تاسیسات و تجهیزات الکتریکی

مطالب مفید برای علاقمندان مهندسی برق، حفاظت، کنترل و ابزار دقیق

 

موتور الکتریکی، نوعی ماشین الکتریکی است که الکتریسیته را به حرکت مکانیکی تبدیل می‌کند. عمل عکس آن که تبدیل حرکت مکانیکی به الکتریسیته ‌است، توسط ژنراتور انجام می‌شود. این دو وسیله بجز در عملکرد، مشابه یکدیگر هستند. اکثر موتورهای الکتریکی توسط الکترومغناطیس کار می‌کنند، اما موتورهایی که بر اساس پدیده‌های دیگری نظیر نیروی الکترواستاتیک و اثر پیزوالکتریک کار می‌کنند، هم وجود دارند.

ایده کلی این است که وقتی که یک ماده حامل جریان الکتریسیته تحت اثر یک میدان مغناطیسی قرار می‌گیرد، نیرویی بر روی آن ماده از سوی میدان اعمال می‌شود. در یک موتور استوانه‌ای، چرخانه یا روتور به علت گشتاوری که ناشی از نیرویی است که به فاصله‌ای معین از محور چرخانه به چرخانه اعمال می‌شود، می‌گردد.

اغلب موتورهای الکتریکی دوار هستنند، اما موتور خطی هم وجود دارند. در یک موتور دوار بخش متحرک (که معمولاً درون موتور است) چرخانه یا روتور و بخش ثابت ایستانه یا استاتور خوانده می‌شود. موتور شامل آهنرباهای الکتریکی است که روی یک قاب سیم پیچی شده‌است. گر چه این قاب اغلب آرمیچر خوانده می‌شود، اما این واژه عموماً به غلط بکار برده می‌شود. در واقع آرمیچر آن بخش از موتور است که به آن ولتاژ ورودی اعمال می‌شود یا آن بخش از ژنراتور است که در آن ولتاژ خروجی ایجاد می‌شود. با توجه به طراحی ماشین، هر کدام از بخش‌های چرخانه یا ایستانه می‌توانند به عنوان آرمیچر باشند.

موتورهای القایی AC عمومی‌ترین موتورهایی هستند که در سامانه‌های کنترل حرکت صنعتی و همچنین خانگی استفاده می‌شوند. طراحی ساده و مستحکم، قیمت ارزان، هزینه نگه داری پایین و اتصال آسان و کامل به یک منبع نیروی AC امتیازات اصلی موتورهای القایی AC هستند. انواع متنوعی از موتورهای القایی AC در بازار موجود است. موتورهای مختلف برای کارهای مختلفی مناسب اند. 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 موتورهاست. این نکته در اساس انواع مختلف، مشخصات آنها، انتخاب شرایط برای کاربریهای مختلف و روشهای کنترل مرکزی یک موتورهای القایی AC را مورد بحث قرار می‌دهد.

مانند بیشتر موتورها، یک موتورهای القایی AC یک قسمت ثابت بیرونی به نام استاتور و یک روتور که در درون آن می‌چرخد دارند، که میان آندو یک فاصله دقیق کارشناسی شده وجود دارد. به طور مجازی همه موتورهای الکتریکی از میدان مغناطیسی دوار برای گرداندن روتورشان استفاده می‌کنند. یک موتور سه فاز القایی AC تنها نوعی است که در آن میدان مغناطیسی دوار به طور طبیعی بوسیله استاتور به خاطر طبیعت تغذیه گر آن تولید می‌شود. در حالی که موتورهای DC به وسیله‌ای 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 شده‌است. در یک موتور القایی AC یک سری از مغناطیس شونده‌ها به خاطر اینکه تغذیه AC به پیچه‌های استاتور متصل است در استاتور تعبیه شده‌اند. بخاطر طبیعت متناوب تغذیه ولتاژ AC بر اساس قانون لنز نیرویی الکترومغناطیسی به روتور وارد می‌شود همانند ولتاژی که در ثانویه ترانسفورماتور القا می‌شود. بنابر این سری دیگر از مغناطیس شونده‌ها خاصیت مغناطیسی پیدا می‌کنند. که نام موتور القایی از اینجاست. تعامل میان این مگنت‌ها انرژی چرخیدن یا تورک (گشتاور) را فراهم می‌آورد. در نتیجه موتور در جهت گشتاو بوجود آمده چرخش می‌کند.

استاتور از چندین قطعه باریک آلومینیم یا آهن سبک ساخته شده‌است. این قطعات بصورت یک سیلندر تو خالی به هم منگنه و محکم شده اند(هسته استاتور) با شیارهایی در آن و سیم پیچهایی از سیم روکش دار در این شیارها جاسازی شده‌اند. هر گروه پیچه با هسته‌ای که آن را فرا گرفته یک آهنربای مغناطیسی (با دو پل) را برای کار کردن با تغذیه AC شکل می‌دهد. تعداد قطبهای یک موتور القایی AC به اتصال درونی پیچه‌های استاتوربستگی دارد. پیچه‌های استاتور مستقیما به منبع انرژی متصل اند. آنها به صورتی متصل اند که با برقراری تغذیه AC یک میدان مغناطیسی چرخنده تولید می‌شود.

