ولتاژ محور موتور القائی AC، جریان جاری از طریق سكوی اتصال موتور

1. مقدمه

جریانات سكوی اتصال و ولتاژهای محور تحت عملكرد موج سینوسی Hz60 از سال 1924 مسئله شناخته شده‌ای بوده است [1-3]. مشخصات مقاومت ظاهری این سكوی اتصال عمدتاً نتیجه جریان سكوی اتصال را تعیین می‌كند كه جریانی برای بزرگی ولتاژ محور ارائه شده و شكل موج حاضر خواهد بود. تعدادی از بررسی‌ها نشان داده‌اند كه %30 از تمام شكست‌های موتور عمل كرده با ولتاژ موج سینوسی Hz60 به دلیل نقصان جریان سكوی اتصال هستند [4]. تمام ماشین‌های چرخشی به طور بالقوه مسئله جریان سكوی اتصال را دارند كه آیا DC است یا AC، و آیا HP دارای اندازه بزرگ یا كوچك است. این ماشین‌های چرخشی دارای سه منبع اصلی ولتاژ هستند- القاء الكترومغناطیسی، الكترواستاتیك جفت شده از منابع داخلی یا الكترواستاتیك جفت شده از منابع خارجی.

القاء الكترومغناطیسی از سیم‌پیچی استاتور (قسمت ثابت ماشین) برای محور روتور (قسمت گردنده ماشین) توسط Alger [1] شناخته شده و در ماشین‌های محور طولانی بیشتر رایج است. ولتاژ محور ناشی از عدم تقارن‌های میدان مغناطیسی در شكاف هوایی است كه مربوط به طراحی ماشین عملی هستند. اغلب موتورهای القایی طوری طراحی شده‌اند كه حداكثر ولتاژ محور برای زمینه چارچوب كمتر از Vrms1 با محدودیت‌های عملی توصیه شده، باشند [5]. ولتاژهای محور القاء شده موجب گردش جریان سكوی اتصال در مسیر دایره ای از محور، بوسیله طرف A سكوی اتصال واقع شده در زمین، بوسیله چارچوب استاتور، بوسیله طرف B سكوی پرتاب واقع شده در زمین و پشت محور، می‌شود. این ولتاژ محور القاء شده اگرچه بزرگی كمی دارد، چون مقاومت ظاهری مسیر چرخشی كم است، بوسیله دو سكوی اتصال موتور موجب جریان سیار بالایی می‌شود. موتور‌های القایی امروزی كمتر از HP250 دارای سكوهای اتصال واقع شده بر روی زمین هستند اما ولتاژ محور وضعیت ثابت حداقل شده‌ای برای مقادیر خیلی كوچك را دارد. با این حال، در طول شرایط توقف و آغاز گذرا در سرتاسر خط AC، عدم تقارن مغناطیسی به صورت ولتاژ محور افزایش یافته ظاهر می‌شود، موجب گردش جریان سكوی اتصال و كاهش عمر می‌شود [4]. این گردش جریان سكوی اتصال گذار برای خط موتورهای آغاز شده شدیداً تغییر یافته است. راه‌حل الكترومغناطیسی سنتی برای ولتاژ محور القاء شده در قاب‌های بزرگ برای جدا كردن انتهای سكوی اتصال غیرمحرك است. این ولتاژ محور را كاهش نمی‌دهد بلكه بیشتر موجب جریان سكوی اتصال می‌شود.

ولتاژ محور القاء شده الكترواستاتیكی ممكن است در هر موقعیتی كه انباشتگی بار روتور بتواند رخ دهد، موجود باشد. اتصال‌های گردنده كمربند، هوای یونیزه شده گذرنده بر روی تیغه‌های فن روتور یا سرعت بالای هوای گذرنده بر روی تیغه‌های فن روتور مانند توربین بخار، ‌مثال‌هایی از این دست هستند [6]. راه‌حل الكترواستاتیكی برای حفظ فریم و محور در همان پتانسیل بوسیله نصب برس زمینه محور برای كاهش تقویت الكترواستاتیكی و كاهش ولتاژ به mv400-70، است. این مقدار برای اینكه موجب خسارت جریان سكوی اتصال جهت گردش شود، كافی نیست.

ولتاژ محور جفت شده الكترواستاتیكی از منابع روتور خارجی، همچون یك محرك ثابت در ژنراتور توربینی، ممكن است و از لحاظ تاریخی با كاربرد برس زمینه محور، حل شده است [6]. ولتاژ محور جفت شده الكترواستاتیكی از منابع استاتور خارجی، همچون مبدل PWM، در این تحقیق مورد بررسی قرار گرفته است.

A. تئوری موجود در خصوص جریان سكوی اتصال با خط AC

بزرگی ولتاژ محور معمولاً‌با استفاده از یك شاخص احتمال جریان سكوی اتصال كه نتایج است، اندازه‌گیری شده است. این بزرگی و گذر جریان الكتریكی بوسیله سكوی اتصال است در نهایت موجب آسیب مكانیكی می‌شود [7]. آسیب سكوی اتصال ناشی از جریان الكرتیكی، بوسیله حضور چال‌ها یا سوختگی شیارهای متقاطع درون دوران سكوی اتصال، مشخص شده است. سوراخ الكتریكی تا زمانی كه سكوی اتصال ضریب اصطكاك خود را از دست دهد، افزایش بیشتر تلفات و تجزیه سطح سكوی اتصال، ادامه دارد. شیار نوعی موجب دنده‌ای مانند شكل كه در دوران ظاهر می‌شود مانند آنچه در شكل 1 نشان داده شده است. اشاره شده است كه چگالی جریان محدوده تماس سكوی اتصال گوی با مسیر، فاكتور شناسایی بهتری برای امپرهای پیك مجاز بدون چاله‌كنی یا شیار، است. اما، آنالیز این محدوده تماس مشكل است چون با سرعت و بار سكوی تماس، نوسان، روش نصب، چسبندگی و دمای روان‌كننده، تغییر می‌كند. مشهود است كه افزایش این محدوده تماس متناسب با بار سكوی تماس افزایش یافته تقریباً تا قدرت2/1، است [8].

