مقدمه
ماشینهای القایی (آسنکرون) کلاً به موتورها و ژنراتورهای القایی گفته می شود. موتورهای القایی یکی از ماشین های پرمصرف در مراکز صنعتی و تجاری مختلف بوده و علت آن سادگی کار، قابلیت اطمینان، قیمت کم، بهره بالا و عدم نیاز به تعمیرات بیش از حد می باشد. این موتورها حاوی یک قسمت ساکن بنام استاتور و یک قسمت دوار بنام روتور می باشند. روتور با کمک بلبرینگها بر روی یک محور نصب شده و درون استاتور می چرخد، لذا بین روتور و استاتور شکاف هوایی باریکی وجود دارد. در موتورهای القایی استاتور از طریق سیم پیچی های فاز به شبکه تغذیه AC متصل می شود و در روتور جریان AC به علت عمل القا برقرار می گردد. به همین دلیل به این نوع موتورها، «موتورهای القایی» گفته می شود.
ساختمان موتور القایی
یک موتور القایی از قسمتهایی مختلفی تشکیل شده است اما سه قسمت اصلی آن عبارتند از:
1) استاتور
2) روتور
3) سیم پیچی های تحریک واقع در استاتور
استاتور در واقع جزء ساکن موتور القایی است که به صورت پشته ساخته می شود و این پشته از ورقه های نازک از جنس معمولاً فولاد مرغوب تشکیل شده که برروی هم سوار شده اند. علت مورق سازی استاتور به خاطر کاهش تلفات جریان گردابی در پشته آن می باشد که قسمتی از تلفات هسته را تشکیل می دهد. نمایی از جزء استاتور موتور القایی در شکل 1 نشان داده شده است. همانطور که ملاحظه می شود استاتور به شکل یک استوانه توخالی است که در قسمت توپر آن، شیارهای در جهت محوری تعبیه شده است. این شیارها برای جاسازی سیم پیچی های فازهای استاتور استفاده می شود که بسته به اندازه و توان موتور، شیارها می توانند به صورت نیمه بسته، نیمه باز و یا باز وجود داشته باشند. سیم پیچی فازهای استاتور معمولاً از جنس مس می باشد و این سیم پیچی ها به صورت توزیع شده در شیارهای استاتور قرار داده می شوند. تعداد فازهای استاتور می تواند دو، سه، پنج، شش و … باشد اما نوع معمول و پرکاربردتر آن سه فاز می باشد که سه مجموعه سیم پیچی را شامل می شود. این سیم پیچها که به عنوان سیم پیچهای تحریک استفاده شده و به شبکه سه فاز متصل می شوند، از تعدادی کلاف ساخته شده اند که این کلافها معمولاً به صورت سری به یکدیگر متصل شده اند. یک کلاف نیز دارای دو بازو می باشد و از تعدادی دور سیم تشکیل شده که بازوهای آن به فاصله گام سیم پیچی مشخص درون دو شیار استاتور قرار می گیرند. در شکل 2 نمونه ای از یک کلاف سیم پیچی فاز موتور نشان داده شده که در شیارهای استاتور قرار گرفته است. در موتور القایی سه فاز، سه سیم پیچی فاز می توانند به صورت آرایش ستاره یا مثلث به یکدیگر متصل شوند که در هر دو حالت از هر سیم پیچ یک ترمینال از استاتور خارج می شود تا به شبکه سه فاز برق متصل شود.
شکل 1 ) نمای سه بعدی از استاتور موتور القایی
شکل2 ) یک کلاف از سیم پیچی فاز استاتور موتور القایی
جزء اصلی دیگر موتور القایی، روتور می باشد که در واقع قسمت متحرک موتور است و همانند استاتور به صورت پشته و از فولاد مورق ساخته می شود. روتور بر روی یک محور فلزی قرار گرفته و با کمک بلبرینگ هایی که در دو طرف محور قرار گرفته اند به صورتی نصب می شود که بتواند آزادانه چرخش کند. این روتور به همراه محور، درون استاتور قرار می گیرد، به نحوی که استاتور و روتور توسط شکاف هوایی باریکی از هم جدا می شوند.
