قدرت : بهشادبیات عنوان و استاد جنابآقایدکتزاجاقی نگارش: مرداد

Transcription

1 کارشناسي پاياننامه گرايش: قدرت : عنوان و القایی مىتىر ساسی شبیو و پایدار حاالت بزرسی MATLAB گذرای آن با استفاده اس نزمافشار راهنما: استاد جنابآقایدکتزاجاقی نگارش: بهشادبیات 98 مرداد

2 فهرست مطالب چکیده... 1 فصل اول-اصول کار موتور های القایی آشنایی با موتورهای القایی ساختمان موتورهای القایی سه فاز مفاهیم اساسی در یک موتور القایی بهره برداری از ماشینهای القایی مدار معادل موتورهای القایی مشخصههای موتورهای القایی سه فاز راه اندازی موتورهای القایی فصل دوم- تعیین پارامترهای مدار معادل موتور القایی 1-2 -مقدمه آشنایی با بلوک موتورالقایی در 11...MATLAB 3-2 -آزمایش 26...DC 4-2- آزمایش بیباری آ- زمایش روتور قفل شده فصل سوم- کارکرد حالت پایدار موتور القایی مقدمه اثر تغییرات بار بر سرعت لغزش و تنظیم سرعت موتور القایی اثر تغییرات بر بازده موتور القایی اثر تغییرات بار بر ضریب توان موتور القایی...46 a

3 5-3 -محاسبه گشتاور القایی ومقایسه آن با مقادیر شبیهسازی شده در بارهای مختلف نمودار گشتاور القایی سرعت و نمودار گشتاور بار سرعت محاسبه گشتاور راه اندازی موتور القایی فصل چهارم- بررسی عملکرد حالت گذرای موتور القایی مقدمه عملکرد موتور القایی حین راه اندازی از سرعت صفر زیر بارهای مختلف عملکرد موتور القایی حین تغییر ناگهانی بار نتیجهگیری مراجع b

4 فهرست اشکال فصل اول شکل کالسهای مختلف موتور القایی قفس سنجابی... 5 شکل نمودار سرعت-گشتاور کالسهای مختلف موتور القایی قفس سنجابی... 5 شکل شکل 4-1- مدل هر فاز استاتور... 6 مدل هر فاز روتور شکل -1 5 شکل -1 6 مدار معادل کامل موتور القایی مدار معادل IEEE موتور القایی فصل دوم شکل 1-2- بلوک ماشین القایی به صورت 11...SI شکل بلوک ماشین القایی به صورت 11...PU شکل 3-2 -جدول ترکیب بندی بلوک ماشین القایی شکل 4-2- بلوک ماشین القایی به صورت SI شکل بلوک ماشین القایی به صورت 24...PU شکل 6-2 بلوک ماشین القایی قفس سنجابی...24 شکل 7-2 بلوک ماشین القایی سیم پیچی شده شکل 1-2 -جدول پارامترهای شکل 6-2 -جدول پیشرفته بلوک ماشین القایی بلوک ماشین القایی شکل سیمولینک تست DC شکل شکل 12-2 شبیه سازی آزمایش بی باری شبیه سازی آزمایش روتور قفل شده فصل سوم c

5 شکل آزمایش بار موتور القایی شکل 2-3- شکل 3-3- نمودار سرعت بر حسب بار میکانیکی نمودار لغزش بر حسب بار میکانیکی شکل نمودار بازده بر حسب بار میکانیکی شکل 3-5- نمودار بازده بر حسب جریان...45 شکل 6-3- نمودار ضریب توان برحسب بار میکانیکی شکل 7-3 نمودار توان اکتیو و راکتیو برحسب بار میکانیکی شکل 1-3 -نمودار مقادیر گشتاورهای بار والقایی بر حسب سزعت شکل مقادیر گشتاورهای بار والقایی بر حسب لغزش شکل 14-3 نمودار سرعت برای بار شکل شبیه سازی آزمایش بار برای شکل نمودار توان اکتیو و راکتیو در بار شکل نمودار جریان هر فاز در بار شکل نمودار سرعت در بار شکل نمودار گشتاور القایی در بار فصل چهارم شکل 4-1 شکل 4-2- شکل 4-3- شکل 4-4 شکل 4 5- توان اکتیو و راکتیو در حین راهاندازی موتور زیر بار کامل جریان فاز در حین راهاندازی موتور زیر بار کامل سرعت در حین راهاندازی موتور زیر بار کامل گشتاور القایی در حین راهاندازی موتور زیر بار کامل توان اکتیو و راکتیو در حین راهاندازی موتور زیر دو بار مختلف شکل جریان فاز در حین راهاندازی موتور زیر سه بار مختلف d

