کتاب ماشین های الکتریکی چاپمن
ویرایش جدید
تعداد صفحات: 953
نویسنده: استیون جی چاپمن
مترجم:آلا بحرانی و اسما بحرانی
تایپ شده و رنگی با کیفیت بالا
اصول ماشین های الکتریکی
کامل ترین ترجمه کتاب به زبان فارسی
فرمت :PDF
بخشی از متن کتاب:
در سال‌های پس از انتشار اولین نسخه اصول ماشینهای الکتریکی، پیشرفت سریعی در توسعه بسته‌های محرک موتور حالت جامد بزرگتر و پیچیده‌تر صورت گرفته است. چاپ اول این کتاب بیان کرد که موتورهای dc روش انتخابی برای برنامههای کاربردی با سرعت متغیر هستند. آن جمله امروز دیگر درست نیست. در حال حاضر، سیستم انتخابی برای کاربردهای کنترل سرعت اغلب یک موتور القایی متناوب با درایو موتور حالت جامد است. موتورهای DC تا حد زیادی به کاربردهای ویژه دانلود کتاب ماشین های الکتریکی چاپمن ترجمه فارسی ای که منبع تغذیه dc به راحتی در دسترس است، و مانند سیستمهای الکتریکی خودرو، تنزل یافتهاند.
ویرایش سوم کتاب به طور گستردهای بازسازی شد تا این تغییرات را منعکس کند. مواد موجود در موتورهای ac و ژنراتورها اکنون در فصلهای 3 تا 6 قبل از مطالب مربوط به ماشینهای dc پوشش داده شده است. علاوه بر این، پوشش ماشین آلات dc در مقایسه با نسخههای قبلی کاهش یافت. این نسخه با همان ساختار اولیه ادامه مییابد.
علاوه بر این، فصل 3 قبلی در مورد الکترونیک حالت جامد از ویرایش پنجم حذف شده است. بازخورد کاربران نشان میدهد که آن مطالب برای یک مرور کلی بسیار دقیق بود و برای یک دوره الکترونیک حالت جامد به اندازه کافی دقیق نبود. از آنجایی که تعداد کمی از مربیان از این مطالب استفاده میکردند، از این نسخه حذف شده و به عنوان مکمل در وب سایت کتاب اضافه شده است. هر مربی یا دانش آموزی که مایل به ادامه استفاده از مطالب در این فصل است میتواند آن را رایگان دانلود کند.
برای افزایش یادگیری دانش آموزان، اهداف آموزشی به ابتدای هر فصل اضافه شده است.
فصل 1 مقدمهای بر مفاهیم اولیه ماشین آلات ارائه میدهد و با اعمال این مفاهیم در ماشین dc خطی، که سادهترین مثال ممکن از یک ماشین است، به پایان میرسد. فصل 2 ترانسفورماتورها را پوشش میدهد که ماشینهای گردان نیستند، اما بسیاری از تکنیک‌های آنالیز مشابه دارند.
بعد از فصل 2، یک مربی ممکن است ابتدا ماشین آلات dc یا ac را آموزش دهد. فصلهای 3 تا 6 ماشینهای AC را پوشش می‌دهند و فصلهای 7 و 8 ماشینهای dc را پوشش می‌دهند. این دنباله‌های فصل کاملاً مستقل از یکدیگر ساخته شدهاند، به طوری که یک مربی میتواند مطالب را به ترتیبی که به بهترین وجه با نیازهای او مطابقت دارد پوشش دهد. به عنوان مثال، یک دوره یک ترم با تمرکز اولیه در ماشینهای AC ممکن است شامل بخشهایی از فصلهای 1، 2، 3، 4، 5، و 6 دانلود کتاب ماشین های الکتریکی چاپمن ترجمه فارسی که هر زمان باقی مانده به ماشینهای dc اختصاص داده شود. یک دوره یک ترم با تمرکز اولیه در ماشین آلات dc ممکن است شامل بخشهایی از فصلهای 1، 2، 7، و 8 باشد که هر زمان باقی مانده به ماشینهای ac اختصاص داده شود. فصل 9 به موتورهای تک فاز و خاص اختصاص دارد، مانند موتورهای یونیورسال، موتورهای پلهای، موتورهای dc بدون جاروبک و موتورهای قطب چاکدار.
