تحقیق در مورد ماشین سنکرون

 ماشین های جریان متناوب

تئوری میدان چرخان – وجه اشتراک ماشین های سنکرون و آسنکرون – تولید میدان مغناطیسی با توزیع سینوسی – ساختمان انواع ماشین های القایی سه فاز – عملکرد ماشین القایی در بی باری و بارداری – مفهوم لغزش – نمودار گشتاورـ سرعت و تشریح نواحی سه گانه ترمزی، موتوری و ژنراتوری ماشین القایی – توان فاصله هوایی – استخراج مدار معادل دقیق و تعیین پارامترهای آن با آزمایش سه گانه – محاسبه عملکرد موتور القایی سه فاز – تغییرات مشخصه گشتاور و سرعت با شکل شیار روتور – کلاس طراحی و کد راه اندازی و راه اندازی – روش های کنترل سرعت از طرف روتور و از طرف استاتور – آشنایی با نحوه عمل و گشتاور راه اندازی موتور آسنکرون تک فاز – آشنایی با اصول کار ماشین های سنکرون – گشتاور و مفهوم زاویه بار در ماشین سنکرون
1-3) تعاریف :
1-1-3) هارمونیک : هارمونیک مولفه سینوسی یک موج یا مقدار متناوبی است که فرکانس آن مضرب صحیحی از فرکانس موج اصلی می‎باشد .
2-1-3) هارمونیکهای مشخصه : هارمونیک هائی می‎باشند که تجهیزات تولید کننده هارمونیک به خصوص یکسو کننده ها در طول کار عادی خود تولید می نمایند .
3-1-3)هارمونیک های غیر مشخصه : هارمونیکهائی می‎باشند که تجهیزات تولید کننده هارمونیک به خصوص یکسو کننده ها در طول کار عادی خود تولید نمی نمایند ولی ممکن است در اثر عدم تقارن یا تعادل سیستم برق و یا به علت اشکالات یکسو کننده ها ایجاد گردند .
4-1-3) مرتبه یا نوع هارمونیک : مرتبه یا نوع هارمونیک ، حاصل تقسیم فرکانس هارمونیک بر فرکانس موج اصلی است .
5-1-3) محل تغذیه یا نقطه اتصال مشترک : نقطه اتصال مشترک ، شینه ای از شبکه عمومی شرکت برق است که از نظر الکتریکی نزدیکترین نقطه به مصرف کننده جدید یا مورد مطالعه می‎باشد . از این شینه بارهای سایر مصرف کننده های نیز تغذیه شده و یا ممکن است بعداً از آن تغذیه گردند .
6-1-3) اعوجاج هارمونیکی : اعوجاج هارمونیکی ، انحراف یک شکل موج یا مقدار تناوبی نسبت به شکل سینوسی به علت اضافه شدن یک یا چند هارمونیک به موج اصلی سینوسی می‎باشد .
7-1-3) اعوجاج تکی جریان : اعوجاج تکی جریان ، مقدار موثر یک جریان هارمونیکی از مرتبه مشخص می‎باشد که بصورت درصدی از مقدار موثر موج اصلی جریان سینوسی بیان می‎شود .
8-1-3) اعوجاج تکی ولتاژ : اعوجاج تکی ولتاژ ، مقدار موثر یک ولتاژ هارمونیکی از مرتبه مشخص می‎باشد که بصورت درصدی از مقدار موثر موج اصلی ولتاژ سینوسی بیان می‎شود .
9-1-3) اعوجاج کلی جریان : اعوجاج کلی جریان ، مقدار موثر کلیه جریانهای هارمونیکی است که بصورت درصدی از مقدار موثر موج اصلی جریان سینوسی بیان شده و از رابطه زیر محاسبه می گردد .
(1-3)
که در آن اعوجاج تکی جریان مرتبه n می‎باشد .
10-1-3) اعوجاج کلی ولتاژ : اعوجاج کلی ولتاژ ، مقدار موثر کلیه ولتاژهای هارمونیکی است که بصورت درصدی از مقدار موثر موج اصلی ولتاژ سینوسی بیان شده و از رابطه زیر محاسبه می گردد .
(2-3)
که در آن اعوجاج تکی ولتاژ مرتبه می‎باشد .
2-3) تعریف و مفهوم هارمونیکها :
امروزه واژه هارمونیک و هارمونیک ها در رابطه با مسائل سیستم قدرت و توزیع زیاد به کارمی رود جهت درک بهتر نسبت به این واژه ابتدا به پاره ای از مفاهیم مربوط به هارمونیک های سیستم می‎پردازیم .
اساساً هر موج تناوبی می‎تواند به وسیله مجموعه ای از موج های سینوسی توصیف گردد که این مجموعه بنام سری فوریه ریاضی دان فرانسوی معروف است . فرکانس هریک از موجهای سینوسی این مجموعه ضریب صحیحی از فرکانس پایه تعریف می گردد . جمله ای که فرکانس آن همان فرکانس پایه است هارمونیک اول یا بعضی اوقات پایه نامیده می‎شود . جمله ای که فرکانس آن دو برابر فرکانس پایه است هارمونیک دوم و بقیه به همین صورت نامگذاری می گردند موجهای متقارن تنها دارای هارمونیک های فرد می باشند در حالیکه موجهای غیر متقارن علاوه بر هارمونیک های فرد دارای هارمونیک های زوج نیز می باشند .
شکل 1-3 دو نمونه موج نامتقارن و متقارن را نشان می‎دهد .

