تحقیق مقاله تاثیر نیرو های صاعقه بر شبکه ها

از زمانهای بسیار قدیم بشر با آهن ربا های طبیعی آشنا بوده ، نیرو های جاذبه و دافعه بین قطعات مختلف این آهن ربا ها و نیز بین آنها و سایر قطعات آهنی را می شناخته است . اما تا حدود 200 سال قبل تحلیل صحیح و دقیقی از رفتار اجسام مغناطیسی ارائه نشده بود و به همین دلیل استفاده چندانی از این پدیده انجام نمی شد . در سال 1819 میلادی یک دانشمند دانمارکی به نام اورستد متوجه شد هنگام عبور جریان برق از یک سیم ، چنانچه در مجاورت آن قطب نمایی قرار دهیم ، عقربه قطب نما ( که از جنس آهن ربای طبیعی است ) منحرف می گردد . این تجربه نشان داد که جریان برق نیز مانن آهن ربای طبیعی در اطراف خود یک میدان مغناطیسی ایجاد می کند که شدت آن بستگی به شدت جریان دارد عکس العمل آرمیچر: عواملی که در حالت بارداری دینامو باعث تغییر نیروی الکتروموتوری آرمیچر می باشد عکس العمل آرمیچر نامیده می شود و مهمترین آنها به شرح زیر است: 1- عکس العمل القا شونده که باعث افت ولتاژ در مقاومت سیم پیچ آرمیچر می شود در حالت ژنراتور V=E-RI و در حالت موتور V=E+RI می باشد 0E نیروی الکتروموتوری تولید شده و V ولتاژ دو سر آرمیچر و RI افت ولتاژ آرمیچر می باشد0 2- عکس العمل مغناطیسی که باعث نیروی الکتروموتوری و فوران می گردد و به دو دسته تقسیم می شود0 الف: عکس العمل عرضی ب: عکس العمل طولی الف: عکس العمل عرضی میدان مغناطیسی یک ماشین ، توسط سیم پیچ تحریک تامین می گردد 0 در یک ماشین باردار ، جریانی که از سیم پیچ های آرمیچر می گذرد نیز تولید میدان مغناطیسی می نماید و این میدان روی میدان اصلی اثر نموده و با عث ایجاد خطوط میدان تحریک می شود . آرمیچر که از سیم پیچ های آن جریان می گذرد میدانی به وجود می آورد که محور آن بر محور جاروبکها منطبق است0 وجود میدان آرمیچر سبب ایجاد فوران مغناطیسی تحت قطبها می شود و در یک طرف قطب ،آنرا تقویت و در طرف دیگر آن را تضعیف می کند . اگر ماشین اشباع نباشد عکس العمی عرضی آرمیچر در e.m.f. آرمیچر تغییر نمی دهد ولی در حالت اشباع ماشین e.m.f. ارمیچر کاهش می یابد. در حالت بارداری ، جریان میدان تحریک و جریان آرمیچر هر دو وجود دارند و m.m.f. های منتجه این دو جریان تولید موج دانسیته فوران مینماید . خط خنثای الکتریکی یا منطقه ای که دانسیته فوران در آن صفر است در حالت ژنراتور از خط خنثای هندسی ،در جهت چرخش و در حالت موتور در جهت عکس چرخش تغییر مکان می دهد . مولفه فوران مغناطیسی در محور خنثی باعث اشکالات کموتاسیون میشود m.m.f. آرمیچر تولید عکس العمل آرمیچر می نماید . ضمن مهمترین مولفه (قسمت) از این m.m.f. در محور خنثی (محور ربعی ) واقع است. مدار مغناطیسی اشباع نشده: در این حالت قابلیّت نفوذ مغناطیسیاجرا مختلف مدار مغناطیسی را می توان ثابت فرض نمود و در نتیجه دانسیته فوران منتجه در هر نقطه مساوی حاصل جمع جبری دانسیته های فوران آرمیچر و میدان تحریک می باشد .