فهرست

تقويت كننده هاي چرخشي (دوراني)

1.1.اطلاعات عمومي و طبقه بندي

2.1- تقويت كننده هاي چرخشي تحريك سرخود

3.1- تقويت كننده دوراني مغناطيسي متقاطع

4.1- مشخصه هاي ديناميكي و استاتيكي تقويت كننده هاي الكترومغناطيسي

5.1- كاربرد تقويت كننده هاي چرخشي

2-موتورهاي الكتريكي كسري اسب بخار

1.2-اطلاعات عمومي و طبقه بندي

.2.2-سرو و موتورهاي DC ، مكانيزم طراحي و اصول راه اندازي

3.2-موتورهاي بدون ارتباط كسري اسب بخار به همراه كموتاتور ترانزيستوري

4.2-روش هاي كنترل سروموتورهاي DC شكسته

1.4.2-كنترل ميدان

2.4.2-كنترل پالس

5.2- حركت پيوسته موتورهاي سنكرون اسب بخار كسري

1.5.2- موتورهاي آهن رباي دائم

2.5.2. موتورهاي رلوكتانس

6.2- موتورهاي سنكرون حركت دائم سرعت پايين

1.6.2- موتورهاي كاهنده

7.2- موتورهاي پله اي

1.7.2-موتورهاي نوع فعال

2.7.2- موتورهاي نوع القايي و رلوكتانس

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1- تقويت كننده هاي چرخشي (دوراني)

1-1 اطلاعات عمومي و طبقه بندي

يك تقويت كننده واحدي است كه تجهيزات با قدرت بالا را توسط سيگنالهاي با قدرت پايين كنترل مي نمايد. ميزان خروجي تابعی از سيگنال ورودي مي باشد و عمل تقويت توسط يك منبع نيروي خارجي ايجاد مي‌گردد. بر اساس نوع كنترل انرژي، تقويت كننده ها به صورت الكتريكي، پنوماتيكي، هيدروليكي و
تقويت كننده هاي مكانيكي طبقه بندي شده اند.

تقويت كننده هاي الكتريكي تقويت كننده هايي هستندكه خود به صورت الکترونيكي،ترانزيستوري، مغناطيسي، و چرخشي تقسيم بندي شده اند.5 تاي اولي به صورت ماشين استاتيك مي باشند و آخري يك تقويت كننده به همراه يك آرميچر مي باشد. توان خروجي تقويت كننده چرخشي توسط يك موتور محرك تأمين مي شود. تقويت كننده هاي چرخشي ذاتاً يك ماشين كموتاتوري جريان مستقيم مي باشند.

بسته به نوع تحريك ،تقويت كننده ها به انواع: تقويت كننده هاي مغناطيسي شونده مستقيم، تقويت كننده هاي مغناطيسي شونده متقاطع يا تقويت كننده هاي الكترومغناطيسي دسته بندي شده اند.

تقويت كننده هاي مغناطيسي شونده مستقيم كه در آنها شار ميدان در راستاي محور طولي ماشين مي باشد به صورت زیر مي باشند:

1- تقويت كننده هاي مستقل

2- تقويت كننده هاي تحريك سرخود

3- مجموعه موتور و تقويت كنندهء مغناطيسي

4- تقويت كننده هاي با كموتاتور دوبل

5- تقويت كننده هاي مغناطيسي شونده دو و سه مرحله اي

تقويت كننده هاي مغناطيسي شونده متقاطع كه در آنهار شار در امتداد محور طولي ماشين ايجاد مي شود بصورت زير مي باشند.

1- تقويت كننده هاي الكترومغناطيسي با سيم پيچ گامل كامل

2- تقويت كننده هاي الكترومغناطيسي با سيم پيچ نيم گام

3- تقويت كننده هاي الكترومغناطيسي با سيستم مغناطيسي جدا شده

كمترين توان تقويت كننده كنترلی، بستگي به كنترل دنده ها دارد.

به همين دليل مهمترين مشخصه ماشين، تقويت كنندگي يا فاكتور بهره ماشين مي باشد.

نوع يك تقويت كننده را مي توان بوسيله بهره توان ،جريان بهره، و ولتاژ بهره مشخص نمود.

بهره تقويت كننده الكترومغناطيسي kp نسبت توان ورودي به توان كنترل كننده مي باشد.

(1-1)

Kp=Pout/Pcont

بهره جريان تقويت كننده الكترومغناطيسي نسبت ولتاژ سرتاسر مدارخروجي به ولتاژ كنترل كننده مي باشد. در نتيجه

(1-2)

KV=Vout/Vcont

از اين رو ممكن است، تقويت كننده هاي چرخشي داراي بهره توان بيشتري باشند. ( 10³ To 10⁵) يكي از مشخصه هاي مهم تقويت كننده ها (مشخصه زمان پاسخ) آنها مي باشدكه بوسيله ثابت زماني مدار مقدار آن مشخص مي شود.

ثابت زماني باتوجه به تغييرات حوزه انرژي در كورس رگلاسيون مشخص مي شود.

ثابت زماني يك مدارالكتريكي برابر است با :

(1-3)

كه در آن L اندوكتانس و R مقاومت مدار مي باشند.