6 شکل شکل 4 1 سرعت در حین راهاندازی موتور زیرسه بار مختلف گشتاور القایی در حین راهاندازی موتور زیرسه بار مختلف شکل 6-4 -شکل موج گشتاور بار اعمالی به موتور القایی در بررسی حالت تغییر ناگهانی بار از بار کامل به بی باری...63 شکل توان اکتیو و راکتیو در حین تغییر ناگهانی بار از بار کامل به بی باری شکل جریان فاز درحین تغییر ناگهانی بار از بار کامل به بی بار شکل 12-4 سرعت در حین تغییر ناگهانی بار از بار کامل به بی باری شکل گشتاور القایی در حین تغییر ناگهانی بار از بار کامل به بی بار شکل شکل موج گشتاور بار اعمالی به موتور القایی در بررسی حالت تغییر ناگهانی بار از بی باری به بار کامل شکل توان اکتیو و راکتیو در حین تغییر ناگهانی بار از بی باری به بار کامل شکل جریان فاز در حین تغییر ناگهانی بار از بی باری به بار کامل شکل 4- سرعت در حین تغییر ناگهانی بار از بی باری به بار کامل شکل گشتاور القایی در حین تغییر ناگهانی بار از بی باری به بار کامل e

7 فهرست جداول فصل دوم جدول 1-2 -خروجیهای بلوک ماشین القایی جدول 2-2 نتایج مربوط به شبیهسازی آزمایش روتور قفل شده جدول 3-2 مقادیر حاصل از آزمایش روتور قفل شده ومقادیر خطای مربوط به هر آزمایش جدول 4-2 مقادیر + حاصل از آزمایش روتور قفل شده ومقادیر خطای مربوط به هر آزمایش فصل سوم جدول 1-3 -اثر تغییر بار میکانیکی بر بر سرعت لغزش و تنظیم سرعت موتور القایی جدول 2-3 -اثر تغییر بار میکانیکی بر بازده موتور القایی جدول 3-3- اثر تغییرات بار بر ضریب توان موتور القایی جدول 4-3- مقادیر گشتاورهای بار گشتاورهای القایی حاصل از شبیهسازی گشتاورهای القایی حاصل از محاسبات و مقدار خطای این دو گشتاورالقایی...46 جدول 5-3- مقادیر گشتاورهای بار والقایی بر حسب سزعت ولغزش f

8 چکیده: دراین پروژه آزمایشهای موتور القایی و کارکرد آن در دو حالت پایدار و گذرا مورد بررسی و شبیهسازی کامپیوتری قرار گرفته است. در ابتدا اصول اساسی موتورهای القایی در فصل اول تشریح شده است و موضوع فصلهای بعد به شرح زیر است: در فصل دوم آزمایشهای موتور القایی شامل آزمایش DC آزمایش بی باری و آزمایش روتور قفل شده به طور کامل تشریح وسپس با نرمافزار MATLAB شبیهسازی شده اند و در انتهای هر بخش نتایج حاصل از شبیهسازی با مقادیر واقعی پارامترهای موتور القایی مقایسه شدهاند. در فصل سوم حالت پایدار موتور القایی مورد بررسی قرار گرفته است.در این فصل آزمایش بار را روی موتور القایی انجام میدهیم وتاثیر بارهای مختلف را روی کمیتهای مختلف موتور القایی همانند توان سرعت لغزش گشتاور القایی و دیگر کمیتهای موتور القایی بررسی میکنیم. در فصل چهارم حالت گذرای موتور القایی مورد بررسی قرار گرفته است. در این فصل دو حالت عملکرد موتور القایی حین راه اندازی از سرعت صفر زیر بارهای مختلف وعملکرد حین تغییر ناگهانی بار را بررسی میکنیم. در خاتمه هم نتیجهگیری از پروژه و فهرست منابع ارائه میگردد. 1

