مقایسه و بررسی انواع موتور الکتریکی
انواع الکتروموتور،ساختمان موتورهای سه فاز سنکرون، انواع روتور، کاربرد موتور تک فاز
امروزه، موتورهای الکتریکی کاربردهای فراوان و متنوعی در صنایع پیدا کرده اند. در تمامی کارخانه ها یا واحدهای صنعتی، می توان انواع موتورهای الکتریکی را پیدا کرد که با اندازه ها و توان های مختلف، بارهای گوناگون را به حرکت در می آورند. در این مقاله قصد داریم انواع موتورهای الکتریکی پرکاربرد در صنعت را بررسی و عملکرد آن ها را با هم مقایسه کنیم.
الکتروموتور
آن دسته از ماشین های الکتریکی گردان که انرژی الکتریکی را دریافت کرده و تبدیل به انرژی مکانیکی می کنند، الکتروموتور نامیده می شوند. امروزه، محور اصلی تمام صنایع الکتروموتورها هستند.
این موتورها در چهار نوع کلی زیر وجود دارند:
- الکتروموتورهای DC
- آسنکرون یا القایی
- سنکرون
- مخصوص
در این میان موتورهای القایی به دلیل سادگی ساختمان و اطمینان بالا و نیاز کم آنها به تعمیرات، از کاربرد گسترده ای در صنایع برخوردارند. این موتورها بسته به نوع تغذیه در دو نوع سه فاز و تک فاز تولید و در بازار عرضه می شوند.
موتورهای القایی سه فاز معمولاً در صنایع و در توان های بالا در دو سطح ولتاژ فشار ضعیف و فشار متوسط مورد استفاده قرار می گیرند، در حالی که موتورهای القایی تک فاز بیشتر در توان های کوچک ساخته شده و قدرت آنها از ۵/۷ کیلووات بالاتر نمی رود.
انواع الکتروموتور
الکتروموتورها انواع مختلفی دارند :
۱- الکتروموتورهای جریان مستقیم
عبارتند از؛ موتور تحریک مستقل جریان مستقیم، موتور تحریک سرخود جریان مستقیم (موازی)، موتور سری جریان مستقیم، موتور سری – موازی (کمپوند) جریان مستقیم
بیشتر بخوانید:
انواع ژنراتور یا مولد الکتریکی
۲- الکتروموتورهای جریان متناوب تک فاز
٣- الکترو موتورهای جریان متناوب سه فاز
موتورهای الکتریکی AC
با گسترش شبکه های جریان متناوب و استفاده از برق سه فاز به عنوان برق صنعتی، قسمت های زیادی از صنعت، روی محور الکتروموتورهای جریان متناوب و خصوصاً موتورهای سه فاز کار می کنند، و مهم تر اینکه الکتروموتورهای جریان متناوب نسبت به موتورهای جریان مستقیم دارای ساختمان ساده تر، عمر مفید بیشتر و تعمیر و نگهداری راحت تری هستند. به همین دلایل، در اغلب کارخانجات و کارگاه ها بجز در موارد خاصی از موتورهای جریان متناوب استفاده می شود. موتورهای AC از اجزای زیر تشکیل می شوند.
موتورهای الکتریکی AC، انرژی الکتریکی را جذب و به انرژی مکانیکی تبدیل می کنند. این گونه موتورها به دو دسته تقسیم می شوند:
۱- موتورهای سنکرون
۲- موتورهای آسنکرون
۱- موتورهای سه فاز سنکرون
در این موتورها، تعداد دور روتور (گردنده) برابر تعداد دور حوزه مغناطیسی سیم پیچ های استاتور (قسمت ساکن) است. به همین دلیل به آنها «موتورهای سنکرون» یا «همزمان» می گویند. این موتورها ساختمان پیچیده، راه اندازی مشکل، تعمیر و نگهداری با هزینه زیادی دارند و به همین دلیل به جز در موارد خاصی مورد استفاده قرار نمی گیرند و معمولاً از آن ها به عنوان مولدهای جریان متناوب استفاده می شود.
۲- موتور سه فاز آسنکرون
این موتورها برخلاف موتور سنکرون، همیشه تعداد دور روتور آن ها کمتر از تعداد دور حوزه مغناطیسی دوار استاتور است. به همین دلیل به آن ها موتورهای «آسنکرون» یا «غیرهمزمان»، گفته می شود. برای راه اندازی موتورهای آسنکرون از یک منبع جریان متناوب استفاده می شود و ولتاژ متناوب به سیم پیچی استاتور اعمال شده، در نتیجه عبور جریان از سیم پیچ های استاتور، میدان مغناطیسی دوار تولید می کند.
این میدان، روتور (قسمت گردان) را حامل جریان می کند و در اثر نیروی وارد شده از طرف میدان دوار به روتور موجب حرکت آن می شود. در موتورهای سنکرون از دو منبع ولتاژ استفاده می شود به سیم پیچ های استاتور منبع ولتاژ متناوب و به سیم پیچ های روتور منبع ولتاژ مستقیم اعمال می شود. موتورهای آسنکرون به دلیل سادگی ساختمان و نداشتن کلکتور بیش تر از موتورهای سنکرون در صنعت به کار می روند موتورهای آسنکرون به صورت تک فاز و سه فاز کاربرد فراوانی دارند.
موتورهای آسنکرون یکی از انواع پرکاربرد موتورهای الکتریکی است که تنها دارای یک سیم پیچ بوده که در قسمت ساکن (استاتور) قرار دارد و به سیم پیچ استاتور معروف است. این سیم پیچ از جریان متناوب تغذیه می شود. چون جریان القایی روتور بر اثر القای الکترومغناطیسی صورت می گیرد به این نوع موتورها، موتورهای القایی نیز می گویند.
