موتورهای الکتریکی تک فاز

 

موتورهای تک فاز معمولاً در بیشتر وسایل خانگی و ابزارهای صنعتی و به طور کلی در محیط های که منابع ولتاژ سه فاز در دسترس نیستند به کار گرفته می شوند. سادگی ساختمان و ارزانی از ویژگی های بارز این موتورها می باشد.

از آن جا که در موتورهای تک فاز سیم بندی استاتور تنها به یک منبع تک فاز وصل می شود، میدانی نوسانی در استاتور تولید می شود که در یک محل شروع به نوسان کرده و مانند موتورهای القایی سه فاز حرکت دورانی نخواهد داشت، در نتیجه موتور تک فاز قادر به چرخیدن نمی باشد.

حرکت تناوبی رفت و برگشت میدان هنگامی که رتور ساکن است باعث القای ولتاژی در آن می شود که این ولتاژ جریان های بزرگی را در رتور ایجاد می کند. این جریان ها به گونه ای ایجاد می شوند که بنا به قانون دست چپ نیروهای ایجاد شده در رتور یکدیگر را خنثی کرده و گشتاوری تولید نخواهد شد. شکل (۱) تولید این نیروها را نشان می دهد.

 

 

شکل (۱) وضعیت میدان در یک موتور القایی تک فاز در حالت عادی

 

 

دلیل عدم به وجود آمدن گشتاور راه اندازی در موتور تک فاز، به گونه ای دیگر نیز بیان می شود میدان نوسانی استاتور را می توان در هر لحظه از زمان به دو میدان تجزیه کرد، به طوری که از تجزیه میدان استاتور در یک سیکل کامل، دو میدان دوار راستگرد و چپگرد به دست می آید.

از آنجا که در هنگام ساکن بودن رتور، گشتاور راه اندازی نسبت به این دو میدان با هم برابر است رتور موتور تک فاز نخواهد چرخید.

 

 

 

  • روش های راه اندازی موتور تک فاز

نخستین راه حلی که برای راه اندازی موتور تک فاز پیشنهاد می شود این است که حرکت اولیه ای برای رتور به سمت راست یا چپ ایجاد شود.

با ایجاد این حرکت اولیه در یک جهت، رتور در همان جهت به چرخیدن خود ادامه خواهد داد تا به سرعتی نزدیک به سرعت سنکرون برسد.

با ایجاد چرخش اوليه، حالت کارکرد موتور به صورت ژنراتوری در خواهد آمد و مانند آنچه که در شکل زیر نشان داده شده است بنا به قانون دست راست جریان هایی در رتور تولید خواهند شد که این جریان ها، میدانی را در رتور به وجود می آورند که بر شار استاتور عمود است، در نتیجه گشتاوری در رتور تولید خواهد شد و موتور به چرخش خود ادامه خواهد داد.

اجرای این شیوه راه اندازی گر چه عملی است اما مطلوب نمی باشد و همواره راه اندازی خودکار موتور تک فاز موردنظر می باشد. بر این اساس موتورهای تک فاز مختلفی طراحی می گردند که با نام هایی همچون موتور تک فاز با فاز شکسته، موتور تک فاز با خازن راه اندازی موتور تک فاز با خازن دائمی و موتور تک فاز دو خازنه نامیده می شوند.

برای آنکه راه اندازی موتور تک فاز بطور خودکار صورت گیرد، باید میدان نوسانی موتور تک فاز به میدانی دوار تبدیل شود به همین دلیل از ایده تولید میدان دوار در موتور دو فاز در موتور تک فاز استفاده می شود.

باید توجه داشت که در موتورهای دو فاز، بین فازهای تغذیه کننده سیم بندی موتور، ۹۰ درجه اختلاف فاز وجود دارد.

 

۱- موتور تک فاز با فاز شکسته 

 برای تولید میدان دوار در موتورهای تک فاز علاوه بر سیم پیچ اصلی، سیم پیچ دیگری نیز به استاتور اضافه می شود که به سیم پیچ راه انداز یا کمکی معروف است. این سیم پیچ با سیم پیچ اصلی، موازی بسته می شود.

از آنجا که سیم پیچ کمکی با راه انداز را در بسیاری موارد تنها جهت راه اندازی موتور و ایجاد حرکت اولیه در آن به کار می گیرند، معمولاً یک کلید گریز از مرکز بر سر راه آن قرار می دهند تا پس از رسیدن سرعت موتور به حدود ۷۰ یا %۷۵ سرعت نامی، سیم پیچ راه انداز از مدار خارج شود و فقط سیم پیچ اصلی در مدار باقی بماند.

