اساس کار موتورهای القایی

موتورهای القایی AC عمومی ترین موتورهایی هستند که در صنایع صنعتی و همچنین خانگی استفاده می شوند. طراحی ساده، مستحکم، قیمت ارزان، هزینه نگه داری پایین و اتصال آسان به یک منبع برق AC از مزیت های اصلی موتورهای القایی AC هستند. انواع متفاوتی از موتورهای القایی AC در بازار موجود است. موتورهای مختلف برای کارهای مختلفی مناسب هستند. با اینکه طراحی موتورهای القایی AC آسانتر از موتورهای DC است، ولی کنترل سرعت و گشتاور در انواع مختلف موتورهای القایی AC نیازمند درکی عمیقتر در طراحی و مشخصات در این نوع موتورها می باشد.

یک موتورهای القایی AC از یک قسمت ثابت بیرونی به نام استاتور و یک قسمت متحرک که روتور نام دارد که با یک فاصله هوایی مشخص با استاتور، درون آن می چرخد تشکیل شده است. همه موتورهای الکتریکی از میدان مغناطیسی دوار برای گرداندن روتورشان استفاده می کنند. یک موتور سه فاز القایی AC تنها نوعی است که در آن میدان مغناطیسی دوار به طور طبیعی بوسیله استاتور و منبع تغذیه متناوب متصل به آن تولید می شود. در حالی که موتورهای DC به یک وسیله ای الکتریکی یا مکانیکی برای تولید این میدان دوار نیاز دارند. یک موتور القایی AC تک فاز نیازمند یک وسیله الکتریکی خارجی برای تولید این میدان مغناطیسی چرخشی است. در درون هر موتور دو سری آهنربای مغناطیسی تعبیه شده است.در یک موتور القایی AC یک سری از مغناطیس شونده ها به خاطراینکه منبع تغذیه AC به سیم پیچه های استاتور متصل است در استاتور تعبیه شده اند. به دلیل متناوب بودن منبع تغذیه و بر اساس قانون لنز با عبور جریان از سیم پیچ های استاتور یک میدانی و ولتاژی تولید می شود این ولتاژ در سیم پیج ها اتصال کوتاه هستند، یک جریانی را ایجاد می کند ودر نهایت یک میدانی تولید می شود تعامل میان این میدان ها، انرژی چرخیدن یا گشتاور را فراهم می آورد.در نتیجه موتور در جهت گشتاو بوجود آمده شروع به چرخش می کند. نام موتور القایی هم از این پدیده الهام گرفته شده است.

قسمت های مختلف موتور القای:

استاتور

استاتور از چندین قطعه باریک آلومنیوم یا آهن سبک ساخته شده است.این قطعات بصورت یک سیلندر تو خالی به هم منگنه و محکم شده اند(هسته استاتور). سیم پیچهایی نیز در این شیارها به صورت یکنواخت توزیع شده اند..تعداد قطبهای یک موتور القایینیز به اتصال سیم پیچ های استاتوربستگی دارد.

روتور

روتور از چندین قطعه مجزای باریک فولادی که میانشان میله هایی از مس یا آلومنیوم تعبیه شده ساخته شده است.در رایج ترین نوع روتور (روتور قفس سنجابی) این میله ها در انتهای خود به صورت الکتریکی و مکانیکی بوسیله حلقه هایی به هم متصل شده اند. تقریبا 90 درصد از موتورهای القایی دارای روتور قفس سنجابی می باشند و این به خاطر ساختار ساده و مستحکم آن است. میله های روتور داخل شیارهایی قرار دارند که به دو علت دقیقا با محور موازی نیستند و بصورت اریب می باشند:

دلیل اول آنکه موتور بدون صدا کارکرده و هارمونیکها در شکافها کاسته شود و دلیل دوم آن است که گرایش به قفل شدن موتور کمتر شودو در واقع دندانه های روتور به خاطر نیروی جذابه مغناطیسی تلاش می کنند که در مقابل دندانه های استاتور باقی بمانند.این اتفاق هنگامی می افتد که تعداد دندانه های روتور و استاتور برابر باشند.

