آموزش

آلترناتور چیست؟

تشریح عملکرد مدار آلترناتور (دینام)

آلترناتور یک دستگاه مولد الکتریسیته است که انرژی مکانیکی را از طریق قطع خطوط قوای مغناطیسی به انرژی الکتریکی تبدیل می کند. از این رو آلترناتور را می توان یک مبدل انرژی نیز نامید.

آلترناتور: مولد الکتریسیته و مبدل انرژی

دینام، ژنراتور و آلترناتور هرسه واژه به مولد الکتریسیته اطلاق می گردد. دینام به معنای دستگاهی است که دارای تحرک و جنب و جوش می باشد و ژنراتور به معنای مولد است که بیشتر به دینام های جریان مستقیم اطلاق می گردید، اما به آلترناتور نیز گفته می شود. آلترناتور به معنای متناوب ساز است و به دستگاه مولد جریان AC اطلاق می شود از همین رو این نام برای مولد الکتریسیته در خودرو تخصصی تر و مناسب تر است.

اطلاعات مقدماتی درباره ی ساختار و عملکرد آلترناتور(دینام)

 

اساس کار آلترناتور(دینام)

اساس کار آلترناتور بر پایه ی نیروی الکترومغناطیس استوار است چراکه نیروی الکترومغناطیس و الکتریسیته پیوندی آشکار و ناگسستنی باهم دارند. در اطراف هرسیمی که حامل جریان الکتریکی باشد میدان مغناطیسی بوجود می آید. دریک آزمایش ساده می توان بوجود آمدن میدان مغناطیسی در اطراف یک سیم حامل جریان را مشاهده نمود.

آزمایش اول:

یک سیم نسبتاً ضخیم را روی یک قطب نما قرار دهید و دوسر سیم را به دوسر یک باتری یا منبع تغذیه وصل کنید (جهت جلوگیری از اتصال کوتاه یک مقاومت آجری با اهم پایین در مدار قرار دهید). بلافاصله پس از بستن مدار، عقربه ی قطب نما منحرف شده و تقریباً بصورت عمود بر سیم می ایستد. علت انحراف عقربه، میدانی است که دراثر عبور جریان در اطراف سیم بوجود می آید.

آزمایش دوم: الکترومغناطیس

حالا یک سیم نازک و بلند را به دور یک میخ یا هسته ی آهنی بپیچید و دوسر سیم را به قطب های یک باتری متصل کنید. مانند آزمایش قبل این بارهم جریان الکتریکی در سیم جاری شده و اطراف سیم میدان مغناطیسی بوجود می آید اما این بار چون سیم را بصورت پیچه (سیم پیچ) درآورده ایم خطوط قوای مغناطیسی به هم نزدیکتر شده و میدان مغناطیسی قویتری ایجاد می شود. (خطوط قوای مغناطیسی را شار مغناطیسی و شدت شار مغناطیسی را چگالی شار می گویند)

بنابراین بدیهی است که چگالی شار در یک سیم پیچ، به مراتب بیشتر از یک سیم راست می باشد و اگر میخی را بعنوان هسته در مرکز سیم پیچ قرار دهیم و سیم را به دور آن بپیچیم چگالی شار بازهم بیشتر می شود و علت این مساله مقدار نفوذپذیری مغناطیسی یا پرمابیلیته ی هسته (Permeability)است که در هسته ی آهنی بیشتر از هسته ی هواست یعنی خطوط قوای مغناطیسی در یک هسته ی آهنی خیلی راحت تر نفوذ می کند تا در هوا بنابراین سیم پیچ با هسته ی آهنی دارای چگالی شار بیشتری خواهد بود و بهمان نسبت میدان مغناطیسی قویتری ایجاد خواهد شد بنابراین میخ تبدیل به آهنربا می شود. به این آهنربا که دراثر عبور جریان برق ایجاد می شود آهنربای الکتریکی یا مغناطیس موقت می گویند. عملکرد روتور در آلترناتور نیز به همین صورت است. دراین آزمایش نیروی الکترومغناطیس را دیدید.