بدین‌سان، این موضوع برای مشخص كردن مقاومت ظاهری سكوی اتصال تحت شرایط بار مختلف جهت تعیین شدت (سختی) مسئله، مهم است. تماس سطحی به سه طریق ایجاد شده است: فلز با فلز، تماس‌های سطحی شبه فلزی و تماس نقطه فلزی بوسیله سطوح عایق‌بندی شده الكتریكی مابین زبری سطح گوی و قاب.

شكل 1. آرایش راه‌راه سكو‌های اتصال موتور گرداننده ACC

محدوده ناحیه تماس سكوی اتصال واقعی در حركت كند یا در سكوی اتصال غیرچرخشی، بزرگ است و شامل بیشتر سطوح شبه فلزی است. نوار(غشاء) روان‌سازنده تنها 50 انگستروم است درصورتی كه سطوح شبه فلزی دارای اكسیدهای فلزی 120-100 هستند. تأثیرات تونل‌زنی مكانیكی كوانتوم، جریان را قادر به گذر از منطقه تماس با مقاومت ماقبل (مقاومت ورودی مقاومت سری) كمتر از 5/0اُهم، می‌سازد. این موضوع بوسیله اندازه‌گیری مقاومت سكوی اتصال كند ساخته شده در سرعت‌های پایین در شكل 2، مشهود است. [7] اظهار می‌دارد كه جریان بزرگ ممكن است از سكوهای اتصال غیرچرخشی، بدون آسیب گذر كند.

شكل 2. مقاومت سكوی اتصال در مقابل سرعت

محدوده ناحیه تماس سكوی اتصال واقعی در سكوی اتصال چرخشی، كوچكتر و وابسته به زبری سطح سكوی تماس است. این محدوده تماس عمدتاً شامل سختی تماس شبه نقطه فلز گوی (توپ) با فلز قاب است، مانند آنچه در شكل a3 برای عملكرد سرعت پایین نشان داده شده است. طول سختی تماس به طور نمونه در سرعت پایین us100 و در سرعت بالا us33 است. مقاومت ظاهری سكوی اتصال افزایش یافته با چرخش كه در شكل 2 نشان داده شده است، اشاره به این دارد كه روان‌سازنده معرف یك غشاء عایق جزئی مابین گوی و قاب در سرعت‌های بیشتر از %10 مجاز، است. زبری سطحی نوعی قابل و گوی از شكل 4، مشاهده می‌شود كه در محدوده 10-1 میكرون باشد، درحالی كه غشاء روان‌سازنده نوعی 2-1/0 میكرون وابسته به سرعت، مشخصات روان‌سازنده و اندازه كمتر بار، است [7]. شكل 5 رابطه مابین غشاء روغنی و زبری سطح در یك سكوی اتصال، نشان می‌دهد [8]. درصد غشاء، زمان درصدی در هنگامی است كه سطوح «تماس» به طور كامل بوسیله روغن یا غشاء روان‌سازنده تفكیك شده‌اند، در صورتی كه گاما، رابطه ضخامت غشاء روان سازنده برای مقدار rms زبری سطح تماس است. اغلب كاربردهای سكوی اتصال در محدوده گاما برابر با 1 تا 2، كار می‌كنند. این موضوع نشان می‌دهد كه سكوهای اتصال با كیفت بالا مانند مقاومت ظاهری بالای %80 زمان با غشاء روغنی، مانند یك خازن عمل می‌كند كه آماده شارژ برای پتانسیل تفكیك است. سكوی اتصال دارای كیفیت پایین، مقاومت ظاهری پایین فلزی برای سطح تماس در اغلب اوقات خواهد داشت و در حضور روان‌سازنده دارای مقاومت بالا به عنوان قابی برای اتصال خازن عمل می‌كند كه ممكن است تنها به صورت تصادفی نه در طول تماس پیك به نقاط گودی، شارژ شود.

شكل 3. احتمالات تماس سخت [8].

شكل 4. طیف‌های حالت موجی و نوسانی از حلقه داخلی با تكیه بر حالت موجی [8].

شكل 5. نوار موجود در مقابل اشعه گاما برای یك سكوی اتصال [8].

