بسم الله الرحمن الرحیم
پروژه کارشناسی:
ماشین های الکتریکی کوچک و موارد استفاده انها
استاد راهنما:
جناب آقای دکتر جلیلوند
تهیه کننده:
پیمان طاهرخانی 83035615
فهرست
تقویت کننده های چرخشی (دورانی)
1.1.اطلاعات عمومی و طبقه بندی
2.1- تقویت کننده های چرخشی تحریک سرخود
3.1- تقویت کننده دورانی مغناطیسی متقاطع
4.1- مشخصه های دینامیکی و استاتیکی تقویت کننده های الکترومغناطیسی
5.1- کاربرد تقویت کننده های چرخشی
2- موتورهای الکتریکی کسری اسب بخار
1.2- اطلاعات عمومی و طبقه بندی
.2.2- سرو و موتورهای DC ، مکانیزم طراحی و اصول راه اندازی
3.2- موتورهای بدون ارتباط کسری اسب بخار به همراه کموتاتور ترانزیستوری
4.2- روش های کنترل سروموتورهای DC شکسته
1.4.2- کنترل میدان
2.4.2- کنترل پالس
5.2- حرکت پیوسته موتورهای سنکرون اسب بخار کسری
1.5.2- موتورهای آهن ربای دائم
2.5.2. موتورهای رلوکتانس
6.2 – موتورهای سنکرون حرکت دائم سرعت پایین
1.6.2- موتورهای کاهنده
7.2- موتورهای پله ای
1.7.2- موتورهای نوع فعال
2.7.2- موتورهای نوع القایی و رلوکتانس
1- تقویت کننده های چرخشی (دورانی)
1-1 اطلاعات عمومی و طبقه بندی
یک تقویت کننده واحدی است که تجهیزات با قدرت بالا را توسط سیگنالهای با قدرت پایین کنترل می نماید. میزان خروجی تابعی از سیگنال ورودی می باشد و عمل تقویت توسط یک منبع نیروی خارجی ایجاد می گردد. بر اساس نوع کنترل انرژی، تقویت کننده ها به صورت الکتریکی، پنوماتیکی، هیدرولیکی و
تقویت کننده های مکانیکی طبقه بندی شده اند.
تقویت کننده های الکتریکی تقویت کننده هایی هستندکه خود به صورت الکترونیکی، ترانزیستوری، مغناطیسی، و چرخشی تقسیم بندی شده اند. 5 تای اولی به صورت ماشین استاتیک می باشند و آخری یک تقویت کننده به همراه یک آرمیچر می باشد. توان خروجی تقویت کننده چرخشی توسط یک موتور محرک تامین می شود. تقویت کننده های چرخشی ذاتاً یک ماشین کموتاتوری جریان مستقیم می باشند.
بسته به نوع تحریک ،تقویت کننده ها به انواع: تقویت کننده های مغناطیسی شونده مستقیم، تقویت کننده های مغناطیسی شونده متقاطع یا تقویت کننده های الکترومغناطیسی دسته بندی شده اند.
تقویت کننده های مغناطیسی شونده مستقیم که در آنها شار میدان در راستای محور طولی ماشین می باشد به صورت زیر می باشند:
1- تقویت کننده های مستقل
2- تقویت کننده های تحریک سرخود
3- مجموعه موتور و تقویت کنندهء مغناطیسی
4- تقویت کننده های با کموتاتور دوبل
5- تقویت کننده های مغناطیسی شونده دو و سه مرحله ای
تقویت کننده های مغناطیسی شونده متقاطع که در آنهار شار در امتداد محور طولی ماشین ایجاد می شود بصورت زیر می باشند.
1- تقویت کننده های الکترومغناطیسی با سیم پیچ گامل کامل
2- تقویت کننده های الکترومغناطیسی با سیم پیچ نیم گام
3- تقویت کننده های الکترومغناطیسی با سیستم مغناطیسی جدا شده
کمترین توان تقویت کننده کنترلی، بستگی به کنترل دنده ها دارد.
به همین دلیل مهمترین مشخصه ماشین، تقویت کنندگی یا فاکتور بهره ماشین می باشد.
نوع یک تقویت کننده را می توان بوسیله بهره توان ،جریان بهره، و ولتاژ بهره مشخص نمود.
بهره تقویت کننده الکترومغناطیسی kp نسبت توان ورودی به توان کنترل کننده می باشد.
(1-1)
Kp=Pout/Pcont
بهره جریان تقویت کننده الکترومغناطیسی نسبت ولتاژ سرتاسر مدارخروجی به ولتاژ کنترل کننده می باشد. در نتیجه
(1-2)
KV=Vout/Vcont
از این رو ممکن است، تقویت کننده های چرخشی دارای بهره توان بیشتری باشند. ( 103 To 105 ) یکی از مشخصه های مهم تقویت کننده ها (مشخصه زمان پاسخ) آنها می باشدکه بوسیله ثابت زمانی مدار مقدار آن مشخص می شود.
ثابت زمانی باتوجه به تغییرات حوزه انرژی در کورس رگلاسیون مشخص می شود.
ثابت زمانی یک مدارالکتریکی برابر است با :
(1-3)
که در آن L اندوکتانس و R مقاومت مدار می باشند.
ثابت زمانی تقویت کننده مابین T= 0.02 to 0.2 s. می باشد. بهترین تقویت کننده، تقویت کننده ای است که بالاترین بهره توان و سریع ترین زمان پاسخ را دارا باشد. که این به معنی دارا بودن کمترین ثابت زمانی می باشد. بخاطر اینکه ثابت زمان تقویت کننده متناسب با بهره توان است تقویت کننده با بیش از یک مشخصه قیاس می شود (فاکتور کیفیت).
فاکتور کیفیت kg نسبت بهره توان به مجموع ثابت زمانی یک تقویت کننده است.
(1-4)
یک خصیصه مهم در راه اندازی تقویت کننده هادر سیستم های کنترل اتوماتیک خطی بودن مشخصه خروجی است.
زمانیکه امکان بوجود آمدن اضافه بار و جریان می باشد، تقویت کننده های چرخشی به عنوان راه انداز اولیه تقویت کننده ها در حالت زودگذر در سیستم های کنترل اتوماتیک مود استفاده قرار می گیرند. به همین دلیل یکی از مهمترین مشخصه های تقویت کننده های چرخشی قابلیت (ظرفیت) پذیرش اضافه بار در آنها می باشد.
هم چنین از دیگر مشخصه های مهم و ضروری که می بایست تقویت کننده های چرخشی دارا باشند داشتن قابلیت اطمینان و پایداری بالا در لحظه راه اندازی می باشد. (پس از پایان مرحله زودگذر و گذرا به حالت پایدار برگردند.)
مشخصه های مورد نیاز تقویت کننده های چرخشی تحت شرایط راه اندازی مختلف به چهار گروه تقسیم می شوند.
در جائیکه قدرت کم مورد نیاز باشد. تقویت کننده الکترومغناطیسی آهن ربای متقاطع بکار گرفته می شود، جائیکه بخواهیم چند سیستم یا به عبارتی چند هدف مخصوص را یکپارچه بکنیم از تقویت کننده های خود تحریک استفاده می کنیم.
تقویت کننده های تحریک مستقل تا جائیکه سیستم طراحی و چیدمان مدار مد نظر باشد مشابه ژنراتورهای تحریک مستقل جریان مستقیم می باشند. در سیستم های Ward Leonard، در جائیکه یک محدوده بالای کنترل سرعت موتور مورد نیاز باشد، ژنراتور به عنوان یک تقویت کننده تحریک مستقل عمل می کند.
تقویت کننده های چند مرحله ای آهن ربای مستقیم در قدرت های پایین مورد استفاده قرار نمی گیرند.
1-2 تقویت کننده های چرخشی تحریک سرخود
تقویت کننده های تحریک سرخود برای بدست آوردن بهره توان بالا به صورتهای مختلف طراحی شده اند.
تقویت کننده تحریک سرخود بر اساس ساختار آن از ماشین تحریک مستقل تمیز داده می شود و آن به این صورت است که تقویت کننده سیم پیچ های تحریک هم محور با سیم پیچ های کنترلی قرار گرفته و به صورت سری (شکل b 1.1) یا هوازی (شکل a1.1) با سیم پیچ های آرمیچر قرار می گیرد.
می توان اصول راه اندازی تقویت کننده تحریک سرخود را بوسیله آنالیز کردن راه اندازی یک ژنراتور سیم پیچ شنت جریان مستقیم بهتر شرح داد مشکل1.2a یک مشخصه ماشین بدون بار را نشان می دهدکه در آن ( I F)E=F است به این معنی که، نیروی الکترو موتوریE یک تابعی از جریان Field (میدان IF ) می باشد و مشخصه های جریان ولتاژ ( I F)F = If RF بر اساس شار میدان مشخص می شوند، که در آن R F باعث کاهش (افت) ولتاژ در مدار می شود.
مشاهده می شود که زاویه شیب شروع منحنی برای خطی بودن بار با بواسطهα مشخص شده و شیب ولتاژ و جریان میدان مدار بواسطه 1 α و 2 α مشخص می شود.
مقدار زاویه شیب ولتاژ جریان، مدار بستگی به مقاومت سیم پیچ میدان دارد، زیرا
(1-5)
متن مشخصه شکل α 1.2 نشان می دهد زمانیکه 3 α > 1 α است ماشین در حالت تحریک شده خواهد بود، بر اساس منحنی مشخصه، ژنراتور بایستی تولید یک نیروی الکتروموتیوی 1 E در یک مقدار مشخص نماید که به آن1 F اتلاق می شود و برای ایجاد یک mmf. بایستی یک ولتاژ 1 E > 1 V بر روی سیم پیچ های میدان اعمال گردد.
در حالت 3 α > 2 α ماشین تا منطقه C تحریک می شود. مقدار شیب زاویه 3 α در قسمت منشا مشخصه بی باری اشاره به زاویه بحرانی ماشین دارد. بنابراین شرایطی که ماشین ممکن است در کمتر از آن تحریک شود به صورت زیر بیان می شود.
1-6
شکل 1-1
مقاومت سیم پیچ تقویت کننده تحریک سرخود در صورتیکه سیگنال تحریک در سیم پیچ کنترل تقویت کننده نباشد به صورتی انتخاب می شود که cr باشد (مراجعه به شکل 1.2b)
اگر یک mmf بر اثر سیگنال بوجود آید در این صورت fcont=Icont wcont و همچنین مشخصه ولتاژ -جریان با بیل موازی با خط مستقیم 1 در شکل 1.2 شود و ممکن است موقعیت خط 2 در شکل بوجود آید، در اینحالت تقویت کننده تا نقطه A تحریک شده و یک emfدر سیم پیچ آرمیچر القاء می شود. به راحتی می توان متوجه که emf بوجود آمده مربوط به شار مغناطیسی معینی است که توسط mmf تحریک کامل بوجود می آید.
در نتیجه
(1-7)
که در آن fse=Ise wse مربوط به mmf سیم پیچ تحریک سرخود و wse جزعی از آن سیم پیچ می باشند رسم خط راست OA در شکل 1.2b دو مثلث OAB و CAB بوجود می آید که در آنها داریم.
برای مثلث OAB داریم. cr E= FF tan (1.4a)
برای مثلث CAB داریم. E= FSe tan (1.4b)
شکل 1-2
با تلفیق معادلات (1.3) ، (1.4a) و (1.4b) باهم ما بهره mmf را به صورت زیر بدست می آوریم.
(1-7)
افزایش بهره توان (kp) به توسط نیروی محرکه مغناطیسی در تقویت کننده های تحریک سرخود بیشتر از ماشین های تحریک مستقل می باشد. رابط بین کنترل توان بین دو ماشین در جریان برابر برای هر دو ماشین به صورت زیر بیان می شود.
(1-8)
که pcont و Fcont به ترتیب، کنترل توان و mmf تقویت کننده تحریک سرخود و Pcont ind و Fcont ind به ترتیب، کنترل توان و mmf تقویت کننده تحریک مستقل می باشند. برای کسب توان برابر در هر دوتقویت کننده، Fcon tind بایستی برابر با ff باشد که ff را می توان از معادله (1.3) بدست آورد. سپس بر اساس معادله (1.5) ، معادله زیر را بدست می آوریم.
(1-9)
(1-10)
که در آن Kpind بهره توان تقویت کننده تحریک مستقل می باشد.
همانطور که از معادلات (1.5)و (1.6) می توان متوجه شد بیشترین بهره توان تقویت کننده در زمانی بدست می آید که زاویه شیب منحنی سیم پیچ تحریک سرخود به نزدیکی زاویه بحرانی () رسیده باشد. در صورتیکه زاویه شیب برابر با زاویه بحرانی بشود بهره توان kp به سمت بی نهایت میل می کند.
در صورتیکه باشد تقویت کننده تحریک سرخود غیرقابل کنترل می شود چرا که بدون وجود سیگنال بر روی سیم پیچ کنترل خود به خود تحریک می گردد. از این رو مدار مغناطیسی تقویت کننده دارای پس ماند مغناطیسی می باشد، که باید توجه داشت که برای اجتناب از تحریک خود به خود (بدون ایجاد سیگنال بر روی سیم پیچ کنترل) نبایستی خیلی نزدیک به cr انتخاب شود.
به همین دلیل در عمل منحنی ولتاژ جریان تقویت کننده های چرخشی را 3 تا 5 درصد بزرگتر از زوایه E در مقابل منحنی (f)F در نظر می گیرند.
در برخی از موارد می توان بهره توان تقویت کننده های تحریک سرخود را بین 1500تا 2000 ایجاد کرد. به منظور تعیین کردن متعلقات دینامیکی سیم پیچ موازی تقویت کننده های تحریک سرخود, حالت تحریک سرخود ماشین را در حالت بدون بار آنالیز می کنیم. به همین منظور فرض می کنیم منحنی B – H خطی است (شکل 1.2b) و ژنراتوربا دور ثابت می چرخد جریان eddy گردابی ناچیز است.
اندوکتانس و مقاومت سیم پیچ آرمیچر بسیار کمتر از سیم پیچ تحریک سرخود می باشند در نتیجه می توان از رابطه زیر cont v را محاسبه کرد (در شکل 1.1a مشاهده شود)
(1-11)
که در آن، icont و ise جریانهایی هستند که به ترتیب از سیم پیچ های کنترل و تحریک سرخود می گذرند. Lcont و Rcont اندوکتانس و مقاومت سیم پیچ کنترل می باشند و M اندوکتانس متقابل مابین سیم پیچ کنترل و سیم پیچ تحریک سرخود می باشد.