برای راه اندازی الکتروموتورها از مدارات فرمان و کنتاکتور بهره گرفته می شود. اشنایدر الکتریک با دارا بودن رنج وسیع کنتاکتور و رتبه برتر در کیفیت این محصول، حرف اول را در جهان می زند. پیشنهاد می کنیم از انواع کنتاکتور در الیکا الکتریک دیدن فرمایید.
بیشتر بخوانید:
مزایای موتورهای سه فاز آسنکرون
١- دارای ساختمان بسیار ساده و فوق العاده محکم هستند.
۲- قیمت نسبتاً ارزانی نسبت به موتورهای مشابه دارند و قابل اعتماد هستند.
٣- بازده بالایی دارند ؛ یا به عبارت دیگر، راندمان آنها بالاست.
۴- ضریب قدرت نسبتاً خوبی دارند.
۵- در شرایط کار نرمال به حداقل تعمیر نیاز دارند.
۶- احتیاج به موتور راه انداز ندارند، در حالی که موتورهای سنکرون نیاز به یک موتور محرک دارند و راه اندازی موتورهای آسنکرون بسیار ساده است.
۷- نسبت به موتورهای مشابه، در حجم کمتر و با قدرت بیشتر ساخته می شوند.
معایب موتورهای سه فاز آسنکرون
١- بدون از دست دادن قسمتی از ضریب بهره، سرعت آن ها قابل تغییر نخواهد بود.
۲- با افزایش بار، سرعت آن ها کم می شود.
٣- کنترل دور آن ها بسیار مشکل بوده، با تغییرات جزئی فرکانس، دور آن ها کم و زیاد می شود.
۴- موتور AC آسنکرون نمی تواند فرکانس ثابت تحویل دهد.
لغزش موتور آسنکرون
در ماشین های القایی سرعت حرکت موتور با سرعت حوزه دوار اختلاف دارد. همیشه دور روتور از دور حوزه دوار کمتر است. همین اختلاف موجب القا جریان در مدار روتور می شود. مقدار این اختلاف سرعت را سرعت لغزش یا بازماندگی گویند.
حتماً باید بین سرعت میدان دوار و سرعت روتور اختلافی وجود داشته باشد؛ در غیر این صورت ولتاژی روی میله های روتور به وجود نخواهد آمد و روتور نمی چرخد. لغزش بستگی به بار موتور دارد و وجودش برای تولید گشتاور ضروری است. اگر بار موتور زیاد شود، سرعت روتور کم می شود و بنابراین لغزش کم می شود. کاهش بار نیز باعث کاهش لغزش می شود.
ساختمان موتورهای سه فاز آسنکرون
این موتورها از قسمت های زیر تشکیل شده اند:
پوسته با بدنه
جنس آن از چدن است و روی آن شیارهایی جهت تبادل حرارت تعبیه شده است. همچنین، بر روی بدنه تخته کلمپ (جعبه اتصال) و پلاک، مشخصات موتور قرار می گیرد. وظیفه بدنه، نگهداری و حفاظت از سایر قسمت های الکتروموتور است.
استاتور
قسمت القاء کننده الکتروموتور است که در داخل بدنه یا پوسته قرار می گیرد. استاتور از ورق های دیناموبلش (فولاد سیلیسیم دار) به ضخامت ۰٫۳ تا ۰٫۵ میلی متر تشکیل شده است. این ورق ها نسبت به یکدیگر عایق هستند و وظیفه آن ها متمرکز نمودن میدان مغناطیسی ایجاد شده به وسیله سیم پیچ های استاتور است. همچنین، ورقه ورقه بودن استاتور باعث می شود تا تلفات آهنی الکتروموتور به حداقل برسد. روی ورقه های استاتور، شیارهایی جهت قرار گرفتن سیم پیچ ها داخل آن ایجاد شده است که کلاف های سیم در داخل این شیار ها قرار می گیرند و استاتور یا القاء کننده را تکمیل می نمایند (در داخل شیارهای استاتور سیم پیچی هایی که از سیم های عایق تشکیل شده اند، قرار می گیرد). استاتورها با توجه به نوع موتورها به صورت ۶، ۱۲، ۱۸، ۲۴، ۳۰، ۳۶، ۴۸ شیار و در موارد خاص با شیارهای بالاتر نیز ساخته می شوند. سیم بندی موتورهای آسنکرون ممکن است تک فاز یا سه فاز باشد.
سیم پیچی استاتور موتور آسنکرون
با عبور جریان سه فاز از سه سیم پیچ استاتور ماشین القایی می توان میدان دوار ایجاد کرد به طوری که این میدان پیرامون هسته استاتور گردش کند و بدین ترتیب شرایط لازم برای چرخش رتور را فراهم کند. سیم بندی سه فاز ماشین القایی دوقطبی ساده و اختلاف فاز ۱۲۰ درجه سیم پیچ های سه فاز A و B و C نسبت به یکدیگر در شکل زیر نمایش داده شده است.
در شکل زیر سه دسته کلاف که در محیط استاتور توزیع شده اند نشان داده شده است. دو طرف هر کلاف با یکدیگر ۱۸۰ درجه و هر کلاف با کلاف دیگر ۱۲۰ درجه اختلاف مکان دارد. اگرجریان های سه فاز استاتور دامنه های برابر و اختلاف فاز ۱۲۰ درجه داشته باشند، شار با فرکانسی برابر فرکانس جریان ها شروع به گردش در فاصله هوایی می کند. اگر جریان نیم سیکل را طی کند شار برایند هم نیم دور می زند به عنوان مثال اگر فرکانس منبع تغذیه ۶۰ هرتز باشد سرعت گردش شار ۳۶۰۰ دور در دقیقه خواهد بود.