ثابت زماني تقويت كننده مابين T= 0.02 to 0.2 s. می باشد. بهترين تقويت كننده، تقويت كننده اي است كه بالاترين بهره توان و سريع ترين زمان پاسخ را دارا باشد. كه اين به معني دارا بودن كمترين ثابت زماني مي باشد. بخاطر اينكه ثابت زمان تقويت كننده متناسب با بهره توان است تقويت كننده با بيش از يك مشخصه قياس مي شود (فاكتور كيفيت).

فاكتور كيفيت kg نسبت بهره توان به مجموع ثابت زماني يك تقويت كننده است.

(1-4)

يك خصيصه مهم در راه اندازي تقويت كننده هادر سيستم هاي كنترل اتوماتيك خطي بودن مشخصه خروجي است.

زمانيكه امكان بوجود آمدن اضافه بار و جريان مي باشد، تقويت كننده هاي چرخشي به عنوان راه انداز اوليه تقويت كننده ها در حالت زودگذر در سيستم هاي كنترل اتوماتيك مود استفاده قرار مي گيرند. به همين دليل يكي از مهمترين مشخصه هاي تقويت كننده هاي چرخشي قابليت (ظرفيت) پذيرش اضافه بار در آنها مي باشد.

هم چنين از ديگر مشخصه هاي مهم و ضروري كه مي بايست تقويت كننده هاي چرخشي دارا باشند داشتن قابليت اطمينان و پايداري بالا در لحظه راه اندازي مي باشد. (پس از پايان مرحله زودگذر و گذرا به حالت پايدار برگردند.)

مشخصه هاي مورد نياز تقويت كننده هاي چرخشي تحت شرايط راه اندازي مختلف به چهار گروه تقسيم مي شوند.

در جائيكه قدرت كم مورد نياز باشد. تقويت كننده الكترومغناطيسي آهن رباي متقاطع بكار گرفته مي شود، جائيكه بخواهيم چند سيستم يا به عبارتي چند هدف مخصوص را يكپارچه بكنيم از تقويت كننده هاي خود تحریک استفاده مي كنيم.

تقويت كننده هاي تحريك مستقل تا جائيكه سيستم طراحي و چيدمان مدار مد نظر باشد مشابه ژنراتورهاي تحريك مستقل جريان مستقيم مي باشند. در سيستم هاي Ward Leonard، در جائيكه يك محدوده بالاي كنترل سرعت موتور مورد نياز باشد، ژنراتور به عنوان يك تقويت كننده تحريك مستقل عمل مي كند.

تقويت كننده هاي چند مرحله اي آهن رباي مستقيم در قدرت هاي پايين مورد استفاده قرار نمي گيرند.

1-2 تقويت كننده هاي چرخشي تحريك سرخود

تقويت كننده هاي تحريك سرخود براي بدست آوردن بهره توان بالا به صورتهاي مختلف طراحي شده اند.

تقويت كننده تحريك سرخود بر اساس ساختار آن از ماشين تحريك مستقل تميز داده مي شود و آن به اين صورت است كه تقويت كننده سيم پيچ هاي تحريك هم محور با سيم پيچ هاي كنترلي قرار گرفته و به صورت سري (شكل b 1.1) يا هوازي (شكل a1.1) با سيم پيچ هاي آرميچر قرار مي گيرد.

مي توان اصول راه اندازي تقويت كننده تحريك سرخود را بوسيله آناليز كردن راه اندازي يك ژنراتور سيم پيچ شنت جريان مستقيم بهتر شرح داد مشكل1.2a يك مشخصه ماشين بدون بار را نشان مي دهدكه در آن ( I _F)E=F است به اين معني كه، نيروي الكترو موتوريE يك تابعي از جريان Field (ميدان IF ) مي باشد و مشخصه هاي جريان ولتاژ ( I _F)F = I_f R_F بر اساس شار ميدان مشخص مي شوند، كه در آن R F باعث كاهش (افت) ولتاژ در مدار مي شود.

مشاهده مي شود كه زاويه شيب شروع منحنی براي خطي بودن بار با بواسطهα مشخص شده و شيب ولتاژ و جريان ميدان مدار بواسطه ₁ α و ₂ α مشخص مي شود.

مقدار زاويه شيب ولتاژ جريان، مدار بستگي به مقاومت سيم پيچ ميدان دارد، زيرا

(1-5)

متن مشخصه شكل α 1.2 نشان مي دهد زمانيكه ₃ α> ₁α است ماشين در حالت تحريك شده خواهد بود، بر اساس منحنی مشخصه، ژنراتور بايستي توليد يك نيروي الكتروموتيوي ₁ E در يك مقدار مشخص نمايد كه به آن₁ F اتلاق مي شود و براي ايجاد يك mmf. بايستي يك ولتاژ ₁ E> ₁V بر روي سيم پيچ هاي ميدان اعمال گردد.

در حالت ₃ α> ₂α ماشين تا منطقه C تحريك مي شود. مقدار شيب زاويه ₃ α در قسمت منشا مشخصه بي باري اشاره به زاويه بحراني ماشين دارد. بنابراين شرايطي كه ماشين ممكن است در كمتر از آن تحريك شود به صورت زير بيان مي شود.

