بخشی از مقاله
درآمدي بر كاربرد آرميچر
چگونگي پيدايش جريان برق
از زمانهاي بسيار قديم بشر با آهن ربا هاي طبيعي آشنا بوده ، نيروهاي جاذبه و دافعه بين قطعات مختلف اين آهن ربا ها و نيز بين آنها و ساير قطعات آهني را مي شناخته است . اما تا حدود 200 سال قبل تحليل صحيح و دقيقي از رفتار اجسام مغناطيسي ارائه نشده بود و به همين دليل استفاده چنداني از اين پديده انجام نمي شد .
در سال 1819 ميلادي يك دانشمند دانماركي به نام اورستد متوجه شد هنگام عبور جريان برق از يك سيم ، چنانچه در مجاورت آن قطب نمايي قرار دهيم ، عقربه قطب نما ( كه از جنس آهن رباي طبيعي است ) منحرف مي گردد . اين تجربه نشان داد كه جريان برق نيز مانن آهن رباي طبيعي در اطراف خود يك ميدان مغناطيسي ايجاد مي كند كه شدت آن بستگي به شدت جريان دارد.
درآمدي بر ماشينهاي DC
امروزه ماشين هاي الكتريكي نقش اساسي در صنعت ايفا مي كنند و بنابراين به عنوان يكي از دروس مهم مهندسي برق در دانشگاه هاي دنيا مطرح مي باشند. متاسفانه بيشتر دانشجويان مهندسي برق به دليل استفاده از فقط يك مرجع براي اين درس و ديد تك بعدي به ماشين هاي الكتريكي كه همان ديد مداري محض(KVL وKCL) است؛ همواره داراي ضعف اساسي در اين درس مي باشند.اولين ماشين هاي الكتريكي دوار كه يك دانشجوي مهندسي برق با آنها آشنا مي شود ماشين هاي DC هستند؛.
لذا زير بناي فهم دانشجويان از اصول اساسي ماشين هاي الكتريكي گردان در همين نوع ماشين ها شكل مي گيرد و چه بسا در صورت عدم فهم مناسب ماشين هاي DC ،دانشجو با ساير ماشين هاي دواري كه بعداً با آنها مواجه مي شود(نظير موتور هاي القايي سه فاز،ژنراتور هاي سنكرون سه فاز،موتور هاي القايي تك فاز و ماشين هاي مخصوص)قطعاً دچار اشكال مي گردد و نخواهد توانست ديد مهندسي خوبي را نسبت به ماشين هاي الكتريكي ،پيدا كند.
من با توجه به مطالعه تعداد زيادي كتاب راجع به ماشين هاي الكتريكي و چند ترم تدريس اين درس (به صورت TA در خدمت چند تن از اساتيد محترم دانشكده برق دانشگاه صنعتي شريف) توانستم ضعف دانشجويان را در اين درس ريشه يابي كنم ؛كه همان طور در بالا اشاره شد نگاه يك چشمي به ماشين هاي الكتريكي به عنوان مدار هاي الكتريكي است.
در حالي كه مي دانيم موتور ها و ژنراتور هاي الكتريكي به عنوان مبدل انرژي الكتريكي به مكانيكي و بالعكس هستند و اين تبديل انرژي تنها در سايه پديده هاي الكترو مغناطيسي صورت خواهد گرفت.از همين بيان مي توان نتيجه گرفت كه روشي كه ماشين هاي الكتريكي را مورد تجزيه و تحليل قرار مي دهيم تركيبي از سه ديدگاه زير است: 1)ديدگاه الكترومغناطيسي:محاسبات mmf و نيروهاي الكترومغناطيسي و ميدان هاي مغناطيسي.
2)ديدگاه مكانيكي:محاسبات گشتاور-سرعت و اعمال فرم زاويه اي قانون دوم نيوتن براي تجزيه و تحليل حالت هاي گذراي ماشين هاي DC به صورت معادله ديفرانسيل معمولي رسته دوم 3)ديدگاه مداري:به دست آوردن مدار معادل الكتريكي ماشين هاي الكتريكي ومحاسبات ولتاژ و جريان پايانه اي ژنراتورها و جرياني كه موتور از شبكه DC ياAC مي كشدو مثلاً ضريب قدرت ورودي يك موتور AC كه گفتيم اين تنها ديدگاه دانشجويان نسبت به ماشين هاي الكتريكي است. كتابي كه پيش رو داريد در 8 فصل و از سه ديدگاه فوق به سبك استدلالي دقيق ماشين هاي DC را تجزيه و تحليل مي كند
. با توجه به اين موضوع كه گرايش اصلي من مخابرات ميدان (الكترومغناطيس) مي باشد لذا سعي كردم ديدگاه الكترومغناطيسي روشني از ماشين هاي DC ارائه دهم اين موضوع در سرتاسر اين كتاب به چشم مي خورد (مثلاً در فصل پنجم اثبات دقيق الكترومغناطيسي اين حقيقت كه توزيع mmf روتور يك ماشين DC يك شكل موج شبه مثلثي است آورده شده است كه در هيچ يك از مراجع معتبر درس ماشين هاي الكتريكي مطرح نشده است).
مهم ترين نكته برجسته اين كتاب زبان ساده به كار گرفته شده و تعدد شكل هاي واضح در آن است اما در عين حال سعي شده كليه مطالب درسي مربوطه به طور كامل پوشش داده شوند.همچنين در اين كتاب سيم پيچي موجي يك ژنراتور DC و شكل موج ولتاژ توليدي آن در فصل سوم تجزيه و تحليل شده كه اين مساله هميشه به عنوان يك مساله بي جواب در كلاس هاي درس دانشكده برق بين دانشجويان تيزبين مطرح بود و در هيچ يك از مراجع درس ماشين بدان اشاره اي نشده است
(فقط به ذكر فرمول تعداد مسير هاي موازي جريان برابر 2 است بسنده كرده اند).حال من به كمك نرم افزار Mechanical Desktop روتور 18 شياري با سيم پيچي موجي را 5 درجه،5درجه چرخانده ام و ولتاژ پايانه اي آن را به صورت تابعي از زمان درآوردم. با آرزوي موفقيت براي همه مهندسان برق ايراني ژنراتورها وموتورهاي الكتريكي : مقدمه: ژنراتورها و موتورهاي الكتريكي گروه از وسايل استفاده شده جهت تبديل انرژي مكانيكي به انرژي الكتريكي يا برعكس .
