پایان نامه موتور آسنکرون سه فاز

مقدمه:

 از آنجایی که امروزه راه اندازی موتورهای الکتریکی یکی از مسائل و دغدغه های بزرگ کارخانه های صنعتی و شرکت های تولیدی و نیز تولید کنندگان نیروی برق و شرکت های وابسته میباشد در این پروژه به بررسی برخی از این راه اندازها می پردازیم و محاسن و معایب آنها را مورد بررسی علمی قرار میدهیم.

از دلایل اهمیت موضوع شوک های الکتریکی و مکانیکی شدیدی می باشد که در زمان راه اندازی به شبکه برق رسانی و موتور وارد  و سبب استهلاک شدید دستگاه های موجود و بالا بردن هزینه های اقتصادی می شود . بنابراین استفاده از راه انداز های مناسب بخصوص در مورد موتورها با توان های بیش از چندین اسب بخار در کاهش هزینه های برق مصرفی و نیز هزینه های نگهداری و تعمیر  تاثیر بسزایی دارد.

1 - 1 ) ساختمان موتورهاي القايي سه فاز :

شکل ( 1-1 ) تصوير يک موتور القايي سه فاز و قطعات آن را نشان ميدهد .

شکل ( 1-1)

1-1 - 1 ) استاتور :

هستۀ استاتور به صورت ورقه ورقه ( لايه لايه ) از جنس فولاد مرغوب ساخته مي شوند و علت مورق بودن استاتور  جلوگيري  از جريان  فوکو  و  تلفات  ناشي از آن مي باشد .

سطح داخلي استاتور حاوي شيارهاي متعددي جهت سيم پيچ هاي سه فاز است .

شکل ( 2-1)

هر  کلاف  در دو شيار مي نشيند و طول  استوانه  ها  مقداري  بيشتر از  طول  کلاف ها خواهند  بود . سيم  بندي  استاتور به  صورت  مثلث و  يا ستاره  قابل  تنظيم  می باشد .

شکل ( 3-1)

1-1 - 2 ) رتور : هستۀ روتور نيز مورق ساخته شده ( لايه  لايه )  و از  جنس مواد  فرو مغناطيسي مرغوب ساخته مي شود سطح خارجي رتور همانند استاتور داراي شيارها يي است و هادي هاي رتور در آن  جاسازي  مي شوند . رتور از نظر  ساختماني  به دو  نوع تقسيم مي شوند :

1 – موتور  سيم  پيچي  شده  که درون  شيارهاي  رتور ميله هاي  مسي  يا  آلومينيومي قرار ميگيرد .

2 – موتور قفس سنجابي که درون شيارهاي رتور ميله هاي مسي يا آلومينيومي قرار مي گيرد .

شکل ( 4-1)

بايد دانست در رتور قفس سنجابي ميله ها از دو سمت  توسط  حلقه هاي  انتهايي  به هم متصل يا  به عبارت بهتر اتصال کوتاه شده اند . در رتور سيم پيچي  شده در حقيقت  يک اتصال کوتاه شده داريم .

1-1 -3 ) حلقه هاي لغزان :

کارخانه هاي  سازنده سه پايۀ رتور  را از درون  به  يکديگر وصل کرده وهر سه  پايانۀ ديگر را  از ماشين  خارج  و به حلقه هاي  لغزان  بر روي محور رتور متصل مي سازند .

شکل ( 5-1)

1 - 1 -4 ) جاروبک ها :

بر روي  حلقه هاي  لغزان  جاروبک  نصب  شده که ساکن  است و مي توان از اين طريق مقاومت رتور را تغيير داد .

1 - 1- 5 ) ياتاقان و بدنه :

شکل (6-1)                                         

1 – 2 )  عملکرد موترهاي القايي سه فاز :

شکل ( 7 – 1 )  يک  موتور دو قطبي را نشان ميدهد . در اين دياگرام فقط يک دسته هادي براي هر فاز نشان داده  شده است . البته هر يک از اينها نشان دهنده يک سري سيم بندي در شيارهاي مختلف  است  به  طوريکه يک توزيع  سينوسي  از نيروي  محرکه القايي در فاصله هوايي  ايجاد  شود  مي توان  يک مدل  الکتريکي براي موتورهاي  القايي ارائه داد .

شکل ( 7-1)

1 – 2 – 1 ) موتور ساکن :

اگر استاتور موتر شکل ( 7 – 1 ) بوسيلۀ يک منتبع سه فاز متقارن تحريک شود آنگاه يک ميدان  گردان در فاصلۀ  هوايي  ايجاد خواهد شد . اين  ميدان گردان  از هادي هاي  رتور عبور کرده و در آنها ولتاژ القا مي کند اين  ولتاژها  سينوسي هستند  و با هم اختلاف فاز دارند . بنابراين اگر موتور ساکن باشد به سادگي يک ترانسفورماتور عمل مي کند . ممکن است فرض  شود  سيم بندي استاتور  و  رتور هر دو ستاره باشند  بدون  اينکه توجه به واقعيت آنها بشود . چون موتور شبيه به ترانسفور ماتور سه فاز عمل مي کند مي توانيم مدار معادل يک فاز آن را بکشيم .

