تحقیق مقاله موتور های سه فاز

مقدمه:
 

در نیروگاه های برق یک ژنراتور الکتریکی توان مکانیکی را به یک دسته از جریان های الکتریکی متناوب تبدیل می کند که از هر کدام از سیم پیچ های الکترومغناطیسی یا سیم پیچ های ژنراتور تولید می شوند. جریان ها همگی توابعی سینوسی از زمان هستند و همگی دارای فرکانسی مشابه اما با زاویه های فاز متفاوت.
در یک سیستم سه فاز، زاویه ها دارای اختلاف 120 درجه ای (که حداکثر جداسازی ممکن بین زاویه هاست) هستند. فرکانس معمولاً در اروپا 50 هرتز و در ایالات متحده 60 هرتز است لیست کشورها به همراه پریزهای خطوط برق، ولتاژ ها و فرکانس ها را مشاهده کنید.) سه فاز معمولاً توسط رنگ ها نشانه گذاری شده اند، که به طور سنتی قرمز، زرد و آبی هستند.

خروجی ولتاژ ژنراتورها از چند صد ولت تا بالای 20000 ولت تغییر می کند. این ولتاژ معمولاً توسط یک ترانسفورماتور به یک سطح ولتاژ بالاتری تبدیل می شود. علت این افزایش ولتاژ هم کاهش تلفات است. توان برابر حاصلضرب ولتاژ و جریان است، بنابراین برای یک توان داده شده اگر شما ولتاژ را افزایش دهید جریان کاهش می یابد. تلفات گرمایی در یک خط انتقال با مجذور جریان متناسب است و در نتیجه اگر شما جریان را نصف کنید، تلفات یک چهارم می شود. به همین علت برخی از خطوط انتقال در سطح ولتاژی بیش از 500،000 ولت کار می کنند.
 

در انتهای خط انتقال، یک پست برق یا یک ترانسفورماتور، برق را از ولتاژ زیاد خطوط انتقال به سه جریان متغیر سینوسی با ولتاژ 120 ولت (در ایالات متحده) یا 230 ولت (در اروپا) جریان متناوب (Vac) تبدیل می کند. سپس این برق از طریق چهار سیم به مدارات مصرف کننده ها در یک تابلوی فرمان اصلی، ارائه می شود. یکی از سیم ها خنثی است یا در منبع برق زمین شده است، فازها یا سه خط دیگر، برق را به نقطه مقصد یا ترانسفورماتورهای تغذیه می رسانند. با برقراری اتصال بین یک فاز و سیم خنثی، ولتاژی معادل 120 ولت متناوب (یا 230 ولت متناوب) برای مدار متصل شده فراهم می شود.

شبکه انتقال توان به گونه ای طراحی شده است که هر فاز اندازه جریانی برابر را از خود عبور دهد، همه جریان های برگشتی از مناطق مسکونی مصرف کننده ها به نیروگاه، در جریان سیم خنثی سهیم هستند، اما سیستم سه فاز تضمین می کند که جمع جریان های برگشتی تقریباً صفر است.
 

اتصال بین دو فاز ولتاژی معادل 3√ یا 73/1 برابر ولتاژ تک فاز را ایجاد می کند (208 ولت متناوب در ایالات متحده، 400 ولت متناوب در اروپا). شکل موج های دارای اختلاف فاز، با یکدیگر جمع می شوند تا یک پیک ولتاژی بالاتری را در شکل موج نهایی ایجاد کنند. چنین اتصالی را اتصال خط به خط می نامند و معمولاً با یک مدار شکن دو قطب صورت می گیرد. از این نوع اتصال بیشتر برای گرمکن ها مانند یک گرمکن قرنیزی 2 کیلو وات و 208 ولت، استفاده می کنند.
 

ولتاژهای استاندارد دیگر موجود در آمریکای شمالی شامل ولتاژهای 240 ولت فاز به فاز، 277/480 ولت و 347/600 ولت می شود. ولتاژ فاز به زمین (سطح ولتاژ پایین تر) دو مورد آخر عموماً تنها برای روشنایی به کار می رود. ولتاژ 600 ولت در کانادا بسیار بیشتر از آمریکا، معمول است.
 

