دانلود مقاله ماشین های الکتریکی

تاریخچه پیدایش ماشین های الکتریکی

ماشین های الکتریکی با جریان دائم نخستین ماشین هایی است که پس از پیل ولتا استفاده علمی از برق را توسعه داد .کشف این ماشین ها نتیجه کار و کوشش اشخاصی مانند پیکسی ،پاچی نتی ، زیمنس و بویژه گرام بوده است .

گرام ماشین القایی ابداع کرد که برای نخستین بار در صنعت بکار افتاد .

این ماشین بطور متقابل کار می کرد و به اراده انسان محرک یا مولد نیرو می گردید .

همین ماشین را ادیسن و تامسن و دپره تکمیل کردند و هنوز هم مورد استفاده و عمل می باشد .

هر چند پاچی نتی در کار پیشقدم بود اما گرام با شکلی که کلکتور ابتکاری خود داد اصلاح و بهبود علمی بسیار مهمی را پدید آورده است .

گرام کاشف اصل تازه ای نبود بلکه بوجه الهام در ضمن کار و بی توجه به روشهای علمی تحقیق و تدقیق و توفیق یافت نخستین موتور قابل استفاده واقعی را بسازد ؛ از این رو گرام را باید از جمله مخترعان زبر دست و زرنگ و خوش بخت بشمار آورد .

گرام همراه با هیپولیت فنتن « شرکت ماشین های مانیتو الکتریک گرام » را بوجود آورد و موفق گردید اختراع خود را یک راست وارد بازار و عمل کند

ساختار ماشین های الکتریکی:  

ماشین های الکتریکی از دو بخش اساسی تشکیل شده اند:

الف)قسمت متحرک ودوار به نام رتور

ب) قسمت ساکن به نام استاتور

بین این دو قسمت ،شکاف هوایی وجود دارد .

استاتو و رتور از مواد فرومغناطیسی ساخته می‌شوند تا چگالی شار بیشتر گردد و در نتیجه اندازه و حجم ماشین کمتر شود.

نکته: اگر شار در رتور و استاتور متغیر با زمان باشد ،هسته اهنی لایه‌به‌لایه ساخته می‌شود تا جریان گردابی کاهش یابد.

در بسیاری از ماشین ها محیط داخلی استاتور و محیط بیرونی رتور حاوی شیارهای متعددی است که داخل آنها هادی‌ها جاسازی میشوند، این هادیها بهم وصل می شوند و سیم پیچی حاصل می شود.به سیم پیچی هایی که در آنها ولتاژ القا می شود ،سیم پیچی آرمیچر اطلاق می گردد.

به سیم پیچ هایسی که ار آنها جریان میگذرد تا میدان مغناطیسی و شار اصلی را پدید آورند، سیم پیچ تحریک یا سیم پیچ میدان گفته می شود.

سیم پیچ آرمیچر تامین کننده تمام قدرتی است که تبدیل شده و یا انتقال می یابد.

قدرت نامی سیم پیچ آرمیچر،‌هم در ماشین های DC و هم در ماشین های AC فقط با جریان متناوب کارمی کند.

انواع ماشین‌ های الکتریکی:  

1-   ماشین جریان مستقیم

2-  ماشین القایی

3-  ماشین سنکرون

ماشین جریان مستقیم   :(DC)

در ماشین های DCسیم پیچ تحریک بر روی استاتور قرار دارد و رتور حاوی سیم پیچ آرمیچیر است.

از سیم پیچی تحریک جریان DC می گذرد تا شار درون ماشین شکل گیرد.

ولتاژ القا شده در سیم پیچی آرمیچر یک ولتلژ متناوب است برای یکسو کردن ولتاژ متناوب در پایانه رتور  از کموتاتور و جاروبک استفاده می شود.

استاتور می تواند بگونه ای باشد که سیم پیچ تحریک بیش از دو قطب ایجاد نماید.

نکته: می توان یک ماشین DC را معادل یک ماشین AC دانست که یکسو کننده مکانیکی به آن اضافه شده است.سیم پسچ تحریک فقط یک میدان مغناطیسی برای ما ایجاد میکند.

