ساختمان عايقي ماشين‌هاي الكتريكي

ساختمان ماشين‌هاي الكتريكي از سه دسته مواد اصلي هادي‌ها، هسته و عايق‌ها تشكيل شده است. عايق‌هاي الكتريكي برخلاف هادي‌ها و هسته در ماشين‌هاي الكتريكي، اجزاء غيرفعال محسوب مي‌شوند. بدين معنا كه هيچ نقشي در توليد ميدان مغناطيسي و يا هدايت آن و همچنين توليد گشتاور و هدايت جريان ندارند. در عين حال نيازمندي‌هاي اساسي الكتريكي، حرارتي و مكانيكي را در ميان اجزاء فعال در ساختمان ماشين‌هاي الكتريكي دوار، فراهم مي‌سازند.

عايق‌هاي الكتريكي در ميان هادي‌هاي مختلف حامل جريان در ولتاژهاي مختلف و نيز بين شيارهايي كه هادي‌ها را در خود جاي مي‌دهند جداسازي الكتريكي را ممكن مي‌سازند. آن‌ها با هدايت حرارت، نقش حرارتي و همچنين با نگه داشتن هادي‌ها در داخل شيارها و فراهم ساختن پوشش‌هاي حفاظتي، نقش مكانيكي خود را ايفاد مي‌كنند.

 

1-    سيم پيچ و هسته ماشين‌هاي الكتريكي فشار قوي

سيم پيچ (Winding) ماشين‌هاي الكتريكي از تعدادي كلاف (‍Coil) تشكيل شده است كه هر كلاف ممكن است از يك يا چند دور يا حلقه (Turn or Loop) ايجاد شده باشد. چنانچه سيم پيچ داراي كلاف‌هاي تك دور باشد به آن شين يا ميله تك دور (Bar) مي‌گويند. هر دور يا حلقه داراي دو هادي (‍Conductor) است كه هر هادي، يك بازوي حلقه يا بازوي كلاف (Coil Side) محسوب مي‌شود و در هسته قرار مي‌گيرند. هادي‌ها اغلب از چند رشته (Strand or Sub Conductor) تشكيل مي‌شوند. آن‌ها در قسمت پيشاني به هم متصل مي‌شوند و به قسمت اتصال كه خارج از هسته مي‌باشد، اتصال پيشاني (Overhang or End-Connection) گفته مي‌شود. در نهايت كلاف‌ها هنگام سربندي به يكديگر متصل و سرسيم پيچي‌ها (End-Winding) را تشكيل مي‌دهند.  

تصوير زير شماي يك كلاف تك حلقه‌اي ساده را نشان مي‌دهد كه فواصل AB و DE، هادي‌ها و يا بازوهاي كلاف و قسمت BCD نيز اتصال پيشاني آن مي‌باشد.

 هسته ماشين‌هاي الكتريكي دوار از ورقه‌های شیاردار تشکیل می‌شود. هدف از ورقه نمودن هسته، کاهش تلفات جریان گردابی یا تلفات فوکو مي‌باشد.

هادي‌ها مي‌توانند در يك طبقه و يا در چند طبقه در داخل شيارهاي هسته جايگذاري شوند.

تصوير زير نيز جانمايي يك كلاف تك حلقه‌اي را در داخل دو شيار استاتور يك ماشين الكتريكي فشار قوي را نمايش مي‌دهد.

 

با توجه به توان نامي، سطح ولتاژ و نوع سرويس دهي ماشين هاي الكتريكي، نحوه سيم پيچي و ساختار هسته آنها متفاوت است كه در اينجا به آنها پرداخته نمي شود.

 

 2-    انواع عايق در ساختمان ماشين هاي الكتريكي

عايق هاي الكتريكي مورد مصرف در ماشين هاي الكتريكي با توجه به نوع ماشين و ساختمان آنها به ويژه نوع جانمايي و ابعاد سيم‌پيچي كه به عناصري از قبيل توان نامي، ولتاژ، تعداد قطبها، نيازمنديهاي ناشي از حداكثر مجاز گرم شدن سيم‌پيچي، راكتانس، راندمان و هزينه وابسته است متفاوت مي باشد.