توسط وسايل الكترومغناطيس هستند . يك ماشيني كه انرژي الكتريكي به مكانيكي تبديل مي كند موتورنام دارد وماشيني كه انرژي مكانيكي را به انرژي الكتريكي تبديل مي كند ژنراتور يا آلترناتور يامتناوب كننده يا دينام ناميده مي شود . دو اصل فيزيكي مرتبط با عملكردموتورهاوژنراتور ها اولين اصل فيزيكي اصل القايي الكترومغناطيسي كشف شده توسط مايكل فارادي دانشمند بريتانيايي است. اگر يك هادي در ميان يك ميدان مغناطيسي حركت كند يا اگر طول يك حلقه ي القايي ساكني جهت تغيير استفاده شود. يك جريان ايجاد مي شود يا القا مي شود در كنتاكنتور بحث اين اصل اين است كه در مورد واكنش الكترومغناطيسي بحث مي كند
و اين كه اين واكنش در ابتدا توسط آندر مري آمپر در سال 1820 كه دانشمند فرانسوي است كشف شد.اگر يك جريان از ميان يك كنتاكتور كه در ميدان مغناطيسي قرار گرفتند عبور كند . ميدان نيروي مكانيكي بر آن وارد مي كند
. ساده ترين ماشيني هاي ديناموالكتريك ديسك ديناميكي است كه توسعه يافته توسط افرادي است كه آن شامل يك صفحه ي مسي پيچيده شده است. كه اين پيچش از مركز تالبه وجود دارد .و بين قطبهاي يك آهنرباي سمبر اسبي است . وقتي ديسك مي چرخد يك جريان بين مركز ديسك ولبه ي آن توسط عملكرد ميدان آهنربا القا مي شود كه ديسك يا صفحه ميتواند ساخته شود.
جهت عمل كردن به عنوان يك موتور توسط بكار بردن يك ولتاژ بين لبه ي ديسك و مركزش كه اين به علت چرخش ديسك به دنده بدليل نيروي توليد شده توسط واكنش مغناطيس است . ميدان مغناطيسي آهن رباي دائم به اندازه ي كافي براي كار كردن كافي است . كه حتي به عنوان يك موتور يا دينام كوچك بكار مي رود ( كار مي كند). در نتيجه براي ماشين هاي بزرگتر آهنرباي بزرگتري بكار مي رود. هم موتور ها وهم ژنراتورها داراي دو اصل هستند :
قسمتها وميدان كه آهنرباي الكترومغناطيسي با سيم پيچ هايش و آرميچر و ساختاري كه از كنتاكتور حمايت مي كند و كار قطع ميدان مغناطيسي وحمل جريان القا شده ژنراتور يا جريان ناگهاني به موتور را دارد است. آرميچر معموﻸ هسته ي نرم آهني اطراف سيم هاي القايي كه دور سيم پيچ ها پيچيده شده اند است.
موتور هاي AC: دو نوع اساسي موتور ها طراحي شده اند براي عمل كردن بر روي جريان متناوب پولي فاز موتور هاي سنكرون و موتور هاي القايي موتور هاي سنكرون اساسآ يك تناوب گر(آلترناتور) سه فاز است كه بصورت معكوس كار مي كند. آهنربا هاي ميدان روي رتور پيچيده شده اند توسط جريان مستقيم تحريك شده اند و سيم پيچ آرميچر به سه قسمت تقسيم مي شود و با جريان متناوب سه فاز تغذيه مي شوند . تغيير موج هاي سه فاز جرياندر آرميچر واكنش متغيير مغناطيس را با قطبهاي آهنربا هاي ميدان سبب مي شوند.
و چرخش ميدان با يك سرعت ثابت كه اي سرعت ثابت توسط فركانس جريان در خط قدرت AC تعيين مي شود را سبب مي گردند سرعت موتور سنكرون در وسايل خاصي سودمند است. همچنين در كاربدهايي كه بار مكانيكي روي موتور خيلي زياد مي شود و نيز موتور هاي سنكرون نمي توانند استفاده شوند. بخاطر اينكه اگر موتور سرعتش كاسته شود تحت بار آن يك مرحله عقب مي ماند .
در واقع يك پله كاسته مي شود با فركانس جريان و منجر به توقف موتور مي شود موتور هاي سنكرون مي توانند ساخته شوند براي عملكرد از يك منبع قدرت تك فاز توسط با شاكل شدن عناصر مدار مناسب كه يك ميدان مغناطيسي چرخش را سبب مي شود ساده ترين موتور هاي الكتريكي نوع قفس سنجابي موتور هاي القايي استفاده شده بايد يك تغذيه سه فاز مي باشد استاتور يا ارميچر ساكن از موتور قفس سنجابي شامل سه سيم پيچ ثابت مشابه با آرميچر موتور سنكرون مي باشد
عصر چرخشي متشكل از يك هسته: در قسمتي كه يك سري از كنتاكتور ها سنگين نظم داده ومنظم شده اند وقرار گرفته اند بصورت يك دايره در اطراف شافت (ميله) و موازي با آن برداشتني هستند كنتاكتور هاي روتور به شكل قفسه اي استوانه اي و مشابه به ان استفاده مي شوند بصورت سنجابي (كار مي كنند) جريان سه فاز در سيم پيچ هاي استاتور جاري مي شوند و يك ميدان مغناطيسي چرخشي توليد مي كند. اين ميدان يك جريان در كنتاكتور هاي نوع قفسه اي القا مي كند . واكنش مغناطيسي بين ميدان چرخشي و كنتاكتور هاي حامل جريان روتور روتور را به حركت در مي اورند. اگر روتور دقيقآ با سرعت يكساني به مانند ميدان مغناطيسي بچرخد هيچ جرياني در آن القا نخواهد شد. و از اين رو روتور با سرعت سنكرون نبايد به حركت درايد.
