ماشین های AC

موتورهاي AC
عموماً ما داراي دو نوع از موتورهاي AC هستيم: تک فاز و سه فاز.
موتورهاي AC تک فاز

معمول ترين موتور تک فاز موتور سنکرون قطب چاکدار است، که اغلب در دستگاه هايي بکار مي رود که گشتاور پايين نياز دارند، نظير پنکه هاي برقي، اجاق هاي ماکروويو و ديگر لوازم خانگي کوچک.
نوع ديگر موتور AC تک فاز موتور القايي است، که اغلب در لوازم بزرگ نظير ماشين لباسشويي و خشک کن لباس بکار مي رود. عموماً اين موتورها مي توانند گشتاور راه اندازي بزرگتري را با استفاده از يک سيم پيچ راه انداز به همراه يک خازن راه انداز و يک کليد گريز از مرکز، ايجاد کنند.
هنگام راه انداز ي، خازن و سيم پيچ راه انداز ي از طريق يک دسته از کنتاکت هاي تحت فشار فنر

روي کليد گريز از مرکز دوار، به منبع برق متصل مي شوند . خازن به افزايش گشتاور راه انداز ي موتور کمک مي کند. هنگامي که موتور به سرعت نامي رسيد، کليد گريز از مرکز فعال شده، دسته کنتاکت ها فعال مي شود، خازن و سيم پيچ راه انداز سري شده را از منبع برق جدا مي سازد. در اين هنگام موتور تنها با سيم پيچ اصلي عمل مي کند.

موتورهاي AC سه فاز
براي کاربردهاي نيازمند به توان بالاتر، از موتورهاي القايي سه فاز AC (يا چند فاز) استفاده مي شود. اين موتورها از اختلاف فاز موجود بين فازهاي تغذيه چند فاز الکتريکي براي ايجاد يک ميدان الکترومغناطيسي دوار درونشان، استفاده مي کنند. اغلب، روتور شامل تعدادي هادي هاي مسي است که در فولاد قرار داده شده اند. از طريق القاي الکترومغناطيسي ميدان مغناطيسي دوار در

 

اين هادي ها القاي جريان مي کند، که در نتيجه منجر به ايجاد يک ميدان مغناطيسي متعادل کننده شده و موجب مي شود که موتور در جهت گردش ميدان به حرکت در آيد. اين نوع از موتور با نام موتور القايي معروف است. براي اينکه اين موتور به حرکت درآيد بايستي همواره موتور با سرعتي کمتر از فرکانس منبع تغذيه اعمالي به موتور، بچرخد چرا که در غير اين صورت ميدان متعادل کنندهاي در روتور ايجاد نخواهد شد. استفاده از اين نوع موتور در کاربردهاي ترکشن نظير لوکوموتيوها، که در آن به موتور ترکشن آسنکرون معروف است، روز به روز در حال افزايش است. به سيم پيچ هاي روتور جريان ميدان جدايي اعمال مي شود تا يک ميدان مغناطيسي پيوسته ايجاد شود، که در موتور سنکرون وجود دارد، موتور به صورت همزمان با ميدان مغناطيسي دوار ناشي از برق AC سه فاز، به گردش در مي آيد. موتورهاي سنکرون را مي توانيم به عنوان مولد جريان هم بکار برد.

سرعت موتور AC در ابتدا به فرکانس تغذيه بستگي دارد و مقدار لغزش، يا اختلاف در سرعت چرخش بين روتور و ميدان استاتور، گشتاور توليدي موتور را تعيين مي کند. تغيير سرعت در اين نوع از موتورها را ميتوان با داشتن دسته سيم پيچ ها يا قطب هايي در موتور که با روشن و خاموش کردنشان سرعت ميدان دوار مغناطيسي تغيير مي کند، ممکن ساخت. به هر حال با پيشرفت الکترونيک قدرت مي توانيم با تغيير دادن فرکانس منبع تغذيه، کنترل يکنواخت تري بر روي سرعت موتورها داشته باشيم.

اساس موتورهاي القايي AC

موتورهاي القايي AC عمومي ترين موتورهايي هستند که در سامانه هاي کنترل حرکت صنعتي و همچنين خانگي استفاده مي شوند.طراحي ساده و مستحکم , قيمت ارزان , هزينه نگه داري پايين و اتصال آسان و کامل به يک منبع نيروي AC امتيازات اصلي موتورهاي القايي AC هستند.انواع متنوعي از موتورهاي القايي AC در بازار موجود است.موتورهاي مختلف براي کارهاي مختلفي مناسب اند.با اينکه طراحي موتورهاي القايي AC آسانتر از موتورهاي DC است , ولي کنترل سرعت و گشتاور در انواع مختلف موتورهاي القايي AC نيازمند درکي عميقتر در طراحي و مشخصات در اين نوع موتورهاست…