برای مدار تحریک سرخود داریم
(1-12)
که در آن eA emf = آرمیچر، Rse و Lse مقاومت و اندوکتانس سیم پیچ تحریک سرخود می باشند.
emf آرمیچر را می توان از طریق مثلث AOB در شکل 1.2b مشخص نمود.
(1-13)
که در آن متناظر با mmf ff ، مربوط به جریان ایجاد شده توسط سیم پیچ های تحریک سرخود است. نسبت تبدیل ، Rcr = tan cr= Ea/If مقاومت بحرانی این مدار تحریک می باشد.
فرض کنیدکه ارتباط کامل مغناطیسی بین سیم پیچ های تحریک سرخود و سیم پیچ های کنترل وجود دارد که آن
(1-14)
پس
(1-15)
(1-16)
=
که در آن p=d/dt یک علامت برای مشتق (d/dt) می باشد.
با تبدیل معادله بالا معادله emf به صورت زیر تبدیل میگردد.
(1-17)
(1-18)
با حل معادلات (1.13) و (1.14) باتوجه به مقادیر معادلات (1.5) و (1.9) ما به یک سری معادله emf آرمیچر دست می یابیم که داریم
که در آن و ثابت های الکترومغناطیسی و کنترلی مدار تحریک سرخود هستند.
اگر در لحظهء اولیه emf آرمیچر (t=o) صفر فرض شده باشد، معادله (1.15) به فرم زیر تغییر می یابد.
(1-19)
همانطور که ازمعادله 1.16 می توان متوجه شد مقدار emf موجود در تقویت کننده تحریک سرخود به صورت نمائی با یک ثابت زمانی افزایش پیدا می کند که داریم
که این در زمانی است که یک کنترل ولتاژ ( vcont) بر روی سیم پیچ های کنترل اعمال گردد.
با مقایسه معادله (1.6) و (1.7) دیده می شود که با افزایش بهره توان kp به همراه kf سرعت تقویت کننده کاهش می یابد.
تا زمانیکه1 kf باشد ثابت زمانی معادل (T) بیشتر از مجموع ثابت های زمانی سیم پیچ های تحریک سرخود و کنترل می باشد. به همین دلیل ازتقویت کننده های تحریک سرخود در جاهایی که سرعت پاسخ دهی بالا مورد نیاز می باشد استفاده می گردد.
emf حالت مانا (پایدار) تقویت کننده را می توان بوسیله معادله (1.16) و حل معادله زیر تعیین نمود.
(1-20)
بهره ولتاژ تقویت کننده را می توان با استفاده از رابطه(1-20) به صورت زیر بدست آورد.
(1-21)
شکل 1-3
معادله (1.15)را می توان با استفاده از معادلات (1.17) و (1.19) به صورت زیر نمایش داد.
(1-22)
می توان متوجه شد که تقویت کننده تحریک سرخود یک تابع انتقالی غیرزمانی است.
(1-23)
1-3 تقویت کننده دورانی مغناطیسی متقاطع
1-3-1 طرح مکانیکی و اصول راه اندازی
در این بخش تمام تقویت کننده های الکترومغناطیسی را مورد مطالعه قرار می دهیم.
برای جدا کردن تقویت کننده های مستقل و تحریک سرخود از تقویت کنده های چرخشی متقاطع توجه کنید که در تقویت کننده های مستقل و تحریک سرخود شار اصل مستقیماً از قطب های میدان عبور می کنداما در تقویت کننده های چرخشی متقاطع شار اصلی شار عکس العمل آرمیچر می باشد.
شکل 1.4aدیاگرام شماتیک را نشان می دهد.
شکل 1-4
تقویت کننده الکترومغناطیسی ذاتاً یک ژنراتور d.cبا یک جاروبک می باشد که مدار آن اتصال کوتاه شده و به صورت متقاطع در راستای محور ماشین قرار گرفته است.
استاتور تقویت کننده الکترومغناطیسی شامل یک سری سیم پیچ میدان و همچنین یک سری سیم پیچ کنترلی می باشد که در راستای محور (d d ) چیده شده اند و یک سیم پیچ خنثی کننده نیز می باشد که آن هم در راستای سیم پیچ کنترل قرار گرفته است. جریان سیم پیچ خنثی کننده بوسیله مقاومت موازی (Rsh) قابل کنترل می باشد، یک موارد مشابه شامل سیم پیچ تبدیل کننده ( c c) نیز برای اصلاح ضریب تبدیل نیز وجود دارد. بعضی اوقات، سیم پیچ مغناطیسی کننده متقاطع (Q w ) دارای یک مقاومت کوچک است که به صورت سری با آرمیچر می باشد.
اصول راه اندازی تقویت کننده های الکترومغناطیسی به صورت زیر می باشد.
فرض کنند موتور محرک در سرعت مجاز دوران می کند، در نتیجه ، W=wr
یک ولتاژ d c نیز بر روی سیم پیچ های کنترل اعمال شده است . تحت برخی شرایط شار اندک 1Φ یک emf را که برابر E=Kmw Φ 1 است را در دو مدار محورمتقاطع آرمیچر (q q) ایجاد می کند که به نسبت کوچک می باشد.
مدار متقاطع آرمیچر یک جریانI2 را در زمانی که مقاومت مدار کم می باشد از خود عبور می دهد.
شکل 1.4b جهت حرکت جریان I2 را در بین سیم پیچ های آرمیچر نشان می دهد که این جریان باعث ایجاد عکس العمل آرمیچر ( ) می شود. این شار باعث ایجاد یک emf در مدار محور مستقیم آرمیچر می شود که این emf توسط جارویک از بین می رود (خنثی می گردد). بر اساس emf E3 یک جریانی در مدار ایجاد می شود. که این جریان باعث افت ولتاژ 3 V در کل مقاومت Rload می شود.
شکل 1.4cجهت جریان I3 در هادیها( سیم پیچ های) آرمیچر رانشان می دهد که شار عکس العمل آرمیچر d مربوط به جریان I3 با شار کنترلی 1 شروع به مخالفت می کند. حال اگر ماشین به همی حالت باقی بماند هیچ عمل تقویت کنندگی صورت نمی گیرد. برای تغییر این وضعیت به صورتی که ماشین حالت تقویت کنندگی را نمایش بدهد، یک میدان خنثی کنندگی c را در بین قطب های استاتور جایگزاری می کنیم.
جهت شار عکس العمل آرمیچر d متناسب باfd= I3 است که در آن WA تعداد دور مدار موازی سیم پیچ های آرمیچر می باشد.
به راحتی می توان از معادله 1.22 متوجه شد که شار d متناسب با شکل سیم پیچ ها و متغیر با جریان I3 می باشد که این مشخصه ها بستگی به مقدار مقاومت Rload (مقاومت بار) دارند.
بهترین عمل سیم پیچ خنثی کنندگی C در زمانی بدست می آید که مقدار mmf FC سیم پیچ بستگی به مقدار جریان I3 دارد. به همین دلیل است که سیم پیچ C در مدار محور مستقیم ماشین به صورت سری با سیم پیچ آرمیچر قرار می گیرد.
پس mmf سیم پیچ خنثی کنندگی برابر است با
(1-24)
که در آن wc تعداد دور سیم پیچ های خنثی کنندگی می باشد.
میزان خنثی کنندگی تقویت کننده الکترو مغناطیسی به وسیله یک ضریب به صورت زیر مشخص می شود.
(1-25)
تقویت کننده های الکترومغناطیسی می توانند بر حسب یکی از 3 ملاک زیر عمل نمایند.
1) در k=1 ، که این زمانی است که ماشین درحالت خنثی باشد، به این معنی که، mmf عکس العمل آرمیچر محور مستقیم برابر با mmf سیم پیچ خنثی کنندگی باشد.
2) در k 1، که این زمانی است که ماشین زیر حالت خنثی باشد، به این معنی که ، mmf عکس العمل آرمیچر محور مستقیم بیشتر از mmf سیم پیچ خنثی کنندگی باشد.
3) در k 1 ، که این زمانی است که ماشین در بالای حالت خنثی باشد، به این معنی که ، mmf عکس العمل آرمیچر محور مستقیم کمتر از mmf سیم پیچ خنثی کنندگی باشد.
معمولاً تقویت کننده های الکترومغناطیسی در حالت بالای خنثی شده عمل می نمایند به این معنی که با دارابودن mmf k=5 (5 درصد) بیش از mmf عکس العمل آرمیچر محور مستقیم یا 1.05= k عمل می نمایند. (کار می کنند)
همانطور که قبلاً توضیح داده شد، میزان خنثی کنندگی بوسیله مقاومت موازی
( Rsh ) قابل تنظیم می باشد با تغییر Rsh می توان mmf سیم پیچ خنثی کنندگی را تغییر داد در نتیجه
(1-26)
برای اصلاح کموتاسیون در مدارمحور متقیم آرمیچر، قطب های کموتاسیون را بر روی استاتور و در راستای محور dd قرار می دهیم.
برای اصلاح کموتاسیون در مدار متقاطع آرمیچر، جریان I2 را کم می کنیم در نتیجه شار مدار متقاطع به توسط سیم پیچ های متقاطع مغناطیسی کننده w Q که بر روی استاتور قرار گرفته اند برقرار می گردد. (شکل 1.4a)
این سیم پیچ تولید یک شار ( w Φ Q) می کند که به شار عکس العمل آرمیچر اضافه می گردد.
از این رو در حالتی که سیم پیچ w Q بر روی مدار محور متقاطع جایگذاری می شود، شار متقاطع به صورت زیر حساب می شود.
(1-27)
شکل1.5 به خوبی جایگذاری سیم پیچ ها را نشان می دهد. سیم پیچ کنترلی 1 در شیارهای بزرگ استاتور در امتداد محور متقاطع ماشین قرار گرفته است.
شکل 1-5
شکل 1-6
هر کدام از این سیم پیچ ها شامل چهاردسته هادی می باشند.
شیار بزرگ محور متقاطع به همان خوبی شیارهای کوچک استاتور جبران کنندگی سیم پیچ 2 توزیع شده را اصلاح می کند.
شیارهای متوسط موجود در امتداد محور سیستم اصلاح کموتاسیون سیم پیچ 4 و مغناطیسی کنندگی سیم پیچ متقاطع 5 را بر عهده دارند.
برگشت شیارهای بزرگ یک سیم پیچ از بین برنده میدان مغناطیسی می باشد.
سیم پیچ 6 عمل از بین برندگی مغناطیسی استاتور را به وسیله تغییرات جریان مربوط به پسماند ولتاژ هیسترزیس بر عهده دارد. این قبیل ماشین ها با این مشخصه های استاتور و آرمیچر مجاز به کاربری تا 20 kw می باشند. آرمیچر تقویت کننده الکترومغناطیسی بوسیله d c یا Ac موتور می چرخد که می تواند به صورت ترکیبی یا مجزا نسبت به هم ساخته شود (طراحی شود.)
شکل 1.6A یک نمای عمومی از تقویت کننده نوع Y M 150 را که به وسیله DC موتور دوران داده می شود را به صورت فرم مشترک (صورت ترکیبی) نشان می دهد. شکل 1.6B حالت گسترده تقویت کننده های الکترومغناطیسی را نشان می دهد.
1-4 مشخصه های دینامیکی و استاتیکی تقویت کننده های الکترومغناطیسی
مهمترین مشخصه تقویت کننده الکترومغناطیسی بهره توان آن می باشد، بیشترین بهره توان در تقویت کننده زمان حاصل می شود که تقویت کننده به عنوان یک تقویت کننده دو مرحله ای عمل می نماید. یک مرحله از سیم پیچ کنترل به میدان متقاطع و مرحله بعداز فیدبک میدان متقاطع به خروجی مدار محور مستقیم می باشد.
به همین دلیل، بهره توان کل به صورت زیر می باشد.
(1-28)
که در آن KP1 بهره توان مرحله اول، KP2 بهره توان مرحله دوم می باشد.
در این حالت (در نتیجه)
(1-29)
KP1=
باجایگذاری بهره توان در معادله (1.26) داریم
(1-30)
که در آن r1 مقاومت میدان کنترل می باشد.
بر اساس بار و مشخصه های ماشین می توان بهره توان هر مرحله را مشخص نمود. بر همین اساس جریان عبوری در مدار آرمیچر مستقیم و متقاطع را می توان طبق قانون اهم و نیز ،emf رابر طبق سرعت چرخش و شاری که سیم پیچ ایجاد می کند بیان نمود.
در حالت (k=1) در تقویت کننده الکترومغناطیسی، معادله بهره توان را می توان به صورت زیر بدست آورد.
(1-31)
که در آن c عامل طراحی، و به ترتیب : ضریب هدایت مغناطیسی محور متقاطع و محور مستقیم ماشین می باشند، R3 و R2 به ترتیب، مقاومت تقویت کننده الکترومغناطیسی متقاطع و مستقیم می باشند.
W سرعت زاویه آرمیچر، L1/R1 T1= ثابت زمانی سیم پیچ کنترل ، L2/R2 T2= ثابت زمانی مدار محور متقاطع، L2 و L1 به ترتیب اندوکتانس سیم پیچ کنترل و مدار تقویت کننده الکترومغناطیسی محور متقاطع می باشند.
در نتیجه، مدار مغناطیسی کمتری اشباع شده و همچنین سرعت چرخشی تقویت کننده افزایش یافته و بر اساس همین فرآیند ها بهره توان نیز افزایش می یابد. سرعت تا زمانی می تواند زیاد بشود که باعث خراب شدن وضعیت کموتاسیون در ماشین های محور مستقیم و متقاطع نشود.
بهره توان kp متناسب با ثابت زمانی سیم پیچ های متقاطع و کنترل می باشد. بهره توان به طور گسترده ای بستگی به مقاومت بار و میزان جبران کنندگی تقویت کننده دارد. (شکل 1-7).
در حالت k=1 (جیران شوندگی کامل) ماکزیمم بهره توان را می توان در زمانی که R3=Rload باشد کسب نمود، که این حالت عمومی راه اندازی ژنراتور در بارهای کم مقاومت (passive) می باشد.
اگر تقویت کننده در حالت k > 1 باشد، مغناطیسی کنندگی باعث ایجاد mmf های مختلف در میدان
جبران کنندگی شده و مدار آرمیچر محور مستقیم باعث افزایش بهره توان در کمترین مقاومت بار به نسبت k=1 می شود. همهء این حالت ها بر عکس حالت < 1 k می باشند. شکل 1.7 در مورد بهره توان که به عنوان تا بعی از جریان بار عمل می کند توضیح می دهد.
