دانلود مقاله ماشینهای سنکرون سه فاز

مقدمه

ماشین های سنکرون تحت سرعت ثابتی بنام سرعت سنکرون می چرخند . و جزء ماشین های جریان متناوب (AC) محسوب می شوند . در این ماشینها بر خلاف ماشین های القائی ( آسنکرون ) میدان گردان شکاف هوائی ورتور با یک سرعت که همان سرعت سنکروه است می چرخند . ماشینهای سنکروه سه فاز بر دو نوع اند .

1- ژنراتور های سنکرون سه فاز یا الترناتور ها

2- موتورهای سنکروه سه فاز

امروزه ژنراتورهای سنکرون سه فاز ستون فقرات شبکه های برق را در جهان تشکیل می دهد و ژنراتورهای عظیم در نیروگاهها وظیفه تولید انرژی الکتریکی را به دوش می کشند . موتورهای سنکرون در مواقعی بکار می روند که به سرعت ثابت نیاز داشته باشیم .

البته موتورهای سنکرون تکفاز کوچکی هم وجود دارد که در فصل بعد راجع به ان اشاره می کنیم . نوع خطی موتورهای سنکرون بنام موتورهای سنکرون خطی یا LSM نیز در سیستم های حمل و نقل بکار می رود .

یکی از مزایای عمده موتورهای سنکرون اینست که می تواند از شبکه توان راکتیو دریافت و یا به شبکه توان راکتیو تزریق کند . ماشینهای سنکرون اعم از ژنراتور و موتور جزء ماشینهای دو تحریکه محسوب می شوند زیرا سیم پیچ رتور آنها توسط منبع DC تغذیه گشته و از استاتور انها جریان AC می گذرد . باید دانست ساختمان ژنراتور و موتور سنکرون سه فاز شبیه یکدیگر است . شار شکاف هوائی در این ماشینها منتجه شارهای حاصله از جراین رتور و جریان استاتور می باشد .

در ماشینهای القائی ( فصل قبل ) تنها عامل تحریک کننده جریان استاتور محسوب می شد ، زیرا جریان رتور بر اثر عمل القاء پدید می امد . لذا موتورهای القائی همواره در حالت پس فاز مورد بهره برداری قرار می گیرند ، زیرا به جریان پس فاز راکتیوی نیاز داریم تا شار در ماشین حاصل شود . اما در موتورهای سنکرون اگر مدار تحریک رتور ، تحریک لازم را فراهم سازد ، استاتور جریان راکتیو نخواهد کشید و موتور در حالت ضریب توان واحد کار خواهد کرد .

اگر جریان تحریک رتور کاهش می یابد ، جریان راکتیو از شبکه به موتور سرازیر می شود تا به رتور جهت مغناطیس کننده گی ماشین کمک کند . در اینصورت موتور سنکرون سه فاز در حالت پس فاز کار خواهد کرد . اگر جریان تحریک رتور زیاد شود ( میدان رتور افزایش می یابد ) در اینصورت جریان راکتیو پیش فاز از شبکه کشیده می شود تا با میدان رتور به مخالفت برخیزد . در اینصورت موتور در حالت پیش فاز کار می کند و توان راکتیو به شبکه می فرستد .

از گفتار فوق نتیجه می شود که با تغییر جریان تحریک ( مدار رتور ) که جریانی DC است ، ضریب توان موتور سنکرون سه فاز را می توان کنترل نمود . باید دانست که در تمامی مراحل موتور از شبکه توان اکتیو (P) می کشد اما توان راکتیو موتور (Q) به نحوه تحریک بستگی دارد .

اگر موتور بی بار باشد تغییر جریان تحریک باعث می گردد که موتور گاهی بصورت مقاومت ، گاهی بصورت سلف و گاهی بصورت خازن عمل نماید . موتور سنکرون بی بار را کندانسور سنکرون می نامند و در سیستمهای انتقال انرژی جهت تنظیم ولتاژ مورد استفاده قرار می گیرد . در صنعت نیز گاهی برای بهبود ضریب توان بجای خازن از موتورهای سنکرون در حالت پیش فاز استفاده می شود .