در عمل سرعتهاي چرخش روتور و ميدان در حدود 2 تا 5 درصد با هم تفاوت دارند. اين تفا وت سرعت بعنوان لغزش معروف است. متور ها با روتور هاي قفس سنجابي مي توانند استفاده شوند روي جريان متناوب تكفاز بوسيله نظم هاي مختلفي از القا و ظرفيت و بر اساس اين دو مورد كه ولتاژ تكفاز را اصلاح مي كند و تغيير مي دهد و آن را به ولتاژ فاز تبديل مي كند چنين موتور هايي بعنوان موتور هاي فاز شكاف (Spelat Phase) مشخص و معروفند يا موتور هاي تعديل كننده يا كند از سر(متور هاي خازني) بر اساس نظم و ترتيب آن ها استفاده مي شوند.
موتور هاي قفس سنجابي تكفاز گشتاور شروع(راه اندازي) زيادي ندارند. و براي به كار انداختن در حالي كه گشتاور زياد است موتور هاي خنثي القايي استفاده مي شود . يك موتور خنثي القايي ممكن است از نوع فاز شكاف باشد. يا از نوع تعديل كننده اما يك سوئيچ يا اتو ماتيك يا دستي دارد كه اجازه مي دهد جريان بين جاروبك هاي كموتاتور وقتي موتور شروع به حركت مي كند. جاري شود و اتصالات كوتاه همه اجزاي كموتاتور بعد از اينكه موتور به يك سرعت تقسيم مي شوند . موتور هاي دفع القايي يا خنثي القايي به اي خاطر ناميده شده اند .
كه گشتاور راه اندازيشان وابسته است به دفع بين روتور و استاتور و گشتاورشان در زمان راه اندازي وابسته است به القا موتورهاي سيم پيچي شده ي سري با كموتاتور ها كه بر روي جريان متناوب با جريان مستقيم عمل مي كنند. موتور هاي يونيورسال ناميده مي شوند. آن ها معمولآ فقط در اندازه هاي كوچك ساخته مي شوند و معمولآ در مصارف خانگي كاربرد دارند. آلتر ناتور هاي جريان متناوب(AC)(آلتر ناتور ها) ژنراتوها: همانتور كه در بالا گفته شد يك ژنراتور ساده بدون كموتاتور توليد خواهد كرد كه يك جريان الكتريكي كه متناوب مي شوند.
در مسير همانطور كه آرميچر مي چرخد چنين جريان متناوبي مزيت زيادي دارد . براي اتقال توان الكتريكي و از اين رو بشترين ژنراتور هاي اللتريكي بزرگ از نوع AC هستند.در ساده ترين شكلش يك ژنراتور AC فقط در دو حالت خاص فرق مي كند با ژنراتور DC پايانه هاي سيم پيچ آرميچرش بيرون هستند. براي حلقه هاي لغزان جزئي شده جامد روي شافت(ميله)ژنراتو بجاي كموتاتور و سيم پيچ هاي ميذان توسط يك منبع DC خارجي تغذيه انرژي مي شوند. تا اينكه توسط خود ژنراتور اين كار انجام مي شود
. ژنراتور هاي AC سرعت پاييني با تعداد زيادي در حدود 100 قطب ساخته مي شوند. هم براي بهبود بازده شان و هم براي دست يافتن به فركانس دلخواه به آساني. آلترناتور ها با توربين هاي سرعت بالا راه اندازي مي شوند. همچنين اغلب ماشين هاي دو قطبي هستند. فركانس جريان گرفته شده توسط ژنراتو AC مساوي است
با نيمي از تعداد قطبها و تعداد چرخش آرميچر در هر ثانيه. اغلب مطلوب است در مورد ژنراتور كه واتژ بالايي وجود داشته باشد و آرميچر هاي در حال چرخش در چنين كاربرد هايي صرف عمل نمي كنند. بخاطر احتمال جرقه زني بين جاروبكها و حلقه هاي لغزان و خطر شكستهاي مكانيكي كه ممكن است سبب اتصال كوتاه شود . آلترناتور ها بنا بر اين با يك سيم پيچ ساكن كه بدور يك روتور مي چرخد . و اين روتور شامل تعدادي اهنرباي مغناطيسي ميدان هستندساخته مي شوند اصل عملكرد آنها دقيقآ مشابه عملكرد ژنراتور هاي AC توصيف شده اند.
بجز اينكه ميدان مغناطيسي(نسبت به كنتاكتور هاي آرميچر) به حركت در مي ايند. جريان توليد شده توسط آلترناتور هاي توصيف شده در بالا به يك پيك مي رسد و به صفر ختم مي شوند و به يك پيك منفي افت مي كنند. و دوباره به سمت صفر مي آيند. و در چند زمان در واقع چندين بار در هر ثانيه بسته به فركانس كه ماشين طراحي شده چنين جريان را جريان متناوب تكفاز ناميده اند. همچنين اگر آرميچر در داخل دو سيم پيچ قرار گيرد
كه اين سيم پيچ ها از زاويه ها و گوشه هاي راست يكديگر كشيده شده اند و با اتصالات خارجي مجزا تهيه شده اند. دو موج جريان توليد خواهد شد. هر كدام در ماكزيممش خواهد بود وقتي كه ديگري به صفر برسد .چنين جرياني را جريان متناوب سه فاز ناميده اند. اگر سه سيم پيچ ارميچر با زواياي 120درجه با يكديگر قرار گيرند جريان به شكل موج سه برابر و كريپل توليد خواهد شد كه به آن جريان متناوب سه فاز گفته مي شود. يك تعداد زيادتري از فازها ممكن است با افرايش تعداد سيم پيچها بدست آمده باشند
و گرفته شوند در ارميچر اما در مهندسي برق مدرن جريان متناوب سه فاز بسيا پر كاربرد است و آلترناتور سه فاز ماشيني دينامو الكتريكي است كه بطور كلي براي توليد قدرت الكتريكي (يا توان الكتريكي) بكار مي رود. ولتاژ هاي بالاي 13200 در آلترناتور ها رايج ترند.