سرعت موتور القایی

میدان مغناطیسی ای که در استاتور تولید می شود با سرعت سنکرون می چرخد(Ns)روتور نیز در اثر القای ولتاژ در سیم پیچ های آن در همان جهتی که میدان استاتور در حال چرخش است می چرخد و تلاش می کند تا به سرعت سنکرون برسد. .با اینحال روتور هرگز موفق نمی شود که به سرعت میدان استاتور برسد.روتور از سرعت میدان استاتور کندتر می گردد.این سرعت Base speed نام دارد.(Nb) تفاوتها میان Ns و Nbلغزش (Slip)نام دارد. مقادیر لغزش به بار موتور بستگی دارد اسلیپ بوسیله درصد نشان داده می شود.

انواع موتورهای القایی

عموما دسته بندی موتورهای القای براساس تعداد سیم پیچ های استاتور است که عبارتند از:

موتورهای القایی تک فاز

موتورهای القایی سه فاز

موتورهای القایی تک فاز

احتمالا بیشتر از کل انواع موتورها از موتورهای القایی AC تک فاز استفاده می شود. منطقی است که باید موتورهای ارزانتر و دارای هزینه نگه داری پایین تر بیشتر استفاده شوند. موتور القایی AC تک فاز بهترین مصداق این توصیف است.آن طور که از نام آن برمی اید این نوع از موتور تنها یک سیم پیچ اصلی دارد و با یک منبع تغذیه تک فاز کار می کند.در تمام موتورهای القایی تک فاز روتور از نوع قفس سنجابی است.

موتور القایی تک فاز خود راه انداز نیست.هنگامی که موتور به یک تغذیه تک فاز متصل می شود سیم چیچ اصلی دارای جریانی متناوب می شود. این جریان متناوب میدان مغناطیسی ای ضربانی تولید می کند و به دلیل القای مغناطیسی روتور تحریک می شود. چون میدان مغناطیسی اصلی ضربانی است، گشتاوری که برای چرخش موتور لازم است بوجود نمی آید و سبب ارتعاش روتور می شود. از این رو موتور القایی تک فاز به وسیله یا روشی برای راه اندازی نیاز داردکه می تواند گشتاور لازم برای چرخش موتور تولید کند. این وسیله راه انداز اساسا سیم پیچ کمکی در استاتور است. سیم پیچ استارت می تواند دارای خازنهای سری ویا سوئیچ گریز از مرکز باشد. هنگامی که ولتاژ تغذیه متصل میشود با عبور جریان از سیم پیچ های اصلی و کمکی بسبب متفاوت بودن مقاوت ظاهری سیم پیچ ها یا وجود خازن دو میدان با اختلاف فاز تولید می شود و فعل و انفعال میان این میدانهای مغناطیسی، میدان برایندی بوجود می آورند و در نتیجه باعث حرکت روتور در یک جهت می شوند. هنگامی که موتور به 75 درصد دور مجاز خود می رسد یک سوئیچ گریز از مرکز سیم پیچ کمکی را از مدار خارج می کند.از این لحظه به بعد موتور تک فاز می تواند گشتاور کافی را برای ادامه کارکرد خود نگه دارد.

بسته به انواع تکنیکهای استارت موتورهای القایی تک فاز AC به صورت زیر دسته بندی می شوند:

موتور فاز شکسته

این موتور دو سیم پیچ دارد. سیم پیچ استارت یا کمکی نازکتر و تعداد دور کمتر و در نتیجه مقاومت بیشتری نسبت به سیم پیچ اصلی دارد. .همچنین میدان سیم پیچ استارت در زاویه ای غیر از آنچه که سیم پیچ اصلی دارد قرار می گیرد که سبب آغاز چرخش موتور می شود. سیم پیچ اصلی که از سیم ضخیم تری ساخته شده است موتور را همیشه درحالت چرخش باقی نگه می دارد.

گشتاور راه اندازی پایین است، حدود بین100 تا 175 درصد گشتاور دائمی و جریان راه اندازی.موتور تقریبا 700 تا 1000 درصد جریان دائمی موتور. گشتاور ماکزیمم تولید شده نیز در محدوده 250 تا 350 درصد گشتاور براوردشده می باشد.

کاربریهای این موتور شامل سمباده (آسیاب) های کوچک، دمنده ها و فنهای کوچک و دیگر دستگاههایی که نیاز به گشتاور راه اندازی کم و نیاز به قدرت 1/20 تا 1/3 اسب بخار می باشد.

