موتور الکتریکی
یک موتور الکتریکی، الکتریسیته را به حرکت مکانیکی تبدیل می کند. عمل عکس آن که تبدیل حرکت مکانیکی به الکتریسیته است، توسط ژنراتور انجام می شود. این دو وسیله بجز در عملکرد، مشابه یکدیگر هستند. اکثر موتورهای الکتریکی توسط الکترومغناطیس کار می کنند، اما موتورهایی که بر اساس پدیده های دیگری نظیر نیروی الکترواستاتیک و اثر پیزوالکتریک کار می کنند، هم وجود دارند.
ایده کلی این است که وقتی که یک ماده حامل جریان الکتریسیته تحت اثر یک میدان مغناطیسی قرار می گیرد، نیرویی بر روی آن ماده از سوی میدان اعمال می شود. در یک موتور استوانه ای، چرخانه (روتور) به علت گشتاوری که ناشی از نیرویی است که به فاصله ای معین از محور چرخانه به چرخانه اعمال می شود، می گردد.
اغلب موتورهای الکتریکی دوارند، اما موتور خطی هم وجود دارند. در یک موتور دوار بخش متحرک (که معمولاً درون موتور است) چرخانه و بخش ثابت ایستانه (استاتور) خوانده می شود. موتور شامل آهنربای الکتریکی است که روی یک قاب سیم پیچی شده است. گر چه این قاب اغلب آرمیچر خوانده می شود، اما این واژه عموماً به غلط بکار برده می شود. در واقع آرمیچر آن بخش از موتور است که به آن ولتاژ ورودی اعمال می شود یا آن بخش از ژنراتور است که در آن ولتاژ خروجی ایجاد می شود. با توجه به طراحی ماشین، هر کدام از بخش های چرخانه یا ایستانه می توانند به عنوان آرمیچر باشند. برای ساختن موتورهایی بسیار ساده کیت هایی را در مدارس استفاده می کنند.
موتورهای دی سی
یکی از اولین موتورهای دوار، اگر نگوییم اولین، توسط مایکل فارادی در سال 1821م ساخته شده بود و شامل یک سیم آویخته شده آزاد که در یک ظرف جیوه غوطه ور بود، می شد. یک آهنربای دائم در وسط ظرف قرار داده شده بود. وقتی که جریانی از سیم عبور می کرد، سیم حول آهنربا به گردش در می آمد و نشان می داد که جریان منجر به افزایش یک میدان مغناطیسی دایره ای اطراف سیم می شود. این موتور اغلب در کلاسهای فیزیک مدارس نشان داده می شود، اما گاهاً بجای ماده سمی جیوه، از آب نمک استفاده می شود.
موتور کلاسیک Dc دارای آرمیچری از آهنربای الکتریکی است. یک سوییچ گردشی به نام کموتاتور جهت جریان الکتریکی را در هر سیکل دو بار برعکس می کند تا در آرمیچر جریان یابد و آهنرباهای الکتریکی، آهنربای دائمی را در بیرون موتور جذب و دفع کنند. سرعت موتور Dc به مجموعه ای از ولتاژ و جریان عبوری از سیم پیچهای موتور و بار موتور یا گشتاور ترمزی، بستگی دارد.