مسائل تکالیف و انتهای فصلها اصلاح و تصحیح شده است و بیش از 70 درصد مسائل از آخرین ویرایش یا جدید یا اصلاح شده است.
در سال‌های اخیر، تغییرات عمده‌ای در روش‌های مورد استفاده برای آموزش ماشین‌آلات به دانشجویان مهندسی برق و فناوری الکتریکی رخ داده است. ابزارهای تحلیلی عالی مانند MATLAB® به طور گسترده در برنامههای درسی مهندسی دانشگاه در دسترس قرار گرفتهاند. این ابزارها محاسبات بسیار پیچیده را برای انجام ساده می‌سازند و به دانشجویان اجازه می‌دهند تا رفتار مسائل را به صورت تعاملی بررسی کنند. این نسخه از اصول ماشینهای الکتریی از MATLAB برای ارتقای تجربه یادگیری دانشجو در صورت لزوم استفاده میکند. به عنوان مثال، دانشجویان از MATLAB در فصل 6 برای محاسبه ویژگی‌های گشتاور-سرعت موتورهای القایی و کشف خواص موتورهای القایی دو قفسه استفاده میکنند.
این متن MATLAB را آموزش نمیدهد. فرض بر این است که دانشجو از طریق کارهای قبلی با آن آشنا شده است. همچنین، کتاب به داشتن متلب وابسته به دانشجو ندارد. MATLAB در صورت در دسترس بودن، تجربه یادگیری را بهبود میبخشد، اما اگر اینطور نباشد، میتوان از مثالهای مربوط به MATLAB صرف نظر کرد و باقی متن هنوز منطقی است.
این کتاب بدون کمک دهها نفر در طول 25 سال گذشته هرگز امکانپذیر نبود. برای من خوشحال کننده است که میبینم کتاب پس از این همه مدت همچنان محبوب است و بیشتر آن به دلیل بازخورد عالی ارائه شده توسط داوران است. برای این نسخه، من میخواهم به ویژه تشکر کنم:
· یادگیری اصول مکانیک دورانی : سرعت زاویهای، شتاب زاویهای، گشتاور، و قانون نیوتون برای چرخش
· یادگیری نحوه ایجاد یک میدان مغناطیسی
· درک مدارات مغناطیسی
· درک رفتار مواد فرومغناطیسی
· درک هیسترزیس (پسماند) در مواد فرومغناطیسی
· درک قانون فارادی
· درک نحوه تولید نیروی القایی روی سیم
· درک نحوه تولید یک ولتاژ القایی در میان یک سیم
· درک عملیات یک ماشین خطی ساده
· توانایی کار با توانهای واقعی، واکنشی و ظاهری
1.1 ماشینهای الکتریکی، ترانسفورماتورها و زندگی روزمره
ماشین الکتریکی وسیلهای است که میتواند انرژی مکانیکی را به انرژی الکتریکی یا انرژی الکتریکی را به انرژی مکانیکی تبدیل کند. هنگامی که از چنین وسیلهای برای تبدیل انرژی مکانیکی به انرژی الکتریکی استفاده میشود، به آن ژنراتور میگویند. هنگامی که آن دانلود کتاب ماشین های الکتریکی چاپمن ترجمه فارسی الکتریکی را به انرژی مکانیکی تبدیل میکند، موتور نامیده میشود. از آنجایی که هر ماشین الکتریکی معین میتواند توان را در هر جهت تبدیل کند هر ماشینی میتواند به عنوان ژنراتور یا موتور به کار رود. تقریبا تمام موتورها و ژنراتورهای کاربردی از طریق عمل میدان مغناطیسی انرژی را از شکلی به شکل دیگر تبدیل میکنند و تنها ماشینهایی که از میدان مغناطیسی برای انجام چنین تبدیلاتی استفاده میکنند در این کتاب در نظر گرفته میشوند.
ترانسفورماتور، یک دستگاه الکتریکی است که به شدت با ماشینهای الکتریکی ارتباط دارد. ترانسفورماتور انرژی الکتریکی ac را در یک سطح ولتاژ به انرژی الکتریکی ac در سطح ولتاژ دیگر تبدیل میکند. از آنجایی که ترانسفورماتورها بر اساس اصول مشابه با ژنراتورها و موتورها عمل میکنند بسته به عمل میدان مغناطیسی برای انجام تغییر در سطح ولتاژ معمولا با ژنراتورها و موتورها باهم مورد مطالعه قرار میگیرند.
