ژنراتور خودگردان

 مجموعه موتور ژنراتور (MG) «انرژی آزاد» تولید نمی‌کند - انرژی جنبشی را به سادگی در یک چرخ دوار (flywheel) سریع ذخیره می‌کند. این دستگاه مانند یک UPS مکانیکی یا تهویۀ برق عمل می کند و باعث می‌شود ژنراتور در زمان وقفه‌های کوتاه مدت منبع تغذیه به کار خود ادامه دهد.

در یک مجموعه معمولی MG ، نیروی الکتریکی به سیم‌پیچ موتور اعمال می‌شود که باعث می‌شود محور خروجی موتور بچرخد. این شفت به صورت مکانیکی به محور محرک (ورودی) روی ژنراتور، که در سیم‌پیچ‌های خروجی آن ولتاژ تولید می‌کند ، متصل می‌شود تا برق تأمین کند در حالی که ولتاژ ورودی به موتور اغلب مشابه ولتاژ خروجی از ژنراتور است، اما به راحتی می توانند متفاوت باشند (به عنوان مثال ، یک موتور 3 فاز 480V ، متصل به ژنراتور 3 فاز  v120/208).

به طور کلی یک چرخ بزرگ (نسبتاً سنگین) روی شفت وجود دارد که موتور و ژنراتور را به هم متصل می‌کند ، به طوری که هنگام چرخش محور ، انرژی مکانیکی به دلیل اینرسی چرخشی در چرخ دوار ذخیره می‌شود ، این بدان معناست که اگر برق قطع شود، سیم پیچ موتور ، اینرسی چرخشی  flywheel همچنان شفت ورودی ژنراتور را برای مدت کوتاهی در حال چرخش نگه می‌دارد (که باعث می‌شود ژنراتور همچنان ولتاژ خروجی را برای تأمین برق تولید کند)، تا زمانی که به تدریج متوقف شود. این برق توسط موتور هنگام بالا آوردن سرعت flywheel، از طریق انرژی الکتریکی اضافی‌ که موتور برای چرخش چرخ فلزی با اینرسی زیاد نیاز دارد، تأمین می‌شود.

مثال عملی

یک موتور و یک ژنراتور با قدرت یکسان (هر کدام 1 کیلو وات) را در نظر بگیرید. هدف شما این است که از موتور با گشتاور خروجی ثابت برای زمان دلخواه استفاده کنید. در ابتدا، اجازه دهید موتور با سرعت و قدرت نامی خود کار کند (این کار را با تامین منبع خارجی می توان انجام داد. از آنجا که در مورد موتورها و ژنراتورهای کاربردی صحبت می کنیم، کارایی چنین ماشین هایی بین 60 تا 85 درصد متغیر است. فرض می‌کنیم که راندمان موتور و به همین ترتیب راندمان ژنراتور 80% است.

با یک آزمایش ادامه می‌دهیم.

مرحلۀ 1: به دلیل این‌که محور موتور و ژنراتور ثابت هستند، برای چرخاندن محور موتور به نیروی محرکۀ خارجی نیاز داریم. موتور در بار کامل نگه داشته می‌شود، برای مثال فرض کنید 1 کیلووات برق از منبع تغذیۀ خارجی مصرف شود. محور موتور، محور ژنراتور را می‌چرخاند و به همین خاطر در پایانه‌های خارجی ژنراتور برق تولید می‌کند.

محاسباتی را انجام می‌دهیم.

1. بخاطر این‌که برق دریافت‌شده به موتور از منبع خارجی به اندازۀ 1 کیلووات است، خروجی (گشتاور تولید شده در محور) موتور 800 وات است. همان‌طور که می‌دانیم این مقدار از رابطۀ ورودی/خروجی به دست می‌آید.
2. ورودی ژنراتور، خروجی مدل است (همان‌طور که در شکل نشان داده شده است). بنابراین می‌توان گفت ورودی ژنراتور 800 وات است (گشتاور محور).
3. به طور مشابهی، خروجی ژنراتور 640 وات است.

