آموزش طراحی وب و برق - سیم پیچی دو طبقه موتورهای سه فاز

با توجه به اشکالات سیم پیچی یک طبقه، معمولا در موتورهای سه فاز از سیم پیچی دو طبقه استفاده می شود. در سیم پیچی دو طبقه در هر شیار دو بازوی کلاف قرار می گیرد. چنانچه گام سیم پیچی، کامل باشد در این صورت دو بازوی واقع در یک شیار استاتور مربوط به یک فاز خواهد بود و چنانچه گام سیم پیچی کوتاهتر از گام کامل باشد، در هر شیار استاتور دو بازو از دو فاز جداگانه قرار می گیرد.

ویژگی های سیم پیچی دو طبقه موتورهای سه فاز :

از ویژگی های سیم بندی دو طبقه موتورهای سه فاز می توان به موارد زیر اشاره نمود :

1-  تعداد کلافها در سیم بندی دو طبقه دو برابر تعداد کلافها در سیم بندی یک طبقه می باشد اما تعداد حلقه های هر کلاف، نصف تعداد حلقه های هر کلاف در سیم بندی یک طبقه می باشد.

2- تعداد گروه کلافها در سیم بندی دو طبقه، سه برابر تعداد قطبها می باشد:   3P= تعداد گروه کلافهای موتور

3- در سیم پیچی دو طبقه (شیار کامل) می توان کلافهای سیم پیچی را به اندازه 2P مرتبه (به تعداد قطبها) با یکدیگر موازی نمود. این امر باعث می شود در موتورهای پر قدرت که به سیم هایی با مقطع بزرگ نیاز است و این سیمها در دسترس نمی باشند، بتوان سطح مقاطع مورد نظر را ساخت همچنین فرم دادن کلافهایی که دارای سیم های با مقطع کم می باشند، راحت تر است.

4-  در سیم پیچی دو طبقه، کلافهای موتور در داخل شیارها به گونه ای جا زده می شوند که یک بازوی کلاف در زیر یا در کف شیار و بازوی دیگر در بالای شیار دیگر قرار می گیرد. به این ترتیب سیم پیچی دو طبقه بهتر از سیم پیچی یک طبقه به وسیله فن نصب شده بر روی رتور خنک شده، توان موتور افزایش می یابد.

سیم بندی دو طبقه با گام کسری

سیم بندی دو طبقه در بیشتر موتورها به صورت گام کسری (کوتاه شده) اجرا می شود. استفاده از سیم بندی با گام کسری مزایای ا به دنبال خواهد داشت که برخی از آنها در زیر آورده می شود :

1- با کوتاه شدن گام سیم بندی، پیشانی کلافها کوتاه تر شده در مصرف سیم صرفه جویی می شود. در موتورهای دو قطب معمولا گام سیم بندی 3/2 یا 4/3 گام قطبی انتخاب می شود، اما در بیشتر موتورها گام سیم بندی برابر 6/5 گام قطبی انتخاب می گردد.

2- با كسري كردن گام، مؤلفه هاي فركانس بالاي ولتاژ كه به هارمونيكها معروفند، تضعيف مي شوند. شار در صورتي در فاصله هوايي بين رتور و استاتور توزيعي سينوسي خواهد داشت كه تعداد زيادي شيار در محيط استاتور وجود داشته باشد و در ضمن سيم پيچهاي موتور به صورت سينوسي در اين شيارها توزيع شوند، اما از آنجا كه اين امر امكان پذير نمي باشد، شار و در نتيجه ولتاژ القا شده از فرم سينوسي خارج خواهد شد. چنانچه شكل موج ولتاژ را تجزيه كنيم علاوه بر مؤلفه هاي اصلي و سينوسي ولتاژ، مؤلفه هاي ديگري نيز ظاهر خواهد شد كه داراي فركانسي چندين برابر فركانس مؤلفه اصلي ولتاژ مي باشند. اين مؤلفه ها، هارمونيكهاي ولتاژ ناميده مي شود.