9 فصل اول اصول کار موتورهای القایی 2

10 1-1- آشنایی با موتورهای القایی ماشینهای الکتریکی به گروهی از مبدلهای الکترومکانیکی اطالق میشود که قادرند انرژی الکتریکی را به انرژی مکانیکی و یا انرژی مکانیکی را به انرژی الکتریکی به طور پیوسته تبدیل کنند. ماشینهای الکتریکی را از جنبههای مختلف میتوان دستهبندی کرد. یک دستهبندی برحسب تبادل انرژی طرف الکتریکی ماشین با یک وسیلهی الکتریکی ACیاDC اعم از منبع یا مصرفکننده میباشد. ماشینهایAC ژنراتورهایی هستند که انرژی مکانیکی را به انرژی الکتریکی ACتبدیل میکنندوموتورهایی که انرژی الکتریکیAC را به انرژی مکانیکی تبدیل میکنند. ماشینهایAC دو دسته هستند: ماشینهای سنکرون و ماشینهای آسنکرون)القایی(. ماشینهای سنکرون موتورها و ژنراتورهایی هستند که جریان میدان آنها به وسیلهی یک منبعDC جداگانه تامین میشود.درماشینهای القایی جریان میدان توسط القای مغناطیستی)عمل ترانسفورماتوری(درسیم پیچیهای میدان آنها ایجاد میشود. دراین ماشینها ولتاژ در سیمپیچهای روتور در اثر القا ایجاد میشود نه بوسیله اتصاالت فیزیکی ازبیرون روتور. استاتور به شبکه AC متصل میشود و در روتور جریانACبه علت القا برقرار میشود. به همین علت به آنها ماشینهای القایی گفته میشود. کاربرد این ماشینها به صورت ژنراتور محدود است وبه ندرت به کار میرود به همین دلیل این ماشینها به موتورهای القایی معروفند. موتورهای القایی دوار بر سه نوعند: موتورهای القایی تک فاز موتورهای القایی دو فاز موتورهای القایی سه فاز

11 درصد قابل توجهی از موتورهای مورد استفاده در صنعت از نوع سهفاز هستند ولی با وجود این موتورهای تکفاز نیز ساخته میشوند ودر مناطقی که به شبکه سهفاز دسترسی ندارند مورد استفاده قرار میگیرند. امروزه موتورهای القایی درصد قابل توجهی از نیروی محرکه مکانیکی صنایع را تامین میکنند. دلیل این امر پایین بودن " قیمت " این موتورها در مقایسه با دیگر موتور های معمول مانند موتورهای DC یا سنکرون میباشد. روان و بی صدا کار کردن عمر طوالنی و نیاز کم به تعمیر و نگهداری از دیگر مزایای موتورهای القایی در مقایسه با موتورهای DC یا سنکرون است ساختمان موتورهای القایی سه فاز موتورهای القایی یکی از ماشینهای پرمصرف در صنایع بوده و حاوی یک قسمت ساکن به نام استاتور و یک قسمت دوار به نام روتور میباشند. روتور بر روی محور نصب بوده و درون استاتور میچرخد ولذا بین روتور و استاتور شکاف هوایی وجود دارد. هسته استاتور مورق بوده و از فوالد مرغوب تهیه میشود. روتور نیز مورق بوده و از مواد فرومغناطیستی مرغوب ساخته میشود. استاتور موتورهای القایی همان ساختار فیزیکی ماشینهای سنکرون را دارد ولی ساختار روتورشان متفاوت است. روتور موتورهای القایی سه فاز از نظر ساختمان بر دو نوع است: 1 -روتور سیم پیچیشده:درون شیارهای روتور سیم پیچ مسی یا آلمینیومی جاسازی شده است. 2- روتورقفس سنجابی: درون شیارهای روتور میله های مسی یا آلمینیومی جاسازی شده است. موتور القایی با روتور سیم پیچیشده گرانتر از موتور القایی قفس سنجابی است و نگهداری آن به علت فرسایش ناشی از جاروبکها مشکلتر است. به همین علت موتورهای القایی با روتور سیم پیچیشده به ندرت به کار میروند. 4