اگر بخواهیم یک استاتور چهار قطب سه فاز به وجود آوریم به شش دسته کلاف احتیاج داریم. دو طرف هر کلاف به جای ۱۸۰،۹۰درجه اختلاف مکان داشته و هر کلاف با کلاف دیگر به جای ۱۲۰ درجه، ۶۰ درجه اختلاف مکان داشته باشد به این ترتیب نیمی از محیط استاتور با سه دسته سیم پیچ پر می شود اگر نیمه دیگر محیط استاتور هم دقیقاً مانند نیمه اول تقسیم بندی شود یک استاتور چهار قطب سه فاز خواهیم داشت.
اکنون اگر جریان ۳۶۰ درجه را طی کند شار فاصله هوایی یک قطب شمال و یک قطب جنوب را طی می کند. بنابراین در یک سیکل کامل جریان آن فقط نیم دور میزند و سرعت گردش شار ۱۸۰۰ دور در دقیقه است. تنها در ماشین دو قطب است که شار از قطر روتور عبور می کند مسیرهای شار برای یک ماشین چهارقطبی در شکل زیر نشان داده شده است.
اتصال ستاره سیم پیچ های سه فاز استاتور
اگر یک استاتور ۳۶ شیار داشته باشد و طراح بخواهد یک استاتور چهارقطب سه فاز به وجود آورد در ابتدا باید تعداد شیارهای مربوط به هر قطب را به دست آورد. در اینجا به هر قطب ۹ شیار تعلق می گیرد، (مطابق شکل زیر). سپس باید تعداد شیارهای هر قطب را به تعداد فازها تقسیم کنند، در اینجا به هر فاز زیر یک قطب ۳ شیار تعلق می گیرد اگر ماشین ۶ قطب و سه فاز بود به هر قطب شش شیار و به هر فاز زیر یک قطب دو شیار تعلق می گرفت.
با توجه به شکل زیر اگر استاتور از یک نقطه بریده و باز شود و به صورت گسترده و مسطح در آید، سیم پیچ های استاتور بهتر قابل نمایش خواهد بود. در این شکل سیم پیچی یک موتور ۲ پل، ۱۲ شکاف به صورت گسترده نشان داده شده است.
روتور
قسمت گردنده، یا به عبارت دیگر، القاء شونده الکتروموتور است که روی محور (شانت) قرار گرفته است و شامل میله های آلومینیمی و ورقه های آهنی مغناطیسی است. روتور در موتورهای القایی بر دو نوع است:
۱- روتور قفسه ای (قفس سنجابی)
۲- روتور سیم پیچی شده
۱- روتور قفسه ای (قفس سنجابی)
روتور از ورقه های مخصوص فولاد که نسبت به هم عایق هستند، به شکل استوانه ساخته و بر محوری قرار داده می شود. در این محیط شیارها یا سوراخ خالی تعبیه شده است. شیارها نیمه بسته و یا تمام بسته هستند. در داخل شیارهای روتور از تعدادی میله های مسی یا آلومینیومی استفاده شده که از دو طرف روتور به وسیلۀ دو حلقۀ فلزی اتصال کوتاه می شوند. به این گونه روتور، روتور قفسی سنجابی می گویند.
معمولاً ورقه های روتور همان قسمت مرکزی ورق هایی است که استاتور از آن ها ساخته شده است و بنابراین از فولاد مخصوصی است که مقدار سیلیکون و مرغوبیت آن بستگی به کیفیت و درجه ورق به کار رفته در ساخت استاتور دارد
بنا به طراحی مورد نظر تعداد کافی از این ورقه ها بر روی محوری نصب شده و روتوری با طول مورد نظر ساخته می شود. میله های مسی که در هر یک از شیارهای ورقه قرار می گیرد باید دارای سطح مقطع مستطیلی باشد. اگر شیارهای ورقه های روتور دایره ای باشد میله های مسی با سطح مقطع دایره ای به کار می رود انتهای تمام میله های مسی درون شیارها به یک حلقه مسی جوش خورده یا لحیم می شود، بنابراین یک مدار الکتریکی اتصال کوتاه خواهیم داشت.
هنگامی که دسته ای از این ورقه ها بر روی شافت نصب شد، میله های مسی درون شیارها قرار می گیرد و دو حلقه مسی به انتهای این میله ها لحیم می شود و روتور درون استاتور قرار می گیرد. با اتصال استاتور به منبع تغذیه، بلافاصله شار به وجود آمده، از فاصله هوایی و دندانه های روتور عبور کرده و مسیر خود را از درون هسته روتور کامل می کند.
شار با سرعت سنکرون شروع به گردش کرده و میله های مسی درون روتور را قطع می کند در نتیجه در هر کدام از میله های مسی ولتاژ القایی به وجود می آید. اندازه این ولتاژ در هر کدام از این میله ها و در هر لحظه به چگالی شار در آن نقطه بستگی دارد (فرض شده که چگالی شار در فاصله هوایی به صورت سینوسی تغییر می کند).
با به وجود آمدن ولتاژ، درون میله جریانی در یک جهت جاری شده و توسط دو حلقه مسی از دیگر میله ها در جهت مخالف باز می شود. بدین ترتیب جریان می تواند یک مسیر بسته را از درون میله ها و حلقه های مسی طی کند. بنابراین برای هر قطب یک مدار بسته الکتریکی به وجود می آید اگر استاتور چهار قطب باشد، درون روتور چهار مدار بسته برای جریان به وجود می آید که جریان درون آن ها گردش کرده و یک میدان چهار قطب هم توسط روتور به وجود می آید (اگر همین روتور درون یک میدان شش یا هشت قطب قرار گیرد تعداد مسیرهای بسته به طور خودکار با تعداد قطب ها برابر می شود).
