راه اندازی الکتروموتور تک فاز

 

اساس کار موتور الکتریکی 


خلاصه مقاله

اهداف این مبحث:

            اساس کار موتور الکتریکی و عملکرد آن

سیستم سیم پیچی و شار تک فاز

تئوری میدان چرخان دوبل 

تئوری میدان عرضی

 


 

عملکرد موتورهای الکتریکی

به منظور بیان اساس کار موتور الکتریکی به توضیح نحوه عملکرد موتور و چگونگی چرخش رتور می پردازیم. هادی های حامل جریان (میله های روتور) درون یک میدان مغناطیسی قرار دارند. در اثر عبور جریان از میله های روتور در اطراف آن ها یک میدان مغناطیسی به وجود می آید، در نتیجه اثر متقابل بین این دو میدان نیرویی به هر کدام از میله ها وارد می شود که سبب چرخش روتور می گردد. به جز اینکه در اینجا میدان مغناطیسی دوران می کند. راه بهتر برای توضیح این مطلب آن است که بگوییم جریان درون هادی های روتور قطب هایی پدید می آورد تعداد این قطب ها با تعداد قطب های استاتور برابر است که می خواهد جذب قطب های استاتور شود و چون قطب های استاتور می چرخد قطب های روتور هم همراه قطب های استاتور شروع به چرخش می کند نیروی اعمال شده به هر کدام از میله های روتور به شدت میدان مغناطیسی فاصله هوایی و جریان میله بستگی دارد. مجموعه این نیروها باعث چرخش روتور با اعمال گشتاور به آن می شود.

 

عملکرد موتور

 

 جریان میله های زیر یک قطب با یکدیگر متفاوت است و توزیع جریان در تمام نقاط محیطی حلقه های مسی یکنواخت نیست.

 

   در هر موتوری ترکیبی از دو حالت ژنراتوری و موتوری وجود دارد. یادآوری می شود که اندازه ولتاژ القایی تولید شده در هادی های روتور به سرعتی که شار هادی ها را قطع می کند بستگی دارد (هرگاه ۱۰ خط در یک ثانیه قطع شود یک ولت تولید می گردد). هنگامی که روتور ساکن است شار با ماکزیمم سرعت خود (سرعت سنکرون) هادی های روتور را قطع می کند و بیشترین ولتاژ در آن ها القا می گردد. با توجه به ثابت بودن مقاومت و راکتانس مدارهای روتور، جریان روتور نیز ماکزیمم خواهد شد.

   روتور با وارد شدن گشتاور شتاب می گیرد. فرض کنید سرعت روتور به ۲/۳ سرعت سنکرون رسیده باشد، بنابراین در یک موتور چهار قطب، سرعت چرخش روتور ۱۲۰۰ دور در دقیقه است. در لحظه ای که شار استاتور با سرعت ۱۸۰۰ دور در دقیقه و هادی های روتور با سرعت ۱۲۰۰ دور در دقیقه گردش می کند، سرعت نسبی بین شار استاتور و هادی های روتور تنها ۶۰۰ دور در دقیقه است. بنابراین شار با سرعت ۶۰۰ دور در دقیقه هادی های روتور را قطع می کند، به دلیل اینکه سرعت قطع شار یک سوم زمانی است که روتور ساکن است دامنه ولتاژ القایی در روتور ۱/۳ می شود. اگر فرکانس منبع تغذیه ۶۰ هرتز باشد، در این زمان فرکانس ولتاژ و جریان القایی در روتور تنها ۲۰ هرتز است.

   موتور به روند شتاب گرفتن خود ادامه می دهد (این یک فرض است) تا به سرعت ۱۷۹۸ دور در دقیقه برسد در این زمان دامنه ولتاژ القایی در هادی های روتور ۲/۱۸۰۰ مقدار آن در لحظه شروع حرکت است.