و در اثر تغییر شکل اندوکسیون منتجه محور خنثی در جهت گردش آرمیچر تغییر مکان می دهد0 جاروبکها را باید در جهت گردش آرمیچر تغییر مکان داد،چون ومدار مغناطیسی به حال اشباع نرسیده است تقویت دانسیته فوران در یک گوشه از قطب و تضعیف آن در گوشه دیگر ،ؤ یکدیگر را جبران می نماید و فوران کلی تغییر نمی کند اما به علت تغییر شکل خطوط قوای مغناطیسی و طولانی شدن راه آنها مقاومت مغناطیسی افزایش می یابد و چون نیروی محرکه مغناطیسی ثابت است لذا فوران مفید کاهش می یابد0 مدار مغناطیسی اشباع شده: در این حالت نمی توان دانسیته فوران میدان اصلی و عکس العمل آرمیچر را جمع جبری نمود و باید نیروهای محرکه مغناطیسی را ترکیب نموده و از روی منتجه آنها اندوکسیون را در نقطه مطلوب تعیین نمود0 با رعایت این نکته منحنی نمایش دانسیته فوران در سطح آرمیچر بر حسب نیروی محرکه مغناطیسی کلی در شکل (1-1) نشان داده شده است 0فرض می شود Boدانسیته فوران در حالت بی باری مولد و Fo نیروی محرکه مغناطیسی باشد که آنرا تولید می نماید0 شکل شماره 1-1 تغییرات نیروی محرکه مغناطیسی ایجاد شده توسط جریانی که هنگام بارداری مولد از سیمهای آرمیچر آن می گذرد زیر قطبها خطی است و بعلاوه در روی محور قطبی ( محوری که از قطب می گذرد) صفر و درآن گوشه ‎ی قطب که آرمیچر از آن دور می شود مثبت و در آن گوشه‏ی قطب که القا شونده به آن نزدیک می شود منفی است، در نقطه ای به فاصله X از محور قطبی ، شکل (2-1) ، این نیروی محرکه مغناطیسی را میتوان به صورت F1=Kx نوشت 0K ضریبی ثابت است که تابع جریان القا شونده میباشد 0 نیروی مغناطیسی منتجه برابر است با:F=Fo+F1= Fo+Kx شکل 2-1 با مقایسه فورانهای حالت بی باری و بار داری مشاهده می شود که کاهش فوران در گوشه ورودی و افزایش آن در گوشه خروجی می باشد.افزایش فوران در گوشه خروجی نمی تواند کاهش فوران را در گوشه ورودی جبران کند و لذا از فوران مفید و در نتیجه نیروی الکتروموتوری القا شده در مولد کاسته می شود 0 طرق مختلف جبران عکس العمل عرضی آرمیچر : تعبیه شیارها در کفشک های قطبی : با ایجادچند شیار در کفشکهای قطبی فاصله هوایی در شیار مسیر فوران عکسالعمل آرمیچر به وجود می آورند ، تا با لفزایش مقاومت مغناطیسی از مقدار فوران عرضی کاسته شود0 اما شیارهای کفشکهای قطبی مقطع آهن کفشکها را کاهش می دهد و در نتیجه زود تر آنرا به حال اشباع می رساند . به علاوه وجود شیارها در کفشکهای قطبی موجب می گردد که دانسیته فوران مغناطیسی در فاصله هوایی میان کفشکهای قطبی و آرمیچر از حالت یکنواختی خارج شود ، از این جهت به ندرت این طریق را به کار می برند0 2-سیم پیچی تعدیل اگر ولتاژ موجود بین تیغه های مجاور یک کلکتور را به صورت تابعی از وضع زاویه ای پیرامون کلکتور ، رسم نماییم نتیجه یک منحنی استکه تقزیبا شبیه منحنی توزیع دانسیته فوران می باشد ولتاژ بین تیغه های مجاور وقتی که دو طرف کلاف متصل به انها در قویترین میدان قرار گیرد، حداکثر خواهد بود . عکس العمل عرضی آرمیچر باعث توزیع ولتاژ در دور کلکتور می شود . در بعضی موارد ، ماشینها