عملکرد موتورهای الکتریکی

 

   هادی های حامل جریان (میله های روتور) درون یک میدان مغناطیسی قرار دارند. در اثر عبور جریان از میله های روتور در اطراف آن ها یک میدان مغناطیسی به وجود می آید، در نتیجه اثر متقابل بین این دو میدان نیرویی به هر کدام از میله ها وارد می شود که سبب چرخش روتور می گردد. به جز اینکه در اینجا میدان مغناطیسی دوران می کند. راه بهتر برای توضیح این مطلب آن است که بگوییم جریان درون هادی های روتور قطب هایی پدید می آورد تعداد این قطب ها با تعداد قطب های استاتور برابر است که می خواهد جذب قطب های استاتور شود و چون قطب های استاتور می چرخد قطب های روتور هم همراه قطب های استاتور شروع به چرخش می کند نیروی اعمال شده به هر کدام از میله های روتور به شدت میدان مغناطیسی فاصله هوایی و جریان میله بستگی دارد. مجموعه این نیروها باعث چرخش روتور با اعمال گشتاور به آن می شود.

 

عملکرد موتور

 

شکل (۱) جریان میله های زیر یک قطب با یکدیگر متفاوت است و توزیع جریان در تمام نقاط محیطی حلقه های مسی یکنواخت نیست.

 

   در هر موتوری ترکیبی از دو حالت ژنراتوری و موتوری وجود دارد. یادآوری می شود که اندازه ولتاژ القایی تولید شده در هادی های روتور به سرعتی که شار هادی ها را قطع می کند بستگی دارد (هرگاه ۱۰ خط در یک ثانیه قطع شود یک ولت تولید می گردد). هنگامی که روتور ساکن است شار با ماکزیمم سرعت خود (سرعت سنکرون) هادی های روتور را قطع می کند و بیشترین ولتاژ در آن ها القا می گردد. با توجه به ثابت بودن مقاومت و راکتانس مدارهای روتور، جریان روتور نیز ماکزیمم خواهد شد.

   روتور با وارد شدن گشتاور شتاب می گیرد. فرض کنید سرعت روتور به ۲/۳ سرعت سنکرون رسیده باشد، بنابراین در یک موتور چهار قطب، سرعت چرخش روتور ۱۲۰۰ دور در دقیقه است. در لحظه ای که شار استاتور با سرعت ۱۸۰۰ دور در دقیقه و هادی های روتور با سرعت ۱۲۰۰ دور در دقیقه گردش می کند، سرعت نسبی بین شار استاتور و هادی های روتور تنها ۶۰۰ دور در دقیقه است. بنابراین شار با سرعت ۶۰۰ دور در دقیقه هادی های روتور را قطع می کند، به دلیل اینکه سرعت قطع شار یک سوم زمانی است که روتور ساکن است دامنه ولتاژ القایی در روتور ۱/۳ می شود. اگر فرکانس منبع تغذیه ۶۰ هرتز باشد، در این زمان فرکانس ولتاژ و جریان القایی در روتور تنها ۲۰ هرتز است.

   موتور به روند شتاب گرفتن خود ادامه می دهد (این یک فرض است) تا به سرعت ۱۷۹۸ دور در دقیقه برسد در این زمان دامنه ولتاژ القایی در هادی های روتور ۲/۱۸۰۰ مقدار آن در لحظه شروع حرکت است.

 

نحوه حرکت موتور الکتریکی

   اگر موتور بی بار باشد ممکن است با سرعت ثابت ۱۷۹۸ دور در دقیقه به کار خود ادامه دهد. اکنون این سوال مطرح می شود که چرا موتور به روند شتاب گرفتن خود ادامه نمی دهد تا به سرعت سنکرون برسد؟ اگر موتور به سرعت سنکرون برسد هادی های روتور دقیقا با همان سرعتی که شار می چرخد، می گردند. هادی های روتور خطوط شار فاصله هوایی را قطع نمی کنند و بنابراین ولتاژی هم در آن ها القاء نمی گردد و هیچ جریانی درون میله ها وجود نخواهد داشت تا یک میدان مغناطیسی به وجود آورد، تا در اثر متقابل با میدان استاتور به آن هادی ها نیرو وارد آورد.

   بنابراین گشتاوری نیز به روتور وارد نمی گردد تا اینکه سرعت موتور اندکی کاهش یابد و شار فاصله هوایی دوباره هادی های روتور را قطع کند بنابراین یک موتور القایی همواره حتی در حالت بی باری در سرعتی کمتر از سرعت سنکرون کار می کند. سرعت نهایی به دو دلیل ۱۷۹۸ دور در دقیقه فرض شده است. یکی وجود اصطکاک و دیگری توانی که معمولاً پنکه متصل به محور روتور مصرف می کند. تفاوت بین سرعت سنکرون و سرعت روتور لغزش نامیده می شود.

 

 

 

  • تلفات و راندمان

   در هنگام کار یک موتور چند فاز، تمام توان ورودی به موتور به صورت کار مفیدی که از محور گرفته می شود تبدیل نمی شود. برای اینکه بتوان تمام توان ورودی را به کار مفید تبدیل کرد باید راندمان موتور ۱۰۰٪ باشد و هیچ تلفاتی وجود نداشته باشد. تنها وسیله الکتریکی که راندمان ٪۱۰۰ دارد بخاری برقی است. زیرا تمام انرژی ورودی به آن به گرما تبدیل می شود. اما یک موتور الکتریکی چهار منبع اصلی تلفات دارد که تمام این تلفات به صورت گرما پدیدار می شود.