 

نحوه حرکت موتور الکتریکی

   اگر موتور بی بار باشد ممکن است با سرعت ثابت ۱۷۹۸ دور در دقیقه به کار خود ادامه دهد. اکنون این سوال مطرح می شود که چرا موتور به روند شتاب گرفتن خود ادامه نمی دهد تا به سرعت سنکرون برسد؟ اگر موتور به سرعت سنکرون برسد هادی های روتور دقیقا با همان سرعتی که شار می چرخد، می گردند. هادی های روتور خطوط شار فاصله هوایی را قطع نمی کنند و بنابراین ولتاژی هم در آن ها القاء نمی گردد و هیچ جریانی درون میله ها وجود نخواهد داشت تا یک میدان مغناطیسی به وجود آورد، تا در اثر متقابل با میدان استاتور به آن هادی ها نیرو وارد آورد.

   بنابراین گشتاوری نیز به روتور وارد نمی گردد تا اینکه سرعت موتور اندکی کاهش یابد و شار فاصله هوایی دوباره هادی های روتور را قطع کند بنابراین یک موتور القایی همواره حتی در حالت بی باری در سرعتی کمتر از سرعت سنکرون کار می کند. سرعت نهایی به دو دلیل ۱۷۹۸ دور در دقیقه فرض شده است. یکی وجود اصطکاک و دیگری توانی که معمولاً پنکه متصل به محور روتور مصرف می کند. تفاوت بین سرعت سنکرون و سرعت روتور لغزش نامیده می شود.

 

بیشتر بخوانید:

انواع موتور الکتریکی


 

  • تلفات و راندمان

   در هنگام کار یک موتور چند فاز، تمام توان ورودی به موتور به صورت کار مفیدی که از محور گرفته می شود تبدیل نمی شود. برای اینکه بتوان تمام توان ورودی را به کار مفید تبدیل کرد باید راندمان موتور ۱۰۰٪ باشد و هیچ تلفاتی وجود نداشته باشد. تنها وسیله الکتریکی که راندمان ٪۱۰۰ دارد بخاری برقی است. زیرا تمام انرژی ورودی به آن به گرما تبدیل می شود. اما یک موتور الکتریکی چهار منبع اصلی تلفات دارد که تمام این تلفات به صورت گرما پدیدار می شود.

 ۱- تلفات آهن یا هسته که به چگالی شار، فرکانس، نوع و مرغوبیت فولاد به کار رفته بستگی دارد.

۲- تلفات مس با RI2 در سیم پیچی استاتور.

 ٣- تلفات مس یا RI2 در سیم پیچی روتور.

۴- تلفات مقاومت هوا و اصطکاک یاتاقان ها که در اثر چرخش روتور به وجود می آید و شامل تلفات پنکه خنک کننده نیز می شود.

 

 

  • تلفات هسته

   در شکل زیر، فولاد با آهنی را می بینیم که به عنوان هسته مغناطیسی به کار رفته است، برای کاهش تلفات گرمایی ناشی از جریان های گردابی القایی، هسته را از ورقه های نازک فولاد می سازند که از یکدیگر عایق شده اند.

 

تلفات هسته

 نمایش جریان های گردابی بوجود آمده هسته و چگونگی کاهش تلفات ناشی از آن

(a) یک ترانسفورماتور با هستۀ آهنی که سیم پیچ اولیه و ثانویۀ آن روی یک ستون است

(b) سطح مقطع بزرگ شدۀ هسته که جریان های گردشی یا گردابی القا شده در هسته را نشان می دهد.

 

برای بررسی این تلفات از ترانسفورماتور تنها به دلیل سادگی مدار معادل آن استفاده می شود. در یک موتور القایی تغییر شار در دندانه ها و یوغ همین اثر را دارد، اما ارتباط فیزیکی بین آن ها پیچیده تر از آن است که بتوان به راحتی آن را درک کرد. در بیشتر موتورها از ورقه های فولاد نمره ۲۴ با ضخامت ۰/۰۲۵ اینچ استفاده می شود. بعد از آن که طرح ها و شیارها توسط پرس های خودکار در آورده شد، عمل سخت کردن ورقه ها انجام می گیرد که کیفیت مغناطیسی را کاهش می دهد.

