مهندسی نت و موتورهای الکتریکی

[spow 44,195]

موتورهای الکتریکی :

 

 

در سال ۱۹۹۱ در ایالات متحده، ۱۲۵ میلیون موتور در محدوده ۱ تا ۱۲۰ اسب بخار کار می کردند. این موتورها تقریباً ۵۵% برق تولید شده در ایالات متحده را به مصرف می رسانند. در تأسیسات صنعتی بزرگ، موتورها ممکن است عامل مصرف ۶۰% کل انرژی الکتریکی باشند. در ساختمان های تجاری، موتورهای الکتریکی می توانند بیش از ۵۰% بار الکتریکی ساختمان را ایجاد کنند.

موتورها با تعامل بین میدان های مغناطیسی ایجاد شده در استاتور و سیم پیچ های روتور، انرژی الکتریکی را به مکانیکی تبدیل می کنند و معمولاً برای به حرکت درآوردن ماشین ها، استفاده می شوند. این ماشین ها می-توانند جهت اهداف بی شماری بکار روند، از جمله جابجایی هوا (فن های ورود و خروج هوا)، جابجایی مایعات (پمپ ها)، جابجایی اشیاء یا افراد (نقاله ها و آسانسورها)، تراکم گازها (کمپرسورهای هوا و مبردها) و تولید مواد (تجهیزات تولیدی). موتورهای الکتریکی صنعتی را می توان به موتورهای القایی، موتورهای جریان مستقیم یا موتورهای سنکرون دسته بندی کرد. موتورهای القایی، نوع معمول تری هستند و حدود ۹۰% موتورهای موجد را تشکیل می دهند. همه انواع موتورها دارای چهار مؤلفه هستند: استاتور (سیم پیچ های ساکن)، روتور (سیم-پیچ های دوار)، یاتاقان و قاب (محفظه). عوامل مختلفی برای انتخاب نوع موتور در یک کاربرد خاص، باید مد نظر قرار گیرند:

الف) شکل انرژی الکتریکی تحویلی به موتور: جریان مستقیم (DC) یا متناوب (AC)، برق سه فاز یا تک فاز

ب) نیازمندی های ماشین محرک مثل سرعت موتور و سیکل های بار

ج) محیطی که موتور باید در آن کار کند: نرمال (جایی که می توان از یک موتور با یک محفظه تهویه کننده دلخواه استفاده کرد)، مخالف (جایی که یک موتور کاملاً کپسوله برای جلوگیری از نفوذ هوای خارجی به داخل موتور مورد استفاده قرار می گیرد)، یا پر خطر (جایی که موتور با محفظه ضد انفجار برای جلوگیری از آتش-سوزی و انفجار مورد استفاده قرار می گیرد.)

خصوصیات موتور

 

سرعت موتور

 

سرعت موتور، تعداد زمان معین استکه با دور در دقیقه (rpm) بیان می شود. سرعت یک موتور AC به فرکانس توان ورودی و تعداد قطب های موتور بستگی دارد. سرعت همزمان به rpm با معادله زیر داده می-شود که در آن فرکانس به هرتز یا دور در ثانیه است:

تعداد قطب ها / فرکانس×۱۲۰=سرعت سنکرون (rpm)

سرعت واقعی که موتور با آن کار می کند کمتر از سرعت همزمان است. اختلاف بین سرعت همزمان و بار کامل، لغزش نام دارد و به درصد اندازه گیری می شود. لغزش از معادله زیر بدست می آید:

۱۰۰× سرعت همزمان /(سرعت اسمی بار کامل- سرعت همزمان)=(%) لغزش

ضریب توان

ضریب توان موتور از رابطه زیر بدست می آید:

kW/kVA=Cos ∅=ضریب توان

با کم شدن بار موتور، دامنه جریان فعال کاهش می یابد. با وجود این، جریان مغناطیسی، که با ولتاژ تغذیه متناسب است، کم نمی شود، در نتیجه ضریب توان موتور القایی، بویژه آن هایی که زیر ظرفیت اسمی خود کار می کنند، علت اصلی ضریب توان کم در سیستم های الکتریکی هستند.

بازده موتور

 

دو صفت مهم مربوط به بازده الکتریکی مورد استفاده توسط موتورهای القایی AC عبارتند از بازده، که با نسبت انرژی مکانیکی تحویلی در محور دوار به انرژی الکتریکی ورودی در ترمینال ها بیان می شود، و ضریب توان. موتورهای الکتریکی هم مثل سایر بارهای القایی، دارای ضریب توان کمتر از یک هستند. یک اثر مهم کار کردن با ضریب توان کمتر از یک این است که تلفات مقاومتی در سیم کشی بالادست موتور بیشتر است، زیرا با مربع جریان متناسب است. موتورهای قفس سنجابی معمولاً دارای بازدهی بیشتری نسبت به موتورهای حلقه لغزان هستند و موتورهای پرسرعت تر معمولاً بازدهی بیشتری از موتورهای کم سرعت تر دارند. بازده نیز تابعی از دمای موتور است.