________________________________________
اساس موتورهاي القايي AC

مقدمه:
موتورهاي القايي AC عمومي ترين موتورهايي هستند كه در سامانه هاي كنترل حركت صنعتي و همچنين خانگي استفاده مي شوند.طراحي ساده و مستحكم , قيمت ارزان , هزينه نگه داري پايين و اتصال آسان و كامل به يك منبع نيروي AC امتيازات اصلي موتورهاي القايي AC هستند.انواع متنوعي از موتورهاي القايي AC در بازار موجود است.موتورهاي مختلف براي كارهاي مختلفي مناسب اند.با اينكه طراحي موتورهاي القايي AC آسانتر از موتورهاي DC است , ولي كنترل

سرعت و گشتاور در انواع مختلف موتورهاي القايي AC نيازمند دركي عميقتر در طراحي و مشخصات در اين نوع موتورهاست.
اين نكته در اساس انواع مختلف , مشخصات آنها , انتخاب شرايط براي كاربريهاي مختلف و روشهاي كنترل مركزي يك موتورهاي القايي AC را مورد بحث قرار مي دهد.
اصل ساخت اوليه و كاربري

مانند بيشتر موتورها , يك موتورهاي القايي AC يك قسمت ثابت بيروني به نام استاتور و يك روتور كه در درون آن مي چرخد دارند , كه ميان آندو يك فاصله دقيق كارشناسي شده وجود دارد.به طور مجازي همه موتورهاي الكتريكي از ميدان مغناطيسي دوار براي گرداندن روتورشان استفاده مي كنند.يك موتور سه فاز القايي AC تنها نوعي است كه در آن ميدان مغناطيسي دوار به طور طبيعي بوسيله استاتور به خاطر طبيعت تغذيه گر آن توليد مي شود.در حالي كه موتورهاي DC به وسيله اي الكتريكي يا مكانيكي براي توليد اين ميدان دوار نياز دارند.يك موتور القايي AC تك فاز نيازمند يك وسيله الكتريكي خارجي براي توليد اين ميدان مغناطيسي چرخشي است.
در درون هر موتور دو سري آهنرباي مغناطيسي تعبيه شده است.در يك موتور القايي AC يك سري از مغناطيس شونده ها به خاطراينكه تغذيه AC به پيچه هاي استاتور متصل است در استاتور تعبيه شده اند.بخاطر طبيعت متناوب تغذيه ولتاژ AC بر اساس قانون لنز نيرويي الكترومغناطيسي به روتور وارد مي شود (درست شبيه ولتاژي كه در ثانويه ترانسفورماتور القا مي شود).بنابر اين سري ديگر از مغناطيس شونده ها خاصيت مغناطيسي پيدا مي كنند.-نام موتور القايي از اينجاست-.تعامل ميان اين مگنت ها انرژي چرخيدن يا تورك (گشتاور) را فراهم مي آورد.در نتيجه موتور در جهت گشتاو بوجود آمده چرخش مي كند.
استاتور
استاتور از چندين قطعه باريك آلومنيوم يا آهن سبك ساخته شده است.اين قطعات بصورت يك سيلندر تو خالي به هم منگنه و محكم شده اند(هسته استاتور) با شيارهايي كه در شكا يك نشان داده شده اند.سيم پيچهايي از سيم روكش دار در اين شيارها جاسازي شده اند.هر گروه پيچه با

هسته اي كه آن را فرا گرفته يك آهنرباي مغناطيسي (با دو پل) را براي كار كردن با تغذيه AC شكل مي دهد.تعداد قطبهاي يك موتور القايي AC به اتصال دروني پيچه هاي استاتوربستگي دارد.پيچه هاي استاتور مستقيما به منبع انرژي متصل اند.آنها به صورتي متصل اند كه با برقراري تغذيه AC يك ميدان مغناطيسي چرخنده توليد مي شود.

 

روتور
روتور از چندين قطعه مجزاي باريك فولادي كه ميانشان ميله هايي از مس يا آلومنيوم تعبيه شده ساخته شده است.در رايج ترين نوع روتور (روتور قفس سنجابي) اين ميله ها در انتهاي خود به صورت الكتريكي و مكانيكي بوسيله حلقه هايي به هم متصل شده اند.تقريبا ۹۰ درصد از موتورهاي القايي داراي روتور قفس سنجابي مي باشند و اين به خاطر آن است كه اين نوع روتور ساختي مستحكم و ساده دارد.اين روتور از هسته اي چند تكه استوانه اي با محوري كه شكافهاي موازي براي جادادن رساناها درون آن دارد تشكيل شده است.هر شكاف يك ميله مسي يا آلومنيومي يا آلياژي را شامل مي شود.در اين ميله ها به طور دائمي بوسيله حلقه هاي انتهايي آنها همچنان كه در شكل دو مشاهده مي شود مدار كوتاه برقرار است.چون اين نوع مونتاژ درست شبيه قفس سنجاب است , اين نام براي آن انتخاب شده است.ميله اي روتور دقيقا با محور موازي نيستند.در عوض به دو دليل مهم قدري اريب نصب مي شوند.
دليل اول آنكه موتور با كاهش صوت مغناطيسي بدون صدا كاركرده و براي آنكه از هارمونيكها در شكافها كاسته شود.

