هدف از انجام این تحقیق بررسی سیر تحقیقات انجام شده با موضوع ژنراتورها (ساختمان و اساس کار و سیر تکاملی ژنراتوها بخصوص ژنراتورهای سنکرون) است. به این منظور، بررسی مقالات منتشر شده که با این موضوع مرتبط بودند و جمع آوری خلاصه مطالبی از منابع صورت گرفت و بعد چکیده آنها استخراج شد.

ژنراتورها ماشین هایی هستند که انرژی مکانیکی را از محرک اصلی به یک توان الکتریکی در ولتاژ و فرکانس خاصی تبدیل می‌نماید. کلمه سنکرون به این حقیقت اشاره دارد که فرکانس الکتریک این ماشین با سرعت گردش مکانیکی شفت قفل شده است، ژنراتورسنکرون برای تولید بخش اعظم توان الکتریکی در سرتاسر جهان به کار می‌رود.

ژنراتورها همواره یکی از مهمترین عناصر شبکه قدرت بوده و نقش کلیدی در تولید انرژی و کاربردهای خاص دیگر ایفاء کرده است. ساخت اولین نمونه ژنراتور (سنکرون) به انتهای قرن 19 برمی‌گردد. مهمترین پیشرفت انجام شده در آن سال ها احداث اولین خط بلند انتقال سه فاز از لافن به فرانکفورت آلمان بود. در کانون این تحول، یک هیدروژنراتور سه فاز 210 کیلو وات قرار گرفته بود. عیلرغم مشکلات موجود در جهت افزایش ظرفیت و سطح ولتاژ ژنراتورها، در طول سال های بعد تلاش های گسترده ای برای نیل به این هدف صورت گرفت. 

مهمترین محدودیتها در جهت افزایش و سطح ولتاژ ژنراتورها، ضعف عملکرد سیستم های عایقی و نیز روش های خنک سازی بود. در راستای رفع این محدودیتها ترکیبات مختلف عایقهای مصنوعی، استفاده از هیدروژن برای خنک سازی و بهینه سازی روشهای خنک سازی با هوا نتایج موفقیت آمیزی را در پی داشت به نحوی که امروزه ظرفیت ژنراتورها به بیش از 1600DC افزایش یافته است. ابداع پاورفرمر در انتهای قرن بیستم توانست سقف ولتاژ تولیدی را تا حدود سطح ولتاژ انتقال افزایش دهد. به نحوی که برخی محققان معتقدند در آینده، دیگر نیازی به استفاده از ترانسفورماتورهای افزاینده نیروگاهی نیست.

همچنین امروزه تکنولوژی ژنراتورهای ابررسانا بسیار مورد توجه است، انتظار می‌رود با گسترش این تکنولوژی در ژنراتورهای آینده، ظرفیت های بالاتر در حجم کمتر قابل دسترسی باشند.

دو اصل فیزیکی مرتبط با عملکرد ژنراتورها وجود دارد.

اولین اصل فیزیکی اصل القائی الکترومغناطیسی کشف شده توسط مایکل فاراده دانشمند بریتانیایی است. اگر یک هادی در یک میدان مغناطیسی حرکت کند یا اگر طول یا حلقه ی القائی ساکنی جهت تغییر استفاده شود.

یک جریان ایجاد میشود یا القاء می‌شود. اگر یک جریان از میان یک کنتاکتور که در میدان مغناطیسی قرار گرفته، عبور کند میدان، نیروی مکانیکی بر آن وارد می‌کند.

قسمت ها و میدان که آهنربای الکترو مغناطیسی با سیم پیچ هایش و آرمیچر و ساختاری که از کنتاکتورحمایت می‌کند و کار قطع میدان مغناطیسی و حمل جریان القاء شده ژنراتور یا جریان ناگهانی به موتور را دارد است. آرمیچر معمولا" هسته ی نرم آهنی اطراف سیم های القائی که دور سیم پیچ ها پیچیده شده اند، است.

ژنراتور ها از دو قسمت تشکیل شده اند: قسمت متحرک را رتور و قسمت ساکن آن را استاتور می‌گویند. رتور ها نیز از نظر ساختمان دو دسته اند: ماشین های قطب صاف و ماشین های قطب برجسته.

ژنراتورها بسته به آنکه نوع وسیله گرداننده رتور آن ها چه نوع توربینی باشد به صورت زیر تقسیم می‌شوند.

