امروزه ماشین های الکتریکی نقش اساسی در صنعت ایفا می کنند و بنابراین به عنوان یکی از دروس مهم مهندسی برق در دانشگاه های دنیا مطرح می باشند.
متاسفانه بیشتر دانشجویان مهندسی برق به دلیل استفاده از فقط یک مرجع برای این درس و دید تک بعدی به ماشین های الکتریکی که همان دید مداری محض(KVL وKCL) است؛ همواره دارای ضعف اساسی در این درس می باشند.اولین ماشین های الکتریکی دوار که یک دانشجوی مهندسی برق با آنها آشنا می شود ماشین های DC هستند؛. لذا زیر بنای فهم دانشجویان از اصول اساسی ماشین های الکتریکی گردان در همین نوع ماشین ها شکل می گیرد و چه بسا در صورت عدم فهم مناسب ماشین های DC ،دانشجو با سایر ماشین های دواری که بعداً با آنها مواجه می شود(نظیر موتور های القایی سه فاز،ژنراتور های سنکرون سه فاز،موتور های القایی تک فاز و ماشین های مخصوص)قطعاً دچار اشکال می گردد و نخواهد توانست دید مهندسی خوبی را نسبت به ماشین های الکتریکی ،پیدا کند.
من با توجه به مطالعه تعداد زیادی کتاب راجع به ماشین های الکتریکی و چند ترم تدریس این درس (به صورت TA در خدمت چند تن از اساتید محترم دانشکده برق دانشگاه صنعتی شریف)
توانستم ضعف دانشجویان را در این درس ریشه یابی کنم ؛که همان طور در بالا اشاره شد نگاه یک چشمی به ماشین های الکتریکی به عنوان مدار های الکتریکی است.در حالی که می دانیم موتور ها و ژنراتور های الکتریکی به عنوان مبدل انرژی الکتریکی به مکانیکی و بالعکس هستند و این تبدیل انرژی تنها در سایه پدیده های الکترو مغناطیسی صورت خواهد گرفت.از همین بیان می توان نتیجه گرفت که روشی که ماشین های الکتریکی را مورد تجزیه و تحلیل قرار می دهیم ترکیبی از سه دیدگاه زیر است:
1)دیدگاه الکترومغناطیسی:محاسبات mmf و نیروهای الکترومغناطیسی و میدان های مغناطیسی.
2)دیدگاه مکانیکی:محاسبات گشتاور-سرعت و اعمال فرم زاویه ای قانون دوم نیوتن برای تجزیه و تحلیل حالت های گذرای ماشین های DC به صورت معادله دیفرانسیل معمولی رسته دوم
3)دیدگاه مداری:به دست آوردن مدار معادل الکتریکی ماشین های الکتریکی ومحاسبات ولتاژ و جریان پایانه ای ژنراتورها و جریانی که موتور از شبکه DC یاAC می کشدو مثلاً ضریب قدرت ورودی یک موتور AC که گفتیم این تنها دیدگاه دانشجویان نسبت به ماشین های الکتریکی است.
کتابی که پیش رو دارید در 8 فصل و از سه دیدگاه فوق به سبک استدلالی دقیق ماشین های DC را تجزیه و تحلیل می کند. با توجه به این موضوع که گرایش اصلی من مخابرات میدان (الکترومغناطیس) می باشد لذا سعی کردم دیدگاه الکترومغناطیسی روشنی از ماشین های DC ارائه دهم این موضوع در سرتاسر این کتاب به چشم می خورد (مثلاً در فصل پنجم اثبات دقیق الکترومغناطیسی این حقیقت که توزیع mmf روتور یک ماشین DC یک شکل موج شبه مثلثی است آورده شده است که در هیچ یک از مراجع معتبر درس ماشین های الکتریکی مطرح نشده است).
مهم ترین نکته برجسته این کتاب زبان ساده به کار گرفته شده و تعدد شکل های واضح در آن است اما در عین حال سعی شده کلیه مطالب درسی مربوطه به طور کامل پوشش داده شوند.همچنین در این کتاب سیم پیچی موجی یک ژنراتور DC و شکل موج ولتاژ تولیدی آن در فصل سوم تجزیه و تحلیل شده که این مساله همیشه به عنوان یک مساله بی جواب در کلاس های درس دانشکده برق بین دانشجویان تیزبین مطرح بود و در هیچ یک از مراجع درس ماشین بدان اشاره ای نشده است(فقط به ذکر فرمول تعداد مسیر های موازی جریان برابر 2 است بسنده کرده اند).حال من به کمک نرم افزار Mechanical Desktop روتور 18 شیاری با سیم پیچی موجی را 5 درجه،5درجه چرخانده ام و ولتاژ پایانه ای آن را به صورت تابعی از زمان درآوردم.
