علوم و تحقیقات شاهرود گرایش قدرت عنوان : استاد راهنما : جناب آقای دکتر حمیدرضا ایزدفر نگارش : سید محمدحسین جعفرنیا تابستان 39

Transcript

1 أ

2 دانشگاه آزاد اسالمی واحد علوم و تحقیقات شاهرود دانشکده فنی و مهندسی گروه مهندسی برق ) پایان نامه برای دریافت درجه کارشناسی ارشد در رشته برق M.Sc( گرایش قدرت عنوان : تحلیل تنش و عوامل آن در ماشین سنکرون با آهنربای دائم استاد راهنما : جناب آقای دکتر حمیدرضا ایزدفر نگارش : سید محمدحسین جعفرنیا تابستان 39 ب

3 فهرست مطالب عنوان شماره صفحه چکیده فصل اول: کلیات تحقیق 2 مقدمه ماشین سنکرون و تاریخچه آن طبقه بندی ماشین های سنکرون ژنراتور سنکرون موتور سنکرون و ساختار آن مزایای موتور سنکرون معایب موتور سنکرون موارد کاربرد موتور سنکرون روش های راه اندازی موتور سنکرون مکانیزم عملکرد موتور سنکرون روابط ماشین در دستگاه شار استاتور ساختمان عایقی ماشین های سنکرون سیم پیچی و هسته ماشین های سنکرون فشار قوی انواع عایق در ساختمان ماشین های سنکرون عایق رشته های هادی عایق حلقه عایق دیواره های زمین شده هسته حفاظت در برابر تخلیه جزئی نگهدارنده مکانیکی در شیار نگهدارنده مکانیکی در سرسیم پیچ ها عایق ترانسپوزه سیستم عایق بندی روتور ماشین های سنکرون پیری سیستم عایق کاری 24 تنش های الکتریکی تنش های حرارتی و حرارتی مکانیکی تنش های محیطی تنش های مکانیکی د

4 انواع ساختمان موتور های سنکرون با آهنربای دائم موتور سنکرون PMSM و RPMSM و روابط آنها... فصل دوم: مروری بر ادبیات تحقیق و پیشینه تحقیق پیشینه تحقیق عوامل تنش زا در ماشین سنکرون با آهنربای دائم تنش در عایق بندی روتور تنش های حرارتی تنش های دینامیکی تنش های الکتریکی تنش های محیطی تنش های مکانیکی... اتصال کوتاه سه فاز / حلقه... تغییر مقاومت سیم پیچی ها ( جریان ثابت ) نا هم مرکزی بین روتور و استاتور نامتعادلی فاز در استاتور نا متعادلی بار نامتعادلی ولتاژ پیشینه تحقیق بر سیستم های عایقی و تنش های حرارتی ماشین سنکرون مروری بر برخی کارهای انجام شده... فصل سوم: روش اجرای تحقیق معرفی نرم افزار... Ansoft Maxwell 2-9- نحوه انجام شبیه سازی موتور سنکرون با آهنربای دائم در نرم افزار ماکسول شبیه سازی و تحلیل پارامترها در شرایط کار عادی شبیه سازی در شرایط ایجاد تنش ه

5 موتور تحت اتصال کوتاه مقاومت 1.9 اهم در سیم پیچی فاز... R مقاومت 1.2 اهم در سیم پیچی فاز R مقاومت 1.4 اهم در سیم پیچی فاز R مقاومت 1 اهم در سیم پیچی فاز... R 51 نامتعادلی در فاز های استاتور نا هم محوری روتور و استاتور شیفت به راست روتور 1.2 میلی متر شیفت به راست روتور 1.6 میلی متر ارائه راهکار جهت کاهش تلفات فصل چهارم: تجزیه و تحلیل داده ها مقایسه نمودارهای سرعت و گشتاور در شرایط عادی و تنش مقایسه نمودار جریان سیم پیچی تحریک فاز R در شرایط عادی و تنش مقایسه نمودار تغییرات تلفات در شرایط عادی و تنش مقایسه نمودار تغییرات شار پیوندی بر روی فاز R و S در شرایط عادی و تنش مقایسه نمودار تغییرات ولتاژ القایی بر روی فاز R در شرایط عادی و تنش فصل پنجم: نتیجه گیری و پیشنهادات 1-5- نتیجه گیری و ارائه راهکار بهینه جهت کاهش تلفات تنش ماشین سنکرون... منابع و مآخذ فهرست منابع فارسی فهرست منابع انگلیسی و

