آلترناتور چیست و چه تفاوتی با دینام و ژنراتور دارد؟

آلترناتور (Alternator) دستگاهی است که انرژی مکانیکی را به انرژی الکتریکی از نوع جریان متناوب (AC) تبدیل می‌کند. این انرژی الکتریکی در یک ولتاژ و فرکانس خاص ایجاد می‌شود. آلترناتور با عنوان ژنراتور سنکرون نیز شناخته می‌شوند. این دستگاه جهت تولید برق در خودروهای مدرن، لوکوموتیوهای دیزلی – الکتریکی و نیروگاه‌ها کاربرد دارد. انواع آلترناتور عبارتند از الترناتور قطب برجسته و الترناتور استوانه‌ ای که می‌توانند در دو نوعِ جاروبک دار و بدون جاروبک تولید شود. قبلاً بجای Alternator از ژنراتورهای DC یا دینام استفاده می‌شد. فرق آلترناتور با دینام این است که alternator نسبت به دینام قوی‌تر و سبک‌تر است. سیستم الکتریکی وسایل نقلیه موتوری به جریان مستقیم نیاز دارد، نه جریان متناوب؛ از این رو، از Alternator در کنار یکسو ساز دیود برای تبدیل جریان از AC به DC استفاده می‌شود. علیرغم این نیاز، برای تبدیل جریان از AC به DC آلتر ناتورها همچنان استفاده می‌شوند؛ زیرا کموتاسیون پیچیده موجود در ژنراتور DC را ندارند.

آلترناتور چیست؟

موتورها فقط انرژی مکانیکی را تامین می‌کنند؛ الکتریسیته تولید نمی‌کنند؛ بنابراین، ما به منبعی نیاز داریم که برق تولید کند و انرژی دستگاه‌ها و لوازم الکتریکی مان را تامین کند. اینجاست که آلترناتورها وارد کار می‌شوند. به عنوان مثال، سیستم شارژ خودرو از باتری خودرو، تنظیم کننده ولتاژ و آلترناتور (دینام در خودروهای قدیمی) تشکیل شده است. الترناتور انرژی مکانیکی را با جریان متناوب به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند. در این دستگاه، استاتور و روتور وجود دارد. استاتور و روتور موجود در داخل alternator به عنوان آهنربا عمل می‌کنند و برای تولید جریان متناوب می‌چرخند. به این ترتیب، برق تولید می‌شود؛ آن هم از نوعِ AC.

تفاوت آلترناتور با دینام

• آلترناتور: جریان متناوب (AC) تولید می‌کند و کارآمدتر است. معمولاً در خودروهای مدرن استفاده می‌شود.
• دینام: جریان مستقیم (DC) تولید می‌کند و در طراحی‌های قدیمی‌تر خودروها به کار می‌رفت.

کاربرد آلترناتور چیست؟

1. تولید برق AC.
2. استفاده در لوکوموتیوهای دیزلی-الکتریکی.
3. استفاده در محیط های دریایی؛ مثلا نیروگاه‌های دریایی، کشتی‌ها.
4. آلترناتور خودرو که در خودروهای مدرن استفاده می‌شود و نیرو را برای سیستم‌های الکتریکی وسایل نقلیه مدرن تولید و فراهم می‌آورد.
5. آلترناتور رادیویی که برای انتقال فرکانس رادیویی با باند پایین کاربرد دارد.

تولید برق AC

ژنراتور سنکرون (آلترناتورها) برای تولید برق AC عمده در نیروگاه های مختلف، از جمله حرارتی، برق آبی و هسته‌ای که در آن انرژی مکانیکی را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کنند، بسیار مهم هستند. برای برخی موتورهای الکتریکی مثل الکتروموتورهای AC که با جریان متناوب کار می‌کنند، وجود برق AC لازم و ضروری است؛ خواه این موتورها از نوع الکتروموتور تک فاز باشد خواه از نوع سه فاز.