از آنجا که میله های مسی در ورقه های فولادی قرار دارند، حالت سلفی داشته و راکتانس آنها بزرگ است بنابراین جریان نسبت به ولتاژ پس فاز است. به دلیل اینکه جریانی که درون حلقه های مسی جاری است از میله های درون شیارها می آید و جریان این میله ها با هم متفاوت است. جریان درون حلقه مسی در طول محیط آن یکنواخت نیست. هنگامی که روتور ساکن است شار با سرعت سنکرون گردش می کند. بنابراین فرکانس ولتاژ و جریان القایی درون میله های روتور برابر فرکانس منبع تغذیه است.
نمودارهای چگالی شار و نیروی محرکه مغناطیسی رتور قفس سنجابی
نمودارهای چگالی شار و نیروی محرکه مغناطیسی هم چنین جریان و ولتاژ لحظه ای میله ها در رتور قفس سنجابی در زیر نمایش داده شده است. نمودار سبز رنگ چگالی شار و نمودار بنفش نمایشگر نیروی محرکه مغناطیسی در رتور قفس سنجابی است.
به طور کلی روتور قفس سنجابی از قسمت های زیر تشکیل می شود:
١-محور
۲- بادبزن (جهت خنک کردن الکتروموتور)
۳- ورقه های مغناطیسی به هم فشرده (جهت متمرکز نمودن میدان مغناطیسی روتور)
۴- قفس سنجابی که معمولاً از جنس آلومینیم است و از دو طرف به وسیله دو حلقه اتصال کوتاه می شوند. میله های روتور را به صورت مورب قرار می دهند تا از گیر کردن موتور در هنگام کار و ایجاد سر و صدا و ارتعاش جلوگیری نماید.
روتور از دو طرف، روی دو عدد بوش با بلبرینگ و در داخل سوراخ وسط استاتور قرار می گیرد. فاصله روتور و استاتور از یکدیگر در حدود ۰٫۳ تا ۰٫۵ میلی متر است.
۲- روتور سیم پیچی شده
این روتور نیز همان قسمت های روتور قفسه ای را دارد، اما به جای استفاده از میله های آلومینیمی از بوبین های سیم پیچی شده استفاده می شود که در داخل شیارهای ایجاد شده روی هستۀ روتور قرار می گیرد و در سر این سیم پیچ ها اتصال کوتاه می شوند. کاربرد روتورهای سیم پیچی شده در موتورهای سه فاز با قدرت بالا است. توجه داشته باشیم که هم روتور سیم پیچی شده و هم روتور قفسی از نظر الکتریکی، هیچ گونه ارتباطی با استاتور نداشته، فقط از طریق القاء مغناطیسی کار می کنند.
نکته: چنانچه می دانیم، اندازه سیم های افشان و مفتولی با روپوش پلاستیکی برحسب سطح مقطع به میلی متر مربع است. اما اندازه سیم های لاکی که در سیم پیچی استاتور و روتورهای سیم پیچی شده به کار می رود، برحسب میلی متر گرفته می شود.
درپوش ها یا قالپاق ها به وسیله پیچ و مهره به بدنه وصل می شوند. جنس آنها از چدن بوده و وظیفه اصلی آن ها محکم کردن روتور و نگهداری آن در داخل استاتور است. روی یک طرف قالپاق، پروانه خنک کننده روی محور روتور سوار می شود و از طرف دیگر قالپاق، شافت خروجی روتور خارج می گردد که این شافت، نیروی موتور را به خارج هدایت می کند و گیربکس با تسمه پروانه یا فولی ها روی آن قرار می گیرد.
جعبه اتصال یا تخته کلمپ روی بدنه یا پوسته قرار گرفته است و سر و ته سیم پیچ های استاتور داخل آن قرار می گیرد. در داخل جعبه اتصال، یک یا دو سوراخ ایجاد شده است که ارتباط آن را با استاتور برقرار می کند و یک یا دو سوراخ در اطراف آن وجود دارد که برای اتصال موتور به برق از آن استفاده می شود.
بیشتر بخوانید:
راه اندازی موتور با استفاده از اینورتر
موتورهای القایی آسنکرون روتور قفسی سه فاز
یک آهنربای نعل اسبی شکل و یک میله آلومینیمی که دو سر میله روی دو محور سوار شده است، آماده می کنیم. چنانچه آهنربا را حول محور مشترک با میله آلومینیومی با سرعت معینی به حرکت درآوریم، میله آلومینیمی شروع به چرخیدن در جهت حرکت آهنربا خواهد کرد. زیرا با قطع خطوط میدان مغناطیسی، آهنربا به وسیله میله آلومینیمی، در میله جریان القاء شده، این جریان به نوبه خود در داخل میله، یک میدان مغناطیسی به وجود می آورد که از تأثیر متقابل آن با میدان آهنربای نعلی شکل، یک گشتاور چرخشی ایجاد شده، میله آلومینیمی شروع به حرکت خواهد کرد. سرعت گردش میله همیشه کمتر از سرعت آهنربا خواهد بود. در نتیجه، امکان قطع خطوط میدان مغناطیسی آهنربا به وسیله میله آلومینیمی وجود خواهد داشت. این مجموعه ساده نشان دهنده اساس کار موتورهای القایی آسنکرون روتور قفسی است.
ساختمان و راه اندازی موتور آسنکرون با روتور قفسی بسیار ساده است و به هیچ وسیلۀ کمکی نیاز ندارد. تعمیر و نگهداری این گونه موتورها به راحتی انجام می شود، اما جریان راه اندازی آن زیاد و گشتاور شروع به کار ضعیفی دارد.
