طراحی موتور القایی – قسمت دوم

مقدمه

موتورهای القایی قفس سنجابی به دلیل ذات ستبر و مناسب خود به طور فزآینده ای در صنایع مختلف در حال استفاده هستند. عدم نیاز به تعمیر و نگهداری قابل توجه و قیمت مناسب آنها روز به روز بر محبوبیت و گستردگی استفاده از آنها افزوده است. بدلیل پدیده ناشی از القای مغناطیسی موتور القایی یک مدار مغناطیسی تک تحریک است (به روتور ولتاژی اعمال نمی گردد). طراحی دقیق، فنی و عملی الکتروموتور القایی را از کجا باید شروع کنیم؟ شما باخواندن این مقاله، طراحی دقیق و فنی الکتروموتور القایی را به صورت عملی را می آموزید.

قسمت دوم طراحی موتور القایی؛

محاسبات مدار معادل

محاسبه جریان مغناطیس کنندگی

17. اندوکتانس مغناطیس کنندگی را حساب کنید.

K_c: ضریب کارتر برای محاسبه افزایش طول موثر فاصله هوایی به دلیل باز شدن شیارها است و معمولا در محدوده 1 تا 1.5 قرار دارد.

F_mts، F_mtr، F_mcs، F_mcr افت MMF در امتداد دندانه های استاتور، دندانه های روتور، هسته استاتور، و هسته روتور، که از چگالی شار معین و منحنی B-H برآورد شده است.

ضریب اشباع دندانه ها، باید با مقدار انتخاب شده در مرحله 1 متناسب باشد.

اندوکتانس نشتی استاتور را محاسبه کنید

18. راکتانس نشتی که متشکل از اجزاء مختلفی است را به کمک چند معادله و روابط تجربی (بسیار تقریبی هستند) محاسبه کنید.

 ضرایب نشت شیار

 ضریب نشت دیفرانسیلی

ضرایب نشتی دو سر انتهایی سیم پیچ

 محاسبه اندوکتانس نشتی روتور

راکتانس نشتی که از چند بخش تشکیل می شود را با استفاده از چند معادله و فرمول تجربی (که بسیار تقریبی هستند) محاسبه کنید.

 انوکتانس دیفرانسیلی روتور

 اندوکتانس نشتی انتهای روتور

 محاسبات؛ تجزیه و تحلیل المان محدود (FEA)

•  FEA بر اساس راه حل عددی میدان مغناطیسی پایه گذاری شده است. FEA بر اساس نظریه های تحلیلی، مثل مدار معادل کلاسیک که قبلا نشان دادیم، نیست.
• طراح به FEA هندسه و فیزیکی ماشین، خواص مواد، تحریک اعمال شده به سیم پیچ (منبع ولتاژ یا جریان)، و بار ماشین را به عنوان ورودی می دهد. خروجی FEA عملکرد کلی ماشین مانند: جریان سیم پیچی (اگر منبع ولتاژ اعمال شده)، گشتاور شفت، سرعت روتور در یک بار مکانیکی خاص و غیره می باشد.
• تلفات مس از طریق راه حل جریان FEA و مقاومت محاسبه شده توسط طراح بدست می آید
• تلفات هسته عمدتا به طور تقریبی از راه حل چگالی شار در هسته و داده های مواد و به صورت آفلاین محاسبه می شود.
• محاسبات FEA به عنوان یک شیء کلی با ماشین رفتار می کند. نه می تواند به طور مستقیم مقادیر راکتانس و مقاومت مدار معادل را محاسبه کند و نه مولفه های جزئی نشت اندوکتانس (نشت شیارها، نشت دیفرانسیلی، و غیره)
• طراح الکتروموتور راندمان و ضریب قدرت را به صورت آفلاین و بر اساس گشتاور و جریانِ FEA محاسبه می کند
• در FEA دو بعدی، اثر انتهایی توسط مدار معادل که متشکل از مقاومت ها و راکتانس ها است که به عنوان یک ورودی از سوی طراح وارد می شوند، تقریب زده می شود. FEA سه بعدی خود می تواند اثر انتهایی را در محاسباتش داخل کند
• FEA بسیار وقت گیر است، FEA دو بعدی ساعت ها طول می کشد تا عملکرد یک طرح را شبیه سازی کند و FEA سه بعدی روزها طول می کشد.

