مقاله ماشین های سنکرون سه فاز

مقدمه

ماشینهای سنکرون تحت سرعت ثابتی بنام سرعت سنکرون می چرخند . و جزء ماشینهای جریان متناوب (AC) محسوب می شوند . در این ماشینها بر خلاف ماشینهای القائی ( آسنکرون ) میدان گردان شکاف هوائی ورتور با یک سرعت که همان سرعت سنکروه است می چرخند . ماشینهای سنکروه سه فاز بر دو نوع اند .

• ژنراتورهای سنکرون سه فاز یا الترناتورها
• موتورهای سنکروه سه فاز

امروزه ژنراتورهای سنکرون سه فاز ستون فقرات شبکه های برق را در جهان تشکیل می دهد و ژنراتورهای عظیم در نیروگاهها وظیفه تولید انرژی الکتریکی را به دوش می کشند . موتورهای سنکرون در مواقعی بکار می روند که به سرعت ثابت نیاز داشته باشیم .

البته موتورهای سنکرون تکفاز کوچکی هم وجود دارد که در فصل بعد راجع به ان اشاره می کنیم . نوع خطی موتورهای سنکرون بنام موتورهای سنکرون خطی یا LSM نیز در سیستم های حمل و نقل بکار می رود .

یکی از مزایای عمده موتورهای سنکرون اینست که می تواند از شبکه توان راکتیو دریافت و یا به شبکه توان راکتیو تزریق کند . ماشینهای سنکرون اعم از ژنراتور و موتور جزء ماشینهای دو تحریکه محسوب می شوند زیرا سیم پیچ رتور آنها توسط منبع DC تغذیه گشته و از استاتور انها جریان AC می گذرد . باید دانست ساختمان ژنراتور و موتور سنکرون سه فاز شبیه یکدیگر است . شار شکاف هوائی در این ماشینها منتجه شارهای حاصله از جراین رتور و جریان استاتور می باشد .

در ماشینهای القائی ( فصل قبل ) تنها عامل تحریک کننده جریان استاتور محسوب می شد ، زیرا جریان رتور بر اثر عمل القاء پدید می امد . لذا موتورهای القائی همواره در حالت پس فاز مورد بهره برداری قرار می گیرند ، زیرا به جریان پس فاز راکتیوی نیاز داریم تا شار در ماشین حاصل شود . اما در موتورهای سنکرون اگر مدار تحریک رتور ، تحریک لازم را فراهم سازد ، استاتور جریان راکتیو نخواهد کشید و موتور در حالت ضریب توان واحد کار خواهد کرد .

اگر جریان تحریک رتور کاهش می یابد ، جریان راکتیو از شبکه به موتور سرازیر می شود تا به رتور جهت مغناطیس کننده گی ماشین کمک کند . در اینصورت موتور سنکرون سه فاز در حالت پس فاز کار خواهد کرد . اگر جریان تحریک رتور زیاد شود ( میدان رتور افزایش می یابد ) در اینصورت جریان راکتیو پیش فاز از شبکه کشیده می شود تا با میدان رتور به مخالفت برخیزد . در اینصورت موتور در حالت پیش فاز کار می کند و توان راکتیو به شبکه می فرستد .

از گفتار فوق نتیجه می شود که با تغییر جریان تحریک ( مدار رتور ) که جریانی DC است ، ضریب توان موتور سنکرون سه فاز را می توان کنترل نمود . باید دانست که در تمامی مراحل موتور از شبکه توان اکتیو (P) می کشد اما توان راکتیو موتور (Q) به نحوه تحریک بستگی دارد .

اگر موتور بی بار باشد تغییر جریان تحریک باعث می گردد که موتور گاهی بصورت مقاومت ، گاهی بصورت سلف و گاهی بصورت خازن عمل نماید . موتور سنکرون بی بار را کندانسور سنکرون می نامند و در سیستمهای انتقال انرژی جهت تنظیم ولتاژ مورد استفاده قرار می گیرد . در صنعت نیز گاهی برای بهبود ضریب توان بجای خازن از موتورهای سنکرون در حالت پیش فاز استفاده می شود .

