موتورهای سه‌فاز القایی، انرژی مکانیکی مورد نیاز بسیاری از صنایع، کارخانه‌ها و کارگاه‌های تولیدی را تأمین می‌کنند. این الکتروموتورها با استفاده از اصل القای الکترومغناطیس، روتور را به چرخش درآورده و میدان مغناطیسی الکتروموتور سه‌فاز به‌وسیله سیم‌پیچ استاتور ایجاد می‌شود.
در صورتی‌که سیم‌پیچ الکتروموتور آسیب‌دیده باشد، موتور قادر به تأمین سرعت و گشتاور لازم نخواهد بود و تحت بار آسیب می‌بیند؛ بنابراین آموزش سیم‌پیچی موتور سه‌فاز یکی از اقدامات ضروری برای تمامی افراد و صنایعی است که با این موتورها سروکار دارند. در صورت خراب شدن الکتروموتور و آموزش تعمیر آن می‌توانید مقاله عیب‌یابی الکتروموتور و روش‌های برطرف کردن آن را مطالعه کنید.
همچنین در مقاله تست سیم‌پیچ موتور سه‌فاز، روش‌های کاربردی جهت عیب‌یابی سیم‌پیچ‌های موتور بیان شده و مطالعه آن را پیشنهاد می‌کنیم. در این مقاله به معرفی انواع سیم‌پیچ و روش‌های سیم‌پیچی الکتروموتور سه‌فاز و همچنین محاسبات و رسم دیاگرام آن پرداخته‌ایم؛ با ما همراه باشید.
انواع سیم‌پیچی موتور سه‌فاز
به طور کلی انواع سیم‌پیچی موتور سه‌فاز به دو دسته سیم‌پیچ استاتور و روتور تقسیم‌بندی می‌شوند؛ سیم‌پیچ استاتور ثابت بوده و وظیفه تولید میدان مغناطیسی دوار، از جریان سه‌فاز ورودی را بر عهده دارد. روتور این موتورها در دو نوع تولید می‌شود:
- روتور قفس سنجابی
- روتور سیم‌پیچی شده
بیشتر الکتروموتورهای سه‌فاز موجود در ایران، از نوع روتور قفس سنجابی هستند؛ این روتور به شکل یک سیلندر استوانه‌ای‌شکل بوده و دارای میله‌هایی از جنس رسانا (اغلب مسی) است که به روش القایی کار می‌کنند. سیم‌پیچ‌های استاتور نیز با آلیاژهای مختلفی تولید می‌شود. مرغوب‌ترین سیم‌پیچ‌ها از جنس مس بوده و رسانایی و طول عمر بالایی دارند؛ اما ممکن است بعضی از تولیدکنندگان الکتروموتور برای کاهش هزینه‌ها از سیم‌پیچ‌های آلومینیومی استفاده کنند که در مقایسه با سیم‌پیچ‌های مسی کیفیت پایین‌تری دارند. هدف این مقاله بررسی سیم‌پیچی استاتور است؛ بنابراین در ادامه هر جا نامی از سیم‌پیچی موتور سه‌فاز به میان آمد، منظور سیم‌پیچی استاتور است.
انواع روش‌های سیم‌پیچی موتور سه‌فاز
برای ساخت استاتور الکتروموتور سه‌فاز، ورقه‌های آهنی سیلیس دار را به نحوی روی‌هم قرار می‌دهند که شیارهایی را تشکیل دهند؛ به این شیارها اسلات نیز گفته می‌شود. در موتورهای سه‌فاز برای هر فاز ورودی یک گروه سیم‌پیچ داریم که درون اسلات‌ها قرار می‌گیرند. برای ایجاد میدان مغناطیسی دوار در استاتور باید دو شرط زیر رعایت شود:
- سه گروه سیم‌پیچ 120 درجه اختلاف فاز الکتریکی داشته باشند.
- سیم‌پیچ‌ها 120 درجه اختلاف مکانی با هم داشته باشند.