این سه نوع دستگاه الکتریکی در زندگی روزانه مدرن در همه جا حاضر هستند. موتورهای الکتریکی در خانه، یخچالها، فریزرها، جارو برقیها، مخلوط کنها، تهویههای هوا، پنکهها و بسیاری از وسیلههای مشابه را راهاندازی میکنند. در محیط کار، موتورها تقریبا برای همه ابزارها نیروی محرکه فراهم میکنند. البته ژنراتورها برای تامین نیروی مورد استفاده همه این موتورها ضروری هستند.
چرا موتورهای الکتریکی و ژنراتورها بسیار رایج هستند؟ پاسخ بسیار ساده است: نیروی الکتریکی یک منبع انرژی پاک و کارآمد است که به راحتی در فواصل طولانی منتقل میشود و کنترل آن آسان است. یک موتور الکتریکی به تهویه دائمی نیاز ندارد و مانند موتورهای احتراق داخلی به سوخت نیاز ندارد، بنابراین موتور برای استفاده در محیط‌هایی که آلاینده‌های مرتبط با احتراق مطلوب نیستند، بسیار مناسب است. در عوض، گرما یا انرژی مکانیکی را میتوان در یک مکان دور به شکل الکتریکی تبدیل کرد، انرژی را میتوان در فواصل طولانی به مکانی که قرار است استفاده کرد منتقل کرد و میتوان آن را به طور دانلود کتاب ماشین های الکتریکی چاپمن ترجمه فارسی در هر خانه، اداره یا کارخانهای استفاده کرد. ترانسفورماتورها با کاهش اتلاف انرژی بین نقطه تولید نیروی برق و نقطه استفاده از آن به این فرآیند کمک میکنند.
1.2 یک یادداشت در مورد واحدها و نشانگذاریها
طراحی و مطالعه ماشینهای الکتریکی و سیستمهای قدرت از قدیمی‌ترین حوزه‌های مهندسی برق است. مطالعه در اواخر قرن نوزدهم آغاز شد. در آن زمان واحدهای برق در سطح بین المللی استاندارد میشدند و این واحدها به طور جهانی مورد استفاده مهندسان قرار میگرفتند. ولت، آمپر، اهم، وات و واحدهای مشابه که بخشی از سیستم متریک واحدها هستند، از دیرباز برای توصیف کمیتهای الکتریکی در ماشینها استفاده میشد.
با این حال، در کشورهای انگلیسی زبان، مقادیر مکانیکی مدت‌هاست که با سیستم انگلیسی واحدها (اینچ، فوت، پوند و غیره) اندازهگیری میشدند. این عمل در مطالعه ماشینها دنبال شد. بنابراین، برای سال‌های متمادی مقادیر الکتریکی و مکانیکی ماشینها با سیستمهای مختلف واحدها اندازهگیری میشوند.
در سال 1954 سیستم جامع واحدها بر اساس سیستم متریک به عنوان یک استاندارد بین المللی پذیرفته شد. این سیستم از واحدها به سیستم بین المللی (SI) معروف شد و در اکثر نقاط جهان به کار گرفته شده است. ایالات متحده عملا تنها استقامتکننده است - حتی بریتانیا و کانادا نیز به سمت SI رفتهاند.
با گذشت زمان، دانلود کتاب ماشین های الکتریکی چاپمن ترجمه فارسی SI به طور اجتناب ناپذیری در ایالات متحده استاندارد خواهند شد، و جوامع حرفهای مانند موسسه مهندسین برق و الکترونیک (IEEE) واحدهای متریک را برای همه کارها استاندارد کردهاند. با این حال، بسیاری از افراد با استفاده از واحدهای انگلیسی بزرگ شدهاند و این سیستم برای مدت طولانی در استفاده روزانه باقی خواهد ماند. دانشجویان مهندسی و مهندسان شاغل در ایالات متحده امروز باید با هر دو مجموعه واحد آشنا باشند، زیرا در طول زندگی حرفهای خود با هر دوی این واحدها مواجه خواهند شد. بنابراین، این کتاب شامل مسائل و مثالهایی با استفاده از هر دو واحد SI و انگلیسی است. در مثال‌ها تاکید بر روی واحدهای SI است، اما سیستم قدیمی‌تر کاملاً نادیده گرفته نشده است.
