مقدمه
ماشین القایی یا آسنکرون یکی از ماشین های جریان متناوب است که معمولا به دو صورت قفسه سنجابی و روتور سیم بندی شده طراحی و مورد استفاده قرار می گیرد. ماشین های روتور سیم بندی شده بیشتر به صورت DFIG در صنعت توان بادی برای تبدیل انرژی مکانیکی حاصل از توربین بادی به انرژی الکتریکی بکار می روند. از طرف دیگر ماشین های قفسه سنجابی اغلب به صورت موتوری و در دو حالت تک فاز و سه فاز مود بهره برداری قرار می گیرند. در طراحی نوع تک فاز این موتورها در کاربردهای خانگی مثل کولر آبی استفاده می شوند در حالیکه در طراحی نوع سه فاز بیشتر در کارخانجات مختلف مثل صنایع فولاد و کاشی کاربرد دارند. در کارخانجات موتورهایی از چند کیلووات تا چند صد کیلووات حضور دارند که هر یک وظیفه خاصی را بر عهده دارند. به علت حضور گسترده این نوع از موتورها در کارخانجات و صنایع، لزوم طراحی با کیفیت و عملکرد صحیح آنها حائز اهمیت زیادی است.
امروزه با پیشرفته و توسعه در حوزه نرم افزاری و معرفی نرم افزارهای مهندسی مثل انسیس ماکسول، امکان طراحی و تجزیه و تحلیل انواع موتورهای الکتریکی فراهم شده است. بنابراین می توان قبل از فرآیند ساخت، با مدلسازی و شبیه سازی ساختار موردنظر مشخصات مهم آن چون گشتاور و تلفات را بررسی کرده و در صورت لزوم به بهینه سازی ابعاد و پارامترهای مهم پرداخت. این موضوع خصوصا در کاربرد موتورهایی با توان چند 10 کیلووات تا چند صد کیلووات اهمیت بیشتری دارد.
در این قسمت ما در نظر داریم از طریق متد نرم افزاری یک موتور القایی قفسه سنجابی سه فاز چهار قطب با توان 37 کیلووات را برای کاربرد در کارخانه طراحی کرده و مشخصات مهم آن را در دو حالت یعنی شرایط حالت ماندگار سرعت و در حالت گذار با بار ثابت نامی مورد تجزیه و تحلیل قرار دهیم. نرم افزارهای کاربردی در اینجا، نرم افزار متلب و نرم افزار انسیس ماکسول می باشد که اولی برای کدنویسی و بدست آوردن پارامترهای مهم استفاده شده در حالیکه دومی برای مدل سازی، شبیه سازی و بدست آوردن مشخصات مهم موتور بکار می رود.
تعیین پارامترهای اولیه و کدنویسی در متلب
در اولین مرحله از طراحی با توجه به کاربرد موردنظر باید پارامترهای نامی موتور را انتخاب کرد. این پارامترها به ترتیب توان خروجی، ولتاژ نامی تغذیه، فرکانس نامی و سرعت سنکرون هستند. توان خروجی که 37 کیلووات بوده و با توجه به 4 قطبه در نظرگرفتن موتور و فرکانس نامی 50 هرتز، سرعت سنکرون 1500 دور بر دقیقه خواهد بود. مقدار ولتاژ تغذیه (خط به خط) را هم 400 ولت در نظر می گیریم.
تعداد پارامتر دیگر نیز وجود دارد که باید برای بدست آوردن پارامترهای هدف مشخص شود. به طور مثال می توان نسبت طول موتور به گام قطبی استاتور، چگالی شار اولیه، چگالی جریان خطی اولیه، چگالی شار در هسته استاتور و روتور و چگالی جریان در سیم پیچی استاتور و چگالی جریان در میله های روتور را نام برد. مقدارهای این پارامترها به همراه پارامترهای نامی در یک برنامه در نظر گرفته شده که در محیط کدنویسی متلب تنظیم شده است.
