تحقیق مقاله ماشین DC

مقدمه

ماشین DC  دارای قابلیت انعطاف زیادی است و میتوان با اتصالات مختلف مدتر تحریک آن به مشخصه های گوناگون گشتاور و سرعت و ولتاژ جریان دست یافت.

از ماشینهای dc می توانیم به صورت موتور یا ژنراتور بهره برداری کرد. اما امروزه برای ایجاد برق dc از سیستمهای یکسو ساز الکترونیک قدرت استفاده می شود لذا ژنراتورهای dc رفته رفته جای خود را در صنعت از دست می دهند. در حالیکه موتورهای dc به خاطر امکان کنترل سرعت خوب کاربرد فراوانی دارند

امروزه همچنان موتورهای dc بزرگ در صنایع نورد، نساجی،چاپ، جرثقیل سازی کاربرد فراوان دارند موتورهای dc کوچک هم در سیستمهای کنترل به وفور یافت می شوند. که می توان از تاکومتر(سرعت سنج) نام برد.

ماشین های الکتریکی از دو بخش اساسی تشکیل شده اند:

الف)قسمت متحرک ودوار به نام رتور

ب) قسمت ساکن به نام استاتور

بین این دو قسمت ،شکاف هوایی وجود دارد .

استاتو و رتور از مواد فرومغناطیسی ساخته می‌شوند تا چگالی شار بیشتر گردد و در نتیجه اندازه و حجم ماشین کمتر شود.

نکته: اگر شار در رتور و استاتور متغیر با زمان باشد ،هسته اهنی لایه‌به‌لایه ساخته می‌شود تا جریان گردابی کاهش یابد.

در بسیاری از ماشینها محیط داخلی استاتور و محیط بیرونی رتور حاوی شیارهای متعددی است که داخل آنها هادی‌ها جاسازی میشوند، این هادیها بهم وصل می شوند و سیم پیچی حاصل می شود.به سیم پیچی هایی که در آنها ولتاژ القا می شود ،سیم پیچی آرمیچر اطلاق می گردد. به سیم پیچ هایسی که ار آنها جریان میگذرد تا میدان مغناطیسی و شار اصلی را پدید آورند، سیم پیچ تحریک یا سیم پیچ میدان گفته می شود.

سیم پیچ آرمیچر تامین کننده تمام قدرتی است که تبدیل شده و یا انتقال می یابد. قدرت نامی سیم پیچ آرمیچر،‌هم در ماشین های DC و هم در ماشین های AC فقط با جریان متناوب کارمی کند

1-   ماشین جریان مستقیم

2-  ماشین القایی

3-  ماشین سنکرون

ماشین جریان مستقیم   :(DC)

در ماشینهای DCسیم پیچ تحریک بر روی استاتور قرار دارد و رتور حاوی سیم پیچ آرمیچیر است. از سیم پیچی تحریک جریان DC می گذرد تا شار درون ماشین شکل گیرد.

ولتاژ القا شده در سیم پیچی آرمیچر یک ولتلژ متناوب است برای یکسو کردن ولتاژ متناوب در پایانه رتور  از کموتاتور و جاروبک استفاده می شود. استاتور می تواند بگونه ای باشد که سیم پیچ تحریک بیش از دو قطب ایجاد نماید.

نکته: می توان یک ماشین DC را معادل یک ماشین AC دانست که یکسو کننده مکانیکی به آن اضافه شده است.سیم پسچ تحریک فقط یک میدان مغناطیسی برای ما ایجاد میکند

1- ژنراتورهای  ( مولد ) DC

2- موتورهای DC

انواع ژنراتورهای DC :

1-مولد DC  با تحریک جداگانه :

 سیم پیچ میدان این ژنراتور به وسیله یک منبع ولتاژ مستقل تحریک میشود.

این ژنراتور هنگامیکه یک حوزه وسیعی از تغییرات ولتاژ خروجی مورد نیاز باشد استفاده میشود.

کاربرد : بدلیل قابلیت تنظیم ولتاژ در محدوده وسیع در تنظیم دور موتورها وتحریک مولدهای بزرگ در نیروگاهها مورد استفاده قرار میگیرد.