با توجه به اینکه میدان های سیم پیچ اصلی و کمکی با جریان عبوری از آن ها متناسب می باشند، می توان رابطه گشتاور راه اندازی را به صورت   T= K I as  sin a بیان کرد، که در آن I s جریان سیم پیچ اصلی و I a جریان سیم پیچ کمکی و به اختلاف فاز بین این دو جریان می باشد. هر چه a به ۹۰ درجه نزدیکتر باشد گشتاور بزرگتری تولید خواهد شد در حالت عادی مقدار زاویه و در حدود ۲۵ درجه می باشد.

 

 

شکل (۲) نمونه ای از یک موتور تک فاز با فاز شکسته و منحنی گشتاور – سرعت مربوط به آن

 

نکته: به این روش راه اندازی موتور تک فاز، راه اندازی مقاومتی با فاز شکسته می گویند و بطور کلی باید دو شرط برای راه اندازی موتورهای القایی تک فاز با فاز شکسته لازم است:

۱- وجود اختلاف فاز زمانی بین جریان سیم پیچ اصلی و کمکی

٢- وجود جابجایی مکانی روی هسته استاتور بین سیم پیچ اصلی و کمکی ( تولید شدن میدان دوار)

 

 

۲- موتور تک فاز با خازن راه انداز 

برای ایجاد اختلاف فاز مناسب بین ا ورا معمولاً تعداد دور سیم پیچ اصلی را بیشتر از سیم پیچ راه انداز و سطح مقطع آن را نیز بزرگتر انتخاب می کنند. گاهی نیز خازنی را به سیم پیچ راه انداز می افزایند تا اختلاف فاز بین جریان ها به ۹۰ درجه نزدیکتر و گشتاور حداکثر شود.

خازن اضافه شده هم می تواند به طور موقت و هم می تواند به طور دائم در مدار سیم پیچ راه انداز قرار بگیرد. به موتوری که خازن آن بطور موقت در مدار سیم پیچ راه انداز قرار می گیرد، موتور تک فاز با خازن راه انداز می گویند.

نکته: خازن راه انداز معمولاً از نوع الکترولیتی بوده و ظرفیت آن از μF ۱۰۰ تا ۱۰۰۰ μF می تواند تغییر نماید و موتور تک فاز با خازن  راه انداز از بیشترین گشتاور راه اندازی در بین موتورهای تک فاز  برخوردار است.

 

 

 

شکل (۳) نمونه ای از یک موتور تک فاز با خازن راه انداز و منحنی گشتاور – سرعت مربوط به آن

 

 

 

۳- موتور تک فاز با خازن دائمی 

در صورتی که خازن اضافه شده به مدار سیم پیچ راه انداز، از این مدار خارج نشود، موتوری با نام موتور تک فاز با خازن دائم شکل می گیرد.

خازنی که بطور دائم در مدار قرار می گیرد، معمولاً از نوع روغنی بوده و ظرفیت آن حدود ۱۰ درصد ظرفیت خازن الکترولیتی می باشد. در بین موتورهای تک فاز، موتور با راه انداز خازنی از بیشترین گشتاور راه انداز برخوردار است.

موتور تک فاز با خازن دائمی گشتاور راه اندازی پایینی دارد اما ضریب توان و راندمان در آن بسیار بالاست. نمونه ای از موتور تک فاز با خازن دائمی در شکل زیر نشان داده شده است.

 

 

شکل (۴) نمونه ای از یک موتور تک فاز با خازن دائمی و منحنی گشتاور – سرعت مربوط به آن

 

 

۴- موتور تک فاز دو خازنه 

گاهی برای آنکه از مزایای موتورهای تک فاز با خازن راه انداز و خازن دائمی یک جا استفاده شود از موتور تک فاز دو خازنه بهره می گیرند. در این موتور پس از راه اندازی، تنها خازن الکترولیتی راه انداز به وسیله کلید گریز از مرکز، از مدار خارج خواهد شد و خازن روغنی به همراه سیم پیچ کمکی در مدار باقی خواهند ماند.

 

 

 

شکل (۵) نمونه ای از یک موتور تک فاز دو خازنه و منحنی گشتاور – سرعت مربوط به آن

 

 

موتور دو خازنه هم از گشتاور راه انداز بالایی بهره می گیرد و هم اینکه ضریب توان و راندمان، در آن قابل ملاحظه می باشد. لازم به ذکر است که موتورهای با راه انداز خازنی در وسایلی همچون کولر آبی و ماشین لباسشویی به کار گرفته می شوند و موتورهای با خازن دائمی در اکثر لوازم خانگی مانند یخچال و کولرهای گازی مورد استفاده قرار می گیرند.