6 چکیده امروزه استفاده از ماشین های سنکرون با آهنربای دائم به دلیل راندمان و چگالی توان باال در صنایع گوناگون افزایش یافته است. باتوجه به کاربرد حساس این ماشین ها و اجتناب ناپذیری از بوجود آمدن تنش و خطا درآنها تعمیر و نگهداری از آنها در الویت قرار دارد. روشهای هوشمند به صورت گسترده ای در تشخیص تنش در ماشین های الکتریکی ترانسفورماتورها و بطور کلی در تمامی قسمت های صنعت برق به کار می روند. سیستم شبیه سازی ماشین یکی از مدرن ترین روش هایی است که برای این منظور مورد استفاده می شود. از آنجایی که در موارد پیچیده به ویژه مواردی که استخراج قوانینی کارآمد بسیار مشکل است استفاده از استنتاج فازی غیر ممکن است. لذا در چنین مواردی سعی برآن است که از روشهایی کارآمد در استخراج قوانین استفاده شود. یکی از روش های موثر شبیه سازی موتور سنکرون از طریق نرم افزار کاربردی ماکسول است. در این پروژه یک موتور سنکرون با آهنربای دائم به روش تئوری مدلسازی و تحلیل می شود. در اولین گام عوامل تنش زای الکتریکی و مکانیکی آن تعیین می گردد. این کار در دو مرحله صورت پذیرفته است: در مرحله اول مدلی ساده از ماشین سنکرون با آهنربای دائم در شرایط کار عادی در محیط شبیه ساز مکسول ( Maxwell ) و با استفاده از مقادیر نامی نقطه کار آن شبیه سازی شده و داده های مورد نیاز که عبارتند از گشتاور ضریب قدرت نیرو شار و چگالی استخراج گردید. سپس در مرحله دوم با تغییر در داده های ورودی و اعمال تنش داده های بدست آمده در مرحله اول خروجی ها مقایسه گردیده است. سپس این عوامل با تحلیل عددی مورد ارزیابی قرار گرفته میزان تاثیر هر کدام بر عملکرد موتور مشخص می شود. در نهایت راهکاری جهت ترفیع یا حداقل سازی تاثیرات تنش بر موتور ارائه خواهد شد. 1

7 1-1 مقدمه ماشین های سنکرون با آهنربای دائم از جمله ماشین های الکتریکی مهم با کاربردهایی خاص به شمار می آیند. چگالی قدرت باالی این نوع یکی از مزایای این ماشین ها در مقایسه با انواع ماشین های الکتریکی به حساب می آید. به عالوه ماشین های سنکرون با آهنربای دائم نسبت به ماشینهای دیگر دارای کارایی و قدرت بیشتری هستند. با توجه به کاربرد حساس این نوع ماشینها نگهداری از آنها امری ضروری به نظر می رسد. این در حالی است که اجتناب از خطاها در سیستم های مهندسی کار آسانی نیست. از دهه های گذشته کوشش شده است که خطاها در ابزارهای الکتریکی شناسایی شوند و بهترین واکنش در برابر آنها انجام گیرد بنابراین تشخیص دقیق و سرع خطا بسیار مهم به نظر می رسد. برای مثال یکی از روش های سنتی تشخیص خطا که روشی مبتنی بر جریان و شار مجازی به منظور تعیین خطاهای روتور سه فاز القایی استفاده شده است برای پیاده سازی آن از طیف توانی توان لحظه ای استفاده شده است. و همچنین دو سیستم متداول در این زمینه به این منظور تطبیق یافته اند: مورد اولی سیستمی است که تنها از مولفه های آنالوگ استفاده می کند و دومی DSPIC است که داده ها را به داده های قابل استفاده در رایانه تبدیل می کند. شایان ذکر است که این روش های سنتی به اندازه کافی انعطاف پذیر نبوده اغلب هزینه محاسباتی باالیی دارند. لذا امروزه روش های هوشمند و شبیه ساز به صورت گسترده ای استفاده می شوند و با اینکه از لحاظ ساختاری ساده اند اما نتایج نسبتا دقیقی ارائه می دهند. [1] شکل )1-1( - نمونه ماشین سنکرون با آهنربای دائم 2