در حالت كلي و عمومي مي توان عايق ماشين هاي الكتريكي را به دو دسته اصلي عايق سيم پيچ و هاديها و عايق هسته و شيار تقسيم بندي نمود. عايقهاي ديگر از قبيل روكش هاي محافظ و قطعات نگهدارنده نيز عايق هاي كمكي و فرعي محسوب مي شوند.

 

 2-1- عایق  رشته هاي هادي (Strand Insulations)

هاديها به منظور كاهش سطح مقطع، حذف اثر پوستي و تلفات ناشي از آن، انعطاف پذيري و همچنين كاهش تلفات گردابي از چند رشته (Strands) ساخته مي شوند. عايق رشته ها مي بايست داراي ضخامت كم به منظور كاهش فضاي اشغالي، مقاومت بالا در برابر سایش و خراشیدگی و البتهتوانایی تحمل فشارها و تنشهاي حرارتی را داشته باشند. امروزه، این ملزومات بوسیله لایه روغن یا لایه روغن هاي جلا دهنده مصنوعی مختلف)لعابها) برآورده می شود.

سیمهاي مستطیل شکل و گرد نیز ممکن است بوسیله لایه هاي روي هم نوارهاي عایق بندي از قبیل نوارهاي با الیاف شیشه و نوارهاي کاغذآمید، عایق بندي شوند. با این وجود، اغلب ملزومات عایق هادیهاي به کار گرفته شده در ماشینهاي الکتریکی کوچک بوسیله لعابها برآورده میشود.

 

2-2- عايق حلقه (Turn Insulation)

عايق حلقه، مجموعه اي از رشته هاي هادي را پوشانده و هدف اصلي آن عايق نمودن حلقه ها و ممانعت از اتصال كوتاه بين آنها در هر كلاف است. اين عايق ها بايد قادر به تحمل ولتاژ هاي فاز با زمين، فاز به فاز و اضافه ولتاژهاي گذرا و همچنين تنش هاي حرارتي و مكانيكي باشند.

 

2-3- عايق ديواره هاي زمين شده هسته (Groundwall Insulation)

عايق ديواره هاي هسته، به قطعات عايقي كه هادي هاي مسي عايق شده را از ديواره هاي هسته استاتور  كه زمين شده است جدا مي سازند، گويند. اين قطعات همچنين ورق هاي جدا كننده كلاف ها در فازهاي مختلف را شامل مي شوند. اين قطعات مي بايست قادر به تحمل فشارهاي مغناطيسي كه منجر به لغزش حلقه ها مي شوند، باشند.

در تصوير زير يك شيار استاتور كه به صورت دو طبقه توسط هاديها پر شده است به همراه برخي عايق هاي ياد شده فوق نشان داده شده است.

 

2-4- حفاظت در بربر تخليه جزئي (‍PD Protection)

از آنجا که کلاف‌ها و میله‌ها، خارج از هسته استاتور تهیه و عایق‌بندی می‌شوند، هنگام جانمایی در هسته می‌بایست نازکتر از شیارهای هسته باشند و به همین منظور ایجاد فاصله‌های هوایی بین شیارها و سطح کلاف‌ها یا میله‌ها اجتناب‌ناپذیر است. از طرفي در طول پروسه ساخت كلاف‌ها و ميله‌هاي ماشين‌هاي الكتريكي در سطوح ولتاژ بالاي چهار كيلوولت ممكن است فضاهاي خالي در سطح آن‌ها ايجاد شده باشد. فواصل هوايي زمينه پديده تخليه جزيي در اثر اضافه ولتاژها را در سطح كلاف‌ها و يا ميان كلاف‌ها و ديواره شيارها فراهم مي‌سازد. اين پديده در ماشين‌هاي الكتريكي، در محاوره به طور نادرست، پديده كرونا تلقي مي‌شود. تنش‌هاي الكتريكي مي‌توانند هواي موجود در فواصل هوايي را شكسته و منجر به توليد جرقه شود. جرقه‌ها سرانجام موجب ساييده شدن و حتي ايجاد حفره در عايق و يا ديواره هسته مي‌شوند.