روتور از چندین قطعه مجزای باریک فولادی که میانشان میله‌هایی از مس یا آلومینیم تعبیه شده ساخته شده‌است. در رایج‌ترین نوع روتور (روتور قفس سنجابی) این میله‌ها در انتهای خود به صورت الکتریکی و مکانیکی بوسیله حلقه‌هایی به هم متصل شده‌اند. تقریبا ۹۰ درصد از موتورهای القایی دارای روتور قفس سنجابی می‌باشند و این به خاطر آن است که این نوع روتور ساختی مستحکم و ساده دارد. این روتور از هسته‌ای چند تکه استوانه‌ای با محوری که شکافهای موازی برای جادادن رساناها درون آن دارد تشکیل شده‌است. هر شکاف یک میله مسی یا آلومنیومی یا آلیاژی را شامل می‌شود. در این میله‌ها به طور دائمی بوسیله حلقه‌های انتهایی آنها همچنان که در شکل دو مشاهده می‌شود مدار کوتاه برقرار است. چون این نوع مونتاژ درست شبیه قفس سنجاب است، این نام برای آن انتخاب شده‌است. میله‌ای روتور دقیقا با محور موازی نیستند. در عوض به دو دلیل مهم قدری اریب نصب می‌شوند. دلیل اول آنکه موتور با کاهش صوت مغناطیسی بدون صدا کارکرده و برای آنکه از هارمونیکها در شکافها کاسته شود. دلیل دوم آن است که گرایش روتور به هنگ کردن کمتر شود. دندانه‌های روتور به خاطر جذب مغناطیسی مستقیم (محض) تلاش می‌کنند که در مقابل دندانه‌های استاتور باقی بمانند. این اتفاق هنگامی می‌افتد که تعداد دندانه‌های روتور و استاتور برابر باشند. روتور بوسیله مهار‌هایی در دو انتها روی محور نصب شده؛ یک انتهای محور در حالت طبیعی برای انتقال نیرو بلندتر از طرف دیگر گرفته می‌شود. ممکن است بعضی موتورها محوری فرعی در طرف دیگر(غیر گردنده - غیر منتقل کننده نیرو) برای اتصال دستگاههای حسگر حالت(وضعیت) و سرعت داشته باشند. بین استاتور و روتور شکافی هوایی موجود است. بعلت القا انرژی از استاتور به روتور منتقل می‌شود. تورک تولید شده به روتور نیرو داده و سپس برای چرخیدن به آن نیرو می‌کند. صرف نظر از روتور استفاده شده قواعد کلی برای دوران یکی است.

برای کاربردهای نیازمند به توان بالاتر، از موتورهای القایی سه فاز استفاده می‌شود. این موتورها از اختلاف فاز موجود بین فازهای تغذیه چند فاز الکتریکی برای ایجاد یک میدان الکترومغناطیسی دوار درونشان، استفاده می‌کنند. اغلب، روتور شامل تعدادی هادی‌های مسی است که در فولاد قرار داده شده‌اند. از طریق القای الکترومغناطیسی میدان مغناطیسی دوار در این هادی‌ها القای جریان می‌کند، که در نتیجه منجر به ایجاد یک میدان مغناطیسی متعادل کننده شده و موجب می‌شود که موتور در جهت گردش میدان به حرکت در آید.

این نوع از موتور با نام موتور القایی معروف است. برای اینکه این موتور به حرکت درآید بایستی همواره موتور با سرعتی کمتر از بسامد منبع تغذیه اعمالی به موتور، بچرخد، چرا که در غیر این صورت میدان متعادل کننده‌های در روتور ایجاد نخواهد شد. استفاده از این نوع موتور در کاربردهای مختلف، روز به روز در حال افزایش است. به سیم پیچهای روتور جریان میدان جدایی اعمال می‌شود تا یک میدان مغناطیسی پیوسته ایجاد شود، که در موتور هم‌زمان وجود دارد، موتور به صورت هم‌زمان با میدان مغناطیسی دوار ناشی از برق AC سه فاز، به گردش در می‌آید. موتورهای هم‌زمان یا سنکرون را می‌توانیم به عنوان مولد جریان هم بکار برد.