مهمترین مشخصه استاتیکی تقویت کننده های الکترومغناطیسی مشخصه خارجی و مشخصه کاری آنها می باشد. مشخصه خارجی، توابع I2=f (I3) و (I3) v3=f درحالت سرعت ثابت موتور (سرعت ثابت =W) و سیگنال ثابت موجود بر روی سیم پیچ (ثابت= v1) را نشان می دهد.
شکل 1-8 جریان مدار متقاطع ((I2 به عنوان تابعی از جریان مدار مستقیم ((I3 نشان می دهد، تمام مشخصه ها برای هر 3 حالت k=1، k 1، k 1 داده شده اند.
شکل 1-7
با فرضیات داده شده و فرض اینکه ماشین در حالت) k = 1 ) تمام جبران کنندگی باشد، تنها mmf میدان کنترل هست که در محور مستقیم ماشین وجود دارد. از این رو، mmf بوجود آمده به توسط جاروبک های محور متقاطع از بین رفته (با توجه به ثابت بودن E2). این بدان معنی است که جریان I2 در رنج های مختلف مقاومت بار دارای مقدار ثابتی است.
در زمانی که ماشین در حالت 1 k عمل می کند، mmf مربوط به سیم پیچ جبران کنندگی با mmf میدان کنترل تلفیق شده و باعث افزایش جریان I2 به همران افزایش جریان بار I3 می شود.
در زمانی که ماشین در حالت1 k عمل می کند، mmf مربوط به سیم پیچ
جبران کنندگی بر اثر عکس العمل آرمیچر کاسته می شود در نتیجه جریان I2 با افزایش جریان بار I3 کاهش پیدا می کند.
با توجه به ارتباطات گفته شده در بالا می توان تقویت کننده ها را در رنج های مختلف دلخواه مورد استفاده قرار داد. شکل 1.8b مشخصه خارجی (I3)F=V3 را بر هر 3 نوع جبران کندگی نشان می دهد.
ولتاژ خروجی موجود بر روی بار، درحالت جبران ندگی کامل به صورت زیر بدست
می آید.
(1-31)
که در آن E3، emf بدون بار می باشد.
در حالت جبران کنندگی کامل (k=1) ، با افزایش جریان I3 که در نتیجه اختلاف سطح موجود بین E3 و ولتاژ موجود بر روی مقاومت بار بوجود می آید مقدار ولتاژ تقویت کننده کاهش می یابد.
شکل 1-8
در حالت فوق جبران کنندگی ماشین (1 k )، ولتاژ خروجی را می توان صرفنظر از افزایش یافتن جریان بار I3 ثابت فرض کرد. علاوه بر این، ولتاژ خروجی را می توان به توسط جریان بار زیاد هم کرد.
در حالت زیر جبران کندگی ماشین ( 1 k ) ، ولتاژ خروجی سریع تر از حالت تمام جبران کنندگی (k=1) با افزیاش جریان بار I3 افت پیدا می کند. (کاهش می یابد)
منحنی مشخصه کاری (کارکرد) تقویت کننده ولتاژ و جریان خروجی را به عنوان تابعی از جریان کنترل
در w= ثابت و Rloud =ثابت (شکل 1.9) نشان می دهد. نوع این مشخصه ها بستگی به شکل منحنی B-H ماشین دارد.
در جریان پایین کنترل منحنی به صورت غیرخطی بوده در نتیجه فاکتورهای تغیر بهره وابسته به پس ماند (emf) می باشند. در حالت جریان بالای کنترل این پدیده به عنوان نتیجه جبران کنندگی مدار مغناطیسی رخ می دهد. زمانیکه تقویت کننده در حلقه نزدیک سیستم کنترلی جایگذاری می شود، تقویت کننده به صورت جبران کنندگی زیر عمل می کند (99/0 تا 97/0 k=) در غیر این صورت فوق جبران کنندگی باعث اختلال در کارکرد سیستم به علت ایجاد mmf زیاد شده که این باعث بوجود آمدن نوسان مداوم در سیستم می شود.
شکل 1-9
مشخصات دینامیکی تقویت کننده بر اساس فرآیندهای زوگذر مشخص می شوند، به این معنی که،با افزایش ولتاژ محور مستقیم به عنوان تابعی از زمان f (t)= v3 می توان ولتاژ کنترل (سیم پیچ کنترل) را به عنوان ورودی تقویت کننده بکار برد.
عکس العمل عمومی تقویت کننده را می توان بوسیله ثابت های
1) سیم پیچ کنترل R1 L1 / =
2) مدار محور متقاطع R2 L2 / =
3) مدار محور مستقیم ، که بایستی در حالتی که ماشنی در حالت بارداری عمل می کند حساب شود.
(1-32)
که در آنL3 اندوکتانس سیم پیچ حلقه جریان مستقیم است.
4)حلقه متعادل کننده
به هر صورت، باتوجه به اینکه R3 Rload می باشد، T3 بسیار کمتر از 3 حالت دیگر باقی می ماند در نتیجه می توان آن را نادیده گرفت. عکس العمل تقویت کننده تحت تاثیر کوپل متقابل مابین میدان استاتور و سیم پیچ آرمیچر می باشد. حل معادلات زوگذر کوپلینگ به صورت یک شکل پیچیده بوده و تاثیر آن بر روی فرآیندهای زودگذر بسیار ناچیز می باشد. حال اجازه بدهید تا یک نظری راجع به چگونگی افزایش emf مدار خروجی به عنوان تابعی از زمان در حالت بدون بار با در نظر گرفتن کوپلینگ تقویت کنندگی بیاندازیم.
فرض کنید که سیستم مغناطیسی تقویت کننده درحالت مستقیم و محور متقاطع اشباع نشده باشد.
2)ندوکتانس سیم پیچ های کنترل، متعادل کنندگی و کموتاسیون هیچ ارتباطی با سیم پیچ های مدار متقاطع ندارند. می توان افزایش emf مدار خروجی را به عنوان تابعی از زمان با حل 4 معادله زیر بدست آورد.
1) برای سیم پیچ کنترل
(1-33)
که در آن M1c اندوکتانس متقابل مابین سیم پیچ کنترل و سیم پیچ متعادل کنندگی می باشد. Ic جریان سیم پیچ متعادل کنندگی می باشد.
2) برای حلقه متعادل کنندگی
(1-34)
O=Rcic+Lc
که در آن RC و LC به ترتیب : مقاومت و اندوکتانس حلقه جبران کنندگی می باشند. MC1=MIC
3) برای مدار آرمیچر محور متقاطع
(1-35)
e2=a1i1+acic=R2i2+l2
که i2 جریان مدار محور متقاطع و a1 و ac فاکتورهای متناسب می باشند.
شکل 1-10
4)برای مدار آرمیچر محور مستقیم(1.34) 2i2a=e3که در آن a2 فاکتور تناسب می باشد.
a1 و 2 a و ac فاکتورهایی هستند که به توسط مشخصه طراحی، آرمیچر، سرعت آرمیچر و اندوکتانس سیم پیچ های مربوطه مشخص می شوند.
شکل 1.10 دیاگرام کوپلینگ موجود بین میدان های تقویت کننده را در طی حالت ناپایدار نشان می دهد. با فرض مشترک بودن فاکتور کوپلینگ القایی مابین میدان های کنترل و متعادل کنندگی معادلات (1.34) و (31 1.) را می توان به صورت زیر نوشت.
(1-36)
Kv v1=(t1+tc) t 2 p2 e3 +(t1+ t2 +tc) pe3 + e3
که در آن 2 R1 R / 2a1 a k V= بهره ولتاژ می باشد. (KV)
با حل معادله (1.35) به یک معادله ای می رسیم که تغییرات موجود در emf e3 که تابعی از زمان می باشد را به ما نشان می دهد.
(1-37)
شکل 1-11 مشخصه دینامیکی آمپلیدین
معاده (1.36) را می توان به صورت زیر ساده کرد. در حالتی که T1 + TC T2 باشد معادله زوگذر را می توان به صورت زیر نوشت
(1-38)
(e3 =kv v1 (1 – e-t /t2
همانطور که از معادله (1.36) و (1.37) می توان متوجه شد تقویت کننده مغناطیسی دارای 2 جزء غیرنوسانی می باشد.
شکل 1-11 مشخصه دینامیکی تقویت کننده رانشان می دهد.
منحنی 1 طبق معادله (1.36) و منحنی 2 طبق معادله (1.37) کشیده شده است.
تابع انتقالی تقویت کننده بر اساس معادله (1.35) بدست می آید
(1-39)
5.1- کاربرد تقویت کننده های چرخشی
تقویت کننده های چرخشی ماشینهایی هستند که به صورت گسترده درکنترل سیستم ها و محرک های اتوماتیک الکتریکی مورد استفاده قرار می گیرند. ژنراتور و تحریک کننده (exciter) ذاتاً در ولتاژهای مختلف به صورت اجزاء بهم پیوسته تقویت کننده چرخشی عمل می کنند. مزیت های برجسته آنها در زیر مورد بررسی قرار گرفته اند:
(1) بهره توان بالا
(2) ورودی توان کم که این امکان را ایجاد می کند که سیم پیچ های کنترل به طریق الکترونیکی و تقویت کنندهای نیمه هادی تغذیه گردند.
(3) زمان پاسخ نسبتاً سریع، که این به علت ثابت زمانی کوتاه مدار تقویت کننده است که معادل ثابت زمانی الکترومگنتیک (electromagnetic) 0/1 تا 0/2 ثانیه می باشد.
(4) قابلیت اطمینان بالا، عمر بالای کارکردو محدودهء بالای توانایی کنترل قدرت
(5) تنظیم محدوده های مختلف جبران کنندگی برای استفاده در مشخصه های مختلف
تقویت کننده الکترومغناطیسی البته این تقویت کننده دارای معایبی نیز می باشد
(1) ابعاد و حجم بالای دستگاه در مقایسه با ژنراتور dc.
(2) وجود پس ماند ولتاژ به علت پدیده هیستر زیس.
emf القاء شده در آرمیچر به علت پس ماند شار مغناطیسی باعث انحراف مشخصه خطی ولتاژ خروجی که تابعی از ولتاژ ورودی می باشد که این به علت این است که شار پس ماند مغناطیسی باعث افزایش شار کنترل در یک جهت و کاهش آن در جهت معکوس می شود.
گذشته از این، به علت تاثیر پس ماند emf، تقویت کننده در حالت فوق جبران کنندگی ممکن است به صورت خود تحریک عمل کند که این باعث از دست دادن کنترل در مقاومت بارکم و سیگنال ورودی صفر می شود.
این حالت را می توان به این صورت توصیف کرد که در زمانیکه شار محور مستقیم ماشین متاثر از میدان
جیران کنندگی افزایش پیدا می کند برابر شار پس ماند مغناطیسی می شود به طوریکه دیگر میدان جبران کنندگی قابل کنترل نمی باشد.
برای خنثی کردن اثر شار پس ماند مغناطیسی، یک چیدمان دیا مغناطیسی در تقویت کننده الکترومغناطیسی صورت گرفته و همچنین تقویت کننده در حالت زیر جبران کنندگی عمل می نماید.
بایستی این نکته مورد توجه قرار گیرد که امروزه تقویت کننده ها در سیتم های ward- leonard به عنوان
تقویت کننده های مغناطیسی طبقه بندی شده اند.
امروزه تقویت کنندهای الکترونیکی باعث کم توجهی به سیستم های motor-generator شده اند چرا که عمل تقویت کننده ها به عنوان ژنراتور و تغذیه موتور عمل می نمایند که سیستم های محرک آنها به صورت الکترونیکی عمل می نمایند.
این محرک ها در نیازهای مختلف (محدوده) مورد استفاده قرار می گیرند و همچنین تولید آنها روز به روز افزایش می یابد.
به عنوان مقایسه با سایر محرک ها، تقویت کننده موتور ژنراتور دارای خروجی 10 kw به بالا می باشندکه این باعث کاربرد آنها در تاسیسات شده است.
در زیر چند مثال در مورد کاربرد تقویت کننده ها در سیستم های کنترل اتوماتیک آورده شده است.
شکل 1-12 ولتاژ سینوسی تقویت کننده سیستم کنترل اتوماتیک را نشان می دهد. این سیستم در تولیدات رادیویی برای تیونینگ تلویزیونها و گیرنده های رادیویی که ولتاژ به صورت شکل های مختلف از تابع زمان عمل می کند بکار برده می شود.
همانطور که از شکل 1.12 مشاهده می شود، یک ولتاژ 3 فاز نوسانی (ac) بر روی رتورو ترمینالهای ورودی استاتور اعمال شده است که باعث القاء IR می شود.
ولتاژ تثبیت شده خروجی به وسیله ترمینالهای خروجی استاتور از بین می رود.
سیگنال خطای تقویت شده توسط تقویت کننده الکرونیکی EA بر روی یکی از سیم پیچ های کنترل CW1 یا CW2 اعمال می شود. میزان بازدهی تقویت کننده بسته به پلاریته مستقیم یا معکوس سیگنال خطا دارد بر همین اساس سروو موتور SM رتور را چه با ولتاژ پلاریته مستقیم چه معکوس دوران می دهد.
شکل1-13 دیاگرام شماتیک ماشین جوشکاری نیمه خود کار را که برای جوشکاری یک نقطه شیشه ای به مخروط فلزی استفاده می شود را نشان می دهد. جوشکاری در دمای 11000تا 1200 با ایجاد جریانهای فرکانس بالا که این جریانها خود توسط ژنراتور SL فرکانس بالا ایجاد شده اند انجام می شود. میدان سیم پیچ ژنراتور FW به وسیله توان تقویت کننده به صورتیکه یک خروجی ولتاژ پایداری را داشته باشد ایجاد می شود. در این مدار تقویت کننده الکترومغناطیسی به عنوان تقویت کننده توان و جبران کنندگی عناصر عمل می نماید.
شکل 1-12
ولتاژ V1 موجود بر روی ترمینالهای سیم پیچ کنترل تقویت کننده (CW1) سطح خروجی ولتاژ و وضعیت راه اندازی ژنراتور را مشخص می نماید. فیدبک ولتاژ منفی توسط خروجی ترمینالهای سیم پیچ ژنراتور بر روی سیم پیچ کنترل تقویت کننده (CW2) اعمال می شود. یک افزایش در خروجی ولتاژ ژنراتور SL باعث کاهش شار منتجه کنترل تقوت کننده که مربوط به سیم پیچ های CW1 و CW2 می باشد می شود و به همین دلیل باعث کاهش میدان جریان ژنراتور نیز می شود. به این صورت می توان خروجی ولتاژ ژنراتور را در سطح مورد دلخواه قرار داد.