موتور القایی با خازن راه انداز

این نوع، موتور اصلاح شده موتور فاز شکسته با خازنی سری جهت بهبود پشتاور استارت است. همانند موتور معمولی فاز شکسته این نوع موتور یک سوئیچ گریز از مرکز داشته که هنگامی که موتور به 75 درصد سرعت نامی می رسد، سیم پیچ استارت را از مدار خارج می کند. از آنجا که خازن با مدار استارت سری است، گشتاور استارت بیشتری تولید می کند، معمولا در حدود 200 تا 400 درصد گشتاور نامی و جریان استارت معمولا بین 450 تا 575 درصد جریان نامی می باشد که بسیار کمتر از موتور فاز شکسته و بعلت سیم ضخیمتر در مدار استارت است.

موتور با خازن دائم کار

در این موتور یک خازن به صورت سری دائما به سیم پیچ استارت متصل است. این کار سبب آن میشود که سیم پیچ استارت تازمانی که موتور به سرعت چرخش خود برسد بصورت سیم پیچ کمکی عمل کند. از آنجا که خازن باید برای استفاده مداوم طراحی شده باشد، نمیتواند گشتاور استارتی معادل یک موتور با خازن راه انداز را ایجاد نماید.گشتاور استارت موتور با خازن دائم کار معمولا کم و در حدود 30 تا 150 درصد گشتاور نامی می باشد و جریان استارت آن پایین , معمولا در کمتر از 200 درصد جریان نامی می باشد که برای کاربردها دارای چرخه های خاموش روشن بالا بسیار مناسب میسازد.

این موتورها به عنوان قابل اطمینان ترین موتور تک فاز مطرح میشوند. مخصوصا به این خاطر که به سوئیچ گریز از مرکز نیازی ندارند. این موتورهابسته به طراحیشان کاربری بسیار متنوعی دارند که شامل فنها، دمنده ها با نیاز به گشتاور استارت کم و چرخه های کاری غیر دائمی می باشد.

موتور دوخازنه

این موتور از دو خازن به صورت موازی با هم و در نتیج سری شده با سیم پیچ کمکی تشکیل می شود که با این کار در لحظه استارت هر دو خازن با هم سبب گشتاور راه اندازی بالاتری می شوند و زمانی که موتور به 75 درصد سرعت نامی خود رسید کلید گریز از مرگز خازن راه انداز را از مدار خارج می کند و موتور با سیم پیچ کمکی، خازن و سیم پیچ اصلی به کار خود ادامه می دهد. این موتور بخاطر خازنهای کارکرد و استارت و سوئیچ گریز از مرکز آن پرهزینه است. در بسیاری از کاربریهایی که از هرموتور تک فاز دیگری انتظار میرود استفاده شود.این کاربریها شامل ماشینهای مرتبط با چوب، کمپرسورهای هوا، پمپهای آب فشار قوی، پمپهای تخلیه و دیگر کاربردها که نیازمند گشتاورهای بالا در حد 1 تا 10 اسب بخار است راشامل می شوند.

موتورهای با قطب سایه دار یا قطب چاکدار

موتورهای با قطب سایه دار فقط یک سیم پیچ اصلی دارند و سیم پیچ کمکی ندارند . راه اندازی بوسیله طرح خاص آن که حلقه پیوسته مسی ای را دور قسمت کوچکی از هر قطب موتور حلقه می کند انجام می شود. این سایه که قطب را دو تکه می کند سبب می شود که میدان مغناطیسی ای ضعیفتر در ناحیه سایه خورده نسبت به قسمت دیگر و در کنار آن بوجود آید.تعامل میان میدانها محور را به چرخش وامی دارد. چون موتور با قطب سایه خورده سیم پیچ استارت، سوئیچ استارت ویا خازن ندارد از نظر الکتریکی ساده و ارزان است. همچنین سرعت آن راصرفا با تغییر ولتاژ یا بوسیله یک سیم پیچ با چند دور مختلف می توان کنترل کرد. ساخت موتور با قطب سایه دار از نظر مکانیکی اجازه تولید انبوه را میدهد. درحقیقت این موتورها به موتورهای یک بار مصرف معروفند.بدین معنی که جایگزین کردن آنها ارزانتر از تعمیر آنهاست.

