بررسی مولدهای جریان مستقیم

کاربرد مولدهای جریان مستقیم
از مولدهای جریان مستقیم بیشتر به عنوان منبع انرژی برای تحریک مولدهای نیروگاهی و ماشینهای خودکار، هواپیماها، جوشکاری با قوس الکتریکی، قطارهای راه آهن، اتوبوسهای برقی، زیر دریاییها و غیره استفاده می نمایند بدین ترتیب کاربرد مولدهای جریان مستقیم زیاد و متنوع است و لذا مولدهای جریان مستقیم با توان ها و دورهای مختلف ساخته می شوند.

برای کامل خواندن متن به ادامه مطلب مراجعه کنید.

طبقه بندی مولدهای جریان مستقیم
ماشین های DC واقعی دارای دو دسته سیم پیچ هستند
۱- سیم پیچ آرمیچر
۲- سیم پیچ تحریک (قطب ها)
که با توجه به نحوه ارتباط الکتریکی سیم پیچ تحریک و سیم پیچ آرمیچر به دو دسته کلی تقسیم بندی می شوند.
۱- مولدهای تحریک مستقل
۲- مولدهای خود تحریک
– در مولدهای تحریک مستقل بین سیم پیچ آرمیچر و سیم پیچ تحریک هیچ ارتباط الکتریکی وجود ندارد
– در مولدهای خود تحریک بین این دو سیم پیچ ارتباط الکتریکی وجود دارد و انرژی سیم پیچ تحریک از انرژی تولیدی خود مولد تامین می شود نحوه این ارتباط الکتریکی مولدهای خود تحریک را به دو دسته تقسیم بندی می کند.
– مولدهای تحریک شنت یا موازی
– مولدهای تحریک سری
– مولدهای تحریک مختلط یا کمپوند
با توجه به اهمیت مولدهای DC به بررسی کامل این مولدها و مشخصات آنها می پردازیم

مولد تحریک مستقل
همانطور که گفته شد در این مولد بین سیم پیچ تحریک و آرمیچر هیچ ارتباط الکتریکی وجود ندارد و مدار تحریک توسط یک منبع تغذیه جریان مستقیم خارجی تغذیه میشود به این منبع اکسایتر گفته میشود. در مدار تحریک از یک مقاومت متغییر استفاده می شود تا جریان تحریک را کنترل و فوران مغناطیسی قطبها را تغییر دهد. شکل زیر مدار معادل الکتریکی یک مولد تحریک مستقل را نشان میدهد.
در این مولد جریان بار، ولتاژ ترمینال و جریان تحریک از روابط زیر بدست می آید.
IL : جریان بار
IA : جریان آرمیچر
VT : ولتاژ ترمینال                                                                                                               
EA : نیرومحرکه القاء شده آرمیچر
RA : مقاومت اهمی آرمیچر
ε : افت ولتاژ ناشی از عکس العمل
VF : ولتاژ تحریک
RF : مجموع مقاومت سیم پیچ تحریک و رئوستای تنظیم
IF : جریان تحریک

– مشخصه بی باری یا مشخصه مغناطیسی مولد تحریک مستقل
مشخصه بی باری یا مغناطیس مولد تغییرات نیرومحرکه القاء شده آرمیچر (EA) را به ازاء تغییرات جریان تحریک (IF) در شرایط  دور ثابت n = const و بدون بار IL = 0 نشان میدهد این مشخصه در شکل زیر نشان داده شده است.

