آموزش طراحی وب و برق - تعاریف و محاسبات اصلی سیم پیچی استاتور موتورهای سه فاز

کلاف

مجموعه ای از چندین دور سیم که بر روی قالبهای متحدالمرکزی پیچیده می شوند یک کلاف را تشکیل می دهند. هر کلاف دارای دو بازو می باشد که هر یک در یک شیار استاتور قرار می گیرند. در نتیجه بازوهای هر کلاف دو شیار استاتور را اشغال می نمایند. از آنجا که سیم پیچ فازهای مختلف موتور سه فاز به ولتاژهای برابر متصل می شوند؛ لذا باشد تعداد کلافهای هر یک از فازها و همچنین تعداد دورها یا حلقه های کلافهای هر فاز، یکسان باشند. چنانچه Z تعداد کل شیارهای موجود در سطح استاتور باشد از آنجا که هر کلاف در سیم بندی یک طبقه در دو شیار جای می گیرد در نتیجه تعداد کل کلافها برابر با Z/2 می باشد. همچنین تعداد کلافهای (بوبین) مربوط به هر فاز برابر با Z/2m خواهد بود. اما در سیم بندی دو طبقه تعداد کلافها دو برابر حالت یک طبقه می باشد. در نتیجه تعداد کلافهای هر فاز برابر با Z/m خواهد شد. (m تعداد فازها)

گام قطبی (y_p) :

فاصله بین مراکز دو قطب غیرهمنام مجاور بر حسب شیار، گام قطبی نامیده می شود. به عبارت دیگر، گام قطبی تعداد شیارهای زیر هر قطب را تعیین می نماید. چنانچه Z تعداد شیارهای استاتور و 2P تعداد کل قطبهای موتور باشد، گام قطبی از رابطه زیر به دست می آید :

گام کلاف یا سیم بندی (y_z) :

فاصله بین دو بازوی یک کلاف بر حسب تعداد شیار، گام سیم بندی یا گام کلاف نامیده می شود. چنانچه گام کلاف برابر با گام قطبی انتخاب شود سیم بندی را گام کامل می نامند. به دلایل متعددی مانند صرفه جویی در مصرف مس و بهبود توزیع شار در فاصله هوایی ماشین، معمولا گام کلاف را از گام قطبی کوتاهتر در نظر گرفته می شود. در عمل این گام در محدوده 80٪ تا 100٪ گام قطبی انتخاب می شود. به چنین سیم بندی، سیم بندی گام کوتاه یا فشرده یا کسری می گویند.

شیار در قطب در فاز (q) :

به تعداد شیار زیر هر قطب مربوط به هر فاز، شیار در قطب در فاز گویند، به عبارتی تعداد شیاری که هر فاز پر می کند یا به اشتراک می گذارد تا یک قطب در ماشین تشکیل شود، شیار در قطب در فاز نام دارد. مقدار شیار در قطب در فاز (q) در یک موتور القایی سه فاز از رابطه زیر قابل محاسبه است :

چنانچه q یک عدد صحیح باشد سیم پیچی را شیار کامل و اگر یک عدد کسری باشد، سیم پیچی را شیار کسری می نامند.

تعداد کلاف ها یا بوبین های هر گروه کلاف نیز از نظر عددی برابر مقدار شیار در قطب در فاز (q) می باشد.

تعداد گروه کلاف های هر فاز موتور (G_ph) :

هر چند کلاف از یک فاز با یکدیگر تشکیل یک گروه کلاف می دهند، بکارگیری گروه کلافهای متشکل از چند کلاف در هر فاز به جای یک کلاف با تعداد دور زیاد، باعث می شود که سیم بندی در سطح استاتور توزیع شود. این عمل باعث می شود که اندازه شیارها کوچکتر شود. توزیع سیم بندی با استفاده از گروه کلافها همچنین باعث بهبود گشتاور راه اندازی و کاهش نویز در شرایط کارکرد موتور می گردد.

در زیر یک گروه کلاف که از سه گروه کلاف تشکیل شده نشان داده شده است.

در یک موتور القایی تعداد گروه کلاف های هر فاز موتور (G_ph) با توجه به تعداد طبقات سیم بندی (t) و تعداد زوج های قطبهای موتور (P) از رابطه زیر به دست می آید:

                                         G=t*P

طبق این رابطه در سیم بندی یک طبقه (t=1) تعداد گروه کلاف های هر فاز از موتور برابر تعداد زوج قطبهای موتور بوده (G_ph=1*P=P) و اصطلاحا به این سیم بندی، سیم بندی به ازای زوج قطب می گویند، همین طور در سیم بندی دو طبقه (t=2) تعداد گروه کلافهای هر فاز از موتور برابر تعداد قطبهای موتور بوده (G_ph=2*P=2P) و اصطلاحا به این نوع سیم بندی، سیم بندی به ازای قطب می گویند.