روتور یک آهنربای موقت (الکترومغناطیسی) است که دارای یک سیم پیچ و تعدادی قطب آهنی می باشد که نفوذپذیری مغناطیسی آنها بالاست و میدان مغناطیسی قدرتمندی را بوجود می آورند.

تاریخچه

آزمایش اخیر (الکترومغناطیس) برای اولین بار درحدود ۲۰۰سال پیش (اوایل قرن نوزدهم) بطور کاملاً اتفاقی توسط هانس کریستین اورستد(hans christian oersted) انجام شد و منجر به کشف نیروی الکترومغناطیس گردید. تا آن زمان ارتباط میان برق و میدان مغناطیسی ناشناخته و مجهول مانده بود اما پس از آن بود که روابط حاکم میان این دو پدیده یکی پس از دیگری کشف و ثبت گردید.

هانس کریستین اورستد

بسیاری از این روابط درابتدا توسط آزمایشگر و دانشمند شهیر انگلیسی مایکل فارادی(michael faraday) بصورت تجربی کشف شد اما معادلاتی که در دل این تجربیات و آزمایشات نهفته بود بوسیله ی جیمز کلارک ماکسول بیان گردید. البته دانشمندان و مخترعان بسیاری در تکامل الکترومغناطیس موثر بوده اند اما بدون شک سهم فارادی بیشتر از دیگران است.

مایکل فارادی

کشف مهم فارادی

همانطور که با برق می توان آهنربا ساخت با آهنربا نیز می توان برق تولید کرد. به اینصورت که اگر وضعیت یک میدان مغناطیسی نسبت به یک سیم پیچ تغییر کند (میدان نسبت به سیم پیچ دارای حرکت باشد) شار مغناطیسی گذرنده از سیم پیچ نیز تغییر می کند و درون آن ولتاژ القا می شود. مقدار ولتاژ القایی با آهنگ تغییر شار مغناطیسی (سرعت حرکت میدان) متناسب است این تئوری اساس کار دینام و آلترناتور است. برای اثبات آن می توان آزمایشی به این صورت انجام داد:

آزمایش سوم: دینام و آلترناتور

دوسر یک سیم پیچ را به پراپ های یک میلی آمپر متر متصل می کنیم و یک آهنربا را به سیم پیچ نزدیک کرده و سپس از آن دور می کنیم. دراثر دور و نزدیک شدن آهنربا، در داخل سیم پیچ الکتریسیته بوجود می آید و میلی آمپرمتر این موضوع را نشان می دهد (برای انجام این آزمایش می توانید بوبین یک رله را به دوسر یک میلی آمپرمتر وصل کنید. می توانید از مولتی متر دیجیتال بعنوان میلی آمپرمتر استفاده کنید اما مولتی متر آنالوگ بهتر جواب می دهد).

با انجام این آزمایش خواهید دید که دراثر تغییر وضعیت آهنربا نسبت به سیم پیچ، در داخل سیم پیچ ولتاژ القا می شود. آهنربای متحرک درحکم روتور و سیم پیچ اصلی درحکم استاتور آلترناتور می باشد. این آزمایش عملکرد آلترناتور را بخوبی نمایش می دهد. در دینام های قدیمی (دینام های جریان مستقیم) برعکس آلترناتور میدان مغناطیسی، ثابت و سیم پیچ اصلی متحرک بود یعنی سیم پیچ در وسط میدان مغناطیسی دوران می نمود درحالیکه در آلترناتور میدان در وسط سیم پیچ گردش می کند.

نکات جالب توجهی در آزمایش فوق نهفته است که از مبانی مهم و مفاهیم اساسی در آلترناتور خودرو می باشد.