توجه می کنیم که روتور موتور القایی از نظر ساختمان بر دو نوع می باشد :
1)روتور قفسه سنجابی 2) روتور سیم بندی شده
روتور قفسه سنجابی دارای شیارهایی است که میله های آلومینیومی یا مسی داخل آن تعبیه می شود، به صورتیکه میله ها برای متمرکزکردن شار مغناطیسی سیم پیچی های استاتور در داخل روتور استفاده می شوند. میله ها از دو انتها توسط حلقه های انتهایی بهم متصل می شوند یا به عبارت دیگر میله ها از دو سمت اتصال کوتاه شده اند، بنابراین جریان الکتریکی می تواند از یک سمت به سمت دیگر روتور قفسی شکل چرخش داشته باشد. در روتور سیم بندی شده، شیارهایی وجود دارد که سیم پیچی مسی یا آلومینیومی داخل آن جاسازی شده است. در موتور القایی سه فاز از نوع سیم بندی شده همانند استاتور، در روتور سه مجموعه سیم پیچی وجود دارد که از یک سمت به همدیگر متصل شده و از سمت دیگر به سه ترمینال خروجی راه دارند که این ترمینالها هم به حلقه های لغزان که بر روی محور قرار دارند، متصل شده اند. بر روی این سه حلقه، سه جاروبک ساکن قرار دارد که توسط آنها می توان مدار روتور را به مدار دیگری مثل رئوستا جهت تأمین گشتاور راه اندازی و کنترل سرعت متصل نمود. گفتنی است که در روتورهای قفسه سنجابی هیچ حلقه لغزانی وجود ندارد و هیچ ترمینالی هم از روتور خارج نمی شود. موتورهای قفسه سنجابی ارزانتر و مقاومتر از موتورهایی هستند که روتور آنها از نوع سیم بندی شده است و بازده آنها نیز کمی بیشتر می باشد [1].
این موتورها بر اساس ساخت و ساز قفسشان به دو دسته تقسیم می شوند: ریخته گری شده و فابریکت. ماده استفاده شده در قفسه ریخته گری شده از نوع آلومینیوم و در نوع فابریکت از جنس مس است. معمولاً موتورهای ریخته گری شده در رنج توان پایین و متوسط هستند، در حالیکه موتورهای فابریکت برای کاربردهای توان بالا و خاص ساخته می شوند. روتورهای قفسی از نوع فابریکت همیشه با انحراف ساخته نمی شوند و علت آن مشکلات ساخت و ساز است [2]. در شکل 3 نمونه ای از روتور قفسه سنجابی با میله های آلومینیومی و حلقه های انتهایی متصل شده به میله ها نشان داده شده است.
شکل 3) روتور یک موتور القایی قفسه سنجابی
توجه می کنیم که مجموعه استاتور، روتور، محور و قسمتهای دیگر موتور القایی، در داخل محفظه ای قرار داده می شوند تا از محیط بیرون ایزوله شده و از نظر مکانیکی مورد حفاظت قرار گیرند. محفظه به گونه ای ساخته می شود که ضمن حفاظت کامل از اجزای داخلی، بتواند گرمای منتقل شده به جداره های خود را به خوبی به محیط پیرامون منتقل کند.
تحلیل المان محدود با نرم افزار ماکسول
یکی از موارد مهمی که بعد از فرآیند طراحی و بدست آوردن ابعاد اساسی یک موتور القایی باید انجام شود، تجزیه و تحلیل ساختار موتور جهت بدست آوردن مشخصات خروجی آن و بررسی صحت عملکرد آن می باشد. از طرفی استفاده از روش المان محدود در سالهای اخیر به عنوان یک ابزار مؤثر و دقیق جهت حل کامپیوتری مسائل پیچیده خصوصاً در زمینه طراحی و تحلیل ساختارهای موتوری و ژنراتوری در رشته مهندسی برق کاربرد گسترده ای یافته است. با پیداش موتورهای جدید با هندسه پیچیده، استفاده از ابزار المان محدود اجتناب ناپذیر است. تحلیل المان محدود را می توان به کمک نرم افزارهای پیشرفته همچون انسیس ماکسول انجام داد. با استفاده از این نرم افزار می توان انواع مسائل الکتریکی، الکترومغناطیسی، جریان گردابی و گذرا را شبیه سازی نموده و مورد آنالیز دقیق قرار داد. در این پروژه از محیط دو بعدی این نرم افزار برای بدست آوردن مشخصات خروجی چون گشتاور، جریان و … استفاده شده است.
