کاربرد موتورهای سنکرون

 

 

کاربرد موتورهای سنکرون

 


اهداف مبحث کاربرد موتورهای سنکرون :

موتورهای سنکرون

روتور با تحریک DC

راه اندازی موتورهای سنکرون

زاویه گشتاور موتور

ضریب قدرت موتور

روتورهای رلوکتانسی

روتورهای هیسترزیس


  • موتورهای سنکرون

براساس نوع روتور مورد استفاده، از سه نوع موتور مختلف استفاده می شود. روتور با تحریک dc روتور رلكتانسی و روتور هیسترزیس. هر کدام از این سه نوع می توانند استاتور سه فاز، تکفاز با سیم پیچی مناسب برای اتصال به منبع سه فاز و یا تکفاز داشته باشند. موتورهای سنکرون تكفاز می توانند از نوع راه انداز مقاومتی، راه انداز خازنی، موتور با خازن دائمی و یا دارای قطب چاکدار باشند.

به صورت تئوری می توان از هر ترکیب دلخواه استاتور و روتور استفاده کرد، اما همه آن ها در عمل ساخته نمی شوند و مورد استفاده نیز قرار نمی گیرند. روش های مختلفی برای راه اندازی موتورهای سنکرون وجود دارد. از جمله راه اندازی مستقیم، راه اندازی با استفاده از مدار ستاره مثلث، راه اندازی با استفاده از اینورتر.


 بیشتر بخوانید:

اینورتر چیست و چه کاربردی دارد؟

راه اندازی موتورهای القایی سه فاز

انواع موتور الکتریکی


  • روتور با تحریک DC

ساختار یک روتور دو قطب در شکل نشان داده شده است. این روتور از لایه های فولادی معمولی و یک لایه سنگین مسی در هر طرف ساخته شده است. همچنان که در شکل نشان داده شده کل مجموعه توسط پرچهای مسی به یکدیگر متصل می شوند. ساختار بالا با لایه ها و پرچ های مسی شبیه رو تورهای قفس سنجابی نیز عمل کرده و گشتاور القایی ایجاد می کند.

 

رتور یک موتور سنکرون با تحریک dc و دوقطب

شکل ۱ : رتور یک موتور سنکرون با تحریک dc و دو قطب.

ورقه های مسی اطراف رتور و شکل میخ پرچها در نمای برش داده شده رتور قفس سنجابی، برای راه اندازی موتور، موثر است.

 

سیم پیچی dc روتور (که با خطوط بریده نشان داده شده است) بر روی آن پیچیده می شود. دو انتهای این سیم پیچ به حلقه های لغزان و زغال ساکن متصل است. از این روتور در استاتورهای سه فاز معمولی استفاده می شود.

 

رتور یک موتور سنکرون دو قطب با تحریک dc و حلقه های لغزان آن

 رتور یک موتور سنکرون دو قطب با تحریک dc و حلقه های لغزان آن

 

  • راه اندازی موتورهای سنکرون

اگر استاتور به یک منبع سه فاز وصل شود، موتور به صورت یک موتور القایی عمل کرده و روتور تحت اثر گشتاور القایی شتاب می گیرد. در این صورت سرعت موتور تاحدود سرعت سنکرون افزایش خواهد یافت، که میزان سرعت به بار مکانیکی بستگی دارد.

حال اگر سیم پیچی روتور به یک منبع dc وصل شود، با توجه به اینکه سرعت نسبی شار چرخان فاصله هوایی و روتور کم است و این دو تقریباً یک سرعت دارند، با عبور آرام شار استاتور از کنار شار ایجاد شده توسط روتور، این دو میدان در یک لحظه با یکدیگر برخورد می کنند.

در این حالت سرعت روتور افزایش یافته، میدان آن با میدان استاتور قفل شده و در سرعت سنکرون می چرخد. گشتاوری که در نهایت باعث جهش روتور و قفل شدن آن در سرعت سنکرون می شود گشتاور Pull-in یا قفل کننده نام دارد، و دانستن آن اهمیت زیادی دارد.