آشنایی با ماشینهای الکتریکی DC :

ماشین DC  دارای قابلیت انعطاف زیادی است و میتوان با اتصالات مختلف مدتر تحریک آن به مشخصه های گوناگون گشتاور و سرعت و ولتاژ جریان دست یافت.

از ماشینهای dc می توانیم به صورت موتور یا ژنراتور بهره برداری کرد.

اما امروزه برای ایجاد برق dc از سیستمهای یکسو ساز الکترونیک قدرت استفاده می شود لذا ژنراتورهای dc رفته رفته جای خود را در صنعت از دست می دهند.

در حالیکه موتورهای dc به خاطر امکان کنترل سرعت خوب کاربرد فراوانی دارند

امروزه همچنان موتور های dc بزرگ در صنایع نورد، نساجی،چاپ، جرثقیل سازی کاربرد فراوان دارند موتورهای dc کوچک هم در سیستمهای کنترل به وفور یافت می شوند.

که می توان از تاکومتر(سرعت سنج) نام برد.

موتور های DC : یکی از اولین موتورهای دوار، اگر نگوییم اولین، توسط میشل فارادی در سال 1821م ساخته شده بود و شامل یک سیم آویخته شده آزاد که در یک ظرف جیوه غوطه ور بود، می شد.

یک آهنربا ی دائم در وسط ظرف قرار داده شده بود.

وقتی که جریانی از سیم عبور می کرد، سیم حول آهنربا به گردش در می آمد و نشان می داد که جریان منجر به افزایش یک میدان مغناطیسی دایرهای اطراف سیم می شود.

این موتور اغلب در کلاس های فیزیک مدارس نشان داده می شود، اما گاهاً بجای ماده سمی جیوه، از آب نمک استفاده می شود.

موتور کلاسیک DC دارای آرمیچری از آهنربای الکتریکی است.

یک سوییچ گردشی به نام کموتاتور جهت جریان الکتریکی را در هر سیکل دو بار برعکس می کند تا در آرمیچر جریان یابد و آهنربا های الکتریکی، آهنربای دائمی را در بیرون موتور جذب و دفع کنند.

سرعت موتور DC به مجموعه ای از ولتاژ و جریان عبوری از سیم پیچهای موتور و بار موتور یا گشتاور ترمزی، بستگی دارد.

سرعت موتور DC وابسته به ولتاژ و گشتاور آن وابسته به جریان است.

معمولاً سرعت توسط ولتاژ متغیر یا عبور جریان و با استفاده از تپ ها (نوعی کلید تغییر دهنده وضعیت سیم پیچ) در سیم پیچی موتور یا با داشتن یک منبع ولتاژ متغیر، کنترل می شود.

بدلیل اینکه این نوع از موتور می تواند در سرعتهای پایین گشتاوری زیاد ایجاد کند، معمولاً از آن در کاربردهای ترکشن (کششی) نظیر لکوموتیو ها استفاده می کنند.

اما به هرحال در طراحی کلاسیک محدودیت های متعددی وجود دارد که بسیاری از این محدودیت ها ناشی از نیاز به جاروبک هایی برای اتصال به کموتاتور است.

سایش جاروبک ها و کموتاتور، ایجاد اصطکاک می کند و هرچه که سرعت موتور بالاتر باشد، جاروبک ها می بایست محکم تر فشار داده شوند تا اتصال خوبی را برقرار کنند.

نه تنها این اصطکاک منجر به سر و صدای موتور می شود بلکه این امر یک محدودیت بالاتری را روی سرعت ایجاد می کند و به این معنی است که جاروبک ها نهایتاً از بین رفته نیاز به تعویض پیدا می کنند.

اتصال ناقص الکتریکی نیز تولید نویز الکتریکی در مدار متصل می کند.

این مشکلات با جابجا کردن درون موتور با بیرون آن از بین می روند، با قرار دادن آهنرباهای دائم در داخل و سیم پیچ ها در بیرون به یک طراحی بدون جاروبک می رسیم.