1.3 حرکت چرخشی، نیوتن
قانون، و روابط قدرت
تقریباً تمام ماشینهای الکتریکی حول محوری به نام شفت ماشین میچرخند. به دلیل ماهیت چرخشی ماشینها، داشتن درک اولیه از حرکت چرخشی مهم است. این بخش شامل بررسی مختصری از مفاهیم فاصله، سرعت، شتاب، قانون نیوتن و توان است که در ماشینهای دوار کاربرد دارند. برای بحث دقیقتر در مورد مفاهیم دینامیک دورانی، به منابع 2، 4 و 5 مراجعه کنید.
به طور کلی، برای توصیف کامل چرخش یک جسم در فضا، یک بردار سه بعدی لازم است. با این حال، ماشینها معمولاً روی یک شفت ثابت روشن میشوند، بنابراین چرخش آنها به یک بعد زاویهای محدود میشود. نسبت به انتهای معینی از شفت ماشین، جهت چرخش را دانلود کتاب ماشین های الکتریکی چاپمن ترجمه فارسی در جهت عقربههای ساعت (CW) یا خلاف جهت عقربههای ساعت (CCW) توصیف کرد. برای این حجم، یک زاویه چرخش در خلاف جهت مثبت عقربههای ساعت و یک زاویه چرخش در جهت منفی عقربههای ساعت فرض میشود. برای چرخش حول محور ثابت، تمام مفاهیم این بخش به اسکالر کاهش مییابد.
هر مفهوم اصلی از حرکت چرخشی در زیر تعریف شده است و به ایده مربوطه از حرکت خطی مربوط میشود.
موقعیت زاویه ای θ
موقعیت زاویهای θ ی یک جسم، زاویهای است که در آن شیء جهت گیری میشود، که از یک نقطه مرجع دلخواه اندازه گیری میشود. موقعیت زاویهای معمولاً با رادیان یا درجه اندازهگیری میشود. با مفهوم خطی فاصله در طول یک خط مطابقت دارد.
سرعت زاویهای ω
سرعت زاویهای (یا سرعت) نرخ تغییر موقعیت زاویهای نسبت به زمان است. اگر چرخش در خلاف جهت عقربههای ساعت باشد، مثبت فرض میشود. سرعت زاویهای آنالوگ دورانی مفهوم سرعت در یک خط است. سرعت خطی یک بعدی در امتداد یک خط به عنوان نرخ تغییر جابهجایی در امتداد خط (r) نسبت به زمان تعریف میشود.
اگر واحدهای موقعیت زاویهای رادیان باشند، سرعت زاویهای بر حسب رادیان بر ثانیه اندازهگیری میشود.
در برخورد با ماشینهای الکتریکی معمولی، مهندسان اغلب از واحدهایی غیر از رادیان بر ثانیه برای توصیف سرعت شفت استفاده میکنند. اغلب، سرعت بر حسب دور بر ثانیه یا دور بر دقیقه داده میشود. از آنجایی که سرعت، کمیت بسیار مهمی در مطالعه ماشینها است، مرسوم است که از نمادهای مختلفی برای سرعت زمانی که در واحدهای مختلف بیان میشود استفاده میشود. با استفاده از این نمادهای مختلف، هرگونه سردرگمی احتمالی در مورد واحدهای مورد نظر به حداقل میرسد. از نمادهای زیر در این کتاب برای توصیف سرعت زاویهای استفاده شده است:
زیرنویس mدر این نمادها یک کمیت مکانیکی را در مقابل یک کمیت الکتریکی نشان میدهد. اگر احتمال اشتباه بین کمیتهای مکانیکی و الکتریکی وجود نداشته باشد، زیرنویس اغلب کنار گذاشته میشود.
این معیارهای سرعت شفت با معادلات زیر با یکدیگر مرتبط هستند:
شتاب زاویهای نرخ تغییر سرعت زاویهای نسبت به زمان است. اگر سرعت زاویهای به معنای جبری در حال افزایش باشد مثبت فرض میشود. شتاب زاویهای آنالوگ چرخشی مفهوم شتاب در یک خط است. همانطور که شتاب خطی یک بعدی با معادله زیر تعریف میشود
اگر واحد سرعت زاویهای رادیان بر ثانیه باشد، آنگاه شتاب زاویهای بر حسب رادیان بر مجذور ثانیه اندازهگیری میشود.