شکل ( 8 – 1 ) مدار معادل تک فاز را نشان مي دهد .

شکل (8-1)

فرض  کنيد  سيم پيچ  رتور مدار  باز  باشد  و يک شبکه  سه فاز متقارن  استاتور  را  با فرکانس ws تغذيه کند . ولتاژ فاز آن برابر Va باشد . جريان متنجه Ia و ديگر جريان هاي منتجه در فازهاي  ديگر يک ميدان  گردان در فاصلۀ  هوايي ايجاد مي کنند  که باعث ايجاد ولتاژ القايي Ema در فاز a مي شود . مقداري فلوي  پراکنده نيز هست که آن را به صورت lsدر مدار نشان مي دهند که يک افت ولتاژ القايي در مدار ايجاد مي کند . بعلاوه به دليل وجود مقاومت سيم پيچ  يک  افت  ولتاژ اهي  نیز  خواهيم داشت  که در مدار  به  صورت مقاومت Rs نشان داده شده است .

هنگامي  که رتور مدار باز  باشد در  ترانسفور ماتور ايده ال  جريان  نداريم بنابر اين  Ia همان  جريان مغناطيس  کنندگي  Ima  مي باشد . ميدان گردان ولتاژ القايي  Ema را در فاز    a ايجاد مي کند ضمناً در اثر همين ميدان گردان ولتاژ  Ema  نيز در رتور  القا خواهد شد .

بنابر اين :

(1-1)
اما به دليل وجود زاويۀ  بين استاتورور تور مطابق شکل بين ولتاژها اختلاف فاز به وجود خواهد آمد  ولتاژهاي  القايي استاتورور تور در يک زمان به مقدار  پيک نمي رسند بلکه زماني به اندازۀ طول مي کشد . بنابر اين نسبت ولتاژهاي استاتور ورتور مطابق رابطۀ زير مي باشد .

(2-1)
اگر با متعادل به رتور و صل شود و استاتور  با شبکه  سه فاز  متعادل تغذيه شود آنگاه جريان هاي  متعادل  با فرکانس  Wr = Ws   در رتور خواهيم داشت  و معادلات  آنها  به صورت زير مي باشد .

(3-1)

اين جريان ها باعث ايجاد يک ميدان گردان مي شوند .

(4-1)

اما چون Wr = Ws مي باشد .

(5-1)

(6-1)                                                                                               
 در يک  ترانسفور  ماتور  تک فاز  نيروي  محرکۀ  مغناطيسي توليد شده توسط ثانويه با نيروي محرکۀ مغناطييبي مؤلفۀ بار اوليه I2 مساوي و مخالف مي باشد .

(7-1)                                                                                             

در يک  موتور  سه فاز  ساکن مانند  يک  ترانسفورماتور  سه فاز عمل  مي شود . نيروي محرکۀ مغناطيسي که توسط جريان هاي فاز Ic , Ib , Ia جريان هاي استاتور از زابطۀ زير محاسبه مي شوند .

(8-1)

و همچنين :

(9-1)

ميدان گرداني با معادلۀ زير در فاصلۀ هوايي ايجاد مي شود .

 (10-1)

(11-1)                                                                                                                              

اگر ميدانهاي گردان در رابطۀ ( 10-1 ) و ( 5-1 ) با هم برابر باشند .

(12-1)                                                                  
(13-1)                                                                                

اين حالت  در شکل  ( 9 - 1 )  نشان داده شده است . جهت جريان ها در سيم پيچ ها ، در يک لحظۀ بخصوص مشخص شده است .

شکل (9-1)

ولتاژ القايي  هادي هاي استاتورو رتور در يک جهت مي باشند اين مسئله قابل  پيش بيني بود . چون آنها توسط  يک ميدان گردان ايجاد شده اند اما همانطور که در شکل ( 9 - 1 )

مشخص است جريانهاي استاتور ورتور مخالف هم مي باشند .

براي راحتي جريانهاي  فاز  iA , ia در معادلات ( 3-1 ) و ( 9-1 ) نسبت به فاز              تعريف مي شود .

  (14-1)                                                                                            

 (15-1)     
بنابراين :

  (16-1)                
با استفاده از معادلات ( 12-1 ) و ( 13-1 ) و ( 16-1 ) داريم:

 (17-1)        
معادلۀ ( 17-1 ) نسبت  جريان ترانسفور ماتور ايده آل  شکل ( 8-1 )  را نشان مي دهد . نسبت امپدانس ترانسفورماتور ايده آل با استفاده از رابطه ( 17-1 ) و ( 2-1 ) بدست مي آيد .                         