در بررسی بیشتر این مشخصه به نکات زیر توجه بیشتری داریم
۱- مشخصه مغناطیسی به سه قسمت تقسیم بندی می شود قسمت اول منحنی تقریباٌ خط مستقیم است زیرا به ازاء جریان تحریک کم، تمام نیرومحرکه مغناطیسی برای ایجاد فوران در فاصله هوایی که قابلیت نفوذ مغناطیسی آن ثابت است به مصرف می رسد اما در قسمت دوم اشباع ماشین شروع شده و مشخصه به شکل منحنی در می آید و در قسمت سوم که هسته به اشباع می رود مشخصه با محور افقی تقریباٌ موازی می شود.
نقطه کار: ماشین باید در قسمت منحنی یعنی شروع حالت اشباع باشد زیرا اگر ولتاژ نامی ماشین روی قسمت خطی قرار گیرد به ازاء تغییر جزیی در جریان تحریک ولتاژ به شدت تغییر می کند و کار ماشین ناپایدار است و چنانچه روی قسمت اشباع شده واقع شود امکان تنظیم ولتاژ ماشین محدود میشود.
۲- در صورتیکه این مشخصه را برای سرعت ثابت دیگری بدست آوریم شکل کلی مشخصه تغییر نخواهد کرد در صورتیکه سرعت بالاتر انتخاب کنیم مشخصه در بالاتر و به ازاء سرعت پایین تر مشخصه در پایینتر تشکیل می شود.  
نکته: اگر مشخصه را برای دور نامی داشته باشیم می توان مشخصه را برای دورهای دیگر نیز بدست آوریم.
مشخصه خارجی یا بارداری مولد تحریک مستقل: این مشخصه عبارت است از تغییرات ولتاژ خروجی به ازاء تغییرات جریان بار در شرایط جریان تحریک و سرعت ثابت
VT = f.(IL)                        RF=const                                  n=const            
این مشخصه در حقیقت نشان میدهد که با عبور جریان از آرمیچر افت ولتاژ اهمی آرمیچر IA.RA و افت ولتاژ ناشی از عکس العمل مغناطیسی چگونه باعث کاهش ولتاژ ترمینال می شوند.

مولد تحریک شنت
در این مولد مدار تحریک با آرمیچر به صورت موازی وصل می شود. جریان تحریک تابع ولتاژ خروجی و مقاومت مدار تحریک است و قسمتی (حدود ۲ تا ۳ درصد) از جریان آرمیچر را تشکیل میدهد. برای اینکه با جریان تحریک کم بتوان آمپر دور زیاد برای مولد تامین نمود باید تعداد دور سیم پیچ تحریک زیاد باشد و در نتیجه سطح مقطع آن باید کاهش یابد. ولتاژ خروجی مولد توسط یک مقاومت متغییر که با سیم پیچ تحریک سری می شود تنظیم می گردد. مدار معادل الکتریکی مولد شنت بصورت زیر است:
روابط زیر نیز برای جریان آرمیچر، ولتاژ خروجی و جریان تحریک مولد شنت برقرار است
راه اندازی مولد شنت و تعیین نقطه کار: شروع کار مولد شنت بر اثر وجود پسماند مغناطیسی قطبها می باشد. یعنی ژنراتور بوسیله محرک با دور نامی به گردش در می آوریم به علت قطع خطوط قوای پس ماند توسط هادیهای آرمیچر، ولتاژی در آن القاء می شود. این ولتاژ به دو سر مدار تحریک اعمال می گردد. جریان کمی از سیم پیچ قطبها عبور می کند و درنتیجه فوران قطبها زیاد شده (در صورتیکه فوران هم جهت پسماند باشد) و نیرومحرکه الکتریکی بیشتری در آرمیچر القاء میشود و ولتاژ دو سر مدار تحریک بالا می رود و مجدداٌ جریان تحریک افزایش یافته و ولتاژ القائی بزرگتر میشود. افزایش ولتاژ القائی تا جایی ادامه می یابد که به VT = Rf.If برسد در این مقدار نیرومحرکه القایی ثابت می ماند. اگر مشخصه Rf.If را رسم کنیم خطی بدست می آید که در نقطه ای مانند B منحنی بی باری را قطع می کند به خط Rf.If خط القاء گفته میشود نقطه تقاطع این خط با منحنی نقطه کار مولد شنت می باشد.
مقاومت بحرانی و دور بحرانی: در صورتیکه مقاومت مدار تحریک آنقدر زیاد شود که خط القاء بر منحنی بی باری مماس شود مولد حالت ناپایدار خواهد داشت و نیرومحرکه نمی تواند مقدار معینی داشته باشد در این حالت می گویند مقاومت مدار تحریک بحرانی است. اگر مدار تحریک مقاومت بیش از این داشته باشد دیگر مولد تحریک نخواهد شد در صورتیکه سرعت مولد آنقدر کم باشد که مشخصه بی باری بر خط القاء مماس شود نیز مولد به حالت ناپایدار خواهد رسید این دور نیز به دور بحرانی معروف است.
عوامل زیر سبب عدم تحریک یا عدم راه اندازی مولد شنت می شود
۱- پس ماند مغناطیسی ناچیز یا صفر باشد
۲- جهت جریان تحریک طوری باشد که فوران ناشی از فوران پسماند را خنثی کند
۳- مقاومت مدار تحریک از حد معینی بیشتر باشد
۴- جهت گردش آرمیچر برعکس باشد که سبب عکس شدن جریان تحریک می شود
۵- دور محور از حد معین کمتر باشد
مشخصه مغناطیسی یا بی باری مولد شنت: همانطور که در مورد مولد تحریک مستقل گفته شد مشخصه بی باری تغییرات نیرومحرکه القاء شده آرمیچر نسبت به تغییرات جریان تحریک در شرایط بدون بار و دور ثابت است. مشخصه بی باری مولد شنت با مولد تحریک مستقل تفاوتی ندارد و بصورت زیر می باشد.