شکل 1.12 و 1.13 دیاگرام تقویت کننده مورد استفاده در تولیدات رادیویی صنعتی را نشان می دهد.
شکل 1-13
مدارات مشابه ای نیز، در سیستم های کنترل اتوماتیک که در آنها تقویت کننده به عنوان تقویت کننده توان عمل می کند بکار برده می شدند. بدین منظور چندین میدان کنترل به منظور مقایسه (هم سنجی) سیگنالها و بکارگیری مدارات فیدیک وار مورد استفاده قرار می گیرند.
2- موتورهای الکتریکی کسری اسب بخار
1.2- اطلاعات عمومی و طبقه بندی
موتورهای کسری اسب بخار در سیستم های کنترل اتوماتیک، کنترل از راه دور، سیستم های سر هم بندی و دیگر سیستم هایی که توان آنها در حدود 450 می باشد مورد استفاده قرار می گیرند.
بر اساس طراحی و اصول کارکرد، این ماشینها به 3 نوع کموتاتوری، القائی و سنکرون طبقه بندی شده اند.
نوع کموتاتوری شامل
(a) موتورهای جریان مستقیم
(b) موتورهای جریان متناوب
(c) موتورهای یونیورسال که مناسب جهت راه اندازی به صورت dc و Ac می باشند.
موتورهای کسری اسب بخاری dc کموتاتوری موتورهایی هستند که بر اساس ساختمان آرمیچر از یکدگیر متمایز می شوند:
آرمیچر سیلندری، آرمیچر حفره مغناطیسی و آرمیچر دیسکی. از انواع آرمیچر این نوع موتورها می باشند.
موتورهای کسری اسب بخار القائی در سیستم های کنترل اتوماتیک بر مبنای 3 مدل در دسترس
می باشند. رتور قفس سنجابی، رتور غیرمغناطیسی (hollow nonmagnetic ) و رتور مغناطیسی
(hollow magnetic rotor ) موتورهای کسری اسب بخار سنکرون در سیستم های کنترلی که داشتن یک سرعت دقیق بسیار مهم می باشد مورد استفاده قرار می گیرند که دارای انواع رلوکتانس، هسته زمین و رتور فعال (active – rotor) می باشند.
بیشتر موتورهای اسب بخار کسری در سیستم های کنترلی و واحدهایی که به عنوان servo موتور عمل می کنند مورد استفاده قرار می گیرند.
سرو موتورها ماشینهایی هستند که یک سیگنال الکتریکی را تبدیل به یک سرعت زاویه و در نتیجه ایجاد یک حرکت بر روی شفت رتور این موتورها می نمایند.این موتورها اسبابی برای تبدیلات اساسی می باشند. این موتورها توانایی کارکرد در شرایط کارکرد متوالی و یا مرحله به مرحله را بستگی به ساختمان موتور دارا می باشند. سرو موتورهای تحریک مستقل شامل موتورهای ferraris ژنراتورهای تقویت کننده الکترومغناطیسی و موتورهای پله ای سنکرونیزه می باشند.
کاربرد هر یک از مدل های سرو و موتور بستگی به سیستم های کنترل اتوماتیک، هدف از کاربرد این سیستم، وضعیت راه اندازی، و قطعات مورد استفاده که با سیستم match می شوند دارد.
سرو و موتورها بر مبنای تجهیزات به صورت زیر ملاحظه می گردند.
(1) مشخصه حالت مانا و خطی ماشین که بر اساس رنج (range) سرعت دائمی ماشین می باشند.
(2) رابطه خطی بین سرعت رتور و سیگنال های کنترل الکتریکی همراه با یک رنج وسیع از کنترل سرعت
(3) بدون اینرسی (موتورهایی که بدون تاخیر عمل می کنند)
(4) پاسخ سریع
(5) توان کنترل کم در زمانی که یک بار سنگین مکانیکی برای شنت اعمال شده،
موتورهای کمکی محرک برای کار با انواع موتورهای شرح داده شده در بالا برای حرکت دادن مکانیزم و تجهیزات مجزا مورد استفاده قرار می گیرند. تجهیزات مورد نیاز موتورهای کسری اسب بخار بر اساس کاربرد آنها در بخش o.2 موجود می باشند.
.22- سرو و موتورهای DC ، مکانیزم طراحی و اصول راه اندازی
همانطور که پیش از این ملاحظه شد، از موتورهای سرو DC که دارای کموتاتور ترانزیستوری
(بدون ارتباط) هستند می توان به همان کیفیت و تناسب موتورهای سرو که دارای کموتاتور و جاروبک هستند استفاده نمود.
سرو موتورهایی که دارای آرمیچر سیلندری هستند فرق آنچنان محسوسی با ماشینهای DC نوعی (typical ) ندارند به همین دلیل در این مقاله توجه ای به آنان نشده است.
3.2- موتورهای بدون ارتباط کسری اسب بخار به همراه کموتاتور ترانزیستوری
با توجه به پیشرفت و توسعه نیمه هادیها این امکان بوجود آمد که بتوان جاروبک و کموتاتور را در موتورهای DC حذف نمود. این امکان با استفاده از کموتاتور کنترل شده ترانزیستوری که توسط موقعیت آشکار ساز کنترل می شود انجام می شود. در یک موتور DC که در آن نیمه هادی کموتاتور جایگزین کموتاتور و جاروبک مکانیکی شده است، چند مزیت وجود دارد از آن جمله تداخل کمتر امواج علی الخصوص در دورهای بالا که جرقه های بوجود آمده بر روی جاروبک ایجاد تداخل امواج رادیویی می کردند می باشد. موتوری که دارای کموتاتور نیمه هادی باشد را به عنوان یک موتور بون ارتباط کسری اسب بخار می شناسند.
موتورهای DC بدون ارتباط کسری اسب بخار دارای خصوصیات زیر می باشند.
(1) سیم پیچ قدرت آرمیچر بر روی استاتور قرار داده شده و شامل یک یا بیشتر از یک هسته جایگذاری شده به طور مجزا می باشد. رتور دارای ساختار مغناطیسی دائم می باشد.
(2) آشکار سازی وضعیت بدون ارتباط (contactless) به فرم ترانسفورماتوری، القائی یا انتقالی
فتو الکتریکی و … جایگذاری می شود. در این حالت شار موجود بر روی محور رتور که بر اثر شار استاتور بوجود می آید تعیین کننده جریان کموتاسیون در این هسته می باشد.
(3) در بسیاری از اوقات در این مدل موتورها ترانزیستور با وارد شدن سیگنال از طرف آشکار ساز بیشتر از توان نامی خود توانایی عمل دارد.
بر اساس این سه خصیصه می توان این نوع موتورهارا از موتورهای نوع معمولی متمایز نمود. در این مدل(دارای جاروبک و کموتاتور) نوسانات کموتاسیون آرمیچر را بسته به سرعت رتور بوده به همین دلیل می توان ماشین را به طور مناسبی کنترل نمود.
با تمهیداتی موتور DC بدون ارتباط می توان به طور مستقل (بدون وابستگی به سرعت رتور) این عمل را انجام دهد.
در شکل 2.4 یک نمای کلی و ساده از موتور DC بدون ارتباط که شامل 1-استاتور با یک سیم پیچ
2-رتور مغناطیسی دائم و 3-یک جفت قطب می باشد نشان داده شده است. به مجرد اینکه یک ولتاژ DC بر روی ترینالهای سیم پیچ استاتور اعمال شود، بر اثر این ولتاژ جریان از سیم پیچ ها می گذرد که متقابلاً ایجاد میدان کرده که این میدان با شار رتور ایجاد یک گشتاوری می نماید. 2 عدد ترانزیستور به نامهای D1 و D2 بر روی فرم موتور نصب شده و همچنین یک دیسک فرومغناطیسی بر روی شفت رتور سوار شده است که به عنوان آشکار ساز رتور عمل می نماید، تا زمانیکه خروجی سیم پیچ های آشکار ساز با مدارهای مختلف در ارتباط هستند، سیگنال توسط هر آشکار ساز در لحظه ای که دوبازوی ترانسفورمر با هم درگیر هستند تولید می شود. در شکل نشان داده شده (شکل 2.4)، سیگنال کنترل کموتاتور ترانزیستور (شماره 5) از بین برنده
(off Picked) آشکار ساز D1 و کموتاتور ولتاژ مورد نیاز پلاریسیون سیم پیچ استاتور را تـامین می کند.
در زمانیکه سیگنال،کنترل آشکار ساز D2 را از بین میبرد،کموتاتور ولتاژ مورد نیاز عکس پلاریسیون سیم پیچ استاتور را تامین می کند.
زمانیکه آشکار سازهای D1 و D2 در امتداد محور سیم پیچ استاتور قرار گرفته و دیسک CC متقارن باشد این حالت نرمال، برای محور قطب رتور می باشد. در عمل، قطبیت معکوس کموتاتور که مربوط به ولتاژ سیم پیچ استاتور می باشد در یک لحظه شار محور رتور آن را قطع می نماید در نتیجه یک جریان در سیم پیچ استاتور بوجود آمده که باعث می شود شار مغناطیسی استاتور جهت خود را عوض نماید (طبق شکل نشان داده شده در 2-1). بنابراین گشتاور موتور (T ) در داخل موتور و به صورت یک طرفه ایجاد می شود. به عبارت دیگر، کموتاتور ترانزیستوری همانند یک کموتاتور معمولی ماشین DC عمل می نماید.
از این رو، بر اثر اثرات متقابل شارهای استاتور S و شارهای وتور r می توان گشتاور منتجه را به طریق زیر محاسبه نمود.
(2-1)
که =0-1800 زاویه بین محورهای شارها وK فاکتور طراحی می باشد.
شکل 2-1
شار r به صورت دائمی و شار استاتور S بسته به جریان سیم پیچ استاتور Is در حالتی که مدار مغناطیسی اشباع نشده است تغییر می کند. به همین دلیل، معادله گشتاور را می توان به صورت زیر بیان نمود.
(2-2)
Sin Is T = km
که در آن km فاکتوری است که مقدار آن بستگی به شار رتور و مشخصه های طراحی استاتور دارد.
همانطور که از بحث های انجام شدهء اصول راه اندای و معادله گشتاور ذکر شده در بالا می توان متوجه شد این موتورها دارای چند اشکال می باشندکه از آن جمله می توان به نوسانات قابل ملاحظه گشتاور در داخل رتور اشاره نمود که برای رفع این مشکلات از سیم پیچ قدرت چند هسته ای (multicoil power winding) استفاده می کنیم. این سیم پیچ را می توان به فرم های زیر سرهم بندی نمود.
(a) اتصال مثلث (شکل 2-3a)
(b) اتصال موازی با منبع قدرت (شکل 2.3b )
(c) اتصال سری با منبع قدرت (شکل 2.3c)
(d) اتصال ستاره (شکل 2.3d)
شکل 2-2
در بعضی موارد، معادله گشتاور را می توان به فرم زیر درآورد:
(2-3)
که در آن فاصله کموتاسیون داخلی (inter commutating inervel ) و می باشد داخل با افزایش تعداد هسته به سمت 0 میل می کند.
ناپایداری سرعت رتور به عنوان یک نسبت از ماکزیمم تغییرات سرعت رتور تعیین می شود در نتیجه
(2-4)
شکل 2-3
میزان ناپایداری وابسته به تعداد هسته های سیم پیچ استاتور و ارتباط آنها دارد. که این اتفاق در سرعتهای w پایین رخ می دهد و این ناپایداری رابطه عکس با مقدار اینرسی رتور دارد.
شکل 2.4 منحنی ناپایداری برای یک موتور با اتصال سیم پیچ مثلت (منحنی 1) و اتصال سیم پیچ ستاره(منحنی 2) را نشان می دهد. مدارات مخصوص مدولاسیون برای ولتاژ یا جریان هسته استاتور جهت انجام اصلاحات گشتاور و پایداری سرعت استفاده می شوند. با مقایسه موتورهای کسری اسب بخار بدون ارتباط (ترانزیستوری) که در حالت های سیم بندی مختلف هسته مورد استفاده قرار می گیرند متوجه می شویم که :
(1) اتصال سیم پیچ مثلث دارای راندمان بالا، جرم کمتر، بهره برداری بیشتر از مدار بکار برده شده و ناپایداری کم سرعت به علت استفاده از سیم پیچها در این نوع اتصال به عنوان الکترومغناطیسی در برابر رتور در هر لحظه می باشد.
(2) سیم پیچ با هسته متصل شونده به صورت موازی با منبع قدرت مورد استفاده قرار می گیرد.
بیشترین مقدار هسته در سیم پیچ قدرت آرمپچر بر روی استاتورموتور ترانزیستوری
(بدون ارتباط ) قرار می گیرد.
شکل 2-4
افزایش تعداد هسته ها باعث افزایش تعداد آشکارسازها، ترانزیستورهای کموتاتور و پیچیده شدن طراحی عناصر آشکار ساز می شود. به همین دلیل در عمل برای یک موتور بدون ارتباط (ترانزیستوری) بیش از 3 یا 4 هسته استفاده نمی شود.
حجم و جرم موتورهای بدون ارتباط کسری ممکن است یک مقدار بیشتر از موتورهای دیگر کسری DC باشد، که این به علت دیمانسیون و جرم کموتاتور آنها می باشند.
موتورهای استفاده شده به عنوان سرو موتور به صورت تحریک توسط میدان مغنایسی دائم و یا تحریک به توسط میدان الکترومغناطیس مستقل می باشند. مبنای تمام این موتورها تقریباً یکسان است زیرا که در هرحالت شار مغناطیسی مستقل از شرایط راه اندازی (شرایط کار) می باشد.
مزیت ماشین تحریک توسط میدان مغناطیسی دائم در این است که میزان میدان بستگی به منبع قدرت نداردکه این باعث افزایش حرارت ماشین شده در نتیجه مقاومت و جریان میدان افزایش یافته از این رو، شاهد یک تغییرات عمده در شار می باشیم. راندمان ماشین تحریک شده توسط میدان مغناطیسی دائم نسبت به تلفات این ماشین بیشتر می باشد. به همین دلیل، آنها توانایی تولید توان خروجی بیشتر در دیمانسیون برابر و محدویت حرارتی برابر را نسبت به تحریک میدان الکترومغناطیسی مستقل دارا می باشند.