بزرگی ولتاژ محور، تعیین می‌كند كه جریان سكوی اتصال موجود در سكوهای اتصال با كیفت پایین اغلب اوقات دارای تماس‌های سختی است یا سكوهای اتصال با كیفت بالا از روان‌سازنده‌هایی با مقاومت ظاهری پایین استفاده می‌كنند. ولتاژ محور بالا، پس از اینكه جریان سكوی اتصال از طریق نقاط زیادی به گردش درمی‌آید، موجب افزایش جریان و چاله‌ها یا حفره‌هایی در قالب می‌شود. در تماس نقطه‌ای برای درجه‌ای كه این فلز ایجاد كننده حفره‌ها جذب می‌شود، و به موجب آن تجزیه ذرات فلز پوشیده شده به روان‌سازنده، ممكن است گرمایش رخ دهد. ولتاژ محور پایین، دامنه جریان كمتری دارد اما یافت شده كه هنوز به دلیل تجزیه گریس موجب فرسایش چاله می‌شود.

در سكوهای اتصال كیفیت بالا با گریس دارای مقاومت ظاهری بالا، اتصال خازن سكوی اتصال ممكن است در مدار مقاومت ظاهری پایین، هنگامی كه میدان الكتریكی از قدرت تجزیه در نقاط سختی روان‌سازنده تجاوز می‌كند، تخلیه شود. آستانه ولتاژ تجزیه سكوی اتصال، 4/0 ولت است، چون قدرت میدان روغن معدنی (نفت)، است. در مواقعی ولتاژ خازن سكوی اتصال بوسیله اهداء ولتاژ محور شارژ شده، بیشتر از مقدار لازم (بیش از 4/0 ولت) برای تجزیه گریس می‌شود ضربه جریان كمی بلند (نانوثانیه) از خازن غشاء روغنی بارشده درون سكوی اتصال جریان می‌یابد، مانند آنچه در شكل 6 نشان داده شده است. این پالس جریان تخلیه، اگر رخ دهد‌، منبعی عمده برای فرسایش سكوی اتصال است و معمولاً به صورت شیاری یا دستگاه تخلیه الكتریكی (EDM) به ما ارائه می‌شود. دهانه‌های دنده‌ای شكل 1 از چاله‌های میكروسكوپی شكل گرفته‌اند كه تحت گرمایش مكرر قاب تا دمای ذوب، نرم می‌شوند.

چندین نویسنده اظهار می‌دارند كه ولتاژ محور كمتر از 3/0 ولت، ایمن است، درصورتی‌كه ولتاژ 1-5/0 ولت مكمن است سكوی اتصال را تخریب كند. ولتاژ مركز تجزیه سكوی اتصال چرخشی (هنگامی كه جریان سكوی اتصال شروع به گردش می‌كند)، تحت ولتاژ منبع DC در اوج mv700 بود.

شكل 6. مشخصات شارژ خازنی EDM

شكل 7. استحكام دی‌الكتریكی افزایش یافته با منابع انگیزشی [9].

B. تئوری پیشنهاد شده در خصوص جریان سكوی اتصال با مبدل‌های PWM

این آنالیز سكوی اتصال بر اساس وضعیت ثابت، فركانس پایین و منابع ولتاژ محور dv/dt پایین بوده است. ما، نوسان مبدل PWM موجب شكل امواج منبع ولتاژ با فركانس بالا می‌شود و dv/dt بالا در سرتاسر استاتور خنثی برای قاب زمینه مؤثر است. این نشان م‌دهد كه بخشی از این شكل موج به دلیل عمل تقسیم كننده خازن، همچنین به صورت ولتاژ محور روتور برای زمین است. آنالیز موج سینوسی قبلی برای عملكرد PWM اعمال می‌شود اما با این تغییر كه ولتاژ مرز تفكیك ثابت تجربی در محور روتور به 15-8 ولت (شكل 6) در مقابل mv700 برای همان سكوی اتصال نشان داده شده تحت عملكرد موج سینوسی Hz60 (شكل 10). این افزایش با استفاده از نظریه تفكیك دی‌الكتریكی برای منابع ضربه، توضیح داده شده است [9]. شكل 7 نشان می‌دهد كه قدرت تفكیك پالس هگزان (hexane)  به طور چشم‌گیری بیش از این مقدار ثابت برای مدت زمان پالس شبه مرحله‌ای كوتاه، افزایش می‌یابد. مرز تفكیك ولتاژ سكوی اتصال نیز به عنوان تابعی از نسبت ولتاژ محور تغییر، افزایش می‌یابد [10]. این سطح تفكیك افزایش یافته تحت عملكرد PWM نامناسب است چون نتیجه جریان‌های سكوی اتصال EDM در طول تخلیه سكوی اتصال، خیلی بیشتر از عملكرد موج سینوسی هستند. شكل 8 نشان می‌دهد كه سطوح زبر به نوعی مشاهده شده كه در سكوی‌های اتصال تأخیر زمان آماری us3 تا تفكیك دارند، كه مطابق با مقدار اندازه‌گیری شده شكل 6 است.

شكل 8. تأثیر زبری سطحی بر روی تأخیر زمانی آماری برای تفكیك (شكست) [9].

فرضیه‌ای است كه سكوهای اتصال كیفت بالای شكل 5 (گاما=2)، هنگام كه موج سینوسی اعمال شده باشد، طول عمر مكانیكی بالایی ارائه می‌كند، اما ممكن است تحت عملكرد مبدل منجر به شكست جریان سكوی اتصال زودرس شود چون ضربه خازن اتصال سكوی اتصال %80 برای ولتاژ‌های محور ضربه بالاتر، شارژ شده است. این در جریان‌های تخلیه EDM تخریبی بالاتر نتیجه خواهد داد. سكوهای اتصال با كیفت پایین شكل 5 (گاما=1)، هنگام بكارگیری موج سینوسی، طول عمر مكانیكی كمتری نشان داده‌اند، اما ممكن است واقعاً برای عملكرد مبدل بهتر باشند، چون جریان‌های EDM خازن مخرب، تنها در %5 موارد رخ می‌دهد.