8 2-1- ماشین سنکرون و تاریخچه آن ماشین سنکرون همواره یکی از مهمترین عناصر شبکه قدرت بوده و نقش کلیدی در تولید انرژی الکتریکی و انرژی مکانیکی و کاربردهای خاص دیگر ایفاء کرده است. ساخت اولین نمونه ماشین سنکرون به انتهای قرن 13 برمیگردد. مهمترین پیشرفت انجام شده در آن سالها احداث اولین خط بلند انتقال سه فاز از الفن به فرانکفورت آلمان بود. درکانون این تحول یک هیدروژنراتور سه فاز 211 کیلووات قرار گرفته بود. علیرغم مشکالت موجود در جهت افزایش ظرفیت وسطح ولتاژ ماشینها در طول سالهای بعد تالشهای گستردهای برای نیل به این مقصود صورت گرفت مهمترین محدودیتها در جهت افزایش ظرفیت ضعف عملکرد سیستمهای عایقی و نیز روشهای خنکسازی بود. در راستای رفع این محدودیتها ترکیبات مختلف عایقهای مصنوعی استفاده از هیدروژن برای خنکسازی و بهینهسازی روشهای خنکسازی با هوا نتایج موفقیتآمیزی را در پی داشت به نحوی که امروزه ظرفیت ماشینها به بیش از MVA1600 افزایش یافته است. در جهت افزایش ولتاژ ابداع پاورفرمر در انتهای قرن بیستم توانست سقف ولتاژ تولیدی را تا حدود سطح ولتاژ انتقال افزایش دهد به نحوی که برخی محققان معتقدند در سالهای نه چندان دور دیگر نیازی به استفاده از ترانسفورماتورهای افزاینده نیروگاهی نیست. همچنین امروزه تکنولوژی ماشینهای ابررسانا بسیار مورد توجه است. انتظار میرود با گسترش این تکنولوژی در موتورهای آینده ظرفیتهای باالتر در حجم کمتر قابل دسترسی باشند.[ 2 ] ژنراتور سنکرون تاریخچهای بیش از صد سال دارد. اولین تحوالت ژنراتور سنکرون در دهه 1881 رخ داد. در نمونههای اولیه مانند ماشین جریان مستقیم روی آرمیچر گردان یک یا دو جفت سیمپیچ وجود داشت که انتهای آنها به حلقههای لغزان متصل میشد و قطبهای ثابت روی استاتور میدان تحریک را تامین میکردند. به این طرح اصطالحا قطب خارجی میگفتند. در سالهای بعد نمونه دیگری که در آن محل قرار گرفتن میدان و آرمیچر جابجا شده بود مورد توجه قرار گرفت. این نمونه که شکل اولیه ژنراتور سنکرون بود تحت عنوان ژنراتور قطب داخلی شناخته و جایگاه مناسبی در صنعتبرق پیدا کرد. شکلهای مختلفی از قطبهای مغناطیسی و سیمپیچهای میدان روی رتور استفاده شد در حالی که سیمپیچی استاتور تکفاز یا سهفاز بود. محققان بزودی دریافتند که حالت بهینه از ترکیب سه جریان متناوب با اختالف فاز نسبت به هم بدست میآید. استاتور از سه جفت سیمپیچ تشکیل شده بود که در یک طرف به نقطه اتصال ستاره و در طرف دیگر به خط انتقال متصل بودند در واقع ایده ماشین جریان متناوب سه فاز مرهون تالشهای دانشمندان برجستهای مانند نیکوال تسال گالیلئو فراریس چارلز برادلی دبروولسکی هاسلواندر بود.[ 2 ] هاسلواندر اولین ژنراتور سنکرون سه فاز را در سال 1881 ساخت که توانی در حدود 2/8 کیلووات را در سرعت 361 دور بر دقیقه )فرکانس 92 هرتز( تولید میکرد. این ماشین دارای آرمیچر سه فاز ثابت و رتور 3

