مقدمه
امروزه ماشین های الکتریکی نقش اساسی در صنعت ایفا می کنند و بنابراین به عنوان یکی از دروس مهم مهندسی برق در دانشگاه های دنیا مطرح می باشند. متاسفانه بیشتر دانشجویان مهندسی برق به دلیل استفاده از فقط یک مرجع برای این درس و دید تک بعدی به ماشین های الکتریکی که همان دید مداری محض(KVL وKCL) است؛ همواره دارای ضعف اساسی در این درس می باشند.اولین ماشین های الکتریکی دوار که یک دانشجوی مهندسی برق با آنها آشنا می شود ماشین های DC هستند؛. لذا زیر بنای فهم دانشجویان از اصول اساسی ماشین های الکتریکی گردان در همین نوع ماشین ها شکل می گیرد و چه بسا در صورت عدم فهم مناسب ماشین های DC ،دانشجو با سایر ماشین های دواری که بعداً با آنها مواجه می شود(نظیر موتور های القایی سه فاز،ژنراتور های سنکرون سه فاز،موتور های القایی تک فاز و ماشین های مخصوص)قطعاً دچار اشکال می گردد و نخواهد توانست دید مهندسی خوبی را نسبت به ماشین های الکتریکی ،پیدا کند. من با توجه به مطالعه تعداد زیادی کتاب راجع به ماشین های الکتریکی و چند ترم تدریس این درس (به صورت TA در خدمت چند تن از اساتید محترم دانشکده برق دانشگاه صنعتی شریف) توانستم ضعف دانشجویان را در این درس ریشه یابی کنم ؛که همان طور در بالا اشاره شد نگاه یک چشمی به ماشین های الکتریکی به عنوان مدار های الکتریکی است.در حالی که می دانیم موتور ها و ژنراتور های الکتریکی به عنوان مبدل انرژی الکتریکی به مکانیکی و بالعکس هستند و این تبدیل انرژی تنها در سایه پدیده های الکترو مغناطیسی صورت خواهد گرفت.از همین بیان می توان نتیجه گرفت که روشی که ماشین های الکتریکی را مورد تجزیه و تحلیل قرار می دهیم ترکیبی از سه دیدگاه زیر است: 1)دیدگاه الکترومغناطیسی:محاسبات mmf و نیروهای الکترومغناطیسی و میدان های مغناطیسی. 2)دیدگاه مکانیکی:محاسبات گشتاور-سرعت و اعمال فرم زاویه ای قانون دوم نیوتن برای تجزیه و تحلیل حالت های گذرای ماشین های DC به صورت معادله دیفرانسیل معمولی رسته دوم 3)دیدگاه مداری:به دست آوردن مدار معادل الکتریکی ماشین های الکتریکی ومحاسبات ولتاژ و جریان پایانه ای ژنراتورها و جریانی که موتور از شبکه DC یاAC می کشدو مثلاً ضریب قدرت ورودی یک موتور AC که گفتیم این تنها دیدگاه دانشجویان نسبت به ماشین های الکتریکی است. کتابی که پیش رو دارید در 8 فصل و از سه دیدگاه فوق به سبک استدلالی دقیق ماشین های DC را تجزیه و تحلیل می کند. با توجه به این موضوع که گرایش اصلی من مخابرات میدان (الکترومغناطیس) می باشد لذا سعی کردم دیدگاه الکترومغناطیسی روشنی از ماشین های DC ارائه دهم این موضوع در سرتاسر این کتاب به چشم می خورد (مثلاً در فصل پنجم اثبات دقیق الکترومغناطیسی این حقیقت که توزیع mmf روتور یک ماشین DC یک شکل موج شبه مثلثی است آورده شده است که در هیچ یک از مراجع معتبر درس ماشین های الکتریکی مطرح نشده است). مهم ترین نکته برجسته این کتاب زبان ساده به کار گرفته شده و تعدد شکل های واضح در آن است اما در عین حال سعی شده کلیه مطالب درسی مربوطه به طور کامل پوشش داده شوند.همچنین در این کتاب سیم پیچی موجی یک ژنراتور DC و شکل موج ولتاژ تولیدی آن در فصل سوم تجزیه و تحلیل شده که این مساله همیشه به عنوان یک مساله بی جواب در کلاس های درس دانشکده برق بین دانشجویان تیزبین مطرح بود و در هیچ یک از مراجع درس ماشین بدان اشاره ای نشده است(فقط به ذکر فرمول تعداد مسیر های موازی جریان برابر 2 است بسنده کرده اند).