1-6

 

شکل 1-1

 

مقاومت سيم پيچ تقويت كننده تحريك سرخود در صورتيكه سيگنال تحريك در سيم پيچ كنترل تقويت كننده نباشد به صورتي انتخاب مي شود كه _cr ‌باشد (مراجعه به شكل 1.2b)

اگر يك mmf بر اثر سيگنال بوجود آيد در اين صورت f_cont=I_cont w_cont و همچنين مشخصه ولتاژ –جريان با بيل موازي با خط مستقيم 1 در شكل 1.2 شود و ممكن است موقعيت خط 2 در شكل بوجود آيد،‌ در اينحالت تقويت كننده تا نقطه A تحريك شده و يك emfدر سيم پيچ آرميچر القاء مي‌شود. به راحتي مي‌توان متوجه كه emf بوجود آمده مربوط به شار مغناطيسي معيني است كه توسط mmf تحريك كامل بوجود مي‌آيد.

در نتيجه

(1-7)

كه در آن f_se=I_se w_se مربوط به mmf سيم پيچ تحريك سرخود و wse جزعي از آن سيم پيچ مي‌باشند رسم خط راست OA در شكل 1.2b دو مثلث OAB و CAB بوجود مي‌آيد كه در آنها داريم.

براي مثلث OAB داريم. _cr E= F_F tan (1.4a)

براي مثلث CAB داريم. E= F_Se tan (1.4b)

شکل 1-2

با تلفيق معادلات (1.3) ، (1.4a) و (1.4b) باهم ما بهره mmf را به صورت زير بدست مي آوريم.

(1-7)

افزايش بهره توان (kp) به توسط نيروي محركه مغناطيسي در تقويت كننده هاي تحريك سرخود بيشتر از ماشين هاي تحريك مستقل مي باشد. رابط بين كنترل توان بين دو ماشين در جريان برابر براي هر دو ماشين به صورت زير بيان مي شود.

(1-8)

كه pcont و Fcont به ترتيب، كنترل توان و mmf تقويت كننده تحريك سرخود و Pcont ind و Fcont ind به ترتيب، كنترل توان و mmf تقويت كننده تحريك مستقل مي باشند. براي كسب توان برابر در هر دوتقويت كننده،Fcon tind بايستي برابر با f_f باشد كه f_f را مي توان از معادله (1.3) بدست آورد. سپس بر اساس معادله (1.5) ، معادله زير را بدست مي آوريم.

(1-9)

 

(1-10)

كه در آن Kpind بهره توان تقويت كننده تحريك مستقل مي باشد.

همانطور كه از معادلات (1.5)و (1.6) مي توان متوجه شد بيشترين بهره توان تقويت كننده در زمانی بدست مي آيد كه زاويه شيب منحنی سيم پيچ تحريك سرخود به نزديكي زاويه بحراني () رسيده باشد. در صورتيكه زاويه شيب برابر با زاويه بحراني بشود بهره توان kp به سمت بي نهايت ميل مي كند.

در صورتيكه باشد تقويت كننده تحريك سرخود غيرقابل كنترل مي شود چرا كه بدون وجود سيگنال بر روي سيم پيچ كنترل خود به خود تحريك مي گردد. از اين رو مدار مغناطيسي تقويت كننده داراي پس ماند مغناطيسي مي باشد، كه بايد توجه داشت كه براي اجتناب از تحريك خود به خود (بدون ايجاد سيگنال بر روي سيم پيچ كنترل) نبايستي خيلي نزديك به _cr انتخاب شود.

به همين دليل در عمل منحنی ولتاژ جريان تقويت كننده هاي چرخشي را 3 تا 5 درصد بزرگتر از زوايه E در مقابل منحنی (f)F در نظر مي گيرند.

در برخي از موارد مي توان بهره توان تقويت كننده هاي تحريك سرخود را بين 1500تا 2000 ايجاد كرد. به منظور تعيين كردن متعلقات دینامیکی سيم پيچ موازي تقويت كننده هاي تحريك سرخود, حالت تحريك سرخود ماشين را در حالت بدون بار آناليز مي كنيم. به همين منظور فرض مي كنيم منحنیB - H خطي است (شكل 1.2b) و ژنراتوربا دور ثابت مي چرخد جريان eddy گردابي ناچيز است.

اندوكتانس و مقاومت سيم پيچ آرميچر بسيار كمتر از سيم پيچ تحريك سرخود مي باشند در نتيجه مي توان از رابطه زير _contv را محاسبه كرد (در شكل 1.1a مشاهده شود)

(1-11)

كه در آن، i_cont و i_se جريانهايي هستند كه به ترتيب از سيم پيچ هاي كنترل و تحريك سرخود مي گذرند. L_cont و R_cont اندوكتانس و مقاومت سيم پيچ كنترل مي باشند و M اندوكتانس متقابل مابين سيم پيچ كنترل و سيم پيچ تحريك سرخود مي باشد.

براي مدار تحريك سرخود داريم

(1-12)

كه در آن e_Aemf =آرميچر،R_se و L_se مقاومت و اندوکتانس سيم پيچ تحريك سرخود مي باشند.

emf آرميچر را مي توان از طريق مثلث AOB در شكل 1.2b مشخص نمود.

(1-13)

كه در آن متناظر با mmf f_f، مربوط به جريان ايجاد شده توسط سيم پيچ هاي تحريك سرخود است_. نسبت تبديل ،R_cr = tan _cr= E_a/I_f مقاومت بحرانی اين مدار تحريك مي باشد.