در موتورهای القایی به جای آهنربای دائم که با نیروی مکانیکی به دور میله آلومینیمی گردش می کند، از جریان متناوب و میدان مغناطیسی متغیر تولید شده به وسیله آن استفاده می شود. به طور کلی، در موتورهای القایی، میدان مغناطیسی با عبور جریان متناوب از سیم پیچ های استاتور تولید می شود. به همین دلیل به استاتور، القاء کننده می گویند و به جای میله آلومینیومی روتور یا القاء شونده قرار دارد. پس، در موتورهای القایی بدون استفاده از آهنربای متحرک می توانیم میدان مغناطیسی گردان (حوزه دوار) را تولید کنیم. لذا، حوزه دوار در موتورهای آسنکرون القایی، در استاتور تشکیل می شود.
سرعت حوزه دار استاتور در موتورهای القایی آسنکرون همواره تابع فرکانس شبکه و تعداد قطب های مغناطیسی سیم پیچ استاتور خواهد بود. چون قطب های مغناطیسی همواره دوتایی بوده، بنابراین سرعت حوزه دوار بر مبنای تعداد جفت قطب محاسبه می شود.
جهت گردش حوزه دوار در موتور سه فاز
اگر جهت گردش حوزه مغناطیسی دوار استاتور موافق عقربه های ساعت باشد آن را راستگرد و خلاف گردش عقربه های ساعت را چپگرد می گویند. با عوض کردن جای دو فاز از سه فاز ورودی به سیم پیچ های الکتروموتورهای سه فاز می توانیم جهت گردش حوزه دوار و در نتیجه جهت گردش روتور را عوض کنیم.
تحلیل مدارهای قدرت و فرمان الکتروموتورها در حالات مختلف را در مقالات زیر مطالعه کنید.
تحلیل مدار قدرت و فرمان به زبان ساده
علائم و نقشه مدار قدرت و فرمان
موتور آسنکرون با روتور سیم پیچی
موتور آسنکرون با روتور قفس سنجابی در لحظۀ راه اندازی جریان بسیاری را از شبکه جذب کرده و گشتاور راه اندازی آن کم است. برای حل این مشکل به جای استفاده از روتور قفسی از روتور سیم پیچی استفاده می کنیم.
الکتروموتور تک فاز
الکتروموتور تک فاز جریان متناوب
اگر دو سر یک موتور سه فاز ۲۳۰/ ۴۰۰ ∆/ג به ولتاژ متناوب ۲۳۰ ولت وصل کنیم، موتور صدا داده، و روتور آن به حالت لرزش در می آید ولی نمی چرخد. در این حالت، اگر با وسیله ای مثلاً با دست، روتور را در جهتی بچرخانیم، به حرکت درآمده، روتور در همان سمت می چرخد، جریان متناوب تک فاز میدان مغناطیسی تولید می کند که متغیر است ولی دوار نیست.
اگر در حالتی که سیم پیچ استاتور به شبکه وصل است روتور را بگردانیم، از عکس العمل میدان ناشی از جریان القایی در روتور، میدان مغناطیسی استاتور تبدیل به یک میدان گردان می شود که دامنه آن ثابت نیست اما می تواند گشتاور لازم در جهت گردش روتور ایجاد کند. این نتیجه، ایده ای برای ساختن موتورهای تک فاز است. بررسی های به عمل آمده نشان می دهد که علاوه بر جریان متناوب سه فاز، با جریان متناوب دو فاز نیز می توان حوزه دوار ایجاد کرد.
در این صورت، اگر در شیارهای استاتور یک موتور آسنکرون، دو دسته سیم پیچ قرار دهیم که شروع دسته دوم نسبت به دسته اول ۹۰ درجه اختلاف مکان داشته باشد، چنان چه این دو سیم پیچ به جریان دو فاز (جریان دو فاز دارای اختلاف فاز ۹۰ درجه بین دو فاز است) متصل شود، در داخل استاتور میدان دوار ایجاد می شود.
از این موضوع می توان برای ساختن موتورهای تک فاز استفاده کرد. موتورهای تک فاز از نظر شکل ظاهری شباهت بسیاری به موتورهای سه فاز روتور قفسه ای دارد؛ یعنی قسمت های مختلف موتور از قبیل استاتور، روتور، یاتاقان، تخته کلم و غیره به همان شکل هستند، تنها تفاوت آن ها در تعداد سیم های استاتور است. به همین دلیل است که اتصالات داخلی تخته کلم نیز با موتور سه فاز متفاوت است.
اساس کار موتورهای القایی تک فاز مانند موتورهای سه فاز آسنکرون است. یک میدان مغناطیسی دوار در استاتور ایجاد شده با القاء جریان در روتور، سبب ایجاد گشتاور چرخشی روتور می گردد. رابطه تعداد قطب و تعداد دور حوزه دوار، تعداد دور روتور، لغزش، سرعت لغزش، رابطه فرکانس با دور روتور از رابطه موتورهای سه فاز القایی پیروی می کند.
سیم پیچ موتور تک فاز
١- سیم پیچ اصلی RUNNING
این سیم پیچ به صورت دائم در مدار قرار می گیرد و حوزه دوار اصلی را تولید می کند. قطر سیم پیچ اصلی از سیم پیچ دیگر بیشتر است، اما تعداد دور آن کمتر است. سر و ته سیم پیچ اصلی را با حروف (U) , (۷) مشخص می کنند.
۲- سیم پیچ راه انداز با کمکی با استارت START
این سیم پیچ باعث ایجاد گشتاور اولیه با راه اندازی در موتور می شود. سیم پیچ راه انداز معمولاً با اختلاف ۹۰ درجه نسبت به سیم پیچ اصلی در داخل استاتور قرار می گیرد. مشخصه آن این است که قطر سیم پیچ راه اندازی کم و تعداد دور آن بیشتر است. سیم پیچ راه انداز را با حروف (Z) , (W) مشخص می کند.
بیشتر بدانید:
خازن EasyCan اشنایدر الکتریک جهت کنترل و اصلاح ضریب توان به کار می روند.