یکی دیگر از کاربردهای Alternator، استفاده در لوکوموتیوهای دیزلی-الکتریکی است. در واقع موتور این لوکوموتیوها چیزی جز آلترناتور نیست! آلترنالتور این لوکوموتیوها توسط موتور دیزلی به حرکت در می‌آید. در این لوکوموتیوهای دیزلی، یک جریان متناوب توسط alternator تولید می‌شود. سپس جریان متناوب توسط یکسو کننده‌های دیود سیلیکونی یکپارچه به جریان DC تبدیل می‌شود و به موتورهای انقباضی DC می‌رود. این موتورهای کششی/ انقباضی DC چرخ لوکوموتیو را به حرکت در می‌آورند.

 کاربرد آلترناتور در محیط های دریایی

ژنراتور سنکرون در محیط های دریایی که به طور خاص برای مقاومت در برابر شرایط خورنده آب شور طراحی شده‌اند استفاده می‌شود. قدرت خروجی معمولی آلترناتورهای دریایی حدود 12 یا 24 ولت است. انرژی که توسط آلترناتور تولید می‌شود، ابتدا یکسو می‌شود. سپس از این انرژی برای شارژ باتری استارت موتور و باتری تامین کمکی دریایی استفاده می‌شود.

انواع آلترناتور

دو نوع اصلی آلترناتور وجود دارد:

1. نوع قطب برجسته (Salient Pole Type)
2. نوع استوانه ای صاف (Smooth Cylindrical Type)

1- آلتر ناتور قطب برجسته

از آلترناتورهای قطب برجسته به عنوان آلترناتور سرعت کم و متوسط ​​استفاده می‌کنیم. این محصول، دارای تعداد زیادی قطب بیرون زده است که هسته‌های آن‌ها بر روی یک چرخ مغناطیسی سنگین از چدن یا فولاد با کیفیت مغناطیسی خوب بسته شده است. ویژگی آلتر ناتور قطب برجسته، قطر زیاد و طول محوری کوتاه است. این دو ویژگی، راهی برای شناسایی و تشخیص آن‎‌هاست. این دستگاه شبیه یک چرخ بزرگ هستند. از این محصولات عمدتاً برای توربین‌های کم سرعت استفاده می‌شود.

2- آلترناتور استوانه ای صاف

در آلتر ناتورهای استوانه ای، روتور با سرعت بسیار بالایی می‌چرخد. روتور از یک استوانه فولادی صلب و صاف تشکیل شده است که تعداد معینی شکاف در فواصل زمانی در امتداد محیط بیرونی برای قرار دادن سیم پیچ‌های میدان آسیاب شده است. این روتورها بیشتر برای توربو ژنراتورهای 2 قطبی یا 4 قطبی با سرعت 36000 دور در دقیقه یا 1800 دور در دقیقه طراحی شده‌اند. از آلترناتورهای استوانه ای برای دینام توربین بخار استفاده می‌شود.

هر یک از انواع آلترناتور که در بالا بیان شد، بر اساس منبع تغذیه و همچنین داشتن یا نداشتن برس (جاروبک) نیز طبقه بندی می‌شوند. این طبقه بندی در ادامه بیان شده است.

انواع آلتر ناتور بر اساس جاروبک

• الترناتور جاروبک (برس دار).
• الترناتور بدون جاروبک.

الترناتورهای برس دار دستگاه های خوب و مفیدی هستند. با این حال، نیاز به نگهداری زیادی دارند. زیرا در این دستگاه‌ها، چندین قسمت متحرک وجود دارد که با هم کار می‌کنند. اگر یکی از قطعات فرسوده و خراب شود می‌تواند سایر بخش‌های الترناتور را تحت تأثیر قرار دهد.

نوع دیگر الترناتورها، بدون جاروبک هستند. به دلیل آنکه جاروبک ندارند، نیازی به تعویض قطعه (جاروبک) نیست و بنابراین، اقتصادی است. در alternatorهای بدون جاروبک، دو مجموعه روتور با هم می چرخند تا جریان الکتریکی را تولید کرده و انتقال دهند. در این الترناتورها، به جای جاروبک، ژنراتور دوم و کوچکی در انتهای دستگاه تعبیه می شود. این ژنراتور برای انتقال هر نوع جریان الکتریکی استفاده می‌شود. alternatorهای بدون جاروبک که در نیروگاه‌های تولید برق به عنوان منبع اصلی برق مورد استفاده قرار می‌گیرند.