سرعت موتور Dc وابسته به ولتاژ و گشتاور آن وابسته به جریان است. معمولاً سرعت توسط ولتاژ متغیر یا عبور جریان و با استفاده از تپها (نوعی کلید تغییر دهنده وضعیت سیم پیچ) در سیم پیچی موتور یا با داشتن یک منبع ولتاژ متغیر، کنترل می شود. بدلیل اینکه این نوع از موتور می تواند در سرعتهای پایین گشتاوری زیاد ایجاد کند، معمولاً از آن در کاربردهای کششی نظیر لوکوموتیوها استفاده می کنند. اما به هرحال در طراحی کلاسیک محدودیتهای متعددی وجود دارد که بسیاری از این محدودیتها ناشی از نیاز به جاروبکهایی برای اتصال به کموتاتور است. سایش جاروبک ها و کموتاتور، ایجاد اصطکاک می کند و هر چه که سرعت موتور بالاتر باشد، جاروبکها می بایست محکمتر فشار داده شوند تا اتصال خوبی را برقرار کنند. نه تنها این اصطکاک منجر به سر و صدای موتور می شود بلکه این امر یک محدودیت بالاتری را روی سرعت ایجاد می کند و به این معنی است که جاروبکها نهایتاً از بین رفته نیاز به تعویض پیدا می کنند. اتصال ناقص الکتریکی نیز تولید نوفه (نویز) الکتریکی در مدار متصل می کند. این مشکلات با جابجا کردن درون موتور با بیرون آن از بین می روند، با قرار دادن آهنرباهای دائم در داخل و سیم پیچها در بیرون به یک طراحی بدون جاروبکمی رسیم.
موتورهای میدان سیم پیچی شده
آهنرباهای دائم در (ایستانه) بیرونی یک موتور Dc را می توان با آهنرباهای الکتریکی تعویض کرد. با تغییر جریان میدان (سیم پیچی روی آهنربای الکتریکی) می توانیم نسبت سرعت/گشتاور موتور را تغییر دهیم. اگر سیم پیچی میدان به صورت سری با سیم پیچی آرمیچر قرار داده شود، یک موتور گشتاور بالای کم سرعت و اگر به صورت موازی قرار داده شود، یک موتور سرعت بالا با گشتاور کم خواهیم داشت. می توانیم برای بدست آوردن حتی سرعت بیشتر اما با گشتاور به همان میزان کمتر، جریان میدان را کمتر هم کنیم. این تکنیک برای کشش الکتریکی و بسیاری از کاربردهای مشابه آن ایده آل است و کاربرد این تکنیک می تواند منجر به حذف تجهیزات یک جعبه دنده متغیر مکانیکی شود.
موتورهای یونیورسال
یکی از انواع موتورهای Dc میدان سیم پیچی شده موتور یونیورسال است. اسم این موتورها از این واقعیت گرفته شده است که این موتورها را می توان هم با جریان Dc و هم Ac بکار برد، اگر چه که اغلب عملاً این موتورها با تغذیه Ac کار می کنند. اصول کار این موتورها بر این اساس است که وقتی یک موتور Dc میدان سیم پیچی شده به جریان متناوب وصل می شود، جریان هم در سیم پیچی میدان و هم در سیم پیچی آرمیچر (و در میدانهای مغناطیسی منتجه) هم زمان تغییر می کند و بنابراین نیروی مکانیکی ایجاد شده همواره بدون تغییر خواهد بود. در عمل موتور بایستی به صورت خاصی طراحی شود تا با جریان Ac سازگاری داشته باشد (امپدانس/راکتانس بایستی مدنظر قرار گیرند) و موتور نهایی عموماً دارای کارایی کمتری نسبت به یک موتور معادل Dc خالص خواهد بود.
مزیت این موتورها این است که می توان تغذیه Ac را روی موتورهایی که دارای مشخصه های نوعی موتورهای Dc هستند بکار برد، خصوصاً اینکه این موتورها دارای گشتاور راه اندازی بسیار بالا و طراحی بسیار جمع و جور در سرعتهای بالا هستند. جنبه منفی این موتورها تعمیر و نگهداری و مشکل قابلیت اطمینان آنهاست که به علت وجود کموتاتور ایجاد می شود و در نتیجه این موتورها به ندرت در صنایع مشاهده می شوند، اما عمومی ترین موتورهای Ac در دستگاههایی نظیر مخلوط کن و ابزارهای برقی که گاهاً استفاده می شوند، هستند.
هنگام راه اندازی، خازن و سیم پیچ راه اندازی از طریق یک دسته از کنتاکت های تحت فشار فنر روی کلید گریز از مرکز دوار، به منبع برق متصل می شوند. خازن به افزایش گشتاور راه اندازی موتور کمک می کند. هنگامی که موتور به سرعت نامی رسید، کلید گریز از مرکز فعال شده، دسته کنتاکتها فعال می شود، خازن و سیم پیچ راه انداز سری شده را از منبع برق جدا می سازد، در این هنگام موتور تنها با سیم پیچ اصلی عمل می کند.