دليل دوم آن است كه گرايش روتور به هنگ كردن كمتر شود.دندانه هاي روتور به خاطر جذب مغناطيسي مستقيم (محض) تلاش مي كنند كه در مقابل دندانه هاي استاتور باقي بمانند.اين اتفاق هنگامي مي افتد كه تعداد دندانه هاي روتور و استاتور برابر باشند.
روتور بوسيله مهار هايي در دو انتها روي محور نصب شده ; يك انتهاي محور در حالت طبيعي براي انتقال نيرو بلندتر از طرف ديگر گرفته مي شود.ممكن است بعضي موتورها محوري فرعي در طرف ديگر(غير گردنده – غير منتقل كننده نيرو) براي اتصال دستگاههاي حسگر حالت(وضعيت) و سرعت داشته باشند.بين استاتور و روتور شكافي هوايي موجود است.بعلت القا انرژي از استاتور به روتو

ر منتقل مي شود.تورك توليد شده به روتور نيرو داده و سپس براي چرخيدن به آن نيرو مي كند.صرف نظر از روتور استفاده شده قواعد كلي براي دوران يكي است.

سرعت يك موتور القايي
ميدان مغناطيسي اي كه در استاتور توليد ميشود با سرعت سنكرون مي چرخد.(Ns)

در روتور ميدان مغناطيسي توليد مي شود زيرا به طور طبيعي ولتاژ متناوب است.
براي كاهش سرعت نسبي نسبت به (شار)استاتور , روتور چرخش را در همان جهتي كه شار استاتور دارد آغاز مي كند و تلاش مي كند تا به سرعت چرخش فلاكس نايل شود.با اينحال روتور هرگز موفق نمي شود كه به سرعت ميدان استاتور برسد.روتور از سرعت ميدان استاتور كندتر مي گردد.اين سرعت Base speed نام دارد.(Nb)
تفاوتها ميان Ns و Nb Slip نام دارد.اسليپ مقادير مختلف فشار(مكانيكي) بستگي دارد.هر افزايشي در فشار موجب كندتر كار كردن روتور و افزايش اسليپ مي شود.برعكس كاهش فشار سبب سرعت گرفتن روتور و كاهش اسليپ مي شود.اسليپ بوسيله درصد نشان داده ش

ده و با فرمول زير مشخص مي شود.

انواع موتورهاي القايي
عموما دسته بندي موتورهاي القاي براساس تعداد پيچه هاي استاتور است كه عبارتند
موتورهاي القايي سه فاز
موتورهاي القايي تك فاز
احتمالا بيشتر از كل انواع موتورها از موتورهاي القايي AC تك فاز استفاده مي شود.منطقي است كه بايد موتورهاي داراي كمترين گراني و هزينه نگه داري بيشتر استفاده شود. موتور القايي AC تك فاز بهترين مصداق اين توصيف است.آن طور كه از نام آن برميايد اين نوع از موتور تنها يك پيچه (پيچه اصلي) دارد و با يك منبع تغذيه تك فاز كار مي كند.در تمام موتورهاي القايي تك فاز روتور از نوع قفس سنجابي است.
موتور القايي تك فاز خود راه انداز نيست.هنگامي كه موتور به يك تغذيه تك فاز متصل است پيچه اصلي داراي جرياني متناوب مي شود.اين جريان متناوب ميدان مغناطيسي اي ضرباني توليد مي كند.بسبب القا روتور تحريك مي شود.چون ميدان مغناطيسي اصلي ضرباني است توركي كه براي چرخش موتور لازم است بوجود نمي آيد و سبب ارتعاش روتور و نه چرخش آن مي شود.از اين رو موتور القايي تك فاز به دستگاه آغاز گري نياز داردكه مي تواندضربات آغازي را براي چرخش موتور توليد كند.
دستگاه آغاز گر موتورهاي القايي تك فاز اساسا پيچه اي اضافي در استاتور است (پيچه كمكي) كه در شكل سه نشان داده شده است.پيچه استارت مي تواند داراي خازنهاي سري ويا سوئيچ گريز از مركز باشد.هنگامي كه ولتاژ تغذيه برقرار است جريان در پيچه اصلي بسبب مقاومت پيچه اصلي ولتاژتغذيه را افت ميدهد (ولتاژ به جريان تبديل مي شود).در همين حين جريان در پيچه استارت بسته به مقاومت دستگاه استارت به افزايش ولتاژ تغذيه تبديل مي شود.فعل و انفعال ميان ميدانهاي مغناطيسي كه پيچه اصلي و دستگاه استارت مي سازند ميدان برايندي ميسازند كه در جهتي گردش مي كند.موتور گردش را در جهت اين ميدان برايند آغاز ميكند.