در موتورهای سه فاز یا هواسازهای کارا (برای مثال اکثر بخش های York که بالای 5/2 تن هستند، سه فاز اند) هر سه فاز برق مورد استفاده قرار می گیرد چرا که این بهترین راه انتقال مقادیر بزرگ توان الکتریکی است. گفتنی است که راه اندازی موتور، توان بیشتری را نیاز دارد.
 

برخی دستگاه هایی ساخته شده اند که یک سه فاز مصنوعی را از یک برق تک فاز تپ وسط (240 ولت متناوب در ایلات متحده، با تفکیک زاویه 180 درجه) ایجاد می کنند. این عمل با ایجاد یک "زیر فاز" سوم بین دو قطب انجام می شود که منجر به یک تفکیک فاز 90=90-180 درجه ای می شود. بسیاری از دستگاه های سه فاز بر این اساس کار می کنند، اما با یک فرکانس پایین تر.
 

برخی اوقات برق تک فاز تپ وسط240 ولت متناوب، به غلط برق "دو فاز" خوانده می شود. باید توجه شود که یک سیستم دو فاز سیستمی است که در آن دو ولتاژ دارای اختلاف 90 درجه ای هستند. برای مثال، اگر یکی از ولتاژها برابر
Cos 2п) * 60t)
و دیگری
sin 2п) * 60t)
است، آنگاه شما یک سیستم دو فاز دارید که به عنوان سیستم عمود (یکی به عنوان بخش حقیقی و دیگری به عنوان بخش موهومی در نظر گرفته می شود) نیز شناخته می شود. یک سیستم دو فاز به ازای 120 ولت متناوب خط به خنثی تقریباً ولتاژی معادل 7/169 ولت متناوب خط به خط را ایجاد می کند.

سیستم های دو فاز تنها برای توان بالا به کار می روند چرا که آنها نیاز به سیم هایی به همان تعداد سیم ها ی ارتباطی اتصال مثلث سه فاز دارند (برای مثال یکی برای سینوس، یکی برای کسینوس و یک سیم مشترک) و نیز سیستم دو فاز مقدار انرژی یکسان را در هر یک از سه سیم توزیع نمی کند (اگر چه سینوس و کسینوس متعادل اند، اما سیم خنثی مانند دو تای دیگر نیست). گفته می شود که یک سیستم دو فاز توان مختلط ایجاد می کند و چنین سیستم هایی در ولتاژهای پایین تر به کار می روند (برای مثال برای کاربردهای ارتباطی، یا راه انداختن موتورهای پله ای و مانند این) و عموماً در سطح توان های بالا توزیع نشده اند.
 

در عمل، اگر ما فازورهای یک سیستم دو فاز یا سه فاز را حول دایره واحد در صفحه مختلط رسم کنیم، دارای یک نوع از توان مختلط خواهیم بود.

یک سیستم فاز شکسته (تپ وسط) 240 ولت متناوب، وقتی که به صورت فازورها روی صفحه مختلط رسم شود، می تواند کاملاً در طول محور حقیقی وجود داشته باشد. در واقع، این کمبود قابلیت توان مختلط است که توانایی یک سیستم تغذیه را برای تولید یک میدان دوار مغناطیسی تضعیف می کند و این میدان دوار مغناطیسی است که موجب گردش موثر موتورها می شود. چنین برقی (فاز شکسته) برای گرمایش خوب است، اما مثلاً برای گرداندن یک هوا ساز خیلی بهتر است تا از توان مختلط استفاده کنیم.

چگونه تغذیه سه فاز را امتحان کنیم

یک تغذیه سه فاز الکتریکی شامل سه هادی فعال و یک زمین می شود.
اگر که تغذیه الکتریکی یک موتور القایی سه فاز بین پارامترهای معینی نباشد، نمی تواند به درستی کار کند. این پارامترهای نوعی مانند مقابل اند: 208 یا 415 ولت بین فازها، 120 یا 240 ولت بین هر فاز و زمین، خطای ولتاژ کمتر از 12 درصد مقادیر نامی و اختلاف ولتاژ هر فاز کمتر از 5 درصد فاز دیگر.

در یک مدار موتور القایی سه فاز نوعی، یک مکان مناسب برای آزمایش در طرف خط راه انداز مستقیم موتور است.

