|
بررسی موتور آسنکرون سه فاز
از آنجایی که امروزه راه اندازی موتورهای الکتریکی یکی از مسائل و دغدغه های بزرگ کارخانه های صنعتی و شرکت های تولیدی و نیز تولید کنندگان نیروی برق و شرکت های وابسته میباشد در این پروژه به بررسی برخی از این راه اندازها می پردازیم و محاسن و معایب آنها را مورد بررسی علمی قرار میدهیم
|
|
| دسته بندی | برق |
| فرمت فایل | doc |
| حجم فایل | 2291 کیلو بایت |
| تعداد صفحات فایل | 108 |
مقدمه:
از آنجایی که امروزه راه اندازی موتورهای الکتریکی یکی از مسائل و دغدغه های بزرگ کارخانه های صنعتی و شرکت های تولیدی و نیز تولید کنندگان نیروی برق و شرکت های وابسته میباشد در این پروژه به بررسی برخی از این راه اندازها می پردازیم و محاسن و معایب آنها را مورد بررسی علمی قرار میدهیم.
از دلایل اهمیت موضوع شوک های الکتریکی و مکانیکی شدیدی می باشد که در زمان راه اندازی به شبکه برق رسانی و موتور وارد و سبب استهلاک شدید دستگاه های موجود و بالا بردن هزینه های اقتصادی می شود . بنابراین استفاده از راه انداز های مناسب بخصوص در مورد موتورها با توان های بیش از چندین اسب بخار در کاهش هزینه های برق مصرفی و نیز هزینه های نگهداری و تعمیر تاثیر بسزایی دارد.
فهرست:
1 ) کلیات موتور آسنکرون سه فاز : ...................................................................1
1 - 1 ) ساختمان موتورهای القایی سه فاز :...................................................................2
1-1 - 1 ) استاتور : .................................................................................................2
1-1 - 2 ) رتور : .......................................................................................................3
1-1 -3 ) حلقه های لغزان : .....................................................................................4
1 - 1 -4 ) جاروبک ها : ...........................................................................................4
1 - 1- 5 ) یاتاقان و بدنه : ......................................................................................4
1 – 2 ) عملکرد موترهای القایی سه فاز : .......................................................................5
1 – 2 – 1 ) موتور ساکن .........................................................................................5
1 – 2 -2 ) مکانیزم تولید گشتاور در موتور القایی ( آسنکرون ) : ................9
1 – 2 – 3 ) موتور گردان : ....................................................................................14
1 – 2 – 4 ) موتور در شرایط ماندگار : .............................................................22
1 - 3 ) موتور فقس سنجابی : .......................................................................................25
2 ) انواع روشهای راه اندازی موتور القایی سه فاز: .....................................28
2 – 1 ) روش راه اندای مستقیم : ..................................................................................30
2 – 2 ) روش راه اندازی توسط افزایش مقاومت رتور : ..........................................31
2 – 2 – 1 ) موتورهای رتور سیم پیچی شده : ................................................31
2 – 2 – 2 ) Liquide starter : .........................................................................37
فهرست:
2 – 2 – 3 ) درایور راه اندای کرامی : .................................................................38
2 – 2 – 4 ) راه اندازی موتورهای قفس سنجابی با توجه
به جریان و مقاومت رتور : .............................................................40
الف – کلاس A : ................................................................................................40
ب – کلاس D : ...................................................................................................41
ج – کلاسهای C , B : .......................................................................................41
د – رتورهایی با میله های عمیق : .................................................................41
ه – موتورهای قفس سنجابی دوبل : ..............................................................42
2-3) انتخاب ولتاژ موتور :.............................................................................................43
2-3-1) راه اندازی موتور قفسه ای با کاهش ولتاژ استاتور :........................43
2-4 ) راه اندازی با استفاده از کلید ستاره مثلث : ....................................................46
2-5) روش کلاج گریز از مرکز :.....................................................................................49
2-6) پیک جریان حین راه اندازی :................................................................................50
2-7) دینامیک راه اندازی :..............................................................................................51
موتور با بار خالص : ...........................................................................................53
گرم شدن رتور : .....................................................................................................53
2-8) راه اندازی موتورهای بزرگ به کمک خازن :......................................................54
2-8-1) مشکل راه اندازی موتورهای القایی بزرگ : ........................................55
فهرست:
2-8-2) عملکرد یک سیستم راه اندازی خازنی :................................................56