نتایج آزمایش موتور HP15 (با سكوهای اتصال موتور متصل به زمین) تحت عملیات موج سینوسی حالت ثابت Hz60، هیچ مدركی از وقوع جریان EDM نشان نداده است، به استثناء آغاز خط. نتایج آزمایش بر روی همان موتور تحت منابع ترانزیستور اتصال دوقطبی (BJT) و مبدل PWM ترانزیستورهای دوقطبی مدخل عایق‌بندی شده (IGBT)، شواهدی از EDM و شیار در پایه مداوم نشان داده‌اند.

II. تأثیر محرك‌های PWM بر روی جریان سكوی اتصال

A. آزمایش ساختار و تجهیزات

اندازه‌گیری مشاركت‌كننده‌ها در زبری سكوی اتصال برانگیخته شده بوسیله منبع ولتاژ PWM، نیازمند كشف علائم درون محیط شلوغ است. شناسایی این مشاركت كننده‌ها نیازمند ساختاری تجربی با ابزارهای آزمایش است كه ایزولاسیون را انجام می‌دهند، اما با حساسیت یكسان. شكل 9 تجهیزات آزمایش و ابزارهای بكار گرفته شده برای تحقیق و بررسی مقاله حاضر را نشان می‌دهد. این موتور، یك موتور القائی 15 اسب‌بخار، 460 ولت، 8 قطبی بود. سكوهای محرك و غیرمحرك عایق‌بندی شده بودند. تسمه زمینه، سكوهای اتصال نرمال متصل شده به زمین را شبیه‌سازی كرده است. یك برس كربنی ولتاژ محور روتور را دریافت می‌كند. استاتور خنثی برای اندازه‌گیری خنثی‌ بودن استاتور جهت ولتاژ زمین، در دسترس بود. میله‌های ولتاژ بالا و یك تقویت‌كننده عایق، اندازه‌گیری‌های ولتاژ را انجام دادند و میله جریان، جریان تسمه زمینه را كشف كرد. یك نوسان‌سنج ساده دیجیتالی با آنالیزور پرتو جرم، فركانس و اندازه پالس ولتاژ‌ها و جریان را نمایان ساخت.

شكل 9. آزمایش فیكسچر (منضمات) و تجهیزات.

B. سینوس عملكرد موج موتور القایی

جریان‌های میله و سكوی اتصال برای عملكرد موتور‌ها از مبدل‌های منبع ولتاژ PWM، ویژه نیستند. Alger، جریان‌های محور و سكوی اتصال را در دهه 1920 مورد تحقیق و بررسی قرار داده است. محرك موتور القائی با موج‌های سینوسی، شرایط مرجع را مهیا كرده‌اند. اندازه‌گیری‌های استاتور خنثی برای زمین و روتور برای ولتاژ‌های زمین و جریان روتور، هنگام عملكرد ماشین القائی در نبود بار و Hz6، انجام شده است. نتایج این آزمایشات در شكل 10 نشان داده شده است. جریان‌های EDM كشف نشده‌اند. ولتاژ استاتور خنثی 60 ولتی، ولتاژ روتور 1 ولتی را برانگیخته، كاهش 60 به 1. سطح ولتاژ محور روتور، بیش از انتهای استانداردها است.

شكل 10. عملیات خط AC.

C. شواهد براده‌برداری تخلیه الكتریكی (EDM)

محدود كردن تعداد متغیرهای در جلوگیری از نتایج ناموجه از نتایج تجربیات ضروری است، به‌ویژه در هنگام بررسی تأثیرات مبدل‌های IGBT با فركانس بالا. برای رسیدن به این مقصود: كابل جریان قوی به صورت طول 10 پایی برای چهار هدایت‌كننده و پوسته افشان متصل به زمین در انتهای محرك، ثابت شده بود. فركانس حامل KHz4 انتخاب شده بود. دریچه‌های معمولی در ورودی یا خروجی گرداننده، قرار داده نشده بودند.

آزمایشات بر روی سیستم محركه شكل 9 اجرا شده‌اند. استاتور خنثی برای ولتاژ زمین، محور روتور برای ولتاژ زمین و جریان تسمه سكوی اتصال، نمایش داده شده بودند. شكل 11 نتایج تجربی در هنگام عملكرد محرك AC در ولت‌های مجاز در هرتز‌ها و Hz48 را نشان می‌دهد. این استاتور خنثی برای ولتاژ زمین، نمونه نوعی در شكل موجی چرخه حامل مربوط به مبدل‌های منبع ولتاژ PWM را نشان می‌دهد. اما ولتاژ روتور پروفایل كامل متفاوتی را نشان می‌دهد. اكثر اوقات، این روتور به زمین متصل شده است، اما گاهی این روتور، استاتور خنثی برای ولتاژ زمین را دنبال می‌كند. سپس خیلی ناگهانی، ولتاژ روتور متلاشی می‌شود، ایجاد یك پالس جریان می‌كند. شكل 6، طرحی توسعه یافته از تخلیه EDM است. چون استاتور برای ولتاژ خنثی افزایش می‌یابد، ولتاژ روتور نسبت به مشخصات بار ظرفیت، واكنش نشان می‌دهد. درواقع، ولتاژ روتور به مقداری پانزده برابر بیشتر از مقدار اندازه‌گیری شده در زمان بكارگیری امواج سینوسی، افزایش می‌یابد. به جای تخلیه بار، ضربه‌ای از جریان با ولتاژ روتور همزمان با فروپاشی، رخ می‌دهد.