انواع آلترناتور بر اساس منبع تغذیه

ژنراتورهای سنکرون، خواه قطب برجسته باشند یا استوانه‌ای و خواه برس‌دار باشند یا بدون برس، می‌توانند با منبع تغذیه تک فاز، دو فاز و سه فاز کار کنند. به این ترتیب به انوع زیر طبقه بندی می‌شوند.

• alternator تک فاز: از منبع تغذیه تک فاز استفاده می‌کند و به طور مداوم یک ولتاژ متناوب تولید می‌کند.
• alternator دو فاز: در این دستگاه‌ها، سیم پیچ حداکثر شار را در ربع اول ایجاد می‌کند، سپس سیم پیچ دوم شار صفر و حداکثر شار را تولید می‌کند. سیم پیچ اول شار صفر را در ربع دوم ایجاد می‌کند.
• alternator سه فاز: در این ژنراتور سنکرون، هر ولتاژ سیم پیچ از یک مرحله، و ولتاژ از دو سیم پیچ دیگر، 120 درجه است. سیم پیچ‌ها به یک خروجی 3 فاز در داخل ستاره متصل می‌شوند.

مزایای ژنراتورهای سنکرون

• تولید جریان الکتریکی پایدار و کارآمد.
• قابلیت تنظیم ولتاژ خروجی.
• عمر طولانی و هزینه نگهداری کم.

تفاوت آلترناتور با ژنراتور

ژنراتوردستگاهی است که نیروی مکانیکی را به سوخت یا برق تبدیل می‌کند. این دستگاه، یک سیم پیچ مستطیلی گردان دارد که در میدان مغناطیسی حول محور خود می‌چرخد. دو حلقه لغزنده به انتهای سیم پیچ متصل می‌شوند. حلقه لغزش جریان القایی سیم پیچ را جذب می‌کند و آن را به مقاومت بار خارجی R منتقل می‌کند. سیم پیچ دوار به عنوان آرمیچر مسی شناخته می‌شود.

اما آیا آلترناتور و ژنراتور یکی هستند؟!

• آلترناتور دستگاهی است که الکتریسیته مکانیکی را از محرک اولیه به برق AC تبدیل می‌کند، در حالی که ژنراتور انرژی مکانیکی موتور اصلی را به برق AC یا DC تبدیل می‌کند.
• آلترناتور دارای میدان مغناطیسی دوار است. اما ژنراتور هم میدان مغناطیسی دوار (برای تولید ولتاژ بالا) و هم میدان مغناطیسی ثابت (برای تولید ولتاژ پایین) دارد.
• در alternator ورودی توسط استاتور تامین می‌شود اما در generator توسط روتور تامین می‌گردد.
• آرمیچر alternatorها ثابت است اما آرمیچر ژنراتور می‌چرخد.
• ولتاژ خروجی alternator متغیر اما ولتاژ خروجی generator ثابت است.
• آلترناتور نمی‌تواند باتری را که کاملاً از بین رفته است شارژ کند، اما ژنراتور می‌تواند.
• خروجی آلترناتور قدرتمندتر از خروجی ژنراتور است.

با توضیحات بالا، مشخص می‌شود که alternator ژنراتور نیست و این دو با هم فرق دارند.

تاریخچه آلتر ناتور

مفهوم اولیه دینام توسط مایکل فارادی و هیپولیت پیکسی معرفی شد. طراحی فارادی دارای یک هادی چرخان در یک میدان مغناطیسی برای تولید جریان متناوب بود.

در سال 1886،J.E.H. گوردون نخستین نمونه اولیه دینام را به صورت عملی توسعه داد. پس از آن، لرد کلوین و سباستین فرانتی یک ژنراتور سنکرون ایجاد کردند که قادر به تولید 100 تا 300 هرتز بود. نیکولا تسلا در سال 1891، یک ژنراتور تجاری 15 کیلوهرتز طراحی کرد. پس از این سال، آلترناتورهای چند فازی تولید وارد بازار شدند که قادر هستند جریان را به فازهای متعدد (چند گانه) منتقل کنند.