فرض كنيدکه ارتباط كامل مغناطيسي بين سيم پيچ هاي تحريك سرخود و سيم پيچ هاي كنترل وجود دارد كهآن

(1-14)

پس

(1-15)

 

(1-16)

=

كه در آنp=d/dt يك علامت برای مشتق (d/dt) مي باشد.

با تبديل معادله بالا معادله emf به صورت زير تبديل میگردد.

(1-17)

(1-18)

با حل معادلات (1.13) و (1.14) باتوجه به مقادير معادلات (1.5) و (1.9) ما به يك سري معادله emf آرميچر دست مي يابيم كه داريم

كه در آن و ثابت هاي الكترومغناطيسي و كنترلی مدار تحريك سرخود هستند.

اگر در لحظهء اوليه emf آرميچر (t=o) صفر فرض شده باشد، معادله (1.15) به فرم زير تغيير مي يابد.

(1-19)

همانطور كه ازمعادله 1.16 مي توان متوجه شد مقدار emf موجود در تقويت كننده تحريك سرخود به صورت نمائي با يك ثابت زماني افزايش پيدا مي كند كه داريم

كه اين در زماني است كه يك كنترل ولتاژ ( v_cont) بر روي سيم پيچ هاي كنترل اعمال گردد.

با مقايسه معادله (1.6) و (1.7) ديده مي شود كه با افزايش بهره توان kp به همراه kf سرعت تقويت كننده كاهش مي يابد.

تا زمانيكه1 kf باشد ثابت زماني معادل (T) بيشتر از مجموع ثابت هاي زماني سيم پيچ هاي تحريك سرخود و كنترل مي باشد. به همين دليل ازتقويت كننده هاي تحريك سرخود در جاهايي كه سرعت پاسخ دهي بالا مورد نياز مي باشد استفاده مي گردد.

emf حالت مانا (پايدار) تقويت كننده را مي توان بوسيله معادله (1.16) و حل معادله زير تعيين نمود.

(1-20)

بهره ولتاژ تقويت كننده را مي توان با استفاده از رابطه(1-20) به صورت زير بدست آورد.

(1-21)

شکل 1-3

معادله (1.15)را مي توان با استفاده از معادلات (1.17) و (1.19) به صورت زير نمايش داد.

(1-22)

مي توان متوجه شد كه تقويت كننده تحريك سرخود يك تابع انتقالي غيرزماني است.

(1-23)

1-3 تقويت كننده دوراني مغناطيسي متقاطع

1-3-1 طرح مكانيكي و اصول راه اندازي

در اين بخش تمام تقويت كننده هاي الكترومغناطيسي را مورد مطالعه قرار مي دهيم.

براي جدا كردن تقويت كننده هاي مستقل و تحريك سرخود از تقويت كنده هاي چرخشي متقاطع توجه کنید كه در تقويت كننده هاي مستقل و تحريك سرخود شار اصل مستقيماً از قطب هاي ميدان عبور مي كنداما در تقويت كننده هاي چرخشي متقاطع شار اصلي شار عكس العمل آرميچر مي باشد.

شكل 1.4aدياگرام شماتيك را نشان مي دهد.

شکل 1-4

تقويت كننده الكترومغناطيسي ذاتاً يك ژنراتور d.cبا يك جاروبك مي باشد كه مدار آن اتصال كوتاه شده و به صورت متقاطع در راستاي محور ماشين قرار گرفته است.

استاتور تقويت كننده الكترومغناطيسي شامل يك سري سيم پيچ ميدان و همچنين يك سري سيم پيچ كنترلیمي باشد كه در راستاي محور (d d ) چيده شده اند و يك سيم پيچ خنثي كننده نيز مي باشد كه آن هم در راستاي سيم پيچ كنترل قرار گرفته است. جريان سيم پيچ خنثي كننده بوسيله مقاومت موازي (Rsh) قابل كنترل مي باشد، يك موارد مشابه شامل سيم پيچ تبديل كننده ( c c) نيز براي اصلاح ضريب تبديل نيز وجود دارد. بعضي اوقات، سيم پيچ مغناطيسي كننده متقاطع (Q w ) داراي يك مقاومت كوچك است كه به صورت سري با آرميچر مي باشد.

اصول راه اندازي تقويت كننده هاي الكترومغناطيسي به صورت زير مي باشد.

فرض كنند موتور محرك در سرعت مجاز دوران مي كند، در نتيجه ، W=w_r

يك ولتاژ d c نيز بر روي سيم پيچ هاي كنترل اعمال شده است . تحت برخي شرايط شار اندك ₁Φ يك emf را كه برابرE=K_mw Φ₁ است را در دو مدار محورمتقاطع آرميچر (qq) ايجاد مي كند كه به نسبت كوچك مي باشد.

مدار متقاطع آرميچر يك جريانI2 را در زماني كه مقاومت مدار كم مي باشد از خود عبور مي دهد.

شكل 1.4b جهت حركت جريان I2 را در بين سيم پيچ هاي آرميچر نشان مي دهد كه اين جريان باعث ايجاد عكس العمل آرميچر ( ) مي شود. اين شار باعث ايجاد يك emf در مدار محور مستقيم آرميچر مي شود كه اين emf توسط جارويك از بين مي رود (خنثي مي گردد). بر اساس emfE₃يك جرياني در مدار ايجاد مي شود. كه اين جريان باعث افت ولتاژ ₃ V در كل مقاومت R_load مي شود.