عكس العمل آرميچر چيست؟
عكس العمل آرميچر: عواملي كه در حالت بارداري دينامو باعث تغيير نيروي الكتروموتوري آرميچر مي باشد عكس العمل آرميچر ناميده مي شود و مهمترين آنها به شرح زير است:
1- عكس العمل القا شونده كه باعث افت ولتاژ در مقاومت سيم پيچ آرميچر مي شود در حالت ژنراتور V=E-RI و در حالت موتور V=E+RI مي باشد 0E نيروي الكتروموتوري توليد شده و V ولتاژ دو سر آرميچر و RI افت ولتاژ آرميچر مي باشد0
2- عكس العمل مغناطيسي كه باعث نيروي الكتروموتوري و فوران مي گردد و به دو دسته تقسيم مي شود0
الف: عكس العمل عرضي ب: عكس العمل طولي الف: عكس العمل عرضي ميدان مغناطيسي يك ماشين ، توسط سيم پيچ تحريك تامين مي گردد 0 در يك ماشين باردار ، جرياني كه از سيم پيچ هاي آرميچر مي گذرد نيز توليد ميدان مغناطيسي مي نمايد و اين ميدان روي ميدان اصلي اثر نموده و با عث ايجاد خطوط ميدان تحريك مي شود
. آرميچر كه از سيم پيچ هاي آن جريان مي گذرد ميداني به وجود مي آورد كه محور آن بر محور جاروبكها منطبق است0 وجود ميدان آرميچر سبب ايجاد فوران مغناطيسي تحت قطبها مي شود و در يك طرف قطب ،آنرا تقويت و در طرف ديگر آن را تضعيف مي كند . اگر ماشين اشباع نباشد عكس العمي عرضي آرميچر در e.m.f. آرميچر تغيير نمي دهد ولي در حالت اشباع ماشين e.m.f. ارميچر كاهش مي يابد. در حالت بارداري ، جريان ميدان تحريك و جريان آرميچر هر دو وجود دارند و m.m.f. هاي منتجه اين دو جريان توليد موج دانسيته فوران مينمايد . خط خنثاي الكتريكي يا منطقه اي كه دانسيته فوران در آن صفر است در حالت ژنراتور از خط خنثاي هندسي ،
در جهت چرخش و در حالت موتور در جهت عكس چرخش تغيير مكان مي دهد . مولفه فوران مغناطيسي در محور خنثي باعث اشكالات كموتاسيون ميشود m.m.f. آرميچر توليد عكس العمل آرميچر مي نمايد . ضمن مهمترين مولفه (قسمت) از اين m.m.f. در محور خنثي (محور ربعي ) واقع است. مدار مغناطيسي اشباع نشده: در اين حالت قابليّت نفوذ مغناطيسياجرا مختلف مدار مغناطيسي را مي توان ثابت فرض نمود
و در نتيجه دانسيته فوران منتجه در هر نقطه مساوي حاصل جمع جبري دانسيته هاي فوران آرميچر و ميدان تحريك مي باشد .و در اثر تغيير شكل اندوكسيون منتجه محور خنثي در جهت گردش آرميچر تغيير مكان مي دهد0 جاروبكها را بايد در جهت گردش آرميچر تغيير مكان داد،چون ومدار مغناطيسي به حال اشباع نرسيده است تقويت دانسيته فوران در يك گوشه از قطب و تضعيف آن در گوشه ديگر ،ؤ يكديگر را جبران مي نمايد و فوران كلي تغيير نمي كند
اما به علت تغيير شكل خطوط قواي مغناطيسي و طولاني شدن راه آنها مقاومت مغناطيسي افزايش مي يابد و چون نيروي محركه مغناطيسي ثابت است لذا فوران مفيد كاهش مي يابد0 مدار مغناطيسي اشباع شده: در اين حالت نمي توان دانسيته فوران ميدان اصلي و عكس العمل آرميچر را جمع جبري نمود و بايد نيروهاي محركه مغناطيسي را تركيب نموده و از روي منتجه آنها اندوكسيون را در نقطه مطلوب تعيين نمود0 با رعايت اين نكته منحني نمايش دانسيته فوران در سطح آرميچر بر حسب نيروي محركه مغناطيسي كلي در شكل (1-1) نشان داده شده است 0فرض مي شود
Boدانسيته فوران در حالت بي باري مولد و Fo نيروي محركه مغناطيسي باشد كه آنرا توليد مي نمايد0 شكل شماره 1-1 تغييرات نيروي محركه مغناطيسي ايجاد شده توسط جرياني كه هنگام بارداري مولد از سيمهاي آرميچر آن مي گذرد زير قطبها خطي است و بعلاوه در روي محور قطبي ( محوري كه از قطب مي گذرد) صفر و درآن گوشه ي قطب كه آرميچر از آن دور مي شود مثبت و در آن گوشهي قطب كه القا شونده به آن نزديك مي شود منفي است،
در نقطه اي به فاصله X از محور قطبي ، شكل (2-1) ، اين نيروي محركه مغناطيسي را ميتوان به صورت F1=Kx نوشت 0K ضريبي ثابت است كه تابع جريان القا شونده ميباشد 0 نيروي مغناطيسي منتجه برابر است با:F=Fo+F1= Fo+Kx شكل 2-1 با مقايسه فورانهاي حالت بي باري و بار داري مشاهده مي شود كه كاهش فوران در گوشه ورودي و افزايش آن در گوشه خروجي مي باشد.افزايش فوران در گوشه خروجي نمي تواند كاهش فوران را در گوشه ورودي جبران كند و لذا از فوران مفيد و در نتيجه نيروي الكتروموتوري القا شده در مولد كاسته مي شود 0
طرق مختلف جبران عكس العمل عرضي آرميچر : تعبيه شيارها در كفشكهاي قطبي : با ايجادچند شيار در كفشكهاي قطبي فاصله هوايي در شيار مسير فوران عكسالعمل آرميچر به وجود مي آورند ، تا با لفزايش مقاومت مغناطيسي از مقدار فوران عرضي كاسته شود0 اما شيارهاي كفشكهاي قطبي مقطع آهن كفشكها را كاهش مي دهد و در نتيجه زود تر آنرا به حال اشباع مي رساند . به علاوه وجود شيارها در كفشكهاي قطبي موجب مي گردد كه دانسيته فوران مغناطيسي در فاصله هوايي ميان كفشكهاي قطبي و آرميچر از حالت يكنواختي خارج شود ، از اين جهت به ندرت اين طريق را به كار مي برند0
2-سيم پيچي تعديل اگر ولتاژ موجود بين تيغه هاي مجاور يك كلكتور را به صورت تابعي از وضع زاويه اي پيرامون كلكتور ، رسم نماييم نتيجه يك منحني استكه تقزيبا شبيه منحني توزيع دانسيته فوران مي باشد ولتاژ بين تيغه هاي مجاور وقتي كه دو طرف كلاف متصل به انها در قويترين ميدان قرار گيرد، حداكثر خواهد بود . عكس العمل عرضي آرميچر باعث توزيع ولتاژ در دور كلكتور مي شود . در بعضي موارد ، ماشينها گاهي ، تحت بار اضافي يا تغييرات سريع بار قرار مي گيرند
. زماني كه بار اضافي بيش از حد روي ماشين باشد يا تغييرات ناگهاني بار اتفاق بيفتد ، ولتاژ بين تيغه هاي كلكتور ممكن است بقدري زياد شود كه باعث ايجاد جرقه بين دو جاروبك مجاور با پلاريته مخالف گردد و باعث اتصال كوتاه يا بعضي اوقات ، سوختن كلكتور گردد . مگر اينكه براي غلبه بر عكس العمل عرضي آرميچر اقداماتي صورت گيرد . براي اين منظور سيم پيچ ديگري در ماشين تعبيه مي شود .