12 طبقهبندی موتورهای القایی قفس سنجابی معموال در صنعت با بارهای مکانیکی گوناکون مواجه هستیم. برای ایجاد محیطی مناسب برای راه اندازی و کارعادی این بارهای مکانیکی انواع مختلفی از موتورهای قفس سنجابی به بازار عرضه شد. طراحان روتورهای مختلفی را با مشخصههای سرعت-گشتاور مخصوص طراحی کردند. انجمن بینالمللی سازندگان وسایل برقی) NEMA ( یک دسته طرح استاندارد با منحنیهای سرعت-گشتاورمختلف را تعریف و دسته بندی کرده است. موتورهای القایی قفس سنجابی را در چهار کالس D,C,B,A میسازند. البته قبال کالس های FوE نیز وجود داشتند که امروزه منسوخ شدهاند. تفاوت عمده در طراحی این کالسها نحوه تغییر مقاومت مدار روتور میباشد. در شکل 1-1 کالس های مختلف موتور القایی ودر شکل 2-1 منحنی سرعت-گشتاور کالسهای مختلف موتور القایی نشان داده شدهاند. شکل کالسهای مختلف موتور القایی قفس سنجابی شکل نمودار سرعت-گشتاور کالسهای مختلف موتور القایی قفس سنجابی 5

13 3-1 -مفاهیم اساسی در یک موتور القایی چگونگی ایجاد گشتاور القایی در یک موتور القایی اگر ولتاژ شبکه را به استاتور یک موتور القایی وصل کنیم یک مجموعه جریان سه فاز از آن میگذرد. این جریانها یک میدان مغناطیستی ایجاد میکنند که در جهت ساعتگرد میچرخد.سرعت چرخش این میدان مغناطیستی عبارت است از: = 121 فرکانس ولتاژ بر حسب Hz f P تعداد قطبهای ماشین این میدان مغناطیستی دوار از میله های روتور میگذرد و ولتاژی درآنها القا میکند. توجه شود این حرکت نسبی روتور نسبت به میدان مغناطیستی استاتور است که ولتاژالقایی در میلههای روتور را ایجاد میکند. به دلیل اتصال کوتاه بودن میلههای روتور در طرفین ولتاژ القایی منجر به ایجاد جریان الکتریکی در میلهها شده و سرانجام جریان روتور میدان مغناطیستی روتور ار واکنش و در روتور گشتاور القا میشود و را ایجاد میکند. در نهایت روتور در جهت گشتاور القایی ماشین شتاب میگیرد و شروع به چرخیدن میکند. گشتاور القایی ماشین عبارت است از: =k Х لغزش روتور رفتار موتورهای القایی به ولتاژ و جریان روتور بستگی دارد. ولتاژالقا شده در میلههای روتورهم به سرعت روتور نسبت به میدان مغناطیستی استاتور بستگی دارد. در واقع این حرکت نسبی روتور 6

14 نسبت به میدان مغناطیستی استاتور است که ولتاژ القایی در میلههای روتور را ایجاد میکند. برای توصیف این حرکت نسبی از مفهوم لغزش استفاده میکنیم: s= :سرعت میدان مغناطیستی استاتور :سرعت مکانیکی محور روتور تمام موتورهای القایی با سرعتی میچرخند که 1=s تا 1=s باشد. اگر 1=s روتور با سرعت سنکرون میچرخد و اگر 1=s روتور ساکن است فرکانس الکتریکی روتور عملکرد موتور القایی شبیه ترانسفورماتور میباشد که گاهی به آن ترانسفورماتور دوار میگویند. در موتور القایی همانند ترانسفورماتور اولیه)استاتور( ولتاژی در ثانویه )روتور(القا میکند ولی برخالف ترانسفورماتور ثانویه لزوما با اولیه هم فرکاتس نیست. رابطه بین فرکانس روتور و فرکا سن استاتور به صورت زیر میباشد: =s اگر روتور یک موتور قفل شود) s=1 (روتور با استاتور هم فرکانس میشود سنکرون بچرخد) s=1 (فرکانس روتور صفر میشود. ولی اگر روتور با سرعت 4-1 -بهره برداری از ماشینهای القایی ماشینهای القایی در سه حالت زیر میتوانند مورد بهره برداری قرار گیرند: حالت موتوری 7