9 سیمپیچی شده چهار قطبی بود که میدان تحریک الزم را تامین میکرد. محلی مورد استفاده قرار میگرفت.[ 2 ] این ژنراتور برای تامین بارهای در سال 1831 برای اولین بار ترکیب ژنراتور و خط بلند انتقال به منظور تامین بارهای دوردست با موفقیت تست شد. انرژی الکتریکی تولیدی این ژنراتور توسط یک خط انتقال سه فاز از الفن به نمایشگاه بینالمللی فرانکفورت در فاصله 115 کیلومتری منتقل میشد. ولتاژ فاز به فاز 35 ولت جریان فاز 1411 آمپر و فرکانس نامی 41 هرتز بود. رتور این ژنراتور که برای سرعت 151 دور بر دقیقه طراحی شده بود 92 قطب داشت. قطر آن 1152 میلیمتر و طول موثر آن 981 میلیمتر بود. جریان تحریک توسط یک ماشین جریان مستقیم تامین میشد. استاتور آن 36 شیار داشت که در هر شیار یک میله مسی به قطر 23 میلیمتر قرار میگرفت. از آنجا که اثر پوستی تا آن زمان شناخته نشده بود سیمپیچی استاتور متشکل از یک میله برای هر قطب / فاز بود. بازده این ژنراتور %36/5 بود که در مقایسه با تکنولوژی آن زمان بسیار عالی مینمود. طراحی و ساخت این ژنراتور را چارلز براون انجام داد.[ 2] در آغاز اکثر ژنراتورهای سنکرون برای اتصال به توربینهای آبی طراحی میشدند اما بعد از ساخت توربینهای بخار قدرتمند نیاز به توربوژنراتورهای سازگار با سرعت باال احساس شد. در پاسخ به این نیاز اولین توربورتور در یکی از زمینههای مهم در بحث ژنراتورهای سنکرن سیستم عایقی است. مواد عایقی اولیه مورد استفاده مواد طبیعی مانند فیبرها سلولز ابریشم کتان پشم و دیگر الیاف طبیعی بودند. همچنین رزینهای طبیعی بدست آمده از گیاهان و ترکیبات نفت خام برای ساخت مواد عایقی مورد استفاده قرارمیگرفتند. در سال 1318 تحقیقات روی عایقهای مصنوعی توسط دکتر بایکلند آغاز شد. در طول جنگ جهانی اولی رزینهای آسفالتی که بیتومن نامیده میشدند برای اولین بار همراه با قطعات میکا جهت عایق شیار در سیمپیچهای استاتور توربوژنراتورها مورد استفاده قرار گرفتند. این قطعات در هر دو طرف با کاغذ سلولز مرغوب احاطه میشدند. در این روش سیمپیچهای استاتور ابتدا با نوارهای سلولز و سپس با دو الیه نوار کتان پوشیده میشدند. سیمپیچها در محفظهای حرارت میدیدند و سپس تحت خال قرار میگرفتند. بعد از چند ساعت عایق خشک و متخلخل حاصل میشد. سپس تحت خال حجم زیادی از قیر داغ روی سیمپیچها ریخته میشد. در ادامه محفظه با گاز نیتروژن خشک با فشار 551 کیلو پاسکال پر و پس از چند ساعت گاز نیتروژن تخلیه و سیمپیچها در دمای محیط خنک و سفت میشدند. این فرآیند وی پیآی. نامیده[ 2 ] در اواخر دهه 1341 کمپانی جنرال الکتریک به منظور بهبود سیستم عایق سیمپیچی استاتور ترکیبات اپوکسی را برگزید. در نتیجه این تحقیقات یک سیستم به اصطالح رزین ریچ عرضه شد که در آن رزین در نوارها و یا وارنیش مورد استفاده بین الیهها قرار میگرفت.[ 2] در دهههای 1341 تا 1361 همراه با افزایش ظرفیت ژنراتورها و در نتیجه افزایش استرسهای حرارتی تعداد خطاهای عایقی به طرز چشمگیری افزایش یافت.پس از بررسی مشخص شد علت اکثر این خطاها بروز پدیده جدا شدن نوار یا ترک خوردن آن است. این پدیده به علت انبساط و انقباض ناهماهنگ هادی مسی و 4

10 هسته آهنی به وجود میآمد. برای حل این مشکل بعد از جنگ جهانی دوم محققان شرکت وستینگهاوس کار آزمایشگاهی را بر روی پلیاسترهای جدید آغاز کرده و سیستمی با نام تجاری ترماالستیک عرضه کردند. [2] 3-1- طبقه بندی ماشین های سنکرون 2. موتور سنکرون ماشین های سنکرون به دو دسته تقسیم می شوند.: 1. ژنراتور سنکرون ( آلتروناتور ) البته نوعی ماشین سنکرون به نام کمپانستور compansator موجود می باشد.[ 2 ] یا اصالح کننده ضریب توان نیز در صنایع ژنراتور سنکرون در یک ژنراتور سنکرون یک جریان dc به سیم پیچ روتور اعمال می گردد تا یک میدان مغناطیسی در روتور تولید شود. سپس روتور مربوط به ژنراتور به وسیله یک محرک اصلی چرخانده می شود تا یک میدان مغناطیسی دوار در ماشین به وجودآید. این میدان مغناطیسی یک ولتاژ سه فاز را درسیم پیچ های استاتور ژنراتور القاء می نماید. دریک ماشین دو عبارت در توصیف سیم پیچ ها بسیار مورد استفاده است : یکی سیم پیچ های میدان و دیگری سیم پیچ های آرمیچر. [9] بطورکلی سیم پیچ های میدان به سیم پیچ های گفته می شود که میدان مغناطیسی اصلی را در ماشین و تولید می کند عبارت سیم پیچ های آرمیچر به سیم پیچ هایی اتالق می شود که ولتاژ القاء اصلی درآن می شود. ( برای ماشین های سنکرون سیم پیچ های میدان در روتور است ) [9] * روتور ژنراتور سنکرون در اصل یک آهنربای الکتریکی بزرگ است. 5