موجها ممکن است متوسطی غیر از صفر داشته باشد در اینگونه موارد در مجموعه سری فوریه یک جمله سینوسی با فرکانس صفر وجود خواهد داشت که در مفهوم مهندسی برق نشان دهنده مولفه جریان مستقیم موجDC می‎باشد .
بیشتر وسایل و تجهیزات سیستم قدرت متقارن می‎باشد و در نتیجه حالت مانا تنها هارمونیک های فرد بدون مولفهDC تولید می گردد . تقارن در اینجا به این معنی است که وقتی جریان از یک وسیله خارج می‎گردد ، همان مشخصه را می بیند که در زمان ورود به وسیله حس کرده است یا بعبارت دیگر پاسخ وسیله به جریانهای مثبت و منفی یکسان است . ولی موارد استثنایی عدم تقارن هم وجود دارد .فرضاً یکسو کننده های نیم موج ، جریانهای نامتقارن تولید می کنند که هم دارای هارمونیک های زوج و هم مولفه DC می باشند .
شکل 2-3 شکل موج جریان یک یکسو کننده نیم موج را نشان می‎دهد یکسو کننده های تمام موج و اینورتورهای قدرت نیز چنانکه قسمت مثبت و منفی موج تولیدی آنها دقیقاً یکسان نباشد ایجاد هارمونیک های زوج می نمایند .

تجهیزاتی که بر اساس تخلیه الکتریکی و یا ایجاد جرقه کار می کنند ممکن است بعلت صحیح نبودن زمان جرقه زدن آنها تولید هارمونیک زوج نمایند این مسئله در مورد کوره های قوسی در زمان ذوب کردن آهن های قراضه پیش می‎آید .
موج مربعی که در شکل 3-3 نشان داده شده است . یکی از شکل موج هایی است که زیاد در بررسی و مطالعات هارمونیک ها بکار می رود تجهیزات بسیاری مانند یکسو کننده ها و کروه های قوسی که تولید هارمونیک می کنند جریان و یا ولتاژ آنها را می‎توان برای بررسیها تقریباً بصورت یک موج مربعی در نظر گرفت . سری فوریه یک موج مربعی که پیک آن V می‎باشد بصورت زیر است .
(3-3)
ملاحظه می گردد که در سری فوق هارمونیک زوج و مولفه DC وجود ندارد و دامنه هارمونیک سوم یک سوم دامنه پایه و دامنه هارمونیک پنجم یک پنجم دامنه پایه و ….. می‎باشد .

در بیشتر محاسبات و بررسیهای سیستم قدرت از مقدار موثر(RMS ) موجهای جریان و یا ولتاژ استفاده می‎گردد. برای یک موج سینوسی مقدار موثر 7/70 در صد مقدار پیک موج می‎باشد در مورد موجهای غیر سینوسی مقدار موثر از رابطه زیر بایستی بدست آید .
(4-3)
که ومقدار موثر هارمونیک 1و 2 موج اصلی می باشند .