سیستم آموزش اصول ایمنی برق کشی ساختمان و روش های اندازه گیری ایمن پارامترهای الکتریکی با قابلیت شبیه سازی خطا و آموزش مدارات تک فاز ، سه فاز و سه فاز چهار سیمه جهت آموزش : امنیت الکتریکی به منظور جلوگیری از حوادث پیش بینی نشده * نحوه اتصالات زمین و اصول امنیتی برق کشی * تداخلات الکترو مغناطیسی و روش های جلوگیری از آنها * اختلالات الکتریسیته ساکن و روشهای جلوگیری از آنها * جلوگیری از آسیب های ناشی از صاعقه * بازدید و عیب یابی سیم کشی در حالت خارج از شبکه * اندازه گیری ایمن توسط تجهیزات اندازه گیری الکتریکی * اندازه گیری ولتاژ تک فاز ، سه فاز و DC * تشخیص فازهای R,S,T و ولتاژ خط * اندازه گیری مقاومت عایقی * اندازه گیری مقاومت زمین (2 نقطه و 3 نقطه) و ولتاژ ارت * اندازه گیری مقاومت زمین تحت تاثیر مقاومت ویژه زمین * اندازه گیری جریان نشتی * تست اتصالات صحیح سیم کشی .
سیستم آموزشی کارگاه برق جهت کارگاه های تخصصی برق صنعتی ، ساختمان ، عمومی و مدار فرمان دارای تابلو ، میز ، کشوی مخصوص و 4 تابلو تغذیه مجزا مشتمل بر خروجی های سه فاز و تک فاز ، خروجی های ولتاژ پایین (24/12/8)ولت ، فیوز محافظ ، کلیه قطع اضطراری * شامل امکانات آموزشی از قبیل : کنتاکتور * تایمر * رله های مکانیکی (میکرو سوئیچ) و حرارتی (بی متال) * شاسی های start/stop * لامپ سیگنال * کلیدهای راه انداز موتور (دالاندر و ستاره – مثلث) * کلید چپ گرد و راست گرد * کلید حفاظت موتور * الکتروموتور 3 فاز قفس سنجابی * موتور دالاندر * آمپرمتر تابلویی * کلیدهای روکار / توکار تبدیل ، یک پل و دو پل * پریز روکار و توکار * زنگ اخبار * رله راه پله * لامپ های فیلامانی و فلوروسنت * آیفون دو طبقه * دیمر * کنتور برق
سیستم آموزشی موتورهای DC شنت و سری / ژنراتورهای DC جهت انجام آزمایشات: بررسی استارت و منحنی بار موتور های DC شنت و سری * محاسبه تلفات و بازده موتورهای DC شنت و سری * محاسبه رابطه سرعت موتور با نیروی تحریک الکتریکی * بررسی منحنی بار موتور DC کمپوند * بررسی مشخصات کمپوند افزایشی و نقصانی * محاسبه سرعت چرخش ژنراتور و بررسی مشخصات خروجی * محاسبه تلفات و بازده ژنراتور DC کمپوند
سیستم آموزشی موتورهای قفس سنجابی / ژنراتورهای DC جهت انجام آزمایشات :* بررسی استارت و منحنی بار موتورهای القایی قفس سنجابی * تغییر جهت دوران موتور القایی قفس سنجابی * محاسبه سرعت لغزش و گشتاور موتور القایی * محاسبه (PF) موتور القایی در حالت بارداری و بی باری * بررسی منحنی بار تحریک مستقل ژنراتور DC شنت * بررسی مشخصات اشباع ژنراتور در حالت بی باری * بررسی میدان شنت * محاسبه تلفات و بازده ژنراتور DC شنت
