آشنایی با ماشینهای الکتریکی
آشنایی با ماشینهای الکتریکی:
ماشین الکتریکی (به انگلیسی: Electric machine)یک نام کلی برای دستگاهی است که انرژی مکانیکی را به انرژی الکتریکی یا برعکس تبدیل می‌کند یا سطح ولتاژ جریان متناوب را به سطح دیگری از ولتاژ تغییر میدهد.
ژنراتور ماشینی است که انرژی مکانیکی را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کنند. موتورها الکتریکی، انرژی الکتریکی را به انرژی مکانیکی تبدیل می‌کنند. ترانسفورماتورها سطح ولتاژ جریان متناوب را تغییر میدهند.
یک موتور الکتریکی انرژی الکتریکی را به انرژی مکانیکی تبدیل می‌کند. بیشتر موتورهای الکتریکی از راه تقابل میدان‌های مغناطیسی و هادی‌های حامل جریان برای تولید نیروی گرداننده استفاده می‌کنند. موتورها و ژنراتورها شباهت‌های زیادی دارند و بسیاری از گونه‌های موتورهای الکتریکی را میتوان به عنوان ژنراتور هم به کار برد، یا برعکس.
موتورهای الکتریکی نیز به دو دستهٔ اصلی جریان متناوب و جریان مستقیم تقسیم می‌شوند.
ترانسفورماتور یک دستگاه ایستا است که جریان متناوب را در فرکانسی ثابت، از یک سطح ولتاژ به سطح ولتاژی دیگر (بیشتر یا کمتر یا گاهی همسطح) تبدیل می‌کند. ترانسفورماتور انرژی الکتریکی را با استفاده از کوپل مغناطیسی از یک مدار به مداری دیگر انتقال میدهد. یک جریان متغیر الکتریکی در سیم‌پیچ اولیه یک شار مغناطیسی متغیر نسبت به زمان را در هستهٔ ترانسفورماتور ایجاد می‌کند که موجب ایجاد میدان مغناطیسی در سیم‌پیچ ثانویه خواهد شد. این میدان مغناطیسی متغیر یک نیروی محرک الکتریکی یا ولتاژ را در سیم‌پیچ ثانویه القا خواهد کرد. به این پدیده القای متقابل گفته میشود.
ژنراتور الکتریکی دستگاهی است که انرژی مکانیکی را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند. یک ژنراتور الکترون‌ها را به حرکت درون یک مدار الکتریکی بیرونی سوق میدهد. روش کار آن تا حدی شبیه به پمپ آب است، از این نظر که جریان آب را ایجاد می‌کند اما خود آب در پمپ ایجاد نمیشود. منبع انرژی مکانیکی (محرک اصلی) ممکن است یک موتور بخار بالا و پایین رونده (به انگلیسی: reciprocating) یا یک توربین باشد، یا آبی که از میان یک توربین یا چرخ آبی می‌گذرد، یا یک موتور درون‌سوز، یا یک توربین بادی، یک هندل دستی، یا هوای فشرده یا هر منبع دیگری از انرژی مکانیکی.
هر ژنراتور شامل دو بخش اصلی است که هر کدام دارای دو اصطلاح هستند - یکی اصطلاح مکانیکی و دیگری الکتریکی- از نظر مکانیکی، روتور قسمت چرخان ماشین الکتریکی است و استاتور قسمت ایستا. در اصطلاح الکتریکی آرمیچر قسمتی از ماشین است که نیرو در آن تولید میشود. میدان قسمتی از ماشین خواهد بود که میدان مغناطیسی در آن به وجود می‌آید. آرمیچر ممکن است در روتور یا استاتور باشد. میدان مغناطیسی ممکن ست توسط آهنربای الکتریکی یا آهنربای دائمی ایجاد شود که بر روی روتور یا استاتور سوار شده‌اند. ژنراتورها را به دو دستهٔ اصلی تقسیم می‌کنند: ژنراتورهای AC و ژنراتورهای DC.
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
۱- قطبهای مغناطیسی: که وظیفه ایجاد میدان مغناطیسی مولد را بعهده دارد و
می تواند بصورت آهنربای دائم و یا آهنربای الکتریکی باشد
۲- هادیها: برای ایجاد ولتاژ القایی به کار گرفته میشود
۳- 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.
۴- 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:
۱- جهت چرخش آرمیچر عوض شود.
۲- 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:
۱- افزایش سرعت چرخش آرمیچر که باعث افزایش ولتاژ بصورت خطی می شود.
۲- افزایش جریان تحریک که باعث افزایش ولتاژ مولد بصورت غیر خطی می شود.
موتور ساده جریان مستقیم:
موتور ساده از نظر ساختمانی مانند مولد ساده جریان مستقیم می باشد فقط نحوه
کار آن با مولد ساده جریان مستقیم تفاوت دارد. در موتور ساده هادیها از
طریق کوموتاتور و جاروبکها به یک منبع جریان مستقیم متصل می شود در اینصورت
جریانی از هادیها عبور کرده و در نتیجه مطابق نیروی لورنس به هادیها نیروی
وارد میشود و آنها به حرکت در می آید.