حال من به کمک نرم افزار Mechanical Desktop روتور 18 شیاری با سیم پیچی موجی را 5 درجه،5درجه چرخانده ام و ولتاژ پایانه ای آن را به صورت تابعی از زمان درآوردم. با آرزوی موفقیت برای همه مهندسان برق ایرانی ژنراتورها وموتورهای الکتریکی : مقدمه: ژنراتورها و موتورهای الکتریکی گروه از وسایل استفاده شده جهت تبدیل انرژی مکانیکی به انرژی الکتریکی یا برعکس . توسط وسایل الکترومغناطیس هستند . یک ماشینی که انرژی الکتریکی به مکانیکی تبدیل می کند موتورنام دارد وماشینی که انرژی مکانیکی را به انرژی الکتریکی تبدیل می کند ژنراتور یا آلترناتور یامتناوب کننده یا دینام نامیده می شود . دو اصل فیزیکی مرتبط با عملکردموتورهاوژنراتور ها اولین اصل فیزیکی اصل القایی الکترومغناطیسی کشف شده توسط مایکل فارادی دانشمند بریتانیایی است. اگر یک هادی در میان یک میدان مغناطیسی حرکت کند یا اگر طول یک حلقه ی القایی ساکنی جهت تغییر استفاده شود. یک جریان ایجاد می شود یا القا می شود در کنتاکنتور بحث این اصل این است که در مورد واکنش الکترومغناطیسی بحث می کند و این که این واکنش در ابتدا توسط آندر مری آمپر در سال 1820 که دانشمند فرانسوی است کشف شد.اگر یک جریان از میان یک کنتاکتور که در میدان مغناطیسی قرار گرفتند عبور کند . میدان نیروی مکانیکی بر آن وارد می کند . ساده ترین ماشینی های دیناموالکتریک دیسک دینامیکی است که توسعه یافته توسط افرادی است که آن شامل یک صفحه ی مسی پیچیده شده است. که این پیچش از مرکز تالبه وجود دارد .و بین قطبهای یک آهنربای سمبر اسبی است . وقتی دیسک می چرخد یک جریان بین مرکز دیسک ولبه ی آن توسط عملکرد میدان آهنربا القا می شود که دیسک یا صفحه میتواند ساخته شود. جهت عمل کردن به عنوان یک موتور توسط بکار بردن یک ولتاژ بین لبه ی دیسک و مرکزش که این به علت چرخش دیسک به دنده بدلیل نیروی تولید شده توسط واکنش مغناطیس است . میدان مغناطیسی آهن ربای دائم به اندازه ی کافی برای کار کردن کافی است . که حتی به عنوان یک موتور یا دینام کوچک بکار می رود ( کار می کند). در نتیجه برای ماشین های بزرگتر آهنربای بزرگتری بکار می رود. هم موتور ها وهم ژنراتورها دارای دو اصل هستند : قسمتها ومیدان که آهنربای الکترومغناطیسی با سیم پیچ هایش و آرمیچر و ساختاری که از کنتاکتور حمایت می کند و کار قطع میدان مغناطیسی وحمل جریان القا شده ژنراتور یا جریان ناگهانی به موتور را دارد است. آرمیچر معموﻸ هسته ی نرم آهنی اطراف سیم های القایی که دور سیم پیچ ها پیچیده شده اند است. موتور های AC: دو نوع اساسی موتور ها طراحی شده اند برای عمل کردن بر روی جریان متناوب پولی فاز موتور های سنکرون و موتور های القایی موتور های سنکرون اساسآ یک تناوب گر(آلترناتور) سه فاز است که بصورت معکوس کار می کند. آهنربا های میدان روی رتور پیچیده شده اند توسط جریان مستقیم تحریک شده اند و سیم پیچ آرمیچر به سه قسمت تقسیم می شود و با جریان متناوب سه فاز تغذیه می شوند . تغییر موج های سه فاز جریاندر آرمیچر واکنش متغییر مغناطیس را با قطبهای آهنربا های میدان سبب می شوند. و چرخش میدان با یک سرعت ثابت که ای سرعت ثابت توسط فرکانس جریان در خط قدرت AC تعیین می شود را سبب می گردند سرعت موتور سنکرون در وسایل خاصی سودمند است. همچنین در کاربدهایی که بار مکانیکی روی موتور خیلی زیاد می شود و نیز موتور های سنکرون نمی توانند استفاده شوند. بخاطر اینکه اگر موتور سرعتش کاسته شود تحت بار آن یک مرحله عقب می ماند . در واقع یک پله کاسته می شود با فرکانس جریان و منجر به توقف موتور می شود موتور های سنکرون می توانند ساخته شوند برای