مشخصه بارداری یا خارجی مولد شنت: این مشخصه تغییرات ولتاژ ترمینال به ازاء تغییرات جریان بار را در شرایط دور ثابت و ثابت RF = نشان میدهد.در مولد شنت سه عامل باعث افت ولتاژ خروجی خواهد شد:
۱- افت ولتاژ اهمی آرمیچر
۲- افت ولتاژ ناشی از عکس العمل 
۳- افت ولتاژ خروجی بدلیل کاهش جریان تحریک بعلت کاهش ولتاژ خروجی ناشی از دو عامل بالا 
نکته مهم دیگر در این مولد با کاهش مقاومت بار جریان IL (بار) تا مقدار معینی Icr که معمولاٌ ۲ تا ۵/۲ برابر جریان نامی است افزایش می یابد و سپس رو به کاهش می رود. توجیه این مسئله (یعنی کاهش جریان بار با توجه به کم شدن مقاومت بار) به این صورت است که در نقطه برگشت منحنی اثر کاهش ولتاژ خروجی آنقدر زیاد است که نمی تواند جریان خروجی بار زیاد شود. شکل زیر مشخصه خارجی مولد شنت را در مقایسه با مولد تحریک مستقل را نشان میدهد.

کاربرد مولد شنت: از این مولدها بعلت اینکه تنظیم ولتاژ بهتری دارند در شارژ باتری ها و تامین برق روشنایی و تغذیه سیم پیچ مولدهای نیروگاهی استفاده میشود.
مولد تحریک سری
در این ژنراتور آرمیچر با سیم پیچ تحریک به صورت سری قرار می گیرد. از آنجا که جریان بار از سیم پیچ آرمیچر و سیم پیچ تحریک عبور کند باید سیم پیچ تحریک دارای سطح مقطع زیاد و تعداد دور کم باشد. مدار الکتریکی مولد سری و روابط آن بصورت زیر است.

IS : جریان مدار تحریک سری                                          
RS : مقاومت سیم پیچ تحریک سری

مشخصه بی باری مولد سری:          (VT = f(IL)   n = const)
برای بدست آوردن مشخصه خارجی مولد سری دور مولد را به دور نامی می رسانیم، اول حداکثر مقاومت بار را در مدار قرار میدهیم در این حالت با عبور جریان کم از آرمیچر و تحریک، فوران اگر مخالف پسماند نباشد نیرومحرکه القایی زیاد میشود که در نتیجه ولتاژ خروجی افزایش می یابد با کاهش مقاومت بار جریان تحریک که برابر با جریان بار و آرمیچر است زیاد شده و قطبها را اشباع می کند و در نتیجه فوران ثابت می ماند و چون دور هم ثابت است نیرومحرکه ثابت می ماند اما ولتاژ خروجی به دلایل زیر کاهش می یابد:
۱- افت ولتاژ در هادی های آرمیچر
۲- افت ولتاژ در سیم پیچی تحریک
۳- افت ولتاژ بر اثر عکس العمل مغناطیسی آرمیچر
کاربرد مولد سری: مورد استفاده مولد سری خیلی کم است چون ولتاژ دو سر آرمیچر بر اثر تغییر جریان بار به طور قابل ملاحظه ای تغییر می کند. در عین حال از این مولد بعنوان جبران کننده افت ولتاژ خطوط جریان مستقیم استفاده میشود.