در این وسیله گرداننده رتور، توربین بخار است و چون توربین بخار جزء ماشین های تند گرد است بنابراین توربوژنراتور دارای قطب های صاف بوده و این ماشین توانائی ایجاد دورهای بسیاربالا را در قدرت های زیاد دارد امروزه اغلب توربوژنراتورها را دو قطبی می‌سازند چون با افزایش سرعت گردش کار توربین های بخار با صرفه تر و ارزان ترتمام می‌شود.

در آن وسیله گرداننده رتور توربین آبی است و چون توربین آبی دارای دور کم است بنابراین هیدروژنراتور دارای قطب برجسته بوده و دارای سرعت کم می‌باشد.

در قدرت های کوچگ و اظطراری وسیله گرداننده رتور دیزل است که در این موره هم قطب های رتور آن برجسته می‌باشد. 

 

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

رتور ژنراتور سنکرون در اصل یک آهنربای الکتریکی بزرگ است. قطب های مغناطیسی در رتور می‌تواند از نوع برجسته یا غیر برجسته باشد. کلمه برجسته و قطب برجسته، یک قطب مغناطیسی خارج شده از سطح رتور می‌باشد. ازطرف دیگر، یک قطب برجسته یک قطب مغناطیسی هم سطح با سطح رتور است. یک رتور غیر برجسته یا صاف معمولا برای موارد 2 یا 4 قطبی بکار می‌روند. در حالی که رتورهای برجسته برای 4 قطب یا بیشتر مورد استفاده هستند. چون در رتور میدان مغناطیسی متغیر است برای کاهش تلفات، آن را از لایه های نازک می‌سازند. به مدار میدان در رتور باید جریان ثابتی اعمال شود، چون رتور می‌چرخد، نیاز به آرایش خاصی برای رساندن توان DC به سیم پیچ های میدانش دارد.

برای انجام این کار 2 روش موجود است:

1) تهیه توان DC از یک منبع بیرونی به رتور با رینگ های لغزان و جاروبک.

2) فراهم نمودن توان DC از یک منبع توان DC که مستقیما" روی شفت ژنراتورهای سنکرون نصب می‌شود.

بطور کلی عبارت سیم پیچ ها ی میدان به سیم پیچ هایی گفته می‌شود که میدان مغناطیسی اصلی را در ماشین تولید می‌کند. عبارت سیم پیچ های آرمیچر به سیم پیچ هایی اطلاق می‌شود که ولتاژ اصلی در آن القاء می‌شود. برای ماشین های سنکرون، سیم پیچ های میدان در رتور است. در یک ماشین دو عبارت در توصیف سیم پیچ ها بسیار مورد استفاده است:

• یکی سیم پیچ های میدان
• سیم پیچ های آرمیچر

استاتور ژنراتور های سنکرون معمولا در دو لایه ساخته می‌شوند: خود سیم پیچ توزیع شده و گام های کوچک دارد تا مولفه های هارمونیک ولتاژ ها و جریان های خروجی را کاهش دهد. چون رتور باسرعتی برابر با سرعت میدان مغناطیسی می‌چرخد، توان الکتریکی با فرکانس 50 یا 60 هرتز تولید می‌شود و از ژنراتور بسته به تعداد قطب ها باید با سرعت ثابتی بچرخد مثلا" برای تولید توان 60هرتز در یک ماشین دو قطب رتور باید با سرعت 3600 دور در دقیقه بچرخد. برای تولید توان 50هرتز در یک ماشین 4 قطب، رتور باید با سرعت 1500 دور دردقیقه دوران کند.

ولتاژ القایی در استاتور به شار در ماشین، فرکانس یا سرعت چرخش، و ساختمان ماشین بستگی دارد. ولتاژ تولیدی داخلی مستقیما" متناسب با شار و سرعت است ولی خود شار به جریان جاری در مدار میدان رتور بستگی دارد. ولتاژ درونی برابر ولتاژ خروجی نیست چندین فاکتور، عامل اختلاف بین این دو هست:

اعوجاج موجود در میدان مغناطیسی فاصله هوا به علت جریان جاری در استاتور که به آن عکس العمل آرمیچر می‌گویند.