سپس ورق ها در فشار کنترل شده ای تا حدود ۱۵۰۰ درجه فارنهایت گرم می شوند تا پخته شده و اثر فوق کم شود. همچنین سطح ورق ها را با یک لایه اکسید آهن می پوشانند تا عایق بندی شود. بنابراین هر ورق از ورق دیگر عایق می گردد.

(می توان از ورقه های فولادی که دو طرف آن ها با لایه نازکی از روکش به همین منظور پوشانده شده استفاده کرد).

در حقیقت دو دسته جریان گردابی وجود دارد. یکی جریان های گردابی که در هر ورق گردش می کند و دیگری جریان های گردابی که در نتیجه مناسب نبودن عایق بین دو ورق از یک ورق به ورق دیگر جاری می شود. جریان های دسته دوم اساساً هنگام تولید به وجود می آید و نتیجه آن تلفات ناخواسته زیادی است که به موتور تحمیل می شود.

تلفات هیسترزیس شاخه دیگری از تلفات هسته است. هنگامی که قطعه ای آهن و یا فولاد در یک جهت مغناطیسی شود. تمام مولکول ها به سمت جهت مغناطیسی چرخش می کنند. عکس کردن جهت میدان مغناطیسی سبب می شود که مولکول ها در جهت عکس چرخش کنند. تلفاتی که از اصطکاک بین مولکول ها پدید می آید هیسترزیس نام دارد، این تلفات رابطه مستقیمی با فرکانس دارد.

در موتور چون یک میدان مغناطیسی دوار داریم، قسمتی از موتور که هم اکنون قطب شمال است چند لحظه بعد قطب جنوب می شود، بنابراین تلفات هیسترزیس در استاتور بوجود می آید. اثر تلفات هیسترزیس در روتور بسیار کم است چون روتور تنها فرکانس الغزش را می بیند.

معمولاً مهندسین برای مشخص کردن تلفات هسته از منحنی هایی استفاده می کنند که کل تلفات هسته فولادی را در واحد حجم در مقابل چگالی شار برای یک فرکانس و نوع مشخصی از فولاد نشان می دهد.

 

 

  • تلفات مس در سیم پیچی استاتور

 اگر ما بتوانیم مقاومت هر کدام از سیم پیچی های سه فاز استاتور و جریان متوسط ورودی هر فاز را اندازه بگیریم تلفات مس استاتور برابر است با:

 

 ۳x I2av × Rl,av W

 

 

  • تلفات I2R در قفسه روتور

 به دلیل غیریکنواخت بدون توزیع جریان در میله ها و حلقه های انتهایی، محاسبه تلفات پیچیده اما ممکن است. ساده ترین روش برای مشخص کردن تلفات I2R در روتور آزمایش است. می توان اثبات نمود که اگر لغزش در باری ۵٪ باشد، ۵٪ از توان ورودی به روتور تلفات I2R است. 

 

 

  • تلفات اصطکاک و مقاومت هوا

معمولاً این تلفات حتی اگر نتایج آزمایشگاهی موجود باشد تخمین زده می شود.

 

توان ورودی/توان خروجی =راندمان

توان ورودیتوان تلفاتی – توان ورودی =  

موتور الکتریکی تک فاز
                                                                 موتور الکتریکی تک فاز

 


برای پشتیبانی فنی با شرکت الیکا الکتریک تماس بگیرید: 

۰۳۱-۳۲۶۶۴۵۵۰

۰۳۱-۳۲۶۶۳۸۳۶

۰۳۱-۳۲۶۶۳۸۳۷


 

  • تئوری های اساس کار موتور الکتریکی تک فاز

به منظور توضیح اساس کار موتور الکتریکی به بیان عملکرد موتورالکتریکی تک فاز می پردازیم. درباره چگونگی عملکرد موتورهای تک فاز و اینکه چگونه تنها با وجود یک میدان تپشی، تبدیل انرژی صورت می گیرد، دو تئوری وجود دارد. هر کدام از این تئوری ها مستلزم داشتن زمینه ریاضی ویژه و درک عمیق آن ها است.