نحوه ایجاد نیرو و گشتاور در موتور ساده: در صورتیکه از یک کلاف تک حلقه که
بین قطبهای یک مغناطیس قرار دارد جریان الکتریکی عبور کند مطابق شکل به
بازوی سمت راست نیروی به سمت بالا و به بازوی سمت چپ نیروی بسمت پایین وارد
می شود با وارد شدن دو نیروی مختلف الجهت به دو طرف کلاف طبیعی است که کلاف
حول محورش شروع به دوران خواهد نمود یعنی وارد آمدن زوج نیرو موجب ایجاد
گشتاور لازم شده است.
در این موتور ساده اگر صفحه کلاف عمود بر خطوط میدان مغناطیسی قرار گیرد به
آن گشتاوری وارد نمیشود در ضمن که گشتاور وارد شده نیز دامنه یکنواخت ندارد
برای رفع شدن این معایب می بایست تعداد کلافها و تیغه های کوموتاتور را
افزایش داد کلافها در زاویه های مختلف قرار می گیرد و با هم توسط تیغه های
کوموتاتور سری می شود.
تغییر جهت گردش در موتور ساده DC: تغییر جهت گردش موتور ساده به دو روش زیر
ممکن است:
۱- تغییر جهت جریان در کلاف که با تغییر پلاریته ولتاژ منبع از خارج موتور
میسر است
۲- تغییر قطبهای مغناطیسی که با تغییر جهت جریان در سیم پیچی تحریک ممکن است.
ساختمان ماشینهای جریان مستقیم:
اجزاء تشکیل دهنده ماشینهای جریان مستقیم را میتوان به صورت زیر دسته بندی کرد:
۱- قسمت ساکن شامل قطبها و بدنه
۲- قسمت گردان (آرمیچر)
۳- مجموعه جاروبک و جاروبک نگهدارها
هر کدام از قسمتهای فوق بطور خلاصه توضیح داده می شود.
۱- اجزاء ساکن ماشینهای جریان مستقیم: قسمتهای ساکن جریان مستقیم شامل
اجزاء زیر هستند:
الف- قطبهای اصلی
ب- قطبهای کمکی
ج- بدنه
– قطبهای اصلی: وظیفه این قسمت تامین میدان مغناطیسی مورد نیاز ماشین است.
قطبهای اصلی خود شامل قسمتهای زیر می باشد:
– هسته قطب: از ورقهای فولاد الکتریکی به ضخامت حدود ۵/۰ تا ۶۵/۰ میلی متر
با خاصیت مغناطیسی قابل قبول تشکیل می شود.
– کفشک قطب: شکل قطب به نحوی است که سطح مقطع کوچکتر برای سیم پیچ اختصاص
داده می شود و قسمت بزرگتر که کفشک قطبی نام دارد سبب شکل دادن میدان
مغناطیسی و سهولت هدایت فوران مغناطیسی به فاصله هوایی می شود.
– سیم پیچ تحریک: یا سیم پیچ قطب اصلی که دور هسته قطب پیچیده می شود، برای
جریانهای کم باید تعداد دور سیم پیچ تحریک زیاد باشد و سطح مقطع آن کم و
برا ی جریانهای زیاد تعداد دور کم برای سیم پیچ لازم است و با سطح مقطع زیاد
– قطبهای کمکی: قطبهای کمکی در ماشینهای جریان مستقیم از هسته و سیم پیچ
تشکیل می شوند، هسته قطبهای کمکی را معمولاٌ از فولاد یکپارچه می سازند. سیم
پیچی قطبهای کمکی نیز با تعداد دور کم و سطح مقطع زیاد پیچیده می شوند.
– بدنه: قطبهای اصلی، کمکی، جاروبک نگهدارها روی بدنه ماشین محکم می شوند و
بوسیله ماشین روی پایه اش نصب می گردد. قسمتی از بدنه را هسته آهنی تشکیل
می دهد که برای هدایت فوران مغناطیسی قطبهای اصلی و کمکی بکار می رود این
قسمت طوق بکار می رود. شکلهای زیر قطب اصلی و کمکی ماشین جریان مستقیم را
نشان میدهد.
۲- قسمت گردان یا آرمیچر: در ماشینهای جریان مستقیم قسمت گردنده را القاء
شوند یا آرمیچر می نامند که از اجزاء زیر تشکیل شده است:
الف- هسته آرمیچر
ب- سیم پیچی آرمیچر
ج- کلکتور یا یکسوکننده مکانیکی
د- محور
ﻫ- پروانه خنک کننده
– سیم پیچی آرمیچر: از کلافهای مشابهی تشکیل می شود که با الگوی مناسب تهیه
و در شیارها قرار می گیرد سیم پیچی آرمیچر مبتنی بر اصول فنی بوده و از
طراحی ماشینهای جریان مستقیم تبعیت می کند.
– کلکتور: از تیغه های مسی سخت که توسط میکا نسبت به یکدیگر و محور ماشین
عایق شده اند تشکیل می شود.