شكل 1.4cجهت جريان I3 در هاديها( سيم پيچ هاي) آرميچر رانشان مي دهد كه شار عكس العمل آرميچر d مربوط به جريان I₃با شار كنترلي ₁ شروع به مخالفت مي كند. حال اگر ماشين به همي حالت باقي بماند هيچ عمل تقويت كنندگي صورت نمي گيرد. براي تغيير اين وضعيت به صورتي كه ماشين حالت تقويت كنندگي را نمايش بدهد، يك ميدان خنثي كنندگي c را در بين قطب هاي استاتور جايگزاري مي كنيم.

جهت شار عكس العمل آرميچر d متناسب باf_d= I₃است كه در آن W_A تعداد دور مدار موازي سيم پيچ هاي آرميچر مي باشد.

به راحتي مي توان از معادله 1.22 متوجه شد كه شار d متناسب با شكل سيم پيچ ها و متغير با جريان I3 مي باشد كه اين مشخصه ها بستگي به مقدار مقاومت Rload (مقاومت بار) دارند.

بهترين عمل سيم پيچ خنثي كنندگي C در زماني بدست مي آيد كه مقدار mmfFC سيم پيچ بستگي به مقدار جريان I₃ دارد. به همين دليل است كه سيم پيچ C در مدار محور مستقيم ماشين به صورت سري با سيم پيچ آرميچر قرار مي گيرد.

پس mmf سيم پيچ خنثي كنندگي برابر است با

(1-24)

كه در آن w_c تعداد دور سيم پيچ هاي خنثي كنندگي مي باشد.

ميزان خنثي كنندگي تقويت كننده الكترو مغناطيسي به وسيله يك ضريب به صورت زير مشخص مي شود.

(1-25)

تقويت كننده هاي الكترومغناطيسي مي توانند بر حسب يكي از 3 ملاك زير عمل نمايند.

1) در k=1 ، كه اين زماني است كه ماشين درحالت خنثي باشد، به اين معني كه، mmf عكس العمل آرميچر محور مستقيم برابر با mmf سيم پيچ خنثي كنندگي باشد.

2) در k 1، كه اين زماني است كه ماشين زير حالت خنثي باشد، به اين معني كه ، mmf عكس العمل آرميچر محور مستقيم بيشتر از mmf سيم پيچ خنثي كنندگي باشد.

3) در k 1 ، كه اين زماني است كه ماشين در بالاي حالت خنثي باشد، به اين معني كه ، mmf عكس العمل آرميچر محور مستقيم كمتر از mmf سيم پيچ خنثي كنندگي باشد.

معمولاً تقويت كننده هاي الكترومغناطيسي در حالت بالاي خنثي شده عمل مي نمايند به اين معني كه با دارابودن mmfk=5 (5 درصد) بيش از mmf عكس العمل آرميچر محور مستقيم يا 1.05= k عمل مي نمايند. (كار مي كنند)

همانطور كه قبلاً توضيح داده شد، ميزان خنثي كنندگي بوسيله مقاومت موازي
( Rsh ) قابل تنظيم مي باشد با تغيير Rsh مي توان mmf سيم پيچ خنثي كنندگي را تغيير داد در نتيجه

(1-26)

براي اصلاح كموتاسيون در مدارمحور متقيم آرميچر، قطب هاي كموتاسيون را بر روي استاتور و در راستاي محور dd قرار مي دهيم.

براي اصلاح كموتاسيون در مدار متقاطع آرميچر، جريان I₂را كم مي كنيم در نتيجه شار مدار متقاطع به توسط سيم پيچ هاي متقاطع مغناطيسي كننده wQ كه بر روي استاتور قرار گرفته اند برقرار مي گردد. (شكل 1.4a)

اين سيم پيچ توليد يك شار ( wΦQ) مي كند كه به شار عكس العمل آرميچر اضافه مي گردد.

از اين رو در حالتي كه سيم پيچ wQ بر روي مدار محور متقاطع جايگذاري مي شود، شار متقاطع به صورت زير حساب مي شود.

(1-27)

شكل1.5 به خوبي جايگذاري سيم پيچ ها را نشان مي دهد. سيم پيچ كنترلي 1 در شيارهاي بزرگ استاتور در امتداد محور متقاطع ماشين قرار گرفته است.

 

شکل 1-5

شکل 1-6

 

هر كدام از اين سيم پيچ ها شامل چهاردسته هادي مي باشند.

شيار بزرگ محور متقاطع به همان خوبي شيارهاي كوچك استاتور جبران كنندگي سيم پيچ 2 توزيع شده را اصلاح مي كند.

شيارهاي متوسط موجود در امتداد محور سيستم اصلاح كموتاسيون سيم پيچ 4 و مغناطيسي كنندگي سيم پيچ متقاطع5 را بر عهده دارند.

برگشت شيارهاي بزرگ يك سيم پيچ از بين برنده ميدان مغناطيسي مي باشد.

