اصول موتورهای سنکرون سه فاز و کاربردهای صنعتی

تصور کنید یک ماشین بزرگ در حال چرخش است که انرژی مکانیکی را به برق تبدیل می کند که به آن وابسته هستیم یا برعکس، تجهیزات صنعتی سنگین را با دقت حرکت می دهد.اين موتور سه فازي هم زمانهاین تجزیه و تحلیل جامع اصول اساسی، ویژگی های عملیاتی، روش های راه اندازی و کاربردهای متنوع آن را بررسی می کند.

موتورهای هم زمان به عنوان تبدیل کننده های انرژی الکترومکانیکی عمل می کنند و انرژی مکانیکی را به انرژی الکتریکی و بالعکس تبدیل می کنند. این تبدیل بر دو قانون الکترومغناطیسی اساسی تکیه دارد:

این اصل توضیح می دهد که چگونه نیروی الکتروموتوری (EMF) تولید می شود زمانی که هادی ها از خطوط جریان مغناطیسی عبور می کنند. شدت EMF به ارمغان آورده شده با نرخ تغییر جریان مغناطیسی ارتباط دارد،در حالی که جهت آن از قانون لنز پیروی می کند میدان مغناطیسی جریان ایجاد شده همیشه در برابر تغییر جریان است که آن را ایجاد کرده است.

این قانون نیرویی را توصیف می کند که بر هدایت کننده های حامل جریان در داخل میدان های مغناطیسی اعمال می شود.و طول موثر هادی، با جهت تعیین شده توسط قانون دست چپ. این تعامل باعث ایجاد گشتاور ضروری برای کار موتور می شود.

در حالی که موتورهای هم زمان تک فاز در دستگاه های کوچک استفاده می کنند، موتورهای بزرگ AC عمدتاً از پیکربندی سه فاز به دلیل مزایای قابل توجهی استفاده می کنند:

• قدرت بالاتر:موتورهای سه فاز حدود 150٪ قدرت بیشتری نسبت به معادلات تک فاز با اندازه قابل مقایسه ارائه می دهند و باعث افزایش بهره وری انرژی و ظرفیت بار می شوند.
• انتقال قدرت مقرون به صرفه:سیستم های سه فاز، بهره وری اقتصادی برتر در توزیع برق را نشان می دهند، از دست دادن خط و هزینه تجهیزات را کاهش می دهند.
• قابلیت خود راه اندازی:اکثر موتورهای سه فاز (به استثنای انواع کاملاً همگام که نیاز به راه اندازی کمکی دارند) بدون مکانیسم های راه اندازی اضافی کار را آغاز می کنند.
• تولید گشتاور ثابت:این موتورها باعث تولید گشتاور مداوم کاملا یکنواخت می شوند و چرخش گشتاور خاص موتورهای تک فاز را از بین می برند و عملکرد صاف و قابل اعتماد را تضمین می کنند.

موتورهای سه فازی هم زمان شامل دو جزء اصلی است √ استاتور و روتور √ با طبقه بندی بر اساس روش های تحریک: انواع الکتریکی تحریک شده یا مغناطیس دائمی.انواع الکتریکی تحریک شده بیشتر به طرح های قطب برجسته و روتور استوانه ای تقسیم می شوند.

• هسته:ورق های فولادی سیلیکونی لایه دار از دست دادن جریان گرد و غبار را به حداقل می رسانند در حالی که سوراخ های پیچ و تاب را در خود جای می دهند.
• پیچ و تاب:پیچیدگی های سه فاز میدان های مغناطیسی چرخان را تولید می کنند که به طور معمول در پیکربندی ستاره (Y) یا دلتا (Δ) متصل می شوند.
• قاب:پشتیبانی ساختاری و مسیرهای تبعید حرارتی را فراهم می کند.

• قطب برجسته:ویژگی های قطب های برجسته با شکاف های هوایی غیر یکنواخت، معمولا در کاربردهای کم سرعت مانند ژنراتورهای برق آبی استفاده می شود.
• به شکل سیلندر:دارای سطوح صاف با شکاف های هوایی یکنواخت است که برای عملیات با سرعت بالا مانند ژنراتورهای توربو ترجیح داده می شود.
• پیچ و تاب میداناسپری های DC که میدان مغناطیسی روتور را ایجاد می کنند.

ژنراتورهای همزمان (alternator) انرژی مکانیکی را از طریق محرک الکترومغناطیسی به برق AC تبدیل می کنند که در آن حرکت هادی از طریق میدان های مغناطیسی ولتاژ را ایجاد می کند.

• سیستم تحریک:برق ثابت که از طریق ژنراتورهای کمکی (excitors) به پیچ های روتور عرضه می شود.
• حرکت دهنده های اصلی:درایورهای مکانیکی (توربین ها، موتورها) فرکانس خروجی را از طریق سرعت چرخش تعیین می کنند.
• همگام سازی:ارتباط سخت بین فرکانس (f) ، جفت قطب (P) و RPM (N): f = (P × N) / 120

معادله EMF E = 4.44K_cK_dfTΦ مقدار خروجی ژنراتور را شامل می شود:

• چرخش پیچ (T)
• جریان مغناطیسی در هر قطب (Φ)
• فرکانس (f)
• توزیع (K)_d) و ارتفاع (K)_c) عوامل

این موتورهای AC همگام سازی دقیق بین سرعت روتور و چرخش میدان استاتور را حفظ می کنند و برای مغناطیس شدن روتور نیاز به تحریک DC جداگانه دارند.

• هیجان دوگانه:استاتور متناوب میدان های چرخشی ایجاد می کند؛ روتور DC میدان های ثابت ایجاد می کند.
• قفل مغناطیسی:قطب های روتور با میدان های استاتور در نزدیکی سرعت هم زمان هماهنگ می شوند (N_s= 120F/P).
• تولید گشتاور:تفاوت زاويه قدرت باعث توليد تورک الکترومغناطيسي متناسب ميشه
• بدون خود شروع:به خاطر محدودیت های بی وقفه به روش های شتاب خارجی نیاز دارد.

تکنیک های تخصصی بر چالش های ذاتی شروع غلبه می کنند:

موتورهای ثانویه (نوعی اندوکشن یا DC) قبل از اعمال تحریک DC، روتور را شتاب می دهند.

پیچ و تاب قفس سنجاب های جاسازی شده باعث می شود که از راه اندازی بی هم زمان استفاده شود و پس از رسیدن به سرعت های نزدیک به هم زمان، به عملکرد هم زمان تغییر کند.

اینورترهای مدرن به تدریج فرکانس تغذیه را افزایش می دهند و شتاب نرم را با حداقل افزایش جریان ارائه می دهند.

ویژگی های عملیاتی منحصر به فرد امکان اجرای متنوع را فراهم می کند:

• اصلاح فاکتور قدرت:کنترل تحریک باعث جبران قدرت واکنش به عنوان تهویه کننده های هم زمان می شود.
• تنظیم دقیق سرعت:ایده آل برای ماشین آلات نساجی، پردازش کاغذ و ابزار دقیق که نیاز به نگهداری دقیق RPM دارند.
• محرک های کم سرعت با گشتاور بالا:در کمپرسور، آسیاب و پمپ استفاده می کند.
• سیستم های سرو:انواع مغناطیس دائمی به دلیل تراکم قدرت برتر و دقت کنترل، بر روباتیک و تجهیزات CNC تسلط دارند.