هنگامي كه موتور به ۷۵ درصد دور مجاز خود مي رسد يك سوئيچ گريز از مركز پيچه استارت را از مدار خارج مي كند.از اين لحظه به بعد موتور تك فاز مي تواند تورك كافي را براي ادامه كاركرد خود نگه دارد.
بجز انواع خاص داراي Capacitor start / capacitor run عموماهمه موتورهاي تك فاز فقط براي كاربري هاي بالاي ۳/۴ hp استفاده مي شوند.
بسته به انواع تكنيكهاي استارت موتورهاي القايي تك فاز AC در دسته بندي اي وسيع آن گونه كه در شكل زير توصيف شده قرار دارند.

موتور القايي AC فاز شكسته
موتور فاز شكسته همچنين به عنوان Induction start/Induction run (استارت القايي/كاركرد القايي)هم شناخته مي شود كه دو پيچه دارد.پيچه استارت از سيم نازكتر و تعداد دور كمتر نسبت به پيچه اصلي براي بوجود آوردن مقاومت بيشتر ساخته شده است.همچنين ميدان پيچه استارت در زاويه اي غير از آنچه كه پيچه اصلي دارد قرار مي گيرد كه سبب آغاز چرخش موتور مي شود.پيچه اصلي كه از سيم ضخيم تري ساخته شده است موتور را هميشه درحالت چرخش باقي نگه مي دارد.

 

تورك آغازين كم است مثلا ۱۰۰ تا ۱۷۵ درصد تورك ارزيابي شده.موتور براي استارت جرياني زياد طلب مي كند.تقريبا ۷۰۰ تا ۱۰۰۰ درصد جريان ارزيابي شده.تورك بيشينه توليد شده نيز در محدوده ۲۵۰ تا ۳۵۰ درصد از تورك براوردشده مي باشد.(براي مشاهده منحني سرعت – گشتاور به شكل ۹نگاه كنيد).
كاربريهاي خوب براي موتورهاي فاز شكسته شامل سمباده (آسياب) هاي كوچك , دمنده ها و فنهاي كوچك و ديگر دستگاههايي با نياز به تورك آغازين كم با و نياز به قدرت ۱/۲۰ تا ۱/۳ اسب بخار مي باشد.از استفاده از اين موتورها در كاربريهايي كه به دوره هاي خاموش و روشن و گشتاور زياد نيازدارند خود داري نماييد.

ماشين‌هاي جريان متناوب
تئوري ميدان چرخان – وجه اشتراك ماشين‌هاي سنكرون و آسنكرون – توليد ميدان مغناطيسي با توزيع سينوسي – ساختمان انواع ماشين‌هاي القايي سه‌فاز – عملكرد ماشين القايي در بي‌باري و بارداري – مفهوم لغزش – نمودار گشتاورـ سرعت و تشريح نواحي سه‌گانه ترمزي، موتوري و ژنراتوري ماشين القايي – توان فاصله هوايي – استخراج مدار معادل دقيق و تعيين پارامترهاي آن با آزمايش سه‌گانه – محاسبه عملكرد موتور القايي سه‌فاز – تغييرات مشخصه گشتاور و سرعت با شكل شيار روتور – كلاس طراحي و كد راه‌اندازي و راه‌اندازي – روش‌هاي كنترل سرعت از طرف روتور و از طرف استاتور – آشنايي با نحوه عمل و گشتاور راه‌اندازي موتور آسنكرون تك‌فاز – آشنايي با اصول كار ماشين‌هاي سنكرون – گشتاور و مفهوم زاويه بار در ماشين سنكرون
۱-۳) تعاريف :
۱-۱-۳) هارمونيك : هارمونيك مؤلفه سينوسي يك موج يا مقدار متناوبي است كه فركانس آن مضرب صحيحي از فركانس موج اصلي مي‎باشد .
۲-۱-۳) هارمونيكهاي مشخصه : هارمونيك هائي مي‎باشند كه تجهيزات توليد كننده هارمونيك به خصوص يكسو كننده ها در طول كار عادي خود توليد مي نمايند .
۳-۱-۳)هارمونيك هاي غير مشخصه : هارمونيكهائي مي‎باشند كه تجهيزات توليد كننده هارمونيك به خصوص يكسو كننده ها در طول كار عادي خود توليد نمي نمايند ولي ممكن است در اثر عدم تقارن يا تعادل سيستم برق و يا به علت اشكالات يكسو كننده ها ايجاد گردند .
۴-۱-۳) مرتبه يا نوع هارمونيك : مرتبه يا نوع هارمونيك ، حاصل تقسيم فركانس هارمونيك بر فركانس موج اصلي است .
۵-۱-۳) محل تغذيه يا نقطه اتصال مشترك : نقطه اتصال مشترك ، شينه اي از شبكه عمومي شركت برق است كه از نظر الكتريكي نزديكترين نقطه به مصرف كننده جديد يا مورد مطالعه مي‎باشد . از اين شينه بارهاي ساير مصرف كننده هاي نيز تغذيه شده و يا ممكن است بعداً از آن تغذيه گردند .
۶-۱-۳) اعوجاج هارمونيكي : اعوجاج هارمونيكي ، انحراف يك شكل موج يا مقدار تناوبي نسبت به شكل سينوسي به علت اضافه شدن يك يا چند هارمونيك به موج اصلي سينوسي مي‎باشد .
۷-۱-۳) اعوجاج تكي جريان : اعوجاج تكي جريان ، مقدار مؤثر يك جريان هارمونيكي از مرتبه مشخص مي‎باشد كه بصورت درصدي از مقدار مؤثر موج اصلي جريان سينوسي بيان مي‎شود .
۸-۱-۳) اعوجاج تكي ولتاژ : اعوجاج تكي ولتاژ ،‌ مقدار مؤثر يك ولتاژ هارمونيكي از مرتبه مشخ