3-3) تاریخچه و بررسی مقدماتی هارمونیک ها :
وجود هارمونیک ها در سیستم قدرت مساله جدیدی نیست هارمونیک ها در دهه 1920 و اواخر 1930 زمانیکه شکل موج های ولتاژها و جریانهای تغییر شکل یافته در خطوط انتقال مشاهده شدند تشخیص داده شدند در آن هنگام موضوع اصلی ، تاثیر هارمونیک ها در ماشینهای سنکرون و القائی ، سیمهای ارتباطی ( تلفن ) و خازنهای قدرت بودند .
نتیجه بعضی از تحقیقات آن زمانها در مورد یک خط انتقال 220 کیلو ولت 400 کیلومتری و یک موتور القائی بشرح زیر بوده است .
– چنانکه ولتاژ ابتدای خط حاوی 7 درصد هارمونیک سوم باشد ، ولتاژ انتهای خط در حالت بی باری دارای 53 درصد هارمونیک سوم خواهد بود .
– هارمونیک سوم در انتهای خط بار کامل از 53 درصد به 29 درصد کاهش پیدا
می کند .
– در صورت وجود هارمونیک ضریب قدرت در طرف ژنراتور خط انتقال برابر 848/0 می‎باشد ( در حالتیکه بدون وجود هارمونیک ضریب قدرت برابر 96/0 است . )
– در طرف مصرف کننده خط انتقال وقتی ولتاژ دارای هارمونیک است ضریب قدرت برابر 82/0 می‎باشد . در صورتیکه توسط دستگاه اندازه گیری 75/0 اندازه گیری می گردد .
– برای یک موتور القائی که در سال 1930 ساخته شده است هارمونیک ها باعث لرزش و سرو صدای زیاد شده اند . اندازه گیریهای توان ورودی با تغییر هارمونیک های مربوطه تغییر می کنند و همچنین جریانهای رتور نیز بخاطر مقادیر مختلف هارمونیک های موجود متفاوت هستند .
مسائل فوق که در دهه 1930 وجود داشته اند ممکن است امروزه هم وجود داشته باشند .عکس العمل سازندگان در برابر هارمونیک ها ، ساختن تجهیزاتی بوده است تا تحمل هارمونیک های بیشتر کاهش اثرات متقابل را داشته باشند. همچنین هارمونیک ها کاهش داده شده و گاهی از طریق نوع اتصالات ترانسفورماتورها حذف شده اند . البته نوع اتصالات ترانسفورماتورها ، هارمونیک مولفه صفر را کاهش می‎دهد . بعنوان فیلتر دو مسیره عمل می‎کند و در نتیجه بار و سیستم را محافظت می‎کند معذالک بنظر می رسد که هارمونیک ها دوباره یک مسئله جدی شده اند و بعنوان یک عامل خسارت زننده به مصرف کنندگان و شبکه قدرت امروزه مساله هارمونیک ها را در عوامل زیادی می‎توانند جستجو کرد مطرح می‎شوند .
1-3-3) افزایش اساسی بارهای غیر خطی :
در نتیجه تکنولوژی جدید ، وسایلی مثل یکسو کننده های کنترل شده ترانزیستوری و کنترل کننده های میکروپروسسوری تولید بار حاوی هارمونیک درسیستم می نمایند .
2-3-3) تغییر در فلسفه طراحی تجهیزات :
در گذشته تجهیزات بر اساس ضریب اطمینان های بزرگ و بالاتر از ظرفیت مورد نیاز طراحی نمی‎شده‎اند ولی در حال حاضر به علت رقابت شدید میان سازندگان دستگاه های برق ، تجهیزات دقیقتر طراحی شده و بر اساس ظرفیت خواسته شده می‎باشد .
فرضاً تجهیزاتی که هسته آهنی دارند نقطه کار آنها بیشتر در ناحیه غیر خطی می‎باشد . عمل نمودن آنها در این ناحیه باعث افزایش سریع هارمونیک ها می‎شوند . بیشتر از 50 سال است که هارمونیک ها عامل ایجاد اشکالات مختلف بوده اند .
بعضی از آنها عبارتند از :
– خرابی بانکهای خازنی بعلت شکست عایقی یا افزایش بار
– تداخل هارمونیک ها با کنترل بار مصرف کننده ها و سیستم PLC . این تداخل باعث عملکرد نادرست سیستم کنترل از راه دور و اندازه گیری می گردد .
– ایجاد تلفات اضافی و گرم کردن ماشینهای القایی و سنکرون
– اضافه ولتاژ و اضافه جریان در سیستم به علت رزونانس سیستم در اثر هارمونیک های ولتاژ جریان در شبکه
– شکست عایقی کابلها در نتیجه اضافه ولتاژ ناشی از هارمونیکها
– تداخل با سیستم ارتباطات ( تلفن )
– ایجاد خطا در کنتورهای اندازه گیری مصرف و تولید انرژی
– تداخل و ایجاد عملکرد غلط رله ها ، به خصوص در سیستم کنترل و حفاظت میکروپروسسوری
– تداخل در کنترل کننده های موتورهای بزرگ
– نوسان مکانیکی در ماشینهای سنکرون و القایی
– عملکرد ناپایدار مدار آتش در کنترل کننده هایی که بر اساس مقدار ولتاژ صفر عمل می کنند .
این اثرات بستگی به منابع هارمونیک ها ، موقعیت آنها در سیستم و خصوصیات شبکه دارد .