مؤلفه هاي هارمونيك ولتاژ به مؤلفه اصلي افزوده شده و از آنجا كه شار با ولتاژ متناسب مي باشد، شار ماشين را مي افزايد و باعث ايجاد تلفات اضافي در موتور مي شوند. جهت جلوگيري از گرم شدن موتور بر اثر تلفات اضافي بايد كمتر از بار نامي از موتور بارگيري نمود. همچنين وجود هارمونيكهاي فركانس بالاي ولتاژ باعث ايجاد نويز در سيستمهاي مخابراتي نيز مي شود. ثابت مي شود كه هارمونيكهاي فرد ( سوم، پنجم، هفتم و ... ) به نسبت بيشتري در ولتاژ فاز وجود خواهند داشت. به دليل اتصالات ستاره يا مثلث سيم بندي يك موتور سه فاز، مؤلفه هاي هارمونيك سوم ولتاژ تضعيف خواهند شد.

هارمونيكهاي پنجم و هفتم بيشترين تأثير را در غير سينوسي شدن شكل موج ولتاژ خواهند داشت. ضمن اينكه هارمونيك پنجم ولتاژ بر محور موتور توليد گشتاور ترمزي مي كند زيرا توالي ولتاژ نسبت به هارمونيك پنجم عكس توالي ولتاژ نسبت به مؤلفه اصلي خواهد بود.

استفاده از سيم پيچي با گام كسري، راه حل تضعيف هارمونيكها و كاهش تلفات در يك موتور سه فاز مي باشد و به اين ترتيب در موتورهايي كه از سيم بندي دو طبقه با گام كسري بهره مي گيرند، قدرت به اندازه 10 درصد از موتورهاي با سيم پيچي يك طبقه بيشتر است.

ثابت می شود که برای تضعیف هارمونیک مرتبه nام در سیم بندی موتور، گام کلاف باید به اندازه 1/n کاهش یابد. به عنوان مثال برای تعیف هارمونیک پنجم، گام کلاف باید به اندازه 5/1  کاهش یافته و برای تضعیف هارمونیک هفتم این گام باید به اندازه 7/1 کاهش یابد.

بيشترين مقدار كاهش گام كلاف مربوط به تضعيف هارمونيك سوم مي باشد كه برابر با 3/1 مي باشد.

به دلایل بیان شده، رابطه بین گام کلاف و گام قطبی را در صورت استفاده از سیم بندی با گام کسری، به صورت زیر نشان می دهند :

در بیشتر موتورهای سه فاز جهت تضعیف هارمونیک پنجم و هفتم، گام کلاف را به اندازه 6/1 کاهش می دهند به عبارت دیگر مقدار   را برابر 6/5 انتخاب می نمایند.

شیار خنثی در سیم بندی های گام کوتاه

در سیم بندی دو طبقه و در بین هر دو قطب، در برخی از شیارها، جهت جریان لحظه ای بازوهای واقع در هر شیار برعکس یکدیگر می باشد. این موضوع باعث می شود، جریان بی باری موتور افزایش یابد که برای رفع آن باید تعداد دور سیم پیچی را افزایش داد. به این شیارها، شیارهای خنثی گفته می شود. تعداد شیارهای خنثی به مقدار گوتاهی گام بستگی داشته و تعداد آنها در زیر هر قطب از رابطه زیر به دست می آید.

تعداد شیار خنثی در کل یک موتور سه فاز با 2P قطب برابر است با :

ضریب گام یا ضریب کوتاهی گام سیم بندی موتورهای سه فاز ( K_P )

همانگونه که بیان شد سیم بندی با گام کسری نوعی از سیم بندی است که در آن گام کلاف از گام قطبی کوتاه تر می باشد، به عبارت دیگر زاویه الکتریکی بین بازوهای یک کلاف از 180 درجه کمتر است. این امر گرچه منجر به تضعیف هارمونیک های ولتاژ و تبدیل شدن شکل موج ولتاژ به یک شکا موج سینوسی می شود اما ولتاژ القا شده در یک کلاف با گام کسری در مقایسه با ولتاژ القا شده در یک کلاف با گام کامل اندکی کاهش می یابد. این کاهش را با ضریبی به نام ضریب وتر نشان می دهند.

