توضیحات

 

پروژه شبیه سازی موتور القایی سه فاز به صورت دوبعدی و سه بعدی در نرم افزار انسیس مکسول ANSYS Maxwell

 

 

Simulation of Three Phase Induction Motor in 2D and 3D environment in ANSYS Maxwell

 

 

 

موتورهای متناوب القایی عمومی ترین موتورهایی هستند که در کاربرد های صنعتی، تجاری و خانگی استفاده می شوند. امروزه پرکاربردترین موتورهای القایی را موتورهای رتور قفسی تشکیل می دهند. طراحی ساده و مستحکم، قیمت ارزان، هزینه نگه داری پایین و اتصال ساده و کامل به یک منبع متناوب، از مزایای موتورهای القایی متناوب هستند.

عملکرد موتورهای القایی سه فاز:

موتورهای القایی، ماشین های جریان متناوب یک تحریکه ای هستند که در آن ها سیم پیچی استاتور به منبع جریان متناوب وصل شده و رتور از طريق القاء ( عمل ترانسفورماتوری)، انرژی را از استاتور دریافت می کند. به طور کلی نحوه کار موتورهای القایی را به اختصار می توان به صورت مراحل زیر در نظر گرفت:

-چرخش قطب های یک آهنربا با سرعت زاویه ای سنکرون (شار گردان)

-القاء ولتاژ و جاری شدن جریان در رتور در جهت مخالف عامل بوجود آورنده

-ایجاد گشتاور بر روی رتور و چرخش در جهت میدان اصلی

-رسیدن سرعت رتور به نزدیکی سرعت سنکرون

با توجه به عدم القاء ولتاژ و جریان در سرعت سنکرون، موتورهای القایی نمی توانند به سرعت سنکرون برسند. بر این اساس، نسبت تفاوت سرعت مکانیکی رتور و میدان گردان (سرعت سنکرون)، به سرعت سنکرون را اصطلاحا لغزش ماشین القایی می نامند.

اهمیت استفاده از موتورهای القایی در صنعت:

طبق گزارش دپارتمان انرژی ایالات متحده، ۷۰ درصد کل انرژی الکتریکی تولیدی را الکتروموتورهای صنعتی مصرف می کنند و در صنایع عموما ۸۰ درصد بارها شامل موتورهای القایی سه فاز می باشند و بیشتر این موتورها به طور مستقیم به سیستم توزیع قدرت متصل می شوند. موتورهای القایی به دلیل سهولت در بهره برداری، قابلیت اطمینان بالا، صرفه جویی در هزینه، قابلیت راه اندازی مناسب، سهولت کار با آن، ساختار محکم، نگهداری آسان، قیمت پایین و سر و صدای کم، بیشتر از موتورهای دیگر در صنعت مورد استفاده قرار می گیرند. نقش این موتورها در صنعت بعد از گسترش درایو های سرعت کنترل پذیر افزایش یافت. در کنار مزایایی که برای موتور القایی عنوان شده است، این موتورها دارای معایبی نیز می باشند که عبارتند از: سرعت غير ثابت، کنترل دور مشکل و ضریب قدرت نسبتا پایین و غیر ثابت.

انواع موتورهای القایی:

عموما موتورهای القایی، برحسب تعداد فازها، به دو دسته موتورهای القایی سه فاز( خود راه انداز) و موتورهای القایی تک فاز (غیر خود راه انداز) تقسیم بندی می شود. از جمله موتورهای القایی تک فاز می توان به موتور القایی فاز شکسته، با استارت خازنی و با خازن دائمی اسپلیت اشاره نمود. همچنین موتورهای القایی به لحاظ نوع رتور، به دو نوع رتور قفس سنجابی و سیم پیچی شده طبقه بندی می شوند. ساختار موتور القایی به طور کلی موتورهای القایی از دو جزء مهم، یعنی استاتور و رتور تشکیل شده است.