در حالت عادی فازهای ورودی از برق شبکه، 120 درجه الکتریکی اختلاف فاز با یکدیگر دارند و شرط اول رعایت شده است؛ اما اختلاف مکانی کلاف‌ها باید هنگام سیم‌پیچی موتور انجام شود. روش‌های مختلفی برای سیم‌پیچی الکتروموتور سه‌فاز وجود دارد؛ از جمله:
- سیم‌پیچی یک‌طبقه یا سیم‌پیچی دوطبقه
- سیم‌پیچی گام کامل یا سیم‌پیچی گام کسری
- سیم‌پیچی زنجیری یا سیم‌پیچی متحدالمرکز
مزایای سیم‌پیچی دوطبقه نسبت به یک‌طبقه چیست؟
در سیم‌پیچی یک‌طبقه، داخل هر شیار استاتور یک کلاف سیم‌پیچ قرار میگیرد؛ اما در سیم‌پیچی دوطبقه، در هر شیار استاتور دو کلاف مختلف قرار دارند. سیم‌پیچی دوطبقه مزایای بیشتری داشته و رایج‌تر است؛ از جمله مزایای سیم‌پیچی دوطبقه نسبت به یک‌طبقه می‌توان به موارد زیر اشاره نمود:
- در سیم‌پیچی دوطبقه، پیشانی کلاف‌ها کاهش‌یافته و در نتیجه سیم‌پیچ وزن کم‌تری دارد؛ با کاهش وزن، قیمت سیم‌پیچ نیز ارزان‌تر می‌شود.
- با کاهش پیشانی کلاف‌ها، مقاومت اهمی سیم‌پیچ کاهش‌یافته، موتور کمتر داغ می‌شود و راندمان افزایش می‌یابد.
- در سیم‌پیچی دوطبقه به روش گام کسری، می‌توان یکی از مزاحم‌ترین هارمونیک‌های موتور (هارمونیک 3) را حذف کرد.
گام سیم‌پیچی چیست؟
دو نوع گام در موتورهای سه‌فاز وجود دارد؛ گام سیم‌پیچی و گام قطبی.
- گام سیم‌پیچی یا گام کلاف، فاصله دو بازوی یک کلاف را بر حسب تعداد شیارهای استاتور نشان می‌دهد؛ یعنی اگر ابتدای کلاف در شیار 1 قرار بگیرد، گام سیم‌پیچی مشخص می کند که انتهای آن کلاف باید در کدام شیار باشد.
- گام قطبی مشخص‌کننده تعداد شیارهایی از استاتور است که توسط هر قطب پوشش داده می‌شود.
در سیم‌پیچی به روش گام کامل، گام سیم‌پیچ و گام قطبی با هم برابر هستند؛ ولی در سیم‌پیچی گام کسری، معمولاً مقدار گام سیم‌پیچی از گام قطبی کمتر است.
تفاوت سیم‌پیچی زنجیری و متحدالمرکز در چیست؟
در سیم‌پیچی زنجیری (زنجیره‌ای)، کلاف‌ها با اندازه‌های مساوی پیچیده می‌شوند؛ ولی در سیم‌پیچی متحدالمرکز، باید کلاف‌ها را در اندازه‌های نامساوی پیچید. در سیم‌پیچی زنجیری، مجموع طول کلاف‌ها کمتر از متحدالمرکز بوده و به همین علت اقتصادی‌تر هستند. درحالی‌که در سیم‌پیچی متحدالمرکز چون گام هر گروه از کلاف‌ها با یکدیگر متفاوت است، اندازه آنها نیز با یکدیگر تفاوت دارد. از سیم‌پیچی متحدالمرکز بیشتر برای الکتروموتور تک‌فاز استفاده می‌شود.
محاسبات لازم برای سیم‌پیچی موتور سه‌فاز
مهم‌ترین مقادیری که در طراحی نقشه و سیم‌پیچی موتور سه‌فاز باید محاسبه شوند، مربوط به گام قطبی، گام سیم‌پیچ، تعداد قطب‌ها، زاویه الکتریکی شیار و شیار شروع هر فاز است که در ادامه به آنها می‌پردازیم.