چگونه دستگاه ها ی سه فاز را امتحان کنیم

دستگاه های سه فاز نظیر پمپ ها، کمپرسورها، و ... بایستی فازهایشان به ترتیب درستی وصل شود تا از خرابی آنها جلوگیری شود. این دستگاه ها عموماً هنگامی که به اشتباه وصل شوند جریان کمتری را می کشند و می توانند به آسانی توسط یک آمپروب (گیره روی آمپر متر) برای میزان جریانی که از شبکه می کشند امتحان شوند.
برای مثال آزمایش یک هوا ساز که دارای یک کمپرسور است، می توان فهمید که اگر این وسیله به صورت غلطی به برق سه فاز متصل شود، جریان بسیار کمی را خواهد کشید و بنابراین جای هر کدام از دو سیم برق را می توان برای تغییر فازها عوض کرد.

موتورهای جیبی کوچکی وجود دارند که از جهت چرخش آنها می توان برای تشخیص توالی فازها استفاده کرد. این موتورها گران هستند. یک جایگزین ارزا نتر استفاده از سه لامپ نئون و دیدن اینکه توالی فاز یا روشن شدن لامپ ها در چه جهتی می چرخد، است.

موضوعاتی شامل آزمایش مقاومت سیم پیچ موتور و آزمایش مقاومت خطای زمین بیان شده اند.
برای اطلاعات بیشتر راجع به مدارات سه فاز کلید واژه زیر را مشاهده کنید:

ترانسفورماتورهای ستاره مثلث

پریزهای الکتریکی سه فاز

برق سه فاز را می توان با استفاده از یک پریز سه فاز یا با سه تایی کردن، تغذیه کرد. اغلب پریزها، پریزهای دوتایی اند. حفره های بالایی و پایینی را می توان در صورت تمایل از هم جدا کرد و برای مثال با مدار شکن های مجزایی با یک نول مشترک تغذیه شوند. این کار را معمولاً در آشپزخانه ها انجام می دهند که در آنها احتمالاً یک بار زیاد روی هر دو پریز اعمال می شود. در این صورت یک مدار شکن دو قطب تریپ (قطع کننده) مورد نیاز است.

ایده دو برابر کردن را می توان به سه برابر کردن گسترش داد، تا اینکه سه پریز دوگانه را بتوان با یک نول مشترک از یک منبع سه فاز تغذیه کرد. عموماً یک مدار شکن سه قطب تریپ عمومی 15 میلی آمپر برای تغذیه چنین پریزی به کار می رود. این امر بارهای سه فاز تکی را قادر می سازد تا به صورت یک توالی فازی تغذیه شوند.
مثالی از این بار یک لامپ با سه حباب است. برای داشتن عملکردی بدون چشمک زنی، سه حباب هر کدام با یک دوشاخه جدا نصب می شوند و با اختلاف فاز 120 درجه ای نسبت به هم از یک پریز سه تایی راه اندازی می شوند. بالای پریزها همان گونه که در شکل نشان داده شده، لامپ های نئون قرار داده شده تا توالی فاز را در بارهای سه تایی که توالی صحیح فازها مورد نیاز است نشان دهد.

موتورهای القایی                                                              

موتورهای القایی بخصوص موتورهای قفس سنجابی مزایای نسبت به موتورهای dc دارند. از مواردی نظیر نیاز به نگهدارندی کمتر ، قابلیت اطمینان بالاتر ، هزینه ، وزن ، حجم واینرسی کمتر ، راندمان بیشتر ، قابلیت عملکرد در محیط های با گرد غبار و در محیط های قابل انفجار را می توان نام برد . مشکل اصلی موتورهای dc  وجود کمو تا تور و جاروبک است ، که نگهداری زیاد و پر هزینه و نا مناسب بودن عملکرد موتور در محیط های با گرد و غبار بالا و قابل انفجار را بدنبال دارد. با توجه به مزایای فوق در تمامی کار بردها ، موتور های القایی بطور وسیع بر سایر موتورهای الکتریکی ترجیح داده می شوند . با اینحال تا چندی پیش از موتورهای القایی فقط در کاربردهای سرعت ثابت استفاده شده است و در کار بردهای سرعت متغیر موتورهای dc ترجیح داده شده اند . این امر ناشی از آنست که روشهای مرسوم در کنترل سرعت موتورهای القایی هم غیر اقتصادی و هم دارای راندمان کم بوده است.