 

  • تئوری میدان های چرخان دوبل

در نظر بگیرید دو بردار هم اندازه مطابق شکل با سرعت های یکسان، اما در خلاف جهت هم دوران می کنند. در موقعیتی مانند d جمع دو بردار صفر است (شکل زیر). در موقعیت b جمع این دو بردار غیر صفر است که با B نشان داده شده است.

به همین ترتیب، دو بردار در راستای عمودی بر یکدیگر منطبق می شوند و بردار مجموع که با C نشان داده می شود، با دو برابر هر کدام از دو بردار مذکور برابر است. با ادامه چرخش، دوباره از بردار مجموع کاسته شده تا دوباره به B و سپس صفر می رسد. پس از این باز هم حالت قبل تکرار می شود، با این تفاوت که بردار مجموع زیر خط افقی قرار می گیرد. می توان دید حاصل جمع این دو بردار دوار به صورت یک بردار ساکن است، که در صفحه خود تپش می کند، و اندازه آن از صفر تا دو برابر مجموع دو بردار تغییر می کند.

 

تئوری میدان های چرخان دوبل

 

 دو بردار که در صفحه دوران می کند یک بردار منتجه دارد: a) دو بردار در جهت خلاف هم اند، حاصل صفر است.

b) دو بردار به موقعیت bb می رسند، بردار حاصل برابر B است. c) اگر دو بردار هم جهت باشند، بردار حاصل برابر C است.

 

 

مطالب فوق یکی از تئوری های اساس کار موتورالکتریکی تک فاز است. در این تئوری فرض بر این است که یک شار تپشی در یک صفحه واقعاً حاصل دو شار چرخان با جهات مخالف می باشد. در حالت سکون دو میدان حاصل برابر و در خلاف جهت هم بوده، بنابراین روتور در هیچ جهتی حرکت نمی کند و ساکن می ماند. با اعمال یک نیروی کم و حرکت روتور در یک جهت خاص، جریان القا شده در هادی های روتور و شار هم جهت حرکت، با هم تلاقی کرده، و گشتاور شتاب دهنده زیاد می شود.

به عبارت دیگر سیستم جریان و شار تشکیل شده در روتور به گونه ای است، که با میدان معکوس مخالفت کرده و آن را تضعیف می نماید. بنابراین با افزایش سرعت موتور، میدان معکوس ضعیف و ضعیف تر می شود. ولی هیچ گاه به طور کامل حذف نمی شود و حتی در حداکثر سرعت نیز وجود دارد، که به صورت یک نیروی بازدارنده روتور عمل می کند و باعث اتلاف انرژی و جریان گشتاور با فرکانس دو برابر می شود.

 

 

بیشتر بخوانید:

روش های راه اندازی موتور الکتریکی تک فاز

روش های راه اندازی موتور سه فاز

آزمایش و عیب یابی موتور

راه اندازی ستاره-مثلث موتور سه فاز

 

 

  • تئوری میدان عرضی

تئوری دیگری برای تشریح و توجيه اساس کار موتور الکتریکی تک فاز وجود دارد که تئوری میدان عرضی نامیده می شود. و مانند تئوری قبلی دارای مبحث ریاضیات ویژه ای است.

موتور قبلی را در نظر بگیرید که سیم پیچ دو قطب ابتدایی آن در شکل اول نشان داده شده است. ما بیشتر جریان ایجاد شده در هادی های روتور را بررسی کنیم، بنابراین بهتر است که ساختار فیزیکی را، خیلی ساده تر از آنچه در شکل زیر نشان داده شده، در نظر بگیریم.

