میدان مغناطیسی متقاطع (Cross-Magnetization) پدیده‌ای است که در ژنراتور ها، به‌ویژه ژنراتور های سنکرون، زمانی رخ می‌دهد که جریان بار در سیم‌پیچ‌های استاتور باعث تولید یک میدان مغناطیسی شود که با میدان اصلی تولید شده توسط روتور زاویه دارد. این زاویه معمولاً ۹۰ درجه است، به همین دلیل به آن متقاطع یا عرضی گفته می‌شود.
به زبان ساده‌تر، میدان مغناطیسی متقاطع همان تداخل مغناطیسی است که بین میدان اصلی روتور و میدان القایی بار در استاتور رخ می‌دهد و می‌تواند بر توزیع شار مغناطیسی در ماشین الکتریکی اثر منفی بگذارد.
آنچه خواهید خواند
منشأ ایجاد میدان مغناطیسی متقاطع در ژنراتورها
در یک ژنراتور سنکرون، روتور معمولاً شامل سیم‌پیچی تحریک است که با اعمال جریان DC، یک میدان مغناطیسی ثابت ایجاد می‌کند. این میدان به‌واسطه‌ی دوران روتور، در سیم‌پیچ استاتور ولتاژ القا می‌کند. هنگامی که ژنراتور به بار متصل می‌شود، جریان بار در استاتور باعث تولید میدان مغناطیسی ثانویه‌ای می‌شود. اما چون این میدان در راستای محور q (عمود بر محور d که میدان اصلی روی آن قرار دارد) ایجاد می‌شود، یک تداخل زاویه‌دار با میدان اصلی روتور شکل می‌گیرد. این تداخل همان میدان مغناطیسی متقاطع است. این پدیده در ژنراتور های با بارهای نامتعادل، القایی یا با ضریب توان پایین (lagging power factor) بسیار شدیدتر دیده می‌شود.عملکرد روتور ژنراتور تحت تأثیر میدان متقاطع
میدان متقاطع باعث تغییر توزیع شار مغناطیسی در هسته ماشین می‌شود. وقتی این شار متقاطع با شار اصلی ترکیب می‌شود، ممکن است به یکی از دو صورت عمل کند:- در بار با ضریب توان پس‌فاز (lagging): شار متقاطع باعث تضعیف میدان اصلی می‌شود. این حالت رایج‌تر است و باعث افت ولتاژ خروجی ژنراتور می‌گردد.
- در بار با ضریب توان پیش‌فاز (leading): میدان متقاطع ممکن است به تقویت میدان اصلی کمک کند، اما می‌تواند باعث اشباع مغناطیسی در برخی بخش‌های هسته شود.
لینک های مفید:
تولید کننده ژنراتور
تأثیر میدان مغناطیسی متقاطع بر راندمان ژنراتور
میدان متقاطع یکی از عوامل مهم کاهش راندمان ژنراتور ها به ویژه در بارهای صنعتی است. آثار این پدیده شامل:- افزایش تلفات هیسترزیس و فوکو در هسته استاتور و روتور
- افزایش جریان تحریک برای حفظ سطح ولتاژ
- افزایش گرمای تولیدی در سیم‌پیچ‌ها و هسته
- کاهش پایداری دینامیکی و تنظیم ولتاژ
راهکارهای کاهش اثر منفی میدان مغناطیسی متقاطع
مهندسان و طراحان سیستم‌های تولید برق راهکارهای مختلفی برای کاهش تأثیر منفی میدان مغناطیسی متقاطع اتخاذ کرده‌اند. برخی از این راهکارها عبارت‌اند از:- افزایش راکتانس محور q در طراحی ماشین برای کاهش اثر متقاطع
- استفاده از کنترل‌کننده‌های ولتاژ دیجیتال (AVR) برای تنظیم سریع ولتاژ خروجی
- طراحی سیم‌پیچ‌ها با زاویه مناسب برای کاهش کوپل متقاطع
- استفاده از فیلترهای هارمونیکی برای کاهش جریان‌های القایی مخرب
- تنظیم صحیح ضریب توان بار و استفاده از بانک‌های خازنی برای بهبود Power Factor
مقایسه عملکرد ژنراتورهای دیزلی با و بدون کنترل میدان متقاطع
ژنراتور های دیزلی معمولاً برای تأمین برق در شرایط اضطراری یا صنعتی به کار می‌روند. در این ژنراتور ها:- بدون کنترل میدان متقاطع: با افزایش بار، ولتاژ خروجی افت می‌کند، تنظیم ولتاژ ضعیف می‌شود و ماشین تحت فشار مکانیکی و الکتریکی قرار می‌گیرد.
- با کنترل میدان متقاطع (مثلاً با AVR یا سنسورهای هوشمند میدان): ولتاژ خروجی پایدارتر است، توان راکتیو بهتر کنترل می‌شود، و راندمان کلی سیستم بالا می‌رود.
لینک های مفید:
قطعات یدکی پرکینز
بررسی نمودار شار مغناطیسی در حضور میدان متقاطع
در نمودار شار مغناطیسی (flux distribution diagram)، وقتی بار به ژنراتور متصل نیست، شار کاملاً در راستای محور d قرار دارد. اما با افزایش جریان بار و در حضور میدان متقاطع، نمودار شار از محور اصلی منحرف می‌شود و به سمت محور q میل می‌کند. این تغییر زاویه باعث:- غیر یکنواختی در توزیع شار
- اشباع موضعی در بخش‌هایی از هسته
- افزایش تلفات مغناطیسی
میدان متقاطع چگونه در ژنراتور های سنکرون ایجاد می‌شود؟
میدان متقاطع زمانی ایجاد می‌شود که جریان بار در استاتور ژنراتور، یک میدان مغناطیسی تولید کند که نسبت به میدان اصلی روتور زاویه داشته باشد. این میدان از طریق سیم‌پیچ‌های استاتور و در واکنش به بار الکتریکی ایجاد می‌شود و معمولاً عمود بر میدان تحریک است.
چرا میدان مغناطیسی متقاطع باعث کاهش ولتاژ خروجی می‌شود؟
در بارهای با ضریب توان پس‌فاز (مصرف‌کننده‌های القایی)، میدان متقاطع با میدان اصلی مخالفت می‌کند و باعث کاهش شار مؤثر در سیم‌پیچ‌ها می‌شود. در نتیجه، ولتاژ القا شده در استاتور کاهش می‌یابد. این افت ولتاژ گاهی تا ۱۰٪ یا بیشتر می‌تواند باشد و در کاربردهای حساس، کاملاً مشکل‌ساز است.