زاویه الکتریکی بین دو شیار مجاور ( a_ez) :

در یک سیم بندی با گام کامل، از آنجا که گام کلاف برابر با گام قطبی است، چنانچه یک بازوی کلاف در زیر مرکز قطب N باشد بازوی دیگر در زیر مرکز قطب S قرار می گیرد در نتیجه اختلاف فاز الکتریکی بین دو بازوی هر کلاف 180 درجه الکتریکی خواهد شد. با توجه به اینکه گام قطبی از تعداد Z/2P شیار تشکیل می گردد، در نتیجه زاویه الکتریکی بین دو شیار مجاور از رابطه زیر قابل محاسبه خواهد بود:

موتور 2 قطب، 4 قطب و 6 قطب و زاويه الكتريكي هر كدام :

بايد به اين نكته توجه داشته باشيم كه هر قطب 180 درجه در هر شرايطي اشغال مي كند و محيط دايره هميشه 360 درجه مكانيكي است ولي زاويه الكتريكي مي تواند بيشتر از 360 درجه باشد مثلاً a_ez=1080 , a_ez=720

با توجه به شكلهاي زير مي توان نتيجه گرفت:

زاويه الكتريكي a_ez متناسب با تعداد جفت قطبهاست.

رابطه بین زاویه الکتریکی و زاویه مکانیکی

زاویه مکانیکی بین دو شیار مجاور از رابطه a=360/Z  به دست می آید که در آن Z، تعداد کل شیارهای استاتور می باشد چنانچه P تعداد کل زوج قطبهای ماشین باشد (2P تعداد کل قطبهای ماشین می باشد) از مقایسه رابطه زاویه مکانیکی و الکتریکی، نتیجه زیر به دست خواهد آمد :     

شیار شروع سیم پیچی هر یک از فازهای موتور سه فاز ( R , S , T) :

جهت توليد ميدان دوار در يك موتور القايي سه فاز، لازم است سيم بندي استاتور به وسيله يك ولتاژ سه فاز كه در آن بين ولتاژ هر دو فاز 120 درجه الكتريكي اختلاف فاز وجود داشته باشد تغذيه شود. به همين دليل چنانچه شروع سيم پيچي فاز R از شيار شماره يك باشد، سيم پيچي مربوط به فاز S بايد از شياري شروع شود كه با شيار شروع فاز R به اندازه 120 درجه الكتريكي اختلاف فاز داشته باشد و سيم پيچي مربوط به فاز T بايد از شياري شروع شود كه با شيار شروع فاز R به اندازه 240 درجه الكتريكي اختلاف فاز داشته باشد. حال اگر  زوايه الكتريكي بين دو شيار مجاور باشد، شيار شروع هر يك از سه فاز به صورت روبه رو قابل محاسبه است :                   

ولتاژ كار موتور :

 عبارت است از ولتاژ بين دو فاز شبكه كه بايد موتور به آن ولتاژ اتصال يابد. اين ولتاژ به همراه نوع اتصال برروي پلاك موتور نوشته مي شود. اگر برروي پلاك موتور نوشته شده باشد (  )، بدين معني است كه سيم پيچ هاي هر فاز موتور، حداكثر ولتاژ 220 ولت را مي توانند تحمل كنند در صورتي كه اتصال سيم پيچ ها به صورت ستاره بسته شود، مي توان آن را به شبكه ي 380 ولتي اتصال داد. گاهي برروي پلاك موتورهاي سه فاز، دو ولتاژ ثبت مي شود براي مثال 220 / 380 ولت . در اين صورت ولتاژ كمتر، ولتاژ مجاز هر سيم پيچ است و در صورت بستن سيم پيچ ها به صورت مثلث بايد آن را به ولتاژ سه فازه 220 ولتي متصل كرد و براي اتصال به ولتاژ سه فازه 380 ولتي نيز، بايد حتماً سيم پيچ ها را به صورت ستاره اتصال داد.

قدرت نامي موتور :

 توان مكانيكي يا خروجي موتور P₂ در حالت كار نامي، روي پلاك موتور برحسب كيلو وات ( KW ) يا اسب بخار (P_s ) نوشته مي شود و براساس آن مي توان قدرت ورودي موتور را حساب كرد. با توجه به قدرت ورودي و ولتاژ نامي مي توان جريان هريك از سيم پيچ ها را حساب كرد و از روي آن قطر سيم را به دست آورد.