 

نمایش کلی و شماتیک از شار استاتور

نمایش کلی و شماتیک از شار استاتور ØM، ولتاژ هادی های روتور در هنگام سکون صفر است

و جریان های اتصال کوتاه روتور، شار مخالف ØR را تولید می کنند، و به طور کلی به ان عمل ترانسفورماتوری گفته می شود.

 

در زمان مورد نظر شار استاتور را با ØM نشان می دهیم. این شار هادی های ساکن روتور را دور می زند، پس ولتاژی در آن ها القا می شود. به دلیل اینکه هادی ها اتصال کوتاه شده اند و مدار آن ها بسته است، جریان هایی در آنها جاری می شود و یک شار ØR با جهت نشان داده شده، در آن ها ایجاد می شود. این فرایند، همان عمل ترانسفورماتوری معمولی است.

با این توضیح که در اینجا ثانویه (روتور) اتصال کوتاه شده است. اگر جهت جریان های ایجاد شده را با توجه به شار فاصله هوایی و از نظر عمل موتوری بررسی کنیم، می بینیم جریان هادی های یک طرف روتور گشتاوری را در یک جهت به خصوص ایجاد کرده اند، که گشتاور ایجاد شده توسط طرف مقابل با آن مخالفت می کند. در نظر بگیرید که روتور در حال چرخش است. با توجه به این نکته که شار فاصله هوایی تپش می کند.

آن را در لحظه ای مانند آن چه در شکل نشان داده شده است در نظر گرفته و عمل ژنراتوري dc را بررسی می کنیم. در لحظه نشان داده شده، هادی های روتور که در خلاف جهت عقربه های ساعت دوران میکنند، emf هایی را تولید می کنند، که جهت آن ها در قسمت فوقانی روتور به سمت بیرون صفحه و در قسمت تحتانی آن به سمت داخل صفحه است.

در این حالت، حلقه های انتهایی این هادی ها را اتصال کوتاه کرده و روتور به صورت یک سیم پیچ، نظیر شکل زیر نشان داده شده، عمل می کند. جریانهای ایجاد شده در آن، یک شار pc را مانند آنچه در شکل نشان داده شده است ایجاد می کنند.

 

 

هنگامی که روتور در میدان حرکت می کند، عمل ژنراتوری باعث القاء ولتاژ در هادی ها می شود.

 

هنگامی که روتور در میدان حرکت می کند، عمل ژنراتوری باعث القاء ولتاژ در هادی ها می شود.

 

با این توضیحات و بیان تئوری ها در مورد اساس کار موتور الکتریکی تک فاز، اکنون در آستانه تشریح و توجیه چگونگی عملکرد موتورهای تک فاز هستیم. یک موتور دو فاز را در نظر بگیرید. در این موتور، استاتور دارای دو دسته سیم پیچی است، که از لحاظ مکانی ۹۰ درجه اختلاف فاز دارند، و با دو ولتاژ که آنها نیز از لحاظ زمانی ۹۰ درجه اختلاف فاز دارند تحریک می شود. با توجه به این تئوری، در یک موتور تکفاز تک سیم پیچی، استاتور شاری را ایجاد می کند که جهت آن عمودی است.

از طرفی خاصیت ژنراتوری در روتور متحرک، شاری را در راستای محور افقی آن ایجاد میکند. این شار نه تنها خود روتور، بلکه شکاف هوایی و دندانه ها و پوسته استاتور را نیز حلقه می زند. بنابراین دو شار ایجاد می شود، که از لحاظ مکانی ۹۰ درجه اختلاف دارند. اندوكتانس مدار روتور به گونه ای است که اختلاف فاز دو جریان از لحاظ زمانی تقریباً ۹۰ درجه است.