سيم پيچ 6 عمل از بين برندگي مغناطيسي استاتور را به وسيله تغييرات جريان مربوط به پسماند ولتاژ هیسترزیس بر عهده دارد. اين قبيل ماشين ها با اين مشخصه هاي استاتور و آرميچر مجاز به كاربري تا 20 kw مي باشند. آرميچر تقويت كننده الكترومغناطيسي بوسيله d c يا Ac موتور مي چرخد كه مي تواند به صورت تركيبي يا مجزا نسبت به هم ساخته شود (طراحي شود.)

شكل 1.6A يك نماي عمومي از تقويت كننده نوع Y M 150 را كه به وسيله DC موتور دوران داده مي شود را به صورت فرم مشترك (صورت تركيبي) نشان مي دهد. شكل 1.6B حالت گسترده تقويت كننده هاي الكترومغناطيسي را نشان مي دهد.

1-4 مشخصه هاي ديناميكي و استاتيكي تقويت كننده هاي الكترومغناطيسي

مهمترين مشخصه تقويت كننده الكترومغناطيسي بهره توان آن مي باشد، بيشترين بهره توان در تقويت كننده زمان حاصل مي شود كه تقويت كننده به عنوان یک تقويت كننده دو مرحله اي عمل مي نمايد. يك مرحله از سيم پيچ كنترل به ميدان متقاطع و مرحله بعداز فيدبك ميدان متقاطع به خروجي مدار محور مستقيم مي باشد.

به همين دليل، بهره توان كل به صورت زير مي باشد.

(1-28)

كه در آن KP₁بهره توان مرحله اول،KP₂ بهره توان مرحله دوم مي باشد.

در اين حالت (در نتيجه)

(1-29)

KP1=

باجايگذاري بهره توان در معادله (1.26) داريم

(1-30)

كه در آن r₁مقاومت ميدان كنترل مي باشد.

بر اساسبار و مشخصه هاي ماشين مي توان بهره توان هر مرحله را مشخص نمود. بر همين اساس جريان عبوري در مدار آرميچر مستقيم و متقاطع را مي توان طبق قانون اهم و نيز ،emfرابر طبق سرعت چرخش و شاري كه سيم پيچ ايجاد مي كند بيان نمود.

در حالت (k=1) در تقويت كننده الكترومغناطيسي، معادله بهره توان را مي توان به صورت زير بدست آورد.

(1-31)

كه در آن c عامل طراحي، و به ترتيب : ضريب هدايت مغناطيسي محور متقاطع و محور مستقيم ماشين مي باشند، R₃ و R₂به ترتيب، مقاومت تقويت كننده الكترومغناطيسي متقاطع و مستقيم مي باشند.

W سرعت زاويه آرميچر، L₁/R₁T₁= ثابت زماني سيم پيچ كنترل ، L₂/R₂T₂= ثابت زماني مدار محور متقاطع، L₂ و L₁به ترتيب اندوكتانس سيم پيچ كنترل و مدار تقويت كننده الكترومغناطيسي محور متقاطع مي باشند.

در نتيجه، مدار مغناطيسي كمتري اشباع شده و همچنين سرعت چرخشي تقويت كننده افزايش يافته و بر اساس همين فرآيند ها بهره توان نيز افزايش مي يابد. سرعت تا زماني مي تواند زياد بشود كه باعث خراب شدن وضعيت كموتاسيون در ماشين هاي محور مستقيم و متقاطع نشود.

بهره توان kp متناسب با ثابت زماني سيم پيچ هاي متقاطع و كنترل مي باشد. بهره توان به طور گسترده اي بستگي به مقاومت بار و ميزان جبران كنندگي تقويت كننده دارد. (شكل 1-7).

در حالت k=1(جيران شوندگي كامل) ماكزيمم بهره توان را مي توان در زماني كه R₃₌Rload باشد كسب نمود، كه اين حالت عمومي راه اندازي ژنراتور در بارهاي كم مقاومت (passive) مي باشد.

اگر تقويت كننده در حالت k > 1 باشد، مغناطيسي كنندگي باعث ايجاد mmf هاي مختلف در ميدان
جبران كنندگي شده و مدار آرميچر محور مستقيم باعث افزايش بهره توان در كمترين مقاومت بار به نسبت k=1 مي شود. همهء اين حالت ها بر عكس حالت < 1k مي باشند. شكل 1.7 در مورد بهره توان كه به عنوان تا بعي از جريان بار عمل مي كند توضيح مي دهد.

مهمترين مشخصه استاتيكي تقويت كننده هاي الكترومغناطيسي مشخصه خارجي و مشخصه كاري آنها مي باشد. مشخصه خارجي، توابع I₂=f (I₃) و (I₃)v₃₌f درحالت سرعت ثابت موتور (سرعت ثابت =W) و سيگنال ثابت موجود بر روي سيم پيچ (ثابت= v₁₎ را نشان مي دهد.

شكل 1-8 جريان مدار متقاطع ((I₂به عنوان تابعي از جريان مدار مستقيم ((I₃نشان مي دهد، تمام مشخصه ها براي هر 3 حالت k=1،k 1،k 1 داده شده اند.

شکل 1-7

با فرضيات داده شده و فرض اينكه ماشين در حالت) k = 1 ) تمام جبران كنندگي باشد، تنها mmf ميدان كنترل هست كه در محور مستقيم ماشين وجود دارد. از اين رو، mmf بوجود آمده به توسط جاروبك هاي محور متقاطع از بين رفته (با توجه به ثابت بودن E_2).اين بدان معني است كه جريان I2 در رنج هاي مختلف مقاومت بار داراي مقدار ثابتي است.