عملکرد از یک منبع قدرت تک فاز توسط با شاکل شدن عناصر مدار مناسب که یک میدان مغناطیسی چرخش را سبب می شود ساده ترین موتور های الکتریکی نوع قفس سنجابی موتور های القایی استفاده شده باید یک تغذیه سه فاز می باشد استاتور یا ارمیچر ساکن از موتور قفس سنجابی شامل سه سیم پیچ ثابت مشابه با آرمیچر موتور سنکرون می باشد عصر چرخشی متشکل از یک هسته: در قسمتی که یک سری از کنتاکتور ها سنگین نظم داده ومنظم شده اند وقرار گرفته اند بصورت یک دایره در اطراف شافت (میله) و موازی با آن برداشتنی هستند کنتاکتور های روتور به شکل قفسه ای استوانه ای و مشابه به ان استفاده می شوند بصورت سنجابی (کار می کنند) جریان سه فاز در سیم پیچ های استاتور جاری می شوند و یک میدان مغناطیسی چرخشی تولید می کند. این میدان یک جریان در کنتاکتور های نوع قفسه ای القا می کند . واکنش مغناطیسی بین میدان چرخشی و کنتاکتور های حامل جریان روتور روتور را به حرکت در می اورند. اگر روتور دقیقآ با سرعت یکسانی به مانند میدان مغناطیسی بچرخد هیچ جریانی در آن القا نخواهد شد. و از این رو روتور با سرعت سنکرون نباید به حرکت دراید. در عمل سرعتهای چرخش روتور و میدان در حدود 2 تا 5 درصد با هم تفاوت دارند. این تفا وت سرعت بعنوان لغزش معروف است. متور ها با روتور های قفس سنجابی می توانند استفاده شوند روی جریان متناوب تکفاز بوسیله نظم های مختلفی از القا و ظرفیت و بر اساس این دو مورد که ولتاژ تکفاز را اصلاح می کند و تغییر می دهد و آن را به ولتاژ فاز تبدیل می کند چنین موتور هایی بعنوان موتور های فاز شکاف (Spelat Phase) مشخص و معروفند یا موتور های تعدیل کننده یا کند از سر(متور های خازنی) بر اساس نظم و ترتیب آن ها استفاده می شوند. موتور های قفس سنجابی تکفاز گشتاور شروع(راه اندازی) زیادی ندارند. و برای به کار انداختن در حالی که گشتاور زیاد است موتور های خنثی القایی استفاده می شود . یک موتور خنثی القایی ممکن است از نوع فاز شکاف باشد. یا از نوع تعدیل کننده اما یک سوئیچ یا اتو ماتیک یا دستی دارد که اجازه می دهد جریان بین جاروبک های کموتاتور وقتی موتور شروع به حرکت می کند. جاری شود و اتصالات کوتاه همه اجزای کموتاتور بعد از اینکه موتور به یک سرعت تقسیم می شوند . موتور های دفع القایی یا خنثی القایی به ای خاطر نامیده شده اند . که گشتاور راه اندازیشان وابسته است به دفع بین روتور و استاتور و گشتاورشان در زمان راه اندازی وابسته است به القا موتورهای سیم پیچی شده ی سری با کموتاتور ها که بر روی جریان متناوب با جریان مستقیم عمل می کنند. موتور های یونیورسال نامیده می شوند. آن ها معمولآ فقط در اندازه های کوچک ساخته می شوند و معمولآ در مصارف خانگی کاربرد دارند. آلتر ناتور های جریان متناوب(AC)(آلتر ناتور ها) ژنراتوها: همانتور که در بالا گفته شد یک ژنراتور ساده بدون کموتاتور تولید خواهد کرد که یک جریان الکتریکی که متناوب می شوند.در مسیر همانطور که آرمیچر می چرخد چنین جریان متناوبی مزیت زیادی دارد . برای اتقال توان الکتریکی و از این رو بشترین ژنراتور های اللتریکی بزرگ از نوع AC هستند.در ساده ترین شکلش یک ژنراتور AC فقط در دو حالت خاص فرق می کند با ژنراتور DC پایانه های سیم پیچ آرمیچرش بیرون هستند. برای حلقه های لغزان جزئی شده جامد روی شافت(میله)ژنراتو بجای کموتاتور و سیم پیچ های میذان توسط یک منبع DC خارجی تغذیه انرژی می شوند. تا اینکه توسط خود ژنراتور این کار انجام می شود. ژنراتور های AC سرعت پایینی با تعداد زیادی در حدود 100 قطب ساخته می شوند