شكل 11. عملیات محركه AC.

تعداد سكوهای اتصال از عملكرد موتورها بر روی محرك‌های AC و موارد عمده AC، حذف شده بودند. سكوهای اتصال برای اثبات شیار EDM آزمایش شده بودند. شكل 1 مثال‌هایی از سكوهای اتصال از موتورهای بكار رفته در محرك‌های AC پس از بخش‌بندی را نشان می‌دهد. این شیار كاملاً مشخص است. قاب سكوی اتصال بیرونی در سمت چپ، تخلیه EDM تصادفی را نشان می‌دهد. قابل بیرونی در سمت راست، قلم‌زنی (حك) سطح قابل به طور مداوم را نشان می‌دهد.

جریان سویچینگ (قطع و وصل) dv/dt نرمال، در محدوده صدها میلی آمپر است و با افزایش در پتانسیل روتور اتفاق می‌افتد. بررسی مقالات تكنیكی، نتیجه‌ای در خصوص تأثیرات این جریان نسبتاً كوچك، نشان نمی‌دهد. اما جریان بزرگ ناشی از فروپاشی سریع ولتاژ روتور بزرگ، گمان می‌رود كه موجب EDM شود. مقدار EDM نشان داده شده، بوسیله تسمه زمینی الحاق شده و مقاومت ظاهری نوسان آن، محدود شده است. جریان سكوی اتصال یك سیستم محرك استاندارد ممكن است بوسیله مقاومت ظاهری گردش كوتاه سكوی اتصال، محدود شده باشد. این جریان، سبب، مدل‌سازی و كنترل آن، مركز توجه مابقی این مقاله است.

III. مدار معادل برای جابجایی سكوی اتصال و جریان‌های EDM

A. مدل

شكل 12 ساختار فیزیكی این موتور آزمایشی را نشان می‌دهد. هم انتهای محرك و هم غیرمحرك روتور با یك پوسته نگهدارنده سكوی اتصال عایق‌بندی شده، تجهیز شده بود، كه سكوهای اتصال روتور را از قالب موتور، جدا كرده است. كه اندازه‌گیری ولتاژ روتور مدار باز را ارائه كرده، و هنگام كوتاه شدن بوسیله تسمه زمینی،‌ مونتاژ یك سكوی اتصال واقعی را شبیه‌سازی می‌كند. به‌علاوه، این تسمه زمینی، مكانیسمی برای اندازه‌گیری سكوی اتصال برای جریان زمین را ارائه می‌كند. شكل 12 یك برس كربنی برای اندازه‌گیری ولتاژ روتور و راه‌حل‌های تحقیقی برای مسئله جریان سكوی اتصال EDM را نشان می‌دهد.

شكل 12. ساختار فیزیكی موتور آزمایشی.

این موتور 48 استاتور و 64 میله روتور داشت. شكل 13 اتصال خازنی مناسب برای توسعه این مدل را نشان می‌دهد. این استاتور برای ظرفیت خازنی قابل ، یك عنصر توزیع شده نشان دهنده اتصال خازن برای قابل در امتداد طول رساناهای استاتور، است. برای تحقیقات بیشتر، اتصال مغناطیسی استاتور و روتور، كافی است. اما با ارائه dv/dt بالا با وسایل قدرتی مدرن، بررسی اتصال خازنی را نمی‌توان نادیده گرفت. بنابراین، استاتور برای ظرفیت خازنی روتور  و روتور برای ظرفیت خازنی قابل  نیز شامل این موضوع می‌شوند.

شكل 13. اتصال خازنی موتور.

این سكوهای اتصال، غشاء روان سازنده و پوسته عایق، تركیبی از ظرفیت‌های خازنی، مقاومت‌های ظاهری و مقاومت ظاهری غیرخطی ارائه می‌كنند، شكل 14. ابتدا مقاومت ظاهری قابل داخلی و خارجی موجود است. سپس، بسته به ساختار فیزیكی، سكوی اتصال شامل n گوی به صورت موازی است؛ هر گوی مقاومت ظاهری مؤثری دارد. به‌علاوه، هر گوی در غشاء روان‌سازنده فرو برده شده است؛ بنابراین، هر گوی دو ظرفیت خازنی  وابسته به گوی برای قاب‌های داخلی و خارجی ارائه می‌كند. بخش گوی مدل سكوی اتصال، بنابراین شامل n تركیب موازی است. مابین گوی‌ها، قاب‌های داخلی و خارجی بوسیله روان‌سازنده تفكیك شده‌اند، كه به شكل حامل‌های دی‌الكتریكی درمی‌آیند. بنابراین، یك مقاومت خازنی  مابین هر دو جفت گوی، در نتیجه n خازن موازی، شكل گرفته است. مقاومت ظاهری غیرخطی  برای نابهنجاری‌ها و موارد تصادفی سكوی اتصال، محاسبه می‌شود.

