آزمایش روتور موتور الکتریکی

 

آزمایش روتور موتور الکتریکی

 

   برای آزمایش یک موتور سه فاز به آزمایشگاهی با تجهیزات زیر نیاز است.

   یک منبع سه فاز که بتوان ولتاژ آن را در محدوده وسیعی تغییر داد؛ منبع توانی که ولتاژ خروجی آن را بتوان ثابت نگه داشت؛ وات مترها، ولت مترها، آمپرمترها با ظرفیت های مناسب؛ وسیله ای بسیار دقیق برای خواندن سرعت روتور؛ ترمز اصطکاکی برای آزمایش های بارگذاری موتور، یک داینامومتر که قادر باشد بار را به طور پیوسته در سرعت دلخواه تغییر دهد (می توان وسایلی را که با ستاره علامت گذاری شده اند حذف نمود).

١- آزمایش هایی که معمولاً انجام می شود آزمایش های در حین کار از حالت بی باری تا ۱۲۵٪ بار کامل است.

 ۲- آزمایش های گشتاور سرعت که نشان می دهد چگونه گشتاور با سرعت تغییر می کند.

٣- افزایش گرما هنگامی که موتور در یک بار معین به طور پیوسته کار می کند، دمای نهایی سیم پیچ ها و سایر اجزاء موتور را نشان می دهد.

   برای اینکه مهندس بتواند تلفات یک موتور را به طور جداگانه محاسبه کند به آزمایش هایی نیاز دارد که در آن موتور در حالت بی باری بدون اینکه اشباع شود کار کند، این آزمایش ها به یک منبع ولتاژ متغیر نیاز دارد.

   همچنین در آزمایش های ۱ و ۳ به وسایلی نیاز است که با آن موتور را بارگذاری کرد. بنابراین توان مکانیکی خروجی موتور را دقیقاً می توان اندازه گیری نمود.

 

 

  • ترمز اصطکاکی

   اگر ما استوانه ای به محور موتور متصل نموده و یک نوار به عنوان ترمزکننده به دور استوانه محکم ببندیم، هنگام ترمز کردن گشتاوری به نوار وارد می شود که توسط اهرم منتقل می شود و ما وسیله ای برای بارگذاری موتور خواهیم داشت. توان مکانیکی خروجی به صورت گرما در ترمز و استوانه تلف می شود.

   اگر ما انتهای اهرم را به وسیله ای متصل کنیم که نیروی اهرم را اندازه گیری کند، گشتاور موتور که توسط اهرم منتقل می شود قابل اندازه گیری خواهد بود، که آن را به عنوان مثال برحسب پوند از روی مقیاس می خوانیم. در این حالت اگر طول اهرم برحسب فوت باشد گشتاور برحسب پوند – فوت خواهد بود. با خواندن دقیق سرعت و از معادله مربوطه توان خروجی موتور برحسب اسب بخار قابل اندازه گیری خواهد بود.

 

 

ترمز اصطکاکی

شکل (۱) (a) یک ترمز مکانیکی متصل شده به محور روتور برای اندازه گیری توان مکانیکی خروجی.

(b) توان ورودی، جریان های ورودی و ولتاژ با تغییرات خروجی خوانده می شود و تغییرات خروجی به وسیلۀ محکم کردن تسمه انجام پذیر است.

 

 

 

  • داینامومترها

   داینامومترها دارای یک وسیله الکترونیکی برای خواندن سرعت تا ۱/۲ دور در دقیقه هستند. یک ژنراتور dc بدون هیچ پایه ای را در نظر بگیرید، اگر محور این موتور توسط دو بلبرینگ به دو پایه ثابت متصل شود در این حالت هم محور و هم بدنه موتور می توانند آزادانه گردش کنند. حال بدنه موتور را توسط یک بازو با طول مشخص به یک مقیاس متصل می کنیم، از این به بعد بدنه موتور فقط به اندازه ای که فنر داخل نیروسنج اجازه می دهد می تواند گردش کند، شکل (۲).

