اصول عملکرد ژنراتور DC

ژنراتور جریان مستقیم (DC)، یک ماشین الکتریکی است که انرژی مکانیکی را به برق جریان مستقیم یا dc تبدیل می‌کند. این تبدیل انرژی، مبتنی بر قاعده تولید القای دینامیک نیروی محرکه الکتریکی (emf) است. در این آموزش، اصول عملکرد ژنراتور dc‌ را توضیح می‌دهیم.

شکل 1، یک ژنراتور dc ساده شده را نشان می‌دهد. این ژنراتور، از یک حلقه سیم تشکیل شده که در یک میدان مغناطیسی دوران می‌کند. البته توجه داشته باشید که در عمل، ژنراتور dc از تعداد دورهای زیاد به روی یک هسته آهنی تشکیل شده است.

برای سادگی، یک آهنربای دائم در میدان مغناطیسی نشان داده شده است. دو انتهای حلقه سیم، به یک حلقه بریده شده متصل شده است. این حلقه فلزی هادی، «کموتاتور» (Commutator) نامیده می‌شود. کموتاتور، یک سوئیچ الکتریکی چرخان است که به صورت متناوب، جهت جریان را از روتور (بخش چرخان ماشین) به مدار خارجی تغییر می‌دهد.

با چرخیدن حلقه سیمی در میدان مغناطیسی، حلقه بریده شده کموتاتور نیز می‌چرخد. هر نیمه حلقه بریده شده، با دو اتصال ثابت سایش دارد که که «جاروبک» (Brush) نامیده می‌شوند. جاروبک‌ها، قطعه‌های کربنی هستند که برای اتصال الکتریکی بین بخش ثابت و و بخش چرخان به ماشین پِرِس شده‌اند. جاروبک‌ها، اتصال مدار خارجی به سیم چرخان را برقرار می‌کنند.

همان‌طور که در شکل ۱ نشان داده شده است، اگر با یک نیروی مکانیکی خارجی، حلقه سیمی را در میدان مغناطیسی بچرخانیم، خطوط شار را با زوایای مختلفی قطع می‌کند. در وضعیت A (هنگام چرخش)، حلقه موازی با میدان مغناطیسی است. بنابراین، در این لحظه، حلقه خطوط شار را قطع نمی‌کند.

طی حرکت از وضعیت A به وضعیت B، حلقه خطوط شار را قطع می‌کند و مقدار آن افزایشی است. در وضعیت B، حلقه عمود بر میدان مغناطیسی است و تعداد خطوطی را که قطع می‌کند، حداکثر است.

حین تغییر وضعیت حلقه از نقطه B‌ به نقطه C، تعداد خطوطی از شار که حلقه، آن‌ها را در بر می‌گیرد کاهش پیدا می‌کند و در نقطه C به حداقل مقدار خود (صفر) می‌رسد.

حرکت از وضعیت C‌ به D، با افزایش خطوط درون حلقه همراه است و در نقطه D به حداکثر مقدار خود می‌رسد. پس از آن، حلقه با کمینه مقدار خطوط شار از وضعیت A‌ عبور می‌کند و همین فرایند ادامه پیدا خواهد کرد.

شکل 1: یک ژنراتور DC ساده

همان‌طور که می‌دانیم، وقتی یک سیم، خطوط میدان مغناطیسی را قطع کند، ولتاژی در آن القا خواهد شد. مقدار ولتاژ القا شده، متناسب با تعداد دور یا حلقه‌های سیم و وضعیت نسبت به میدان مغناطیسی است.

زاویه‌ای که در آن، سیم نسبت به خطوط شار حرکت می‌کند، تعیین کننده مقدار ولتاژ القایی است، زیرا مقداری که سیم خطوط شار را قطع می‌کند، به زاویه حرکت بستگی دارد.

شکل 2: نمای انتهای ژنراتور dc که خطوط میدان مغناطیسی را قطع می‌کند.

شکل 3 چگونگی القای ولتاژ در مدار خارجی را هنگام چرخیدن حلقه در میدان مغناطیسی نشان می‌دهد. فرض کنید حلقه در وضعیت عمودی A شروع به حرکت کند، بنابراین، ولتاژ القایی صفر است. هنگامی که حلقه می‌چرخد، ولتاژ القایی در وضعیت ‌B به حداکثر مقدار خود می‌رسد. پس از آن، با رفتن حلقه از وضعیت B به C، ولتاژ کاهش می‌یابد و به صفر می‌رسد.

شکل 3: عملکرد ژنراتور DC‌

در نیمه دوم تغییرات، جاروبک‌ها به کموتاتور مخالف سوئیچ می‌کنند، بنابراین، پلاریته ولتاژ در خروجی تغییری نمی‌کند. وقتی حلقه از وضعیت C به D‌ می‌چرخد و سپس به وضعیت A برمی‌گردد، ولتاژ از صفر در نقطه C به حداکثر در وضعیت D می‌رسد و دوباره در نقطه A به صفر خواهد رسید. شکل 4، تغییرات ولتاژ القایی را با حرکت حلقه برای سه چرخش نشان می‌دهد. این ولتاژ، DC است، زیرا پلاریته آن تغییری نمی‌کند. هرچند، بین صفر و مقدار ماکزیمم آن متغیر است. شکل 5، ولتاژ القایی را برای حالتی نشان می‌دهد که دو حلقه داریم. در این حالت، میانگین ولتاژ بالاتر رفته و ریپل آن نرم‌تر می‌شود.

شکل 4: ولتاژ القایی برای سه دور چرخش حلقه

 

شکل 5: ولتاژ القایی برای ژنراتور با دو حلقه سیم. با حلقه دوم، تعداد قطعات ولتاژ (آبی رنگ) دو برابر می‌شود.

محاسبه ولتاژ القایی

با معادله زیر می‌توان ولتاژ القایی حلقه را که در میدان مغناطیسی حرکت می‌کند به دست آورد:

که در آن، Vind ولتاژ القایی برحسب ولت، B چگالی شار عمود بر حرکت برحسب Wb/m2، l طول هادی برحسب متر و v سرعت هادی برحسب m/s‌ است.