عملکرد الکتروموتور یا موتور القایی را محاسبه کنید.

20. چندین کتاب درسی نحوه محاسبه جریان میله های روتور و حلقه انتهایی، مقاومت و تلفات هادی را شرح داده اند. از این رو مقاومت روتور یک فاز روتور معادل را پیدا کنید. اکنون مدار معادل کامل است.

21. از FEA برای بررسی هرگونه مشکل در چگالی شار استفاده کنید.

22. تمام تلفات آهن را از روی اطلاعات تلفات مواد (در واحد وات بر کیلو گرم) که وابسته به چگالی شار و فرکانس هستنند به صورت آفلاین محاسبه کنید.

23. اصطکاک و مقاومت هوا را یک در صدِ توان ورودی در نظر بگیرید.

24. حال تمام عناصر مدار معادل مشخص شده اند. با استفاده از آنها راندمان و ضریب توان در حالت بار کامل را محاسبه کنید. اگر مقادیر بدست آمده با آنچه که در مرحله 1 فرض کرده بودیم همخوانی نداشت، به مرحله 1 برگردید و تمام مراحل 2 تا 17 را تکرار کنید.

25. محاسبه داده های عملکرد موتور از مدار معادل و مقایسه با نتایج حاصل از FEA :

•  لغزش در بار کامل
• گشتاور و جریان راه اندازی
• منحنی گشتاور-سرعت ( اگر قابل قبول نیست، هندسه شیار های روتور را تغییر داده و به مرحله 12 برگردید.)
• در صورت تغذیه از مبدل، ریپل گشتاور

26. طراحی مکانیکی

27. طراحی حرارتی. اگر افزایش دما زیاد باشد، یا با افزودن پروانه های خنک کننده عملیات خنک کاری را تقویت کنید یا با بازگشت به مرحله 1 و تنظیم مقدار بارگذاری مغناظیسی و بارگذاری الکتریکی طراحی را تکرار کنید.

28. وزن و حجم را محاسبه کنید.

 روش های اصلاح طرح ها

پس از مراحل بالا طرح های بدست آمده را می توان مطابق با جدول زیر اصلاح نمود.

مراحل جا مانده

• خودکار کردن فرایند بهینه سازی، برای حذف نیاز به تکرار چندین مرحله و گزینه پیش رو برای رسیدن به راه حل بهینه به روش آزمون و خطا.
• بهترین مواد برای استفاده در فرکانس های بالا کدام مواد هستند؟
• چگونگی انتخاب اولیه پارامترها برای برآورده ساختن نیازهای خاص مانند نیاز موتور به گشتاور بالا؟
• محاسبات دقیق تر خنک کننده.
• اثرات مرتبه دوم: اثرات سیم پیچ انتهایی، هارمونیک ها، فعل و تاثیرات اینورتر، تلفات ریپل(موجی)، و غیره…

.اگر شما نیز تجربه و نظریاتی در این باره دارید، با ما به اشتراک بگذارید

مراجع؛

I. Boldea and S. A. Nasar, The induction machine handbook, 1 ed.: CRC express, 2001.[1]

[2]  T. A. Lipo, Introduction to AC machine design, 2 ed.: University of Wisconsin-Madison, 2004

[3]  M. G. Say, Performance and design of AC machines: Pitman, London, 1970

[4]  F. Fu and X. Tang, Induction machine design handbook: China Machine Press, 2002

[5] Ronald G. Harley Yao Daun, Traditional Design of Cage Rotor Induction Motors, Georgia Institute of Technology November, 2009