11 ژنراتورها ماشین های هستند که انرژی مکانیکی را از محرک اصلی به یک توان الکتریکی در ولتاژ و فرکانس خاصی رود. تبدیل می نماید. ژنراتورسنکرون برای تولید بخش اعظم توان الکتریکی در سرتاسر جهان به کارمی مولدهای AC یا آلترناتورها درست مثل مولدهای dc بر اساس القاء الکترومغناطیسی کار می کنند آنها نیز : شامل یک سیم پیچ آرمیچر ویک میدان مغناطیسی هستند. اما یک اختالف مهم بین این دو وجود دارد درحالی که در ژنراتورهای dc عکس وجود دارد.[ 9] آرمیچر چرخیده می شود وسیستم میدان ثابت است در آلترناتورها آرایش موتور سنکرون و ساختار آن موتورهای سنکرون از نظر الکتریکی مشابه یک آلترناتور یا ژنراتور ac می باشند در حقیقت از نظر تئوری یک ماشین سنکرون می تواند به عنوان آلترناتور استفاده گردد که به طور مکانیکی راه اندازی شده و یا به عنوان موتوری استفاده گردد که به صورت الکتریکی راه اندازی شده باشد. بیشتر موتورهای سنکرون دارای مقدار نامی 151 کیلو وات تا 15 مگاوات بوده و دارای محدوده سرعت 150 rpm تا 1800 rpm کار می کنند.[ 4 ] موتورهای سنکرون از دو قسمت اساسی تشکیل شده اند که قسمت متحرک این موتور ها را روتور و قسمت ساکن آنها را استاتور گویند. روتور ماشین های سنکرون از لحاظ ساختمان دو دسته اند. ماشینهای سنکرون با روتور قطب صاف و ماشین های سنکرون با روتور قطب برجسته. [4] 6

12 شکل )2-1( - اجزاء تشکیل دهنده موتور سنکرون روتور و استاتور استاتور موتورهای سنکرون از نظر ساختمان دقیقا مشابه ساختمان استاتور موتورهای القایی است. سیم پیچهای سه فاز آن در داخل شیارهای هسته آهنی استاتور تعبیه شده که وظیفه آنها ایجاد میدان دوار در هسته استاتور است. استاتور در موتور سنکرون به شبکه وصل می شود تا جریان به درون موتور سرازیر شود. در این حالت جریان استاتور یک جریان AC است. به سیم پیچی استاتور سیم پیچی آرمیچر نیز گفته می شود و این امر بر خالف موتور های DC است. زیرا در موتورهای DC سیم پیچی آرمیچر بر روی روتور قرار دارد. سیم پیچی استاتور یا آرمیچر در موتور های سنکرون طوری طراحی می شوند که جریان و ولتاژ زیادی را تحمل نمایند.[ 4] شکل )9-1( - اجزاء تشکیل دهنده استاتور 7