نکته ی اول:

جریانی که دراثر دور و نزدیک شدن آهنربا درون سیم پیچ جاری می شود بصورت متناوب (AC) است یعنی اگر با نزدیک کردن آهنربا به سیم پیچ، عقربه ی میلی آمپرمتر به یک طرف منحرف شود با دور شدن آهنربا، عقربه درخلاف جهت قبل منحرف خواهد شد. این موضوع در مولتی متر دیجیتال نیز با نمایش مقادیر مثبت و منفی قابل مشاهده است.

نکته ی دوم:

تنها در زمانی که آهنربا نسبت به سیم پیچ درحال حرکت می باشد ولتاژ در سیم پیچ القا می شود و اگر آهنربا ثابت بماند هیچ برقی تولید نخواهد شد یعنی علت القا شدن ولتاژ در سیم پیچ،تنها وجود میدان مغناطیسی نیست بلکه تغییر وضعیت میدان (تغییر شار) موجب القا شدن ولتاژ در سیم پیچ می گردد.

نکته: تغییر شار مغناطیسی عامل بوجود آورنده ی ولتاژ القایی است و برای اینکه شار مغناطیسی تغییر کند یا باید موقعیت یکی از دو عنصر (میدان و سیم پیچ) نسبت به دیگری تغییر کند (یا آهنربا متحرک باشد یا سیم پیچ) مثل عملکرد دینام و آلترناتور، و یا جهت میدان مغناطیسی باید دائماً تغییر کند مانند عملکرد ترانسفورماتور که با عبور جریان متناوب از سیم پیچ اولیه، ولتاژ متناوب در سیم پیچ ثانویه القا می شود بنابراین عامل القای ولتاژ در سیم پیچ صرفاً متحرک بودن آهنربا یا سیم پیچ نیست بلکه تغییر شار مغناطیسی علت اصلی القاست.

نکته ی سوم:

مقدار برق تولید شده در سیم پیچ به چندعامل بستگی دارد. به تعداد دور و سطح مقطع سیم پیچ (هرچه تعداد دورسیم پیچ بیشتر باشد ولتاژ القایی بیشتر است و هرچه سطح مقطع سیم بیشتر باشد ظرفیت جریان دهی سیم پیچ بیشتر خواهد بود)

شدت میدان مغناطیسی

(آهنربایی که نسبت به سیم پیچ تغییر وضعیت پیدا می کند هرچه قوی تر باشد توان تولیدی سیم پیچ بیشتر می شود) سرعت تغییر وضعیت آهنربا نسبت به سیم پیچ (هرچه آهنربا با سرعت بیشتری نسبت به سیم پیچ تغییر وضعیت پیدا کند توان خروجی از سیم پیچ بیشتر خواهد شد)

استاتور

سیم پیچ اصلی که برق در آن تولید می شود استاتور نام دارد و متشکل از سه سیم پیچ است که به دوصورت ستاره ای و مثلثی آنها را می پیچند. در استاتور ستاره ای یکسر سیم پیچ ها باهم یکی شده که به آن نقطه ی کور می گویند و سر دیگر هر سیم پیچ آزاد است که به مجموعه ی رکتیفایر متصل می شوند. در استاتور مثلثی سیم پیچ ها پشت سرهم قرار گرفته اند بطوریکه انتهای یک سیم پیچ ابتدای سیم پیچ دیگرست. دراین حالت نقطه ی کور وجود ندارد و فقط سه نقطه ی اتصال وجود دارد که هر نقطه دارای دوسرسیم می باشد و به رکتیفایر متصل می شوند.

عواملی را که در مقدار برق تولید شده در آلترناتور موثرند برشمردیم. عامل اول که همان تعداد دور و ضخامت سیم پیچ استاتور است به ساختار داخلی و مدل آلترناتور وابسته است. شرکت های خودروساز بسته به سطح تجهیزات خودرو و نیازی که در خودرو احساس می شود از استاتورهای مختلفی در آلترناتورها استفاده می کنند.