سیستم آموزشی موتورهای روتور سیم پیچی شده / ژنراتورهای DC جهت انجام آزمایشات :* بررسی مشخصات استارت موتورهای روتور سیم پیچی شده * محاسبه سرعت و گشتاور موتورهای روتور سیم پیچی شده * محاسبه PF موتورهای روتور سیم پیچی شده * اتصالات ستاره و مثلث * بررسی منحنی بار ژنراتور شنت و کمپوند * محاسبه سرعت و خروجی بر حسب نوع سیم پیچی * مقایسه تلفات و بازده برحسب نوع سیم پیچی *
سیستم آموزشی موتورهای DC / ژنراتور های AC جهت انجام آزمایشات :* بررسی منحنی بار موتور DC * محاسبه تلفات و بازده موتور DC * تغییرات جهت چرخش موتور * محاسبه سرعت و گشتاور موتور * بررسی منحنی اشباع ژنراتور AC * بررسی منحنی بار ژنراتور AC * تلفات و بازده ژنراتور AC * اتصالات ستاره و مثلث *
سیستم آموزشی موتورهای سنکرون / ژنراتورهای DC جهت انجام آزمایشات :* بررسی استارت و مشخصات همزمانی موتورهای سنکرون * بررسی مشخصات منحنی (V) موتورهای سنکرون * محاسبه تلفات و بازده موتورهای سنکرون * بررسی منحنی بار ژنراتور شنت خود تحریک * بررسی میدان و خروجی شنت * محاسبه سرعت و بررسی مشخصات خروجی ژنراتور * محاسبه تلفات و بازده ژنراتور DC شنت *
سیستم آموزشی موتورهای ریپولیسیونی (دفعی) / ژنراتورهای DC جهت انجام آزمایشات :* بررسی استارت و مشخصات راه اندازی موتورهای ریپولیسیونی * بررسی تغییر جهت دوران موتورهای ریپولیسیونی * بررسی مشخصات بار موتورهای ریپولیسیونی * محاسبه (PF) موتورهای ریپولیسیونی در حالت بارداری و بی باری * بررسی منحنی بار ژنراتور DC شنت تحریک خارجی * بررسی مشخصات اشباع بی باری ژنراتور * بررسی PF و تلفات ژنراتور DC شنت
سیستم آموزشی موتورهای القایی قفس سنجابی همراه با گشتاور سنج جهت انجام آزمایشات :* بررسی مشخصات استارت موتورهای القایی قفس سنجابی * تغییر جهت چرخش موتورهای القایی قفس سنجابی * بررسی سرعت و گشتاور موتورهای القایی قفس سنجابی * اندازه گیری بازده و توان موتورهای القایی قفس سنجابی * استفاده از الکترو دینامومتر (گشتاور سنج) * اندازه گیری گشتاور بوسیله دینامومتر * استفاده از ژنراتور های DC تحریک مستقل
سیستم آموزشی ماشین های الکتریکی با قابلیت ساخت انواع موتور و ژنراتور توسط کاربر به وسیله اجزاء و قطعات پیش بینی شده از قبیل : روتور سه قطبی و انواع دیگر روتور * میدان های شنت و انواع میدان های دیگر سیم پیچی شده * مگنت های دائمی * جاروبک و نگه دارنده جاروبک * نگه دارنده های روتور و استاتور * لامپ فیلامنت 3/6/12 ولت * قطب نما * انواع تسمه و پیچ * صفحه مرکزی جهت نصب اجزاء موتور یا ژنراتور .