به منظور جلوگيري از اين پديده، عايقي نياز است تا فاصله‌هاي هوايي ميان كلاف‌ها و ديواره‌هاي هسته را حذف و مانع از پديده تخليه‌جزيي و در نتيجه ايجاد خطا در سيستم ماشين الكتريكي شود. جهت حذف پديده تخليه جزيي در سطح كلاف‌ها و ميله‌ها از روکش‌های عايق اضافي استفاده می‌شود. همچنين سازندگان از پوشش‌های نیمه هادی در فاصله بين كلاف‌ها و ديواره شيارها استفاده می‌کنند. این پوشش معمولا از جنس کربن سیاه می‌باشد که با مقاومت اهمی کافی در تماس با شیار و هسته پتانسیل زمین را خواهد داشت. به این ترتیب ولتاژ دو سر فواصل هوایی صفر بوده و تخلیه جزیی نخواهیم داشت. پدیده تخلیه جزیی در فواصل هوایی بین شیار و کلاف‌ها در ماشین های الکتریکی بالاتر از شش کیلوولت رخ می‌دهد.

پوشش نیمه هادی مابین کلاف‌ها و شیارها، معمولا حدود چند سانتیمتر از دو لبه انتهایی شیارها را نیز پوشش می‌دهند. همچنین روکش سطح کلاف‌ها و میله‌ها نیز تا حدود زیادی، نزدیکی اتصالات انتهایی را پوشش می‌دهند. اما به هر ترتیب حفاظت نقاط اتصال سر سیم پیچ‌ها را فراهم نمی‌سازند. از آنجا که عایق‌های این نقاط نیز در معرض فواصل هوایی قرار دارند، و همچنين از طرفی یکنواخت نمودن میدان الکتریکی در خارج از فضای هسته و شیارها از دیگر مسائل ماشین‌های الکتریکی است، می‌بایست پوششی را برای حذف فواصل هوايي و يكنواخت نمودن ميدان در سر سيم پيچ‌ها در نظر گرفت. این نیازمندیها با بکارگیری نوار کاربید سیلیکون در اتصال سرسیم پیچ‌ها برآورده شده است. کاربید سیلیکون دارای مشخصه‌ای است که با افزایش تنش‌های الکتریکی مقاومت آن کاهش می‌یابد، بدین معنا که اهمیک نمی‌باشد. این خاصیت مقاومت متغیر موجب هادی شدن آن هنگام اضافه ولتاژ و هدایت آن به هسته زمین شده استاتور و همچنین عدم انتقال سایر شرایط نامی به هسته و عایق‌های آن در حالت کار عادی ماشین می‌شود. با حذف اضافه ولتاژها، امکان آسیب سیستم عایقی در سرسیم پیچ‌ها در اثر تخلیه جزیی نیز حداقل می‌شود.

2-5- نگهدارنده مکانیکی در شیار  (Mechanical Support in the Slot)

کلاف‌ها و میله‌ها در شرایط کار عادی موتورها و ژنراتورها در معرض فشارهای مغناطیسی قرار دارند. همچنین در صورت وقوع خطایی در ماشین برای مثال یک خطای فاز به فاز، جریان گذرای خطا ممکن است به چندین برابر جریان در شرایط عادی برسد که نیروهای مغناطیسی بسیار قویتری نسبت به شرایط کار نرمال ایجاد خواهد کرد. کلاف‌ها می‌بایست در برابر حرکات ناشی از نیروهای مکانیکی در شرایط کار عادی و یا حالت گذرا مقاوم باشند در غیر این صورت هر گونه حرکت و لغزشی در کلاف‌ها ممکن است به عایق‌ها آسیب‌های جدی وارد نماید. ضمن تامین خواصمکانیکی و حرارتی مورد نیاز، حجم سیستم عایق کاري شیار باید در مینیمم مقدار ممکن نگهداشته شود تا حجم ماده هادي فعال و موثر در شیار بتواند ماکزیمم شود.

