از ماشین‌های الکتریکی برای تبدیل انرژی مکانیکی به الکتریکی یا بالعکس استفاده می‌شود. برق به طور طبیعی به هیچ وجه قابل استفاده ای وجود ندارد. سلول‌ها باید از هر منبع انرژی دیگری مانند انرژی خورشیدی، باد، آبی، گرمایی، اتمی و غیره تولید شوند. سلول‌های فتوولتائیک به ما کمک می‌کنند تا انرژی حاصل از نور خورشید را به دام بیندازیم و از ژنراتورها برای تبدیل نیروی مکانیکی موجود به اشکال دیگر به برق استفاده می‌شود. نیروی مکانیکی را می‌توان از باد، آب روان و بخار با استفاده از توربین به دست آورد. از موتورها برای تبدیل مجدد برق به توان مکانیکی استفاده می‌شود. بنابراین، در مجموع ماشین‌های الکتریکی دستگاه هایی هستند که انرژی مکانیکی را به انرژی الکتریکی و بالعکس تبدیل می‌کنند.
ماشین‌های الکتریکی
بیایید با ترانسفورماتورها شروع کنیم تا بتوانید مفهوم اساسی القای الکترومغناطیسی را که در هر ماشین الکتریکی اتفاق می‌افتد، درک کنید. طبقه بندی ماشین‌های الکتریکی
اصولاً ماشین‌های الکتریکی در دو گروه دسته بندی می‌شوند:
ماشین‌های الکتریکی استاتیک – ترانسفورماتور
ماشین‌های الکتریکی چرخشی – که شامل موتورها (تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی مکانیکی) و ژنراتورها (تبدیل انرژی مکانیکی به انرژی الکتریکی) می‌شود.
ترانسفورماتور ها
هر دستگاه استاتیکی که بتواند جریان الکتریکی متناوب را از یک مدار به مدار دیگر با القای الکترو مغناطیسی منتقل کند، می‌تواند به عنوان یک ترانسفورماتور در نظر گرفته شود. ترانسفورماتورها برای تبدیل جریان متناوب از یک سطح ولتاژ به یک سطح ولتاژ دیگر استفاده می‌شوند.
انواع ترانسفورماتور: ترانسفورماتور قدرت
یک ترانسفورماتور اساسی شامل دو سیم پیچ است که با استفاده از یک هسته مغناطیسی کوپل می‌شوند. در مورد ترانسفورماتورهای سه فاز، دو مجموعه سیم پیچ در هر فاز وجود خواهد داشت. یک سری سیم پیچ به عنوان سیم پیچ اولیه و دیگری به سیم پیچ ثانویه معروف است. این دو سیم پیچ از یکدیگر عایق بندی شده و از طریق میدان مغناطیسی بهم پیوسته اند.
ولتاژ متناوب به سیم پیچ اولیه متصل می‌شود. هنگام اتصال، یک شار مغناطیسی متناوب در دامنه متناسب با مقدار ولتاژ اعمال شده، فرکانس و تعداد دور تولید می‌شود. این شار با سیم پیچ ثانویه پیوند خورده و ولتاژی متناسب با تعداد دورهای ثانویه را القا می‌کند. نسبت تعداد دورهای اولیه و دورهای ثانویه به عنوان نسبت دورهای ترانسفورماتور شناخته می‌شود. هر نسبت تبدیل ولتاژ امکان پذیر است و می‌توان با متناسب سازی مناسب تعداد پیچ های اولیه و ثانویه به دست آورد.
نسبت تبدیل ولتاژ توسط این رابطه به دست می آید:
اگر ولتاژ ثانویه بیشتر از ولتاژ اولیه باشد، ترانسفورماتور را ترانسفورماتور مرحله بالا (step-up) می‌نامند. اگر ولتاژ اولیه از ولتاژ ثانویه بیشتر باشد، ترانسفورماتور را ترانسفورماتور مرحله پایین (step down) می‌نامند.
به منظور اطمینان از اتصال موثر شار مغناطیسی، هسته (ساختاری که از سیم پیچ‌ها پشتیبانی می‌کند) از آلیاژ آهن یا فولاد بسیار نفوذ پذیر تشکیل شده است. ترانسفورماتورها در اندازه‌ها، فرم‌ها و ساختارهای مختلفی در دسترس هستند اما اصول کلی در همه این انواع یکسان است.