پروژه شبیه سازی شده
در این پروژه هدف، طراحی و شبیه سازی مؤثر یک موتور القایی 6 قطبه سه فاز با توان 2.2 کیلووات در محیط نرم افزاری ماکسول و بررسی مشخصات خروجی آن مانند گشتاور، جریان، توزیع چگالی شار، تلفات و بازده خروجی می باشد. برای اینکار ابتدا با استفاده از مشخصات و پارامترهای اولیه در دسترس، پارامترهای ابعادی لازم برای شبیه سازی موتور را با استفاده از برنامه نوشته شده در محیط کدنویسی متلب بدست می آوریم، سپس ساختار موتور را در محیط دوبعدی ماکسول پیاده سازی کرده و با تحلیل آن، نتایج موردنظر را بدست می آوریم. در شکل 4 نمایی دو بعدی از موتور القایی مورد نظر نشان داده شده است.
شکل 4) نمای دوبعدی از موتور القایی قفسه سنجابی
در ادامه مشخصات خروجی موتور را یکبار در حالت بدون بار و بار دیگر در حالت اعمال بار خطی به آن بررسی می کنیم.
الف) شبیه سازی موتور القایی در حالت بدون بار
در این آزمایش موتور در سرعت نامی 960 دور بر دقیقه و در حالت بدون بار کار می کند. در ادامه نتایج خروجی در شکل های 5 تا 8 نشان داده شده است.
شکل 5) گشتاور خروجی موتور القایی در حالت بدون بار
شکل 6) جریان های سه فاز موتور القایی در حالت بدون بار
شکل 7) چگالی شار موتور القایی در شکاف هوایی در حالت بدون بار
شکل 8) توزیع چگالی شار در استاتور و روتور موتور القایی در حالت بدون بار
ب) شبیه سازی موتور القایی با بار خطی
در این آزمایش موتور در سرعت نامی 960 دور بر دقیقه و در حالت اعمال بار خطی به آن کار می کند. در ادامه نتایج خروجی در شکل های 9 تا 12 نشان داده شده است.
شکل 9) مشخصه سرعت موتور القایی در حالت بار خطی
شکل 10) مشخصه گشتاور موتور القایی در حالت بار خطی
شکل 11) مشخصه جریان های سه فاز موتور القایی در حالت بار خطی
شکل 12) توزیع چگالی شار در استاتور و روتور موتور القایی در حالت بار خطی
——————————————————————————————
مراجع
P.Ch. Sen, “Principles of electric machines and power electronics”, John Wiley & Sons, Inc.; 2nd edition, December 1996.
K. N. Gyftakis, D. V. Spyropoulos, J. C. Kappatou, E. D. Mitronikas, “A novel approach for broken Bar fault diagnosis in induction motors through torque monitoring”, IEEE Transactions on ENERGY CONVERSION, Vol. 28, No. 2, June 2013.
————————————————————————————————————————————–
توجه: این پروژه حاوی فایل برنامه متلب، فایلهای شبیه سازی در نرم افزار ماکسول و فایل گزارش کار می باشد. برای تهیه این پروژه می توانید از لینک خرید استفاده کنید.
———————————————————————————
مزایای پروژه حاضر
1) طراحی و تحلیل صفر تا صد موتور القایی (با استفاده از دو نرم افزار متلب و ماکسول)
2) قابلیت تغییر برنامه متلب برای طراحی موتورهایی با مقدارهای نامی و مشخصات دیگر
3) پیاده سازی انواع تحلیل بر روی ساختار موتور القایی در محیط دوبعدی ماکسول (تغییر بار، تغییر سرعت، بررسی اثرات خطای اتصال کوتاه و …)