کاربرد موتور تک فاز
موتور تک فاز بیشتر برای کارهایی با قدرت کم حداکثر تا ۴ اسب بخار یا ۳ کیلووات، مانند پمپ آب، ماشین های تراش، دریل های کوچک، هواکش ها، پمپ های کوچک آب و ماشین های الکتریکی سیار مانند دریل و سنگ دستی استفاده می شود. همچنین، وسایلی که برای استفاده در محل هایی که فاقد برق سه فاز هستند، مانند لوازم خانگی، به وسیله موتورهای تک فاز کار می کنند.
نکته مهم اینکه در مورد پلاک مشخصات موتورهای تکفاز، تمام علائم و مشخصاتی که بر روی پلاک مشخصات موتورهای سه فاز قید شده است، بر روی پلاک این موتورها وجود دارد. در صورتی که موتور تک فاز دارای خازن باشد، ظرفیت خازن و ولتاژ کار خازن روی پلاک قید می شود. با توجه به کاربردهای متعدد موتورهای تک فاز، این موتورها دارای انواع مختلفی هستند که به شرح زیر است:
۱- الکتروموتور تک فاز القایی آسنکرون با کار القایی و راه اندازی القایی
در این الکتروموتورها برای ایجاد اختلاف فاز بین ولتاژ و جریان، از یک سیم پیچ استفاده می شود. به این صورت که سیم پیچ راه انداز این الکتروموتورها از تعداد سیم زیاد با دور زیاد و قطر نازک در این حالت خاصیت سلفی سیم پیچ راه اندازی زیاد شده، موجب می شود جریان به اندازه ۹۰ درجه نسبت به ولتاژ، پس فاز شود و در نتیجه، اختلاف فاز ۹۰ درجه بین ولتاژ و جریان به وجود آید. یک کلید در مسیر سیم پیچ راه انداز قرار دارد. این کلید به کلید گریز از مرکز با تابع دور معروف است. قسمت متحرک آن بر روی محور روتور نصب می شود.
زمانی که موتور به برق وصل می شود و روتور شروع به گردش می کند، کلید نیز به همراه آن شروع به گردش می کند و این کلید زمانی که دور روتور آن به ۷۰٪ دور نامی آن رسید، در اثر نیروی گریز از مرکز باز شده، سیم پیچ راه انداز آن از مدار خارج می شود. در یخچال ها به جای کلید گریز از مرکز از رله جریان زیاد استفاده می شود. کاربرد این موتورها بیشتر در موتور یخچال با قدرت پایین و کولرها است.
۲- الکتروموتور القایی آسنکرون با راه انداز خازنی و کار القایی
در این نوع الکتروموتورها، یک خازنبه همراه یک کلید گریز از مرکز با سیم پیچ راه انداز، سری می شود. پس می توان گفت که خازن به صورت موقت در مدار قرار می گیرد. خازن از انواع الکترولیتیبوده که دارای ظرفیت بالا و ولتاژ کار پایین است. این خازن باعث می شود که در لحظه راه اندازی، اختلاف ۹۰ درجه بین ولتاژ و جریان ایجاد شود و حوزه دوار دو فاز را تشکیل دهد.
زمانی که موتور به ۷۰٪ دور نامی رسید، کلید گریز از مرکز، خازن و سیم پیچ راه انداز را خارج می کند و موتور فقط با سیم پیچ اصلی کار می کند. این موتورها دارای گشتاور راه اندازی بسیار خوبی بوده اما چون در هنگام کار، خازن در مدار باقی نمی ماند، گشتاور حین کار، کم خواهد بود. همین مسئله باعث می شود اغلب این موتورها در صورت افزایش بار، روتورشان قفل شده، زیر بار توقف کند. در نتیجه، موتور معیوب می شود. کاربرد این موتورها در پمپ های کوچک آب، پمپ های خنک کننده در ماشین های تراش و کارهای سبک در نظر گرفته شده است.
۳- الکتروموتور القایی آسنکرون تک فاز با راه انداز خازنی و کار خازنی
این الکتروموتورها از نظر ساختمان کاملاً شبیه نوع قبلی هستند. با این تفاوت که یک خازن دائم (روغنی) به صورت سری به سر سیم پیچ راه انداز وصل می شود. این خازن در لحظه راه اندازی با خازن موقت الکترولیتی موازی شده، باعث می شود که گشتاور، راه اندازی بسیار بالایی داشته باشد. پس از اینکه موتور راه اندازی شد، کلید گریز از مرکز، خازن موقت را از مدار خارج نموده اما خازن دائم و سیم پیچ راه انداز به عنوان سیم پیچ کمکی در مدار باقی می ماند. در نتیجه، مشکل قفل شدن روتور زیر بار از بین می رود و گشتاور حین کار موتور نیز به دلیل وجود خازن دائم، بالا خواهد بود.
این موتور جزء بهترین موتورهای تک فاز شناخته می شود. نوع دیگر از موتورهای تکفاز با کار خازنی و راه انداز خازنی وجود دارد که فقط از یک خازن روغنی که با سیم پیچ راه انداز سری شده، استفاده شده است. این موتورها نیز کارکرد و گشتاوری تقریباً شبیه موتور قبلی دارند و کاربرد این موتورها و نوع قبلی در دریل های برقی نجاری، ماشین های مته چرخ گوشت های صنعتی، دستگاه های هم زن و غیره است.
بیشتر بخوانید: راه اندازی موتور الکتریکی تک فاز
موتور القایی دو فاز
با اتصال یک منبع ۲ یا ۳ فاز به سیم پیچ استاتور یک موتور القایی، میدان گردانی در فاصله هوایی به وجود می آید. این میدان گردان با سرعت ثابت شروع به گردش می کند و سرعت آن توسط فرکانس منبع تغذیه و تعداد قطب های موتور تعیین می شود.