مشکلی که موتورهای مغناطیسی دائم دارند این است که با گذشت زمان میدان بدتر می شود. این اشکال را می توان به واسطه استفاده از مواد مغناطیسی جدید با کیفیت بالا رفع نمود. یکی دیگر از مشکلات این ماشینها هزینه نگهداری بالا و مواد اولیه گران برای تولید قطب های ماشین می باشد.
موتورهای سرو DC کسری دارای راندمان نسبتاً بالایی در حدود 50 یا 40 درصد در وات می باشند.
شکل 2-5
افت بازده در این ماشینها (موتورها) به علت افزایش تلفات مقاومت آرمیچر و تلفات I2R می باشد. حجم و اندازه این موتورها در مقایسه با سرو موتورهای القائی که دارای توان برابر با این موتورها می باشند 2 تا 4 برابر کوچکتر است.
شکل 2-8 چند نمونه از بازده و قدرت خروجیq برای چند نمونه ازموتورهای کسری (شکسته) سرو را نشان می دهد.
سرو موتورهای DC شکسته که با ترکیب جاروبک و کموتاتور عمل می کنند، در زمان کارکردن ایجاد یک سری نویز به علت جرقه زنی در روی جاروبکها می کنند که این جرقه ها باعث ایجاد یک طیف فرکانس رادیویی الکترومغناطیسی می شوند. همچنین در زمانی که یک موتور از یک منبع مستقل تغذیه می شود ایجاد یک ریپل ولتاژ جریان می کند (در آرمیچر) که این امر باعث افزاش هارموتیکهای ولتاژ جریان در مدار می شود.
این اشکالات را به دو روش می توان حذف نمود:1. بوسیله حفاظ و2 .نصب فیلترهای الکتریکی.
از دو نوع رفع اشکال ذکر شده در بالا نوع حفاظتی آن بیشتر موثر می باشد. در این حالت فرم موتور توسط یک پوشش فلزی بر روی کموتاتور و جاروبک پوشش داده می شود.
فیلترهای الکتریکی جایگذاری شده در مدار آرمیچر باعث حذف هارمونیکهای مدار شده که این فیلترها به صورت L و U در مدار نصب می شوند. (شکل 2 . 9) در این مدار جادادن چند فیلتر با هم نشان داده شده است.
4.2- روش های کنترل سروموتورهای DC شکسته
سرعت رتور معمولاً به دو روش کنترل می شود.
(1) بوسیله یک سیگنال متناوب نسبت به زمان سیگنال می تواند به شکل ولتاژ آرمیچر یا ولتاژ میدان هسته مورد استفاده قرار گیرد. (کنترل میدان)
(2) پالس های کنترل شده که توسط ولتاژ به موتور اعمال می شوند.
1.4.2- کنترل میدان
زمانیکه که روش کنترل میدان در سرو موتورهای شکسته (کسری) استفاده
می شود، میدان هسته ها به عنوان سیم پیچ کنترل که بوسیله یک ولتاژ تنظیم شده از یک منبع مستقل قدرت تغذیه می شود عمل می کند.
(شکل 2.6) این ولتاژ به عنوان ولتاژ تحریک VF عمل می کند. تغییرات سرعت آرمیچر بوسیله کنترل Vcont که بر روی سیم پیچ میدان اعمال می شود کنترل می شود.
فرضیات زیر در آنالیز مشخصه موتور بکار می روند. (باید مد نظر قرار بگیرند):
سیستم مغناطیسی موتور نبایستی اشباع شده و عکس العمل آرمیچر را نیز نباید نادیده گرفت.
شار ماشین با کنترل ولتاژ تغییر می کند. برای یک نسبت سیگنال دلخواه داریم که در آن میزان شار 1 = است.
با استفاده از معادله های 2 – 1 و 2-2 ما یک مشخصه گشتاور مشخص به صورت زیر بدست
می آوریم.
(2-5)
در بالا با توجه به و معادله 2 . 5 می توان معادله زیر را به دست آورد.
(2-6)
که در آن معادله مشخصه گشتاور سرعت در حالتیکه گشتاور موتور T مقدار مشخصی باشد
می باشد.
گشتاور سرعت و مشخصه کنترل این موتورها بر طبق معادله 2 . 18 استوار بوده و شکل آن در شکل 6.2نمایش داده شده است.
شکل 2-6
از روی معادله 2.6 و شکل 2.5 می توان متوجه شد که مشخصه گشتاور سرعت این موتورها در حالت کنترل میدان خطی می باشد. فاکتور میرایی ماندگار
(2-7)
2-=kd
بوده و منفی آن در هر حالت نسبت سیگنال، (شکل 2.7a) می باشد (وجود دارد) بنابراین، حالت مانا (ماندگاری) موتور در تمام رنج های مختلف سرعت که با ولتاژ تغییر می کنند وجود دارد.
در گشتاور بارکم مشخصات کنترل مهم می باشند که این به علت عکس العمل یک سرعت به نسبت سیگنال می باشد.
تقویت حالت مانا در وضعیت کنترل میدان یک تابع غیرخطی از نسبت سیگنال(شکل 2.7b) می باشد.
در نتیجه
(2-8)
مشخصه های کنترل موتورهای کسری از روش کنترل میدان در حالت بدون بار ( ) که در آن نسبت سیگنال به سمت بی نهایت میل می کند استفاده می کنند.
درعمل این مشخصه به توسط اصطحکاک جاروبک ها،یاتاقان ها و مقاوت هوا تغییر می کند.
درحالت کنترل ولتاژ صفر، گشتاور بر اثر فعل و انفعال مابین شار پس ماند مغناطیسی قطب ها و جریان آرمیچر ایجاد می شود. از این رو در حالت کنترل میدان، لختی دائمی ممکن است ایجاد شود.
اگر گشتاور استاتیکی موجود بر روی شفت موتور بیشتر از گشتاور ایجاد شده توسط شارژ
پس ماند مغناطیسی باشد، رتور ممکن است از حرکت باز ایستد.
توان مصرف شده بوسیله هسته میدان می تواند به عنوان تابع کنترل قدرت عمل نماید در نتیجه
(2-9)
RF/v2cont=Pcont
شکل 2-7
که این توان بیش از 5 تا 20 درصد توان ورودی نمی باشد.
با بررسی و آنالیز نوع سیم بندی و منحنی مشخصه ها که در بالا ذکر شد می توان هر دو روش کنترل دائم سرو موتورها را با هم مقایسه نمود.
مزیت های روش کنترل آرمیچر به صورت زیر می باشند:
(1) مشخصه خطی و معلوم، صرفنظر از میزان گشتاور (بدون وابستگی به میزان گشتاور)
(2) گین حالت مانا ثابت
(3) برقراری مشخصه های گشتاور سرعت در تمام مقادیر سیگنال کنترل
(4) فاکتور میرایی ذاتی در کنترل ولتاژ دلخواه که زمان فرآیند الکترومکانیکی زودگذر را کاهش
می دهد.
(5). فلوجریان موجود بر روی جاروبکها در زمانی که رتور عمل می کند (دوران می کند) برقرار است که این مانع از سوختن کموتاتور بر اثر حرارت بوجود آمده به علت بی حرکتی آرمیچر شود.
(6) القاء کمتر سیم پیچ آرمیچر در مقایسه با هسته میدان
(7) وجود نداشتن هیچ گونه خطر به علت لختی
روش کنترل میدان توان کنترلی کمتری نسبت به روش کنترل آرمیچر احتیاج دارد.
روش کنترل آرمیچر به طور گسترده در سیستم های کنترل اتوماتیک مورد استفاده قرار می گیرد.
همانطور که قبلاً مشاهده شد، معادلات گشتاور سرعت و مشخصه های کنترلی سرو موتورهای DC کسری با توجه به نادیده گرفتن عکس العمل آرمیچر بدست آمدند. اما در عمل، مشخصه های خطی نشان داه شده در شکل ها به علت وجود عکس العمل آرمیچر یک مقدار نامنظم (غیرخطی) می باشند.
یکسانی مشخصه های گشتاور سرعت سرو موتورهای DC بوسیله توان آنها در نتیجه افزایش مقاومت سیم پیچ آرمیچر کاهش می یابد.
هسته کموتاسیون سیم پیچ آرمیچر شمار بیشتری از دوران نسبت به ماشینهای Sliding-contact دارد. این خصیصه باعث می شود در صورت استفاده از تحریک الکترومغناطیسی در مدار کموتاتور بتوانیم گشتاور سرعت و مشخصه کنترل موتور را بدست بیاوریم بیشتر موتورهای بدون ارتباط (ارتباط توسط ترانزیستور) به هر صورت از تحریک مغناطیسی دائم استفاده می کنند. رتور مغناطیسی دائم دارای نفوذپذیری کم می باشد، به همین دلیل القاء رتور بسیار ناچیز می باشد. در نتیجه این فرآیند گشتاور سرعت و مشخصه های مکانیکی موتورهای بدون ارتباط بطور عملی خطی می شوند، همانطور که در موتورهای دارای کموتاتور Sliding-contact می باشند.
زمانیکه تحریک الکترومغناطیسی برای این موتورها استفاده می شود، مشخصه های خطی موتور به علت خود القایی ولتاژ داخلی کموتاتور مختل می شوند.
2.4.2- کنترل پالس
سیستمهای کنترل اتوماتیک توان پایین بطور گسترده روش کنترل پالس را در سرو موتورهای کسری مورد استفاده قرار می دهند. در این روش با استفاده از تغییرات مقدار ولتاژ می توان سرعت رتور را کنترل نمود. به طور ساده، موتور توسط ولتاژ کنترلی دامنه ثابت ( V cont ) که بر آن اعمال می شود حرکت و یا ترمز می کند. به علت اینکه سرعت موتور به علت حرکت و توقف دارای یک سرعت مشخصی نیست در نتیجه از یک سرعت میانگین به نام استفاده می کنیم. با توجه به گشتاور بار و ولتاژ میدان سرعت میانگین را به صورت زیر می توان نوشت.
(2-10)
T=tp/Tp
که در آن tp مدت پالس، Tp پریود پالس (شکل 2.8) می باشند.
سرعت لحظه ای رتور به طور پیوسته در یک رنج مشخصی از تغییرات داخلی سیستم اتفاق می افتد.
دامنه تغییرات این نوسانات نسبت عکس با ثابت زمانی مشخصه الکترومکانیکی دارد.
دامنه تغییرات این نوسانات نسبت عکس با ثابت زمانی مشخصه الکترو مکانیکی دارد.
دامنه تغییرات با افزایش فرکانس پالس کنترلی و ثابت زمانی الکترومکانیکی کاهش پیدا می کند. بدین وسیله می توان سرعت میانگین را در یک حد مشخص ثابت نگه داشت.
به منظور اینکه سرعت رتور بتواند با یک فاکتور کار مناسب مشخص شود، رتور می بایست در پریود خاموش کردن ترمز نماید. که برای ترمز نمودن می توان هم از روش مکانیکی و هم از روش الکتریکی سود برد. در یک فاکتور میانگین سرعت ممکن است وابسته به گشتاور بار و ولتاژ میدان باشد،جرا که،حالت مانا سرعت رتور با تغییرات گشتاور بار و ولتاژ میدان تغییر می کند.از این رو، روش کنترل پالس امکان کنترل رتور را در اختیار ما قرار می دهد. مهمترین چیدمان مدار کنترل پالس به صورت کنتاکتهای کنترل با استفاده از رله های الکترومغناطیسی (شکل 2.9a) و یا رله های بدون ارتباط (ترانزیستور شکل 9c.2 ) می باشد.
شکل 2-8
در زیر بحثی راجع به گشتاور سرعت و مشخصه های کنترل سرو موتورهای DC که در آنها کنترل پالس بر مبنای شکل 2.9a قرار گرفته انجام می دهیم.
منحنی گشتاور سرعت مربوط به این موتور یک منحنی است که میانگین سرعت را در مقابل گشتاور استاتیکی tst در یک مقدار ثابت از فاکتور relative duty نشان می دهد. مشخصه کنترلی یک منحنی است که سرعت میانگین حالت مانا را بر اساس فاکتور relative duty در زمانی که یک گشتاور استاتیکی ثابت بر روی شفت موتور وجود دارد نشان می دهد.
در یک نوسان لحظه ای سرعت در زمان رگولاسیون (تنظیم)، می توان زمان فاصله ti را در حالت تغییرات گشتاور موتور نادیده گرفت. در بعضی موارد، پریود شتاب و پریود
ترمز به صورت خطی تغییر می کند که می توان آنها را طبق معادلات زیر نمایش داد.
(2-11)
(2-12)
شکل 2-9
که در آن میانگین گشتاور موتوردر داخل فاصله زمانی ti، گشتاور استاتیکی موجود بر روی شفت ، J اینرسی لحظه ای آرمیچر، /start T= m C ثابت ماشین می باشند.
در شرایط مانا داریم
(2.13)
ارزش متناسب با میانگین سرعت را در از روی معادله (2.7) در حالتی که نوسانات پالس برابر ولتاژ کنترل باشد می توان به صورت زیر بدست آورد:
1- =
با جایگذاری این معادله (2.13) و انجام جابجایی های لازم داریم:
(2-14)
1- =
شکل 2-10
معادله 2.14 مشخصه گشتاور سرعت را در مقدار ثابت T و مشخصه کنترل در مقدار ثابت مشخص می نماید. به آنالیز معادله 2.14 به نتایج زیر می توان دست پیدا کرد.
.1 مشخصه گشتاور سرعت (شکل 2.10a) خطی تر بوده که این ناشی از برخورداری یک نقطه بدون بار می باشد. مشخصه گشتاور سرعت بر اثر T مختل می شود.
.2 مشخصه های کنترل ( شکل 2.10b) غیر خطی تر هستند. یعنی کنترل در زمان در زمانی که و میانگین سرعت است ممکن می باشد.
.3 وضعیت راه اندازی موتور بر اساس غیر یکنواختی معین می شود.
یک بررسی مشابه بر روی گشتاور سرعت و مشخصه های کنترل را ، بر مبنای چیدمان نوع دیگری از مدارات کنترل پالس می توان انجام داد. البته این نکته را بایست مد نظر قرار داد که مشخصه های خطی کنترل را می توان به وسیله ترمزهای الکتریکی بدست آورد.
یکی از مهمترین مزایای روش کنترل پالس لازم بودن تجهیزات توان کم که در نتیجه همین امر صرف هزینه کمتر می باشد است. در کل روش کنترل پالس برای کنترل موتورهای DC بدون ارتباط به علت مزایای آن ترجیح داده می شود.