موتورهای میدان سیم پیچی شده

آهنرباهای دائم در (استاتور) بیرونی یک موتور DC را میتوان با آهنرباهای الکتریکی تعویض کرد.

با تغییر جریان میدان (سیم پیچی روی آهنربای الکتریکی) می توانیم نسبت سرعت/گشتاور موتور را تغییر دهیم.

اگر سیم پیچی میدان به صورت سری با سیم پیچی آرمیچر قرار داده شود، یک موتور گشتاور بالای کم سرعت و اگر به صورت موازی قرار داده شود، یک موتور سرعت بالا با گشتاور کم خواهیم داشت.

می توانیم برای بدست آوردن حتی سرعت بیشتر اما با گشتاور به همان میزان کمتر، جریان میدان را کمتر هم کنیم.

این تکنیک برای ترکشن الکتریکی و بسیاری از کاربردهای مشابه آن ایده آل است و کاربرد این تکنیک می تواند منجر به حذف تجهیزات یک جعبه دنده متغیر مکانیکی شود. 

این تکنیک برای ترکشن الکتریکی و بسیاری از کاربردهای مشابه آن ایده آل است و کاربرد این تکنیک می تواند منجر به حذف تجهیزات یک جعبه دنده متغیر مکانیکی شود.

موتورهای یونیورسال یکی از انواع موتورهای DC میدان سیم پیچی شده موتور ینیورسال است.

اسم این موتورها از این واقعیت گرفته شده است که این موتورها را می توان هم با جریان DC و هم AC بکار برد، اگر چه که اغلب عملاً این موتورها با تغذیه AC کار می کنند.

اصول کار این موتورها بر این اساس است که وقتی یک موتور DC میدان سیم پیچی شده به جریان متناوب وصل می شود، جریان هم در سیم پیچی میدان و هم در سیم پیچی آرمیچر (و در میدانهای مغناطیسی منتجه) همزمان تغییر می کند و بنابراین نیروی مکانیکی ایجاد شده همواره بدون تغییر خواهد بود.

در عمل موتور بایستی به صورت خاصی طراحی شود تا با جریان AC سازگاری داشته باشد (امپدانس/رلوکتانس بایستی مدنظر قرار گیرند)، و موتور نهایی عموماً دارای کارایی کمتری نسبت به یک موتور معادل DC خالص خواهد بود.

مزیت این موتورها این است که میتوان تغذیه ی AC را روی موتورهایی که دارای مشخصه های نوعی موتورهای DC هستند بکار برد، خصوصاً اینکه این موتورها دارای گشتاور راه اندازی بسیار بالا و طراحی بسیار جمع و جور در سرعتهای بالا هستند.

جنبه منفی این موتورها تعمیر و نگهداری و مشکل قابلیت اطمینان آنهاست که به علت وجود کموتاتور ایجاد می شود و در نتیجه این موتورها به ندرت در صنایع مشاهده می شوند اما عمومی ترین موتورهای AC در دستگاه هایی نظیر مخلوط کن و ابزارهای برقی ای که گاهاً استفاده می شوند، هستند.

انواع ماشینهای جریان مستقیم: 1- ژنراتورهای ( مولد ) DC 2- موتورهای DC انواع ژنراتورهای DC : 1-مولد DC با تحریک جداگانه : سیم پیچ میدان این ژنراتور به وسیله یک منبع ولتاژ مستقل تحریک میشود.

این ژنراتور هنگامیکه یک حوزه وسیعی از تغییرات ولتاژ خروجی مورد نیاز باشد استفاده میشود.

کاربرد : بدلیل قابلیت تنظیم ولتاژ در محدوده وسیع در تنظیم دور موتورها وتحریک مولدهای بزرگ در نیروگاهها مورد استفاده قرار میگیرد.

2-مولد شنت : سیم پیچ میدان با سیم پیچ آرمیچر موازی بسته میشودو به همین دلیل به آن سیم پیچ شنت یا موازی میگویند.