محاسبه گام قطبی
گام قطبی را با Yp نمایش داده و بر اساس فرمول زیر به دست می‌آید:
Yp= Z/2P
در این فرمول، Yp گام قطبی، Z تعداد شیارهای استاتور و 2P تعداد قطب‌های موتور است. تعداد قطب‌های موتور توسط شرکت سازنده در پلاک یا کاتالوگ محصول مشخص می‌شود.
زاویه الکتریکی شیار
زاویه الکتریکی شیار، بیان‌کننده آن است که هر شیار با شیار قبل از خود چند درجه الکتریکی اختلاف‌فاز دارد و با Aez نشان داده می‌شود:
Aez=360P/Z
در این فرمول P برابر با نصف تعداد قطب‌های موتور و Z تعداد شیارهای استاتور است.
تعداد شیار در هر قطب از هر فاز
پارامتر بعدی تعداد شیار در هر قطب از هر فاز است که با q نشان‌داده‌شده و با فرمول زیر به دست می‌آید:
q=Z/2P*m
در این فرمول Z تعداد شیارهای استاتور، 2P تعداد قطب‌های موتور و m تعداد فازها است. بر اساس مقدار q گروه کلاف‌ها را سیم‌پیچی می‌کنیم.
شیار شروع فازها
برای اینکه بدانیم سیم‌پیچ هر فاز را از کدام شیار باید شروع کنیم از فرمول‌های زیر استفاده می‌کنیم:
(شروع فاز اول)L1= 1
(شروع فاز دوم)L2= 1 + (ez/120)
(شروع فاز سوم)L3= 1+ (ez/240)
سربندی کلاف‌های موتور سه‌فاز
دو نوع سربندی در سیم‌پیچی الکتروموتور سه‌فاز استفاده می‌شود که در شکل زیر می‌بینید.
اگر انتهای کلاف یک را به ابتدای کلاف دو و انتهای کلاف دو را به ابتدای کلاف 3 متصل کنیم، سربندی از نوع اتصال نزدیک است؛ اما اگر انتهای کلاف یک را به انتهای کلاف دو و ابتدای کلاف دو را به ابتدای کلاف 3 متصل نماییم، سربندی از نوع اتصال دور است. برای تشخیص نوع سربندی از فرمول زیر استفاده می‌کنیم:
G=T*Z/2*q*m
در فرمول بالا T تعداد طبقات سیم‌پیچی، Z تعداد شیار استاتور، q تعداد شیار در هر قطب از هر فاز و m تعداد فازهای ورودی است:
- اگر G=P بود اتصال نزدیک،
- ولی اگر G=2P بود اتصال از نوع دور خواهد بود.
با استفاده از این محاسبات می‌توانیم به مرحله بعد که طراحی دیاگرام و نقشه سیم‌پیچی موتور است برویم. به‌خاطر داشته‌باشید که سربندی کلاف‌ها، با سربندی ترمینال موتور جهت راه اندازی متفاوت است؛ در همین راستا پیشنهاد می‌شود مقاله سربندی الکتروموتور سه‌فاز را مطالعه فرمایید.
نقشه سیم‌پیچی موتور سه‌فاز
برای طراحی نقشه سیم‌پیچی موتور سه‌فاز بهتر است به‌صورت عملی و با طرح یک مثال شروع کنیم.
مثال شماره یک: طراحی و ترسیم دیاگرام و نقشه سیم‌پیچی موتور سه‌فاز دارای 24 شیار و 4 قطب به‌صورت 1 طبقه به روش زنجیری با گام کامل.
1) ابتدا گام قطبی را محاسبه می‌کنیم:
Yp= Z/2P = 24/4 = 6
بنابراین، هر قطب دارای 6 شیار است.
2) سپس تعداد شیارهای هر فاز در یک قطب را حساب می‌کنیم:
q=Z/2P*m = 24/4*3 = 2
در این مثال q برابر 2 است؛ یعنی گروه سیم‌پیچ هر فاز، از دو کلاف تشکیل شده است.
