتانس سنکرون (formula_15) نمایش می‌دهند که در این صورت ولتاژ پایانه را می‌توان به صورت زیر بیان کرد (در ماشین‌های سنکرون واقعی راکتانس سنکرون معمولاً بسیار بزرگ‌تر از مقاومت سیم‌پیچ است ): formula_16
مولد سنکرون ماشینی است که توان مکانیکی را به توان الکتریکی سه فاز تبدیل می‌کند. منبع توان مکانیکی روتور می‌تواند یک موتور دیزل، یک توربین بخار، یک توربین آبی یا هر وسیلهٔ مشابه دیگر باشد. این منبع هرچه باشد باید صرف نظر از میزان تقاضای توان، سرعت ثابتی داشته باشد. در غیر این صورت بسامد برق تولیدشده، ثابت نخواهد بود.تمام توان مکانیکی ورودی مولد سنکرون به توان الکتریکی خروجی تبدیل نمی‌شود و اختلاف بین این دو توان تلفات ماشین را نشان می‌دهد. این تلفات را می‌توان به سه قسمت تقسیم کرد:
مدار معادل مولد سنکرون، سه جزء دارد و برای توصیف دقیق رفتار یک مولد سنکرون باید آن‌ها را تعین کرد؛
برای پیدا کردن این کمیت‌ها آزمون‌های مختلف طراحی شده‌اند.
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 formula_7 است و بدین ترتیب می‌توان منحنی formula_7 یا formula_9 را بر حسب formula_21 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.
برای این آزمون دوباره جریان میدان در صفر تنظیم می‌شود و پایانه‌های مولد توسط مجموعه‌ای از آمپرمترها اتصال کوتاه می‌شوند. سپس جریان آرمیچر formula_22 یا جریان خط formula_23 همراه با افزایش جریان میدان اندازه‌گیری می‌شود. این منحنی مشخصه اتصال کوتاه (SCC)نام دارد.در این روش ما formula_28 در نظر می‌گیریم که این قضیه با واقعیت موضوع نیز می‌خواند. اما مشکل اساسی این روش این است که در آن ماشین به ازای جریان‌های بزرگ میدان در اشباع قرار دارد، در حالی که formula_22 که از آزمایش اتصال کوتاه به دست می‌آید به ازای تمامی جریان‌های میدان در حالت اشباع نشده قرار دارد؛ بنابراین formula_7 گرفته شده از OCC به ازای یک جریان معین میدان، همان formula_7 شرایط اتصال کوتاه نیست و این تفاوت موجب می‌شود که مقدار formula_15 تنها تقریبی از مقدار واقعی باشد.با این وجود جواب به دست آمده از این روش تا نقطهٔ اشباع دقیق است، پس راکتانس سنکرون اشباع نشدهٔ ماشین را می‌توان به ازای جریان میدان واقع در ناحیهٔ خطی (خط فاصلهٔ هوایی) منحنی OCC به آسانی به دست آورد. رفتار مولد زیر بار به شدت تابع توان بار و کار کردن آن به تنهایی یا موازی با دیگر مولدهای سنکرون است.
توان خروجی مولد سنکرون با بسامد آن مرتبط است. مشخصهٔ بسامد – توان نقش مهمی در کار موازی مولدهای سنکرون بازی می‌کند.رابطهٔ بسامد و توان را می‌توان به‌طور کلی با معادلهٔ زیر بیان کرد: formula_33 که در آن:
مقادیر نامی ماشین سنکرون عبارت‌اند از ولتاژ، بسامد، سرعت، توان ظاهری (کیلوولت آمپر)، ضریب توان، جریان میدان و ضریب سرویس.
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
formula_38 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).
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.
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.
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.