تركیب این اجزاء مستقل موجب كاهش مدل سكوی اتصال می‌شود، كه متناسب با مدل‌های محرك موتور بكار گرفته شده در شبیه‌سازی‌ها و آنالیزها است. این مدل كاهش‌یافته شامل مقاومتی ظاهری  در مجموعه‌ای با تركیب موازی از مقاومت خازنی مؤثر  و مقاومت ظاهری غیرخطی  است. سرانجام، پوسته عایق دنباله‌ای از مقاومت خازنی  اضافه می‌كند كه هنگامی كه تسمه متصل به زمین بكار می‌رود، كوتاه شده است.

شكل 14. مدل‌های سكوی اتصال موتور.

از تركیب مدل سكوی اتصال با یك مدل مبدل/ موتور ساده، مدل شكل 15 حاصل می‌شود. در اینجا، مبدل به صورت سه خط برای ولتاژ‌های خنثی با یك خنثی برای منبع توالی صفر زمین، مدل‌سازی شده است. این مدل اجازه می‌دهد كه ولتاژ‌های مبدل به صورت مثبت، منفی و مجموعه‌ای متوالی صفر، آزمایش شود. این موتور به صورت دو مجموعه از سیم‌پیچ‌های سه مرحله‌ای نمایش داده شده است؛ یكی برای سیم‌پیچ‌های استاتور و روتور. اتصال خازنی از استاتور به قاب، در وضعیت خنثی سیم‌پیچ استاتور بزرگ شده است و اتصال خازنی مابین استاتور و روتور، شبكه‌های توالی صفر استاتور و روتور را به هم وصل می‌كند. سرانجام، این روتور برای ظرفیت خازنی قابل و سكوی اتصال، مسیرهایی به زمین از محور روتور ارائه می‌كند، در اینجا بوسیله وضعیت خنثی روتور نمایش داده شده است.

شكل 15. مدل مبدل/ موتور.

B. توضیحی برای دلیل جابجایی سكوی اتصال و جریان‌های EDM

از آزمایش مدل سكوی اتصال در مفهوم نتایج آزمایش نشان داده شده در شكل 11، اهمیت مطاومت ظاهری غیرخطی ، مشهود است. چون خازن سكوی اتصال به طور نرمال در هنگام تغییرات ولتاژ استاتور، یك dv/dt یا جریان جابجایی نشان می‌دهد، جریان dv/dt ظاهری بوسیله مقاومت ظاهری ارائه شده بوسیله مدل شكل 15 با  مساوی با مقدار كم غیر صفر، محدود شده است. این متناظر با سكوی اتصال در یك موقعیت مقاومت ظاهری پایین مابین گوی بیرونی و درونی است. اما، گاهی سكوی اتصال، غشاء روان سازنده را به حركت درمی‌آورد، كه به روتور اجازه پیگیری ولتاژ منبع با مدت زمان تصادفی را می‌دهد. این شرایط متناظر با افزایشی اساسی در  است. هنگامی كه  متلاشی می‌شود، بازتاب موقعیت سكوی اتصال برتر یا تفكیك غشاء، خازن  تخلیه شده و جریان EDM رخ می‌دهد، با جریان سكوی اتصال محدود شده بوسیله مقاومت ظاهری روش معمولی یا توالی صفر. بنابراین، این مقاومت ظاهری سكوی اتصال، در اصل آماری و وابسته به موقعیت گوی‌ها، شرایط سكوی اتصال و روان سازنده آن، است.

شكل 16. ظرفیت خازنی قاب- روتور (چرخان)- محاسبه شده.

C. مقادیر پارامتر مدل

ورودی‌های مدل شكل 15 شامل سكوی اتصال مناسب و پارامترهای موتور، و تابع نیروی ترتیب صفر است. محاسبات و آزمایشات، مقادیر پارامتر و ولتاژ منبع را ارائه كرده‌اند. برای محاسبه ظرفیت خازنی استاتور و روتور، دو رسانای موازی با تفكیك مساوی با مسافت مابین مراكز رساناها، آنالیز شده‌اند. این مقدار برای بازتاب عدد شكاف‌های استاتور و محدوده باز شكاف، تعدیل شده‌اند. برای برپایی روتور جهت ظرفیت خازنی قاب، روتور و استاتور به صورت سیلندرهایی موازی با یك فاصله هوایی درنظرگرفته شده بودند. شكل 16، را به عنوان تابعی از اسب بخار برای موتورهای 4 و 6 قطبی، نشان می‌دهد. ظرفیت خازنی غشاء سكوی اتصال با فرض ساختار كروی برای گوی نسبت به سطح قابل، محاسبه شده است. مقدار ویژه‌ برای ظرفیت‌خازنی سكوی اتصال گوی، pf190 است [11]. مقادیر محاسبه شده برای آزمایش موتور و سكوی اتصال در جدول 1 ارائه شده‌اند.