در اینجا لازم است قدری درباره ساختمان ماشینهای سنکرون سه فاز اعم از موتور و ژنراتور بحث شود . شکل 1 و 6-1 شمای استاتور این ماشینها را نشان می دهد . درون شیارهای استاتور سیم پیچی سه فاز استاتور جا سازی شده است و استاتور در این ماشینها شبیه استاتور ماشینهای القائی فصل قبل است . در شکل 1 و 6-1 شمای دو نوع رتور برای ماشینهای سنکرون نشان داده شده است :

1- رتور با قطب های برجسته که در آن برجستگی قطبها مشهود است و قطبها توسط سیم پیچی تحریک یا سیم پیچی میدان تحریک می شوند . واضح است که در این نوع ماشینها شکاف هوائی ( فاصله بین رتور و استاتور ) غیر یکنواخت است . در زیر قطبها شکاف هوائی کم و در میان قطبها شکاف هوائی زیادی حاصل می شود شکل 1 و 6-1 .

2- رتور استوانه یا رتور غیر برجسته ، در این نوع ماشینها شکاف هوائی درون ماشین کاملا یکنواخت است و رتور بصورت یک استوانه نسبتا کامل ساخته می شود 0 شل 1 و 6-1) .

شکل (2 و 6-1) شمای بیرون ماشین سنکرون را نشان می دهد . می بینیم از استاتور سه پایانه خارج می شود که مربوط به سیستم سه فاز استاتور است . تغذیه جریان DC تحریک مربوط به رتور If نیز از طریق حلقه های لغزان موجود بر روی محور ماشین انجام می شود . شکل 3 و 6-1 وضعیت سیم پیچی های سه فاز استاتور و سیم پیچ تحریک را نشان می دهد.

ساختمان ماشینهای سنکرون سه فاز

استاتور ماشینهای سنکرون سه فاز اعم از ژنراتور و موتور حاوی سیم پیچی سه فازی است که درون شیارهای استاتور جا سازی شده و رد طلو محیط آن پخش و توزیع گردیده اند . استاتور ماشینهای سنکرون سه فاز شبیه ماشینهای القائی سه فاز است .

استاتور در ژنراتور بار را تغذیه می کند و در موتور سنکرون به شبکه وصل می شود تا جریان به درون موتور سرازیر شود . در هر دو حال جریان استاتور یک جریان AC است . به سیم پیچی استاتور سیم پیچی آرمیچر نیز گفته می شود و این امر بر خلاف ماشینهای DC است . زیرا در ماشینهای DC سیم پیچی آرمیچر بر روی رتور قرار دارد . سیم پیچی استاتور یا آرمیچر در ماشینهای سنکرون طوری طراحی می شوند که جریان و ولتاژ زیادی را تحمل نمایند .

رتور ماشینهای سنکرون حاوی سیم پیچی تحریک یا سیم پیچی میدان است و این سیم پیچی توسط جریان DC تحریک می گردد . شکل 6-1 شمای کلی ماشینهای سنکرون را نشان می دهد و قبلا قدری راجع به ان صحبت کردیم . همانطور که در شکل 6-1 دیدیم رتور این ماشینها بر دو نوع است:

1- رتور قطب برجسته : این رتورها عمدتا در ماشینهائی بکار می رود که سرعت سنکرون آنها کم است .

2- رتور قطب برجسته : این رتورها عمدتا در ماشینهائی بکار می رود که سرعت سنکرون آنها زیاد است .

در اینجا بد نیست بدانید در نیروگاههای بخاری از ژنراتورهای با رتور استوانه ای ( غیر برجسته ) استفاده می شود . در نیروگاههای دیگر که سعرت چرخش توربین متصل به محور ژنراتور کم است از رتورهای قطب برجسته استفاده می شود. شکل 6-2 تصویر یک ژنراتور با قطب استوانه ای ( غیر برجسته ) عظیم الجثه را نشان می دهد و شکل 6-3 تصویر یک ژنراتور قطب بر جسته را به نمایش می گذارد . در این فصل ابتدا راجع به عملکرد ماشینهای سنکرون بارتور استوانه ای در حالت ماندگار مانا بحث می شود و سپس اثر برجستگی قطبها را مطرح می سازیم .

ژنراتور سنکرون

شکل 1 و 6-4 را در نظر می گیریم و فرض می کنیم اگر جریان (If) DC از سیم پیچی تحریک رتور بگذرد شاری با توزیع سینوسی در شکاف هوایی ایجاد می کند . حال اگر رتور توسط محرک اولیه مثل موتور دیزل یا تورین یا موتور DC چرخانده شود یک میدان گردان در شکاف هوائی حاصل می شود . به این میدان لفظ میدان تحریک نیز اطلاق می شود .

این میدان در سیم پیچهای سه فاز آرمیچر ( cc/,bb/ , aa/ در شکل 6-4 ) ولتاژ القاء می کند و این سه ولتاژ القائی در شکل 2 و 6-4 نشان داده شده است . این ولتاژها از نظر دامنه یکسان ، اما با هم 120درجه الکتریکی اختلاف فاز دارند . به این ولتاژها نامهای زیر اطلاق می گردد و با علامت Ef مشخص می شوند.