گاهی ، تحت بار اضافی یا تغییرات سریع بار قرار می گیرند . زمانی که بار اضافی بیش از حد روی ماشین باشد یا تغییرات ناگهانی بار اتفاق بیفتد ، ولتاژ بین تیغه های کلکتور ممکن است بقدری زیاد شود که باعث ایجاد جرقه بین دو جاروبک مجاور با پلاریته مخالف گردد و باعث اتصال کوتاه یا بعضی اوقات ، سوختن کلکتور گردد . مگر اینکه برای غلبه بر عکس العمل عرضی آرمیچر اقداماتی صورت گیرد . برای این منظور سیم پیچ دیگری در ماشین تعبیه می شود . m.m.f. مغناطیسی عرضی توسط این سیم پیچ که به سیم پیچ تعدیل معروف است و. در صفحات قطبهای اصلی تعبیه می شود خنثی می گردد . سیم پیچ تعدیل به صورت سری با سیم پیچ آرمیچر قرار می گیرد و شماره مفتول های آن طوری است m.m.f. آن مساوی است با m.m.f. مفتولهای آرمیچر که تحت صفحات قطبی قرار دارند، m.m.f.ها در دو جهت مخالف بوده و بنا بر این m.m.f. سیم پیچ تعدیل سبب تقلیل دانسیته فوران آرمیچر می شود . سیم پیچ های تعدیل برای خنثی نمودن اثر عکس العمل آرمیچر ، در منطقه خارج از نفوذ قطبها کموتاسیون و بخصوص برای یکنواخت نگاه داشتن توزیع فوران تحت صفحات قطبهای اصلی به کار می رود . این سیم پیچ ها در شیارها یا سوراخهایی که در صفحات قطبی تعبیه می شود قرار می گیرند و جریان سیم پیچ کموتاسیون جریان آرمیچر را حملمی نماید . برای مثال ، نصف مفتولهای طرف راست صفحه یک قطب با نصف مفتولهای واقع در طرف چپ قطب مجاور به طور سری متصل می شوند ، بطوریکه جهت جریان در این مفتولها مخالف جهت جریان آن قسمت از سیم پیچ آرمیچر که مستقیماً روبروی آنها قرار دارد می باشد. چون سیم پیچ های تعدیل کننده تمام جریان آرمیچر را حمل می نمایند فوران تولید شده توسط هر دور از آنها خیلی قویتر از فوران هر دور سیم پیچ آرمیچر می باشد 0 باید به خاطر داشت که جریان مفتول آرمیچر برابر جریان کل آرمیچر تقسیم بر تعداد راه های جریان می باشد0 لذا در صورتی که ماشین 8 قطبی باشد و دارای سیم پیچ حلقوی ساده باشد در این حالت m.m.f. تولید شده توسط شش مفتول سیم پیچ تعدیل کننده برابر m.m.f. 48 مفتول سیم پیچ آرمیچر خواهد بود 0 در طرح های عملط برای سیم پیچ های تعدیل کننده ، فقط آن مفتولهایی از آرمیچر که مستقیماً در مقابل صفحات قطبی قرار می گیرند توسط آمپر دورهای مساوی خنثی می شوند. در این نوع ماشینها قطبهای کموتاسیون از اثر عکس العمل آرمیچر در مناطق بین قطبها جلوگیری می نمایند0 ب- عکس العمل طولی آرمیچر : همان طور که گفته شد عکس العمل عرضی آرمیچر یک ژنراتور موجب تغییر شکل خطوط قوای مغناطیسی شده و در نتیجه محور خنثی در جهت تغییر آرمیچر تغییر مکان می یابد. بنابراین جاروبک ها را باید در جهت گردش آرمیچر روی کلکتور تغییر مکان داد تا در امتداد محور خنثی قرار گیرند لذا جهت جریان در هادی های القا شونده عوض می شود به طوریکه جهت جریان در عناصر القا شونده گوشه خروجی قطب شمال مخالف جهت جریان القا شده در عناصرالقا شونده گوشه ورودی قطب جنوب بوده از این رو این دو جریان با هم جمع می شوند . در ماشین های چند قطبی که سیم بندی آرمیچر آنها a راه جریان دارد و جریان القا شده در آرمیچر آنها مساوی I است جریانی که از هر عنصر القا شونده می گذرد I برa است . کموتاسیون و ولتاژ راکتانس: کلکتور و جاروبکهای همراه با آن قسمتهای مهمی از ژنراتور dc را تشکیل میدهند.