   توسط هادی های خروجی ژنراتور به مقاومت های بزرگی که کار آن مصرف توان dc خروجی ژنراتور است متصل می شود. حال ما یک داینامومتر داریم برای تغییر بار موتور کافی است که مقاومت های متصل به ژنراتور را تغییر داد. گشتاور خروجی موتور توسط مقیاس قابل اندازه گیری است، چون طبق قانون عمل و عکس العمل هر نیرویی که محور موتور به محور ژنراتور منتقل می کند خلاف آن نیرو به بدنه ژنراتور وارد می شود و احتیاجی به اندازه گیری خروجی ژنراتور نیست.

 

 

ژنراتور dc که به عنوان داینامومتر استفاده شده است

شکل (۲) نمایش یک ژنراتور dc است که به عنوان یک داینامومتر استفاده شده است.

ژنراتور نه تنها موتور تحت آزمایش را بارگذاری می کند بلکه گشتاور خروجی موتور را توسط بازو مقیاس نشان می دهد.

 

 

 

 

  • محاسبه راندمان در بارهای مختلف

   اطلاعات آزمایشگاهی: یک موتور  ۳/۴ اسب بخار به وسیلۀ یک داینامومتر مورد آزمایش قرار می گیرد. بازوی متصل به داینامومتر ۱۱/۲ فوت طول دارد و قبلاً مقیاس به گونه ای تنظیم شده است که احتیاجی به تصحیح مجدد به خاطر وزن بازو نیست.

 

   مقاومت روتور سرعت موتور را کند می کند: در ناحیه کار، اطراف سرعت سنکرون، مقاومت بیشتر روتور ممکن است مفید یا مضر باشد. گشتاور موتور ناشی از اثر متقابل بین میدان اطراف هادی های روتور و میدان استاتور است. به منظور اینکه جریان ثابت (کافی) نگه داشته شود، باید موتور کند شود تا ولتاژ بیشتری القا شده و جریان بیشتری از دورن هادی های با مقاومت بیشتر عبور کند، بنابراین افزایش مقاومت روتور سرعت بار کامل را کاهش می دهد و سبب افزایش تلفات I2R در روتور می شود، اگر مقاومت روتور یک موتور به اندازه کافی بزرگ باشد که لغزش ٪۵ ایجاد کند، ۵۰٪ توان ورودی به روتور به صورت گرما تلف می شود و چنین حالتی به ندرت مورد نظر است.

 

 

  • روش های تغيير مقاومت روتور

   ساختمان روتورهای قفس سنجابی به گونه ای است که مقاومت آن ها ثابت است، مگر اینکه تغییر دما باعث تغییر در مقاومت آن ها شود. در اکثر حالات استفاده از روتوری مطلوب و مورد نظر است که در هنگام راه اندازی به منظور افزایش گشتاور و کاهش جریان راه اندازی مقاومت آن زیاد و بعد از آن در ناحیه کار، برای کاهش لغزش و تلفات مقاومت آن کوچک باشد، این خواسته به طریق زیر انجام پذیر است:

 

  •  موتورهای با روتور سیم پیچی

    در این نوع روتورها به جای استفاده از میله های مسی و حلقه های جوش داده شده به آن ها از سیم پیچ دو یا سه فازی که درون شیارهای روتور قرار می گیرد استفاده می شود. برای اجتناب از پیچیدگی مطلب فرض می کنیم که این سیم پیچی ها دقیقاً مانند سیم پیچی های استاتور قرار داده می شود و اتصال سیم پیچی ها به صورت ستاره است که انتهای آن ها به سه حلقه لغزنده موجود روی محور متصل می شود.

   جاروبک هایی که روی این حلقه ها قرار دارند به سه مقاومت خارجی متصل می شوند، شکل (۳). با تغییر دادن مقاومت ها می توانیم گشتاور راه اندازی بزرگی، همان طور که در شکل (۴) نشان داده شده است به دست آوریم. با سرعت گرفتن موتور مقاومت را کوچکتر می کنیم تا سرانجام سیم پیچی ها اتصال کوتاه شده و موتور در سرعت نامی به کار خود ادامه دهد، مانند نقطه a بر روی منحنی ۱ از شکل (۴).