جريان خط :

 جريان خط نيز برروي پلاك موتور ثبت مي شود و يا از طريق محاسبه به دست مي آيد. با توجه به آن مي توان جريان هر يك از سيم پيچ ها را به دست آورد و هم چنين وسايل حفاظتي مناسب را براي موتور به كار گرفت.

فرم كلافهاي سيم پيچي :

الف) متحد المركز يا گام نامساوي : در سيم پيچي متحدالمركز،‌گام كلافهاي مربوط به هر گروه كلاف با يكديگر متفاوت مي باشد و هر كلاف بزرگ، كلاف كوچكتر را در برمي گيرد. در يك گروه كلاف، هر كلاف از كلاف بزرگتر بعد از خود به اندازه دو شيار كوچكتر است. براي پيچيدن كلافهاي يك گروه كلاف از قالبهاي نامساوي استفاده مي شود. در شكل زير سه كلاف را كه به صورت متحدالمركز پيچيده شده اند نشان داده شده است:

ب) زنجيره اي يا گام مساوي : اين سيم پيچي به گونه اي است كه در آن گام تمام كلافهاي يك گروه كلاف و در نتيجه گام تمام كلافهايي كه در داخل شيارهاي استاتور جا مي گيرند به يك اندازه مي باشد. براي پيچيدن اين كلافها از قالبهايي با اندازه هاي مساوي استفاده مي شود. در اين سيم پيچي طول متوسط كلاف، كوتاهتر از سيم پيچي متحدالمركز مي باشد،‌به همين جهت در مصرف سيم نيز صرفه جويي شده و اقتصادي تر مي باشد. به دليل مساوي بودن طول كلافها در اين سيم بندي، امكان اتصال موازي كلافهاي هر گروه وجود دارد در حالي كه اين امكان در سيم بندي متحدالمركز وجود ندارد. همچنين در هر دو سيم بندي متحدالمركز و زنجيري امكان موازي كردن گروه كلافهاي يك فاز وجود دارد. در شكل زير سه كلاف را كه به صورت زنجيري پيچيده شده و يك گروه كلاف را تشكيل مي دهند، نشان مي دهد:

مقايسه سيم پيچي متحدالمركز و سيم پيچي رنجيره اي :

-  در سيم پيچي زنجيره اي اندازه كلافهاي يك گروه كلاف مساوي است ولي در متحدالمركز اين طور نيست.

-  در متحدالمركز به دليل مساوي نبودن كلافها نمي توان آنها را با هم موازي كرد؛ البته گروه كلافها را مي توان موازي اتصال داد.

-  در زنجيري به دليل تشابه كلافها زمان لازم براي تهيه قالب و پيچيدن و جا زدن كلافها در داخل شيارها كمتر از متحدالمركز است و طول متوسط كلاف نيز كمتر و اقتصادي تر است.

-  در زنجيره اي پيشاني كلافهاي فازهاي مختلف در محيط استاتور از روي هم عبور مي كنند. بايد در عايق بندي دقت بيشتري كرد.

نشان دادن سيم پيچ متحدالمركز و زنجيري در جدول قطبها با q=2 و q=3 :

در صورت استفاده از سيم بندي زنجيري، گام تمامي كلافهاي مربوط به يك گروه كلاف با هم مساوي خواهند شد. به عنوان نمونه در فاز R  جهت جا زدن گروه كلاف اول آن در شيارهاي 1و2و7و8 بايد بازوهاي يك كلاف آن را در شيارهاي 1و7 و بازوهاي كلاف ديگر آن را در شيارهاي 2و8 قرار داد به صورت جدول زير:

ولي در صورت استفاده از سيم بندي متحدالمركز گام بزرگترين كلاف در هر گروه كلاف از كلاف ديگر به اندازه دو شيار بزرگتر خواهد شد. به عنوان نمونه در اين حالت جهت جا زدن گروه كلاف اول فاز R  بايد بازوهاي يك كلاف آنها را در شيارهاي 1و8 و بازوهاي كلاف ديگر را در شيارهاي 2و7 قرار داد به صورت جدول زير:

انواع دياگرام براي استاتور موتورهاي الكتريكي :

يك روش براي نشان دادن نقشه سيم پيچي موتور استفاده از دياگرام دوار است. روش ديگر، دياگرام گسترده نام دارد.

در دياگرام مدور از بالا به استاتوري كه عمودي قرار گرفته است نگاه مي كنيم و نقشه شامل سطح مقطع دايره اي استاتور است كه شيارها با دايره هاي كوچك نشان داده مي شود.