جدول 1. ظرفیت‌خازنی مدل موتور

آزمایشاتی برای مشخص كردن دقت محاسبات فوق انجام شده‌اند. با استاتور برانگیخته نشده و روتور قطبی شده برای موتور محرك، اندازه‌های ظرفیت‌خازنی موثر از روتور به قابل، با متر RLC در سرعت‌های مختلف انجام شده است. این آزمایشات به طور موافق ظرفیت خازنی pf1400 را ارائه كرده‌اند. این مقدار معادل  را ارائه می‌كند. اگرچه  وابسته به سرعت گردش است، تغییرناپذیری این اندازه‌گیری اشاره به غالب شدن دارد. ، بوسیله اندازه‌گیری ظرفیت خازنی از ترمینال‌های استاتور به قابل با روتور حذف شده، بدست می‌آید. برای مشخص كردن ، اندازه‌گیری‌هایی از ظرفیت‌خازنی موثر از ترمینال‌های استاتور به قاب با محور روتور و قاب متصل، انجام شده است. ، بوسیله كاستن  بدست آمده است. شكل 17،  را برای موتور آزمایش به عنوان تابعی از فركانس، نشان می‌دهد. سرانجام، مقاومت ظاهری سكوی اتصال ، به عنوان تابعی از سرعت گردش اندازه‌گیری شده است، این نتایج در شكل 2 نشان داده شده‌اند. این موارد در تركیب با مقدار اندازه‌گیری شده برای ، اجازه تعیین  را می‌دهد.

شكل 17. ظرفیت خازنی روتور- پوسته (قسمت ثابت ماشین)- اندازه‌گیری شده.

بررسی مقادیر پارامتر شامل آزمایشاتی با تسمه زمینی پوسته عایق بر روی سكوی اتصال محرك و مدور در فركانس‌های مختلف در نبود بار، بود. استاتور خنثی برای ولتاژ زمین و ولتاژ روتور برای زمین اندازه‌گیری شده بودند؛ ولتاژ استاتور از حالت خنثی سیم‌پیچی‌های استاتور و ولتاژ روتور از برس روتور،‌ پیوست است. نتایج این آزمایشات در شكل 18 نشان داده شده‌اند. با تسمه زمینی باز، ولتاژ روتور، درجایی كه تسمه زمینی كار گذاشته شده بود، به طور واضح متفاوت از ولتاژ روتور شكل 11 است. پیگیری استاتور برای ولتاژ خنثی بوسیله ولتاژ روتور، وجود مسیرهای توالی صفر را مانند آنچه در مدل شكل 15 نشان داده شده، تایید می‌كند.

نسبت ولتاژ استاتور و روتور، وزن مناسب خازن‌های  در جدول 1 را تایید می‌كند.

شكل 18. عملیات محركه AC- سكوی اتصال باز.

D. نتایج شبیه‌سازی

برای شبیه‌سازی و آنالیز اهداف، مدل شكل 15 به تقریب توالی صفر كاهش یافته است، كه بخش سایه‌دار شكل 15 است. شبیه‌سازی‌ای با پارامترهای جدول 1 برای مدل سكوی اتصال، ارائه شده است. این شبیه‌سازی ابزاری تحلیلی برای آزمایش تأثیرات شكل‌موج‌های PWM، بررسی مدل سیستم و پارامترها بوسیله همبستگی نتایج شبیه‌سازی با اطلاعات تجربی و برای ارزیابی راه‌حل‌های مختلف برای EDM، ارائه كرده است. شكل 19 بخش بسط‌یافته‌ای از شكل 11 و شبیه‌سازی با استفاده از مدل ترتیب صفر را نشان می‌دهد. تابع نیرو برای شبیه‌سازی، استاتور خنثی برای ولتاژ زمین از نتایج تجربی بود. این خروجی‌ها شامل ولتاژ روتور و جریان میله، مانند آنچه نشان داده شده، است.

شكل 19. تخلیه بار EDM. بالا) تجربی پایین) شبیه‌سازی.

مقایسه نتایج این شبیه‌سازی با نتایج تجربی، توافق (هماهنگی) خوبی را نشان می‌دهد. Dv/dt و جریانات EDM، نمایشگر نتایج تجربی هستند. افزایش سریع در ولتاژ روتور در نقطه تخلیه EDM، در توافق خوبی با این اطلاعات است. برای بدست آوردن دقت، برآوردی از ماهیت ، لازم است. برای نتایج نشان داده شده در فوق،  به عنوان یك صفحه مدل‌سازی شده است (شكل2)؛ مقاومت ظاهر بالا تا آستانه (مرز) ولتاژ مشاهده شده است؛ بنابراین ولتاژ محدود شده است. این ولتاژ آستانه به طور تقریبی تعیین شده بود. مقدار مقاومت ظاهری در هنگام ردیابی ولتاژ، از این نسبت تعیین شده است كه ولتاژ روتور تجربی شكل 19 كاشه یافته، در تطابقت خوبی با نتایج شكل 2 بود.

محدوده‌ای كه این شبیه‌سازی در پیش‌بینی واكنش مشاهده شده با شكست مواجه می‌شود، در واكنش موقعتی به dv/dt و جریانات EDM رخ می‌دهد. آزمایش نزدیك نتایج تجربی، نوسان MHz5/12 در جریان اندازه‌گیری شده را نشان می‌دهد؛ اما، این نوسان در نتایج شبیه‌سازی ظاهر نمی‌شود. توضیحی برای این اختلاف، تكنیك اندازه‌گیری است. مقاومت ظاهری مشخصه تسمه زمین، فركانس طبیعی را تغییر می‌كند و اختلافی در dv/dt و جریانات EDM بوجود می‌آورد.

IV. موتور القاء حفاظت شده الكترواستاتیكی: راه‌حلی برای جریانات سكوی اتصال EDM

نتایج تجربی بخش قبلی، اشاره به تخلیه الكتریكی به عنوان مشاركت كننده اصلی در زبری سكوی اتصال، دارد. مدل سكوی اتصالی ارائه شده و با مدل مربوط به منبع الكتریكی و شبكه اتصال، متصل شده است. این مدل رفتار الكتریكی مشاهده شده را بازتاب می‌دهد، كه نشان می‌دهد منبع زبری سكوی اتصال محرك PWM، حالت معمولی یا ولتاژ توالی صفر است.