 

  • بار مکانیکی: زاویه گشتاور موتور

اگر بار مکانیکی کوچکی به شافت موتور متصل شود، سرعت موتور برای یک لحظه کاهش یافته به طوری که دیگر شار میدان dc دقیقاً با شار چرخان استاتور هم فاز نخواهد بود. با تثبیت موقعیت جدید روتور، سرعت آن همچنان سرعت سنکرون است، ولی این موقعیت جدید به اندازه چند درجه از روتور در حالت بی باری عقب تر خواهد بود.

این مطلب در شکل (۳) نشان داده شده است. اگر خطوط شار ایجاد شده در فاصله هوایی را شبیه رشته های لاستیک در نظر بگیریم، که روتور و میدان چرخان را به یکدیگر قفل کرده است، افزایش بار مکانیکی شافت موتور باعث بیشتر شدن زاویه عقب افتادگی روتور از میدان استاتور یعنی α و در نتیجه کشیده شدن بیشتر رشته های لاستیکی می شود. سرانجام زمانی که زاویه α به ۹۰ درجه می رسد رشته های لاستیکی پاره شده و موتور از حالت سنکرون خارج خواهد شد.

در این حالت موتور به حداکثر گشتاور خود (یعنی گشتاور pull-out) رسیده است. باید توجه داشت در صورتی که موتور دو قطب باشد، زاویه گشتاور ۹۰ درجه است. یک موتور چهار قطب زاویه مکانیکی ۴۵ درجه، و زاویه الکتریکی ۹۰ درجه دارد. با تغییر بار، موقعیت روتور تغییر کرده، به غیر از لحظاتی که به آن تغییرات بار اعمال شود، در سرعت سنکرون خود می چرخد.

توجیه این پدیده چنین است: روتور در هنگام اعمال تغییر بار نوسان کرده و سرانجام در موقعیت نهایی خود تثبیت می شود. این نوسانات در برخی کاربردها به ویژه در مواردی که از موتور برای چرخاندن نوارها و تسمه نقاله ها استفاده می شود بسیار نامطلوب است. البته به طور لحظه ای می توان از اثرات میرا کننده قفس سنجابی روتور و یا ترجیحاً نصب چرخ لنگر بر روی شافت موتور آن ها را کاهش داد.  

بارگذاری بر روی یک موتور باعث افت سرعت می شود

 بارگذاری بر روی یک موتور باعث افت سرعت می شود. به گونه ای که ولتاژ منبع و ولتاژ القایی (که خلاف جهت ولتاژ منبع است)

در سیم پیچ ها، دقیقاً خلاف جهت یکدیگر قرار نمی گیرند، بلکه اختلاف زاویۀ آنها از ۱۸۰ درجه کمتر است.

 

  • اهميت زاویه گشتاور موتور

می دانیم هرگاه شار هادی ها را قطع کند، ولتاژی در آن ها القا خواهد شد. به دلیل اینکه میدان ایجاد شده در فاصله هوایی دوران داشته و سیم پیچی های استاتور را قطع می کند، ولتاژی در هر فاز استاتور القا می شود. اگر موتور بی بار باشد و به صورت ایده ال هیچگونه تلفاتی نداشته باشد، ولتاژ القا شده در هر فاز دقیقا برابر و در خلاف جهت ولتاژ اعمال شده به آن ها است. در این شرایط هیچ جریانی در سیم پیچی های موتور به وجود نمی آید. هنگامی که یک بار مکانیکی به شافت اعمال شود، برای دادن توان لازم به بار جریان از منبع کشیده می شود، این عمل زمانی صورت می گیرد که پس افت بردار ولتاژ القایی (به اندازه α) را داشته باشیم.

اهمیت زاویه گشتاور

 

اگر ولتاژ منبع و ولتاژ القایی برابر و برخلاف جهت هم باشند، موتور ایده آل سنکرون هیچ جریانی نمی کشد.