3) راه اندازی تریستوری موتورهای القایی :..................................................57
مقدمه:...............................................................................................................................58
3-2 ( مدهای کنترل:.........................................................................................................62
3-2-1( کنترل راه اندازی:.....................................................................................63
3-2-2( کنترل شتاب راه اندازی:..........................................................................63
3-3) مشخصات راه اندازهای تریستوری:...................................................................67
3 -4( شرح مدارهای متداول راه اندازهای تریستوری:.............................................68
3- 5) مدار قدرت:...............................................................................................................68
3-5-1( معرفی تریستور:......................................................................................69
3-5-1-1) مدل دو ترانزیستوری تریستور:...............................................70
3-5-1-2) روش های روشن شدن تریستور:.............................................71
3-6) مدار فرمان:...............................................................................................................72
3-6-1) مدار آتش کننده:........................................................................................74
3-6-2 ) مدار تقویت کننده: ..................................................................................75
3-6-3) مزیت عمده راه اندازی موتور به شیوه تریستوری و
انتقال زاویه آتش:....................................................................................76
3-6-4 ) مدار خطای جریان:...................................................................................77
3-7) طراحی و بررسی مدارعملی و ساده راه انداز نرم موتور
آسنکرون (القایی):.................................................................................................77
3-7-1) کنترل:..........................................................................................................79
3-7-2) نوسانساز موج دندانه اره ای:................................................................84
3-7-3 ) کنترل زاویه آتش :..................................................................................86
3-7-4 ) مقایسه کننده:...........................................................................................88
3-7-5) ایزوله کننده مدار قدرت و مدار فرمان:................................................89
3-7-6) رلة اضافه ولتاژ و افت ولتاژ:.................................................................90
3-7-7) رلة اضافه جریان (Over Current) :.................................................92
3-8) نظام هماهنگ و :.....................................................................................93
3-8-1) لزوم استفاده از نظام ثابت:.............................................................95
3-8-2) توضیح دربارة PWM :.........................................................................97
3-8-3) مدارات اینورتر:......................................................................................100
3-8-4) رکتیفایرها:..............................................................................................102
3-9 ) مقایسه قیمت تمام شده انواع راه اندازها : .....................................................111
3-10) نتیجه : .................................................................................................................113
فصل اول :
« کلیات موتور آسنکرون سه فاز »
1 - 1 ) ساختمان موتورهای القایی سه فاز :
شکل ( 1-1 ) تصویر یک موتور القایی سه فاز و قطعات آن را نشان میدهد .
شکل ( 1-1)
1-1 - 1 ) استاتور :
هستۀ استاتور به صورت ورقه ورقه ( لایه لایه ) از جنس فولاد مرغوب ساخته می شوند و علت مورق بودن استاتور جلوگیری از جریان فوکو و تلفات ناشی از آن می باشد .
سطح داخلی استاتور حاوی شیارهای متعددی جهت سیم پیچ های سه فاز است .
شکل ( 2-1)
هر کلاف در دو شیار می نشیند و طول استوانه ها مقداری بیشتر از طول کلاف ها خواهند بود . سیم بندی استاتور به صورت مثلث و یا ستاره قابل تنظیم می باشد .
شکل ( 3-1)
1-1 - 2 ) رتور : هستۀ روتور نیز مورق ساخته شده ( لایه لایه ) و از جنس مواد فرو مغناطیسی مرغوب ساخته می شود سطح خارجی رتور همانند استاتور دارای شیارها یی است و هادی های رتور در آن جاسازی می شوند . رتور از نظر ساختمانی به دو نوع تقسیم می شوند :
1 – موتور سیم پیچی شده که درون شیارهای رتور میله های مسی یا آلومینیومی قرار میگیرد .
2 – موتور قفس سنجابی که درون شیارهای رتور میله های مسی یا آلومینیومی قرار می گیرد .
شکل ( 4-1)
باید دانست در رتور قفس سنجابی میله ها از دو سمت توسط حلقه های انتهایی به هم متصل یا به عبارت بهتر اتصال کوتاه شده اند . در رتور سیم پیچی شده در حقیقت یک اتصال کوتاه شده داریم .
1-1 -3 ) حلقه های لغزان :
کارخانه های سازنده سه پایۀ رتور را از درون به یکدیگر وصل کرده وهر سه پایانۀ دیگر را از ماشین خارج و به حلقه های لغزان بر روی محور رتور متصل می سازند .
شکل ( 5-1)
1 - 1 -4 ) جاروبک ها :
بر روی حلقه های لغزان جاروبک نصب شده که ساکن است و می توان از این طریق مقاومت رتور را تغییر داد .