مرحلۀ 2: پس از انجام محاسبات، مشاهده می‌کنیم که یک ژنراتور فقط می‌تواند 64% از برق مورد نیاز موتور را تامین کند.

اگر منبع تغذیۀ خارجی را قطع کنیم و خروجی ژنراتور را به ورودی موتور وصل کنیم، در اثر اصطکاک، باد و تلفات مقاومتی، خروجی ژنراتور کاهش می‌یابد که به سهم خود قدرت ورودی را کاهش می‌دهد و باعث توقف می‌شود.

توجه داشته باشید که این موارد فقط برای حالتی است که راندمان موتور و ژنراتور 100% باشد.

اگر از موتور برای راه‌اندازی ژنراتور استفاده شود و خروجی آن به موتور داده شود، چه اتفاقی می‌افتد؟

برای شروع چنین کاری باید از یک میل لنگ ICE استفاده شود.

خروجی ژنراتور به موتور منتقل می‌شود که محور آن به همان ژنراتور و یک flywheel وصل است. در این حالت امکان اتلاف ورودی وجود دارد، برای مثال 1% در ورودی و خروجی موتور. پس تلفات در ورودی و خروجی ژنراتور را 1% در نظر می‌گیریم.

به محض روشن شدن موتور IC، سیستم اینرسی ژنراتور و موتور را به کمک ژنراتور هدایت‌کنندۀ flywheel و خروجی نیروی الکتریکی موتور خاموش می‌کند. این ترتیب ژنراتور، موتور، چرخ و نیروی الکتریکی به عنوان دستگاه نام‌گذاری می‌شود که مطمئناً

 زمان اجرا را افزایش می‌دهد. تمام قطعات جداگانۀ دستگاه به گونه‌ای استاندارد شده‌اند که با نیروی ورودی مشخصی اعم از توان مکانیکی، گشتاور یا الکتریکی کار می‌کنند. با این‌حال اجازه دهید بگوییم که دستگاه به طور بسیار فعال (داینامیک) طراحی شده است (سناریوی کاملاً فرضی) تا با برق ورودی کمتری کار کند. سرانجام ورودی‌های پیوسته کمتری دستگاه را متوقف می‌کنند.

افت 1 درصدی برق، داخلی است. هدف هر وسیلۀ مفید هدایت نیرو است، خالی کار نمی‌کند و بار همیشه متناسب با برق خروجی طراحی می شود. اگر برق خارجی روی دستگاه باشد فوراً متوقف می‌شود.

چنین دستگاهی در واقعیت در ماشین‌های هیبرید با قدرت ICE وجود دارد و ژنراتور، 1MG (موتور ژنراتور 1) و 2MG (موتور ژنراتور 2)  نامیده می‌شود. یک محور متصل‌کنندۀ شفت موتور، 1MG و 2MG با چیدمان دندۀ موتوری، انتقال قدرت نامیده می‌شوند و دارای باتری‌هایی است که می‌توانند توسط ، 1MG و 2MG  شارژ شوند یا آن‌ها را فعال کنند.

ICE، 1MG و 2MG به صورت جداگانه یا ترکیبی شش گزینه‌ای برای تغذیۀ دستگاه ارائه می‌شوند. 1MG و 2MG  به عنوان ژنراتور(ها) به صورت جداگانه یا ترکیبی از ICE تغذیه می‌کنند، سه گزینه برای تولید برق و شارژر باتری‌ها ارائه می‌دهند.

گزینۀ دهمی وجود دارد که در آن هر سه دستگاه خاموش هستند و تنها چرخش انتقال قدرت ژنراتورها و باتری‌ها را شارژ می‌کند، که به آن ترمز احیاکننده می‌گویند.