ص مي‎باشد كه بصورت درصدي از مقدار مؤثر موج اصلي ولتاژ سينوسي بيان مي‎شود .
۹-۱-۳) اعوجاج كلي جريان : اعوجاج كلي جريان ، مقدار مؤثر كليه جريانهاي هارمونيكي است كه بصورت درصدي از مقدار مؤثر موج اصلي جريان سينوسي بيان شده و از رابطه زير محاسبه مي گردد .
(۱-۳)
كه در آن اعوجاج تكي جريان مرتبه n مي‎باشد .

۱۰-۱-۳) اعوجاج كلي ولتاژ : اعوجاج كلي ولتاژ ، مقدار مؤثر كليه ولتاژهاي هارمونيكي است كه بصورت درصدي از مقدار مؤثر موج اصلي ولتاژ سينوسي بيان شده و از رابطه زير محاسبه مي گردد .
(۲-۳)
كه در آن اعوجاج تكي ولتاژ مرتبه مي‎باشد .
۲-۳) تعريف و مفهوم هارمونيكها :
امروزه واژه هارمونيك و هارمونيك ها در رابطه با مسائل سيستم قدرت و توزيع زياد به كارمي رود جهت درك بهتر نسبت به اين واژه ابتدا به پاره اي از مفاهيم مربوط به هارمونيك هاي سيستم مي‎پردازيم .
اساساً هر موج تناوبي مي‎تواند به وسيله مجموعه اي از موج هاي سينوسي توصيف گردد كه اين مجموعه بنام سري فوريه رياضي دان فرانسوي معروف است . فركانس هريك از موجهاي سينوسي اين مجموعه ضريب صحيحي از فركانس پايه تعريف مي گردد . جمله اي كه فركانس آن همان فركانس پايه است هارمونيك اول يا بعضي اوقات پايه ناميده مي‎شود . جمله اي كه فركانس آن دو برابر فركانس پايه است هارمونيك دوم و بقيه به همين صورت نامگذاري مي گردند موجهاي متقارن تنها داراي هارمونيك هاي فرد مي باشند در حاليكه موجهاي غير متقارن علاوه بر هارمونيك هاي فرد داراي هارمونيك هاي زوج نيز مي باشند .
شكل ۱-۳ دو نمونه موج نامتقارن و متقارن را نشان مي‎دهد .

موجها ممكن است متوسطي غير از صفر داشته باشد در اينگونه موارد در مجموعه سري فوريه يك جمله سينوسي با فركانس صفر وجود خواهد داشت كه در مفهوم مهندسي برق نشان دهنده مؤلفه جريان مستقيم موجDC مي‎باشد .
بيشتر وسايل و تجهيزات سيستم قدرت متقارن مي‎باشد و در نتيجه حالت مانا تنها هارمونيك هاي فرد بدون مؤلفهDC توليد مي گردد . تقارن در اينجا به اين معني است كه وقتي جريان از يك وسيله خارج مي‎گردد ، همان مشخصه را مي بيند كه در زمان ورود به وسيله حس كرده است يا بعبارت ديگر پاسخ وسيله به جريانهاي مثبت و منفي يكسان است . ولي موارد استثنايي عدم تقارن هم وجود دارد .فرضاً يكسو كننده هاي نيم موج ، جريانهاي نامتقارن توليد مي كنند كه هم داراي هارمونيك هاي زوج و هم مؤلفه DC مي باشند .
شكل ۲-۳ شكل موج جريان يك يكسو كننده نيم موج را نشان مي‎دهد يكسو كننده هاي تمام موج و اينورتورهاي قدرت نيز چنانكه قسمت مثبت و منفي موج توليدي آنها دقيقاً يكسان نباشد ايجاد هارمونيك هاي زوج مي نمايند .

تجهيزاتي كه بر اساس تخليه الكتريكي و يا ايجاد جرقه كار مي كنند ممكن است بعلت صحيح نبودن زمان جرقه زدن آنها توليد هارمونيك زوج نمايند اين مسئله در مورد كوره هاي قوسي در زمان ذوب كردن آهن هاي قراضه پيش مي‎آيد .
موج مربعي كه در شكل ۳-۳ نشان داده شده است . يكي از شكل موج هايي است كه زياد در بررسي و مطالعات هارمونيك ها بكار مي رود تجهيزات بسياري مانند يكسو كننده ها و كروه هاي قوسي كه توليد هارمونيك مي كنند جريان و يا ولتاژ آنها را مي‎توان براي بررسيها تقريباً بص

ورت يك موج مربعي در نظر گرفت . سري فوريه يك موج مربعي كه پيك آن V مي‎باشد بصورت زير است .