در زماني كه ماشين در حالت 1 k عمل مي كند، mmf مربوط به سيم پيچ جبران كنندگي با mmf ميدان كنترل تلفيق شده و باعث افزايش جريان I₂ به همران افزايش جريان بار I₃ مي شود.

در زماني كه ماشين در حالت1 k عمل مي كند، mmf مربوط به سيم پيچ
جبران كنندگي بر اثر عكس العمل آرميچر كاسته مي شود در نتيجه جريان I₂با افزايش جريان بار I₃ كاهش پيدا مي كند.

با توجه به ارتباطات گفته شده در بالا مي توان تقويت كننده ها را در رنج هاي مختلف دلخواه مورد استفاده قرار داد. شكل 1.8b مشخصه خارجي (I₃)F=V₃ را بر هر 3 نوع جبران كندگي نشان مي دهد.

ولتاژ خروجي موجود بر روي بار، درحالت جبران ندگي كامل به صورت زير بدست
مي آيد.

(1-31)

كه در آن E3، emf بدون بار مي باشد.

در حالت جبران كنندگي كامل (k=1) ، با افزايش جريان I₃كه در نتيجه اختلاف سطح موجود بين E₃ و ولتاژ موجود بر روي مقاومت بار بوجود مي آيد مقدار ولتاژ تقويت كننده كاهش مي يابد.

 

شکل 1-8

 

در حالت فوق جبران كنندگي ماشين (1 k )، ولتاژ خروجي را مي توان صرفنظر از افزايش يافتن جريان بار I₃ ثابت فرض كرد. علاوه بر اين، ولتاژ خروجي را مي توان به توسط جريان بار زياد هم كرد.

در حالت زير جبران كندگي ماشين ( 1 k ) ، ولتاژ خروجي سريع تر از حالت تمام جبران كنندگي (k=1) با افزياش جريان بار I₃ افت پيدا مي كند. (كاهش مي يابد)

منحنی مشخصه كاري (كاركرد) تقويت كننده ولتاژ و جريان خروجي را به عنوان تابعي از جريان كنترل
در w= ثابت و Rloud =ثابت (شكل 1.9) نشان مي دهد. نوع اين مشخصه ها بستگي به شكل منحني B-H ماشين دارد.

در جريان پايين كنترل منحنی به صورت غيرخطي بوده در نتيجه فاكتورهاي تغير بهره وابسته به پس ماند (emf) مي باشند. در حالت جريان بالاي كنترل اين پديده به عنوان نتيجه جبران كنندگي مدار مغناطيسي رخ مي دهد. زمانيكه تقويت كننده در حلقه نزديك سيستم كنترلي جايگذاري مي شود، تقويت كننده به صورت جبران كنندگي زير عمل مي كند (99/0 تا 97/0k=) در غير اين صورت فوق جبران كنندگي باعث اختلال در كاركرد سيستم به علت ايجاد mmf زياد شده كه اين باعث بوجود آمدن نوسان مداوم در سيستم مي‌شود.

 

 

شکل 1-9

مشخصات ديناميكي تقويت كننده بر اساس فرآيندهاي زوگذر مشخص مي شوند، به اين معني كه،با افزايش ولتاژ محور مستقيم به عنوان تابعي از زمان f (t)= v₃مي توان ولتاژ كنترل (سيم پيچ کنترل) را به عنوان ورودي تقويت كننده بكار برد.

عكس العمل عمومي تقويت كننده را مي توان بوسيله ثابت هاي

1) سيم پيچ كنترل R₁L₁ /=

2) مدار محور متقاطع R₂L₂ / =

3) مدار محور مستقيم ، كه بايستي در حالتي كه ماشني در حالت بارداري عمل مي كند حساب شود.

(1-32)

كه در آنL3 اندوكتانس سيم پيچ حلقه جريان مستقيم است.

4)حلقه متعادل کننده

به هر صورت، باتوجه به اينكه R₃ Rload مي باشد،T₃بسيار كمتر از 3 حالت ديگر باقي مي ماند در نتيجه مي توان آن را ناديده گرفت. عكس العمل تقويت كننده تحت تأثير كوپل متقابل مابين ميدان استاتور و سيم پيچ آرميچر مي باشد. حل معادلات زوگذر كوپلينگ به صورت يك شكل پيچيده بوده و تأثير آن بر روي فرآيندهاي زودگذر بسيار ناچيز مي باشد. حال اجازه بدهيد تا يك نظري راجع به چگونگي افزايش emf مدار خروجي به عنوان تابعي از زمان در حالت بدون بار با در نظر گرفتن كوپلينگ تقويت كنندگي بياندازيم.

فرض كنید كه سيستم مغناطيسي تقويت كننده درحالت مستقيم و محور متقاطع اشباع نشده باشد.

2)ندوكتانس سيم پيچ هاي كنترل، متعادل كنندگي و كموتاسيون هيچ ارتباطي با سيم پيچ هاي مدار متقاطع ندارند. مي توان افزايش emf مدار خروجي را به عنوان تابعي از زمان با حل 4 معادله زير بدست آورد.