در شیارهای استاتور روش‌ها و قطعات عایقی مختلفی جهت مهار کلاف‌ها به کار می‌روند. همانگونه که در تصاویر زیر نشان داده شده است، هر دو شیار تا آنجایی که ممکن بوده است توسط هادی‌ها و مواد عایقی پر شده و سپس توسط یک گوه غیر هادی و غیر مغناطیسی بسته شده‌اند.

پر کردن شیارها توسط گوه تا حد بسیار زیادی از شل شدگی و لغزش هادیها و کلاف ها جلوگیری می کند. گوه ها با اشکال هندسی مختلف در لبه ها، متناسب با شیارهای ماشین طراحی می شوند و همانطور که در شکل مشاهده می شود ممکن است از دو تکه گوه مجزا نيز استفاده شود. همچنین قطعات عایقی دیگری در عمق و کناره و یا فضاهای اضافی و خالی دیگر شیار جهت کمک به مهار کلاف ها استفاده می شوند. همانگونه که قبلا بیان شد این پرکننده های فضاهای خالی می تواند کربن سیاه نيز باشد.

یکی دیگر از دغدغه ها در داخل شیارها، انقباض مواد داخل شیارها در طول عملکرد ماشین و در نتیجه ایجاد فضاهای خالی جهت لغزش کلاف ها است که این مسئله نیز با روکش کلاف ها و میله ها با سیلیکون رابر که خاصیت منبسط شوندگی دارد حل شده است.

بکارگیری مواد عایقی لوله ای شکل توخالی در عمق شیار و چسباندن کلاف ها و میله ها (معمولا توسط وارنیش ها) در داخل شیار از دیگر روشهای مهار کلاف ها در داخل شیارها می باشند.

 

2-6- نگهدارنده مکانیکی در سرسیم پیچ ها (Mechanical Support in the End-Winding)

هدف سرسیم پیچ ها تامین اتصال الکتریکی مطمئن میان کلاف ها است. این اتصلالات می بایست نسبت به هسته زمین شده بسیار مناسب عایق شوند. در ماشین های الکتریکی با ولتاژهای بالا، فاصله خزشی طولانی تری بین اتصالات سرسیم پیچ و هسته وجود دارد و همچنین ماشین های الکتریکی سرعت بالا دارای سرسیم پیچ ها با طول زیاد می باشند. سرسیم پیچ ها می بایست در برابر لغزش ها و حرکات احتمالی مهار شوند. برای این منظور روشهای مختلفی موجود است.

یکی از روش ها، چسباندن سرسیم های هر کلاف توسط نوعی چسب و یا استفاده از طناب های مهار می باشد. در ماشینهای الکتریکی بزرگتر از نوعی تسمه های مهار یا نگهدارنده استفاده می شود. این تسمه ها از جنس استیل عایق شده با صفحات پلی استر یا اپوکسی گلاس یا فایبرگلاس می باشند.

 

2-7- عایق ترانسپوزه (Transposition Insulation)

در استاتور بعضی ماشین های الکتریکی با کلاف های چند حلقه ای، هادیها ممکن است جابجایی داخلی داشته باشند. از آنجا که شار مغناطیسی در سمت رتور بیشتر از قسمت های دیگر است معمولا رشته ها را همواره در این موقعیت قرار نمی دهند. در اطراف جابه جایی هادیها، یک نوار عایقی اضافی استفاده مي شود كه به آنها عايق ترانسپوزه گويند.

 

 2-8- سیستم عایق بندی رتور ماشین های الکتریکی

سیم پیچی رتور ماشین های سنکرون دارای قطعات عایقی حلقه (حلقه با حلقه و حلقه با زمین) و شیار می باشند. سیم پیجی رتور این ماشین ها تحت ولتاژ DC می باشند كه در نتيجه آن عایق حلقه ها نازک بوده و از طرفی به دلیل عدم وجود اثر پوستی در رشته های هادیها، عايق رشته ها نیاز نمی باشد. از طرفی تغذیه DC با سیستم تحریک استاتیک منجر به ایجاد تنش های اضافی در رتور شده که تخلیه جزیی در فواصل سیم پیچ رتور را ممکن می سازد.