 ۱- تلفات آهن یا هسته که به چگالی شار، فرکانس، نوع و مرغوبیت فولاد به کار رفته بستگی دارد.

۲- تلفات مس با RI2 در سیم پیچی استاتور.

 ٣- تلفات مس یا RI2 در سیم پیچی روتور.

۴- تلفات مقاومت هوا و اصطکاک یاتاقان ها که در اثر چرخش روتور به وجود می آید و شامل تلفات پنکه خنک کننده نیز می شود.

 

 

  • تلفات هسته

   در شکل (۲)، فولاد با آهنی را می بینیم که به عنوان هسته مغناطیسی به کار رفته است، برای کاهش تلفات گرمایی ناشی از جریان های گردابی القایی، هسته را از ورقه های نازک فولاد می سازند که از یکدیگر عایق شده اند.

 

تلفات هسته

شکل (۲) نمایش جریان های گردابی بوجود آمده هسته و چگونگی کاهش تلفات ناشی از آن

(a) یک ترانسفورماتور با هستۀ آهنی که سیم پیچ اولیه و ثانویۀ آن روی یک ستون است

(b) سطح مقطع بزرگ شدۀ هسته که جریان های گردشی یا گردابی القا شده در هسته را نشان می دهد.

 

برای بررسی این تلفات از ترانسفورماتور تنها به دلیل سادگی مدار معادل آن استفاده می شود. در یک موتور القایی تغییر شار در دندانه ها و یوغ همین اثر را دارد، اما ارتباط فیزیکی بین آن ها پیچیده تر از آن است که بتوان به راحتی آن را درک کرد. در بیشتر موتورها از ورقه های فولاد نمره ۲۴ با ضخامت ۰/۰۲۵ اینچ استفاده می شود. بعد از آن که طرح ها و شیارها توسط پرس های خودکار در آورده شد، عمل سخت کردن ورقه ها انجام می گیرد که کیفیت مغناطیسی را کاهش می دهد.

سپس ورق ها در فشار کنترل شده ای تا حدود ۱۵۰۰ درجه فارنهایت گرم می شوند تا پخته شده و اثر فوق کم شود. همچنین سطح ورق ها را با یک لایه اکسید آهن می پوشانند تا عایق بندی شود. بنابراین هر ورق از ورق دیگر عایق می گردد.

(می توان از ورقه های فولادی که دو طرف آن ها با لایه نازکی از روکش به همین منظور پوشانده شده استفاده کرد).

در حقیقت دو دسته جریان گردابی وجود دارد. یکی جریان های گردابی که در هر ورق گردش میکند و دیگری جریان های گردابی که در نتیجه مناسب نبودن عایق بین دو ورق از یک ورق به ورق دیگر جاری می شود. جریان های دسته دوم اساساً هنگام تولید به وجود می آید و نتیجه آن تلفات ناخواسته زیادی است که به موتور تحمیل می شود.

تلفات هیسترزیس شاخه دیگری از تلفات هسته است. هنگامی که قطعه ای آهن و یا فولاد در یک جهت مغناطیسی شود. تمام مولکول ها به سمت جهت مغناطیسی چرخش می کنند. عکس کردن جهت میدان مغناطیسی سبب می شود که مولکول ها در جهت عکس چرخش کنند. تلفاتی که از اصطکاک بین مولکول ها پدید می آید هیسترزیس نام دارد، این تلفات رابطه مستقیمی با فرکانس دارد.

در موتور چون یک میدان مغناطیسی دوار داریم، قسمتی از موتور که هم اکنون قطب شمال است چند لحظه بعد قطب جنوب می شود، بنابراین تلفات هیسترزیس در استاتور بوجود می آید. اثر تلفات هیسترزیس در روتور بسیار کم است چون روتور تنها فرکانس الغزش را می بیند.

معمولاً مهندسین برای مشخص کردن تلفات هسته از منحنی هایی استفاده می کنند که کل تلفات هسته فولادی را در واحد حجم در مقابل چگالی شار برای یک فرکانس و نوع مشخصی از فولاد نشان می دهد.

 

 

  • تلفات مس در سیم پیچی استاتور

 اگر ما بتوانیم مقاومت هر کدام از سیم پیچی های سه فاز استاتور و جریان متوسط ورودی هر فاز را اندازه بگیریم تلفات مس استاتور برابر است با:

 

 ۳x I2av × Rl,av W

 

 

  • تلفات I2R در قفسه روتور

 به دلیل غیریکنواخت بدون توزیع جریان در میله ها و حلقه های انتهایی، محاسبه تلفات پیچیده اما ممکن است. ساده ترین روش برای مشخص کردن تلفات I2R در روتور آزمایش است. می توان اثبات نمود که اگر لغزش در باری ۵٪ باشد، ۵٪ از توان ورودی به روتور تلفات I2R است. 

 

 

  • تلفات اصطکاک و مقاومت هوا

معمولاً این تلفات حتی اگر نتایج آزمایشگاهی موجود باشد تخمین زده می شود.

 

توان ورودی/توان خروجی =راندمان

توان ورودیتوان تلفاتی – توان ورودی =  

 

 

مقالات مرتبط

نظرات