بنابراین تئوری، میدان عرضی موتور تکفاز را به صورت تقریب از موتور دوفاز در نظر می گیریم، که در آن شار فاز دوم در خود روتور تولید می شود.

 

به دلیل تقارن هادی ها در روتور، می توان گفت هر کدام از هادی های روتور بالای سطح افقی، به هادی پایینی وصل شده که باعث ایجاد شار می شود

 به دلیل تقارن هادی ها در روتور، می توان گفت هر کدام از هادی های روتور بالای سطح افقی،

به هادی پایینی وصل شده که باعث ایجاد شار  Øمی شود.

 

 

 

  • جهت چرخش، تلفات و لرزش در تئوری میدان عرضی

در شکل قبل فرض شده که جهت چرخش روتور خلاف جهت عقربه های ساعت است. در نتیجه عمل ژنراتوری، شار عرضی را طوری ایجاد می کند که جهت آن مانند شکل به طرف راست است. اما اگر جهت راه اندازی موتور بر عکس شود، جهت ولتاژهای ایجاد شده در هادی ها نیز برعکس می شود یعنی جهت میدان عرضی به طرف چپ تغییر می کند.

در نتیجه موتور هر گونه راه اندازی شود در همان جهت کار می کند. یعنی عملکرد آن همانند عملکرد یک موتور دوفاز است. و میدانیم که در موتور دو فاز اگر نحوه اتصال فاز دوم عکس شود، جهت شار آن عکس شده و جهت چرخش موتور را تغییر می دهد.

در روتور یک موتور تک فاز، ایجاد emf و جریان برای تولید میدان عرضی، نیاز به توان دارد که از طریق گشتاور روتور ایجاد می شود، این پدیده در تئوری میدان چرخان دوبل به صورت شار معکوس در نظر گرفته می شود. از لحاظ تئوری یک موتور تک فاز، هیچگاه بدون بار نیست. حتی اگر هیچ گونه بار مکانیکی نیز بر محور موتور اعمال نشود، موتور باردار است. بار آن نیز همان توان مصرفی برای ایجاد میدان عرضی و به عبارتی گشتاور بازدارنده میدان معکوس است. پس سرعت یک موتور تک فاز هیچ گاه مانند موتورهای چندفاز به سرعت سنکرون نزدیک نمی شود.

میدان عرضی به صورت میدانی تپشی است، که هادی های روتور در آن دوران می کنند. بنابراین یک گشتاور تپشی با فرکانس دو برابر، در روتور ایجاد می شود.

نتیجه اینکه گشتاور یک موتور تک فاز با چرخش از یک حالت به حالت دیگر تغییر می کند، و برخی قسمت های مکانیکی آن، که می توانند به این ارتعاشات با فرکانس دو برابر (و یا مضربی از آن) پاسخ دهند لرزش نموده، باعث ایجاد سروصدای اضافی و نامطلوب در موتور می شوند.

برای کاستن از این لرزش های نامطلوب و جلوگیری از سرایت آنها به دیگر بخش ها و قطعات، از پایه هایی برای نصب موتور استفاده می شود که خاصیت فنری و ارتجاعی داشته باشند. البته میزان لرزش و ارتعاش موتورهای تک فاز در همه انواع آن یکسان نیست، و از نوعی به نوع دیگر متفاوت است.

 

 

بیشتر بخوانید:

کلید های فرمان راه اندازی و کنترل موتور های الکتریکی تکفاز و سه فاز


 

 


بیشتر بخوانید:

پلاک الکتروموتور سه فاز

 کاربرد موتور سنکرون

                      الکتروموتور دالاندر

                      کنترل دور موتور DC

 

در صورتی که سوالی در خصوص مطالب بیان شده دارید می توانید در قسمت نظرات از ما بپرسید یا با ارائه پیشنهادات خود، ما را در بالا بردن کیفیت مقالات یاری کنید.

مقالات مرتبط

نظرات