قابلیت آموزش اصول کار موتورها و ژنراتورها و نیز راه اندازی و بررسی مشخصات انواع موتور و ژنراتور از قبیل : موتور DC با آهن ربای دائمی * موتور DC توسط میدان سیم پیچی شده * موتور DC شنت سیم پیچی شده * موتور DC کمپوند * موتور یونیورسال * موتور القایی سه فاز * موتور القایی قفس سنجابی * موتور ریپولیسیونی * موتور نیم فاز توسط کاندانسر * موتور قطبی * ژنراتور AC تک فاز با آهن ربای ثابت * ژنراتور DC با آهن ربای ثابت * ژنراتور DC شنت تحریک مستقل * ژنراتور DC شنت خود تحریک * ژنراتور سه فاز AC
سیستم آموزشی ماشین های الکتریکی شامل :موتور DC شنت ، سری ، کمپوند ، سنکرون و آسنکرون سه فازه * ژنراتور AC و DC * بارهای سلفی ، خازنی و اهمی * رئوستا * واریاک تک فاز و سه فاز * منبع تغذیه DC * ولتمتر ، وات متر ، تاکومتر و کسینوس فی متر * ترانسفوماتور تک فاز و سه فاز * گشتاور سنج
سیستم آموزشی ترانسفوماتور های تک فاز و سه فاز متشکل از سه ترانسفورماتور سه فاز مجزا جهت انجام آزمایشات:اصول کاربردی ترانسفورماتور ، محاسبه نسبت جریان ، قطبیت ، اتصالات موازی و موارد دیگر .
سیستم آموزش الکترونیک صنعتی جهت انجام آزمایشات :رکتیفایر تک فاز نیم موج و تمام موج توسط دیود * رکتیفایر سه فاز نیم موج و تمام موج توسط دیود *کنترل فاز تک فاز نیم موج و تمام موج توسط SCR * کنترل فاز سه فاز نیم موج و تمام موج توسط SCR * حسگر IGBT * مدارات IGBT * اینورتر PWM توسط IGBT * اینورتر ولتاژ مربعی بوسیله SCR * مبدل سیکلوترون تک فاز توسط SCR * کنترل ولتاژ AC تک فاز توسط SCR
سیستم های آموزشی مجزای الکترونیک صنعتی با مدارات کنترلی از نوع DSP جهت انجام آزمایشات متنوع و مرتبط با تبدیلات قدرت توسط دیود ، تریستور و IGBT شامل امکانات : ترانسفورماتور * مدار گیت * مدار فرمان * بار مقاومتی 500W و بار سلفی 500mH * موتور * نقاط تست جهت اندازه گیری ها * سرعت سنج * میتر های اندازه گیری * قابلیت تست توسط میکرو پروسسور * دارای 32K بایت حافظه وEPLD دارای 13 مدل مجزا و قابل انتخاب به شرح جدول ذیل :
سیستم آموزشی SCR جهت انجام آزمایشات :بررسی مشخصات SCR در مدارات AC و DC * مدار رگولاتور DCتوسط SCR * معکوس کننده DC به AC بوسیله SCR * باطری شارژر توسط SCR * مدارات فتوکنترلی بوسیله SCR * مدار تریگر و کنترل گیت (تریگر توسط راکتور – کنترل فاز بوسیله مدار تولون) * مدار تریگر و کنترل گیت (تریگر دوحالته توسط دایاک – تریگر نوسان )
چکیده
(تجزیه و تحلیل الکترومغناطیسی،مکانیکی و مداری ماشین هایDC)
امروزه ماشین های الکتریکی نقش اساسی در صنعت ایفا می کنند و بنابراین به عنوان یکی از دروس مهم مهندسی برق در دانشگاه های دنیا مطرح می باشند.
متاسفانه بیشتر دانشجویان مهندسی برق به دلیل استفاده از فقط یک مرجع برای این درس و دید تک بعدی به ماشین های الکتریکی که همان دید مداری محض(KVL وKCL) است؛ همواره دارای ضعف اساسی در این درس می باشند.اولین ماشین های الکتریکی دوار که یک دانشجوی مهندسی برق با آنها آشنا می شود ماشین های DC هستند؛. لذا زیر بنای فهم دانشجویان از اصول اساسی ماشین های الکتریکی گردان در همین نوع ماشین ها شکل می گیرد و چه بسا در صورت عدم فهم مناسب ماشین های DC ،دانشجو با سایر ماشین های دواری که بعداً با آنها مواجه می شود(نظیر موتور های القایی سه فاز،ژنراتور های سنکرون سه فاز،موتور های القایی تک فاز و ماشین های مخصوص)قطعاً دچار اشکال می گردد و نخواهد توانست دید مهندسی خوبی را نسبت به ماشین های الکتریکی ،پیدا کند.