(۳-۳)
ملاحظه مي گردد كه در سري فوق هارمونيك زوج و مؤلفه DC وجود ندارد و دامنه هارمونيك سوم يك سوم دامنه پايه و دامنه هارمونيك پنجم يك پنجم دامنه پايه و ….. مي‎باشد .

در بيشتر محاسبات و بررسيهاي سيستم قدرت از مقدار مؤثر(RMS ) موجهاي جريان و يا ولتاژ استفاده مي‎گردد. براي يك موج سينوسي مقدار مؤثر ۷/۷۰ در صد مقدار پيك موج مي‎باشد در مورد موجهاي غير سينوسي مقدار مؤثر از رابطه زير بايستي بدست آيد .
(۴-۳)
كه و مقدار مؤثر هارمونيك ۱و ۲ موج اصلي مي باشند .

۳-۳) تاريخچه و بررسي مقدماتي هارمونيك ها :
وجود هارمونيك ها در سيستم قدرت مسأله جديدي نيست هارمونيك ها در دهه ۱۹۲۰ و اواخر ۱۹۳۰ زمانيكه شكل موج هاي ولتاژها و جريانهاي تغيير شكل يافته در خطوط انتقال مشاهده شدند تشخيص داده شدند در آن هنگام موضوع اصلي ، تأثير هارمونيك ها در ماشينهاي سنكرون و القائي ، سيمهاي ارتباطي ( تلفن ) و خازنهاي قدرت بودند .
نتيجه بعضي از تحقيقات آن زمانها در مورد يك خط انتقال ۲۲۰ كيلو ولت ۴۰۰ كيلومتري و يك موتور القائي بشرح زير بوده است .
– چنانكه ولتاژ ابتداي خط حاوي ۷ درصد هارمونيك سوم باشد ، ولتاژ انتهاي خط در حالت بي باري داراي ۵۳ درصد هارمونيك سوم خواهد بود .
– هارمونيك سوم در انتهاي خط بار كامل از ۵۳ درصد به ۲۹ درصد كاهش پيدا
مي كند .
– در صورت وجود هارمونيك ضريب قدرت در طرف ژنراتور خط انتقال برابر ۸۴۸/۰ مي‎ب

اشد ( در حالتيكه بدون وجود هارمونيك ضريب قدرت برابر ۹۶/۰ است . )
– در طرف مصرف كننده خط انتقال وقتي ولتاژ داراي هارمونيك است ضريب قدرت برابر ۸۲/۰ مي‎باشد . در صورتيكه توسط دستگاه اندازه گيري ۷۵/۰ اندازه گيري مي گردد .
– براي يك موتور القائي كه در سال ۱۹۳۰ ساخته شده است هارمونيك ها باعث غيير مي كنند و همچنين جريانهاي رتور نيز بخاطر مقادير مختلف هارمونيك هاي موجود متفاوت هستند .
مسائل فوق كه در دهه ۱۹۳۰ وجود داشته اند ممكن است امروزه هم وجود داشته باشند .عكس العمل سازندگان در برابر هارمونيك ها ، ساختن تجهيزاتي بوده است تا تحمل هارمونيك هاي بيشتر كاهش اثرات متقابل را داشته باشند. همچنين هارمونيك ها كاهش داده شده و گاهي از طريق نوع اتصالات ترانسفورماتورها حذف شده اند . البته نوع اتصالات ترانسفورماتورها ، هارمونيك مؤلفه صفر را كاهش مي‎دهد . بعنوان فيلتر دو مسيره عمل مي‎كند و در نتيجه بار و سيستم را محافظت مي‎كند معذالك بنظر مي رسد كه هارمونيك ها دوباره يك مسئله جدي شده اند و بعنوان يك عامل خسارت زننده به مصرف كنندگان و شبكه قدرت امروزه مسأله هارمونيك ها را در عوامل زيادي مي‎توانند جستجو كرد مطرح مي‎شوند .
۱-۳-۳) افزايش اساسي بارهاي غير خطي :
در نتيجه تكنولوژي جديد ، وسايلي مثل يكسو كننده هاي كنترل شده ترانزيستوري و كنترل كننده هاي ميكروپروسسوري توليد بار حاوي هارمونيك درسيستم مي نمايند .
۲-۳-۳) تغيير در فلسفه طراحي تجهيزات :
در گذشته تجهيزات بر اساس ضريب اطمينان هاي بزرگ و بالاتر از ظرفيت مورد نياز طراحي نمي‎شده‎اند ولي در حال حاضر به علت رقابت شديد ميان سازندگان دستگاه هاي برق ، تجهيزات دقيقتر طراحي شده و بر اساس ظرفيت خواسته شده مي‎باشد .
فرضاً تجهيزاتي كه هسته آهني دارند نقطه كار آنها بيشتر در ناحيه غير خطي مي‎باشد . عمل نمودن آنها در اين ناحيه باعث افزايش سريع هارمونيك ها مي‎شوند . بيشتر از ۵۰ سال اس