2-مولد شنت :

سیم پیچ میدان با سیم پیچ آرمیچر موازی بسته میشودو به همین دلیل به آن سیم پیچ شنت یا موازی میگویند. تعداد حلقه های سیم پیچ شنت بسیار زیاد است و جریان این سیم پیچ کم حدود 5 درصد جریان اسمی آرمیچر میباشد. ( جریان باید کم باشد تا در جریان اصلی اثر کمی بگذارد.)

کاربرد: از این مولد  در شارژ باطری ها و تامین برق روشنایی اضطراری و تغذیه سیم پیچ مولد های نیروگاهی استفاده می شود.

۳- مولد سری: که سیم پیچ میدان (سیم پیچ سری تحریک) با سیم پیچ آرمیچر سری بسته می شود. سیم پیچ سری دارای تعداد حلقه های کمتر بوده ولی جریان عبوری آن نسبتاُ زیاد است.(زیرا جریان آن همان جریان اصلی است) تا معادل mmf سیم پیچ شنت تولید شود.

کاربرد مولد سری :

  بدلیل داشتن گشتاور راه اندازی زیاد در وسایل حمل و نقل مانند مترو و جرثتقیلهای برقی استفاده میشود.

4-مولد کمپوند :

اگر از هر دو سیم پیچ شنت وسری جهت تحدیک مولد استفاده شود، مولد DC  یا کمپوند میگویند ، که دارای دو نوع کمپوند اضافی و نقصانی میباشند.

کمپوند اضافی :

اگر نیرو محرکه مغناطیسی سیم پیچ سری ، نیرو محرکه مغناطیسی سیم پیچ شنت را تحریک کند، مولد کمپوند اضافی گویند. که دارای دو نوع شنت بلند و شنت کوتاه میباشد

مولد کمپوند اضافی بسته به تعداد دورهای سیم پیچ سری میتواند یکی از سه حالت زیر باشد :

الف) فوق کمپوند : (تعداد دهر سیم پیچ سری زیاد است) در مواردی استفاده میشود که بایستی ولتاژ بار ثابت باشد. ولی به علت وجود فاصله بین مولد و مصرف کننده در سیمها افت ولتاژ به وجود می آید. در این حالت افزایش ولتاژ خروجی مولد، افت ولتاژ خط را جبران میکند و به مصرف کننده ولتاژ ثابت میرسد.

ب)تخت : نیروی محرکه مغناطیسی سیم پیچ سری و موازی با هم برابر بوده و جایی استفاده میشود که نیاز به ولتاژ ثابتی باشدو فاصله بین مولد و مصرف کننده کم باشد

ج)زیر کمپوند : اثر آمپر دور سیم پیچ سری ناچیز می باشد(به علت تعداد دور کم سیم پیچ سری) و در تحریک مولد های نیروگاهی نقش موثری دراد

کمپوند نقصانی :

کمپوند نقصانی هنگامی که شار سیم پیچ سری باعث کاهش و نقصان اثر شار سیم پیچ شنت شود و در  جوشکاری قوس الکتریکی استفاده می شود.

تذکر : کمپوند نقصانی و کمپوند اضافی دارای دو نوع شنت بلن و شنت کوتاه می باشند

که اگر سیم پیچ سری با سیم پیچ ارمیچر با هم سری بسته شوند شنت بلند گفته و اگر سیم پیچ شنت با سیم پیچ ارمیچر موازی قرار گیرد شنت کوتاه می گویند

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.

ماشین های الکتریکی سازه های مرکبی هستند که از جهت انتقال حرارت پیچیده به نظر می رسند. از سوی دیگر تحلیل حرارتی در بخشهای مختلف یک ماشین الکتریکی خصوصاً عایق های آن حائز اهمیت بسیار است زیرا افزایش درجه حرارت یکی از عوامل محدود کننده طراحی موتور است. در این مقاله با استفاده از روشهای کلاسیک انتقال حرارت و تشابه حرارتی ، شبکه ، حرارتی یک الکتروموتور آسنکرون ترسیم و حل گردیده و با وجود منابع تلفات حرارتی موتور (تلفات مسی و آهنی) توزیع دما در مقاطع مختلف یک موتور الکتریکی بدست آمده است.

ماشینهای الکتریکی جریان مستقیم