 

در این حالت با وجود اینکه ولتاز القایی و ولتاژ اعمالی در هر فاز برابرند، اختلاف فاز آن ها ۱۸۰ درجه نیست. عاملی که باعث جاری شدن جریان در سیم پیچ می شود، ولتاژ منتجه یعنی ER است. به دلیل وجود راکتانس، این جریان پس فاز، نسبت به ولتاژی که آن را به وجود آورده، اختلاف فاز نسبتاً زیادی دارد. با توجه به دیاگرام، واضح است که این جریان می تواند، تقریباً با ولتاژ منبع هم فاز باشد.

در این حالت، توان ورودی موتور با حاصل ضرب ولتاژ هر فاز و Iline و تعداد فازها برابر است. مقدار توان مکانیکی که بر روی شافت موتور ایجاد می شود، از کم کردن تلفات از توان ورودی به دست می آید. با افزایش زاویه گشتاور ER ،α نیز افزایش می یابد و جریان و توان ورودی هر دو، زیاد می شوند.

 

  • بررسی زاویه گشتاور Pullout از نظر عددی

 اگر از خطای اندک ناشی از عدم تقارن مغناطیسی روتور دو قطب مذکور صرف نظر کرده، فرض کنیم تغییرات گشتاور به صورت سینوس زاویه α باشد، می توان درک بهتری از تأثیر زاویه گشتاور بر روی اندازه و حجم موتور داشت.

در نظر بگیرید، مصرف کننده، نیاز به موتور سنکرونی دارد که تغییرات زاویه گشتاور آن از بی باری تا بار کامل ۱۰ درجه باشد. و این مقدار توسط دستگاهی که قرار است موتور بر روی آن نصب شود تعیین می شود. می دانیم ۰/۱۷۳ =°۱۰ sin یعنی گشتاور بار کامل ۷/۳ ٪ گشتاور حداکثر است، و یا گشتاور حداکثر، ۵۸۰ % گشتاور در بار کامل است.

در طراحی های معمول موتورهای سنکرون گشتاور حداکثر، تاحدود ۲۰۰٪تا ۲۵۰٪ گشتاور در بار کامل است. یعنی ابعاد این موتور حداقل دو برابر بزرگتر از موتوری است که برای کار در زاویه گشتاور ۹۰ درجه طراحی شده است.

 

  • کنترل ضریب قدرت موتورهای سنکرون

یک موتور سنکرون با تحریک dc این خاصیت را دارد که برای هر بار دلخواه، جریان آن را می توان طوری تنظیم کرد، که به صورت پس فاز یا پیش فاز باشد. در شکل دیدیم که موتور به این دلیل اینکه اختلاف فاز نیروی محرکه القایی در سیم پیچ ها با ولتاژ اعمال شده به فازهای آن، °۱۸۰ نبود، جریان می کشید.

کنترل ضریب قدرت موتورهای سنکرون

 

تغییر ولتاژ تحریک dc رتور باعث افزایش و یا کاهش نیروی الکتروموتوری می شود.

جریان به دلیل راکتانس القایی سیم پیچ استاتور، ۹۰ درجه از ER، عقب تر است.

 

نیروی محرکه القایی در سیم پیچی های آن در اختلاف فاز ۱۸۰ درجه نسبت به در نظر بگیرید. ولتاژ اعمال شده به سیم پیچ dc افزایش یابد. این کار باعث افزایش جریان و شار و بنابراین افزایش EMF القایی می شود. در این حالت ولتاژ ER تنها، دلیل اختلاف فاز نیست، بلکه در اثر اختلاف در اندازه ولتاژها نیز می باشد.

موقعیت ER طوری است که جریان حاصل تقریباً ۹۰ درجه نسبت به آن پس فاز باشد و نسبت به ولتاژ اعمالی نیز، پیش فاز باشد. در این حالت موتور شبیه یک مدار خازنی جریان پیش فاز می کشد، اما توان اکتیو همچنان به صورت حاصلضرب ولتاژ خط و مؤلفه هم راستای جریان است.

به طور مشابه، با کاهش ولتاژ تحریک dc ولتاژ القایی در سیم پیچی ها کاهش یافته و باعث تغییر موقعیت ER می شود،شکل (۵) که جریان خط نسبت به ولتاژ اعمالی پس فاز است.