m.m.f. مغناطيسي عرضي توسط اين سيم پيچ كه به سيم پيچ تعديل معروف است و. در صفحات قطبهاي اصلي تعبيه مي شود خنثي مي گردد . سيم پيچ تعديل به صورت سري با سيم پيچ آرميچر قرار مي گيرد و شماره مفتول هاي آن طوري است m.m.f. آن مساوي است با m.m.f. مفتولهاي آرميچر كه تحت صفحات قطبي قرار دارند، m.m.f.ها در دو جهت مخالف بوده و بنا بر اين m.m.f. سيم پيچ تعديل سبب تقليل دانسيته فوران آرميچر مي شود . سيم پيچ هاي تعديل براي خنثي نمودن اثر عكس العمل آرميچر ،
در منطقه خارج از نفوذ قطبها كموتاسيون و بخصوص براي يكنواخت نگاه داشتن توزيع فوران تحت صفحات قطبهاي اصلي به كار مي رود . اين سيم پيچ ها در شيارها يا سوراخهايي كه در صفحات قطبي تعبيه مي شود قرار مي گيرند و جريان سيم پيچ كموتاسيون جريان آرميچر را حملمي نمايد . براي مثال ، نصف مفتولهاي طرف راست صفحه يك قطب با نصف مفتولهاي واقع در طرف چپ قطب مجاور به طور سري متصل مي شوند ، بطوريكه جهت جريان در اين مفتولها مخالف جهت جريان آن قسمت از سيم پيچ آرميچر كه مستقيماً روبروي آنها قرار دارد مي باشد
. چون سيم پيچ هاي تعديل كننده تمام جريان آرميچر را حمل مي نمايند فوران توليد شده توسط هر دور از آنها خيلي قويتر از فوران هر دور سيم پيچ آرميچر مي باشد 0 بايد به خاطر داشت كه جريان مفتول آرميچر برابر جريان كل آرميچر تقسيم بر تعداد راه هاي جريان مي باشد0 لذا در صورتي كه ماشين 8 قطبي باشد و داراي سيم پيچ حلقوي ساده باشد در اين حالت m.m.f. توليد شده توسط شش مفتول سيم پيچ تعديل كننده برابر m.m.f. 48 مفتول سيم پيچ آرميچر خواهد بود 0 در طرح هاي عملط براي سيم پيچ هاي تعديل كننده
، فقط آن مفتولهايي از آرميچر كه مستقيماً در مقابل صفحات قطبي قرار مي گيرند توسط آمپر دورهاي مساوي خنثي مي شوند. در اين نوع ماشينها قطبهاي كموتاسيون از اثر عكس العمل آرميچر در مناطق بين قطبها جلوگيري مي نمايند0 ب- عكس العمل طولي آرميچر
: همان طور كه گفته شد عكس العمل عرضي آرميچر يك ژنراتور موجب تغيير شكل خطوط قواي مغناطيسي شده و در نتيجه محور خنثي در جهت تغيير آرميچر تغيير مكان مي يابد. بنابراين جاروبك ها را بايد در جهت گردش آرميچر روي كلكتور تغيير مكان داد تا در امتداد محور خنثي قرار گيرند لذا جهت جريان در هادي هاي القا شونده عوض مي شود به طوريكه جهت جريان در عناصر القا شونده گوشه خروجي قطب شمال مخالف جهت جريان القا شده در عناصرالقا شونده گوشه ورودي قطب جنوب بوده از اين رو اين دو جريان با هم جمع مي شوند
. در ماشين هاي چند قطبي كه سيم بندي آرميچر آنها a راه جريان دارد و جريان القا شده در آرميچر آنها مساوي I است جرياني كه از هر عنصر القا شونده مي گذرد I برa است . كموتاسيون و ولتاژ راكتانس: كلكتور و جاروبكهاي همراه با آن قسمتهاي مهمي از ژنراتور dc را تشكيل ميدهند.در مجموعه كلكتور و جاروبكها دو عمل لازم صورت مي گيردند . يكي عمل كموتاسيون كه شامل تبديل جريان متناوب توليد شده به جريان مستقيم خروجي است و ديگري انتقال جريان از آرميچر گردان به جاروبكهاي ساكن و در نتيجه به بار. هر دو عمل بايد به دقت و با استفاده از مواد مناسب و طرح خوب و تنظيم مناسب كنترل شود.