   از این موتورها در جرثقیل و بالابرها استفاده می شود. این موتورها به دلیل سیم پیچی های روتور، جاروبک ها و حلقه های لغزنده و احتیاج به مقاومت خارجی، گران قیمت دارند.

 

نمایش سیم پیچی ها و مقاومت های خارجی در یک موتور القایی با روتور سیم پیچی شده

 

شکل (۳) نمایش سیم پیچی ها و مقاومت های خارجی در یک موتور القایی با روتور سیم پیچی شده

 

 

منحنی های گشتاور

 

شکل (۴) منحنی های گشتاور- سرعت یک موتور القایی با روتور سیم پیچی شده برای مقادیر مختلف مقاومت روتور. 

یک روتور قفس سنجابی را می توان ساخت که تنها یکی از این منحنی های گشتاور-سرعت را داشته باشد.

 

   اگر مقاومت های خارجی به اندازه کافی برای کار دائمی قدرت داشته باشند، به وسیله موتورهای با روتور سیم پیچی شده می توان سرعت متغیر به دست آورد. سرعت واقعی در هر باری به وسیله طبیعت بار تعیین می شود. آیا در سرعت کمتر بار گشتاور کمتری نیاز دارد؟ اگر منحنی گشتاور – سرعت یک بار مانند منحنی b در شکل (۴) باشد، چنین چیزی صادق است و معمولاً در صنعت هم این گونه است. اکنون اگر چهار دسته مقاومت در مدار باشد موتور با لغزش ۳۰٪ و اگر سه دسته مقاومت در مدار باشد موتور با لغزش ۱۷٪ کار می کند.

   اکنون باری را در نظر بگیرید که گشتاور آن مستقل از سرعت، ثابت است. منحنی این بار در شکل (۴) توسط خطوط نقطه چین C نشان داده شده است. حال اگر چهار دسته مقاومت در مدار باشد موتور با لغزش ۵۸٪ و اگر سه دسته مقاومت در مدار باشد موتور با لغزش ۲۵٪ کار می کند. بنابراین اگر طبیعت بار یا اندازه گشتاور مورد نیاز تغییر کند، سرعت موتور بدون اینکه نیاز به کنترل کننده ای باشد تصحیح می شود. بنابراین چنین موتورهایی از نوع سرعت متغیر هستند.

   این موتورها خصوصیت مطلوبی دارند: اگر لغزش ۳۰٪ باشد، ۳۰٪ توان منتقل شده از طريق فاصله هوایی به صورت گرما تلف می شود. اکثر این گرما در مقاومت های خارجی تلف می شود و دمای موتور را افزایش نمی دهد. در موتورهای با روتور سیم پیچی شده مانند موتورهای قفس سنجابی، تغییر در مقاومت روتور در گشتاور ماکزیمم تغییری نمی دهد. مگر اینکه مقاومت R۲ از مقاومتی که به ازاء آن گشتاور راه اندازی با گشتاور ماکزیمم برابر می شود، بیشتر شود.

 

 

 

  • روتورهای پیشرفته

   در ساختمان روتورهای قفس سنجابی ساخته شده از میله های مسی و حلقه های انتهایی آن ها را که به یکدیگر جوش داده شده یا لحیم داده می شوند. عملاً ساختن این روتورها برای موتورهای کمتر از hp ۱ تا حدود hp ۱۰۰ کنار گذاشته شده است.

   روش دیگری نیز برای ساختن روتور وجود دارد. به این ترتیب که ورقه های فولادی را به تعداد مورد نیاز درون قالبی که در دو انتهای خود حفره هایی به اندازه حلقه های انتهایی دارد قرار می دهند. گاهی اوقات قسمتی هم در انتهای قالب، به عنوان پنکه در نظر گرفته می شود. آلومینیوم مذاب با فشار زیاد به درون قالب تزریق می شود. به این ترتیب هر دو حلقه انتهایی و میله ها به همراه ورقه های روتور تشکیل یک طرح واحد به هم پیوسته را می دهد.