بازده یک موتور با تلفات ذاتی تعیین می شود که آن را تنها می توان با تغییر طراحی موتور کاهش داد. تلفات ذاتی دو نوع است: تلفات ثابت، مستقل از بار موتور، و تلفات متغیر، وابسته به بار.

تلفات ثابت شامل تلفات هسته مغناطیسی، اصطکاک و تلفات سیم پیچ است. تلفات هسته مغناطیسی (که گاهی تلفات آهن نامیده می شود) شامل تلفات جریان گردابی و پسماند استاتور است. این تلفات با مربع ماده، هندسه و ولتاژ ورودی تغییر می کنند.

تلفات متغیر شامل تلفات مقاومت در استاتور و روتور و تلفات مختلف هرز است. مقاومت در برابر جریان در استاتور و روتور باعث تولید حرارت متناسب با مقاومت ماده و مربع جریان می شود (RI۲). تلفات هرز ناشی از منابع مختلف بوده و اندازه گیری یا محاسبه مستقیم آن ها مشکل است که به طور کلی با مربع جریان روتور متناسبند.

موتورهای کم مصرف

 

موتورهایی هستند که در آن ها بهبود طراحی باعث افزایش بازده عملیاتی آن ها نسبت به طراحی استاندارد شده است. بهبود طراحی بر کاهش تلفات ذاتی موتور مترکز است. این بهبودها عبارتند از استفاده از فولاد سیلیکون کم تلفات، هسته بلندتر (برای افزایش ماده فعال)، سیم ضخیم تر (برای کاهش مقاومت)، تیغه نازک-تر، فاصله هوایی کم تر بین استاتور و روتور، میله مسی به جای آلومکینیومی در روتور، یاتاقان بهتر، فن کوچک-تر و غیره.

 

عوامل مؤثر بر بازده انرژی و کاهش تلفات موتور

 

کیفیت منبع تغذیه

 

عملکرد موتور تا حد زیادی تحت تأثیر کیفیت توان ورودی، یعنی ولت و فرکانس واقعی دو سر ترمینال های موتور در برابر مقادیر اسمی و نوسانات ولتاژ و فرکانس و عدم تعادل ولتاژ بین سه فاز است. عدم تعادل ولتاژ، حالتیکه در آن ولتاژ سه فاز مساوی نیست، بر عملکرد موتورها و عمر آن ها تأثیرگذارتر است. عدم تعادل معمولاً در اثر تغذیه بارهای تک فاز نا متناسب از یکی از سه فاز ایجاد می شود. همچنین می تواند ناشی از استفاده از کابل های با اندازه متفاوت در سیستم توزیع باشد.

 

کاستن بار نقصانی

 

رایج ترین عمل در رابطه با بازده موتور، بار نقصانی است. بار نقصانی باعث کاهش بازده و ضریب توان، و افزایش هزینه اولیه موتور و تجهیزات کنترلی مربوطه می گردد. بار نقصانی به چند دلیل رایج است. سازندگان اصلی تجهیزات مایلند از ضریب ایمنی بزرگ تر در موتورها استفاده کنند. بار نقصانی موتور از استفاده کم از دستگاه نیز ناشی می شود. به عنوان مثال، سازندگان ماشین ابزار، ابزار برش ماشین تراش را برای یک موتور با ظرفیت کامل فراهم می کنند. کاربر ممکن است به ندرت نیاز به این ظرفیت کامل پیدا کند، که باعث کارکرد با بار نقصانی در اکثر اوقات می گردد. یک دلیل رایج دیگر برای بار نقصانی، انتخاب موتور بزرگتر برای یک خروجی معین است حتی وقتیکه ولتاژ ورودی خیلی کم باشد. سرانجام، بار نقصانی ناشی از انتخاب موتور بزرگتر برای کاری است که نیازمند گشتاور راه اندازی زیاد است، در جاییکه یک موتور مخصوص برای این گشتاور زیاد مناسب تر خواهد بود.

برخی دیگر از عوامل مؤثر بر بازده انرژی و کاهش تلفات موتور شامل اقداماتی از قبیل: تعیین اندازه با بار متغیر، اصلاح ضریب توان می باشند که شرح کامل آن ها در کتاب "کارایی انرژی در تأسیسات حرارتی" ذکر شده است.