تنش های حرارتی و نیروهای گریز از مرکز از دیگر مواردی است که سیستم عایقی رتور ماشین های الکتریکی را تهدید می کند. قطعات عایقی در رتور می بایست دارای استحکام مکانیکی بالا و سیستم نگهدارنده های مناسب جهت مهار هادیها در برابر فشارهای مکانیکی ناشی از میدان های مغناطیسی و به ویژه نیروهای چرخشی گریز از مرکز باشند.از دیگر تنش هایی که سیستم عایقی رتورها در معرض آن قرار دارند، فشارهای مکانیکی یا به عبارت بهتر ترمومکانیکی در هنگام راه اندازی و خاموش نمودن ماشین های الکتریکی است. با تحریک سیم پیچ رتور، جاری شدن جریان الکتریکی در هادیها منجر به ایجاد حرارت و حرکت محوری آنها شده که امکان آسیب به قطعات عایقی را فراهم می سازد. برای این منظور معمولا از پوشش های لغزنده در عایق های شیار رتور استفاده می شود تا در مقابل خراشیدگی ناشی از تنش مذکور مقاوم باشند.

هیدروژنراتورها و موتورهای چهار قطبه یا بیشتر از آن دارای سیم پیچ های رتور قطب برجسته می باشند.دو نوع طراحی رتور قطب برجسته وجود دارد. در يك طرح سیم ها به دور قطب ها پیچیده می شوند و در ماشین های الکتریکی با ظرفیت پایین رایج می باشد. در نوع دیگر، یک نوار نازک مسی به صورت قالبی روی قطب جای می گیرد و ورق های عایقی جداکننده مانند عایق حلقه، هر قالب مسی را نسبت به دیگری عایق می کند. در هر دو طرح از واشر و طوقه هایی جهت عایق سیم پیچ با بدنه رتور استفاده می شود. تصویر زیر قطب هر دو طرح را به همراه سیم پیچ و عایق های آن نمایش می دهد.

رتورهای استوانه ای معمولا در توربوژنراتورهای دو و چهار قطبه رایج است. سطح رتور دارای شیارهای محوری است که در هر شیار حدود 5 تا 10 حلقه مسی که تشکیل یک کلاف را می دهد قرار می گیرد. حلقه ها به جای اینکه توسط نوارها یا فیلم های عایق، عایق بندی شوند توسط قطعات عایق از هم جدا می شوند. کلاف ها توسط گوه در داخل شیارها نگه داشته می شوند. مسیرهایی نیز برای عبور هوا و یا گازهای خنک کننده در حلقه ها و گوه ها تعبیه می شود. تصویر زیر شیار یک رتور استوانه ای را به همراه جانمایی حلقه ها و عایق های آن نمایش می دهد.

تصوير زير بخش هايي از انواع عايق مورد مصرف و محل بكارگيري آنها در ساختمان يك ماشين الكتربكي فشار قوي را نمايش مي دهد.

3-    پيري سيستم عايقكاري

تغييرات نامطلوبي كه در ساختار فيزيكي و شيميايي سيستم عايقكاري در اثر تنشهاي ايجاد شده در طي سرويس دهي  ايجاد مي شود را پديدهپيري در اين سيستم گويند.

انواع تنش های الکتريکی را Team Factors مي نامند كه حروف آن بيان كننده تنش هاي ذيل مي باشد:

T: حرارتي (Temperature)

E:  الكتريكي (Electrical)

A: محيطي (Ambient)

M: مكانيكي (Mechanical)

موتورها و ژنراتورها با توجه به نوع تغذيه و شرايط سرويس دهي به چهار دسته ذيل تقسيم مي شوند كه تنشهاي ايجاد شده بر روي آنها متفاوت مي باشد.