3) برای اینکه شیار شروع هر فاز را محاسبه کنیم، به زاویه الکتریکی شیارها نیاز داریم:
Aez=360P/Z = 360*2/24 = 30
زاویه الکتریکی بین هر شیار 30 درجه است.
4) شیار شروع فاز اول (L1 یا U) را یک در نظر می گیریم:
L1 = 1
5) اسلات شروع فاز دوم (L2 یا V) را بر اساس فرمول زیر محاسبه می‌کنیم:
L2 = 1 + 120/ez = 1+ (120/30) = 5
6) در نهایت، شیار شروع فاز سوم (L3 یا W) را نیز بدست می آوریم:
L3 = 1 + 240/ez = 1+ (240/30) = 9
7) نوع اتصال و سربندی کلاف‌های موتور نیز باید مشخص شود:
G=T*Z/2*q*m = 1*24/2*2*3 = 2
2=P : اتصال نزدیک
حالا برای ترسیم دیاگرام، کلاف‌ها را به شکل زیر نام‌گذاری می‌کنیم.
برای ترسیم دیاگرام، یک جدول به‌اندازه تعداد شیارهای استاتور رسم می‌کنیم؛ استاتور در این مثال 24 شیار دارد. سپس حروف U تا y را به ترتیب نقشه سمت راست تصویر بالا می نویسیم و هر حرف را به‌اندازه q=2 بار تکرار می‌کنیم. حالا دو سر هر کلاف را به هم متصل می‌کنیم؛ یعنی U به x و V به y و W به z.
این کار را ادامه می‌دهیم تا تمام کلاف‌ها به یکدیگر متصل شوند و دیاگرام تکمیل شود.
مراحل سیم پیچی الکتروموتور
جمع‌بندی
در این مقاله به آموزش انواع روش‌های سیم‌پیچی موتور سه‌فاز، محاسبات لازم برای آنها و ترسیم دیاگرام بر اساس یک مثال عملی پرداختیم. با این‌حال این موضوع نیاز به تخصص و مطالعات بیشتری داشته و برای درآوردن سیم‌های سوخته از داخل استاتور نیز باید علاوه بر دانش تخصصی، مهارت بالایی داشته باشید. به همین علت، پیشنهاد می‌کنیم برای تعویض سیم‌پیچی موتور سه‌فاز با کارشناسان کالا صنعتی در ارتباط باشید تا به‌صورت رایگان از مشاوره تخصصی این مجموعه بهره‌مند شوید.
در ساختار ماشین های الکتریکی از سیم پیچ های با آلیاژهای مس، آلومینیوم و.. استفاده می شود و این سیم پیچ ها در برابر اضافه جریان و حرارت بسیار آسیب پذیر هستند و در صورت بروز مشکل برای آنها می بایست موتورهای الکتریکی را برای بار دیگر سیم پیچی نمود. از این رو پیشنهاد می شود حتماً این کار را به متخصص واگذار نمایید تا مشکلی پیش نیاید.
اگر در سیم پیچی الکتروموتورها ، در هر شیار استاتور یک بازوی کلاف قرار بگیرد یک طبقه و اگر تعداد بازوها در هر شیار بیش از یک باشد ، چند طبقه می گویند. متداول ترین سیم پیچی چند طبقه در الکتروموتور سه فاز، سیم پیچی دو طبقه است که دو بازو در هر شیار قرار می گیرد. سیم پیچی در اکثر ماشین های سه فاز صنعتی ( قدرت متوسط و بالا ) به روش دو طبقه انجام میگیرد .
دو نوع گام در موتورهای سه‌فاز وجود دارد؛ گام سیم‌پیچی و گام قطبی.
گام سیم‌پیچی یا گام کلاف، فاصله دو بازوی یک کلاف را بر حسب تعداد شیارهای استاتور نشان می‌دهد؛ یعنی اگر ابتدای کلاف در شیار 1 قرار بگیرد، گام سیم‌پیچی مشخص می‌کند که انتهای آن کلاف باید در کدام شیار باشد. گام قطبی مشخص‌کننده تعداد شیارهایی از استاتور است که توسط هر قطب پوشش داده می‌شود.