الف) نیرویی که به سیلندر وارد میشود تا از محور چرخش عبور کند. τ = 0.
(ب) نیرویی که به سیلندر وارد میشود به طوری که خط عمل آن محور چرخش را از دست میدهد. در اینجا τ خلاف جهت عقربههای ساعت است.
گشتاور τ
در حرکت خطی، نیرویی که به یک جسم وارد میشود باعث تغییر سرعت آن میشود. در صورت عدم وجود نیروی خالص روی جسم، سرعت آن ثابت دانلود کتاب ماشین های الکتریکی چاپمن ترجمه فارسی. هر چه نیروی وارد شده به جسم بیشتر باشد، سرعت آن با سرعت بیشتری تغییر میکند.
مفهوم مشابهی برای چرخش وجود دارد. هنگامی که یک جسم در حال چرخش است، سرعت زاویهای آن ثابت است مگر اینکه گشتاور روی آن وجود داشته باشد. هرچه گشتاور روی جسم بیشتر باشد، سرعت زاویهای جسم با سرعت بیشتری تغییر میکند.
گشتاور چیست؟ میتوان آن را "نیروی پیچش" روی یک جسم نامید. به طور شهودی، درک گشتاور نسبتاً آسان است. سیلندری را تصور کنید که آزادانه حول محور خود بچرخد. اگر نیرویی به سیلندر وارد شود به گونهای که خط عمل آن از محور عبور کند (شکل 1-1الف)، سیلندر نمیچرخد. با این حال، اگر همان نیرو طوری قرار گیرد که خط عمل آن به سمت راست محور بگذرد (شکل 1-1 ب)، آنگاه استوانه تمایل به چرخش در جهت خلاف جهت عقربه های ساعت خواهد داشت. گشتاور یا عمل پیچش روی سیلندر به (1) مقدار نیروی اعمال شده و (2) فاصله بین محور چرخش و خط عمل نیرو بستگی دارد.
گشتاور روی یک جسم به عنوان حاصل ضرب نیروی وارد شده به جسم و کوچکترین فاصله بین خط عمل نیرو و محور چرخش جسم تعریف میشود. اگر r برداری باشد که از محور چرخش به نقطه اعمال نیرو اشاره میکند و اگر Fنیروی اعمال شده باشد، گشتاور را میتوان به صورت زیر توصیف کرد.
که در آن θزاویه بین بردار r و بردار Fاست. جهت گشتاور در صورتی که تمایل به ایجاد چرخش در جهت عقربههای ساعت داشته باشد در جهت عقربههای ساعت است و در صورتی که تمایل به ایجاد چرخش در خلاف جهت عقربههای ساعت دانلود کتاب ماشین های الکتریکی چاپمن ترجمه فارسی باشد در خلاف جهت عقربههای ساعت است (شکل 1-2).
واحدهای گشتاور در واحد SI نیوتن - متر و در سیستم انگلیسی پوند - فوت است.
استخراج معادله گشتاور روی یک جسم.
قانون چرخش نیوتن
قانون نیوتن برای اجسامی که در امتداد یک خط مستقیم حرکت میکنند، رابطه بین نیروی وارد شده به یک جسم و شتاب حاصل از آن را توصیف میکند. این رابطه توسط معادله زیر به دست میآید
در واحدهای SI، نیرو بر حسب نیوتن، جرم بر حسب کیلوگرم و شتاب بر حسب متر بر مجذور ثانیه اندازهگیری میشود. در سیستم انگلیسی، نیرو بر حسب پوند، جرم بر حسب اسلاگ و شتاب بر حسب فوت بر مجذور ثانیه اندازهگیری میشود.