با بهبود در قابلیت ها و کاهش در هزینه تریستور ها واخیرا در ترانزیستورها ی قدرت و GTO ها امکان ساخت محرکه های  سرعت متغیر بااستفاده از موتورهای القایی بوجود آمده است که در  برخی موارد حتی از نظر هزینه و عملکرد از محرکه های با موتور dc نیز پیشی گرفته اند . در نتیجه  این  پیشرفتها ، محرکه های موتورهای القایی در برخی کار بردهای سرعت متغیر بجای محرکه های dc مورد استفاده قرار گرفته اند . پیش بینی می شود در آینده موتور های القایی بطور گسترده در  محرکه های سرعت متغیر مورد استفاده قرار خواهند گرفت .

 عملکرد موتورهای القایی سه فاز

یک موتر القایی درای یک سیم پیچی متعادل سه فاز بر روی استاتور است . رتور یک موتور القایی از نوع رتورسیم بندی شده شامل یک سیم پیچ متعادل سه فاز با تعداد قطبهای یکسان با استا تور است . رتور یک موتور قفس سنجابی هادیهایی دارد مه توسط حلقه ها ی انتهایی اتصال کوتاه شده اند .در اثر پدیده القاء ولتاژی در رتور با تعداد فاز و قطب یکسان با سیم بندیهای استاتور بوجود می آید .

زمانی که سیم بندی استاتور با یک منبع سع فاز با فرکانس  (رادیان بر ثانیه ) تغذیه می شود، میدان گردانی با سرعت سنکرون  ( رایان بر ثانیه ) ایجاد می شود که

(5-1 )                  تعداد  قطب هاp=      و           

      اگر سرعت رتور  (رادیان بر ثانیه ) باشد ، در این صورت سرعتی نسبی بین میدان گردان استاتور و رتور عبارتست از :

(5-2 )             

که  سرعت لغزش نامیده می شود . لغزش s از رابطه زیر بدست می آید .

(5-3)                        

بنا بر این

(5-4)                

به علت وجود سرعت نسبی بین میدان گردان  استاتور و رتور یک ولتاژ سه فاز متعادل در سیم بندد یهای رتور القا ء می شود که فر کانس آن متناسب با سرعت لغزش موتور است. بنا براین ،

(5-5)                  rad/sce      

که    فرکانس رتور بر حسب رادیان بر ثانیه است. برای کوچکتر از   سرعت نبی مثبت است . درنتیجه توالی ولتاژ رتور همانند توالی ولتاژ استا تور است . عبور جریان سه فاز در رتور باعث ایجا میدانی گردانی می شود که نسبت به رتور با سرعت لغزش  و هم جهت با گردش رتور دوران می کند . در نتیجه سرعت میدان گردان رتور به استاتور ( مرجع ساکن ) با سرعت میدان گردان استا تور رابر خواهد شد . لذا گشتاور حالت ماندگار ایجاد شده که مقدار آن عبارت زیر بدست می آید .

                                   T=-                                    (5-6)

که     شار فاصله هوایی درقطب بر حسب وبر  حداکثر MMF رتور بر حسب آمپر دور و  زاویه گشتاور یا اختلاف فاز میان MMF رتور و MMF فاصله هوایی برای سرعتهای   کوچکتر از  میدان های رتور و استا تور نسبت به هم ساکن باقی می مانند و گشتاور حالت دائمی ایجاد می شود . برای  سرعت نسبی بین میدان استا تور و رتور صفر می شود . در نتیجه ولتاژی در رتور القاء نمی شود و گشتاورخروجی صفر است .

برای         سرعت نسبی میدان رتور و استا تور عکس می شود . در نتیجه جهت ولتاژ ها و جریانها ی القایی رتور نیز عکس می شوند و توالی فاز آنهابا استا تور نیز مخالف خواهد شد . جریان سه فاز القایی رتور میدان گردانی در جهت عکس حرکت رتور با سرعت  ایجاد می کند . بنا بر این در اینجانیز سرعت میدان رتور نسبت به میدان استا تور صفر می شود و در نتیجه گشتاور حالت دائمی ایجاد می شود . از آنجایی که جهت جریان رتور معکوس شده علامت گشتاور منفی می شود و ماشین در حالت ژنراتوری قرار می گیرد . از حالت ژنراتوری برای ایجاد شرایط ترمز ژنراتوری استفاده می‌شود .

(تصاویر و فرمول ها در فایل اصلی موجود است)