موتورهای با قطب سایه دار بسیاری مشخصات مثبت دارند.اما چندین معایب هم دارند.گشتاور استارت کم آنها که معمولا 25 تا 75 درصد گشتاور نامی است. این موتور دارای تلفات بالاست که سرعتی حدود 7 تا 10 درصد سرعت سنکرون دارد. عموما بازده این نوع موتور بسیار پایین است زیر 20 درصد. هزینه اولیه پایین آن را برای قدرت کمتر یا کاربردهای با کار کمتر مناسب می سازد.شاید وسیعترین استفاده از آنها در فنهای چند سرعته برای استفاده خانگی است. ولی گشتاور کم موتور دارای قطب سایه دار را برای بیشتر کاربریهای صنعتی یا تجاری که در آنها کار مداوم یا چرخه های گردش بیشتر معمول است غیر قابل استفاده می کند.

موتور القایی AC سه فاز

موتورهای القایی AC سه فاز به طور گسترده در کاربریهای تجاری و صنعتی استفاده می شوند.آنها هم به عنوان موتورهایی با روتور سیم پیچی یا قفس سنجابی دسته بندی می شوند. این موتورها خود استارت هستند و از هیچ خازن یا سیم پیچ استارت یا سوئیچ گریز از مرکز یا دستگاه راه اندازی استفاده نمی کنند. گشتاور راه اندازی در درجه های متوسط یا بالا تولید می کنند. استفاده های عمومی آنها مانند آسیابها، دستگاه برنده و فرم دهنده چوب و فلز، مته فشاری پمپها، کمپرسورها، تسمه نقاله ها و دیگر کاربریهای مکانیکی است

موتور قفس سنجابی

تقریبا 90 درصد موتورهای القایی AC سه فاز از این نوعند.که روتور آنها از نوع قفس سنجابی است که در ابتدا توضیح داده شد.محدوده های طبقه بندی نیروی آنها از یک سوم تا چند صد اسب بخار است. این نوع موتورها که در دسته یک اسب بخار به بالا اند در مقایسه با مشابه های تک فاز کم هزینه ترند و میتوانند در استارت در فشارهای سنگینتر بکارروند. ان موتورها از نظر ساختار شیارها جهت قرارگیری میله ای قفس به صورت زیر دسته بندی می شوند.

طرح A گشتاور استارت (بین 150 تا 170درصد مجاز) و جریان استارت نسبتا بالا دارد.گشتاور شکست آن در میان همه طرحهایبالاترین مقدار است که موتور را قادر میسازد تا با اضافه بارهای بسیار سنگین برای مدتی کوتاه سروکار داشته باشد. میزان لغزش اختلاف 5 درصد است. نوعی از کاربرد آن در نیرودهی به ماشینهای قالبدهی تزریقی است.

طرح Bمعمولی ترین نوع موتور القایی AC است که بفروش میرسد.مانند طرح A گشتاور استارتی طبیعی داشته ولی جریان استارتی پایین دارد.گشتاور روتور قفل درآن آنقدر خوب هست که بسیاری از بارهایی را که در کاربری صنعتی با آنها مواجه میشود بکار بیندازد. درصد لغزش 5 درصداست. بازده و ضریب توان آن نسبتا بالا بوده و از انواع کاربردهای آن میتوان به پمپها، فنها و ماشین ابزارها اشاره کرد.

طرح Cبا گشتاور راه اندازی بالا (بالاتر از دونوع قبلی , 200درصد اسمی)، مناسب برای استفاده در بارهایی با شروع بکار ناگهانی مانند: نقاله ها، خرد کننده ها، دستگاههای پرتحرک، همزنها، پمپهای دوطرفه و کمپرسورها است.

طرح Dگشتاور بالایی (بالاتر از همه مدلها)دارد. این موتور برای کاربریهایی با بارهای متغیر و با تغییرات برجسته در سرعت موتورمانند ماشین آلاتی با ذخیره ساز انرژی، چرخ طیار، پرسهای منگنه، قیچیها، آسانسورها، استخراج کننده ها، بالابرها، جرثقیلها، پمپهای چاه نفت، ماشینهای سیم پیچی و غیره استفاده می شوند .تنظیم سرعت درآنها ضعیف است و معمولا این موتور به عنوان مورد سفارشی مطرح میشود.