1 - 1- 5 ) یاتاقان و بدنه :
شکل (6-1)
1 – 2 ) عملکرد موترهای القایی سه فاز :
شکل ( 7 – 1 ) یک موتور دو قطبی را نشان میدهد . در این دیاگرام فقط یک دسته هادی برای هر فاز نشان داده شده است . البته هر یک از اینها نشان دهنده یک سری سیم بندی در شیارهای مختلف است به طوریکه یک توزیع سینوسی از نیروی محرکه القایی در فاصله هوایی ایجاد شود می توان یک مدل الکتریکی برای موتورهای القایی ارائه داد .
شکل ( 7-1)
1 – 2 – 1 ) موتور ساکن :
اگر استاتور موتر شکل ( 7 – 1 ) بوسیلۀ یک منتبع سه فاز متقارن تحریک شود آنگاه یک میدان گردان در فاصلۀ هوایی ایجاد خواهد شد . این میدان گردان از هادی های رتور عبور کرده و در آنها ولتاژ القا می کند این ولتاژها سینوسی هستند و با هم اختلاف فاز دارند . بنابراین اگر موتور ساکن باشد به سادگی یک ترانسفورماتور عمل می کند . ممکن است فرض شود سیم بندی استاتور و رتور هر دو ستاره باشند بدون اینکه توجه به واقعیت آنها بشود . چون موتور شبیه به ترانسفور ماتور سه فاز عمل می کند می توانیم مدار معادل یک فاز آن را بکشیم .
شکل ( 8 – 1 ) مدار معادل تک فاز را نشان می دهد .
شکل (8-1)
فرض کنید سیم پیچ رتور مدار باز باشد و یک شبکه سه فاز متقارن استاتور را با فرکانس ws تغذیه کند . ولتاژ فاز آن برابر Va باشد . جریان متنجه Ia و دیگر جریان های منتجه در فازهای دیگر یک میدان گردان در فاصلۀ هوایی ایجاد می کنند که باعث ایجاد ولتاژ القایی Ema در فاز a می شود . مقداری فلوی پراکنده نیز هست که آن را به صورت lsدر مدار نشان می دهند که یک افت ولتاژ القایی در مدار ایجاد می کند . بعلاوه به دلیل وجود مقاومت سیم پیچ یک افت ولتاژ اهی نیز خواهیم داشت که در مدار به صورت مقاومت Rs نشان داده شده است .
هنگامی که رتور مدار باز باشد در ترانسفور ماتور ایده ال جریان نداریم بنابر این Ia همان جریان مغناطیس کنندگی Ima می باشد . میدان گردان ولتاژ القایی Ema را در فاز a ایجاد می کند ضمناً در اثر همین میدان گردان ولتاژ Ema نیز در رتور القا خواهد شد .
بنابر این :
(1-1)
اما به دلیل وجود زاویۀ بین استاتورور تور مطابق شکل بین
ولتاژها اختلاف فاز به وجود خواهد آمد ولتاژهای القایی استاتورور تور در
یک زمان به مقدار پیک نمی رسند بلکه زمانی به اندازۀ طول می کشد . بنابر
این نسبت ولتاژهای استاتور ورتور مطابق رابطۀ زیر می باشد .
(2-1)
اگر با متعادل به رتور و صل شود و استاتور با شبکه سه فاز متعادل تغذیه شود آنگاه جریان های متعادل با فرکانس Wr = Ws در رتور خواهیم داشت و معادلات آنها به صورت زیر می باشد .
(3-1)
این جریان ها باعث ایجاد یک میدان گردان می شوند .
(4-1)
اما چون Wr = Ws می باشد .
(5-1)
(6-1)
در یک ترانسفور ماتور تک فاز نیروی محرکۀ مغناطیسی تولید شده توسط ثانویه با نیروی محرکۀ مغناطییبی مؤلفۀ بار اولیه I2 مساوی و مخالف می باشد .
(7-1)
در یک موتور سه فاز ساکن مانند یک ترانسفورماتور سه فاز عمل می شود . نیروی محرکۀ مغناطیسی که توسط جریان های فاز Ic , Ib , Ia جریان های استاتور از زابطۀ زیر محاسبه می شوند .
(8-1)
و همچنین :
(9-1)
میدان گردانی با معادلۀ زیر در فاصلۀ هوایی ایجاد می شود .
(10-1)
(11-1)
اگر میدانهای گردان در رابطۀ ( 10-1 ) و ( 5-1 ) با هم برابر باشند .