– محور: محور آرمیچر ماشینهای جریان مستقیم باید از فولادی تهیه گردد که
خاصیت مغناطیسی آن کم اما استحکام مکانیکی کافی در مقابل تنشهای برشی،
کششی، و پیچشی را دارا باشد انتخاب کردن محور ضعیف خطر آفرین بوده و ممکن
بوده در مواقع بروز خطا سبب انهدام کلی ماشین گردد.
– پروانه خنک کننده: پروانه خنک کننده سبب تهویه و ازدیاد عمر مفید ماشین
میشود شکل زیر آرمیچر ماشین DC با پروانه خنک کننده را نشان میدهد.
۳- جاروبک و جاروبک نگهدارها: وظیفه جاروبک نگهدار قرار دادن صحیح جاروبک
روی تیغه های کلکتور است جاروبکها قطعاتی از جنس زغال یا گرافیت می باشند
که برای گرفتن جریان از کلکتور یا دادن جریان به آن استفاده می شود.
سیم پیچی آرمیچر ماشینهای جریان مستقیم
همانطور که قبلا اشاره شد سیم پیچی آرمیچر مبتنی بر اصول فنی خاص می باشد
که در طراحی آن به نکات مهمی از قبیل استحکام مکانیکی، الکتریکی و حرارتی
با عمر مفید و عادی حدود ۲۰ سال حداکثر گشتاور و جریان و ولتاژ با حداقل
نوسانه جرقه کم بین زغال و کلکتور و صرفه جویی در مواد اولیه باید توجه کرد.
بسته به نیاز کلافها می توانند بطور سری یا موازی یا ترکیبی از این دو به
همدیگر وصل می شوند.
در صورتیکه کلافها با هم سری شوند نیرومحرکه کلافها با هم جمع می شوند و
ولتاژ دهی آرمیچر افزایش می یابد. (سیم پیچی موجی)
در صورتیکه کلافها موازی شوند تعداد مسیرهای جریان موجود در آرمیچر افزایش
یافته و قابلیت ولتاژ دهی آرمیچر افزایش می یابد. (سیم پیچی حلقوی)
توضیح کامل روشهای سیم پیچی آرمیچر در کتابهای سیم پیچی DC مطرح شده است و
ما در این جزوه به مصرفی آن کفایت می کنیم.
الف- سیم پیچی حلقوب شامل حلقوی ساده و حلقوی مرکب
ب- سیم پیچی موجی شامل موجی ساده و موجی مرکب
ج- سیم پیچی پای قورباغه ای
لازم است در اینجا تعداد مسیرهای جریان که در هر نوع ایجاد می شود نیز
معرفی شود. تعداد مسیرهای جریان را با ۲a نشان میدهند که بشرح زیر است:
۲a = 2P حلقوی ساده
۲a = 2P.m حلقوی مرکب
۲a = 2 موجی ساده
۲a = 2m موجی مرکب
۲P : تعداد قطبهای آرمیچر ، m : درجه مرکب بودن آرمیچر
عکس العمل مغناطیسی آرمیچر:
چنانچه ماشینهای جریان مستقیم زیر بار قرار گیرند یعنی از سیم پیچی آرمیچر
جریان عبور کند یک میدان عکس العمل (عرضی) توسط آرمیچر ایجاد می گردد. این
میدان باعث می شود منطقه خنثی در مولدها در جهت چرخش و در موتورها در خلاف
جهت چرخش تغییر مکان دهد. عکس العمل آرمیچر علاوه بر انحراف محور خنثی سبب
تضعیف میدان مغناطیسی اصلی می شود در نتیجه نیرو محرکه القاء شده در سیم
پیچ کم شده، تلفات انرژی در ماشین و جرقه در زیر جاروبکها بوجود می آید
برای از بین بردن و یا کم کردن اثر عکس العمل در ماشینهای جریان مستقیم می
توان از قطبهای کمکی و یا در ماشینهای بزرگتر از سیم پیچی جبرانگر هم
استفاده کرد.
پدیده کموتاسیون:
تغییر تماس جاروبک از یک تیغه کموتاتور به تیغه دیگر کموتاسیون نام دارد
در این جابجایی کلافی که تحت کموتاسیون قرار می گیرد چون توسط جاروبک اتصال
شده باید در صفحه خنثی قرار گیرددر عین حال چون جریان در این کلاف در زمان
کموتاسیون تغییر مقدار و جهت میدهد سبب بوجود آمدن ولتاژ خود القایی در این
کلاف شده و از آنجا که این کلاف توسط جاربک و تیغه های کموتاتور اتصال
کوتاه شده است جرقه نسبتاٌ شدید بین زغالها و کموتاتور بوجود می آید. قطبهای
کمکی برای رفع این عیب موثر خواهد بود. اما در ماشینهای که قطب کمکی ندارند
بهبود عمل کموتاسیون با تغییر محل جاروبکها (در جهت گردش در مولدها و در
خلاف جهت گردش در موتورها) انجام گیرد. این جابجایی درست کاملا امکان پذیر
و قابل مشاهده می باشد