13 روتور از چندین قطعه مجزای باریک فوالدی که میانشان میلههایی از مس یا آلومینیم تعبیه شده ساخته شده است. در رایجترین نوع روتور )روتور قفس سنجابی( این میلهها در انتهای خود به صورت الکتریکی و مکانیکی بوسیله حلقههایی به هم متصل شدهاند. تقریبا 31 درصد از موتورهای القایی دارای روتور قفس سنجابی میباشند و این به خاطر آن است که این نوع روتور ساختی مستحکم و ساده دارد.این روتور از هستهای چند تکه استوانهای با محوری که شکافهای موازی برای جادادن رساناها درون آن دارد تشکیل شدهاست. هر شکاف یک میله مسی یا آلومنیومی یا آلیاژی را شامل میشود. در این میلهها به طور دائمی بوسیله حلقههای انتهایی آنها همچنان که در شکل دو مشاهده میشود مدار کوتاه برقرار است. چون این نوع مونتاژ درست شبیه قفس سنجاب است این نام برای آن انتخاب شدهاست. میلهای روتور دقیقا با محور موازی نیستند. در عوض به دو دلیل مهم قدری اریب نصب میشوند. دلیل اول آنکه موتور با کاهش صوت مغناطیسی بدون صدا کارکرده و برای آنکه از هارمونیکها در شکافها کاسته شود. دلیل دوم آن است که گرایش روتور به هنگ کردن کمتر شود. دندانههای روتور به خاطر جذب مغناطیسی مستقیم )محض( تالش میکنند که در مقابل دندانههای استاتور باقی بمانند. این اتفاق هنگامی میافتد که تعداد دندانههای روتور و استاتور برابر باشند. روتور بوسیله مهارهایی در دو انتها روی محور نصب شده یک انتهای محور در حالت طبیعی برای انتقال نیرو بلندتر از طرف دیگر گرفته میشود. ممکن است بعضی موتورها محوری فرعی در طرف دیگر)غیر گردنده - غیر منتقل کننده نیرو( برای اتصال دستگاههای حسگر حالت)وضعیت( و سرعت داشته باشند. بین استاتور و روتور شکافی هوایی موجود است. بعلت القا انرژی از استاتور به روتور منتقل میشود. تورک تولید شده به روتور نیرو داده و سپس برای چرخیدن به آن نیرو میکند. صرف نظر از روتور استفاده شده قواعد کلی برای دوران یکی است. روتور در این موتور ها دو نوع است :[2] روتور قطب برجسته : این روتور ها بیشتر در ماشین هایی بکار می روند که سرعت سنکرون آنها کم است..1 روتور استوانه ای یا غیر برجسته : این روتورها بیشتر در ماشین هایی بکار می روند که سرعت.2 سنکرون آنها زیاد است. 8

14 ) ب) ( الف ) شکل )4-1( - الف: روتور قطب برجسته / ب: روتور استوانه ای جریان تغذیه سیم پیچی تحریک روتور از طریق دو حلقه که بر روی محور روتور نصب شده به وسیله جاروبکها تأمین می شود و روتور این موتورها عمال بصورت یک مغناطیس الکتریکی )چرخ قطب( رفتار می کند که تعداد قطبهای روتور بسته به اندازه قطبهای سیم پیچی استاتور خواهد بود. [2] مزایای موتور سنکرون همواره با یک سرعت ثابت کار می کند و در هر گشتاوری که بخواهیم یا به هیچ وجه کار نمی کند یا اینکه با یک سرعت ثابت کار می کند. چنین خصوصیتی را می توان با مشخصه شکل زیر نشان -1 داد : شکل )5-1( - نمودار سرعت بر حسب زمان در مقابل نوسان ولتاژ حساسیت ندارند. نسبت به موتورهای القایی بیشتر قابل کنترل می باشند. در ضریب توان های مختلف می توانند کار کنند بعبارت دیگر هم می توانند تولید کننده و هم مصرف کننده توان راکتیو باشند. از آن میتوان به عنوان مولد قدرت راکتیو برای باال بردن ضریب قدرت خط استفاده کرد. ضریب قدرت متناسب و راندمان باالیی دارند. [2]