شکل زیر سیم پیچ های استاتور یک موتور دو فاز دو قطب را نشان می دهد. ممکن است چنین به نظر برسد که این شکل نمایش یک موتور چهار قطب است، در حالی که هر دو کلاف در فازهای ۱ و ۲ یک قطب را تشکیل می دهند.
با این فرض که جریان فازهای ۱ و ۲ سینوسی با دامنه مساوی و ۹۰ درجه اختلاف باشد، به بررسی شار در لحظات مختلف می پردازیم. در لحظۀ a به جریان فاز ۱ ماکزیمم و جریان فاز ۲ صفر است. جریان در هادی های بالایی عمود بر صفحه به سمت خارج و جریان در هادی های پایینی عمود بر صفحه و به سمت داخل است. با استفاده از قانون دست راست، شار به وجود آمده از سمت چپ به راست و به صورت افقی است.
در لحظه b جریان فازهای ۲ و ۱ برابر است ولی هنوز جهت جریان در فاز ۱ عوض نشده است در این لحظه شار برایند با افق زاویه ۴۵- درجه می سازد. در لحظه C، جریان فاز ۱ صفر و جریان فاز ۲ ماکزیمم است، شار برآیند در این لحظه به صورت عمودی و از بالا به پایین است.
همان طور که مشاهده می شود زمان لازم برای رسیدن از وضعیت a به وضعیت b برابر زمان لازم برای رسیدن از وضعیت c بوده که برابر ۱/۸ پریود موج جریان است و شار فاصله هوایی هم در طی هر کدام از این زمان ها ۱/۸ دور کامل را طی می کند. با دنبال کردن روند فوق در می یابیم که در یک سیکل کامل جریان، شار فاصله هوایی یک دور کامل گردش می کند. بنابراین اگر فرکانس منبع تغذیه ۶۰ هرتز باشد شار در ۱/۶۰ ثانیه یک دور کامل را طی می کند با سرعت گردش شار rpm ۳۶۰۰ است. این سرعت را سرعت سنکرون برای فرکانس ۶۰ هرتز می گویند.
به طور کلی در موتورهای القایی دو فاز، سیم پیچی استاتور شامل دو فاز است که با یکدیگر ۹۰ درجه اختلاف دارند.
مقایسه نمودار عملکرد موتورهای دو فاز و سه فاز
برای ایجاد شار در فاصله هوایی، آمپر دور بیشتری نسبت به آهن یا فولاد لازم است. بنابراین استاتور نشان داده شده، به جریان خیلی بیشتری (نسبت به موقعی که یک روتور فولادی در داخل آن باشد) نیاز دارد. فاصله بین استاتور و روتور بسته به اندازه موتور ۰/۰۰۸ تا ۰/۱ اینچ تغییر می کند. انواع روتورها با ساختمان های متفاوتی وجود دارد و این ساختمان روتور مورد استفاده است که نوع موتور و مشخصه مورد مورد نظر را تعیین می کند. موتورهای القایی دو فاز اهمیت تجاری و اقتصادی ندارند.
عوامل آسیب رسان به انواع موتورهای الکتریکی
- خرابی بلبرینگ ها
- گرم شدن سیم بندی موتور
- اضافه بار
- جریان های موتور در شرایط راه اندازی
- توقف موتور
- عدم تقارن ولتاژ تغذیه
توقف موتور و عدم تقارن ولتاژ تغذیه معمولاً به دلیل قطع یک خط از تغذیه سه فاز رخ می دهد.
روش های حفاظت از انواع موتورهای الکتریکی
موتورهای الکتریکی از هر نوعی که باشند باید نسبت به حالت های مضر در موتور مقاوم باشند. از حالت های مضر در موتور می توان به اضافه بار در موتور، اتصال کوتاه، افت و افزایش ولتاژ، ولتاژ نامتعادل و تک فاز شدن موتور اشاره کرد. برای حفاظت موتورهای الکتریکی در مدار به ترتیب از تجهیزات زیر استفاده می شود:
۱- کلید جدا کننده زیر بار مثل کلید گردان
۲- جهت حفاظت اتصال کوتاه نیز از فیوز استفاده می شود که این فیوز بر اساس جریان نامی موتور طراحی می شود و به روش راه اندازی موتور الکتریکی بستگی ندارد. ( می توان کلید-فیوز را جای گزین کلید گردان و فیوز نمود.)
۳- کنتاکتور جهت قطع و وصل و کنترل موتور
کاهش ولتاژ باعث می شود که موتورها به سرعت نامی خود نمی رسند و یا سرعت خود را از دست می دهند و این امر موجب اعمال اضافه بارهای سنگینی به موتور می شود. کنتاکتورهای AC موجب فراهم آمدن حفاظت خوبی در مقابل کاهش ولتاژ می شوند
برای آشنایی بیشتر با انواع و ویژگی های کنتاکتورهای اشنایدر الکتریک این جا کلیک کنید.
۴- از رله حرارتی که به کنتاکتور وصل می شود، به منظور حفاظت در برابر اضافه بار استفاده می شود.
۵- رله کنترل فاز: رله کنترل فاز انواع مختلفی دارد که می تواند عدم تقارن و توالی فاز، افت و افزایش ولتاژ و قطع فاز را تشخیص دهد و فرمان قطع مدار را صادر کند.
کلید محافظ موتور یا کلید حرارتی
از کلیدهای پرکاربرد در تابلو برق به منظور محافظت موتور در برابر اضافه بار و اتصال کوتاه، کلید محافظ موتور MPCB (Motor Protection Circuit Breaker) است که جای گزین کلید جداکننده زیر بار، فیوز و رله حرارتی در مدار حفاظت موتور است. این کلید با نام کلید حرارتی نیز عنوان می شود. کلید حرارتی وظیفه حفاظت موتور در برابر دو جریان حرارتی و جریان مغناطیسی را دارد.