در اینجا لازم است قدری درباره ساختمان ماشینهای سنکرون سه فاز اعم از موتور و ژنراتور بحث شود . شکل 1 و 6-1 شمای استاتور این ماشینها را نشان می دهد . درون شیارهای استاتور سیم پیچی سه فاز استاتور جا سازی شده است و استاتور در این ماشینها شبیه استاتور ماشینهای القائی فصل قبل است .

در شکل 1 و 6-1 شمای دو نوع رتور برای ماشینهای سنکرون نشان داده شده است :

1. رتور با قطب های برجسته که در آن برجستگی قطبها مشهود است و قطبها توسط سیم پیچی تحریک یا سیم پیچی میدان تحریک می شوند . واضح است که در این نوع ماشینها شکاف هوائی ( فاصله بین رتور و استاتور ) غیر یکنواخت است . در زیر قطبها شکاف هوائی کم و در میان قطبها شکاف هوائی زیادی حاصل می شود .
2. شکل 1 و 6-1 . رتور استوانه یا رتور غیر برجسته ، در این نوع ماشینها شکاف هوائی درون ماشین کاملا یکنواخت است و رتور بصورت یک استوانه نسبتا کامل ساخته می شود 0 شل 1 و 6-1) .

شکل (2 و 6-1) شمای بیرون ماشین سنکرون را نشان می دهد . می بینیم از استاتور سه پایانه خارج می شود که مربوط به سیستم سه فاز استاتور است . تغذیه جریان DC تحریک مربوط به رتور If نیز از طریق حلقه های لغزان موجود بر روی محور ماشین انجام می شود . شکل 3 و 6-1 وضعیت سیم پیچی های سه فاز استاتور و سیم پیچ تحریک را نشان می دهد.

موتورهای سنکرون خطی LSM

در این موتورها حرکت خطی یا انتقالی پدید می اید . شکل ۶-۳۷ شمای اینگونه موتورهای را نشان می دهد . یکی از اعضای موتور که به اولیه معروف است حاوی سیم پیچی سه فاز می باشد . عضو دیگر که به ثانویه موسوم است حاوی اهن ربای دائم یا اهن ربای مصنوعی می باشد . اگر سیم پیچی سه فاز اولیه به شبکه سه فاز AC وصل گردد ، شار سیار در امتداد طول اولیه حرکت خواهد کرد . اهن ربای مربوط به ثانویه با موج سیار بطور همزمان Tp قطبی و f فرکانس منبع تغذیه است.

امروزه موتورهای اسنکرون خطی القائی خطی بیشتر از موتورهای سنکرون خطی مورد استفاده قرار می گیرند اما موتورهای سنکرون خطی قابلیت بیشتری در سیستمهای حمل و نقل بسیار سریع از خود نشان داده اند و ممکن است در اینده بسیار نزدکی شاهد ان باشیم که موتورهای القائی خطی اسنکرون خطی را عقب زده و خود به تنهائی در سیستمهای حمل و نقل و ترنهای برقی یکه تاز گردند . شکل ۶-۳۸ یک ترن برقی مجهز به موتور سنکرون خطی در ژاپن را نشان می دهد.

ساختمان ماشین های سنکرون سه فاز

استاتور ماشینهای سنکرون سه فاز اعم از ژنراتور و موتور حاوی سیم پیچی سه فازی است که درون شیارهای استاتور جا سازی شده و رد طلو محیط آن پخش و توزیع گردیده اند . استاتور ماشینهای سنکرون سه فاز شبیه ماشینهای القائی سه فاز است .