یک ژنراتور  چند دور در دقیقه باید بچرخد تا بتواند برق دریافت کند؟

یک ژنراتور توسط هر نوع نیروی خارجی مانند باد، آب یا بخار می‌چرخد. سرعت ژنراتور وابسته به نیروی محوری است که توسط نیروهای خارجی در محور پره‌های توربین ایجاد می‌شود. گشتاور الکترومغناطیسی روی تیغه‌ها به چرخش گشتاور با سرعت معینی کمک می‌کند. سرعت دینام همواره ثابت است به گونه‌ای که فرکانس ولتاژ منبع تغذیه نیز در مقدار ثابتی نگه‌داشته شود. سرعت دینام با بیشتر سوختن بنزین و افزایش مقدار بخار داغ، افزایش می یابد. به این جهت باید سوخت بیشتری به دیگ بخار تزریق شود. به طور کلی سرعت دینام ثابت است و قطب‌های دینام را نمی‌توان تغییر داد.

سرعت دینام را یک سرعت همزمان می‌نامند که به سادگی از فرمول زیر قابل محاسبه است:

Ns= (120*f)/P

که در آن f  فرکانس قدرت تولید شده توسط دینام است.

P تعداد قطب‌های دینام است.

Ns سرعت همزمان است.

بنابراین، اگر بخواهیم برق با فرکانس 50 هرتز را با خروجی ژنراتور 4 قطبی تولید کنیم، باید دینام را با سرعت Ns=120*50/4=1500
  دور در دقیقه یا (60/1500) دور در ثانیه بچرخانیم.

به همین ترتیب، اگر می خواهید 60 هرتز از خروجی دینام 4 قطبی تولید کنید، باید محور دینام را 1800 دور در دقیقه یا (60/1800) دور در ثانیه بچرخانید.

برای تولید قدرت بیشتر می‌توان سرعت دینام را افزایش داد.

برای فعال‌ کردن ژنراتور 30 کیلووات، به موتور و چرخ (flywheel) با چه اندازه‌ای نیاز دارم؟

برای خروج 30کیلووات از ژنراتور، باید قدرت کافی برای خروجی 30 کیلووات را تامین کنید و تمام تلفات را در طول مسیر پوشش دهید.
ژنراتورهایی با این اندازه تقریبا 95% کارآمد هستند (در بار کامل، در بارهای بسیار سبک این مقدار کمتر می‌باشد) و موتورهای الکتریکی در این اندازه حدود 93% کارآیی دارند.

بنابراین برای خروجی 30 کیلووات، به 34=%95*%30/93  کیلو وات ورودی نیاز دارید. ممکن است شما بخواهید منحنی‌های گشتاور موتور را در برابر اندازۀ flywheel خود بررسی کنید. ممکن است لازم باشد از soft starter یا VSD  استفاده کنید.

یک موتور الکتریکی معمولی با این اندازه نیز حدود 1.3% خطا خواهد داشت، بدین معنی که اگر مستقیماً فعال کنید، فرکانس خروجی 1.3% کمتر از فرکانس ورودی خواهد شد (50 هرتز ورودی و  49.35 هرتز خروجی، 60 هرتز ورودی و 59.22 هرتز خروجی). اگر برای از بین بردن اختلاف سرعت/فرکانس، چرخ دنده یا تسمه متحرک را انتخاب کنید، آسیب‌های بیشتری وارد می‌شود. موتورهای با خطای پایین نیز وجود دارند که خطا را کاهش می‌دهند (اما آن را برطرف نمی‌کنند). اگر از VSD  استفاده می‌کنید، ممکن است بتوانید خطا را کاهش دهید، اما با تکرار این کار در سری بعد تلفاتی در کارآیی به وجود می‌آید.

 flywheel به توان ورودی و خروجی ربطی ندارد زیرا این سیستم ذخیره انرژی تلفات خاص خود را دارد، بنابراین باید آن را با توجه به نیازهای خود در ذخیرۀ انرژی در نظر ‌بگیرید.

هیچ‌گاه تصور نکنید راهی وجود دارد که این چینش بتواند الکتریسیتۀ اضافی خالص (انرژی رایگان)  تولید کند.