معادلهای مشابه رابطه بین گشتاور اعمال دانلود کتاب ماشین های الکتریکی چاپمن ترجمه فارسی به یک جسم و شتاب زاویهای حاصل از آن را توصیف میکند. این رابطه که قانون چرخش نیوتن نامیده میشود توسط معادله زیر به دست میآید
که در آن τ گشتاور خالص اعمال شده بر حسب نیوتن - متر یا پوند - فوت است و a شتاب زاویهای حاصل بر حسب رادیان بر مجذور ثانیه است. اصطلاح Jهمان هدف جرم یک جسم در حرکت خطی را به کار میگیرد. به آن ممان اینرسی جسم میگویند و بر حسب کیلوگرم - متر مربع یا اسلاگ - فوت مربع اندازهگیری میشود. محاسبه ممان اینرسی یک جسم خارج از حوصله این کتاب است. برای کسب اطلاعات در مورد آن به Ref. 2رجوع کنید.
برای حرکت خطی، کار به عنوان اعمال نیرو در یک فاصله تعریف میشود. در شکل معادله زیر
که در آن فرض میشود نیرو با جهت حرکت هم خط است. برای حالت خاص یک نیروی ثابت که به صورت خطی با جهت حرکت اعمال میشود، این معادله عینا به صورت زیر تبدیل میشود
واحدهای کار در SI ، ژول و در سیستم انگلیسی فوت - پوند است.
که معمولاً بر حسب ژول بر ثانیه (وات) اندازهگیری میشود، اما میتوان آن را بر حسب فوت- پوند بر ثانیه یا اسب بخار نیز اندازهگیری کرد.
با این تعریف و با فرض ثابت بودن دانلود کتاب ماشین های الکتریکی چاپمن ترجمه فارسی و هم خط با جهت حرکت، توان با رابطه زیر به دست میآید
به طور مشابه، با فرض گشتاور ثابت، توان در حرکت چرخشی با رابطه زیر به دست میآید
معادله (1-15) در مطالعه ماشینهای الکتریکی بسیار مهم است، زیرا میتواند توان مکانیکی روی شفت یک موتور یا ژنراتور را توصیف کند.
اگر توان بر حسب وات، گشتاور بر حسب نیوتن - متر و سرعت بر حسب رادیان بر ثانیه اندازهگیری شود، رابطه صحیح بین توان، گشتاور و سرعت معادله (1-15) است. اگر از واحدهای دیگری برای اندازهگیری هر یک از کمیتهای فوق استفاده شود، باید یک ثابت برای ضرایب تبدیل واحد وارد معادله شود. اندازهگیری گشتاور بر حسب پوند - فوت، سرعت بر حسب دور بر دقیقه و دانلود کتاب ماشین های الکتریکی چاپمن ترجمه فارسی بر حسب وات یا اسب بخار در روش مهندسی ایالات متحده هنوز رایج است. اگر ضرایب تبدیل مناسب در هر جمله گنجانده شود، معادله (1-15) به صورت زیر تبدیل می شود
که در آن گشتاور بر حسب پوند - فوت و سرعت بر حسب دور بر دقیقه اندازهگیری میشود.
4.1 میدان مغناطیسی
همانطور که قبلا گفته شد، میدانهای مغناطیسی مکانیزم اساسی است که توسط آن انرژی از شکلی به شکل دیگر در موتورها، ژنراتورها و ترانسفورماتورها تبدیل میشود. چهار اصل اساسی نحوه استفاده از میدانهای مغناطیسی در این دستگاهها را شرح میدهد:
1. سیم حامل جریان، در اطراف خود، دانلود کتاب ماشین های الکتریکی چاپمن ترجمه فارسی مغناطیسی ایجاد میکند.
2. یک میدان مغناطیسی با تغییر زمان، ولتاژی را در سیم پیچی که از آن سیم پیچ عبور میکند، القا میکند. (این اساس عمل ترانسفورماتور است.)
3. سیم حامل جریان در حضور میدان مغناطیسی نیرویی به آن القا میشود. (این اساس عمل حرکتی است.)
4. سیم متحرک در حضور میدان مغناطیسی دارای ولتاژ القایی در آن است. (این اساس عمل مولد است.)
این بخش، تولید میدان مغناطیسی توسط یک سیم حامل جریان را تشریح و توضیح میدهد، در حالی که بخشهای بعدی این فصل سه اصل باقی مانده را توضیح میدهد.
تولید میدان مغناطیسی
قانون اساسی حاکم بر تولید میدان مغناطیسی توسط یک جریان، قانون آمپر است:
یک هسته مغناطیسی ساده
مغناطیسی تولید شده در هسته نیز به مواد هسته بستگی دارد.