4-3) منابع قدیمی ایجاد هارمونیک :
علت ایجاد هارمونیک ها وجود عناصر غیر خطی در سیستم قدرت می‎باشد . عناصر غیر خطی جزئی از مدار الکتریکی است که در آن ولتاژ متناسب با جریان نمی باشد .
دو مقاومت را که دارای مشخصه V-I مطابق شکل 4 هستند در نظر بگیریم یکی از مقاومتها خطی است و مشخصه V-I یک خط مستقیم است و دیگری یک مقاومت غیر خطی است . اگر یک ولتاژ سینوسی به هر دو مقاومت اعمال شود، متوجه خواهیم شد که جریان در مقاومت غیر خطی تغییر شکل خواهد داد . این یک پدیده اساسی در ایجاد هارمونیک ها به خصوص به وسیله ترانسفورماتورها می باشد .

غیر خطی بودن نباید با وابستگی فرکانس اشتباه شود . بعنوان مثال امپدانس خط انتقال با تغییر فرکانس تغییر می نماید ولی این امپدانس در هر فرکانس یک المان خطی است و وابستگی فرکانس باعث انحراف شکل موج نمی‎شود .
در یک سیستم قدرت تقریباً کلیه امپدانسهای سری خطی هستند . این امپدانسها اغلب امپدانس خطوط ، کابلها و ترانسفورماتورها می‎باشند .
در مورد ترانسفورماتورها مسئله کمی فرق می‎کند زیرا هر دو مشخصه خطی و غیر خطی را دارا می‎باشد امپدانس ( اتصال کوتاه ) ترانسفورماتورها که بصورت سری در مدار قرار می گیرد غیر خطی است .
بیشترین تولید هارمونیک در سیستم قدرت به علت وجود بارهای غیرخطی و یا تجهیزاتی است که در آنها قطع و وصلهای مکرر و سریع انجام می‎گیرد .
سه دسته عنصر غیر خطی در سیستم قدرت وجود دارد .
– وسایل فرو مغناطیس
– مبدلهای قدرت الکترونیکی
– تجهیزات تخلیه ای
1-4-3) وسایل فرو مغناطیس :
این دسته وسایل و تجهیزاتی هستند که بر اساس وجود یک سیم پیچ دور یک هسته آهنی ساخته می شوند ترانسفورماتورها و موتورها عمومی ترین وسایل از این نوع هستند .
خاصیت مغناطیسی موتورها به خاطر فاصله هوائی خطی تر از خاصیت مغناطیسی ترانسفورماتورها است. شکل 5-3 مدار معادل T موتورها و ترانسفورماتورها را نشان می‎دهد که معمولاً اساس محاسبات و بررسی این تجهیزات است . امپدانسهای سری خطی هستند ولی امپدانسهای موازی بطور فاحش غیر خطی می باشند .