رتور موتورهای تک فاز، معمولاً از نوع قفس سنجابی انتخاب می شود زیرا این رتورها ارزان بوده، ساختمانی ساده دارند.

 

نکته:

برای تغییر جهت موتورهای تک فاز کافی است محل اتصال دو سر مجموعه سیم بندی کمکی به منبع (همراه خازن) عوض شود.

 

 

 

۵- موتور یونیورسال

ساختار یک موتور یونیورسال شبیه به موتور DC با تحریک سرت است. در صورتی که همانند شکل (۶) یک منبع ولتاژ AC را به ترمینال های یک موتور DC با تحریک سری وصل نماییم، یک موتور یونیورسال شکل خواهد گرفت.

دلیل اینکه یک موتور DC با تحریک سری می تواند با ولتاژ AC نیز کار کند این است که اگر پلاریته ترمینال های موتور تغییر نماید، هم جهت جریان آرمیچر و هم جهت میدان سیم بندی تحریک تغییر خواهند کرد. این امر باعث می شود که گشتاور وارد بر محور موتور تغییر جهت ندهد و موتور در همان جهت قبلی به گردش خود ادامه دهد.

 

 

 

شکل (۶) نحوه اتصال سیم بندی یک موتور یونیورسال و مدار معادل آن

 

 

نکته :

موتور یونیورسال در تجهیزاتی به کار گرفته می شود که به سرعت های بالا نیاز دارند مانند جارو برقی، دریل و چرخ خیاطی. سرعت بی باری این موتور می تواند تا حدود ۲۰۰۰۰ دور در دقیقه نیز برسد.

تمام مشخصاتی که بر روی پلاک موتور سه فاز درج می شود، بر روی پلاک موتور تک فاز نیز قید می گردد.

 

۶- موتور با قطب چاکدار

موتور با قطب چاکدار اساساً یک موتور القایی قفس سنجابی با قطب های برجسته است که سیم پیچ کمکی آن، یک حلقه مسی است که قسمتی از هر قطب را احاطه می کند. سیم پیچی اصلی آن نیز پیچک ساده ای است که به یک منبع AC وصل می شود. 

به دلیل وجود اختلاف فاز بین جریان سیم پیچ اصلی و جریان القایی در حلقه مسی، اختلاف فازی نیز بین شار بخش حلقه دار و شار بخش بدون حلقه در هر قطب، پدید می آید و میدان دواری در سطح کوچک قطب ها شکل می گیرد. این میدان دوار، حرکت خود را از بخش بدون حلقه آغاز می کند و به سمت بخش حلقه دار ادامه می دهد، در نتیجه رتور نیز این میدان دوار را دنبال کرده به گردش در می آید.

به دلیل آن که در موتور با قطب چاکدار، میدان دوار در سطح کوچک قطب ها تشکیل می شود، گشتاور راه اندازی، راندمان و ضریب توان در این موتورها بسیار پایین و لغزش بسیار بزرگ است. سادگی ساختمان و عدم نیاز به سیم پیچ کمکی و کلید گریز از مرکز از مزایای این موتورها به شمار می آید، به همین دلیل کاربرد این موتورها در توانهای زیر ۰٫۰۵ اسب بخار (زیر ۴۰ وات) مانند فن ها و پمپ های کوچک رواج زیادی یافته است.

 

 

۷- موتور های سنکرون تک فاز بدون سیم پیچ تحریک

سیم بندی استاتور این موتورها با یک منبع ولتاژ AC تغذیه می شود و محور رتور آن ها با سرعتی برابر با سرعت میدان دوار استاتورشان ( سرعت سنکرون) می چرخد. موتورهای سنکرون تک فاز نیازی به سیم بندی تحریک DCبر روی رتور خود ندارند و قادرند بطور خودکار شروع به حرکت نمایند.

برای آنکه سیم بندی استاتور موتورهای سنکرون تک فاز، بتواند یک میدان دوار تولید کند، معمولاً یا به صورت فاز شکسته با کلید گریز از مرکز در نظر گرفته می شود و یا اینکه این سیم بندی همانند سیم بندی موتورهای تک فاز با خازن دائمی انتخاب می شود تا میدان دوار تقریباً یکنواختی در موتور ایجاد شود.

موتورهای سنکرون تک فاز بطور کلی به دو دسته تقسیم می شوند: موتورهای رلوکتانسی و موتورهای هیسترزیس

در موتورهای رلوکتانسی با توجه به مسیر ورود و خروج شار در استاتور و رتور، قطب های غیر همنامی در آنها شکل می گیرد که یکدیگر را جذب کرده، گردش رتور را باعث می شوند.