استاتور در ژنراتور بار را تغذیه می کند و در موتور سنکرون به شبکه وصل می شود تا جریان به درون موتور سرازیر شود . در هر دو حال جریان استاتور یک جریان AC است . به سیم پیچی استاتور سیم پیچی آرمیچر نیز گفته می شود و این امر بر خلاف ماشینهای DC است . زیرا در ماشینهای DC سیم پیچی آرمیچر بر روی رتور قرار دارد . سیم پیچی استاتور یا آرمیچر در ماشینهای سنکرون طوری طراحی می شوند که جریان و ولتاژ زیادی را تحمل نمایند .

رتور ماشینهای سنکرون حاوی سیم پیچی تحریک یا سیم پیچی میدان است و این سیم پیچی توسط جریان DC تحریک می گردد . شکل 6-1 شمای کلی ماشینهای سنکرون را نشان می دهد و قبلا قدری راجع به ان صحبت کردیم . همانطور که در شکل 6-1 دیدیم رتور این ماشینها بر دو نوع است:

1. رتور قطب برجسته : این رتورها عمدتا در ماشینهائی بکار می رود که سرعت سنکرون آنها کم است .
2. رتور قطب برجسته : این رتورها عمدتا در ماشینهائی بکار می رود که سرعت سنکرون آنها زیاد است .

در اینجا بد نیست بدانید در نیروگاههای بخاری از ژنراتورهای با رتور استوانه ای ( غیر برجسته ) استفاده می شود . در نیروگاههای دیگر که سعرت چرخش توربین متصل به محور ژنراتور کم است از رتورهای قطب برجسته استفاده می شود. شکل 6-2 تصویر یک ژنراتور با قطب استوانه ای ( غیر برجسته ) عظیم الجثه را نشان می دهد و شکل 6-3 تصویر یک ژنراتور قطب بر جسته را به نمایش می گذارد . در این فصل ابتدا راجع به عملکرد ماشینهای سنکرون بارتور استوانه ای در حالت ماندگار مانا بحث می شود و سپس اثر برجستگی قطبها را مطرح می سازیم .

ژنراتور سنکرون

شکل 1 و 6-4 را در نظر می گیریم و فرض می کنیم اگر جریان (If) DC از سیم پیچی تحریک رتور بگذرد شاری با توزیع سینوسی در شکاف هوایی ایجاد می کند . حال اگر رتور توسط محرک اولیه مثل موتور دیزل یا تورین یا موتور DC چرخانده شود یک میدان گردان در شکاف هوائی حاصل می شود . به این میدان لفظ میدان تحریک نیز اطلاق می شود .

این میدان در سیم پیچهای سه فاز آرمیچر ( cc/,bb/ , aa/ در شکل 6-4 ) ولتاژ القاء می کند و این سه ولتاژ القائی در شکل 2 و 6-4 نشان داده شده است . این ولتاژها از نظر دامنه یکسان ، اما با هم 120درجه الکتریکی اختلاف فاز دارند . به این ولتاژها نامهای زیر اطلاق می گردد و با علامت Ef مشخص می شوند.

1. ولتاژ القاء شده
2. ولتاژ تولید شده
3. ولتاژ داخلی
4. ولتاژ تحریک

شین بی نهایت

ژنراتورهی سنکرون سه فاز عمدتا به سیستم قدرت متصل اند و بندرت به تنهایی بارهای خاص و محلی را تامین می کنند . در صورتیکه ژنراتورهای سنکرون سه فاز به شبکه قدرت وصل اند و مشترکا بار مشترکین را تامین می کنند در اینصورت اصطلاحا می گویند که ژنراتورها به شین بی نهایت وصل اند .

از انجائیکه تعداد ژنراتورهای متصل به شبکه زیاد بوده و اندازه این ژنراتورها نسبتا بزرگ و حجیم است لذا ولتاژ و فرکانس شین بی نهایت به سختی قابل تغییر است و ثابت می باشد . مصرف کننده ها بار از نقاط مختلف شین بی نهایت توسط انشعابهائی تغذیه می شوند .