ت كه هارمونيك ها عامل ايجاد اشكالات مختلف بوده اند .
بعضي از آنها عبارتند از :
– خرابي بانكهاي خازني بعلت شكست عايقي يا افزايش بار
– تداخل هارمونيك ها با كنترل بار مصرف كننده ها و سيستم PLC . اين تداخل باعث عملك

رد نادرست سيستم كنترل از راه دور و اندازه گيري مي گردد .
– ايجاد تلفات اضافي و گرم كردن ماشينهاي القايي و سنكرون
– اضافه ولتاژ و اضافه جريان در سيستم به علت رزونانس سيستم در اثر هارمونيك هاي ولتاژ جريان در شبكه
– شكست عايقي كابلها در نتيجه اضافه ولتاژ ناشي از هارمونيكها
– تداخل با سيستم ارتباطات ( تلفن )
– ايجاد خطا در كنتورهاي اندازه گيري مصرف و توليد انرژي
– تداخل و ايجاد عملكرد غلط رله ها ، به خصوص در سيستم كنترل و حفاظت ميكروپروسسوري
– تداخل در كنترل كننده هاي موتورهاي بزرگ
– نوسان مكانيكي در ماشينهاي سنكرون و القايي
– عملكرد ناپايدار مدار آتش در كنترل كننده هايي كه بر اساس مقدار ولتاژ صفر عمل مي كنند .
اين اثرات بستگي به منابع هارمونيك ها ، موقعيت آنها در سيستم و خصوصيات شبكه دارد .

۴-۳) منابع قديمي ايجاد هارمونيك :
علت ايجاد هارمونيك ها وجود عناصر غير خطي در سيستم قدرت مي‎باشد . عناصر غير خطي جزئي از مدار الكتريكي است كه در آن ولتاژ متناسب با جريان نمي باشد .
دو مقاومت را كه داراي مشخصه V-I مطابق شكل ۴ هستند در نظر بگيريم يكي از مقاومتها خطي است و مشخصه V-I يك خط مستقيم است و ديگري يك مقاومت غير خطي است . اگر يك ولتاژ سينوسي به هر دو مقاومت اعمال شود، متوجه خواهيم شد كه جريان در مقاومت غير خطي تغيير شكل خواهد داد . اين يك پديده اساسي در ايجاد هارمونيك ها به خصوص به وسيله ترانسفورماتورها مي باشد .

 

غير خطي بودن نبايد با وابستگي فركانس اشتباه شود . بعنوان مثال امپدانس خط انتقال با تغيير فركانس تغيير مي نمايد ولي اين امپدانس در هر فركانس يك المان خطي است و وابستگي فركانس باعث انحراف شكل موج نمي‎شود .
در يك سيستم قدرت تقريباً كليه امپدانسهاي سري خطي هستند . اين امپدانسها اغلب امپدانس خطوط ، كابلها و ترانسفورماتورها مي‎باشند .
در مورد ترانسفورماتورها مسئله كمي فرق مي‎كند زيرا هر دو مشخصه خطي و غير خطي را دارا مي‎باشد امپدانس ( اتصال كوتاه ) ترانسفورماتورها كه بصورت سري در مدار قرار مي گيرد غير خطي است .
بيشترين توليد هارمونيك در سيستم قدرت به علت وجود بارهاي غيرخطي و يا تجهيز

اتي است كه در آنها قطع و وصلهاي مكرر و سريع انجام مي‎گيرد .
سه دسته عنصر غير خطي در سيستم قدرت وجود دارد .
– وسايل فرو مغناطيس
– مبدلهاي قدرت الكترونيكي
– تجهيزات تخليه اي
۱-۴-۳) وسايل فرو مغناطيس :
اين دسته وسايل و تجهيزاتي هستند كه بر اساس وجود يك سيم پيچ دور يك هسته آهني ساخته مي شوند ترانسفورماتورها و موتورها عمومي ترين وسايل از اين نوع هستند .
خاصيت مغناطيسي موتورها به خاطر فاصله هوائي خطي تر از خاصيت مغناطيسي ترانسفورماتورها است. شكل ۵-۳ مدار معادل T موتورها و ترانسفورماتورها را نشان مي‎دهد كه معمولاً اساس محاسبات و بررسي اين تجهيزات است . امپدانسهاي سري خطي هستند ولي امپدانسهاي موازي بطور فاحش غير خطي مي باشند .