ماشین های الکتریکی سازه های مرکبی هستند که از جهت انتقال حرارت پیچیده به نظر می رسند. از سوی دیگر تحلیل حرارتی در بخشهای مختلف یک ماشین الکتریکی خصوصاً عایق های آن حائز اهمیت بسیار است زیرا افزایش درجه حرارت یکی از عوامل محدود کننده طراحی موتور است. در این مقاله با استفاده از روشهای کلاسیک انتقال حرارت و تشابه حرارتی ، شبکه ، حرارتی یک الکتروموتور آسنکرون ترسیم و حل گردیده و با وجود منابع تلفات حرارتی موتور (تلفات مسی و آهنی) توزیع دما در مقاطع مختلف یک موتور الکتریکی بدست آمده است.
کنترل‌کننده سرعت موتور DC
با توجه به استفاده روز‌افزون موتورهای DC در بخش صنعت و تحقیقات، کنترل دقیق و بهینه سرعت این موتورها امری ضروری است. سامانه کنترل سرعت با داشتن کنترل‌کننده PID دیجیتال و با قابلیت تغییر پارامترهای کنترلی آن ابزار مناسبی در بخش تحقیقات و نیز استفاده در صنعت می‌باشد. این سامانه می‌تواند به صورت خودکار منحنی غیر خطی ماشین را استخراج کرده و در کنترل سرعت به‌کار‌گیرد.
ماشین های الکتریکی جریان مستقیم
وسایل تبدیل انرژی الکترومکانیکی گردان را ماشینهای الکتریکی می گویند.
طبقه بندی ماشینهای الکتریکی
ماشینهای الکتریکی به دو طریق دسته بندی می شوند:
از نظر نوع جریان الکتریکی
الف- ماشینهای الکتریکی جریان مستقیم
ب- ماشینهای الکتریکی جریان متناوب
از نظر نوع تبدیل انرژی
الف- مولدهای الکتریکی که انرژی مکانیکی را به انرژی الکتریکی تبدیل می کنند
ب- موتورهای الکتریکی که انرژی الکتریکی را به انرژی مکانیکی تبدیل می کنند
به طور کلی ماشینهای الکتریکی جزء وسایل تبدیل انرژی غیر خطی هستند یعنی هر تغییر در ورودی همیشه به یک نسبت در خروجی ظاهر نمی شود.
مولد ساده جریان مستقیم
یک مولد ساده جریان مستقیم از چهار قسمت اصلی زیر تشکیل شده است
1- قطبهای مغناطیسی: که وظیفه ایجاد میدان مغناطیسی مولد را بعهده دارد و می تواند بصورت آهنربای دائم و یا آهنربای الکتریکی باشد
2- هادیها: برای ایجاد ولتاژ القایی به کار گرفته میشود
3- کموتاتور: در ساده ترین حالت از دو نیم استوانه مسی که توسط میکا نسبت به یکدیگر عایق شده اند تشکیل می گردد، وظیفه یک طرفه کردن ولتاژ و جریان القایی را در خارج از مولد بعهده دارد.
4- جاروبک: جهت انتقال جریان الکتریکی از هادیها به مصرف کننده استفاده میشود شکل زیر مولد ساده جریان مستقیم را نشان میدهد.
طرز کار مولد ساده جریان مستقیم: با حرکت هادیها در فضای ما بین قطبها باعث میشود میدان مغناطیسی توسط هادیها قطع میشود بدین ترتیب مطابق پدیده القاء در هادیها ولتاژ القاء میشود.ابتدا و انتهای هر کلاف به یک نیم استوانه مسی یا یک تیغه کوموتاتور وصل میشود روی تیغه های کوموتاتور دو عدد جاروبک بطور ثابت قرار داشته و با حرکت هادیها تیغه های کموتاتور زیر جاروبک می لغزند، بدین ترتیب در ژنراتورهای جریان مستقیم از طریق کوموتاتور ولتاژ القاء شده طوری به جاروبکها منتقل می شود که همیشه یکی از جاروبکها دارای پلاریته مثبت و دیگری دارای پلاریته منفی است. شکل موج ولتاژ القاء شده در این مولد ساده بصورت زیر می باشد.
برای افزایش سطح ولتاژ القاء شده و بهبود یکسوسازی بمنظور داشتن ولتاژ با دامنه ثابت باید تعداد کلافها را افزایش داد و کلافها را به کمک تیغه های کوموتاتور سری کنیم.
چگونگی تغییر پلاریته ولتاژ القایی در مولد ساده
در مولد جریان مستقیم تغییر پلاریته ولتاژ خروجی عملاٌ در صورت ایجاد یکی از دو حالت زیر ممکن می شود:
1- جهت چرخش آرمیچر عوض شود
2- جهت جریان در سیم پیچ قطبها تغییر کند در صورتیکه قطبها از نوع مغناطیس دائم نباشد
چگونگی تغییر دامنه ولتاژ القایی در مولد ساده
برای افزایش دامنه ولتاژ القا شده دو روش ممکن است:
1- افزایش سرعت چرخش آرمیچر که باعث افزایش ولتاژ بصورت خطی می شود
2- افزایش جریان تحریک که باعث افزایش ولتاژ مولد بصورت غیر خطی می شود