2.4 مشخصه های دینامیکی سرو موتورهای DC کسری
فرآیند زودگذر الکترو مغنتطیسی در سرو موتورهای DC کسری در میزان (rate) بالاتری نسبت به فرآیندهای الکترو مکانیکی رخ می دهد. به عمین دلیل متعلقات دینامیکی این موتورها در حالت زودگذر را می توان با هدف موازنه (تعادل) گشتاور به صورت معادله زیر مورد بررسی قرار داد.
(2.15)
که در آن T گشتاور حرکتی موتور، گشتاور استاتیکی موجود در بروی شفت ، J اینرسی لحضه ای آرمیچر می باشند.
به راحتی با آنالیز کردن و با فرض Tst =0 داریم.
(2.16) T=J
همانطور که از معادله 2 . 16 می توان متوجه شد، تغییرات موجود بر روی سرعت رتور بستگی به تغییرات گشتاور سرعت دارد به این معنی که، تغییرات سرعت رتور به وسیله مشخصه گشتاور سرعت تعیین می شود. در شکل 2 . 11 می توانیم مشخصه گشتاور سرعت یک سرو موتور d s
اسب بخار کسری در یک رنج دلخواه را مشاهده نمود. نقطه یا مشخص شده در این شکل بر اساس گشتاور T و سرعت بدست آمده است. با توجه به مشابهت مثلث BC A وAB́Ć داریم.
(2-17)
که در آن و سرعت بی باری و گشتاور راه اندازی در سیگنال نسبت هستند.
باحل معادله 2.17 با توجه به مقدار T، و جایگذاری آن دو معادله (2 . 16 ) و بدست آوردن معادله دیفرانسیل حرکت رتور داریم:
(2.18)
شکل 2-11
در حالت کنترل آرمیچر، بر اساس معادله (2.7) داریم :
(2.19)
(2.20)
معادله (2.27) به فرم زیر تبدیل می شود.
(2.21)
در حالت کنترل میدان، (گشتاور راه اندازی) را می توان بر اساس معادله (2.20) و را بر اساس معادله (2.18) بدست آورد در نتیجه
(2.22) =
با جایگذاری معادله های (2.20) و (2.22) در (2.18) داریم.
(2-23)
همانطور که از معادلات (2.21) و (2.22) مشخص می باشد، سرو موتور ds ترکیبی از اولین دستور اگر نسبت سیگنال به عنوان متغیر ورودی و سرعت رتور به عنوان مقدار خروجی می باشد. فاکتور مشخص سرعت در این معادلات ثابت زمانی است که پاسخ موتور را مشخص می کند. تا زمانیکه این ثابت بسته به مشخصه های ماشین است، به آن ثابت زمانی الکترومکانیکی موتور گفته می شود. ثابت زمانی الکترومکانیکی، پریود زمانی لازم برای حرکت رتورموتور با مقدار لختی J برای یک سرعت بدون بار ایده آل موتور می باشد
برای کنترل آرمیچر، به صورت زیر مشخص می شود.
(2-24)
و برای کنترل میدان
(2-25)
که
همانطور که از معادلات (2.24) و (2.25) می توان متوجه شد ثابت زمانی الکترومکانیکی متناسب با اینرسی حرکت رتور و سرعت بی باری و نسبت عکس با گشتاور راه اندازی دارد.
فاکتورهای و/ در نسبت سیگنال کنترل در قسمت راست معادلات 2.30 و 2.32 فاکتورهای بدست آوردن حالت مانا در موتورهای مورد استفاده به ترتیب، روشنهای کنترل آرمیچر و میدان می باشند. اگر سرعت در معادلات بیان شده باشد، فاکتورهای بهره بر اساس معادلات (2.12b) و(2.20) در̉ = T بدست می آیند.
بر اساس حل معادلات (2.21) و (2.22) داریم.
(2-26)
معادله (2.26) معادله مشخصه زودگذر می باشد که تغییرات مقدار خروجی که تا پس از زمان می باشد را با یک سیگنال ثابت s که بر روی ورودی اعمال شده است (شکل 2.19a) را نشان می دهد. تابع انتقال متناظر با معادلات (2.21) و (2.23) به صورت
(2-27)
می باشد.
اگر زاویه چرخشی رتور، [[نه سرعت چرخشی رتور ]] به عنوان خروجی سرو موتور dc باشد، رتور به عنوان از بین برنده اینرسی عمل می کند به این معنی که مقدار بایستی متناسب با انتگرال ورودی متغیر (نسبت سیگنال ) با زمان باشد. با توجه به معادلات (2.19) و (2.21) و با
داشتن معادلات (2.22) و(2.23) خواهیم داشت:
(2-28)
.m τ
m τ و Kg بر اساس روش کنترل مورد استفاده بدست می آیند. در این حالت، سختی مشخصه گذرا نشان داده شده در شکل 2.12b بر اساس حل معادله (2.28) به صورت زیر بدست می آید.
(2-29)
تابع انتقال سرو موتور dc بر اساس معادله (2.27) می شود.
(2-30)
همانطور که از معادلات (2.19) ، (2.21) و (2.26) مشاهده شود، متعلقات دینامیکی سرو موتورهای d.c. به طور گسترده ای وابسته به ثابت زمانی الکترومکانیکی می باشند. در حالت m پایین، موتوری بیشتر به یک ترکیب فاقد اینرسی نزدیک تر است. با کاهشm پاسخ موتور افزایش یافته که در این حالت پریود مابین سیگنال موجود بر روی سیم پیچ کنترل و زاویه چرخشی کاهش پیدا می کند.
با مقیاس های زیر می توان m را کاهش داد:
(1) با انتخاب مناسب اجزاء و ساختار رتور می توان اینرسی رتور را کاهش داد.
شکل 2-12
در حالیکه موتور با رتور استوانه ای در رنج مابین 0.035 تا 0.15 است، موتورهای رتور حفره ای (hollow) غیرمغناطیسی دارای ، 015 .0 تا 0.02 ثانیه، و موتورهای رتور دیسکی( disk rotor) دارای رنجی کمتر از 0.005 تا 0.02 ثانیه می باشند.
(2) با اصلاح نمودن طراحی مکانیکی موتور می توان گشتاور راه اندازی را افزایش داد که این عمل با استفاده از مواد نگهدارنده بهتر و افزایش چگال جریان در سیم پیچ ها امکان پذیر است.
تجزیه و تحلیل اجزاء دینامیکی سرو موتورهای dc که با توجه به نادیده گرفتن ثابت زمانی الکترومغناطیسی ساخته شده اند. میزان گذرایی الکترومغناطیسی سیم پیچ کنترل را نشان می دهند.
اگر چه، زمانیکه ثابت زمانی الکترومغناطیسی قابل مقایسه با ثابت زمانی الکترومکانیکی است، آن را (ثابت زمانی الکترومغناطیسی) بایستی با توجه به تجریه و تحلیل اجزاء دینامیکی موتور بدست بیاوریم.
5.2- حرکت پیوسته موتورهای سنکرون اسب بخار کسری
موتورهای سنکرون اسب بخار کسری به صورت یک ماشین استاندارد سنکرون میدان الکترومغناطیسی که دارای رتور قفس سنجابی می باشند ساخته می شوند. به هر صورت، این موتورها مناسب برای واحدهای کنترل اتوماتیک کم قدرت و وسایلی که توان و بازده بالایی ندارند مناسب می باشند چرا که:
(1) موتور نیاز به دارابودن دومنبع تغذیه یکی به صورت a.c و یکی به صورت d.c می باشد.
(2) حلقه های لغزان که ارتباط را در موتور برقرار قابلیت می کنند اطمینال آن را کاهش داده در نتیجه ساختار این موتورها پیچیده تر است
(3) یک چیدمان مدار راه اندازی برای جدا سازی منبع dc از مقاومت خروجی که به آن وصل است مورد احتیاج می باشد.
بطور گسترده از موتورهای سنکرون بدون ارتباط (contact less) در سیستم های کنترل اتوماتیک توان کم و وسایل خانگی استفاده می شود که البته عیوب ذکر شده در بالا در آنها برطرف گردیده است.
این موتورهای کسری اسب بخار (fractional-horse power) بر اساس طراحی مکانیکی رتور و ساختار و مواد تشکیل دهنده رتور که به طور گسترده بر روی مشخصه گشتاور و عمل موتور تاثیر می گذارند طبقه بندی شده اند. در زیر 3 مدل مورد دسترسی از این موتورها شرح داده شده است.
(1) آهن ربای دائم (نوع فعال active type)
(2) رلوکتانسی
(3) هیستر زیسی
استاتور این موتورها یک ساختار استاندارد برای سنکرونیز نرمال و القای ماشین می باشد. که این حالت بر اساس فشردگی (انباشتگی) قالب های فولادی الکتریکی بوجود می آید.
موتورهای کسری اسب بخار بحث شده در این بخش دارای یک ساختار مشترک هستند در تمام آنها رتور در حالت دور سنکرون با یک سرعت مشابه بر اساس میدان مغناطیسی استاتور عمل می کند.
1.5.2- موتورهای آهن ربای دائم
رتور موتورهای آهن ربای دائم بر مبنای 2 قسمت پایه ساخته می شود:
(a) آهن ربای دائم که شار میدان مغناطیسی رتور را ایجاد می کند و همچنین توانایی ایجاد گشتاور الکترومغناطیسی در حالت سنکرون را دراد.
(b) یک سیم پیچ قفس سنجابی در electric steel stack قرار گرفته که توانایی ایجاد گشتاور داخلی در طی زمان راه اندازی آسنکرون را دارد.
شمای رتور آهن ربای دائم و سیم پیچ قفس سنجابی به ترتیب در شکل های 2.43a و 2.43b نشان داده شده اند. گشتاور داخلی بر اساس اثر متقابل مابین میدان چرخشی استاتور و میدان رتور ایجاد می شود.
تحت حالت runing سنکرون، در حالتی که مدار مغناطیسی بالانس باشد و مقاومت سیم پیچ استاتور ناچیز باشد، گشتاور داخلی موتور سنکرون کسری بر اساس معادله 2.64 به صورت زیر بدست
می آید.
(2.31)
که در آن m1 تعداد تسمه های فازی سیم پیچ استاتور، v1 ولتاژ فازی موجود بر روی ترمینالهای سیم پیچ استاتور، 0 E emf القایی در تسمه های فازی سیم پیچ استاتور مربوط به شار مغناطیسی رتور، XS روی اکتانس القائی سیم پیچ استاتور، (P/ƒ)л سرعت سنکرون، ƒ فرکانس شبکه،P تعداد جفت قطبهای سیم پیچ استاتور، زاویه زمانیtime angle مابین بردارهای v1 و E0 باشند.
زاویه برابر با زاویه فضایی موجود بین فضای موجی ولتاژ استاتور و q محور طول رتور می باشد.
تحت کارکرد شرایط سنکرون، زاویه بستگی به گشتاور استاتیکی موجود بر روی شفت موتور داد. زاویه مشخصه متناظر با معادله (2.31) در شکل 2.13 شرح داده شده است. موتورهای واقعی
آهن ربای دائم دارای سیستم مغناطیسی نامتوازن می باشند.
مثال تشریح شده به صورت شکل یک ساختار شعاعی موتور کسری اسب بخار است (شکل 2.43a) که در آن رتور در امتداد محور مستقیمd می باشد.
مقدار مقاومت R1 مربوط به سیم پیچ استاتور در موتورهای سنکرون کسری اسب بخار قابل اندازه گیری با توجه به ری اکتانس x d و x q می باشد. با توجه به این نکته متوجه می شویم که چرا بیشتر توان ورودی در مقاومت R1 تلف می شود.
هر دو این فاکتورها مسئول تغییرات ایجاد شده در گشتاور داخلی TS، به عنوان تابعی از زاویه می باشند.
مهمترین گشتاور بر اساس عکس العمل متقابل مابین میدان استاتور و رتور ایجاد می شود.
شکل 2-13
در 0=R1 معادله main T به صورت معادله (2.31 ) تغییر شکل می یابد که نتیجه آن یک ترکیب گشتاور dc به صورت زیر می باشد.
که آن متناسب با توان تلف شده در سیم پیچ استاتور که مربوط به جریانات القایی ایجاد شده توسط شار رتور می باشد، می باشد.
اختلاف ری اکتانس القایی موجود مابین محور مستقیم و محور طولی ا یجاد یک گشتاور dc به صورت
(2.32a)
و یک گشتاور ac به صورت زیر می نماید.
(2.32b)
که اشاره به اجزاء و اکنش در این سیستم ها دارند.
در حالت d X= Xq این ترکیبات برابر با صفر می باشند.
اجزاء d.c گشتاورTd.c.R1 , منفی بوده و به عنوان از بین برنده این واکنش در سیستم می باشد.
برآیند شار الکترومغناطیسی موتور سنکرون آهن ربای دائم بر اساس مجموعی از این اجزاء به صورت زیر می باشند.
(2-33)
شکل 2.13 منحنی مشخصه یک موتور سنکرون کسری اسب بخاری شعای مربوط به معادله (2.66) را نشان می دهد.
وقتی این موتورها در رده موتورهای سنکرون دسته بندی می شوند. دانستن گشتاور سنکرون Ts به عنوان تابعی از زاویه (گاما) مابین mmf استاتور و محور رتور مهم می باشند. پس Ts را می توان به عنوان مشخصه زاویه (e ) ƒ= Ts که به صورت غیرسینوسی است در نظر گرفت. Ts بواسطه
0 emf E افزایش یافته به این معنی که این افزایش وابسته به شار مغناطیسی رتور می باشند
در طی راه اندازی، تا زمانیکه رتور به سرعت سنکرون دست پیدا نکرده، موتور سنکرون اسب بخار کسری به عنوان یک ماشین القایی عمل می نماید.
میدان مغناطیسی چرخشی استاتور متقابلاً به علت جریان القاء شده توسط این میدان در سیم پیچ قفس سنجابی عمل کرده باعث القاء گشتاور TI (شکل 2.14) می شود.
این روش راه اندازی را می توان با روش راه اندازی موتورهای میدان الکترومغناطیسی به واسطه پذیرش عمل شار میدان رتور در راه اندازی متمایز نمود.
این شار باعث ایجاد یک emf در سیم پیچ های استاتور می شود. این emf باعث جاری شدن جریان در مدار سیم پیچ استاتور می شود که این جریان با شار رتور متقابلاً اثر کرده ایجاد یک گشتاور از بین برندگی (Td) که مخالف گشتاور TI می باشد می شوند.