از این خاصیت تنها در موتورهای سنکرون بزرگ، که ممکن است برای کار در ضریب توان یک و یا ۰/۸ پیش فاز ساخته شوند، استفاده می شود.

 

  • کاربرد موتورهای سنکرون

از موتورهای سنکرون (بزرگ) اغلب برای توانهای چندین اسب بخار استفاده می شود. پمپ ها، کمپرسورها و دیگر تجهیزات صنعتی بزرگ اغلب توسط موتورهای سنکرون کم سرعت با توان های نامی در حدود hp ۲۰۰۰ به کار انداخته می شوند. مزیت عمده این موتورها ضریب توان بالا یا پیش از آن ها است، که باعث خنثی شدن جریان پس فاز کشیده شده توسط کلیه موتورهای القایی صنعتی می شود.

بنابراین یک کارخانه که صدها موتور القایی با ضریب توان پس فاز دارد، برای تعدیل و تصحیح ضریب قدرت خود، باید چندین موتور سنکرون بزرگ با ضریب توان پیش فاز را نیز داشته باشد. اغلب اوقات تصحیح ضریب توان کلی یک کارخانه منجر به کاهش هزینه های مصرفی تعیین شده توسط شرکت های توزیع می شود.

از طرف دیگر از موتورهای سنکرون با تحریک dc کوچک و توان های کمتر از hp 1، برخی اوقات در انواع معینی از درایوهای دقیق استفاده قرار می شود. از جمله این کاربردها می توان برخی زمینه های قدیمی تلویزیون، تجهیزات رادار و یا درایوهای نواری را ذکر کرد. به طور کلی نسبت توان به حجم این موتورهای سنکرون در مقایسه با انواع سنکرون دیگر بیشتر است، از طرفی قیمت آن ها نیز بیشتر است. 

 


 بیشتر بخوانید:

انواع موتور الکتریکی

آزمایش روتور موتور الکتریکی

 


 

  • روتورهای رلوکتانسی

دوباره روتور دو قطب نشان داده شده در شکل (۱) را در نظر بگیرید. اگرچه در این روتور حجم نسبتاً زیادی به سیم پیچ de اختصاص داده شده است، بدون این سیم پیچی نیز روتور در سرعت سنکرون راه اندازی می شود. شبیه جریان الکتریکی که از مسیر با حداقل مقاومت الکتریکی عبور می کند، شار مغناطیسی نیز تمایل به عبور از مسیر با حداقل مقاومت مغناطیسی را دارد.

اگر این روتور در یک میدان دو قطب چرخان قرار گیرد، تحت اثر گشتاور القایی شتاب می گیرد، در صورتی که اینرسی بار زیاد نباشد روتور تحت اثر گشتاور رلاكتانسی (که به دلیل تمایل قطب های روتور برای همسویی با میدان چرخان ایجاد می شود) در سرعت سنکرون قفل می شود. می توان گفت به این دلیل شار مسیر طولی قطب ها را انتخاب می کند که نسبت به مسیر عمودی فاصله هوایی کوچکتر و در نتیجه رلاكتانس کمتری دارد. این نوع موتور، موتور سنکرون رلاكتانسی نامیده می شود.

در شکل یک لایه از یک روتور چهار قطب نشان داده شده است. همانطور که دیده می شود، برای تشکیل قطب ها چهار قسمت از محیط آن به طور متقارن برش داده شده است. سوراخهای مخصوص نصب میله های القایی (که در شکل فقط دوتای آنها دیده می شود) در تمامی محیط روتور به طور یکنواخت وجود دارد.

برای ساختن روتور، تعدادی از این لایه ها بر روی یکدیگر و درون یک قالب قرار داده می شوند، و همانند روتورهای قفس سنجابی معمولی به آن ها آلومینیم تزریق می کنند. سپس چهار بخش برش داده شده مجددا توسط آلومینیم پر می شوند. به دلیل اینکه آلومینیم ماده ای غیر مغناطیسی است، هیچگونه اثری نیز بر مسیرهای شار ندارد.