در مجموعه کلکتور و جاروبکها دو عمل لازم صورت می گیردند . یکی عمل کموتاسیون که شامل تبدیل جریان متناوب تولید شده به جریان مستقیم خروجی است و دیگری انتقال جریان از آرمیچر گردان به جاروبکهای ساکن و در نتیجه به بار. هر دو عمل باید به دقت و با استفاده از مواد مناسب و طرح خوب و تنظیم مناسب کنترل شود. در غیر این صورت یک جرقه جدی و امکان از کار افتادن ماشین در بین خواهد بود . موقعی که یکی از کلافهای آرمیچر بین جاروبکهای مثبت و منفی متوالی می چرخد جریان در آن کلاف در یک جهت عبور نموده و سپس این کلاف برای کسری از ثانیه توسط جاروبک اتصال کوتاه می شود که پس از آن در منطقه بین جاروبکهای منفی و مثبت متوالی عبور می نماید (منطقه ای که در آن جریان در جهت مخالف قبل می باشد ) دو عامل عمده مایل است که از کموتاسیون ملایم جلوگیری نماید : 1 امکان عبور جریان زیاد در کلاف اتصال کوتاه شده . 2 خاصیت ضریب القا ی کلاف که با تغییر جهت جریان مخالفت می نماید . اغلب کلکتور در جهت عقربه های ساعت می چرخد موقعی که کلاف از وضع یک به دو حرکت می کند جریان در کلاف به طرف چپ یعنی به طرف جاروبک مثبت می باشد سپس کلاف ناگهان توسط جاروبک منفی اتصال کوتاه می شود.اگر در این وضع دو طرف کلاف ، فورانی را قطع نماید ولتاژی تولید می شود و در نتیجه آن جریانی از کلاف عبور خواهد کرد .این دلیل لزوم استفاده از قطبهای کمکی است تا بتوان عکس العمل آرمیچر را خنثی نموده و فواصل بین قطبی را نسبتاً عاری از فوران کرد .بالاخره موقعی که کلاف در منطقه بین جاروبکهای مثبت و منفی قرار میگیرد از حالت اتصال کوتاه خارج شده و جهت جریان معکوس میگردد یعنی جریان به طرف راست جاری می شود . کموتاسیون سه منطقه عمل دارد: 1 قبل از اتصال کوتاه موقعی که جریان جهت مشخصی دارد. 2دوره اتصال کوتاه که بدترین دوره است . 3 حالت بعد از اتصال کوتاه موقعی که جریان در جهت مخالف شروع به حرکت می نماید . باید توجه نمود که جهت جریان در زمان بسیار کوتاهی عوض می شود و اندوکتانس یک کلاف که دارای چند دور سیم پیچی است و حول یک ماده مغناطیسی خوب پیچیده شده است با تغییر جریان از مثبت به منفی مخالفت می نماید اکر به این ولتاژ ، اجازه عمل داده شود باعث جرقه خواهد شد. چنانچه تغییر جهت جریان درست در همان لحظه ای انجام گیرد که کلاف ، تیغه کلکتور را ترک می کند یعنی میان تیغه کلکتور و جاروبک در لحظه ای که از یکدیگر جدا میشوند هیچ جریانی عبور نکند در این صورت کموتاسیون را کامل می نامند برعکس اگر هنگام جداشدن تیغه کلکتور از جاروبک از کلافی که به آن تیغه متصل است جریانی عبور نماید جرقه ای بین جاروبک و تیغه کلکتور به وجود می آید و عمل کموتاسیون کامل نیست . ایجاد جرقه در جاروبک باعث گرم شدن فوق العاده کلکتور و جاروبکها میشود و جاروبکها به سرعت ساییده میشوند و از بین میروند .