 معایب استاتور ستاره ای

در پرایدهای قدیمی از استاتور ستاره ای استفاده می شد که دارای سه سر خروجی بود که هر سر به دو دیود قدرت (یک دیود مثبت و یک دیود منفی) متصل می شدند. بنابراین تعداد دیودهای قدرت ۶ عدد بود اما این استاتورها در شرایط تمام بار پاسخگوی مصرف کننده ها نبودند مثلاً در شب های تابستان که هم چراغ ها و هم سیستم تهویه روشن بود.

چنانچه مصرف کننده های دیگری مثل رادیوپخش نیز به مدار اضافه می شد فشار شدیدی به آلترناتور وارد می گردید و آسیب جدی درپی داشت. برای حل این مشکل در پرایدهای جدیدتر از همان استاتور ستاره ای استفاده گردید منتها این بار از نقطه ی کور نیز خروجی گرفتند یعنی نقطه ی کور را نیز به دو دیود قدرت متصل نمودند که جمعاً ۴ سر خروجی و هرسر متصل به دو دیود، مجموعاً هشت دیود قدرت. با اینکار توان خروجی آلترناتور ۳۰  تا ۴۰ درصد افزایش یافت. جریان تولیدی این آلترناتورها ۶۵ آمپر است.

اما در خودروهایی که مصرف کننده های پرقدرت تری دارند از استاتور مثلثی استفاده شده مثل پژو ۴۰۵ و سمند که آلترناتور آنها توان تحویل جریان بیشتری را دارد. در خودروهای پیشرفته که تجهیزات رفاهی بیشتری دارند از استاتورهای دوبل در آلترناتور استفاده می شود یعنی از دو استاتور ستاره ای مانند مزدا ۳ همچنین نسل جدید مزدا ۶و یا دو استاتور مثلثی مانند: تویوتا هایلوکس استفاده می کنند.

کنترل توان خروجی از آلترناتور

  تنها عاملی که توسط آن می توان توان خروجی آلترناتور را کنترل کرد کنترل کردن شدت میدان مغناطیسی روتور می باشد و اینکار با کنترل جریان عبوری از سیم پیچ روتور میسر خواهد بود بنابراین هروقت نیاز به حداکثر توان باشد جریان عبوری از سیم پیچ روتور به حداکثر مقدار خود خواهد رسید و میدان مغناطیسی بشدت تمام (full field) ایجاد خواهد شد و هرگاه نیازی به تولید برق نباشد با قطع کردن جریان سیم پیچ، میدان مغناطیسی نیز از بین خواهد رفت یا بشدت تضعیف خواهد شد.

یک تصویر کلی از عملکرد آلترناتور

عملکرد کلی آلترناتور به این صورت است که دورموتور توسط تسمه به پولی آلترناتور منتقل می شود. پولی آلترناتور به محور روتور متصل است بنابراین با چرخش پولی، روتور نیز بگردش در می آید و این حالت همان تغییر وضعیت میدان مغناطیسی نسبت به سیم پیچ اصلی یعنی استاتور می باشد. با چرخش روتور، خطوط قوای مغناطیسی بطور پیوسته توسط سیم پیچ های استاتور قطع می شوند.

اطلاعات پشت دینام پراید
اطلاعات پشت دینام پراید

قطع خطوط قوا منجر به جاری شدن الکترون ها و تولید برق در استاتور خواهد شد اما همانطور که گفته شد این برق از نوع متناوب است و قابلیت شارژ باتری را ندارد بنابراین باید به برق مستقیم تبدیل شود و اینکار توسط مجموعه ی دیودها (رکتیفایر) انجام می شود.