(12-1)
(13-1)
این حالت در شکل ( 9 - 1 ) نشان داده شده است . جهت جریان ها در سیم پیچ ها ، در یک لحظۀ بخصوص مشخص شده است .
شکل (9-1)
ولتاژ القایی هادی های استاتورو رتور در یک جهت می باشند این مسئله قابل پیش بینی بود . چون آنها توسط یک میدان گردان ایجاد شده اند اما همانطور که در شکل ( 9 - 1 )
مشخص است جریانهای استاتور ورتور مخالف هم می باشند .
برای راحتی جریانهای فاز iA , ia در معادلات ( 3-1 ) و ( 9-1 ) نسبت به فاز تعریف می شود .
(14-1)
(15-1)
بنابراین :
(16-1)
با استفاده از معادلات ( 12-1 ) و ( 13-1 ) و ( 16-1 ) داریم:
(17-1)
معادلۀ ( 17-1 ) نسبت جریان ترانسفور ماتور ایده
آل شکل ( 8-1 ) را نشان می دهد . نسبت امپدانس ترانسفورماتور ایده آل با
استفاده از رابطه ( 17-1 ) و ( 2-1 ) بدست می آید .
(18-1)
قدرت ورودی به یک فاز ترانسفورماتور ایده آل در اولیه با قدرت خروجی آن فاز در ثانویه برابر خواهد بود .
(19-1)
1 – 2 -2 ) مکانیزم تولید گشتاور در موتور القایی ( آسنکرون ) :
محاسبات قبل توانایی آن را می د هد که عملکرد موتر آسنکرون را پیشگویی کنیم . با یک دید فیزیکی به مسئله یادگیری ما افزایش می یابد . شباهتها و تفاوت ها را با ماشین های الکتریکی دیگر بهت ر تشخیص می دهیم . یک مدل ساده که در آن مقاومت و راکتانس پراکندگی استاتور صرف نظر شده است . در شکل ( 10-1 ) نشان داده شد ه است .
شکل نشان دهندۀ حالت یک فاز می باشد .
شکل (10-1)
دو فاز دیگر به صورتی که t متغییرها اختلاف فاز دارند و سیفت پیدا می کنند قابل کشیدن هستند ( نسبت به a در استاتور و A در رتور ) . جریانهای IA , IB , IC در رتور تولید یک میدان گردان می کنند که درفاصلۀ هوایی می چرخد .
جریان نیز تولید میدان گردان می کنند که مطابق با قانون آمپر این دو میدان باید برابر و مخالف یکدیگر باشند . در یک ماشین ایده آل نیروی محرکۀ منتجه صفر است .
(20-1)
ولی در یک ماشین واقعی دو میدان یکدیگر را خنثی نمی کنند . منتجۀ دو میدان در واقع میدانی است که توسط جریانهای مغناطیس کنندۀ سه فاز تولید شده اند جریان استاتور در فاز a از رابطۀ زیر بدست می آید .
(21-1)
مؤلفه های مغناطیس کنندۀ جریان های استاتور تولید میدان گردان در فاصله هوایی می کنند . این میدان ولتاژهای القایی Ema , Emb , Emc را در استاتور ایجاد می کند . در مدار شکل ( 10-1 ) مقدار ولتاژ القایی در فاز a
(22-1)
اگر رتور هم جهت و هم سرعت با میدان گردان حرکت کند لغزش صفر می شود (S=0) و ولتاژ القایی در فاز A رتور
(23-1)
می باشد . در این شرایط هر دو صفر می باشند . جریان فاز a استاتور هان جریان مغناطیس کنندگی Ima می باشد این جریان نسبت به ولتاژ Va مقدار 90 درجه اختلاف فاز دارد و پس فاز می باشد .
حالا شرایطی را در نظرمی گیریم که رتور با سرعت کمتر از سرعت سنکرون دوران کند. بنابر این می باشد و ولتاژ القایی Ema در رتور ایجاد می شود که جریانی در رتور با فرکانس Wr = SWs ایجاد می کند . مقدار جریان برابر مقدار زیر
(24-1)
می باشد . مؤلفۀ جریان قدرت در مدار استاتور
(25-1)
جریان نسبت به ولتاژ القایی پس فاز است همانقدر که نسبت به پس فاز می باشد . مقدار زاویه برابر
(26-1)
دیاگرام فازی معادلۀ ( 21-1 ) در شکل ( 10-1 ) b نشان داده شده است . یک میدان گردان متناظر با این دیاگرام در شکل ( 10-1 ) c نشان داده شده است .
