طراحی موتورهای سه فاز

معمولا در الکترو موتور ها تعداد شیارها را با علامت z نشان می دهند.به خوبی می دانیم که فضایی که کلافهای سیم پیچی در آن قرار دارد را استاتور گویند.وبخش گردنده را روتور می نامند. الکتروموتوری که در بخش استاتور دارای ۲۴ شیار باشد آنرا به شکل 24=z نشان می دهند.

نکته مهم بعدی این است که موتور های ۳ فاز که برق تغذیه کننده موتور از سه فازR-S- T می باشدبرای هر یک از فاز ها به صورت مساوی تعداد شیارهایی اختصاص می یابد که هریک از فازها به اندازه ۱۲۰ درجه الکتریکی با هم فاصله دارند. همانطور که می دانیم  بین فازهای ورودی در موتورهای ۳فاز ۱۲۰ درجه الکتریکی فاصله وجود دارد .برای درک موضوع توضیح زیر لازم است.در موتورهای القایی سه فاز بین روتور واستاتور هیچگونه ارتباط الکتریکی وجود ندارد و آنچه که باعث گردش روتور می شود اگر بخواهیم بطور کاملا خلاصه بگوییم باید گفت  اثر شار مغناطیسی که توسط سیم پیچها به کمک جریان ورودی در استاتور ایجاد می شود عامل گردش خواهد بود.

جریان ورودی در کلافهای استاتور ایجاد فضای مغناطیسی میکند .Ds نمایش داده می شود.    

در واقع هر یک از شیار ها به یک قطب آهنربایی تبدیل می شود. حال اگر محیط دوار استاتور را ۳۶۰ درجه منظور کنیم اگر این مقدار بر تعداد شیارهای استاتور مثلا ۲۴ تایی تقسیم کنیم و آن را به تعداد جفت قطبهای فضای داخلی استاتور ضرب کنیم زاویه الکتریکی هر شیار قابل محاسبه خواهد بود.  αez .

تعداد قطبهای آهنربایی که در داخل استاتور ایجاد می شود با نوع سیم پیچی ونوع کلاف زنی قابل تغییر وکنترل خواهد بود. مثلا طوری کلافها را جا بزنیم که موتور به شکل ۴ یا ۲ یا ۶ یا ۸ قطب (N یا S ) کار کند. تعداد زوج قطبها را با P نمایش می دهند.   α ez=360/24*P

برای سیم پیچی موتورهای سه فاز یا تک فاز همان طور که می دانیم باید یک سری اطلاعات فنی را درباره موتوری که در دسترس داریم بدست آوریم.این اطلاعات معمولا از روی پلاک موتور بدست می آید .

(البته هر چند که می توان از راهکارهای دیگری به این مهم رسید. مثلا اگر موتوری خالی بدون سیم و نیز بدون پلاک برای ما بیاورند محاسبه نوع سیم پیچی این موتورها نیز امکان پذیر است. در این موتور ها با در نظر گرفتن و نیز یادداشت اطلا عات فیزیکی موتور مثل قطر داخلی استاتور Ds و ارتفاع یوغ Hc و طول هسته Ls ونیز محاسبه مقدار شار مغناطیسی Bmو مقدار اندکسیون یوغ Bc و لحاظ ضریب K می توان مقدا رتوان ثانویه را بدست آورد.)

اندازه گیری یوغ استاتور 

یکی از عوامل مهم در سیم پیچی موتور ها اندازه گیری مقدار یوغ استاتور است . اگراز محیط بیرونی استاتور را که به پوسته یا همان بدنه مماس شده تا ابتدای لبه قاعده شیارها رابصورت شعاعی اندازه بزنیم این مقدار برابر با اندازه یوغ خواهد بود. یادمان باشد که مقدار بر اساس میلی متر می باشد. خوب این مقدار را با Hs نشان می دهیم.نمایی از یوغ  در بریده ای ازاستاتورکه با پیکان دو سر مشخص شده را می بینید.: 

در ادامه باید اندازه قطر داخلی استاتور را نیز برداریم. اگر استاتور را دایره فرض کنیم اندازه گیری قطر آن بطور عملی کاری بسیار ساده خواهد بود. این مقدار هم براساس میلی متر و به شکل

حال به این نکته توجه کنیم که اندازه یوغ فضایی است که شار مغناطیسی در ان جریان یافته و در فضای استاتور مدار مغناطیسی کامل می شود.کمی به این رابطه توجه کنیم:

Hc = Bm . Ds / Bc .P

در این رابطه Hc همان ارتفاع یوغ است که ما  اندازه زده ایم . D هم مقدار قطر داخلی است که این کمیت راهم پیدا کرده اید. Bm مقدار شاری است که توسط استاتور به هنگام کار در فضای داخلی آن ایجاد می شود البته مقدار ماکزیمم آن  بر اساس مقدار Dدر نموداری رسم شده است . در این نمودار مقدار ماکزیمم شار برای قطبهای مختلف 2 - 4 و 6 قطب را نشان می دهد. Bc مقدار شار داخل یوغ است که معمولا برابر با 5/1در نظر می گیرند. p تعداد جفت قطبهای موتور است.مثلا موتوری که 4 قطب است مقدار p برابر با 2 خواهد شد

.