15 معایب موتور سنکرون گشتاور راه اندازی ندارند. دارند. نداشتن تحمل اضافه بار ( به عبارت دیگر به یک وسیله راه اندازی که موتور کمکی می باشد احتیاج در صورتیکه خیلی بیشتر از حد مجاز به آنها بار دهند می ایستد و دوباره -1-2 بایستی آنرا راه اندازی کرد ) ) پیچیدگی ساختمان قیمت باال ( در توان های پایین و نیاز به تعمیر و نگهداری از دیگر معایب -9 آنست. [2] موارد کاربرد موتور سنکرون در توان های باالی یک مگاوات این موتورها از نظر قیمت و قابلیت بر موتور های القایی ارجعیت داشته و بکار می روند. در کارخانه از این موتورها به دو دلیل استفاده می شود یکی برای گرداندن بار های مکانیکی که نیاز به سرعت ثابت دارند و دیگر برای اصالح ضریب توان. cosφ [2].1.2 بزرگترین تفاوت بین یک موتور القایی AC و یک موتور سنکرون AC این است که در موتور سنکرون توان روتور به طور مستقیم از یک منبع خارجی تامین میشود. این جریان در روتور نیز خود میدان مغناطیسی تولید خواهد کرد و به دلیل اثر متقابل میدانهای استاتور و روتور. روتور در جهت میدان دوار استاتور به حرکت در خواهد آمد. از طرفی برای القای جریان در روتور باید اختالف سرعتی بین سرعت میدان دوار و سرعت گردش روتور وجود داشته باشد در غیر این صورت میدان دوار نسبت به روتور حرکتی نخواهد داشت و هادیهای روتور شار میدان تولید شده توسط استاتور را قطع نکرده و در نتیجه ولتاژی در روتور القا نخواهد شد. این اختالف سرعت بین سرعت میدان دوار و سرعت حرکت روتور در اصطالح لغزش (Slip) نامیده میشود. لغزش یک موئلفه بدون واحد است. از آنجا که در موتورهای القایی اختالف سرعت شرط و ضرورت عملکرد آنهاست به این موتورها غیرهمزمان یا آسنکرون میگویند. [5] طرز کار موتور سنکرون با آهنربای دائم: هنگام وصل استاتور به شبکه سه فاز یک میدان دوار که سرعت آن متناسب با فرکانس شبکه و تعداد قطبهای استاتور است در آن بوجود می آید و سطح روتور را جاروب می کند. [5] 11

16 قطبهای روتور از طریق قطبهای غیر همنام استاتور جذب و لحظه ای بعد مجددا این قطبها به وسیله قطبهای همنام استاتور دفع خواهند شد. پس میانگین گشتاور صفر و روتور حرکت نمی کند قطبهای روتور به دلیل سنگینی و اینرسی موجود در آن نمی توانند به سرعت همراه میدان دوار استاتور بچرخند. پس باید با یک وسیله کمکی )راه انداز( ابتدا سرعت روتور را به نزدیکی سرعت میدان دوار استاتور رساند تا روتور بتواند همراه میدان دوار چرخش کند. [5] روشهای راه اندازی موتور سنکرون برای راه اندازی موتورهای سنکرون سه روش اساسی می توان به کار برد. کاهش سرعت میدان مغناطیسی استاتور: تا حدی که روتور بتواند طی نیم سیکل چرخش میدان مغناطیسی شتاب بگیرد و با آن قفل شود. این کار را می توان با کاهش فرکانس منبع تغذیه انجام داد. استفاده از یک گرداننده اولیه: که سرعت موتور را تا حد سرعت سنکرون باال میبرد و با طی مراحل موازی کردن ماشین مثل ژنراتور روی خط آورده شود. پس از این مراحل خاموش کردن با جدا کردن گرداننده اولیه ماشین سنکرون را تبدیل به موتور خواهد کرد. استفاده از سیم پیچ های میرا کننده که در انتهای قطبین روتور نصب می شود. در موتورهای سنکرون سرعت حرکت روتور در هر حال برابر با سرعت میدان دوار استاتور خواهد بود و افزایش بار فقط عقب ماندگی روتور نسبت به میدان را موجب می شود. [4] اختالف فاز این دو میدان Bs و BR همان زاویه گشتاور است که از 1 تا 31 درجه تغییر می کند. البته اگر افزایش بار بیش حد باشد موتور از حالت سنکرونیزم خارج خواهد شد که اصطالحا آن را ناپایدار می نامیم ضمنا هنگام کار با سرعت سنکرون با تغییرات جریان تحریک امتداد جریان آرمیچر و ضریب قدرت ماشین از حالت پس فازی به اهمی و پیش فازی قابل کنترل خواهد بود که از این خاصیت جهت اصالح ضریب قدرت شبکه استفاده می شود که به موتورهای سنکرون پر تحریک )کار در حالت پیش فازی( خازن های سنکرون نیز گفته می شود.[ 4 ] 11

17 مکانیزم عملکرد موتور سنکرون در اثر برقراری جریان الکتریکی در استاتور میدان دواری با دامنه ثابت در فضای موتور شکل می گیرد. متغیری است که با زمان و متناسب با سرعت سنکرون تغییر می کند: با چرخش میدان مغناطیسی روی استاتور میدان روتور ( در نتیجه خود روتور ) به دنبال آن شروع به گردش می کنند. [9] مدار معادل تک فاز از موتور سنکرون شکل )6-1( - مدار معادل تک فاز از موتور سنکرون روابط ماشین در دستگاه شار استاتور ) 1-1 ( ) 2-1 ( 12