در غير اين صورت يك جرقه جدي و امكان از كار افتادن ماشين در بين خواهد بود . موقعي كه يكي از كلافهاي آرميچر بين جاروبكهاي مثبت و منفي متوالي مي چرخد جريان در آن كلاف در يك جهت عبور نموده و سپس اين كلاف براي كسري از ثانيه توسط جاروبك اتصال كوتاه مي شود كه پس از آن در منطقه بين جاروبكهاي منفي و مثبت متوالي عبور مي نمايد (منطقه اي كه در آن جريان در جهت مخالف قبل مي باشد ) دو عامل عمده مايل است كه از كموتاسيون ملايم جلوگيري نمايد : 1ـ امكان عبور جريان زياد در كلاف اتصال كوتاه شده . 2ـ خاصيت ضريب القا ي كلاف كه با تغيير جهت جريان مخالفت مي نمايد
. اغلب كلكتور در جهت عقربه هاي ساعت مي چرخد موقعي كه كلاف از وضع يك به دو حركت مي كند جريان در كلاف به طرف چپ يعني به طرف جاروبك مثبت مي باشد سپس كلاف ناگهان توسط جاروبك منفي اتصال كوتاه مي شود.اگر در اين وضع دو طرف كلاف ، فوراني را قطع نمايد ولتاژي توليد مي شود و در نتيجه آن جرياني از كلاف عبور خواهد كرد .اين دليل لزوم استفاده از قطبهاي كمكي است تا بتوان عكس العمل آرميچر را خنثي نموده و فواصل بين قطبي را نسبتاً عاري از فوران كرد .بالاخره موقعي كه كلاف در منطقه بين جاروبكهاي مثبت و منفي قرار ميگيرد از حالت اتصال كوتاه خارج شده و جهت جريان معكوس ميگردد يعني جريان به طرف راست جاري مي شود .
كموتاسيون سه منطقه عمل دارد: 1ـ قبل از اتصال كوتاه موقعي كه جريان جهت مشخصي دارد. 2ـدوره اتصال كوتاه كه بدترين دوره است . 3ـ حالت بعد از اتصال كوتاه موقعي كه جريان در جهت مخالف شروع به حركت مي نمايد . بايد توجه نمود كه جهت جريان در زمان بسيار كوتاهي عوض مي شود و اندوكتانس يك كلاف كه داراي چند دور سيم پيچي است و حول يك ماده مغناطيسي خوب پيچيده شده است با تغيير جريان از مثبت به منفي مخالفت مي نمايد
اكر به اين ولتاژ ، اجازه عمل داده شود باعث جرقه خواهد شد. چنانچه تغيير جهت جريان درست در همان لحظه اي انجام گيرد كه كلاف ، تيغه كلكتور را ترك مي كند يعني ميان تيغه كلكتور و جاروبك در لحظه اي كه از يكديگر جدا ميشوند هيچ جرياني عبور نكند در اين صورت كموتاسيون را كامل مي نامند برعكس اگر هنگام جداشدن تيغه كلكتور از جاروبك از كلافي كه به آن تيغه متصل است جرياني عبور نمايد جرقه اي بين جاروبك و تيغه كلكتور به وجود مي آيد و عمل كموتاسيون كامل نيست . ايجاد جرقه در جاروبك باعث گرم شدن فوق العاده كلكتور و جاروبكها ميشود
و جاروبكها به سرعت ساييده ميشوند و از بين ميروند .ساييده شدن جاروبكها و خرده شدن تيغه هاي كلكتور موجب مي شود كه تماس جاروبك ها روي كلكتور كامل نباشد و در نتيجه قدرت ماشين كاهش مي يابد . كموتاسيون هم داراي جنبه مكانيكي و هم داراي جنبه الكتريكي است ، از لحاظ مكانيكي ضرورت دارد كه جاروبك ها پيوسته با تيغه هاي كلكتور كه در زير آن ميگذرد تماس داشته باشد و با فشار ثابتي روي آنها قرار گيرد .از لحاظ الكتريكي كموتاسيون بسيار پيچيده است زيرا عوامل مختلفي نظير خودالقايي كافي كه در حال كموتاسيون است ،
القاي متقابل اين كلاف و ساير كلاف هايي كه به مرحله كموتاسيون رسيده اند ،نيروي الكتروموتوري ايجاد شده در كلاف توسط ميدان مغناطيسي خارجي مقومت اهمي اين كلاف و بالاخره مقاومت اهمي محل تماس جاروبكها باتيغه هاي كلكتور در عمل كموتاسيون دخالت دارند . مقاومت محل تماس جاروبكها با تيغه هاي كلكتور به جنس جاروبكها ، فشار تماس آنها و شدت جريان و حرارت و غيره وابستگي دارد لذا قابل تغيير است ، براي از بين بردن ولتاژ راكتانس لازم است يكي از اين دو عمل زير انجام گيرد:
1-تغيير مكان جاروبكها در ماشينهاي بدون قطبهاي كمكي . 2-استفاده از قطب هاي كمكي به منظور خنثي نمودن فوران عكس العمل آرميچر0 كموتاسيون دو تيغه اي : اين ساده ترين نوع كموتاسيون مي باشد زيرا جاروبك فقط يك كلاف را اتصال كوتاه مي نمايد0 فرض مي شود كه c كلافي باشد كه عمل كموتاسيون در آن انجام مي گيرد و a و b تيغه هاي كلكتور باشند كه سر وته اين كلاف به انها متصل شده است و B جاروبكي به عرض تيغه كلكتور باشد 0 جرياني كه از هر شاخه سيم بندي مي گذرد I فرض مي نماييم . كلكتور در جهت فلش f تغيير مكان مي دهد0 جريانهاي دو كلاف c1 وc2 كه قبل از كلاف C و بعد از آن قرار داردمساوي I است اما در اين كلافها جهتشان مخالف يكديگر است . جهت جرياني را كه از كلاف C2مي گذرد
مثبت و جهت جرياني را كه از كلاف C1 مي گذرد منفي قرار داده و جهت جريان I را كه از كلاف C مي گذرد در صورت تطابق با جهت جرياني كه از قبل از شروع كموتاسيون از آن مي گذشته مثبت فرض مي نماييم 0 اگر جريانهايي را كه به تيغه كلكتور B مي رسد به Ia و Ib نشان دهيم در اين صورت خواهيم داشت Ia=I+i Ib=I-i وجرياني كه از جاروبكها خارج مي شود مساوي است با: Ia+Ib=2I هنگام تغيير مكان كلكتور ، جريان i تدريجاً كاهش مي يابد و به صفر مي رسد و سپس تغيير جهت داده