نکته بسیار مهم در این رابطه این است که تعداد قطبهای موتور با ارتفاع یوغ رابطه عکس دارد. یعنی هرچه ارتفاع بزرگتر باشدP کوچکتر و موتور دارای سرعت بیشتری است.

نمودار مربوط به شار مغناطیسی Bm را می توانید ملاحظه کنید:  

در این نمودار منحنی قرمز رنگ برای موتورهای 2 قطب یعنی 2p=2 منحنی مشکی رنگ  برای موتورهای 6 قطب و منحنی آبی رنگ هم برای موتورهای 4 قطب در نظر گرفته شده است.

حال ما با کمیتهای که در دست داریم  Hs ( مقدار ارتفاع یوغ) Ds ( مقدار قطر داخلی استاتور ) و Bc ( ماکزیمم شار داخل یوغ که حدود 5/1 است) و نیز مقدار شار واقعی یعنی Bm( از نمودار مربوطه) می  توانیم  تعداد قطبهای موتوررا محاسبه نماییم .

مثال: استاتور موتوری داریم که دارای یوغ 30 میلی متری واندازه قطر 110 میلی متر می باشد.اگر مقدار اندکسیون داخل یوغ را  1.5   فرض کنیم تعداد قطبهای این موتور را طبق جدول و رابطه یوغ حساب کنید؟

Ds=110       Hc=30     Bc=1.5

با توجه به داده هابه جدول داده شده نگاه می کنیم منحنی که بیشترین شار را برای این قطر نشان می دهد را انتخاب می کنیم.منحنی آبی رنک بیشترین مقدار را نشان میدهد. از روی عدد 110 برروی محور افقی خط عمودی رسم می کنیم .قطعا در جایی منحنی افقی را قطع خواهد کرد.از

نقطه بدست آمده عمودی به سمت محور عمودی منحنی رسم مینماییم.عددی که بدست می اید حدود88/. می باشد.حال طبق رابطهHc = Bm . Ds / Bc .P مقدار p بدست می اید.

p=Bm  . Ds /  Hc  .  Bc        p=0.88 . 110 / 1.5  . 30    p=2  2p = 4

بنابراین موتور 4 قطبی است

اما ما مبنا را بر این قرار داده ایم که موتور حال حاضر ما دارای پلاک بوده وقرار است مشخصات آنرا بدست آوریم. گزینه های روی پلاک را (مواردی که کاربردی تر هستند ) را توصیح می دهیم. 

بحث پلاک خوانی: 

1- MARK : در این بخش نشانه یا آرم کارخانه تولید کننده البته در بالای پلاک وبا اندازه ای بزرگتر از سایر گزینه ها درج می شود. اهمیت این گزینه زمانی مهم جلوه می کند که لازم است درباره اعتبار کارخانه تولید کننده بدانیم . برخی تولید کننده ها ی الکتروموتور از اعتبار فوق العاده ای در زمینه تولید موتور های مرغوب برخوردارند . معمولا در این بخش نام کارخانه هم درج می شود.

2- TYPE : در این بخش بطور معمول موتور را از جهت کارکرد در برق AC یا برق DCمعرفی می کند.هر چند که در برخی موتور ها این گزینه شامل کدها و اعدادی می شود که نماینگرمشخصات فیزیکی موتورخواهد بود.

3- FRAM : در این قسمت اعدادی قید می شود که آنها توسط انجمهای ملی تولید کننده قابل شناسایی است که بیشتر شامل قالبهای اندازه 42 -46 و56 می باشد.

4- Hp : در مفابل آن عددی قید می شود که نماینگر مقدار توان خروجی موتور می باشد. این توان بر اساس اسب بخار است و هر اسب بخار هم حدود 736 وات می باشد.

5- Ph : چند فاز بودن موتور را عنوان می کند برای موتور های سه فاز عدد 3 و برای موتور های تک فاز عدد 1 قید می گردد. ( البته ناگفته نماند که می توان با راهکارهایی بسیار ساده از موتور سه فاز به جای موتور تک فاز هم استفاده نمود . )

6- RPM : مخفف ROUNTPER MINUTE( یعنی دور در دقیقه) می باشد. این عدد مقدا رسرعت روتور را به ما می دهد. قطعا مقدار سرعت روتور از مقدار سرعت سنکرون در فضای استاتور کمتر است .البته این کاهش هم چندان زیاد نیست .

کافیست شما مقادیر سرعت سنکرون را در فرکانس برق 50 هرتز بدانید

 سرعت سنکرون اگر به مقدار 3000 دور در دقیقه باشد این موتور در فضای استاتور خود ایجاد 2قطب متفاوت N و Sنموده است بنابر این اگر تعداد قطبها را با P2نشان دهیم برای این سرعت در این موتور 2P=2 خواهد بود. خوب اگر موتور به شما دادند که برروی پلاکش عدد 2850 دور بوده این سرعت روتور است که به دلیل لغزش از مقدار دور سنکرون کاهش یافته است.

از مقدار لغزش صرف نظر کرده و از رابطه Ns=60 * f/p تعداد قطبهای موتور را حساب می کنیم. در این رابطه Ns همان سرعت سنکرون است که الان مقدار آنرا داریم (3000) و fمقدار فرکانس برق شهری است که در ایران 50 هرتز است.( لازم به یاد آوری است در این رابطه علامت * نشانه ضربدر و علامت / نشانه تقسیم می باشد.) با جایگزینی اعدادی که داریم مقدارPبدست خواهد آمد.P=1 و 2Pبرابر با 2 خواهد شد. پس وجود RPM بر روی پلاک خیلی از مسایل بربوط به سیم پیجی را برای ما حل خواهد کرد.  

7- HZ یا SYCLES : در این بخش مقدار فرکانس برق شهری که موتور بر اساس آن طراحی شده است را نشان می دهد. برای موتورهای شبکه ایران این عدد 50 است.

8- HOUSING : در این بخش به ما گفته می شود که موتور باید در محیط بسته یا رو باز کار کند .

 9- Volt: از جمله مهمترین بخش در امر پلاک خوانی توجه به این گزینه می باشد . در واقع اگر کسی از اعداد روی پلاک در این بخش اطلاعاتی نداشته باشد باید با اطمینان گفت که چیزی از موتور نمی داند

معمولا در موتور های سه فاز در بخش ولت دو عدد قید می شود که به وسیله خط کسری یا ممیز از هم جدا می شوند مثلV220/380 و یا V115/230 . این اعداد بیانگر این موضوع هستند که این موتور در چه شبکه با چه ولتازی کار می کند . برق شبکه معمولا در ولتاز های 115 - 230- 440 و 660 می باشد.

از دو عددی که بر روی پلاک ارائه شده عدد کمتر همان ولتازی است که باید از شبکه به سر هر فاز از سیم پیچی موتور داده شود. اگر ولتاز شبکه از مقدار راهنمایی شده بیشتر بود الزاما این موتور باید بصورت اتصال ستاره کار کند . و اگر موضوع بر عکس بود یعنی ولتاز شبکه از عدد اول ارائه شده کمتر بود می توان موتور را هم مثلث و هم ستاره به شبکه وصل نمود.

در شبکه برق ایران که ولتاز400/230 داریم موتوری که بر روی پلاکش اعداد 660/380 قید شده باشد این موتور برای این که بتواند توان واقعی خود را داشته باشد باید بااتصال مثلث به شبکه وصل شود و اگر بخواهیم از 3/1 قدرت آن استفاده نماییم باید از اتصال ستاره استفاده کنیم.

10- Amps : مقدار جریانی که موتور زیر باردر ولتازوجریان اسمی خواهد کشید دراین بخش قید میگردد

می دانیم که شیارهای هر الکتروموتوررا با z نشان می دهند. مثلا موتوری که 24 شیار دارد نمایش آن به صورت z=24 است.و یا در مورد موتوری که 36 شیار دارد بصورت z=36 خواهد بود . z نمایانگر تعداد شیار تعبیه شده هر الکتروموتور می باشد.

اگر بخواهیم یک موتور را با یک ترانسفورماتورمقایسه کنیم بخش استاتور موتور که محل قرارگیری سیم پیچها و ورودجریان الکتریکی است می تواند نقش سیم پیچ اولیه ترانس را ایفاء نمایدوبخش گردنده موتور یا روتور که متاثر از شار مغناطیسی به گردش در می ایدبه جای سیم پیچ ثانویه در نظر گرفته شود.

در ترانسفورماتورها بین سیم پیچ اولیه وثانویه ارتباطی وجود ندارد( مگر ترانس از نوع اتو ترانس باشد که ارتباط الکتریکی بین دو سیم پیچ وجود دارد)

بخش استاتور که شیارهادر آن تعبیه شده به نام هسته استاتور و قسمت خارجی آن قاب یا بدنه استاتور نام دارد.جنس هسته استاتور از ورقه های نازک فولادسیلیکان است.برای کاهش تلفات آهنی از فولاد استفاده می شود.جنس روتور هم همانند استاتور است.و اتفاقا روتورهم بصورت ورقه ورقه روی هم فشرده شده است.این ورقه ها وقتی روی هم قرار می گیرندشیارهای موربی می سازندکه مفتولهای نگهدارنده ازمیان آنهاعبورمی کند.والبته وجود این شیارهای مورب نقش بسزایی درکاهش اغتشاش و پراکندگی مغناطیسی بر عهده دارد.