مقدمه
شايد بي‌اغراق باشد كه بگوييم ترانسقورماتورها يكي از پركاربردترين ابزارهاي انتقال و تبديل انرژي الكتريكي‌هستند.ترانسفورماتور را ماشين الكترومغناطيسي ساکن مي‌نامند.
يك ترانسفورماتور مي‌تواند، سطح ولتاژ يا جريان الكتريكي را از مقداري اوليه، افزايش يا کاهش دهد. ترانسفورماتور هم در شبكه سه‌فاز و هم در شبكه تك‌فاز کاربرد دارد. ابتدا ترانسفورماتورهاي تك‌فاز ايده‌آل را مطالعه مي‌كنيم. سپس ترانسفورماتورهاي واقعي، بر اساس ترانسفورماتورهاي ايده‌آل، مدلسازي مي‌شوند. و در پايان، مطالعه ترانسفورماتورهاي سه‌فاز، اتوترانسفورماتورها و ترانسفورماتورهاي موازي را خواهيم داشت.

ساختمان ترانسفورماتور
ترانسفورماتورها را با توجه به كاربرد و خصوصيات آنها به سه دسته كوچك متوسط و بزرگ دسته بندي كرد. ساختن ترانسفورماتورهاي بزرگ و متوسط به دليل مسايل حفاظتي و عايق بندي و امكانات موجود ، كار ساده اي نيست ولي ترانسفورماتورهاي كوچك را مي توان بررسي و يا ساخت. براي ساختن ترانسفورماتورهاي كوچك ، اجزاي آن مانند ورقه آهن ، سيم و قرقره را به سادگي مي توان تهيه نمود.

اجزاي تشكيل دهنده يك ترانسفورماتور به شرح زير است؛

هسته ترانسفورماتور:

هسته ترانسفورماتور متشكل از ورقه هاي نازك است كه سطح آنها با توجه به قدرت ترانسفورماتور ها محاسبه مي شود. براي كم كردن تلفات آهني هسته ترانسفورماتور را نمي توان به طور يكپارچه ساخت. بلكه معمولا آنها را از ورقه هاي نازك فلزي كه نسبت به يكديگر عايق‌اند، مي سازند. اين ورقه ها از آهن بدون پسماند با آلياژي از سيليسيم (حداكثر ۴٫۵ درصد) كه داراي قابليت هدايت الكتريكي و قابليت هدايت مغناطيسي زياد است ساخته مي شوند.

 

در اثر زياد شدن مقدار سيليسيم ، ورقه‌هاي دينام شكننده مي شود. براي عايق كردن ورقهاي ترانسفورماتور ، قبلا از يك كاغذ نازك مخصوص كه در يك سمت اين ورقه چسبانده مي شود، استفاده مي كردند اما امروزه بدين منظور در هنگام ساختن و نورد اين ورقه ها يك لايه نازك اكسيد فسفات يا سيليكات به ضخامت ۲ تا ۲۰ ميكرون به عنوان عايق در روي آنها مي مالند و با آنها روي ورقه ها را مي پوشانند. علاوه بر اين ، از لاك مخصوص نيز براي عايق كردن يك طرف ورقه ها استفاده مي شود. ورقه هاي ترانسفورماتور داراي يك لايه عايق هستند.

 

بنابراين ، در مواقع محاسبه سطح مقطع هسته بايد سطح آهن خالص را منظور كرد. ورقه‌هاي ترانسفورماتورها را به ضخامت هاي ۰٫۳۵ و ۰٫۵ ميلي متر و در اندازه هاي استاندارد مي سازند. بايد دقت كرد كه سطح عايق شده ى ورقه هاي ترانسفورماتور همگي در يك جهت باشند (مثلا همه به طرف بالا) علاوه بر اين تا حد امكان نبايد در داخل قرقره فضاي خالي باقي بماند. لازم به ذكر است ورقه ها با فشار داخل قرقره جاي بگيرند تا از ارتعاش و صدا كردن آنها نيز جلوگيري شود.

سيم پيچ ترانسفورماتور :

معمولا براي سيم پيچ اوليه و ثانويه ترانسفورماتور از هادي هاي مسي با عايق (روپوش) لاكي استفاده مي‌كنند. اينها با سطح مقطع گرد و اندازه‌هاي استاندارد وجود دارند و با قطر مشخص مي‌شوند. در ترانسفورماتورهاي پرقدرت از هاديهاي مسي كه به صورت تسمه هستند استفاده مي‌شوند و ابعاد اين گونه هادي‌ها نيز استاندارد است.

توضيح سيم پيچي ترانسفورماتور به اين ترتيب است كه سر سيم پيچ‌ها را به وسيله روكش عايقها از سوراخهاي قرقره خارج كرد، تا بدين ترتيب سيم ها قطع (خصوصا در سيمهاي نازك و لايه‌هاي اول) يا زخمي نشوند. علاوه بر اين بهتر است رنگ روكش‌ها نيز متفاوت باشد تا در

ترانسفورماتورهاي داراي چندين سيم پيچ ، را به راحتي بتوان سر هر سيم پيچ را مشخص كرد. بعد از اتمام سيم پيچي يا تعمير سيم پيچهاي ترانسفورماتور بايد آنها را با ولتاژهاي نامي خودشان براي كنترل و كسب اطمينان از سالم بودن عايق بدنه و سيم پيچ اوليه ، بدنه و سيم پيچ ثانويه و سيم پيچ اوليه آزمايش كرد.