مولد مختلط یا کمپوند
این مولد دارای دو سیم تحریک سری و موازی با آرمیچر می باشد.
مولد کمپوند از نظر اتصالات سیم پیچ دارای دو نوع هستند:
۱- مولد کمپوند با انشعاب بلند
۲- مولد کمپوند با انشعاب کوتاه
مدار الکتریکی این دو نوع کمپوند در شکل زیر نشان داده شده است
روابط تحلیل مولد کمپوند بصورت زیر است                                     
مولدهای کمپوند از نظر جهت فوران سیم پیچ تحریک سری بصورت زیر تقسیم بندی می شود:
۱- مولد کمپوند اضافی
۲- مولد کمپوند نقصانی
– مولد کمپوند اضافی: فوران ناشی در این مولد فوران سیم پیچ تحریک شنت را تقویت می کند در این مولد سیم پیچ تحریک شنت نقش اصلی را بعهده دارد و سیم پیچ تحریک سری برای جبران افت ولتاژ اهمی و عکس العمل مغناطیسی آرمیچر به کار میرود.
– مولد کمپوند نقصانی: در این مولد فوران ناشی از سیم پیچ تحریک سری با فوران ناشی از سیم پیچ تحریک شنت مخالفت می کند.
مشخصه خارجی مولد کمپوند اضافی
برای مولد کمپوند اضافی در حالت بارداری ممکن است یکی از سه حالت زیر پیش آید:
۱- با افزایش بار ولتاژ خروجی نیز زیاد شود این حالت را فوق کمپوند می گویند. در این حالت افزایش نیرومحرکه ناشی از سیم پیچ سری بزرگتر از افت ولتاژ در اثر مقاومت و عکس العمل آرمیچر است.
۲- با افزایش بار ولتاژ خروجی ثابت می ماند، در این حالت افت ولتاژ ناشی از مقاومت و عکس العمل با افزایش نیرومحرکه ناشی از سیم پیچ سری جبران میشود. به این حالت کمپوند مسطح گفته میشود.
۳- با افزایش بار، ولتاژ خروجی کاهش می یابد در این حالت افزایش نیرومحرکه ناشی از سیم پیچ سری نمی تواند افت ولتاژها را جبران کند این حالت را زیر کمپوند می گویند. حتی در این حالت افت ولتاژ مولد کمتر از افت ولتاژ مولد شنت می باشد. شکل این مشخصه ها در زیر رسم شده است.
مشخصه بارداری مولد کمپوند نقصانی
در این مولد ولتاژ خروجی با افزایش بار به شدت کاهش می یابد بدلیل اینکه با افزایش بار جریان سیم پیچ تحریک سری زیادتر و در نتیجه فوران سیم پیچ سری بیشتر شده و میدان اصلی را تضعیف تر می کند پس ولتاژ خروجی به شدت کاهش می یابد. مدار الکتریکی این مولد و مشخصه بارداری آن در شکل زیر رسم شده است.
کاربرد مولد کمپوند
از مولد کمپوند اضافی در تحریک مولدهای نیروگاهی استفاده می شود. از مولدهای کمپوند تخت جای استفاده می شود که نیاز به ولتاژ ثابتی باشد و فاصله بین مولد و مصرف کننده کم باشد. در صورتیکه به علت وجود فاصله بین مولد و مصرف کننده در سیمها افت ولتاژ بوجود آید از مولد کمپوند در حالت فوق استفاده می شود از مولد کمپوند نقصانی در جوشکاری استفاده می شود چون در ابتدا برای ایجاد قوس نیاز به ولتاژ بالا و بعد از برقراری قوس برای جلوگیری از افزایش جریان ولتاژ باید بشدت کاهش یابد.

ir-e.blogfa.com