18 حال اگر دستگاه دو محوری در نظر بگیریم که یکی محورهای آن در امتداد شار استاتور ( محور ) x و دیگری عمود بر آن ( محور ) y باشد می توان جریان های ماشین را بر روی این دو محور تصویر کرد و مقادیر جریان ها را در دستگاه شار استاتور به دست آورد. [5] ) 9-1 ( که در آن : δ [5] ) 4-1 ( با جایگذاری روابط ( 9-1 ) در )1-1 ) می توان به معادله گشتاور ماشین در دستگاه شار استاتور رسید. ) 5-1 ( دیاگرام فازوری متغیرهای ماشین در دست آورد : [5] دستگاه شار استاتور را با استفاده از روابط باال می توان به شکل زیر به شکل )1-1( - دیاگرام فازوری متغیرهای ماشین سنکرون در دستگاه شار استاتور 13

19 4-1- ساختمان عایقي ماشین های الکتریکي ساختمان ماشینهای های سنکرون از سه دسته مواد اصلی هادیها هسته و عایقها تشکیل شده است. عایقهای الکتریکی برخالف هادیها و هسته در ماشین های سنکرون اجزاء غیر فعال محسوب می شوند. بدین معنا که هیچ نقشی در تولید میدان مغناطیسی و یا هدایت آن و همچنین تولید گشتاور و هدایت جریان ندارند. در عین حال نیازمندیهای اساسی الکتریکی حرارتی و مکانیکی را در میان اجزاء فعال در ساختمان ماشین های سنکرون با آهنربای دائم فراهم می سازند. [6] عایق های الکتریکی در میان هادیهای مختلف حامل جریان در ولتاژهای مختلف و نیز بین شیارهایی که هادیها را در خود جای می دهند جداسازی الکتریکی را ممکن می سازند. آنها با هدایت حرارت نقش حرارتی و همچنین با نگه داشتن هادیها در داخل شیارها و فراهم ساختن پوششهای حفاظتی نقش مکانیکی خود را ایفاد می کنند. [6] سیم پیچ و هسته ماشین های الکتریکي فشار قوی )Coil( سیم پیچ )Winding( ماشین های سنکرون از تعدادی کالف تشکیل شده است که هر کالف ممکن است از یک یا چند دور یا حلقه Loop( )Turn or ایجاد شده باشد. چنانچه سیم پیچ دارای کالف های تک دور باشد به آن شین یا میله تک دور )Bar( می گویند. هر دور یا حلقه دارای دو هادی )Conductor( است که هر هادی یک بازوی حلقه یا بازوی کالف Side( )Coil محسوب می شود و در )Strand or Sub Conductor( هسته قرار می گیرند. هادیها اغلب از چند رشته تشکیل می شوند. آنها در قسمت پیشانی به هم متصل می شوند و به قسمت اتصال که خارج از هسته می باشد اتصال پیشانی گفته می شود. در نهایت کالف ها هنگام سربندی به یکدیگر )Overhang or End-Connection( متصل و سرسیم پیچی ها )End-Winding( را تشکیل می دهند. 14

20 تصویر زیر شمای یک کالف تک حلقه ای ساده را نشان می دهد که فواصل AB و DE هادیها و یا بازوهای کالف و قسمت BCD نیز اتصال پیشانی آن می باشد. هسته ماشین های الکتریکی دوار از ورقه های شیاردار تشکیل می شود. هدف از ورقه نمودن هسته کاهش تلفات جریان گردابی یا تلفات فوکو می باشد. هادیها داخل در طبقه چند در یا و طبقه یک در توانند می شیارهای هسته جایگذاری شوند. [6] شکل ( 8-1 ) جانمایی یک کالف تک حلقه در داخل دو شیار استاتور ساختار و پیچی سیم نحوه سنکرون های ماشین دهی سرویس نوع و ولتاژ سطح نامی توان به توجه با هسته آنها متفاوت است که در اینجا به آنها پرداخته نمی شود. [6] انواع عایق در ساختمان ماشین های الکتریکي عایق های الکتریکی مورد مصرف در ماشین های سنکرون با توجه به نوع ماشین و ساختمان آنها به ویژه نوع جانمایی و ابعاد سیمپیچی که به عناصری از قبیل توان نامی ولتاژ تعداد قطبها نیازمندیهای ناشی از حداکثر مجاز گرم شدن سیمپیچی راکتانس راندمان و هزینه وابسته است متفاوت می باشد. [6] 15