15 در این حالت پایانههای ماشین القایی به شبکهی سه فاز ACوصل میشود و میدان گردان استاتور شکل گرفته عمل القا در روتور صورت میگیرد وگشتاور حاصل میشود. روتور به چرخش در می آید وسرعت آن در نهایت n سرعت روتور سرعت سنکرون است وهمواره سرعت آن از سرعت سنکرون کمتر است. n< n حالت ژنراتوری اگر پایانههای یک ماشین القایی سه فاز را به یک شبکهی سه فاز وصل کرده و روتور توسط یک گرداننده خارجی با سرعتی بیش از سرعت سنکرون به چرخش در آوریم در این صورت جهت گشتاور القایی آن معکوس شده وماشین به صورت ژنراتور عمل میکند حالت ترمزی اگر هنگامی که ماشین القایی به صورت موتور کار میکند توالی فازهای اعمالی به استاتور ناگهان عوض شود واز توالی فاز abc به توالی فاز acb تغییر یابد در این صورت جهت چرخش میدان گردان استاتور نسبت به جهت چرخش روتور عوض میشود وحالت ترمزی پیش میآید مدار معادل موتورهای القایی در این بخش مدار معادل موتور القایی را مورد بررسی قرار میدهیم. این مدار معادل ما را یاری میکند که مشخصههای موتور القایی از جمله بازده ضریب توان گشتاور راه اندازی گشتاور ماکزیمم و بسیاری از مشخصههای دیگر موتور را به دست آوریم. مدار مطرح شده دراین بخش مربوط به حالت ماندگار)مانا( بوده وبه کار عادی موتور در لغزشهای مختلف مربوط میشود. از آنجایی که موتورهای سهفاز از نظر ساختمان روتور و استاتورمتعادل هستند برای تحلیل آنها در حالت مانا مدار معادل تک فاز را مورد مطالعه قرار میدهیم. 8

16 نتیجهگیری در این پروژه موتور القایی از جهات زیر بررسی شد و شبیهسازیهای مربوط به هر بخش در مورد آن با استفاده از نرمافزار MATLAB اجرا شد: -آزمایشهای موتور القایی شامل آزمایش DC آزمایش بی باری و آزمایش روتور قفل شده برای تعیین پارامترهای آن - کارکردحالت پایدار موتور القایی شامل آزمایش بار برای تعیین تاثیر بارهای مختلف روی کمیتهای مختلف موتور القایی - حالت گذرای موتور القایی نرمافزار MATLAB نرمافزار بسیار مفیدی برای شبیهسازی سیستمها و تجهیزات قدرت از جمله موتورهای القایی میباشد. این نرمافزار کتابخانهی وسیعی با بلوکهای مختلف در اختیار کاربران ومهندسان قدرت قرار میدهد. در فصل دوم آزمایشهای موتور القایی را در این نرمافزار شبیهسازی کردیم.همانطور که دیدیم پارامترهای موتور القایی حاصل از این شبیهسازیها خطاهای بسیار ناچیزی با مقادیر واقعی داشتند. در فصل سوم کارکرد حالت پایدار موتور القایی با این نرمافزار شبیهسازی شد که از این نتایج میتوان برای کارکرد موتور القایی استفاده کرد.برای نمونه دیدیم که بازده ماکزیمم در بار نامی موتور القایی رخ نمیدهد و کمی پایین تر از بار نامی رخ میدهد. در فصل چهارم حالت گذرای موتور القایی با این نرمافزار شبیهسازی شد که اطالعات بسیار مفیدی هنگام راهاندازی موتور القایی همچون مقدار جریان راهاندازی ویا هنگام تغییر ناگهانی بار در اختیار قرار داد. 69

17 [1] Saffet Ayasun Chika O. Nwankpa, Induction Motor Tests Using MATLAB/Simulink and Their Integration Into Undergraduate Electric Machinery Courses, IEEE TRANSACTIONS ON EDUCATION, VOL. 84, NO. 1, FEBRUARY 2002 مراجع: [ 2 ]استفن ج. چاپمن مبانی ماشینهای الکتریکی چاو چهارم تهران نشر نص پاییز 1386 [3] و.س.سن ماشینهای الکتریکی چاو شانزدهم تهران نشر بصیر 1387 [4] محمدرضافیضی و کامران خفافی ماشینهای الکتریکی مخصوص چاو سوم انتشارات دانشگاه تبریز