در بعضی شرایط یک شیب در مشخصه گشتاور سرعت f(s) Tres= ممکن است ایجاد شود که باعث خراب شدن شرایط راه اندازی در موتور شود. برای مثال، در یک گشتاور استاتیکی بر روی شفت tsta (شکل 2.13) رتور ممکن است در سرعتی متناظر با شیب sA بچرخد. این سرعت خارج از سرعت سنکرون بودن است و رتور هیچ گاه همزمان با میدان استاتور کشیده نمی شود. (چرخش نمی کند.)
شکل 2-14
بایستی توجه نمود که در طی وضعیت عملکرد سنکرون (S=0) گشتاور Td ترکیبی از گشتاور Td.cr که در بالا بحث شد می باشد. برای از بین بردن (کم کردن) Td بایستی "تحریک رتور آهن ربای دائم"، نسبت E0/V1 کم شود.
تحریک آهن ربای دائم را می توان بواسطه تعیین بهترین مشخصه ماشین جهت عملکرد در سرعت دلخواه مشخص نمود.
2.5.2. موتورهای رلوکتانس
موتورهای سنکرون کسری رلوکتانس ماشینهایی هستند که با رتور غیر تحریک شده و تغییرات رلوکتانس در فاصله هوایی عمل می نمایند. میدان دوار بعضی موتورهای بر اثر mmf استاتور ایجاد می شوند. گشتاور الکترومغناطیسی به واسطه تغییرات انرژی میدان مغناطیسی در فاصله هوایی که مابین محور و رتور می باشد ایجاد می شود.
تغییرات رلوکتانس در فاصله هوایی موتور را می توان بوسیله انتخاب مناسب شکل رتور و مواد ایجاد نمود.
رتورهای نشان داده شده از رتور قفس سنجابی بواسطه وجود شیارهای خارجی متمایز می شوند.
تغییرات ایجاد شده در این نوع موتور را بواسطه این رتور به علت استفاده از دو نوع مواد مختلف در ساختار رتور می باشد که باعث ایجاد میدان مغناطیسی متفاوت می شوند.
شکل 2.47 یک موتور رلوکتانس سنکرون اسب بخاری کسری (fractional horse power) نوع c-09 M با رتور از نوع شکل 2.46a را نمایش می هد.
اصول راه اندازی موتور رلوکتانس را می توان با مطالعه مدل استاتیکی شکل 2.48 مشخص نمود.
میدان دوار استاتور در اینجا بوسیله یک میدان دائمی جایگزین شده است.
mmf محور استاتور و d محور مستقیم رتور با زاویه به طور مجزا قرار گرفته اند. mmf استاتور و شار مغناطیسی به صورت یک طرفه فرض شده اند.
شکل 2.48a موقعیت رتور در زمانیکه زاویه گاما، برابر صفر می باشد، رانشان می دهد. خطوط مغناطیسی قدرت مسیری را طی می کنند که کمترین رلوکتانس را داشته باشند. (گشتاور
رلوکتانس 0 = r T رتور در حالت تعادل پایدار می باشد. چرخش رتور بوسیله نیزو مابین زاویه در جهت ساعت گرد باعث خمیدگی خطوط قدرت مغناطیسی (شکل 2.48b) می شود. به عنوان نتیجه عکس العمل خطوط نیروی مغناطیسی، میدان به شکل شده مغناطیسی باعث گشتاور رلوکتانس شده که این باعث چرخش رتور در جهت عکس عقربه های ساعت می شود. رتور بایستی به وضوح طوری نسبت به شارمحور استاتور (به واسطه زاویه ) جایگذاری شود که گشتاور خارجی بوسیله گشتاور رلوکتانس موتور بالانس شود.
خطوط قوای مغناطیسی ممکن است در یک مسیر مستقیم جاری شوند، اما رلوکتانس در اینحالت بیشتر از 0 = خواهد شد( شکل 2.48c)
گشتاور رلوکتانس 0=Tr به این معنی است که، رتور در وضعیت تعادل می باشد. اگر چه یک تفاوت لازم مابین حالت تعادل در 0 = و 90 = درجه وجود دارد. در وضعیت قبل، حالت تعادل ممکن است به واسطه وجود انحراف از این موقعیت باعث شود که، رتور به حالت اصلی خودگرایش پیدا کند، در حالیکه در وضعیت بعد حالت پایداری رتور غیراستوار می باشد. که این باعث یک شیفت 180 نسبت به حالت قبل شکل (2.48a ) می شود. بنابراین، گشتاور رلوکتانس همیشه گرایش به قراردهی رتور در حالت وجود کمترین رلوکتانس در سرراه شار موتور دارد. حالت سکون پایدار رتور در 0= یا 180 و حالت غیرسکون در 90 = یا 270 بدست می آید.0
بحث های بالا یک پروسه فیزیکی ایجاد گشتاور و رلوکتانس تحت شرایط مانا است که در آن محور رتور بواسطه قطبهای آهن ربای دائم ایجاد شده است.
در موتورهای رلوکتانس سنکرون واقعی، میدان مغناطیسی در فضا به صورت ثابت و با متغیر چرخش کرده که این مربوطه به سیم پیچ استاتور 1 می باشد. بر همین منوال رتورمجبور می شود همزمان با میدان رتور با یک دور یکسان دوران کند
تجزیه گشتاور رلوکتانس بر اساس زاویه (گاما) نسبتاً پیچیده است . برای آسان کردن آن، زاویه موجود مابین فضای موج ولتاژ استاتور و محور طولی رتور درمحاسبات استفاده شده، این زاویه وابسته به گشتاور بار می باشد. مشخصه زاویه ای موتور رلوکتانس از قانون تغییرات میدان رلوکتانس در امتداد محیط استاتور پیروی می کند.
پاسخ گشتاور به این پدیده هارمونیکی رلوکتانس مغناطیسی ac به مقاومت سیم پیچ استاتور اعتناء نکرده و می توان آن را بر اساس تئوری ماشین های قطب برجسته مشخص نمود:
(2-35)
که در xd وq x به ترتیب، ری اکتانس القائی مستقیم و طولی ماشین سنکرون می باشند. گشتاور رلوکتانس Tr ، به عنوان distinct از گشتاور فعال، متغیر به عنوان تابعی از زاویه بر اساس قانون می باشد
وضعیت حالت مانا موتور در یک زاویه معین که در آن Tst= Tr که Tst گشتاور پاک کنندگی استاتیکی موجود بر روی شفت موتور می باشد.
موتورهای سنکرون کسری اسب بخار واقعی یک مقاومت نسبتاً بالا R1 دارند که ا ین مقاومت متناسب با Xd و Xq می باشد. برهمین اساس است که فرمولهای (2.65a) و (2.65b) در محاسبات گشتاور رلوکتانس بایستی مورد استفاده قرار گیرند.
(2.36)
در 0=R1، معادله (2.36) تبدیل به معادله (2.35) می شود.
همانطور که از معادله (2.36) می توان متوجه شد، مقاومت R1 یک تاثیری را بر روی گشتاور Tr ایجاد می کند بدین صورت که گشتاور ماکزیمم در 450 بدست می آید. کمترین گشتاور هم در زاویه ای مابین (40 تا 30)= بدست می آید که در شکل 2.50 به صورت خط چین نشان داده شده است.
مشخصه زاویه ()ƒ =Tr را می توان به وسیله معادله زیر به تبدیل نمود.
که در آن p = el زاویه در درجه الکتریکی می باشد.
مشخصه های زاویه ای () ƒ =Tr غیرسینوسی بوده، اما در زاویه های 270و180و90و0= el گشتاور رلوکتانس 0= Tr می شود.
اگر میدان چرخشی و رتور در سرعت های مختلف گردش کنند (دوران کنند)، زاویه به یک تابع پریود یک زمان تبدیل شده و میزان متوسط گشتاور رلوکتانس صفر می شود. به همین دلیل است که که موتورهای رلوکتانس در زمان راه اندازی به عنوان ماشین القایی عمل می کند. یک سیم پیچ
قفس سنجابی (شکل 2.46aو b) و یا قطعات آلومینویمی رتور ممکن است به عنوان
سیم پیچ راه اندازی عمل نمایند. در کورس راه اندازی موتورهای رلوکتانس، یک شار
مغناطیسی ac که بر اساس تغییرات ایجاد شده بر روی رلوکتانس مغناطیسی Rm بوجود می آید ظاهر می شود. همانطور که ملاحظه شد در موتوهای مغناطیسی دائم، گشتاور پاک کنندگی t Td تقویت شده، اما این گشتاور بر روی مشخصه راه اندازی ماشین تاثیر بد می گذارد.
تحت شرایط عملکرد Tr,d.c= Td ، فاکتور توان و بازده موتورهای رلوکتانس کم می باشد. فاکتور توان کم بر اساس واقعیت شار مغناطیسی موتور رلوکتانس موجود که مربوط به القاء جریان مغناطیسی در استاتورمی باشد بیان می شود. جریان مغناطیسی سنگین نتیجه رلوکتانس بالا مدار مغناطیسی مربوط به شیب (فرورفتگی) رتور( md R mq R )است. به همان نسبت، بازده موتورهای رلوکتانس به علت اتلاف توان سنگین در سیم پیچ استاتورکم می باشد.
از این رو، در موتورهای سنکرون رلوکتانس اسب بخار کسری، گام سیم پیچی قطب ها تقریباً
0/5 تا 0/6 و حداقل حداکثر نسبت فاصله هوایی در حدود 12 تا 10 میلیمتر می باشد.
6.2 – موتورهای سنکرون حرکت دائم سرعت پایین
بعضی اوقات مایلیم که موتور سنکرون اسب بخار کسری را در فرکانس استاندارد در یک سرعت پایین رتور بدون استفاده از القاء مکانیکی میانی راه اندازی نمائیم. موتورهای سنکرون ایده آل بحث شده در بخش 2.9 در یک فرکانس تغذیه استاندارد 5 0،400 و 1,000 MHZ که سرعت رتور به 1,000 r/min (دور در دقیقه) می رسید. عمل می کردند. سیستم های کنترل اتوماتیک و تجهیزات آن اغلب احتیاج به یک سرعت کم همسان با حرکت انتقال در هر دقیقه دارا می باشند. یک واحد القایی مکانیک با یک تعداد چرخ دنده ممکن است سیستم تجهیزات ماشین (اسب بخار کسری) را پیچیده کند همچنین باعث پایین آمدن قابلیت اطمینال عمومی به ماشین، افزایش سطح نویز و روی هم رفته باعث افزایش جرم و حجم ماشین می شود. علاوه بر این، موتورهای اسب بخار کسری که دارای یاتاقان می باشند. در سرعت های بالا در بعضی شرایط ممکن هستند نامطمئن باشند همانند وضعیت قرارگیری در خلاء و یا حرارت بالا. موتورهای سنکرون بحث شده در این بخش به این صورت می باشند که در آنها سرعت رتور کمتر از سرعت میدان استاتور می باشد. نسبت سرعت یک موتور وقتی که در وضعیت سنکرون می باشد مستقل از فاکتورهای خارجی همانند، گشتاور بار، ولتاژ و غیره می باشد. القاء سرعت هم بر اساس خصایص ذاتی طراحی ماشین سنکرون به عنوان یک ترکیب هماهنگ ماشین الکتریکی بوجود می آید.
بر طبق سیستم تحریک، موتورهای سنکرون سرعت پایین، به دو دسته پایه تقسیم می شوند:
(a) موتورهای القاء گر که رتور بوسیله شار دائم که بر روی بدنه استاتور می باشد مغناطیسی
می شود.
(b) موتورهای رلوکتانس با رتور غیر تحریک شده
1.6.2- موتورهای کاهنده
موتورهای کاهنده،ماشین سنکرونی هستندکه در آنها سرعت رتور بر مبنای سرعت میدان استاتور بطور الکترومغناطیسی کاهش می یابد. این عمل با استفاده از هارمونیکهای دندانه بلند (upper tooth) بدست می آید. یعنی بطور بنیادی وابستگی به ساختار استاتور و یا سطح رتور ندارد.
همانطور که شناخته شد، شمار قطبها درمیدان هارمونیک جزئی (بخش ProPortional) می باشند که با سرعت نسبت عکس دارند. ماشینهای که دارای این خصیه باشند به ماشین های کاهنده معروف
می باشند. طراحی مکانیکی و اصول راه اندازی موتورهای سنکرون اسب بخار کسری کاهنده بر اساس آنالیز ماشین رلوکتانس ( 2.15) قابل تشخیص می باشد. ساختمان رتور و استاتور از ساختار پوشیده شده از قالب های فولادی می باشند استاتور ( S ) به شکل یک دایره با برشهای
نیم دایره بر روی سطح داخلی ساخته شده، رتور( R ) یک دیسکی می باشد که شیارهای مشابه ای بر روی سطح خارجی آن وجود دارد. تعداد دندانه های استاتور( Z s ) و رتور (Z r) متفاوت می باشند. معمولاً، Z s Z r می باشد. شیارهای استاتور یک سیم پیچ را که به صورت یک فاز و یا 3 فاز
می تواند باشد را در خود جای داده است. این سیم پیچ میدان مغناطیسی چرخشی را ایجاد
می کند.
شکل 2-14
از بخش2-9 ما چگونگی عمل گشتاور و نحوه ایجاد آن در موتورهای رلوکتانس را متوجه شدیم. اگر شار در حالت A ( شکل2.15 ) باشد. گشتاور رلوکتانس نیرویی بر رتور به منظور دوران آن در جهتی که بیشترین رسانایی مغناطیس است را وارد می کند. به همین دلیل که دندانه های́ 1 ́ و5́ رتور بر خلاف دندانه های4 و1 استاتورمی باشند. همانطور که شار به وضعیت B تغییر می کند، رتور هم با یک زاویه برابر تحت عکس العمل گشتاوررلوکتانس درجهت کسر حداکثر رسانایی مغناطیسی عمل می کند (دوران می کند) این حالت در زمانیکه دندانه های 6 ́ و2 ́́ رتور در برابر دندانه های 2 و 5 استاتور قرار بگیرند قابل بدست آوردن می باشد. پس رتور به صورت زاویه زیر دوران می کند.
از این رو، سرعت زاویه ای رتور کمتر از سرعت میدان استاور خواهد شد.
این به معنی
(2-37)
می باشد که در آن ( s P/ƒ ) ، ƒ فرکانس شبکه، و Ps تعداد جفت تعداد قطب های سیم پیچ استاتور است.