شکل 6-7 یک شین بی نهایت را که گاهی نیز به آن شبکه بهم پیوسته نیز اطلاق می شود ، نشان می دهد . معمولا ولتاژ پایانه های ژنراتورهای مدرن امروز حدود 33 کیلو ولت است . لذا برای وصل ژنراتورها به شین بی نهایت یا شبکه بهم پیوسته از ترانسفور ماتور استفاده می شود .

پس از افزایش ولتاژ ژنراتورها توسط ترانسفورماتورها این ژنراتورها توسط خطوط انتقال انرژی به شین بی نهایت با شبکه بهم پیوسته وصل می شوند . علت انکه ولتاژ خطوط انتقال انرژی بالاست آنستکه بازده سیستم افزایش یابد و از تلفات کاسته گردد . همانطور که از شکل 6-7 پیداست خطوط انتقال انرژی فشار قوی از شین بی نهایت با شبکه منشعب شده تا مراکز بار تغذیه نماید . در مراکز بار از ترانسفور ماتورهای کاهنده استفاده می شود تا بارهای خانگی و بارهای صنعتی و بارهای تجاری تغذیه شوند .

در نیروگاه ژنراتورهای سنکرون بستهب ه شرایط خاص بهره برداری به شین بی نهایت وصل و یا از ان جدا می شوند . وصل ژنراتور به شین بی نهایت مقوله موازی کردن ژنراتور با شین بی نهایت را مطرح می سازد .

قبل از موازی کردن ژنراتور سنکرون با شبکه ژنراتور سنکرون باید مشخصات زیر را دارا باشد :

• هم ولتاژ شبکه یا شین بی نهایت باشد.
• هم فرکانس شبکه یا شین بی نهایت باشد
• توالی فاز ژنراتور با توالی فاز شبکه یکسان باشد
• همفاز شین بی نهایت یا شبکه باشد

در نیروگاهها چک کردن صحت شرایط فوق توسط دستگاهی بنام سنکروسکوپ انجام می پذیرد شکل 6-8 وضعیت عقربه در این دستگاه اختلاف فاز ولتاژ ژنراتور و ولتاژ شبکه را نشان می دهد . جهت حرکت عقربه نشان م یدهد که ژنراتور بسیار سریع و یا بسیار آرام می چرخد . بعبارت دیگر این امر مشخص می سازد که آیا فرکانس ژنراتور بیشتر یا کمتر از شبکه می باشد ؟ باید دانست مساله چک کردن توالی فازها توسط این دستگاه امکان پذیر نیست و قبل از موازی سازی باید حتما این امر مورد تائید قرار گرفته باشد زیرا خطرات جبران ناپذیری را به دنبال خواهد داشت .

هر گاه عقربه خیلی آرام حرکت می نمود ، بعبارت دیگر فرکانسها تقریبا یکسان اند و به نقطه اختلاف فاز صفر رسید وضعیت عمودی در جهت بالا مدار شکن دژنکتور را می بندیم و ژنراتور را به شکبه بی نهایت وصل می نمائیم .

در آزمایشگاه بجای استفاده از سنکروسکوپ می توان از سه لامپ جهت موازی کردن ژنراتور با شبکه استفاده نمود . شکل 6-9 شمای مربوط به این آزمایش را نشان می دهد .

در اینجا محرک اولیه یک موتور DC یا موتور القائی است که نقش تورین نیروگاه را ایفا می کند . سرعت چرخش محور رام یتوان طوری تنیم کرد که فرکانس ژنراتور سنکرون با شین بی نهایت مساوی گردد . فی المثل می توان گفت اگر ژنراتور سنکرون سه فاز 4 قطبی باشد باید انرا با سرعت 1800 درو در دقیقه بچرخانیم تا فرکانس 60 هرتز حاصل گردد .