 

وظایف آلترناتور

وظایف آلترناتور شارژ باتری و تامین توان مورد نیاز مصرف کننده ها در زمان روشن بودن خودرو می باشد. با روشن شدن خودرو بعلت پایین بودن ولتاژ باتری آلترناتور با ولتاژی بالاتر از ۱۴ ولت باتری را شارژ خواهد کرد البته ولتاژ خروجی از آلترناتور در مدل های مختلف متفاوت است و در برخی خودروها کمتر از ۱۴ ولت نیز می باشد. با شارژ شدن باتری، پس از اینکه ولتاژ باتری افزایش پیدا کرد رگلاتور یا آفتامات، از طریق یک مسیر بازخورد (فیدبک) وضعیت شارژ باتری را بررسی (سنس) کرده و درصورت بالا بودن ولتاژ باتری، جریان عبوری از سیم پیچ روتور را قطع کرده و میدان مغناطیسی قطب های آهنی را از بین می برد درنتیجه آلترناتور ولتاژی تولید نخواهد کرد. عملیات قطع و وصل جریان روتور و کنترل ولتاژ باتری بعهده ی رگلاتور شارژ می باشد.

رگلاتور شارژ

رگلاتور یا آفتامات یک مدار الکترونیکی است که در مدل های مختلفی موجود است اما عناصر اصلی آن معمولاً ترانزیستور، دیود زنر و ماسفت می باشد (در برخی رگلاتورها از ایسی استفاده شده است). رگلاتور با ولتاژ مثبت سوییچ که از لامپ شارژ می گیرد روشن می شود و سیم پیچ روتور را از طریق یک نیمه هادی قدرت که معمولاً ماسفت یا ترانزیستور قابلمه ای می باشد بدنه می کند.

آفتامات پراید (رگولاتور شارژ)
آفتامات پراید (رگولاتور شارژ)

دراین حالت لامپ شارژ و سیم پیچ روتور که بطور سری نسبت به هم قرار گرفته اند، فعال می شوند (لامپ شارژ روشن و روتور مغناطیس و آماده بکار می گردد) پس از روشن شدن خودرو و تولید ولتاژ چنانچه ولتاژ باتری به ۱۴.۵ ولت و بالاتر برسد، رگلاتور از طریق یک مسیر بازخورد (Feedback) که معمولاً با حروف R مخفف (Reference) یا S مخفف(Sense) مشخص می شود، متوجه افزایش یا کاهش سطح ولتاژ باتری می گردد و به همان نسبت جریان سیم پیچ روتور را تضعیف یا تقویت می کند.

نکته: چنانچه مسیر بازخورد (اتصال ترمینال R یا S) قطع شود، رگلاتور از وضعیت شارژ مطلع نخواهد شد درنتیجه منفی سیم پیچ روتور دایماً برقرار بوده و باتری بطور پیوسته شارژ خواهد شد (رگلاتور، اتومات نخواهد کرد)

جریان خروجی از آلترناتور

هرچه مصرف کننده های بیشتری وارد مدار شود به همان نسبت جریان خروجی از آلترناتور بیشتر خواهد شد. حداکثر جریان خروجی آلترناتور در خودروهای مختلف متفاوت است. در مدل های مختلف پراید از آلترناتورهای ۴۵ تا ۹۰ آمپری استفاده شده است و در برخی خودروها جریان خروجی آلترناتور به بیش از صد آمپر نیز می رسد.

اجزا و عناصر تشکیل دهنده ی آلترناتور

آلترناتور از عناصر مختلفی تشکیل شده است ازجمله مجموعه های روتور و استاتور، درپوش های جلو و عقب و پولی، رگلاتور یا آفتامات و مجموعه ی رکتیفایر که درکنار هم دستگاه آلترناتور را تشکیل می دهند.

برای درک بهتر مدار دینام و آلترناتور انیمیشن آموزشی تشریح مدار دینام و آلترناتور را ببینید.

اجزای آلترناتور
اجزای آلترناتور
برچسب ها

پاسخی بگذارید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

دکمه بازگشت به بالا
بستن
بستن