ساییده شدن جاروبکها و خرده شدن تیغه های کلکتور موجب می شود که تماس جاروبک ها روی کلکتور کامل نباشد و در نتیجه قدرت ماشین کاهش می یابد . کموتاسیون هم دارای جنبه مکانیکی و هم دارای جنبه الکتریکی است ، از لحاظ مکانیکی ضرورت دارد که جاروبک ها پیوسته با تیغه های کلکتور که در زیر آن میگذرد تماس داشته باشد و با فشار ثابتی روی آنها قرار گیرد .از لحاظ الکتریکی کموتاسیون بسیار پیچیده است زیرا عوامل مختلفی نظیر خودالقایی کافی که در حال کموتاسیون است ، القای متقابل این کلاف و سایر کلاف هایی که به مرحله کموتاسیون رسیده اند ،نیروی الکتروموتوری ایجاد شده در کلاف توسط میدان مغناطیسی خارجی مقومت اهمی این کلاف و بالاخره مقاومت اهمی محل تماس جاروبکها باتیغه های کلکتور در عمل کموتاسیون دخالت دارند . مقاومت محل تماس جاروبکها با تیغه های کلکتور به جنس جاروبکها ، فشار تماس آنها و شدت جریان و حرارت و غیره وابستگی دارد لذا قابل تغییر است ، برای از بین بردن ولتاژ راکتانس لازم است یکی از این دو عمل زیر انجام گیرد: 1-تغییر مکان جاروبکها در ماشینهای بدون قطبهای کمکی . 2-استفاده از قطب های کمکی به منظور خنثی نمودن فوران عکس العمل آرمیچر0 کموتاسیون دو تیغه ای : این ساده ترین نوع کموتاسیون می باشد زیرا جاروبک فقط یک کلاف را اتصال کوتاه می نماید0 فرض می شود که c کلافی باشد که عمل کموتاسیون در آن انجام می گیرد و a و b تیغه های کلکتور باشند که سر وته این کلاف به انها متصل شده است و B جاروبکی به عرض تیغه کلکتور باشد 0 جریانی که از هر شاخه سیم بندی می گذرد I فرض می نماییم . کلکتور در جهت فلش f تغییر مکان می دهد0 جریانهای دو کلاف c1 وc2 که قبل از کلاف C و بعد از آن قرار داردمساوی I است اما در این کلافها جهتشان مخالف یکدیگر است . جهت جریانی را که از کلاف C2می گذرد مثبت و جهت جریانی را که از کلاف C1 می گذرد منفی قرار داده و جهت جریان I را که از کلاف C می گذرد در صورت تطابق با جهت جریانی که از قبل از شروع کموتاسیون از آن می گذشته مثبت فرض می نماییم 0 اگر جریانهایی را که به تیغه کلکتور B می رسد به Ia و Ib نشان دهیم در این صورت خواهیم داشت Ia=I+i Ib=I-i وجریانی که از جاروبکها خارج می شود مساوی است با: Ia+Ib=2I هنگام تغییر مکان کلکتور ، جریان i تدریجاً کاهش می یابد و به صفر می رسد و سپس تغییر جهت داده و در لحظه ای که جاروبک B از تیغه کلکتور a به کلی جدا می شود و تمام سطح تیغه b را می گیرد مقدار آن به صفر می رسد . اگر To زمان عبور تیغه a از زیر جاروبک باشد جریان I کلاف e در این مدت تغییر جهت می دهد و از +I به –I می رسد در همان مدت جریان Ia تیغه a کلکتور از مقدار 2I به صفر و جریان Ib تیغه کلکتور از صفر به مقدار 2I می رسد. کموتاسیون چند تیغه ای: در عمل عرض جاروبک را به اندازه ای انتخاب می کنند که چند تیغه را بپوشاند .