مزايا و معايب دياگرام دوار:

مزيت : به سادگي مي توان از محل كلافها و تعداد قطبها آگاه شد.

اشكال : اتصال كلافها و سيم پيچي دو طبقه را نمي توان به سادگي نمايش داد.

اگر استاتور را بريده و روي صفحه پهن كنيم دياگرام گسترده موتور به دست مي آيد در اين حالت شيارها به صورت عمودي قرار مي گيرند. اشكال دياگرام گسترده اين است كه مثلاً اگر تعداد شيارها 24 باشد در اين صورت شيارهاي 1 و 24را در دو طرف نمايش  مي دهد در حاليكه اين دو شيار مجاور هم هستند.

نحوه اتصال یا سربندی گروه کلافهای مربوط به یک فاز:

اتصال سری گروه کلافهای یک فاز

این نوع اتصال در موتورهای با ولتاژ بالا و قدرت پایین به کار می رود. چنانچه G_ph=P باشد (مانند سیم بندی یک طبقه) سربندی به صورت نزدیک (سربه ته یا ته به سر) خواهد بود. اما اگر G_ph=2P باشد (مانند سیم بندی دو طبقه) سربندی به صورت دور (سربه سر یا ته به ته) خواهد بود.

                                             اتصال نزدیک دو گروه کلاف مربوط به یک فاز

                                              اتصال دور دو گروه کلاف مربوط به یک فاز

لازم به ذکر است که پس از اتصال گروه کلافهای یک فاز به یکدیگر آنها را نامگذاری می کنند به طوری که سرهای ابتدا و انتهای گروه کلافهای فاز اول را پس از اتصال به یکدیگر با U و X و سرهای مربوط به فاز دوم را با V و Y و سرهای مربوط به فاغز سوم را با W و Z مشخص می نمایند. البته ممکن است نامگذاری به صورت U و U برای فاز اول و V و V جهت فاز دوم و W و W برای فاز سوم نیز وجود دارد.

اتصال موازی گروه کلافهای یک فاز

در موتورهای پر قدرت و به ویژه موتورهای صنعتی از این نوع اتصال استفاده می شود. در این حالت ابتدای گروه کلافها به یکدیگر و انتهای آنها نیز به یکدیگر متصل شده و سپس به ولتاژ فاز اتصال می یابند.

اتصال مختلط سری و موازی

در موتورهای با ولتاژ و قدرت متوسط از این نوع اتصال که ترکیبی از اتصال سری و اتصال موازی است استفاده می شود.

تشخيص و نامگذاري سرهاي سيم بندي يك موتور سه فاز :

چنانچه به هر دليلي در هنگام سيم پيچي موتورهاي سه فاز حروف مشخص كننده سرهاي خروجي نامشخص باشد مي توانيم به روش زير سرها را مجدداً نامگذاري و مشخص كنيم:

ابتدا سرهاي موتور را به دلخواه از يك تا شش شماره گذاري نموده و سپس لامپ آزمايش و يا اهم متر، مانند شكل دو سر كلافهاي هر فاز را مشخص مي كنيم. از سه سيم پيچ مشخص شده، دو سر يكي از آنها، مثلاً شماره (5 – 1) را به دلخواه با U و X مشخص نموده و سپس يك سر از هر يك از سيم پيچ هاي دو فاز ديگر مثلاً 4 و 6 را به X اتصال مي دهيم. اگر سيم پيچ U-X را با ولتاژ متناوب تغذيه كنيم در اين صورت در سيم پيچ (4-3) و (6-2) نصف ولتاژ تغذيه القاء خواهد شد. اگر اختلاف سطح بين سرهاي 2-1 و 3-1 حدود 5/1 برابر ولتاژ تغذيه U-X باشد اتصال صحيح است. در اين صورت ما بين ترمينالهاي 2 و 3 اختلاف پتانسيل، صفر خواهد بود. بدين ترتيب  مي توان شماره 3 را با W و 2 را با V و 4 را با Z و 6 را با Y مشخص نمود. اگر مثلاً اختلاف سطح بين دو سر 1 و 3 كمتر از اختلاف سطح تغذيه باشد، در اين صورت بايد ابتدا و انتهاي سيم پيچ 4-3 را با يگديگر عوض نمود. اگر اتصال سيم پيچ ها به صورت مثلث مورد نظر باشد بايد ابتدا سيم پيچ ها را به صورت ستاره اتصال داده و به روش ذكر شده سرها را مشخص نموده و سپس سيم پيچ ها را مجدداً به صورت مثلت اتصال داد.