جریان حرارتی
در شرایط اعمال بار اضافه به موتور، موتور جریان بیشتری می کشد و شروع به داغ شدن می کند. این جریان، جریان حرارتی نام دارد.
جریان مغناطیسی
در صورت بروز اتصال کوتاه بین دو فاز یا اتصال بدنه به فاز یا نول و یا اتصال فاز و نول، موتور داغ می کند. در این شرایط گفته می شود جریان مغناطیسی افزایش یافته است.
ویژگی های کلید محافظ موتوری
- قابلیت قطع و وصل زیر بار
- قابلیت تنظیم دقیق جریان در یک بازه
- دارای شستی قطع و وصل برای کنترل دستی
- دارای کلید تست برای تست سالم بودن کلید
تفاوت کلید حرارتی (محافظ موتوری) با بی متال
کلید محافظ موتوری یا همان کلید حرارتی، موتور را در برابر هر دو جریان حرارتی و مغناطیسی محافظت می کند. اما بی متال تنها امکان حفاظت موتور در برابر جریان حرارتی را دارد. کلید محافظ موتوری مستقیم سه فاز مدار قدرت را قطع می کند و الکتروموتور قطع می شود؛ این در حالی است که بی متال مدار فرمان را (از طریق پیچ های ۹۵-۹۶) قطع می کند.
برای آشنایی بیشتر با انواع و ویژگی های بی متال اشنایدر الکتریک این جا کلیک کنید.
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.
سوالات متداول
چه عواملی به موتور آسیب می زند و چگونه باید از موتور حفاظت کرد؟
خرابی بلبرینگ ها ،گرم شدن سیم بندی موتور، اضافه بار جریان های موتور در شرایط راه اندازی توقف موتور، عدم تقارن ولتاژ تغذیه. موتورهای الکتریکی از هر نوعی که باشند باید نسبت به حالت های مضر در موتور مقاوم باشند. از حالت های مضر در موتور می توان به اضافه بار در موتور، اتصال کوتاه، افت و افزایش ولتاژ، ولتاژ نامتعادل و تک فاز شدن موتور اشاره کرد. برای حفاظت موتورهای الکتریکی در مدار به ترتیب از تجهیزات زیر استفاده می شود: ۱- کلید جدا کننده زیر بار مثل کلید گردان ۲- جهت حفاظت اتصال کوتاه نیز از فیوز استفاده می شود که این فیوز بر اساس جریان نامی موتور طراحی می شود و به روش راه اندازی موتور الکتریکی بستگی ندارد. ( می توان کلید-فیوز را جای گزین کلید گردان و فیوز نمود.) ۳- کنتاکتور جهت قطع و وصل و کنترل موتور کاهش ولتاژ باعث می شود که موتورها به سرعت نامی خود نمی رسند و یا سرعت خود را از دست می دهند و این امر موجب اعمال اضافه بارهای سنگینی به موتور می شود. کنتاکتورهای AC موجب فراهم آمدن حفاظت خوبی در مقابل کاهش ولتاژ می شوند. ۴- از رله حرارتی که به کنتاکتور وصل می شود، به منظور حفاظت در برابر اضافه بار استفاده می شود. ۵- رله کنترل فاز انواع مختلفی دارد که می تواند عدم تقارن و توالی فاز، افت و افزایش ولتاژ و قطع فاز را تشخیص دهد و فرمان قطع مدار را صادر کند.
علت لغزش در موتورهای آسنکرون چیست؟
در ماشین های القایی سرعت حرکت موتور با سرعت حوزه دوار اختلاف دارد. همیشه دور روتور از دور حوزه دوار کمتر است. همین اختلاف موجب القا جریان در مدار روتور می شود. مقدار این اختلاف سرعت را سرعت لغزش یا بازماندگی گویند. حتماً باید بین سرعت میدان دوار و سرعت روتور اختلافی وجود داشته باشد؛ در غیر این صورت ولتاژی روی میله های روتور به وجود نخواهد آمد و روتور نمی چرخد. لغزش بستگی به بار موتور دارد و وجودش برای تولید گشتاور ضروری است. اگر بار موتور زیاد شود، سرعت روتور کم می شود و بنابراین لغزش کم می شود. کاهش بار نیز باعث کاهش لغزش می شود.
با سلام و عرض تشکر از تلاش شما در جهت گسترش علم در جامعه .بنده این مطالب شما را در دانشگاه در ۴۵ سال پیش مطالعه کرده بوده و کلی از مطالب از یادم رفته بود و مقالات شما بسیار ساده و کاربردی است که براحتی قابل فهم برای کسانیکه به برق و موتورهای الکتریکی علاقمند هستند مفید فایده است.بهر صورت از تلاش و زحمات شما بسیار سپاسگزارم.
سلام
عالی
سلام بسیار عالی بود از اینکه وقت می گذارید و در جهت بارور ساختن و شکوفایی علمی جامعه تلاش صادقانه ای دارید در سهم خودم صمیمانه سپاسگذارم و آرزوی بهترین ها را برایتان دارم و عاقبت بخیری
با سلام میخواهم بدانم الکتروموتور ذغالی بهتر است یا نوع دیگرش؟ مثلاً برای کارواش خانگی
باسلام.
موتورهای ذغالی به دلیل استفاده از ذغال باعث ایجاد جرقه می شوند و لرزش و صدای بیشتری دارند که این جرقه ها عمر کلی موتور را کاهش می دهند همچنین موتورهای ذغالی بیشتر برای تغذیۀ DC استفاده می شود و از نظر قیمتی، گرانتر از موتورهای دینامی هستند.
ممنون ازتون خیلی خوب بود
خیلی عالی