در مورد شکل ما (شکل 15 . 2 )
(2-38)
اگر ما 100= Zr و Zs=98را انتخاب بکنیم داریم:
(2-39)
این مسئله را باید در ذهن مدنظر قرار بدهیم که تعداد دندانه های قرار گرفته بر روی محیط بر
اساس ضخامت دندانه ها که توسط تولید کننده بر اساس یک سری محاسبات در نظر گرفته
می شود محدود می باشد.
همانطور که از معادله ( 2.37) مشاهده شد، برای بدست آوردن کمترین میزان Zr سرعت رتور بایستی کمتر از تفاضل Zs – Zr باشد. بهترین القاء در 1.=Zs – Zr بدست می آید. در اینحالت اگر چه، تنها دندانه رتور به طور دقیق می تواند بر خلاف دندانه استاتور قرار گیرد که بر همین اساس رسانایی مغناطیسی در فاصله هوایی کم شده در نتیجه فاکتورهای بهره برداری کاهش می یابند. به همین دلیل، برای کاهش رلوکتانس به حداقل، s Z – r Z متفاوتی بر اساس k s P 2 که در آن3, , 2 , 1= k
می باشد باید انتخاب نمود.
هر چند با ساده سازی ساختار(ساختمان موتور)، موتورهای کاهنده رلوکتانس چند اشکالی ماندگار را خواهند داشت در قیاس با موتورهای نوع فعال به عنوان مثال:بازده کم، فاکتور توان، نسبت حجم به توان.
موتورهای کاهنده نوع القایی (شکل 15 .2 ) دراین ارتباط بهتر می باشند، استاتور و رتور آنها تفاوت محسوس در ساختار با موتورهای کاهنده رلوکتانس ندارند اما استاتور آنها در انتها یک هسته آهن ربای دائم را با خود حمل می کند شار میدان مغناطیسی دائم نزدیک رتور در
فاصله هوایی مابین استاتور و رتور درجهت شعاعی می باشد.که آن یک شار تک قطبی است به این معنی که، آن تمام سطح رتور را در یک طرف پوشانده اما چگالی شارBm در فاصله هوایی بستگی به رلوکتانس مغناطیسی فاصله هوایی دارد. شکل 2.65 چگونگی تغییرات چگال شار تحت تاثیر سطح یک دندانه (می تواند رتور و یا استاتور باشد) را نشان می دهد. نتیجه آن به وجود آمدن یک هارمونیک بالاتر میدان رتور می باشد که متقابلاً با هارمونیک چرخشی میدان استاتور اثر کرده ایجاد یک گشتاور در سرعت کم رتور می نماید.
موتورهای سنکرون نوع القایی به طور یکسان با رتور قطب برجسته و غیر برجسته عمل می نمایند. به همین دلیل است که ما k s P= s Z- r Z را انتخاب می کنیم که در آن , 2 , 3, …. 1= k می باشد.
این به این معنی است که این موتورها قابلیت چرخشی درنسبت القاء بالا در تعداد دندانه های همان را دارا می باشند. بازده بعضی از موتورها کمتر از موتورهای سنکرون که دارای القاء سرعت
نمی باشند، می باشند. دامنه نوسانات سرعت زاویه ای رتور تا یک مقداری کمتر از موتورهای سنکرون حرکت دائم که قبلاً در مورد آنها باعث کریم به علت کارکرد آنها به صورت ماشین های چند قطبی می باشد. در سرعت 100 تا 200 دور در دقیقه رتور تقویت کننده ( amplitude) زاویه 1-5 درهر دقیقه را بدست می آورد. مقدار زیادی از هارمونیک های بالاصرف ایجاد یک فرکانس بالا در رتورمی شوند. در نتیجه بی ثباتی لحظه ای سرعت رتور افزایش می یابد. (معادله 2.72 بخش 2.10)
ناپایداری موتورهای کاهنده رلوکتانس ممکن است به مقدار 103×N=(40-80) دست پیدا کند.
7.2- موتورهای پله ای
با پیشرفت و افزایش تجهیزات دیجیتالی توسعه و اصلاح عناصر کنترل سرو موتورها
اجتناب ناپذیر می باشد. در عمل، ماشین های الکترویکی اسب بخار کسری که برای مقاصد مشخصی استفاده می شوند را موتورهای پله ای می گویند موتورهای پله ای موتورهای سنکرون هستند که پالسهای الکتریکی را به حرکت های مشخصی زاویه ای بر روی شفت موتور تبدیل
می کنند.
موتورهای استفاده شده به عنوان موتورهای پله ای دارای حداقل دو موقعیت زاویه ای ثابت در هر حرکت انتقالی می باشند. موتورهای پله ای بوسیله ابزار سوئیچینگ الکترونیکی در ارتباط بوده و عمل می نمایند. ابزار سوئیچینگ بوسیله کنترل فرکانس و توالی پاسخ دهی بر اساس دستورات ارسالی بر روی سیم پیچ کنترل موتور پله ای عمل می نمایند.
موتور پله ای و ابزار سوئیچینگ لزوماً یک سیستم کنترل سرعت موتور سنکرون می باشند که پالسهای مستطیلی را بر روی سیم پیچ استاتور وارد در نتیجه ایجاد یک حرکت زاویه ای مشخص بر روی شفت موتور می نمایند.
مقدار زاویه رچخش رتور موتور پله ای دقیقاً بستگی به تعداد سوئیچینگ سیم پیچ کنترل دارد.
حس چرخش بستگی به توالی سوئیچینگ و تغییرات سرعت رتور مطابق با میزان سوئیچینگ
می باشند. موتورهای پله ای، همانند همه ماشین های سنکرون به صورت آهن ربای دائم
(نوع فعال)، رلوکتانسی و نوع القایی طبقه بندی می شوند.
موتورهای پله ای را می توان به صورت چند فازی پیچید اما معمولاآنهابه صورت 2 ، 3 و4 فاز
می باشند. سیم پیچ فاز استاتور هم به عنوان سیم پیچ کنترل فاز شکسته و یا نشکسته می تواند عمل کند. سیم پیچ کنترل موتور پله ای را می توان به وسیله پالسهای مستطیلی که توسط ابزار سوئیچینگ ایجاد می شوند به دو صورت تک قطبی و یا چند قطبی تغذیه نمود.
1.7.2- موتورهای نوع فعال
همانطور که از حرکت پیوسته موتورهای پله ای مشخصی می باشد، استاتور موتورهای پله ای به صورت قطب برجسته هستند که سیم پیچ کنترل را در خود جای داده اند. تعداد جفت قطبهای
سیم پیچ کنترل استاتور (P) برابر تعداد آن در رتور می باشد. معروفترین نوع موتورهای پله ای از نوع فعال مدل آهن ربای دائم بوده که رتور آنها از آهن ربای دائم که به صورت یک پارچه و یا از تعدادی آهن ربای دائم که بر هم سوار شده اند تشکیل شده است.
شکل 2-16
اصول راه اندازی یک نمونه از موتور پله ای را می توان بر اساس مطالعه چگونگی راه اندازی
موتور جفت قطب دو فاز نشان داه شده در شکل 2.74 متوجه شد. فرض کنید mmf و شار،هم در رتور و هم در استاتور غیرقابل هدایت باشند هر پالس کنترل بوسیله ابزار سوئیچینگ برای تغییرات پله ای مغناطیسی ایجاد می شود.پلاریته ولتاژ،سیم پیچ های A و B را تغذیه می کند.
شار مغناطیسی مربوط به سیم پیچ های کنترل بر روی محیط دایره ای استاتور با یک زاویه مشخص حرکت می کند. گشتاور سنکرون باعث حرکت رتور به سمتی می شود که یک جذب کنندگی مجازی مابین میدان مغناطیسی رتور و استاتور وجود دارد.در نتیجه رتور چرخیده که این چرخش برابر با بردار شار استاتور می باشد (موقعیت های a و b و c در شکل 2.17).
سیستم سوئیچینگ اشاره به تقارن سیستم درحالی می کند که تعداد مساوی از سیم پیچ های کنترل درهمه پله ها تحریک شده اند (در یک، دو و سه سیم پیچ و… ). همانطور که از شکل 2.17 می توان متوجه شد، در خلال مدتی که شار منتجه استاتور در همه پله ها یکسان می باشد پله ها به طور وسیع می چرخند.
شکل 2-17
تعداد پله های منتجه از شار استاتورو تعداد افزایش آنها که در فاصله 360 چرخش می کنند به طور معمول متناسب با سیم پیچ های کنترل، mcont ، و وابسته به چیدمان مدار سوئیچینگ است.
شکل 2.18 دیاگرام مداری سیم پیچ کنترل، دیاگرام زمان پالس های ولتاژی بر روی سیم پیچ را نشان میدهد. دیاگرام فضایی به واسطه شار استاتور برای مدل های مدار سوئیچینگ زیر جایگذاری شده است:
(a) مدار سوئیچینگ متناسب غیر تک خطی یک موتور پله ای با سیم پیچ استاتور دو فاز غیرشکسته( 2=mcont)
(b) مدار سوئیچینگ متناسب تک قطبی یک موتور پله ای با سیم پیچ استاتور دو فاز شکسته (4=mcont)
با مقایسه این دو مدل به راحتی می توان متوجه شد که سوئیچینگ غیرتک قطبی (heteropolar) برای سیم پیچ های استاتور فاز شکسته استفاده می شود
شکل 2-18
شکل 2-19
با هر سوئیچ کردن یک موقعیت زاویه ای جدید که برآیند شار استاتور می باشد در محدوده 360 الکتریکی باعث ایجاد تعدادی پله (kstep) می شود. تعداد پله های مدار کنترل را می توان از رابطه زیر بدست آورد.
(2.85) n1 n2 mcont=kstep
که n1 برابر 1 برای یک مدارسوئیچینگ متقارن و 2 برای یک مدار سوئیچینگ نامتقارن می باشد.
N2 برابر 1 برای سوئیچینگ unipolar (چندقطبی) و 2 برای سوئیچینگ غیر تک قطبی می باشد.
استفاده از سوئیچینگ غیر تک خطی برای موتورهای استاتور فاز شکسته غیرقابل قبول می باشد. در بیشتر مدارهای کنترل مسیر حرکت تمام تعداد پله های ممکنه kstep را پوشش می دهد،
(2-40)
موتورهای واقعی ماشین های چند قطبی () می باشند و زاویه پله ماشین بسته به هر سوئیچینگ می باشد.
(2-41)
تعداد جفت قطب ها در موتورهای واقعی پله ای معمولاً در رنج 6 تا4= P نگهداری می شود چرا که برای ایجاد قطب های بیشتر با محدویت محیطی استاتور و نشت شار قطب کمکی مواجه می باشیم. تعداد سیم پیچ های کنترل معمولا 4 تا 2 = mcont می باشد، برای داشتن تعداد بیشتری سیم پیچ کنترل نیازمند به داشتن ابزار سوئیچینگ پیچیده تر می باشیم. به همین دلیل، رتور موتورهای پله ای از نوع فعال در زاویه ای در حدود 10 درجه چرخش می کند.
2.7.2- موتورهای نوع القایی و رلوکتانس
بحث زیر و شکل 2.76 به علت طراحی مکانیکی و اصول راه اندازی موتور پله ای رلوکتانس 3 فاز با اهمیت می باشد. رتور و استاتور بوسیله قالب های فولادی الکتریکی پر شده اند. کفش های قطبی استاتور و رتور دارای یک سطح دندانه ای می باشند. گام دندانه هم در رتور و هم در استاتور برابر می باشد.
دندانه های رتور با یک جفت کفش های قطبی موجود بر روی استاتور ردیف شده اند.
با تغذیه متوالی سیم پیچ های کنترل غیر تک خطی (unipolar )، شار مغناطیسی استاتور در 1200 دوران می کند. گشتاور رلوکتانس سنکرون نیرویی بر رتور برای دوران در میان یک سوم گام دندان ها با توجه به محلی که کمترین رلوکتانس را به نسبت جفت قطبها دارد وارد می کند. اگر تعداد دندانه های رتوربیشتر باشد ( Zr)، زاویه چرخشی خیلی کوچکتر از میدان استاتور خواهد شد. محور دندانه رتور و استاتور به طور عموم به صورت زاویه 360deg/mcont Zr جایگذاری
می شوند. در محدوده یک سیکل سوئیچینگ کامل رتور یک گام کامل دندا 360deg/Zr تقریباً دوران
می کند، افزایش را می توان به وسیله معادله زیر بدست آورد.
(2-42)
بر اساس اطلاعات بدست آمده بایستی این مسئله در ذهن ایجاد شود که جایگذاری میدان در 1800 الکتریکی هیچ اثری بر روی رتور و استاتور ایجاد نمی کند بنابراین درمحاسبه تعداد پلهkstep معادله (2.42) فاکتور n2 بایستی هم برای سوئیچینگ تک قطبی و هم برای غیرتک قطبی جایگذاری شود. در یک موتور پله ای سیکل تغییرات رلوکتانس و میدان مغناطیسی در فاصله هوایی متناسب با چرخش رتور در یک سوم گام سیم پیچی استاتور می باشد. این به این معنی است که دندانه رتور و شیارها معادل با جفت قطب بوده و 3600 الکتریکی را اشغال می کنند ( p=Zr) افزایش رتور (rotor increment) را می توان بوسیله معادله (2.42) مشخص نمود.
مقایسه معادلات (2.42) و (2.41) نشان می دهد که برای تعداد مساوی از کفش قطب ها،رتور به طور نسبی افزایش می یابد. از طرف دیگر برای یک قطر مشابه رتور، تعداد بیشتری دندانه می توان بر روی رتور موتور رلوکتانس به نسبت رتور آهن ربای دائم ایجاد کرد.
به همین دلیل است که می توان رتور موتورهای پله ای را برای ایجاد مقدار کمتری درجه طراحی نمود. موتورهای پله ای نوع القایی با موتورهای رلوکتانس بحث شده در بالا به علت استفاده یک شار دائم در استاتور برای مغناطیسی کردن رتور تفاوت دارند. با یک تمهیدات و چیدمان می توان گشتاور سنکرون، توان و مشخصه دینامیکی موتور را بهبود بخشید.
همراه موتورهای پله ای بحث شده در این باره، موتورهای پله ای محرک هارمونیک،
steromotors، disk-rotor و موتورهای پله ای سیم پیچ توزیع شده با منظر کاهش و یا افزایش پله رتور و بهبود مشخصه های دینامیکی مورد استفاده قرار می گیرند.
همچنین موتورهای پله ای خطی وجود دارند. که به عنوان تبدیل کننده یک فرمان پالس شکل به یک حرکت خطی عمل می کنند.
25
2