استاتور:

استاتور یا قسمت ساکن موتورهای القایی، شامل قطب های سیم پیچی شده ای هستند که با عبور جریان از آنها و بالتبع با تولید میدان مغناطیسی، در رتور ولتاژ القا می کنند. تعداد قطب ها باتوجه به سرعت و گشتاور مورد نیاز می تواند مختلف باشد اما همواره یک عدد زوج خواهد بود. هسته استاتور از ورقه هایی از جنس فولاد مرغوب ساخته می شود. این ورقه ها به صورت یک سیلندر توخالی با شیارهایی که در شکل زیر نشان داده شده است، به هم منگنه و محکم شده اند. سیم پیچی ها با سیم های روکش دار در این شیارها جاسازی می شوند.

شکل استاتور موتور القایی (الف) سیم پیچی شده (ب) با شیارهای خالی.

 

روتور:

روتور یا قسمت متحرک(گردان) موتورهای القایی می تواند به دو صورت قفسه سنجابی و یا سیم پیچی شده باشد. به دلیل مزایای بالای رتورهای قفسی مانند سادگی، هزینه کمتر، نیاز کمتر به تعمیر و نگهداری و… رایج ترین رتورها در موتورهای القایی رتورهای قفسی هستند. این رتورها از میله هایی از جنس مس یا آلومینیوم تشکیل شده اند که به صورت یک استوانه به همدیگر متصل و در دو طرف به وسیله دو حلقه اتصال کوتاه شده اند. این طرح به این دلیل رتور قفس سنجابی نامیده می شود که مجموعه میله های هادی شبیه چرخ هایی هستند که سنجاب ها روی آن می دوند. رتورهای سیم پیچی شده در صنعت کاربردهای خاص خود را دارند و بیشتر در موتورهایی که نیاز به گشتاور راه اندازی بالایی دارند مورد استفاده قرار می گیرند. هسته رتور از ورقه های فولادی از جنس هسته استاتور تشکیل می شود. معمولا ورقه های مذکور طوری طراحی می شوند که اگر در کنار هم قرار بگیرند شیار های موربی را برای جاسازی میله های هادی (در نوع قفسی) وكلاف ها(در نوع سیم پیچی شده) تشکیل دهند. تعداد شیارهای رتور از تعداد شیارهای استاتور کمتر است. دلیل این امر، بر طرف نمودن نقطه مرگ و جلوگیری از شرایطی است که گشتاور راه اندازی را از بین می برند. مورب بودن شیارها در کاهش هارمونیک های شیاری و یکنواخت کردن تغییرات گشتاور خروجی مؤثر می باشد.

شكل نمونه ای از هسته های رتور قفس سنجابی (الف) نوع مورب (ب) نوع غیر مورب.

 

شکل  نمونه ای از میله های هادی رتور قفس سنجابی (الف) نوع مورب (ب) نوع غیر مورب.

 

 

شرح پروژه:

در این پروژه شبیه سازی موتور القایی سه فاز در نرم افزار انسیس مکسول ANSYS Maxwell انجام شده است.

 

شکل فلوچارت کلی موتور القایی در نرم افزار انسیس مکسول

هندسه مسئله: نمای کلی از موتور القایی سه فاز

 

استاتور:

شماره گذاری و فازبندی شیارهای استاتور نشان داده شده است.

 

 

روتور:

 

حالت های مختلفی برای شیار روتور و استاتور در نرم افزار انسیس مکسول وجود دارد.

شکل الف) مدل های شیار استاتور، ب) مدل های شیار روتور.

 

 

مدل شیارهای موتور القایی سه فاز در شکل زیر نشان داده شده است.

 

 

 

نتایج شبیه سازی:

خطوط شار مغناطیسی و چگالی شار مغناطیسی:

 

 

نمای سه بعدی موتور القایی سه فاز:

 

 

 

نتایج چگالی شار مغناطیسی و خطوط شار مغناطیسی: