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 .

اگر از اشبع صرفنظر شود در اینصورت r نیز منتجه f و a خواهد بود و باید دانست r را همان Fr تولید می نماید .

شین بی نهایت ژنراتورهی سنکرون سه فاز عمدتا به سیستم قدرت متصل اند و بندرت به تنهایی بارهای خاص و محلی را تامین می کنند .

در صورتیکه ژنراتورهای سنکرون سه فاز به شبکه قدرت وصل اند و مشترکا بار مشترکین را تامین می کنند در اینصورت اصطلاحا می گویند که ژنراتورها به شین بی نهایت وصل اند .

از انجائیکه تعداد ژنراتورهای متصل به شبکه زیاد بوده و اندازه این ژنراتورها نسبتا بزرگ و حجیم است لذا ولتاژ و فرکانس شین بی نهایت به سختی قابل تغییر است و ثابت می باشد .

مصرف کننده ها بار از نقاط مختلف شین بی نهایت توسط انشعابهائی تغذیه می شوند .

شکل 6-7 یک شین بی نهایت را که گاهی نیز به آن شبکه بهم پیوسته نیز اطلاق می شود ، نشان می دهد .

معمولا ولتاژ پایانه های ژنراتورهای مدرن امروز حدود 33 کیلو ولت است .

لذا برای وصل ژنراتورها به شین بی نهایت یا شبکه بهم پیوسته از ترانسفور ماتور استفاده می شود .

پس از افزایش ولتاژ ژنراتورها توسط