با استفاده از مدل ارائه شده در فوق، وظیفه پیشنهاد راه‌حل‌هایی برای تخلیه EDM، به سادگی به قطع كننده تخلیه ولتاژ منبع، مقاومت ظاهری اتصال، یا طراحی سكوی اتصال، تبدیل می‌شود. این سه محدوده طراحی برای تحقیقات در دسترس هستند.

به دلیل اتصال خازنی از استاتور به روتور، به احتمال زیاد كاندید، مكانیسم اتصال برای استاتور به روتور-  در شكل 15- باشد. اگر یك پوشش الكترواستاتیكی مابین استاتور و روتور قرار گرفته باشد؛ ظرفیت خازنی اتصال از استاتور به روتور خراب شده است؛ بنابراین باعث كاهش dv/dt و جلوگیری از پیگری ولتاژ بوسیله روتور می‌شود. چون این ماشین القایی، از طریق القاء مغناطیسی گشتاور ایجاد می‌كند، وجود این پوشش بر روی دسته‌بندی خروجی موتور تأثیر نخواهد گذاشت. این پوشش بوسیله قرار دادن نوارهای فلزی مس چسبیده به هم 1 اینچی كنار هم، برای پوشش محدوده شیار استاتور، ساخته شده است. این پوشش برای قابل موتور به زمین ساییده شده‌ است.

شكل 20. پوشش قسمت ثابت ماشین- سكوی اتصال باز.

شكل 20 این استاتور خنثی برای زمین و ولتاژ محور برای شرایط عملكرد برابر مانند آنچه در شكل 18 آمده را نشان می‌دهد. با قرار دادن این پوشش، ولتاژ روتور پیك 18 ولتی، هنگامی كه تسمه متصل به زمین دور خارجی به صورت باز مدور شده، موجود است- در مقایسه با پیك 40 ولتی شكل 18، كاهش 56 درصدی. با تسمه متصل به زمین (شكل 21)، جریانات dv/dt، از ma500 به ma50 كاهش یافته است. هیچ جریان EDMی كشف نشده است.

شكل 21. پوشش پوسته- پوسته (جلد) كوتاه شده.

شكل 22. پوشش كامل- سكو‌های اتصال باز.

با بكارگیری نوارهای مسی فلزی مانند آنچه در فوق نشان داده شده، پرتودهی روتور كاهش یافته برای سیم‌پیچی‌های استاتور در در تناسب دقیق بوسیله ولتاژ روتور، كاهش یافته است. بوسیله توسعه پوشش فارادی برای احاطه استاتور و سیم‌پیچ‌ها و تكثیر آزمایشات فوق، پوشش كاملاً نزدیكی از ولتاژ روتور، مشاهده شده است. همانطور كه نتایج شكل 22 نشان می‌دهد، این ولتاژ روتور با تسمه متصل باز، در مقایسه با مورد بدون پوشش، تا %98 كاهش یافته است. اتصال تسمه زمینی (شكل 23)، جریان dv/dt صفر مجازی اندازه گیری شده و هیچ جریان EDM كشف نشده است.

نتایج تجربی نشان داده شده در فوق، جریانات سكوی اتصال را تایید می‌كند، هم dv/dt‌ و هم EDM، عمدتاً بوسیله اتصال الكترواستاتیكی القاء شده‌اند. ظرفیت خازنی استاتور به روتور، توالی صفر یا منبع روش عادی از استاتور به روتور را متصل می‌كند. این سكوی اتصال، مسیر بازگشتی برای منبع روش معمولی ارائه می‌كند، بنابراین اجازه جریانات تخلیه EDM و dv/dt را ارائه می‌دهد.

شكل 23. پوشش كامل- پوسته كوتاه شده.

V. نتیجه‌گیری

این مقاله بررسی‌ای از زبری سكوی اتصال القاء شده به صورت الكتریكی برای ماشین‌های AC تحت عملكرد موج سینوسی با فركانس پایین را ارائه كرده است. نظریه‌ای برای تفكیك دی‌الكتریكی روان‌سازنده تحت القاء PWM پیشنهاد كرده است. تخلیه یا جابجایی (dv/dt) جفت الكترواستاتیكی و جریانات ماشین تخلیه الكتریكی (EDM)، شناسایی شده و به صورت تقریبی اندازه‌گیری شده‌اند. مدل‌های الكتریكی ارائه شده و به طور تقریبی برای ولتاژ منبع، اتصال شبكه و سكوی اتصال، تغییر یافته‌اند. یك موتور القاء پوشش‌یافته الكترواستاتیكی شرح داده شده و به طور تجربی به عنوان راه‌حلی برای مسئله جریان سكوی اتصال، نشان داده شده است.

این مقاله تكنیكی و تجربیات نشان می‌دهد كه موتورهای بارگیری نشده در سرعت بالا، بدترین مورد سناریو برای جریانات سكوی اتصال ارائه می‌كنند. به علاوه، كاربردهای مربوط به بارهای جفت‌شده، به دلیل مسیرهای موازی برای تخلیه الكترواستاتیكی، گرایش به ارائه این مسئله ندارند.