راه اندازی الکتروموتور تک فاز

 

اساس کار موتور الکتریکی تک فاز


خلاصه مقاله

اهداف این مبحث:

سیستم سیم پیچی و شار تک فاز

تئوری میدان چرخان دوبل 

تئوری میدان عرضی

 


 

در موتورهای چندفاز ولتاژهای تغذیه کننده این موتورها، هر کدام در لحظات مختلفی از زمان به مقدار حداکثر خود می رسند. این اختلاف زمانی در موتورهای دو فاز ۹۰ درجه و در موتورهای سه فاز ۱۲۰ درجه بود.

در ضمن اعمال این ولتاژ، به یک سری سیم پیچ ها که به طور مناسبی در داخل استاتور پیچیده شده اند، باعث ایجاد یک میدان مغناطیسی دوار در شکاف هوایی می شود. از طرفی منبع تکفاز، ولتاژ متناوب را تولید می کند.

 

  • سیستم سیم پیچی و شار تک فاز

یک هسته استاتور که مشابه با هسته به کار رفته در موتورهای چند فاز است، در شکل (۱) نشان داده شده است. از سیم پیچی استاتور نشان می دهد که ماشین مذکور دو قطب دارد. از طرفی دیده می شود که پیچک های هر قطب هم مرکز بوده و پیچک درونی نسبت به پیچک بیرونی دارای گام کمتری است. در اینجا فقط دو پیچک در هر قطب نشان داده شده است، اما تعداد این پیچک ها می تواند سه، چهار و یا پنج پیچک (بسته به اندازه موتور و تعداد شیارهای استاتور) باشد.

باید توجه داشت، سیم پیچی مورد استفاده در این ماشین از نوع هم مرکز است. پیچک های هر قطب با یکدیگر سری هستند و این پیچک ها خود می توانند با قطب دیگر سری و یا موازی شوند.

 

سیم پیچی اصلی یک موتور تک فاز دو قطب سیم پیچ های a و b به صورت سری به یکدیگر وصل شده اند.

شکل (۱) سیم پیچی اصلی یک موتور تک فاز دو قطب سیم پیچ های a و b به صورت سری به یکدیگر وصل شده اند

سیم پیچ های ab و ′a′b می توانند سری یا موازی باشند.

 

اگر سیم پیچی این موتور را به یک ولتاژ متناوب تکفاز وصل کنیم، به طور تقریبی یک شار متناوب به صورت که نشان داده شده، در شکاف هوایی هسته استاتور ایجاد می شود، که تنها در امتداد یک محور (در اینجا محور عمودی) نوسان می کند. این شار از صفر شروع شده، و به حداکثر خود می رسد و سپس مجدد صفر شده و در جهت مخالف به مقدار حداکثر خود می رود و در انتهای سیکل دوباره صفر می شود.

چنین به نظر می رسد که در این سیستم هیچگونه دوران و چرخش شار وجود ندارد. اگر یک روتور قفس سنجابی در داخل استاتور قرار داده شود، روتور حرکتی نمی کند، تنها لرزش داشته و داغ می شود.

با این وجود اگر به روتور در یک جهت دلخواه نیروی نسبتاً اندکی وارد کنیم، در همان جهت سریع سرعت گرفته، و شروع به کار می کند. با توجه به این پدیده نتیجه می گیریم که موتورهای تکفاز القایی گشتاور راه اندازی ندارند.

برای راه اندازی این موتورها روش های زیادی وجود دارد، این موتورها، با توجه به روش راه اندازی خود، نام گذاری می شوند. از آن جمله می توان موتورهای با راه انداز مقاومتی، با راه انداز خازنی و … را نام برد. 

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 (۲). 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

 

شکل (۲) 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 اساس یکی از تئوری های عملکرد موتورهای تکفاز 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 میکند و باعث اتلاف انرژی و جریان گشتاور با فرکانس دو برابر می شود.

 

 

بیشتر بخوانید:

 

موتور الکتریکی تک فاز

روش های راه اندازی موتور الکتریکی تک فاز

 

 

 

  • تئوری میدان عرضی

تئوری دیگری برای تشریح و توجيه عملکرد موتورهای تکفاز 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 (۱) 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 (۳) نشان داده شده، در نظر بگیریم.

 

نمایش کلی و شماتیک از شار استاتور

شکل (۳) 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 بخصوص 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 (۴) 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.

 

شکل (۴) هنگامی که روتور در میدان حرکت می کند، عمل ژنراتوری باعث القاء ولتاژ در هادی ها می شود.

 

با این توضیحات، اکنون در آستانه تشریح و توجیه چگونگی عملکرد موتورهای تکفاز 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

شکل (۵) 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 (۵) 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 تکفاز، 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 تکفاز، هیچگاه بدون بار نیست. حتی اگر هیچگونه 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 تکفاز هیچگاه 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 تکفاز 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.

 

 

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