• خود القایی بوبین های آرمیچر
• مقاومت بوبین های آرمیچر

 تاثیر شکل قطب ها ی برجسته رتوروقتی یک ژنراتور کار می‌کند و بار های سیستم را تغذیه می‌کند آنگاه  توان مستقیم و رآکتیو تولیدی بوسیله ژنراتور برابر با مقدار توان تقاضا شده بوسیله بار متصل شده به آن است.

نقاط تنظیم گاورنر ژنراتور، فرکانس کار سیستم قدرت را کنترل می‌نماید. جریان میدان  (یانقاط تنظیم رگولاتور میدان) ولتاژ پایانه سیستم قدرت را کنترل می‌نماید.

این وضعیتی است که در ژنراتورهای جدا و به فواصل دور از هم وجود دارد. مولد های AC یا آلترناتورها درست مثل مولدهای DC براساس القاء الکترومغناطیس کار می‌کنند، آنها نیز شامل یک سیم پیچ آرمیچر و یک میدان مغناطیسی هستند اما یک اختلاف مهم بین این دو وجود دارد، در حالی که در ژنراتورهای DC آرمیچر چرخیده می‌شود و سیستم میدان ثابت است در آلترناتورها آرایش عکس وجود دارد. آلترناتورها یک ژنراتور ساده بدون کموتاتور، یک جریان الکتریکی متناوب تولید می‌کنند، چنین جریان متناوبی مزیت زیادی دارد برای انتقال توان الکتریکی و از این رو بیشتر ژنراتورهای الکتریکی بزرگ از نوع AC هستند.

ژنراتور AC در دو حالت خاص با ژنراتور DC فرق می‌کند. پایانه های سیم پیچ آرمیچرش بیرون هستند. برای حلقه های لغزان جزئی شده ی جامد روی شفت (میله) ژنراتور به جای کموتاتور و سیم پیچ های میدان توسط یک منبع DC خارجی تغذیه انرژی می‌شود تااینکه توسط خود ژنراتور این کار انجام شود.

ژنراتور ها ی AC سرعت پایینی با تعداد زیادی قطب در حدود 100 قطب ساخته می‌شوند. هم برای بهبود بازه شان و هم برای دست یافتن به فرکانس دلخواه به آسانی. آلترناتورها با توربین های سرعت بالا راه اندازی می‌شوند. فرکانس جریان گرفته شده توسط ژنراتور AC مساوی است با نیمی‌از تعداد قطبها و تعداد چرخش آرمیچر در ثانیه.بخاطر احتمال جرقه زنی بین جاروبک ها و حلقه های لغزان و خطر شکستهای مکانیکی که ممکن است سبب اتصال کوتاه شود.

ها به یک سیم پیچ ساکن که بدور یک رتور می‌چرخد و این رتور شامل تعدادی آهنربای مغناطیسی میدان هستند ساخته می‌شوند. اصل عملکرد آنها نیز دقیقا" مشابه عملکرد ژنراتورهای AC توصیف شده اند.

ژنراتور ها با ولتاژ بالا:شركت ABB اخیرا ژنراتوری با ولتاژ بالا ابداع كرده است. این ژنراتور بدون نیاز به ترانسفورماتور افزاینده بطور مستقیم به شبكه قدرت متصل می‌گردد. ایده جدید بكار گرفته شده در این طرح استفاده از كابل به عنوان سیم پیچ استاتور می‌باشد.

ژنراتور ولتاژ بالا برای هر كاربرد در نیروگاه های حرارتی و آبی مناسب می‌باشد. راندمان بالا، كاهش هزینه های تعمیر و نگهداری، تلفات كمتر، تأثیرات منفی كمتر بر محیط زیست  (با توجه به مواد بكار رفته) از مزایای این نوع ژنراتور می‌باشد. ژنراتور ولتاژ بالا در مقایسه با ژنراتورهای معمولی در ولتاژ بالا و جریان پائین كار می‌كند. ماكزیمم ولتاژ خروجی این ژنراتور با تكنولوژی كابل محدود می‌گردد كه در حال حاضر با توجه به تكنولوژی بالای ساخت كابل ها میتوان ولتاژ آنرا تا سطح 400 كیلو ولت طراحی نمود. هادی استفاده شده در ژنراتور ولتاژ بالا بصورت دوار می‌باشد در حالیكه در ژنراتورهای معمولی این هادی بصورت مثلثی می‌باشد در نتیجه میدان الكتریكی در ژنراتورهای ولتاژ بالا یكنواخت تر می‌باشد.