موتور با روتور سیم پیچی

موتور با حلقه لغزان یا موتور روتور سیم پیچی نوعی از موتور القایی قفس سنجابی است درحالی که استاتور در این موتور همانند موتور قفس سنجابی است ولی یک سری سیم پیچ روی روتور قرار دارد که در حالت اتصال کوتاه نیستند ولی به یک سری از رینگهای لغزان ختم می شوند. این سیم پیچ ها جهت اضافه کردن مقاومتها و خازنهای خارجی استفاده می شوند. لغزش لازم برای تولید گشتاور بیشینه نهایی مستقیما با مقاومت روتور متناسب است. در موتور با حلقه لغزان مقاومت موثر روتور با اضافه کردن مقاومت خارجی میان حلقه های لغزان کاهش میابد. بنابراین امکان بدست آوردن لغزش بیشتر و همچنین گشتاور بیشینه نهایی در سرعتهای کمتر وجود دارد. یک مقاومت خارجی می تواند در سرعت تقریبا صفر گشتاو بیشینه نهایی بسیار زیاد با جریان استارت کم را تولید کند. هنگامی که موتور شتاب می گیرد مقدار مقاومت می تواند کاهش یابد تا مشخصات موتور برای کارهایی با فشار زیاد مناسب شود. زمانی که موتور به سرعت اصلی میرسد خازنهای خارجی از مدار خارج می شوند و این یدین معنی است که اکنون موتور به عنوان یک موتور القایی استاندارد کار می کند. این نوع موتور برای فشارهای مانا (کارهایی با فشار ثابت) که درآنها گشتاور نهایی باید در سرعت تقریبا صفر تولید شده و موتور درکمترین زمان و با کمترین مصرف جریان تا سرعت بیشینه شتاب گیرد ایده آل است. این نوع موتور در کاربریهایی با چرخش با گشتاور و سرعتهای مختلف مانند پرسهای چاپ، کمپرسورها، تسمه نقاله ها، بالابرنده ها و آسانسورها مورد استفاده قرار می گیرد.

روش های کنترل سرعت موتورهای القایی:

1- کنترل سرعت با تغییر لغزش:

برای تغییر لغزش می‌توان یک مقاومت در روتور (برای موتور‌های القایی سیم پیچی شده) اضافه کرد که با تغییر آن منحنی گشتاور سرعت تغییر کرده و سرعت موتور نیز تغییر می‌کند: در قدیم معمولاً از رئوستا استفاده می‌شد، ولی امروزه از مقاومت استاتیکی استفاده می‌شود. چون اضافه کردن مقاومت باعث ایجاد تلفات می‌گردد پس بازده موتور کاهش پیدا می‌کند؛ بنابراین از این روش کمتر استفاده می‌شود.

2- کنترل سرعت با تغییر قطب:

همان طور که از رابطه میدان استاتور مشخص است سرعت با تعداد قطب رابطه عکس دارد؛ بنابراین می‌توان با استفاده از چند سیم پیچی با تعداد قطب‌های مختلف در استاتور بجای یک سیم پیچی به سرعت‌های مختلف دست یافت. مثلاً اگر دو سیم پیچی ۶ و ۸ قطبی داشته باشیم در فرکانس ۵۰ می‌توان به دو سرعت ۱۰۰۰ و ۷۵۰ دور بر دقیقه دست یافت.

توجه کنید که در این روش تغییرات سرعت پیوسته نمی‌باشد و فقط می‌توان چند سرعت گسسته داشت. همچنین این روش باعث کاهش بازده ماشین شده و هزینه آن را افزایش می‌دهد.

اتصال دالاندر حالت خاصی از این روش می‌باشد که در آن سیم پیچی هر فاز به دو قسمت تقسیم شده است. در این روش با تغییر اتصال سری به اتصال موازی تعداد قطب‌ها نصف و سرعت دو برابر می‌شود. بدین ترتیب فقط با استفاده از یک سیم پیچی دو سرعت مختلف ایجاد می‌توان کرد.

3- کنترل سرعت با تغییر فرکانس منبع:

یکی از راه‌های تغییر ns تغییر فرکانس منبع تغذیه است؛ و لذا به یک تغییر دهنده فرکانس در سر راه موتور نیاز است.
کنترل سرعت موتور‌های القایی با تغییر فرکانس مشکلاتی را برای موتور بوجود می‌آورد که عمده‌ترین آن گرم شدن هسته استاتور به علت افزایش فرکانس از حد نامی می‌باشد زیرا تلفات آهنی هسته استاتور با مجذور فرکانس رابطه مستقیم دارد. بنابراین به جای استفاده از تغییر فرکانس، از کنترل ولتاژ فرکانس (V/f) استفاده می‌شود که در مطالبی بعدی توضیح کاملی خواهیم داد.