(18-1)                                                                          

قدرت ورودي به يک  فاز ترانسفورماتور  ايده آل  در اوليه  با  قدرت  خروجي آن فاز در ثانويه برابر خواهد بود .

 (19-1)                                                                                                

1 – 2 -2 ) مکانيزم توليد گشتاور در موتور القايي ( آسنکرون ) :

محاسبات قبل توانايي آن را مي د هد که عملکرد موتر آسنکرون را پيشگويي کنيم . با يک ديد فيزيکي به مسئله يادگيري ما  افزايش مي يابد . شباهتها و تفاوت ها را با ماشين هاي الکتريکي  ديگر بهت ر تشخيص مي دهيم  . يک  مدل ساده که در آن مقاومت  و  راکتانس پراکندگي  استاتور  صرف نظر  شده  است . در شکل  ( 10-1 )   نشان داده شد ه است .

شکل نشان دهندۀ حالت يک فاز مي باشد .

شکل (10-1)

دو فاز ديگر به صورتي که  t متغييرها  اختلاف فاز دارند و سيفت پيدا مي کنند قابل کشيدن هستند ( نسبت به  a در استاتور و  A در رتور ) . جريانهاي IA , IB , IC در رتور توليد يک ميدان گردان مي کنند که درفاصلۀ هوايي مي چرخد .

جريان    نيز توليد ميدان گردان مي کنند که مطابق با قانون آمپر اين دو ميدان بايد برابر  و مخالف  يکديگر  باشند . در يک  ماشين ايده آل  نيروي  محرکۀ  منتجه صفر است .

(20-1)                                                                                    

ولي در يک ماشين واقعي دو ميدان  يکديگر را خنثي  نمي کنند . منتجۀ  دو ميدان در واقع ميداني است که توسط جريانهاي مغناطيس کنندۀ سه فاز توليد  شده اند  جريان  استاتور در فاز a از رابطۀ زير بدست مي آيد .

(21-1)
مؤلفه هاي  مغناطيس  کنندۀ  جريان هاي استاتور توليد ميدان گردان در فاصله هوايي مي کنند . اين ميدان ولتاژهاي القايي Ema , Emb , Emc   را در استاتور ايجاد مي کند . در مدار شکل ( 10-1 ) مقدار ولتاژ القايي در فاز a

(22-1)                                                                                          

اگر رتور هم جهت و هم سرعت با میدان گردان حرکت کند  لغزش صفر می شود  (S=0) و ولتاژ القایی در فاز A رتور

(23-1)                                                                                                                                               

مي باشد . در اين شرايط  هر دو صفر مي باشند . جريان فاز a استاتور هان جريان مغناطيس کنندگي Ima  مي باشد اين جريان نسبت به ولتاژ Va مقدار 90 درجه اختلاف فاز دارد و پس فاز مي باشد .

حالا شرايطي را در نظرمي گيريم که رتور با سرعت کمتر از سرعت سنکرون دوران کند. بنابر اين  مي باشد و ولتاژ القايي Ema در رتور ايجاد مي شود که جرياني در رتور با فرکانس  Wr = SWs  ايجاد مي کند . مقدار جريان  برابر مقدار زیر

(24-1)                                                                                                                                       

مي باشد . مؤلفۀ جريان قدرت در مدار استاتور

(25-1)                                                                                             

جریان  نسبت به ولتاژ القایی  پس فاز است همانقدر که نسبت به  پس فاز می باشد . مقدار زاویه  برابر

(26-1)                                                                                         

دياگرام فازي معادلۀ ( 21-1 ) در شکل  ( 10-1 ) b   نشان  داده  شده  است .  يک ميدان گردان متناظر با اين دياگرام در شکل ( 10-1 ) c نشان داده شده است .

در لحظه اي  که  Ima  مقدار ماکزيمم  خود را دارد  به صورت عمود  رو  به پايين مي باشد . بردارها در شکل ( 10-1 ) d نشان داده شده است .

ميدان گردان  استاتور   منتاسب با جريان   مي باشند و وقفۀ هم نام نسبت به  دارد  که اندازۀ  آن  همان  زاويه  بين   مي باشد . ميدان  گردان مؤلفه جريان هاي قدرت  را ميتوان از دياگرام فازي بدست آورد . اما ميدان گردان ناشي از جريان هاي رتور IA , IB , IC به صورت در شکل نمايش داده شده است . از شکل d(10-1)

(27-1)                                                                                       

گشتاور توليدي در اثر ميدان گردان مطابق رابطۀ زير مي باشد .

(28-1)                                                                                   

   زاويه اي  است که  از محور استاتور  به محور  رتور  اندازه گيري  مي شود .  شکل  ( 10-1 ) d حالت موتوري را نشان مي دهد .