تحلیل موتورهای آسنکرون القایی ۳ فاز ناهمگام تحت شرایط مختلف ولتاژی
چکیده— موتورهای ناهمگام (القایی) سه فاز کلید اصلی پیشرانه های صنعتی متناوب به شمار می روند. با این حال، تزریق ولتاژهای غیرایده آل متاثر از ناهمگونی شبکه، ناهمترازی فازها، هارمونیک های کلیدزنی ادوات الکترونیک قدرت و افت ولتاژهای دینامیکی می تواند عملکرد سیستم را دچار اختلال جدی کند. در این مقاله جامع، مدل سازی دقیق ریاضی ماشین القایی سه فاز در قالب فضا-بردار و نگاشت خطی-غیرخطی dq0 با اعمال تبدیل مستقیم و معکوس پارک ارائه شده است. آثار مولفه های فرکانسی منفی و صفر حاصل از ناهمترازی دامنه و زاویه ولتاژها بر افت گشتاور میانگین، نوسانات گشتاور الکترومغناطیسی با فرکانس مضاعف (100Hz)، تشدید تلفات مسی و هسته و افزایش ناگهانی دمای سیم پیچی استاتور با حل عددی سیستم معادلات دیفرانسیل غیرخطی کوپل شده ارزیابی می گردد. نتایج شبیه سازی دقیق عددی در محیط نرم افزاری، اثرات مخرب عدم تعادل ولتاژ (VUF) را نشان داده و راهکارهای تضعیف نوسانات ارائه می شود.
موتورهای القایی سه فاز به دلیل سادگی ساختار، استحکام مکانیکی بالا، هزینه نگهداری پایین و قابلیت اطمینان فوق العاده، بیش از ۷۰ درصد توان الکتریکی مصرفی در بخش صنعتی را به خود اختصاص داده اند. در تحلیل های کلاسیک و مرجع، فرض اولیه بر متقارن و سینوسی کامل بودن منبع تغذیه سه فاز استوار است. اما در شبکه های قدرت واقعی، منبع ولتاژ به صورت متناوب تحت تاثیر پدیده های غیرایده آل متعددی نظیر ناهمترازی دامنه و فاز ولتاژها (Voltage Unbalance)، اغتشاشات هارمونیکی حاصل از مبدل های الکترونیک قدرت، افت ولتاژهای شدید لحظه ای (Voltage Sags)، و نوسانات فرکانسی قرار دارد.
کارکرد موتور ناهمگام تحت شرایط تغذیه ناهمگون، پدیده های پیچیده ای همچون شکل گیری میدان های مغناطیسی گردان با مولفه های دورانی معکوس را ایجاد می کند. میدان گردان معکوس حاصل از مولفه تسلسل منفی، لغزشی بسیار بزرگ (نزدیک به 2-s) در تلاقی با روتور تجربه کرده و این امر منجر به ایجاد جریان های القایی با فرکانس بالا در روتور، تشدید اثر پوستی (Skin Effect)، افزایش قابل توجه تلفات ژول و افت راندمان می شود. همچنین برهم کنش مولفه های مثبت و منفی میدان مغناطیسی، گشتاورهای نوسانی با فرکانس دو برابر فرکانس پایه (100 هرتز در شبکه 50 هرتز) به وجود می آورد که عامل اصلی ارتعاشات شدید مکانیکی و خستگی شفت ماشین است.
در این مقاله جامع، ابتدا مدلسازی جامع ریاضی ماشین القایی بر پایه تبدیل پارک و نگاشت به دستگاه مرجع dq0 ارائه شده و سپس اثرات تغذیه نامتعادل و غیرایده آل بر متغیرهای حالت سیستم تحلیل می گردد.