در موتورهای رلوکتانسی تعداد قطب های استاتور و رتور بایکدیگر برابر است و برای آنکه حرکت رتور به صورت خودکار آغاز شود معمولاً رتور را از نوع قفس سنجابی انتخاب می کنند و با حذف برخی از شیارهای سرتاسر محیط آن، قطب های برجسته ای بر روی آن به وجود می آورند.

رتور موتور هیسترزیس به صورت یک استوانه صاف از مواد فرومغناطیس بسیار مرغوب مانند فولاد سخت ساخته می شود و بر روی این رتور هیچگونه سیم بندی، شیار و یا قطب برجسته ای دیده نمی شود.

به دلیل وجود خاصیت پسماند (تمایل دوقطبی های مغناطیسی تشکیل دهنده رتور به حفظ نظم خود حتی پس از قطع شدن میدان استاتور)، میدان رتور نسبت به میدان استاتور، اختلاف فاز پیدا می کند و همین امر باعث ایجاد گشتاور و چرخش رتور می گردد.

 

 

  • مشخصات پلاک موتورها

کارخانه های سازنده معمولاً مشخصات اصلی موتورهای تولیدی خود را بر روی پلاکی فلزی درج نموده اطلاعاتی مانند جریان، ولتاژ، قدرت و سرعت نامی، درجه حفاظت بدنه، ضریب توان و غیره را بر روی آن ثبت می کنند. این پلاک بر روی بدنه موتور نصب می شود. نمونه ای از این پلاک ها در شکل زیر آمده است.

 

 

 

شکل (۷) نمونه ای از پلاک یک موتور الکتریکی

 

 


 

بیشتر بخوانید:

پلاک الکتروموتورهای سه فاز


 

 

  •  درجه بندی حفاظت بدنه

 این نوع درجه بندی که بر روی پلاک موتورها نیز درج می شود، حفاظت بدنه دستگاه های برقی را در برابر تماس انسان با حیوانات و نیز برخورد اجسام سخت خارجی و نفوذ آب یا مایعات دیگر به داخل آن ها معین می کند. درجه حفاظت بدنه ها و محفظه ها با استفاده از دو حرف IP و دو عدد یک رقمی که بعد از آنها می آید مشخص می شود.

عدد اول بعد از حروف که عدد مشخصه اول نامیده می شود، درجه حفاظت دستگاه را در برابر تماس انسان با حیوانات یا برخورد اجسام و ذرات جامد و سخت خارجی، نشان می دهد. این عدد می تواند از صفر تا ۶ باشد. عدد دوم بعد از حروف IP که عدد مشخصه دوم نامیده می شود، نشان دهنده درجه حفاظت دستگاه در برابر نفوذ مایعات و مخصوصاً آب می باشد. این عدد بین صفر تا ۸ انتخاب می شود. 

 

 

  • کلاس عایقی و درجه حرارت مجاز موتورهای الکتریکی

در صورتی که درجه حرارت موتوری، از حد قابل تحمل عایق های به کار رفته در آن بالاتر رود، احتمال سوختن سیم بندی و بروز اتصال کوتاه در آن بالاتر می رود. لذا طبقه بندی دیگری برای عایق ها و درجه حرارت مجاز کارکرد موتور انجام می گیرد که این طبقه بندی در جدول (۱)  آمده است.

 

جدول (۱) جدول کلاس عایقی و حداکثر درجه حرارت مجاز دائمی موتورهای الکتریکی

 

انواع عایق بکار رفته

حداکثر درجه حرارت مجاز (ᵒ C)

کلاس عایقی

پنبه، ابریشم مصنوعی، الیاف پلی آمید، کاغذ، چوب، صمغ مصنوعی فرمالدئید، پرسیان

۹۰ 

Y

مانند کلاس Y بطوری که پس از ساختن، در لاک طبیعی یا لاک، صمغ مصنوعی یا شارلاک و غیره خیس خورده باشد. صمغ های پلی استر، لاک های روغنی

۱۰۵ 

A

انواع مختلف سیم های لاکی یا قسمت های پرس شده با مواد پرسلولز، صمغ ملامین، صمغ فنل

۱۲۰ 

E

الیاف شیشه ای، نوار آزبست، لاک های صمغ آلکید، لاک صمغ فنل، لاک پلی ورتان

۱۳۰ 

B

الیاف شیشه ای، آزبست، سیم های لاکی آمید، پلی استر

۱۵۵ 

F

الیاف شیشه ای، آزبست با صمغ سیلیکون، لاک های سیلیکون خالص

۱۸۰ 

H

طلق چینی، مواد سرامیکی، شیشه، کوارتز باندهایی با الیاف شیشه ای، باندهای الیاف آزبست

 بالاتر از ۱۸۰ 

C

 

 

 

مقالات مرتبط