در لحظه ای که Ima مقدار ماکزیمم خود را دارد به صورت عمود رو به پایین می باشد . بردارها در شکل ( 10-1 ) d نشان داده شده است .
میدان گردان استاتور منتاسب با جریان می باشند و وقفۀ هم نام نسبت به دارد که اندازۀ آن همان زاویه بین می باشد . میدان گردان مؤلفه جریان های قدرت را میتوان از دیاگرام فازی بدست آورد . اما میدان گردان ناشی از جریان های رتور IA , IB , IC به صورت در شکل نمایش داده شده است . از شکل d(10-1)
(27-1)
گشتاور تولیدی در اثر میدان گردان مطابق رابطۀ زیر می باشد .
(28-1)
زاویه ای است که از محور استاتور به محور رتور اندازه گیری می شود . شکل ( 10-1 ) d حالت موتوری را نشان می دهد .
با افزایش لغزش s ولتاژ القایی Ema افزایش می یابد . جریان رتور IA و میدان گردان نیز افزایش پیدا می کند . جریان استاتور زیاد می شود تا میدان گردان زیاد شده و در نتیجه برآیند دو میدان ومیدان گردان با مقدار ثابتی باشد Fmg . با افزایش لغزش و افزایش می یابند و افزایش آنها طوری است که sin کاهش می یابد . تغییرات گشتاور سرعت را با استفاده از دیاگرام ( 11-1 ) بهتر می توان مشخص کرد .
شکل (11-1)
(29-1)
با جایگزینی در رابطۀ زیر داریم:
(30-1)
معادلۀ ( 22-1 ) نشان می دهد . Ema ثابت است . بنابر این نیز ثابت خواهد بود . در لغزش کم از معادلۀ ( 26 - 1 ) نتیجه می شود است . در شکل
( 10-1 ) d تقریباً عمود بر می باشد . با افزایش لغزش با نسبت کمتری افزایش می یابد . زیرا راکتانس اثر القایی از خود نشان میدهد . زاویه نیز افزایش می یابد . بنابر این افزایش گشتاور منتاسب با افزایش لغزش نیست . در لغزش زیاد از معادلات ( 23-1 ) و ( 24-1 ) داریم :
(31-1)
با افزایش لغزش ، به سمت یک مقدار ثابت میل می کند . ولی بسمت صفر میل می کند . کل تغییرات با استفاده از معادله ( 30 -1 ) قابل بیان می باشد . در لغزش زیاد با هم زاویۀ حدود درجه می سازد .
با افزایش لغزش ابتدا گشتاور زیاد می شود اما بعد از رسیدن به یک مقدار ماکزیمم شروع به کاهش می کند .
با استفاده از شکل ( 10-1 ) دیده می شود قدرت ورودی به هر فاز برابر مقدار زیر
(32-1)
می باشد . با جایگزیین در معادلۀ ( 30-1 ) گشتاور توسعه یافته در ماشین P = 2 قطبی بدست می آید .
(33-1)
این معادله را می توان با معادلۀ ( 30-1 ) مقایسه کرد . متناسب با می باشد و متناسب با می باشد .
بحثهای بالا بطریق مشابه می توانند در مورد ژنراتور آسنکرون ربع دوم شکل ( 17-1 ) تکرار شود .
1 – 2 – 3 ) موتور گردان :
در موتور گردان اندکتانس و مقاومت عوض نمی شود . اما رابطه ولتاژ القایی اولیه و ثاونویه ( استاتور و رتور ) تغییر خواهد کرد . فرکانس نیروی محرکه القایی رتور از رابطه زیر تعیین می شود .
(34-1)
این سرعت ها اگر بر حسب زاویۀ الکتریکی باشند برای
موتورهای چند قطبی صادق هستند در غیر این صورت معادله زیر نوشته می شود
که معادله بر حسب سرعت زاویه ای مکانیکی می باشد .
(35-1)
مدار معادل موتور گردان در شکل ( 12-1 ) نشان داده شده است . رتور ممکن است اتصال کوتاه در نظر گرفته شود و امپدانس ZA فقط شامل مقاومت رتور و امپدانس پراکندگی باشد . شرط انیکه ماشین اندوکسیدنی در حالت موتر کار کند .
(36-1)
بنابراین رتور باید از میدان گردان آهسته تر دوران کند . تعریف لغزش از رابطه زیر مشخص می شود .
(37-1)
این عامل در نیروی محرکه القایی ، امپدانس ، نسبت توان موتور القایی مؤثر واقع می شود .
رابطۀ ولتاژ القایی رتور و استاتور مطابق رابطۀ زیر می باشد .