و در لحظه اي كه جاروبك B از تيغه كلكتور a به كلي جدا مي شود و تمام سطح تيغه b را مي گيرد مقدار آن به صفر مي رسد . اگر To زمان عبور تيغه a از زير جاروبك باشد جريان I كلاف e در اين مدت تغيير جهت مي دهد و از +I به –I مي رسد در همان مدت جريان Ia تيغه a كلكتور از مقدار 2I به صفر و جريان Ib تيغه كلكتور از صفر به مقدار 2I مي رسد. كموتاسيون چند تيغه اي: در عمل عرض جاروبك را به اندازه اي انتخاب مي كنند كه چند تيغه را بپوشاند . در اين نوع كموتاسيون كه كموتاسيون چند تيغه اي ناميده مي شود جاروبك در آن واحد چند كلاف مجاور را اتصال كوتاه مي نمايد 0 وسايلي كه براي بهبود كموتاسيون به كار ميرود : براي از بين بردن نيروي الكتروموتوري خود القا ي كلاف اتصال كوتاه شده و بهبود كموتاسيون معمولاً به طرق زير عمل مي شود
: الف- تغيير مكان جاروبكها از محور خنثي در جهت گردش آرميچر : همچنانچه كه قبلاً ذكر شد جريان در سيم پيچ آرميچر ، توليد ميدان مغناطيسي مي نمايد كه روي ميدان اصلي قرار مي گيرد 0 بايد توجه نمود كه فوران آرميچر به طرف پايين است در صورتي كه ميدان اصلي از طرف چپ به راست مي باشد ،
يعني دو ميدان نسبت به يكديگر زاويه 90 درجه مي سازند ، دو ميدان روي يكديگر اثر نموده و فوران منتجه مي باشد0جهت فوران منتجه بالاجبار به طرف پايين است ، چون محور خنثي بايد هميشه با ميدان منتجه زاويه 90 درجه بسازد 0 محور خنثي مغناطيسي جديد در جهت عقربه هاي ساعت تغيير مكان مي دهد كه همان جهت چرخش مي باشد . واضح است كه اگر كموتاسيون بدون جرقه مطلوب باشد بايد جاروبكها را به اندازه زاويه تغيير مكان دهند0 اثر ديگر عكس العمل آرميچر كه كاملاً واضح به نظر نمي رسد تقليل ولتاژ توليد شده مي باشد. براي آنكه دليل آن روشن شود بايد به اين حقيقت توجه نمود كه فوران آرميچر ،
ميدان را در نصف هر قطب تضعيف و در نصف ديگر تقويت مي نمايد اگر تضعيف مساوي تقويت باشد ، مقدار فوران منتجه بدون تغيير ما ماند ولي اين حالت وجود ندارد زيرا معمولاًبه علت اشباع مغناطيسي ، تقليل بيشتر از افزايش مي باشد . در بيشتر حالات عملي تقليل در فوران ممكن است از يك تا چهار در صد ( بين حالت بي باري و بار داري ) تغيير نمايد 0 تغيير مكان محور مغناطيسي خنثي در جهت چرخش در كموتاسيون موثر است زيرا باعث ايجادجرقه در جاروبكها مي شود ، مگر آنكه آنها به محور خنثي جديد تغيير مكان داده شوند به علاوه جاروبكها بايد به طور دايم با تغيير بار به جلو و عقب تغيير مكان داده شوند زيرا اثر عكس العما آرميچر مربوط به مقدار جريان آرميچر است
0 اما چنانچه گفته شد اين تغيير مكان باعث عكس العمل طولي آرميچر مي شود و اين عكس العمل طولي فوران مفيد را در آرميچر تقليل مي دهد 0 در عمل ، تغيير مكان دائم جاروبكها همان قدر مسئله به وجود مي آورند كه جرقه ها به وجود مي آورند . بنابراين تغيير مكان جاروبكها مسئله كموتاسيون را به طور كامل حل نمي كند و فقط در ملشينهاي با قدرت كم مي توان از آنها استفاده كرد 0 براي اينكه اثرات زيان آور عكس العمل آرميچر روي يك ماشينdc تقليل داده شود
لوكتانس مسير فوران آرميچر ممكن است افزايش داده شود . اين عمل توسط افزايش فاصله ي هوايي و به وسيله استفاده از القاي زياد دندانه هاي فولادي انجام مي گيرد 0 افزايش القا توسط اشباع مغناطيسي ، سبب افزايش رلوكتانس دندانه ها مي شود . اين عمل معادل افزايش فاصلهي هوايي مي باشد . البته افزايش رلوكتانس احتياج به افزايش جريان تحريك دارد تا بتواند فوران مغناطيسي اصلي را نگه دارد
و اين باعث افزايش اندازه و وزن ماشين مي شود افزايش رلوكتانس در مسير فوران آرميچر فقط در ماشينهاي كوچك مؤثر است . در طرح ديگر ، رلوكتانس بين قطب و سطح هسته آرميچر را افزايش مي دهند0 اين عمل ، فوران عكس العمل آرميچر را در فواصل بين قطبها تقليل مي دهد ( يعني منطقه اي كه در آن براي وصول به كموتاسيون بدون جرقه ، بايد عاري از فوران باشد). رد مونتاژ ورقه ها ، نوكهاي قطبها به طور تناوب از يك طرف به طرف ديگر مي باشد . براي آنكه سطح مقطع آهن در نوك هاي قطب ها به اندازه نصف قسمت وسط باشد در اكثر ماشينهاي جريان مستقيم ، يك طرح مخصوص ( قطبهاي كموتاسيون )
حذف تغيير مكان خط خنثاي حقيقي با تغيير بار به كار برده مي شود0 قطب هاي كموتاسيون (قطب هاي كمكي) يكي از قسمتهاي ماشين كه در طرح ماشينهاي dc استفاده مي شود قطب هاي كموتاسيون مي باشد كه آثار عكس العمل آرميچر را خنثي مي نمايد . اينها قطب هاي باريكي هستند كه دقيقاً بين قطب هاي اصلي قرار مي گيرند و مستقيماً با محور خنثاي مغناطيسي در حالت بي باري كه معمولاً خط خنثاي مكانيكي ناميده مي شود در يك خط قرار مي گيرند
، سيم پيچ هاي تحريك براي اين قطب ها هميشه به طور دائم با آرميچر به طور سري قرار دارند زيرا قطب ها بايد فورانهايي توليد نمايند كه مستقيماً با جريان آرميچر متناسب باشد. m.m.f هاي آرميچر و قطب هاي كمكي ، همزمان تحت تاثير جريان آرميچر قرار مي گيرند . با اين نتيجه كه فوران آرميچر منطقه ي كموتاسيون كه مايل است محور خنثاي مغناطيسي را تغيير مكان دهد توسط يك مولفه متناسب با فوران قطب هاي كمكي خنثي مي شود. از اين رو محور خنثي در وضع خود بدون توجه به بار ثابت مي ماند .
