در این مقاله به بررسی جامع تلفات مغناطیسی و تلفات سیمی در ژنراتور، روش‌های شناسایی، اندازه‌گیری و کاهش آنها خواهیم پرداخت.
تلفات مغناطیسی و تلفات سیمی در ژنراتور چیست؟ ژنراتورها به عنوان قلب تولید انرژی الکتریکی در سیستمهای قدرت، نقش مهمی در تبدیل انرژی مکانیکی به الکتریکی دارند. بهره وری و عملکرد بهینه این دستگاه‌ها رابطه مستقیمی با میزان تلفات داخلی‌شان دارد. تلفات می‌توانند موجب کاهش راندمان، افزایش گرما و کاهش عمر مفید اجزا شوند.
در ادامه این مطلب به بررسی جامع تلفات مغناطیسی و تلفات سیمی در ژنراتور، روش‌های شناسایی، اندازه‌گیری و کاهش آنها خواهیم پرداخت.
آنچه خواهید خواند
آشنایی با انواع تلفات در ژنراتور
قبل از آشنایی با تلفات مغناطیسی و تلفات سیمی در ژنراتور بهتر است بدانیم که ژنراتورها در حین عملکرد دچار تلفات مختلفی میشوند که به دو دسته فعال (Active losses) و راکتیو (Reactive losses) تقسیم میشوند. تلفات اصلی شامل:
- تلفات مغناطیسی (Core losses)
- تلفات سیمی یا اهمی (Copper losses / Ohmic losses)
- تلفات مکانیکی (Mechanical losses) از جمله اصطکاک و بادگیرها
تفاوت بین تلفات فعال و راکتیو
تلفات فعال، انرژی واقعی مصرف شده به صورت حرارت و صدا است که به صورت مستقیم بر راندمان تأثیر می‌گذارد. تلفات راکتیو مربوط به انرژیهای ذخیره شده در فیلدهای مغناطیسی یا الکتریکی است که دائماً بین منابع و بار در حال نوسان هستند و به صورت مستقیم تبدیل به توان مفید نمی‌شوند.
تلفات مغناطیسی (Magnetic/Core Losses)
تلفات مغناطیسی در اثر تغییر مکرر شار مغناطیسی در هسته فولادی رخ می‌دهند و به دو دسته اصلی تقسیم میشوند:
- تلفات هیسترزیس: این تلفات مربوط به مقاومت هسته در برابر تغییر جهت میدان مغناطیسی است. هر بار که جهت شار تغییر می‌کند، یک مقدار انرژی مصرف می‌شود که به حرارت تبدیل می‌گردد. میزان تلفات هیسترزیس با فرکانس و شدت میدان مغناطیسی رابطه مستقیم داشته و به جنس هسته هم بستگی دارد. استفاده از ورق‌های فولادی سیلیکونی و سایر مواد با خاصیت مغناطیسی بهبود یافته می‌تواند این تلفات را کاهش دهد.
- تلفات فوکو (Eddy current losses): این تلفات ناشی از جریان‌های گردابی است که در داخل هسته فولادی القا میشوند. جریان‌های فوکو باعث ایجاد گرما و کاهش راندمان می‌گردند. برای کاهش این تلفات، هسته‌ها به ورق‌های نازک لمینیت شده تقسیم بندی میشوند تا مسیر جریان‌های گردابی محدود و کاهش یابد.
تلفات سیمی (Copper Losses / Ohmic Losses)
تلفات سیمی ناشی از مقاومت الکتریکی هادی‌ها در سیم پیچی‌ها است. هنگامی که جریان عبور می‌کند، بخشی از انرژی به شکل حرارت تلف می‌شود که متناسب با مربع جریان و مقاومت اهمی سیم‌ها است (I²R). افزایش دما مقاومت را بالا برده و به تبع آن تلفات سیمی افزایش می‌یابد. جنس هادی (مس یا آلومینیوم)، قطر، طول و کیفیت عایق بندی بر تلفات اهمی تأثیرگذار هستند.