• موتورها و ژنراتورهاي فشار ضعيف
• موتورها و ژنراتوري فشار قوي
• موتور هاي تراكشن
• موتورهاي تغذيه شده توسط مبدلهاي فركانس يا تجهيزات الكترونيك قدرت

تصوير زير شرايط كاري سيستم عايقي ماشين هاي الكتريكي يادشده را نشان مي دهد كه در آن اندازه دايره، بيانگر تنش هاي مكانيكي است.

3-1- تنش‌هاي الكتريكي

كليد زني، رعد و برق و سوئيچينگ از عوامل تنشهاي الكتريكي مي باشند. اين تنش ها همانطور كه پيشتر عنوان شد منجر به شكل گيري پديده تخليه جزيي در سيستم عايقي مي شوند.

 

3-2- تنش‌هاي حرارتي و حرارتي مكانيكي

سيستم عايقكاري سيم پيچهاي جريان متناوب به گونه اي طراحي مي شود كه در  يك ولتاژ و دماي مشخص حداقل براي طول عمر تعريف شدهتجهيز استقامت و پايداري الكتريكي و مكانيكي و ابعادي خود را حفظ كند.

در استانداردهاي بين المللي كلاسهاي مختلف سيستم هاي عايقي الكتريكي توصيف گرديده است. اين توصيف بر پايه ماكزيمم دمايي كه اينسيستم مي تواند بصورت مداوم كار كند و نيز تحمل ولتاژ نامي سيستم را داشته باشد. رايج ترين كلاسهاي عايقي در ماشينهاي الكتريكي H وF وB  وA  مي باشند كه صورت 105 و 130 و 155 و 180 نيز ارائه مي گردند. اعداد ذكر شده مشخص كننده دماي نقطه داغ طراحي شده براي سيمپيچي بر حسب درجه سلسيوس مي باشد.

معمولا شرايط كار سيستمهاي عايقكاري، يك كلاس حرارتي پايين تر از كلاس حرارتي نامي مي باشد به عنوان مثال يك موتور الكتريكي مورداستفاده قرار B براي كلاس حرارتي F با كلاس حرارتي ميگيرد.

با توجه به موضوع فوق معمولا تنش حرارتي در شرايط نرمال كار نقش كمي در ايجاد پيري ناشي از تنشهاي حرارتي ايجاد مي نمايد. در موارد خاصهمچون موتورهاي مورد استفاده در مته ها و دريل ها، راه آهن و ژنراتورهاي هواپيما ممكن است در دماي بيش از 200 درجه سانتي گراد و حتي300 درجه كار كند .

تنشهاي حرارتي– مكانيكي در سيستمهاي عايقكاري در اثر اختلاف دما در نواحي مختلف و يا متفاوت بودن ضرايب انبساط حرارتي مواد مختلف درسيستم عايقكاري حادث مي گردد. بنابراين مي بايست در طراحي سيستم عايقكاري ،تركيب مواد به كار گرفته شده با توجه به ضرايب انبساطحرارتي در نظر گرفته شود.

 

3-3- تنش‌هاي محيطي

موارد ذيل مي توانند عوامل ايجاد تنش هاي محيطي در ماشين هاي الكتريكي باشند:

• رطوبت محيط
• دماي محيط (تغييرات دماي محيط– هواي خيلي سرد)
• مواد محيط (موادساينده– بخارهاي اسيدي و خورنده در محيط)

شرايط نامناسب محيطي تا حدي توسط ايزوله كردن ماشين الكتريكي از محيط اطراف قابل جلوگيري مي باشد.

 3-4- تنش‌هاي مكانيكي

ارتعاشات، شوك هاي مكانيكي ناشي از جريان هاي اتصال كوتاه و نيروهای سانتريفيوژ در روتور از جمله تنشهاي مكانيكي ماشينهاي الكتريكيگردان مي باشند. اتصالات پيشاني و سرسيم پيچي ها نيز در معرض تنش هاي مختلف مكانيكي قرار دارند كه با استفاده از بستن اتصال پيشانيسيم پيچهاي استاتور به رينگ نگهدارنده و تزريق رزين به اين ناحيه از اثرات نامطلوب تنشهاي مكانيكي جلوگيري مي شود.