استفاده از قطب هاي كمكي چنان وسيع است كه از ماشينهاي بدون قطب هاي كمكي به ندرت استفاده مي شود0 به طور كلي ( ماشينهاي بدون قطب كمكي در مواردي استفاده مي شود كه بار روي آنها هميشه ثابت باشد). m.m.f آرميچر توليد يك ميدان عمودي مي نمايد كه جهت آن به طرف پايين است . چون قسمتي از ميدان كه براي كموتاسيون خوب مضر است در منطقه باريك اثر مي نمايد از اين رو قطب ها در اين منطقه قرار مي گيرند و توليد يك m.m.f مي نمايند به اندازه اي كه عكس العمل آرميچر را خنثي نمايد . توجه نمائيد كه منطقهي بين قطب ها بدون خاصيت مغناطيسي مي باشد و در صورتي كه شماره دورهاي هر قطب كمكي به طور متناسب انتخاب شده باشد اين شرط در تمام مقادير صادق است زيرا جريان در سيم پيچ هاي قطب هاي كمكي همان جريان آرميچر مي باشد0 حقيقت ديگر كه بايد در عمل قطب هاي كموتاسيون ذكر شود
اين است كه آنها فقط مي توانند در مناطق بين قطبها اثر داشته باشند و مطلقاً نمي توانند اثري روي m.m.f آرميچر كه ميدان اصلي را منحرف مي نمايد و عكس العمل عرضي ناميده مي شود داشته باشند 0 در بعضي ماشينهاي بزرگ و ماشينهايي كه در آنها تغييرات بار زياد است عمل مغناطيس كنندهي عرضي مي تواند به اندازه كافي جدي باشد و باعث جرقه (شعله) بين جاروبك هاي مثبت و منفي بشود 0 روشي كه اين اشكال را بر طرف مي نمايد استفاده از سيم پيچ هاي تعديل مي باشد كه قبلاً درباره آنها بحث
استفاده از سيم پيچ هاي تعديل كننده همراه با سيم پيچي قطبهاي كموتاسيون طرح شده به طور صحيح در ماشينهاي dc توليد يك كموتاسيون بدون جرقه مي نمايد 0 و احتمال هر جرقه (شعله) را بين جاروبك ها از بين مي برد0 موقعي كه ژنراتور طرح مي شود معمولاً مشكل است كه تعداد دورهاي دقيق براي سيم پيچي قطب هاي كموتاسيون تعيين شود زيرا طرح ژنراتورها شامل بعضي مفروضات تجربي و فرضياتي است كه گرفته مي شود به اين دليل معمولاً ماشينها را با قطب هاي كموتاسيون تقريباً آزاد مي سازند و طول شعاعي هسته قطب كموتاسيون را كمي كوچكتر انتخاب مي كنند و بعد از اينكه ژنراتور ساخته شد معمول است كه رلوكتانس
مدار مغناطيسي قطب هاي كموتاسيون را توسط تنظيم فاصله هوايي تحت قطب ها تغيير مي دهند و اين عمل با آزمايش انجام مي گيرد و بعد از تنظيم ، تركيبي از ورقه هاي مغناطيسي و غير مغناطيسي بين هسته قطب كموتاسيون و بدنه جايي كه به هم پيچ مي شوند قرار مي دهند0 موتورهاي الكتريكي سه فاز انواع روتور قفسي سنجابي (قفسي) از مسائلي كه در تعيين اساس رفتار موتورهاي القايي حايز اهميّت است مقادير مقاومت هاي اهمي و القايي فازي روتور مي باشد0معمولاً در هنگام راه اندازي مقدار مقاومت القايي فازي مدار روتور از مقاومت اهمي فازي آن چند برابر بزرگتر مي باشد كه اين نوع طراحي براي كاهش مقدار كشتاور و راه اندازي مورد نياز مي باشد ولي از معايب آن افزايش جريان راه اندازي تا چندين برابر جريان نامي خواهد بود كه اگر مقدارمقاومت اهمي را تا نزديكي مقدار مقاومت القايي افزايش دهيم در اين صورت مي توانيم مقدار جريان راه اندازي را تا حد زيادي كاهش دهيم
ولي از سوي ديگر گشتاور راه اندازي مورد نياز موتور تا حد زيادي افزايش خواهد يافت 0 به همين منظور براي افزايش مقدار مقاومت اهمي فازي روتور به جاي استفاده از آلومينيوم خالص در ساخت ميله هاي قفس روتور از جنس خاصي كه از آلياژهاي آلو مينيوم مي باشد استفاده مي نماييم تا مقاومت اهمي بيشتري به وجود آيد كه در نتيجه با افزايش مقاومت اهمي روتور مقدار اختلاف فاز بين ولتاژ و جريان روتور كاسته شده و ضريب قدرت در روتور افزايش مي يابد و با افزايش ضريب قدرت مقدار توان حقيقي روتور افزايش يافته و گشتاور راه اندازي بالاتري به دست خواهد آمد . البته انجام اين عمل داراي معايبي مي باشد زيرا با افزايش مقاومت اهمي ميزان تلفات نيز بيشتر خواهد شد و راندمان سيستم پايين مي آيد .
بنابراين معمولاً براي بدست آوردن مقاومت اهمي و القايي مورد نياز از آلياژ آلومينيوم استفاده نمينماييم بلكه با ابعاد ميله هاي روتور قفسي و عمق شيارهاي روتور و يا تغيير شكل هندسي آنها خواسته خويش را اعمال مي نماييم0 در نتيجه اتحاديه N.E.M.A روتورهاي قفس سنجابي را در چهار گروه دسته بندي مي نمايند كه اين چهار گروه A,B,C,D هر كدام داراي مشخصات و كاربردهاي ويژه اي بوده كه متناسب با گشتاور راه اندازي و جريان مربوط به راه اندازي در هر كدام مي باشد .