1) براي سيم پيچ كنترل

(1-33)

كه در آن M1c اندوكتانس متقابل مابين سيم پيچ كنترل و سيم پيچ متعادل كنندگي مي باشد. Ic جريان سيم پيچ متعادل كنندگي مي باشد.

2) براي حلقه متعادل كنندگي

(1-34)

O=Rcic+Lc

كه در آن RC و LC به ترتيب: مقاومت و اندوكتانس حلقه جبران كنندگي مي باشند. MC₁=MIC

3) براي مدار آرميچر محور متقاطع

(1-35)

e2=a1i1+acic=R2i2+l2

كه i₂جريان مدار محور متقاطع و a_{1 و} a_cفاكتورهاي متناسب مي باشند.

 

 

شکل 1-10

4)براي مدار آرميچر محور مستقيم(1.34) ₂i₂a₌e₃كه در آن a₂فاكتور تناسب مي باشد.

a₁و ₂ a _{و ac}فاكتورهايي هستند كه به توسط مشخصه طراحي، آرميچر، سرعت آرميچر و اندوكتانس سيم پيچ هاي مربوطه مشخص مي شوند.

شكل 1.10 دياگرام كوپلينگ موجود بين ميدان هاي تقويت كننده را در طي حالت ناپايدار نشان مي دهد. با فرض مشترك بودن فاكتور كوپلينگ القايي مابين ميدان هاي كنترل و متعادل كنندگي معادلات (1.34) و (31 1.) را مي توان به صورت زير نوشت.

(1-36)

Kv v1=(t1+tc) t 2 p2 e3 +(t1+ t2 +tc) pe3 + e3

كه در آن ₂ R₁ R /₂a₁ a k V= بهره ولتاژ مي باشد. (KV)

با حل معادله (1.35) به يك معادله اي مي رسيم كه تغييرات موجود در emf e₃ كه تابعي از زمان مي باشد را به ما نشان مي دهد.

(1-37)

شکل 1-11 مشخصه دینامیکی آمپلیدین

معاده (1.36) را مي توان به صورت زير ساده كرد. در حالتي كه T₁ + TC T₂باشد معادله زوگذر را مي توان به صورت زير نوشت

(1-38)

(e3 =kv v1 (1 – e-t /t2

همانطور كه از معادله (1.36) و (1.37) مي توان متوجه شد تقويت كننده مغناطيسي داراي 2 جزء غيرنوساني مي باشد.

شكل 1-11 مشخصه ديناميكي تقويت كننده رانشان مي دهد.

منحني 1 طبق معادله (1.36) و منحني 2 طبق معادله (1.37) كشيده شده است.

تابع انتقالي تقويت كننده بر اساس معادله (1.35) بدست مي آيد

(1-39)

 

5.1- كاربرد تقويت كننده هاي چرخشي

تقويت كننده هاي چرخشي ماشينهايي هستند كه به صورت گسترده دركنترل سيستم ها و محرك هاي اتوماتيك الكتريكي مورد استفاده قرار مي گيرند. ژنراتور و تحريك كننده (exciter) ذاتاً در ولتاژهاي مختلف به صورت اجزاء بهم پيوسته تقويت كننده چرخشي عمل مي كنند. مزيت هاي برجسته آنها در زير مورد بررسي قرار گرفته اند:

(1) بهره توان بالا

(2)ورودي توان كم كه اين امكان را ايجاد مي كند كه سيم پيچ هاي كنترل به طريق الكترونيكي و تقويت كنندهاي نيمه هادي تغذيه گردند.

(3)زمان پاسخ نسبتاً سريع، كه اين به علت ثابت زمانی كوتاه مدار تقويت كننده است كه معادل ثابت زماني الکترومگنتيك (electromagnetic) 0/1 تا 0/2 ثانيه مي باشد.

(4) قابليت اطمينان بالا، عمر بالاي كاركردو محدودهء بالاي توانايي كنترل قدرت

(5)تنظيم محدوده هاي مختلف جبران كنندگي براي استفاده در مشخصه هاي مختلف
تقويت كننده الكترومغناطيسي البته اين تقويت كننده داراي معايبي نيز مي باشد

(1) ابعاد و حجم بالاي دستگاه در مقايسه با ژنراتور dc.

(2) وجود پس ماند ولتاژ به علتپديده هیستر زیس.

emf القاء شده در آرميچر به علت پس ماند شار مغناطيسي باعث انحراف مشخصه خطي ولتاژ خروجي كه تابعي از ولتاژ ورودي مي باشد كه اين به علت اين است كه شار پس ماند مغناطيسي باعث افزايش شار كنترل در يك جهت و كاهش آن در جهت معكوس مي شود.

گذشته از اين، به علت تاثير پس ماند emf، تقويت كننده در حالت فوق جبران كنندگي ممكن است به صورت خود تحريك عمل كند كه اين باعث از دست دادن كنترل در مقاومت باركم و سيگنال ورودي صفر مي شود.

اين حالت را مي توان به اين صورت توصيف كرد كه در زمانيكه شار محور مستقيم ماشين متاثر از ميدان
جيران كنندگي افزايش پيدا مي كند برابر شار پس ماند مغناطيسي مي شود به طوریکه ديگر ميدان جبران كنندگي قابل كنترل نمي باشد.