اما قسمت مهم و اعظم برنامه موردنظر شامل فرمولهای تجربی و ریاضی مربوطه برای بدست آوردن پارامترهای ابعادی مثل طول موتور، قطر داخلی استاتور، ابعاد شیارهای استاتور، ابعاد شیارهای روتور، تعداد دور، قطر سیم و … می باشد. این فرمولها باید با توجه به یک مرجع مربوط به طراحی ماشین های الکتریکی در نظر گرفته شود که ما در اینجا کتاب دکتر لسانی را انتخاب کرده ایم.
فرمولهای موردنظر را در برنامه تنظیم می کنیم و در انتها برنامه را ران می کنیم تا خروجی های موردنظر از متلب بدست آورده می شود. برنامه موردنظر دارای خروجی های زیادی است اما فقط تعدادی از خروجی های مهم برای مدل سازی موتور در نرم افزار انسیس ماکسول استفاده می شود.
مدل سازی و شبیه سازی در نرم افزار انسیس ماکسول
در مرحله بعد به سراغ مدلسازی موتور القایی 37 کیلووات در محیط دوبعدی نرم افزار انسیس ماکسول می رویم. در اینجا باید هسته شیاردار استاتور، هسته شیاردار روتور، کلافها و سیم بندی فازهای سه گانه را مدل کنیم. قسمتی نیز مربوط به تنظیمات شبیه سازی است که باید قبل از ران برنامه تنظیم شود.
موتور موردنظر که در محیط ماکسول مدل شده در شکل 1 نشان داده شده است که دارای 36 شیار در استاتور و 30 شیار در روتور می باشد. در مجموع هر فاز 12 کلاف دارد و گام سیم بندی به صورت کسری (8) در نظر گرفته شده تا هارمونیک های جریان کاهش داده شود.
شکل 1) موتور القایی قفسه سنجابی 4 قطبه 37 کیلووات در ماکسول
نمایی از سر کلافهای فاز A در شکل 2 نشان داده شده است که کلافهای مربوطه به صورت سری به یکدیگر متصل شده اند. فازهای مربوطه با ولتاژ سینوسی تحریک شده می شوند.
شکل 2) سر کلاف های فاز A در شیارهای استاتور موتور القایی قفسه سنجابی
برای شبیه سازی ساختار موردنظر دو سناریو در نظر گرفته شده است:
1) تحلیل در حالت ماندگار سرعت
2) تحلیل در حالت گذرا با بار ثابت نامی
ابتدا حالت اول را بررسی می کنیم. در اینجا سرعت موتور به مقدار نامی 1470 دور بر دقیقه تنظیم شده و مشخصات حالت ماندگار بدست آورده می شود. هدف بررسی صحت عملکرد موتور القایی در سرعت نامی و همچنین محاسبه بازده عملکردی آن می باشد. در ادامه تعدادی از مشخصه های مهم شبیه سازی ارائه شده است.
شکل 3) مشخصه گشتاور دینامیکی در حالت ماندگار سرعت
با توجه به شکل 3 مقدار متوسط گشتاور 236.5 نیوتن بر متر است که به گشتاور نامی (240 نیوتن بر متر) نزدیک می باشد. همچنین میزان ریپل گشتاور با توجه به پیک تو پیک 35.6 برابر با 15 درصد است.
شکل 4) مشخصه جریان های سه فاز در حالت ماندگار سرعت
با توجه به شکل 4 مقدار مؤثر جریان های موتور در حالت ماندگار سرعت حدود 36.5 آمپر است. در شکل 5 نیز توزیع چگالی شار در هسته استاتور و روتور نمایش داده شده که با توجه به آن سطح چگالی در محدوده مجاز قرار دارد.