 

 

رتور قفسه سنجابی

یک نوع متداول از رتور قفسه سنجابی، که برای یک موتور سنکرون چهارقطب و از نوع رلاکتانسی ساخته شده است.

با چهار بخش روی محیط که برای قرار دادن سیم پیچ بر روی آن است، نشان داده شده است.

 

  • عملکرد موتورهای سنکرون

بارگذاری این موتور عملاً با آنچه در مورد نوع تحریک dc گفته شد مشابه است. در هنگام اعمال بار سرعت آن برای لحظاتی کاهش می یابد و پس از برقراری تعادل زاویه گشتاور α در روتور ایجاد می شود و با افزایش بار این زاویه گشتاور نیز افزایش خواهد یافت. با این وجود، این نوع موتور هنگامی به حداکثر گشتاور خود می رسد که روتور به اندازه ۴۵ درجه الکتریکی نسبت به میدان چرخان عقب باشد.

 

  • آرایش های دیگر روتور

 در شکل زیر نوع پیچیده تری از یک روتور رلاكتانسی نشان داده شده است. این روتور نیز برای کار در داخل یک استاتور چهار قطب ساخته شده است. حال مسیر شار را هنگامی که از شکاف هوایی گذشته و وارد روتور می شود بررسی می کنیم. یکی از مسیرها می تواند مسیر امتداد شکاف های منحنی داخل روتور باشد که در این مسیر رلاكتانس حداقل است.

حال اگر شار را به اندازه ۴۵ درجه، دوران دهیم، عبور آن از طریق شکاف های هوایی αα و مسیرهای مشابه صورت می گیرد. با توجه به شکل واضح است که این مسیر حداکثر رلاكتانس را دارد. موتورهای از این نوع – که طراحی خوبی داشته باشند – از لحاظ نسبت خروجی به مقدار ماده مصرفی فعال، کارایی در حد موتورهای القایی مشابه را دارند.

گشتاور رلاکتانسی بزرگ توسط رتور سنکرون به دست می آید

گشتاور رلاکتانسی بزرگ توسط رتور سنکرون به دست می آید

 

  • روتورهای هیسترزیس

در مورد تلفات هیسترزیس گفته شد که تغییر جهت شار باعث اصطکاک داخلی مولکول ها و حوزه های مغناطیسی شده که در نتیجه آن مقداری انرژی به گرما تبدیل می شود. 

در این شکل میله ای از جنس یک آلیاژ ویژه در داخل یک پیچک قرار داده شده و پیچک توسط یک جریان مستقیم و قابل کنترل تحریک می شود. همچنانکه در دیاگرام مولدی نشان داده شده مقدار و جهت این جریان می تواند تغییر کند. اکنون در نظر بگیرید که جریانی در پیچک جاری است و شار ایجاد شده در هسته در نقطه α قرار دارد.

اگر جریان را کاهش دهیم تا به صفر برسد، در این حالت هسته آهنی هنوز هم خاصیت مغناطیسی داشته، شار آن در نقطه b قرار دارد. جریان را معکوس کرده و در جهت عکس آن را زیاد می کنیم. برای به صفر رسانیدن شار هسته همچنانکه در شکل نشان داده شده است (نقطه c)، به جریانی در جهت عکس نیاز است.

با افزایش بیشتر این جریان معکوس، هسته در جهت عکس مغناطیس شده و شار هسته به نقطه d می رسد. با کاهش مجدد جریان و رساندن آن به مقدار صفر شار هسته در نقطه e و در جهت عکس قرار میگیرد. در مرحله نهایی مجدداً جریان را معکوس کرده و در جهت اولیه، آن را افزایش می دهیم. در این حالت مسیر طی شده توسط شار هسته در امتداد خط ea بوده و نقطه نهایی همان نقطه آغاین یعنی به خواهد بود.

 

منحنی مغناطیس شدگی و از حالت مغناطیسی خارج شدن یک بار فولادی

 

 منحنی مغناطیس شدگی و از حالت مغناطیسی خارج شدن یک بار فولادی.

حتی اگر نیروی مغناطیسی آن با جریان سیم پیچی تا صفر کاهش یابد. شار مغناطیسی در مقدار ob یا oc ثابت می ماند.