   امروزه قالب های قسمتی وجود دارد که در هر بار ریخته گری دو تا هشت روتور تولید می کند. روتور ریخته شده به اندازه مورد نظر (اندازه ای که فاصله هوایی کافی، هنگام قرار گرفتن روتور درون استاتور وجود داشته باشد) تراش داده می شود و سپس گرم می شود. تفاوت در انبساط فولاد و آلومینیوم، اتصال نزدیکی که بین آن ها وجود دارد را جدا کرده و جریان های سرگردان را به کمترین مقدار خود می رساند. از آنجا که آلومینیوم تنها ۵۵٪ از قابلیت هدایت مس را دارد، سطح مقطع میله ها و حلقه های انتهایی روتور آلومینیومی ریخته شده، بزرگتر از روتور مشابهی است که از مس ساخته شده است.

 

 

 

  • روش دیگری برای تغيير مقاومت روتور

   برای بهبود یک موتور القایی باید مقاومت روتور در هنگام راه اندازی بزرگ و در هنگام کار کوچک باشد. یک روش گرانقیمت برای برآورده کردن این منظور استفاده از روتور سیم پیچی شده با مقاومت های خارجی است.

   روش ارزان تر، استفاده از روتور با قفسه دوگانه است،شکل (۵). در این موتور، هنگام راه اندازی فرکانس ولتاژ و جریان روتور همان فرکانس استاتور است و قفسه داخلی به دلیل اینکه به طور عمیق تری جاسازی شده است، راكتانس بزرگتری داشته و جریان خیلی کمی از آن عبور می کند. بنابراین در لحظه راه اندازی مقاومت روتور همان مقاومت قفسه بیرونی است. با افزایش سرعت، فرکانس کاهش یافته و جریان قفسه داخلی افزایش می یابد، تا در نزدیکی سرعت سنکرون که جریان از تمام هادی ها عبور می کند و مقاومت خیلی کم شده و باعث می شود که لغزش به دلیل کوچک شدن مقاومت کمتر شود.

 

سطح مقطع عرضی یک شیار از یک روتور قفسه دوگانه

 

شکل (۵) سطح مقطع عرضی یک شیار از یک روتور قفسه دوگانه

 

 

  • اثر ولتاژ بر روی گشتاور

   اگر ولتاژ یک موتور چند فاز را کاهش دهیم، شار فاصله هوایی هم به همان نسبت کاهش می یابد و این به نوبه خود در یک سرعت مشخص ولتاژ القا شده در میله های روتور را کاهش می دهد، بنابراین جریان کمتری در هادی ها جاری می شود و شار اطراف میله ها که با شار استاتور اثر متقابل دارد ضعیف تر می گردد. نتیجه اینکه گشتاور با مربع ولتاژ کاهش می یابد. چون هر دو عامل مؤثر در تولید گشتاور یعنی شار استاتور و روتور به ولتاژ وابسته اند. شکل (۶) منحنی های گشتاور سرعت یک موتور را نشان می دهد که توسط یک ترانسفورماتور با ولتاژهای ۸۰، ۷۰ و ۶۰ درصد ولتاژ نامی تغذیه شده است. کل منحنی گشتاور سرعت تحت اثر کاهش ولتاژ قرار می گیرد.

   گاهی اوقات برای کاهش جریان راه اندازی بیش از اندازه موتورهای بزرگ در هنگام اتصال به خط از این روش استفاده می شود. اگرچه ترانسفورماتور تغذیه گرانقیمت است، ولی می توان برای کنترل سرعت در یک محدود کوچک از این روش استفاده نمود.

 

 

منحنی های گشتاور سرعت یک موتور در ولتاژهای نامی 80، 70 و 60 درصد ولتاژ نامی

 

شکل (۶) منحنی های گشتاور سرعت یک موتور در ولتاژهای نامی ۸۰، ۷۰ و ۶۰ درصد ولتاژ نامی 

 

 

مقالات مرتبط