جهت جبران کاهش نیروی محرکه یا ولتاژ در سیم بندی با گام کسری، باید تعداد دور کلافها را افزایش داد. به عنوان نمونه در صورت کوتاه نمودن گام به اندازه 6/1 گام کامل باید تعداد دور کلافها را 5% افزایش داد و در صورت کوتاه نمودن گام به اندازه 2/1 باید تعداد دور کلافها را 15% افزایش داد.

ضریب گام یا ضریب کوتاهی گام از رابطه زیر به دست می آید :

در این رابطه k_P ضریب کوتاهی گام هارمونیک hام یا nام و h و n شماره هارمونیکی است که می خواهیم تاثیر کوتاهی گام را روی آن ببینیم.

ضریب توزیع سیم بندی موتورهای سه فاز

چنانچه کلافهای هر کدام از فازها را به جای که تنها در دو شیار متمرکز کنیم، بر روی سطح استاتور و در شیارهای آن توزیع نماییم، علاوه بر آنکه استفاده ای بهینه از کل استاتور به عمل می آید و امکان افزایش تعداد دور کلافهای هر فاز فراهم می شود، امکان کاهش حجم شیارهای استاتور نسبت به حالت سیم پیچی متمرکز نیز فراهم آمده، بدنه استاتور از استحکام بیشتری برخوردار می گردد. همچنین هنگام توزیع سیم بندی بر روی سطح استاتور، ولتاژ کل القا شده در فازها نسبت به حالت متمرکز کاهش پیدا خواهد کرد زیرا ولتاژهای القا شده در کلافهای غیر متمرکز نسبت به یکدیگر اندکی اختلاف فاز پیدا می کنند و برای به دست آوردن ولتاژ کل باید ولتاژهای القا شده در کلافها را به صورت برداری با یکدیگر جمع نمود نه به صورت جبری. کاهش ولتاژ بر اثر توزیع سیم بندی را با ضریبی به نام ضریب توزیع نشان می دهند و آن را به صورت نسبت ولتاژ القا شده در هر فاز با کلافهای توزیع شده به ولتاژ القا شده در همان فاز با گلافهای متمرکز تعریف می نمایند.

چنانچه K_d ضریب توزیع سیم بندی هارمونیک hام و q تعداد شیارهای مربوط به هر فاز در زیر هر قطب، a_ez زاویه الکتریکی بین دو شیار مجاور و h مرتبه هارمونیک باشد، ضریب توزیع سیم بندی از رابطه زیر به دست می آید:

گاهی ضریب گام و ضریب توزیع سیم بندی را در هم ضرب کرده و به صورت ضریبی به نام ضریب سیم بندی (K_w) بیان می کنند :

تمرين :

يك الكتروموتور سه فاز دو طبقه 24 شيار و 4 قطب در دسترس است. مطلوبست محاسبات لازم، دياگرام مدور و گسترده ، جدول قطبها و مدار معادل سيم پيچي با گام مساوي و نامساوي با ضريب هارمونيك 6/5 و همچنين تعداد شيارهاي خنثي را مشخص كرده و      شماره هاي آنها را بنويسيد؟

جدول قطبهاي موتور سه فاز 24 شيار و 4 قطب با گام نامساوي و ضريب  ( T=2 ) :

‌طبقه اول را برحسب گام قطبي  و طبقه دوم برحسب گام سيم سيم بندي  مي باشد.

دياگرام مدور موتور سه فاز دو طبقه 24 شيار و 4 قطب با گام نامساوي و ضريب  ( T=2 ) :

مدار معادل موتور سه فاز دو طبقه 24 شيار و 4 قطب با گام نامساوي و ضريب  ( T=2 ) :

دياگرام گسترده موتور سه فاز دو طبقه 24 شيار و 4 قطب با گام نامساوي و ضريب  ( T=2 ) :

جدول قطبها براي موتور سه فاز دو طبقه 24 شيار و 4 قطب با گام مساوي و ضريب  ( T=2 ) :

دياگرام مدور موتور سه فاز دو طبقه 24 شيار و 4 قطب با گام مساوي و ضريب  ( T=2 ) :

مدار معادل موتور سه فاز دو طبقه 24 شيار و 4 قطب با گام مساوي و ضريب  ( T=2 ) :

دياگرام گسترده موتور سه فاز دو طبقه 24 شيار و 4 قطب با گام مساوي و ضريب  ( T=2 ) :