 

بنابراین، هرگاه هسته در یک جهت مغناطیس شود، تمایل به حفظ خاصیت مغناطیسی دارد. اگر جریان (و آمپر دورها یعنی NI) صفر شود، شار ob در هسته باقی می ماند. برای به صفر رساندن این شار، به یک نیروی مغناطیسی منفی (برابر با oc) نیاز داریم.

این حلقه را حلقه هیسترزیس می نامند. هسته های مختلف، منحنی های هیسترزیس متفاوتی دارند. اگر در موتورهای القایی معمولی سه فاز یا تکفاز، رتور را برداریم، و به جای آن یک رتور استوانه ای از یک آلیاژ فولادی مناسب و بدون میله های القایی قرار دهیم، سپس سیم پیچی های استاتور را به یک منبع ولتاژ مناسب وصل کنیم، رتور شروع به چرخش نموده و سرعت آن افزایش خواهد یافت تا به سرعت سنکرون برسد.

در این حالت استوانه فولادی مذکور مانند رتور قفس سنجابی عمل کرده و جریان های گردابی با مسیرهای کاملاً پیچیده در آن جاری می شود. بنابراین گشتاورهای راه اندازی و شتاب گیری موتور هر دو ناشی از جریان های گردابی هستند.

در سرعت سنکرون، قابلیت روتور در حفظ خاصیت مغناطیسی گشتاور ایجاد می کند. حداکثر گشتاور، در این حالت به وسیله سطح حلقه هیسترزیس تعیین می شود. این موتورها در اشکال مکانیکی متعددی ساخته می شوند. یک روتور نمونه در شکل زیر نشان داده شده است.

 

نمایش بخش میانی یک رتور نوع هیسترزیس

 نمایش بخش میانی یک رتور نوع هیسترزیس

 

 

  • کاربرد موتورهای هیسترزیس

موتورهای هیسترزیس خیلی کوچک با توان  ۱/۱۰۰۰ hp ام، به راحتی و با هزینه نسبتاً کمی تولید می شوند. موتورهای ساعت و یا دیگر دستگاه های زمانی از این نوع هستند.

با افزایش ابعاد موتور، هزینه ساخت آن سريعاً و با شیب نسبتاً زیادی افزایش می یابد. در این موتورها فولاد آلیاژی مورد استفاده در روتور، گران بوده و اگر روتور یک موتور سنکرون نوع رلاكتانسی را با یک رتور هیسترزیس مناسب جایگزین کنیم، توان موتور افزایش می یابد، و Tmax کاهش می یابد. در نتیجه موتور اولیه به یک موتور ضعیف تر با بازدهی کمتر تبدیل می شود. بنابراین برای مقادیر نامی مشابه، موتور هیسترزیس نسبت به موتورهای رلاكتانسی حجم بزرگتری دارد.

در این موتورها روتور کاملاً متقارن است. بنابراین یک روتور در یک میدان دو، چهار، شش و یا هشت قطب مورد استفاده قرار می گیرد. در برخی درایوهای نواری و دستگاه های زمانی به موتورهای با چند سرعت مثلاً ۱۸۰۰ و ۲۰۰۰ دور در دقیقه است، در این حالت با تعبیه دو مجموعه سیم پیچی بر روی استاتور (چهار و شش قطب) و تغییر وضعیت دادن از یکی به دیگری، سرعت های مختلفی به وجود می آیند.

البته این کار در موتورهای رلاكتانسی امکان پذیر نیست. با وجود این می توان آن ها را طوری ساخت، که در سرعت هایی با نسبت ۲۱ مثلا ۳۶۰۰ و ۱۸۰۰ دور بر دقیقه کار کنند، توان خروجی نیز با تغییر سرعت تغییر خواهد کرد.

 

 

در صورتی که سوالی در خصوص مطالب بیان شده دارید می توانید در قسمت نظرات از ما بپرسید یا با ارائه پیشنهادات خود، ما را در بالا بردن کیفیت مقالات یاری کنید. 

مقالات مرتبط

نظرات