مقایسه و تحلیل تلفات در ژنراتور سنکرون و آسنکرون
ژنراتورهای سنکرون معمولاً دارای تلفات مغناطیسی بیشتری به دلیل وجود هسته‌ای از جنس فولاد لمینت شده و میدان تحریک DC هستند ولی به خاطر کنترل دقیق‌تر ولتاژ و فاز، تلفات سیمی معمولاً در ژنراتورهای سنکرون پایین‌تر است.
ژنراتورهای آسنکرون نیز تلفات سیمی و اصطکاک بیشتری دارند و به دلیل ماهیت کارکردشان، تلفات الکتریکی و حرارتی آنها معمولاً از ژنراتورهای سنکرون بیشتر است. در هر دو نوع در ژنراتور، با توجه به کاربرد و طراحی، ترکیب میزان تلفات متفاوت است که باید در طراحی و بهره برداری مد نظر قرار گیرد.
روش‌های کاهش تلفات
از مهمترین روش‌های کاهش تلفات مغناطیسی و تلفات سیمی در ژنراتور می‌توان به این موارد اشاره کرد:
- به کارگیری مواد هسته‌ای با خاصیت مغناطیسی بهتر و ضخامت ورق کمتر برای کاهش تلفات هیسترزیس و فوکو
- استفاده از سیم‌هایی با مقاومت پایین و عایق بندی مقاوم به حرارت جهت کاهش تلفات اهمی
- طراحی مناسب سیم پیچی با بهینه سازی تعداد دور و سطح مقطع هادی
- بهبود سیستمهای خنک کننده جهت کنترل دما
- کاهش اصطکاک و نویز با بهینه سازی اجزای مکانیکی
- استفاده از سیستمهای کنترلی پیشرفته برای بهینه سازی بار و کاهش بار اضافی
روش‌های اندازه‌گیری تلفات
مهمترین روش‌های اندازه‌گیری تلفات مغناطیسی و تلفات سیمی در ژنراتور عبارتند از:
- تست No-load (بدون بار) و روش تخمین تلفات هسته: در این تست، ژنراتور با سرعت نامی ولی بدون بار خارجی راه‌اندازی می‌شود تا تلفات هسته و مکانیکی اندازه‌گیری شود.
- تست بار کامل برای محاسبه تلفات سیمی: برای محاسبه تلفات سیمی، ژنراتور تحت بار کامل قرار می‌گیرد و توان الکتریکی ورودی و خروجی اندازه‌گیری می‌شود. اختلاف این توان بیانگر مجموع تلفات است که با کم کردن تلفات هسته، تلفات سیمی قابل محاسبه است.
- تحلیل هارمونیکی برای شناسایی تلفات اضافی: با تحلیل هارمونیک‌های جریان و ولتاژ می‌توان تلفات اضافی ناشی از بار نامتوازن، نویزها و سایر عوامل را تشخیص داد و برای کاهش آنها اقدام نمود.
نتیجه‌گیری
تلفات مغناطیسی و تلفات سیمی در ژنراتور از عوامل حیاتی کاهش دهنده راندمان و عامل افزایش حرارت و استهلاک در ژنراتورها محسوب میشوند. شناخت دقیق این تلفات، تفکیک آنها و به کارگیری روش‌های اندازه‌گیری و کنترل مناسب، راهکاری کلیدی در افزایش عمر مفید و بهبود عملکرد ماشین‌های الکتریکی است.
با پیشرفت‌های مواد و روش‌های طراحی، می‌توان تلفات را به حداقل رساند و بهره‌وری سیستمهای تولید انرژی را به طور چشمگیری افزایش داد. امید است این بررسی راهنمایی مفید برای مهندسان، دست اندرکاران تعمیر و بهره‌برداری ژنراتورها باشد تا با شناسایی دقیق تلفات، بهینه سازی‌های لازم را انجام داده و عملکرد سیستم‌ها را در سطح بالاتری حفظ کنند.