برق در ایستگاه تولید در ولتاژ متوسط (6.6kV ، 11kV ، 33kV) تولید می‌شود. به منظور به حداقل رساندن تلفات انتقال، ولتاژ تولید شده به ولتاژهای بالاتر افزایش می‌یابد. اینجا جایی است که از ترانسفورماتورهای مرحله ای استفاده می‌شود. ترانسفورماتور گام به پایین برای کاهش ولتاژ منتقل شده در نزدیکی مراکز بار استفاده می‌شود. این امر ترانسفورماتور را به مهم ترین ماشین الکتریکی تبدیل می‌کند.
ماشین‌های الکتریکی چرخشی
ماشین‌های الکتریکی چرخشی برای تبدیل انرژی مکانیکی به انرژی الکتریکی یا برعکس استفاده می‌شوند. سه نوع اساسی از ماشین‌های الکتریکی چرخشی وجود دارد.
- ماشین‌های الکتریکی DC – موتورهای DC و ژنراتورهای DC
- ماشین‌های سنکرون – دینام‌ها و موتورهای هم زمان
- موتورهای القایی یا ماشین‌های غیر سنکرون
همه ماشین‌های الکتریکی چرخشی دارای دو قسمت اساسی مشترک هستند. اولین مورد قسمت چرخشی است که به روتور معروف است و دوم قسمت ساکن استاتور است. این قطعات از مواد مغناطیسی بسیار نفوذ پذیر مانند فولاد سیلیکون ساخته شده اند. اجازه دهید به جزئیات هر یک از آن‌ها بپردازیم.
ماشین‌های DC
ماشین‌های DC در اندازه‌ها و اشکال مختلف از موتورهای استپر کوچک در چاپگرها گرفته تا موتورهای بزرگ کششی موجود هستند. یک ماشین DC شامل سیم پیچ میدان در استاتور و آرماتور در روتور است.
همان‌طور که می‌دانید تبدیل الکترومغناطیسی نیاز به حرکت نسبی بین میدان و سیم پیچ آرماتور دارد. برای دستیابی به حرکت نسبی بین استاتور و روتور، آرماتور با استفاده از یک محرک اصلی (توربین یا موتور) در خارج چرخانده می‌شود. هنگامی که آرماتور از پشت قطب‌های میدان تحریک شده چرخانده می‌شود و EMF در آرماتور القا می‌شود.
EMF ناشی از ماهیت متناوب است. به منظور تبدیل آن به DC، دو انتهای آرماتور به کموتاتور متصل می‌شوند. کموتاتورها میله‌های فلزی نصب شده در شافت ماشین آلات و متصل به سیم پیچ آرماتور هستند که جهت جریان را در هر نیمه چرخش تغییر می‌دهند. کموتاتور به چندین بخش تقسیم شده و هر بخش از یکدیگر عایق بندی شده است. از برس های کربنی برای جمع آوری جریان از کموتاتور استفاده می‌شود.
در ماشین‌های DC برای تبدیل ولتاژ متناوب القایی به ولتاژ مستقیم ، آرماتور همیشه در روتور می‌ماند. آرماتور از چندین اسلات تشکیل شده است و بر روی شافت سوار شده است که بر روی یاتاقان پشتیبانی می‌شود. موتورهای DC و ژنراتورهای DC طراحی مشابهی دارند. به طور کلی یک موتور می‌تواند به عنوان ژنراتور و بالعکس استفاده شود. بر اساس اتصالات سیم پیچ استاتور و روتور ، یک ماشین DC را می‌توان به صورت زیر طبقه بندی کرد:
- ماشین DC که جداگانه برانگیخته شده
- ماشین DC که به صورت خود به خود برانگیخته شده
ماشین DC که جداگانه برانگیخته شده
در این نوع ماشین، سیم پیچ آرماتور و میدانی جداگانه تحریک می‌شوند. سیم پیچ میدان را می‌توان با یک آهنربا دائمی نیز جایگزین کرد.
ماشین DC که به صورت خود به خود برانگیخته شده
سیم پیچ آرماتور و میدانی موتور خود برانگیخته از همان منبع تغذیه هیجان زده می‌شوند. اتصالات زیر امکان پذیر است.
اتصال شنت – آرماتور و میدان به طور موازی به هم متصل می‌شوند.
اتصال سری – آرماتور و میدان به صورت سری وصل می‌شوند.
اتصال مرکب
موتورهای DC
ویژگی‌های ساختاری موتورهای DC همان ویژگی‌های ژنراتورها است. آن‌ها بر روی خاصیت جاذبه بین قطب‌های مغناطیسی و دافعه بین قطب‌های مغناطیسی کار می‌کنند. با تنظیم ولتاژ میدان و آرماتور می‌توان سرعت موتور DC را کنترل کرد. همچنین، انواع مختلف روش‌های تحریک، موتورهای DC را چند منظوره تر می‌کند.