1- ولتاژ القاء شده

2- ولتاژ تولید شده

3- ولتاژ داخلی

4- ولتاژ تحریک

گفتنی است که سرعت رتور سرعت سنکرون و فرکانس ولتاژهای القائی طبق رابطه زیر بهم مربوط می شوند :

(6-1)                                

یا :

(6-2)                                

N سرعت رتور ( سرعت سنکرون ) بر حسب دور در دقیقه بوده و p تعداد قطبهای رتور است . مقدار موثر ولتاژ تحریک (Ef) از رابطه 5-27 فصل قبل قابل استحصال است .

(6-3)                                 Ef=4/44f Ff Nkw

Ff  شار هر قطب بخاطر جراین تحریک If تعبیر می شود . N تعداد حلقه ها یا دور ها در هر فاز بوده و Kw ضریب سیم پیچی نام دارد . از روابط (6-2) و (6-3) داریم :

(6-4)                                 Ef a nFf

می بینیم ولتاژ تحریک (Ef) که همان ولتاژ القائی یا ولتاژ داخلی یا ولتاژ تولید شده می باشد ، با شار تحریک و سرعت متناسب است . واضح است که شار تحریک (Ff) نیز با جریان تحریک If تناسب دارد . تغییرات ولتاژ تحریک Ef بر حسب جریان تحریک (If) تحت سرعت ثابت در شکل 6-5 نشان داده شده است . ولتاژ القائی مربوط به If=0 بخاطر پدیده پس ماند می باشد .

در ابتدا تغییرات Ef بر حسب If خطی است ، اما پس از عبور از مرحله تغییرات خطی اگر If زیاد شود Ff دیگر با If رابطه خطی ندارد مساله اشباع و لذا طبق محنی شکل 6-5 Ef نیز تقریبا ثابت می شود . به منحنی شکل 6-5 مشخصه مدار باز ژنراتور سنکرون سه فاز نیز اطلاق می شود

باید دانست در حالت بی باری یعنی در حالتی که بار به پایانه های استاتور وصل نباشد ، در اینصورت Ef معادل ولتاژ پایانه ژنراتور است که م یتوان انرا با ولت متر اندازه گیری نمود . بهمین دلیل به مشخصه شکل 6-5 مشخصه مدار باز یا OCC اطلاق می شود .

نام دیگر این منحنی مشخصه مغناطیس شوندگی است . اگر در شکل 3 و 6-1 پایانه های استاتور ژنراتور سنکرون به بار سه فاز متصل شود جریان های Ic , Ib , Ia برقرار می گردد فرکانس این جریان ها با Ef یکسان است . این سه جریان نیز میدان گردان در شکاف هوائی پدید می اورند .

لذا متجه شار در شکاف هوائی از مجموع دو شار گردان رتور و استاتور حاصل می گردد . اید دانست سرعت چرخش این دو شار یکسان بوده و همان سرعت سنکرون است رابطه 6-1 . گیریم Ff شار حاصله توسط جراین تحریک If و Fa بخاطر جریان استاتور Ia حاصل شود . به Fa شار عکس العمل آرمیچر نیز گفتهمی شود . پس :

شار منتجه رد شکاف هوائی ( از اشباع صرفنظر شده است ) Fr=Ff+Fa=

باید دانست سرعت دوران هر سه شار فوق الذکر در شکاف هوائی همان سرعت سنکرون است ( رابطه 6-1) شکل 6-6 نمودار فازوری فضایی این سه شار را نشان می دهد .

 mmf مربوط به رتور Ff که در اثر جریان تحریک If حاصل می شود شار Ff  را تولید می کند و همگی در یک امتداد  نشان داده شده اند . ولتاژ تحریک Ef بخاطر اصل فاراده از Ff بمیزان 90 درجه عقب می افتد . گیریم جریان استاتور  Ia از Ef بمیزان q درجه عقب باشد . mmf مربوط به Ia که با Fa نشان داده می شود شار Fa را تولید می کند و همگی در امتداد Ia در شکل 6-6 نشان داده شده اند . mmf منتجه یا Fr بقرار زیر است :

Fr=Ff+Fa

اگر از اشبع صرفنظر شود در اینصورت Fr نیز منتجه Ff و Fa خواهد بود و باید دانست Fr را همان Fr تولید می نماید . در قسمتهای بعدی درباره رابطه mmf ها و شارها بیشتر صحبت می شود .