تعداد حلقه های سیم پیچ شنت بسیار زیاد است و جریان این سیم پیچ کم حدود 5 درصد جریان اسمی آرمیچر میباشد.

( جریان باید کم باشد تا در جریان اصلی اثر کمی بگذارد.) کاربرد: از این مولد در شارژ باطری ها و تامین برق روشنایی اضطراری و تغذیه سیم پیچ مولد های نیروگاهی استفاده می شود.

۳- مولد سری: که سیم پیچ میدان (سیم پیچ سری تحریک) با سیم پیچ آرمیچر سری بسته می شود.

سیم پیچ سری دارای تعداد حلقه های کمتر بوده ولی جریان عبوری آن نسبتاُ زیاد است.(زیرا جریان آن همان جریان اصلی است) تا معادل mmf سیم پیچ شنت تولید شود.

کاربرد مولد سری : بدلیل داشتن گشتاور راه اندازی زیاد در وسایل حمل و نقل مانند مترو و جرثتقیلهای برقی استفاده میشود.

4-مولد کمپوند : اگر از هر دو سیم پیچ شنت وسری جهت تحدیک مولد استفاده شود، مولد DC یا کمپوند میگویند ، که دارای دو نوع کمپوند اضافی و نقصانی میباشند.

کمپوند اضافی : اگر نیرو محرکه مغناطیسی سیم پیچ سری ، نیرو محرکه مغناطیسی سیم پیچ شنت را تحریک کند، مولد کمپوند اضافی گویند.

که دارای دو نوع شنت بلند و شنت کوتاه میباشد مولد کمپوند اضافی بسته به تعداد دورهای سیم پیچ سری میتواند یکی از سه حالت زیر باشد : الف) فوق کمپوند : (تعداد دهر سیم پیچ سری زیاد است) در مواردی استفاده میشود که بایستی ولتاژ بار ثابت باشد.

ولی به علت وجود فاصله بین مولد و مصرف کننده در سیمها افت ولتاژ به وجود می آید.

در این حالت افزایش ولتاژ خروجی مولد، افت ولتاژ خط را جبران میکند و به مصرف کننده ولتاژ ثابت میرسد.

ب)تخت : نیروی محرکه مغناطیسی سیم پیچ سری و موازی با هم برابر بوده و جایی استفاده میشود که نیاز به ولتاژ ثابتی باشدو فاصله بین مولد و مصرف کننده کم باشد ج)زیر کمپوند : اثر آمپر دور سیم پیچ سری ناچیز می باشد(ـبه علت تعداد دور کم سیم پیچ سری) و در تحریک مولد های نیروگاهی نقش موثری دراد کمپوند نقصانی : کمپوند نقصانی هنگامی که شار سیم پیچ سری باعث کاهش و نقصان اثر شار سیم پیچ شنت شود و در جوشکاری قوس الکتریکی استفاده می شود.

تذکر : کمپوند نقصانی و کمپوند اضافی دارای دو نوع شنت بلن و شنت کوتاه می باشند که اگر سیم پیچ سری با سیم پیچ ارمیچر با هم سری بسته شوند شنت بلند گفته و اگر سیم پیچ شنت با سیم پیچ ارمیچر موازی قرار گیرد شنت کوتاه می گویند مبانی ماشینهای الکتریکی جریان مستقیم وسایل تبدیل انرژی الکترومکانیکی گردان را ماشینهای الکتریکی می گویند.

طبقه بندی ماشینهای الکتریکی ماشینهای الکتریکی به دو طریق دسته بندی می شوند: 1- از نظر نوع جریان الکتریکی الف- ماشینهای الکتریکی جریان مستقیم ب- ماشینهای الکتریکی جریان متناوب 2- از نظر نوع تبدیل انرژی الف- مولدهای الکتریکی که انرژی مکانیکی را به انرژی الکتریکی تبدیل می کنند ب- موتورهای الکتریکی که انرژی الکتریکی را به انرژی مکانیکی تبدیل می کنند به طور کلی ماشینهای الکتریکی جزء وسایل تبدیل انرژی غیر خطی هستند