من با توجه به مطالعه تعداد زیادی کتاب راجع به ماشین های الکتریکی و چند ترم تدریس این درس (به صورت TA در خدمت چند تن از اساتید محترم دانشکده برق دانشگاه صنعتی شریف)
توانستم ضعف دانشجویان را در این درس ریشه یابی کنم ؛که همان طور در بالا اشاره شد نگاه یک چشمی به ماشین های الکتریکی به عنوان مدار های الکتریکی است.در حالی که می دانیم موتور ها و ژنراتور های الکتریکی به عنوان مبدل انرژی الکتریکی به مکانیکی و بالعکس هستند و این تبدیل انرژی تنها در سایه پدیده های الکترو مغناطیسی صورت خواهد گرفت.از همین بیان می توان نتیجه گرفت که روشی که ماشین های الکتریکی را مورد تجزیه و تحلیل قرار می دهیم ترکیبی از سه دیدگاه زیر است:
1)دیدگاه الکترومغناطیسی:محاسبات mmf و نیروهای الکترومغناطیسی و میدان های مغناطیسی.
2)دیدگاه مکانیکی:محاسبات گشتاور-سرعت و اعمال فرم زاویه ای قانون دوم نیوتن برای تجزیه و تحلیل حالت های گذرای ماشین های DC به صورت معادله دیفرانسیل معمولی رسته دوم
3)دیدگاه مداری:به دست آوردن مدار معادل الکتریکی ماشین های الکتریکی ومحاسبات ولتاژ و جریان پایانه ای ژنراتورها و جریانی که موتور از شبکه DC یاAC می کشدو مثلاً ضریب قدرت ورودی یک موتور AC که گفتیم این تنها دیدگاه دانشجویان نسبت به ماشین های الکتریکی است.
کتابی که پیش رو دارید در 8 فصل و از سه دیدگاه فوق به سبک استدلالی دقیق ماشین های DC را تجزیه و تحلیل می کند. با توجه به این موضوع که گرایش اصلی من مخابرات میدان (الکترومغناطیس) می باشد لذا سعی کردم دیدگاه الکترومغناطیسی روشنی از ماشین های DC ارائه دهم این موضوع در سرتاسر این کتاب به چشم می خورد (مثلاً در فصل پنجم اثبات دقیق الکترومغناطیسی این حقیقت که توزیع mmf روتور یک ماشین DC یک شکل موج شبه مثلثی است آورده شده است که در هیچ یک از مراجع معتبر درس ماشین های الکتریکی مطرح نشده است).
مهم ترین نکته برجسته این کتاب زبان ساده به کار گرفته شده و تعدد شکل های واضح در آن است اما در عین حال سعی شده کلیه مطالب درسی مربوطه به طور کامل پوشش داده شوند.همچنین در این کتاب سیم پیچی موجی یک ژنراتور DC و شکل موج ولتاژ تولیدی آن در فصل سوم تجزیه و تحلیل شده که این مساله همیشه به عنوان یک مساله بی جواب در کلاس های درس دانشکده برق بین دانشجویان تیزبین مطرح بود و در هیچ یک از مراجع درس ماشین بدان اشاره ای نشده است(فقط به ذکر فرمول تعداد مسیر های موازی جریان برابر 2 است بسنده کرده اند).حال من به کمک نرم افزار Mechanical Desktop روتور 18 شیاری با سیم پیچی موجی را 5 درجه،5درجه چرخانده ام و ولتاژ پایانه ای آن را به صورت تابعی از زمان درآوردم.
در پایان از زحمات استاد ارجمندم جناب آقای دکتر تهامی که پیشنهاد مرا در خصوص نوشتن چنین کتابی به صورت پروژه کارشناسی پذیرفتند،تشکر می کنم.
منابع
مهندسی برق دانشگاه صنعتی شریف
دکتر عباس صمیمی فر
Email: Md.samimi@Gmail.com
13