شکل 5) سطح چگالی شار در هسته استاتور و روتور در زمان 0.2 ثانیه – در حالت ماندگار سرعت
محاسبه بازده موتور در حالت ماندگار سرعت
مقدار بازده خروجی با توجه به توان خروجی و میزان تلفات کل( مسی و هسته) می باشد. برای محاسبه بازده می توان از فرمول زیر استفاده کرد:
برای محاسبه توان خروجی کافی است حاصل ضرب مقدار متوسط گشتاور در حالت ماندگار را در سرعت نامی موتور بدست آوریم. میزات تلفات موتور تقریباً برابر با تلفات مسی و هسته می باشد که مقدار تلفات و تلفات هسته از خروجی تلفات نرم افزار قابل دسترسی می باشد. در ادامه نتایج محاسبه بازده ارائه شده است.
مقدار سرعت دینامیکی برابر با 1470 دور بر دقیقه یا 154 رادیان بر ثانیه است. بنابراین با توجه به مقدار متوسط گشتاور 236.5 نیوتن بر متر میزان توان خروجی موتور برابر با 36.421 کیلووات بدست می آید.
میزات تلفات هسته برابر با 516 وات و مقدار تلفات مسی برابر با 929 وات بدست می آید. پس مقدار بازده موتور برابر است با:
البته این بازده مربوط به شبیه سازی است که در عمل بازده موتور به دلیل وجود تلفات دیگر چون تلفات اصطحکاک و تهویه و تلفات سرگردان کمتر از این مقدار می باشد.
حال به سراغ مرحله دوم می رویم و موتور را یک بار دیگر در شرایط گذرا با یک بار ثابت (نامی) شبیه سازی می کنیم. در اینجا سرعت اولیه موتور صفر است. دقت می کنیم که اندازه بار به صورتی تنظیم شده که گشتاور دینامیکی نامی موتور حاصل شود. در ادامه نتایج ارائه شده است.
شکل6) مشخصه گشتاور دینامیکی موتور با بار نامی ثابت
با توجه به شکل 6 مقدار متوسط گشتاور 240.2 نیوتن بر متر است که برابر با گشتاور نامی موتور است. همچنین میزان ریپل گشتاور با توجه به پیک تو پیک 36 برابر با 15 درصد است.
شکل 7) مشخصه جریان های سه فاز موتور با بار نامی ثابت
با توجه به شکل 7 مقدار مؤثر جریان های موتور در حالت ماندگار حدود 38 آمپر است. در شکل 8 مشخصه مهم سرعت دینامیکی ارائه شده است. همانطور که مشخص است بعد از گذار از شرایط اولیه سرعت به مقدار نامی 1470 دور بر ثانیه می رسد.
شکل8) مشخصه سرعت دینامیکی موتور با بار نامی ثابت
در شکل 9 نیز توزیع چگالی شار در هسته استاتور و روتور در حالت بارداری نمایش داده شده که با توجه به آن سطح چگالی در محدوده مجاز قرار دارد.
شکل 9) سطح چگالی شار در هسته استاتور و روتور در زمان 0.45 ثانیه – موتور با بار نامی ثابت
در نتیجه با توجه به نتایج بدست آمده عملکرد موتور القایی موردنظر در نقطه کار نامی درست است؛ از طرفی نتایج شبیه سازی در حالت ماندگار سرعت به نتایج شبیه سازی در شرایط گذرا با بار نامی ثابت بسیار نزدیک است.
————————————————————————————————
توجه
شما می توانید برای تهیه شبیه سازی های انجام شده که خلاصه ای از نتایج آنها در این پست ارائه شد از لینک خرید زیر استفاده کنید. با در اختیار داشتن شبیه سازی ها می توانید مشخصات دیگر مثل تلفات هسته و تلفات مسی، خطوط شار در هسته، چگالی جریان در سیم پیچی ها، مشخصه نیروی ضد محرکه و … را نیز مشاهده کنید. همچنین امکان استفاده از فایل های شبیه سازی در پروژه های درسی و پایان نامه وجود دارد. در نظر داشته باشید همراه با فایل های شبیه سازی یک گزارش کار چندین صفحه ای از توضیحات و نتایج شبیه سازی نیز تهیه شده که در اختیار شما قرار می گیرد.