سرعت موتور AC در ابتدا به فرکانس تغذیه بستگی دارد و مقدار لغزش، یا اختلاف در سرعت چرخش بین چرخانه و میدان ایستانه، گشتاور تولیدی موتور را تعیین می‌کند. تغییر سرعت در این نوع از موتورها را می‌توان با داشتن دسته سیم پیچها یا قطبهایی در موتور که با روشن و خاموش کردنشان سرعت میدان دوار مغناطیسی تغییر می‌کند، ممکن ساخت. به هر حال با پیشرفت الکترونیک قدرت می‌توانیم با تغییر دادن بسامد منبع تغذیه، کنترل یکنواخت تری بر روی سرعت موتورها داشته باشیم.

 
 

انواع موتور های الکتریکی

موتورهای جریان متناوب میتوانند طوری طرح شوند که با منبع جریان متناوب یک فاز یا چند فاز کار کنند . ولی چه موتور یک فاز باشد و یا چند فاز ، روی اصول یکسانی کار می کنند ، اصول مزبور عبارتست از این که جریان متناوب اعمال شده به موتور یک میدان مغناطیسی گردانی تولید می کند و این میدان باعث می شود که روتور بگردد .

 موتورهای جریان متناوب عموما به دو نوع تقسیم بندی می شوند :

1-     موتورهای سنکرون

2-     موتورهای القایی

موتور سنکرون در واقع یک آلترناتور است که بعنوان موتور کار می کند و در آن جریان متناوب به استاتور و جریان مستقیم به روتور اعمال می شود موتورهایی القایی شبیه به موتورهای سنکرون هستند با این تفاوت که در آنها روتور به منبع قدرت وصل نمی شود . از دو نوع موتورهای جریان متناوب ذکر شده ، موتورهای القائی به مراتب خیلی بیشتر از موتورهای سنکرون مورد استفاده قرار می گیرند . 

1-     موتور سنکرون :

علت اینکه به این نوع موتورهای سنکرون می گویند این است که روتور آن  با میدان مغناطیسی گردان تولید شده در استاتور همگام است . ساختمان این موتورها اساس شبیه به آلترناتور قطب برجسته است . اعمال جریان سه فاز به استاتور یک میدان مغناطیسی گردان در اطراف روتور تولید می کند . اما چون روتوربه یک منبع جریان مستقیم وصل است مانند یک آهنربای میله ای عمل خواهد کرد . اگر یک آهنربای میله ای بطور معلق در یک میدان مغناطیسی قرار بگیرد، آنقدر دوران خواهد کرد تا در امتداد آن قرار بگیرد . به همین ترتیب روتور سنکرون مانند یک آهنربای میله ای عمل کرده و در امتداد میدان مغناطیسی تولید شده در استاتور قرار خواهد گرفت . در این حالت اگر میدان مغناطیسی دوران کند ، روتور هم همراه آن دوران خواهد کرد . اگر میدان مغناطیسی گردان قوی باشد ، یک نیروی گردنده قوی بر روتور وارد شده و در نتیجه روتور قادر خواهد بود که موقع گردیدن یک باری را بگرداند

سرعت گردش میدان مغناطیسی به فرکانس جریان سه فاز اعمال شده به استاتور ، بستگی دارد و چون فرکانس جریان ثابت است ، موتورهای سنکرون، عملاً موتورهایی  با یک سرعت معنی هستند. در نتیجه برای مواردی مورد استفاده قرار می گیرند که از حالت بی باری تا حالتی که بار موتور ماکزیمم است سرعت ثابتی مورد نیاز باشد .

یکی از عیب های موتور سنکرون این است که نمیتواند از حالت سکون ( ایست ) خود با اعمال جریان متناوب سه فاز شروع بکار کند چون جریان متناوب اعمال شده به استاتور ، یک میدان گردانی با سرعت زیاد تولید می کند.

این میدان گردان قطب های روتور آنقدر سریع  عقب میزند که موتور فرصت پیدا نخواهد کرد که راه اندازی شود ابتدا در یک جهت دفع می شود و لحظه ای بعد در جهت دیگر .

به عبارت دیگر ، موتور سنکرون ، درحالت اصلی خود ، درموقع شروع بکار بکردن هیچ کوپلی نخواهد داشت و بنابراین همیشه بوسیله یک موتور القایی کوچک و یا بوسیله سیم پیچ هائیکه معادل ترکیب فوق باشد ، راه اندازی میشود سپس وقتی سرعت موتور به سرعتی نزدیک به سرعت سنکرون رسید به یک منبع جریان مستقیم وصل می شود . روتور با میدان گردان به گردش  ادامه می دهد .

حال چگونه جریان متناوب یک فاز اعمال شده به سیم پیچی استاتورهم میتواند یک میدان مغناطیسی پالسی تولید کند که به این وسیله برای راندن موتور مورد استفاده قرار بگیرد :

هر لحظه که قطب های روتور به سیم پیچی استاتور نزدیک میشود ، جهت میدان استاتور باید طوری هر لحظه عوض شود که آنرا جذب کند و به آن گشتاوری در جهت حرکتش بدهد بنابراین جریان میدان در سیم پیچی استاتور باید در فاصله ای که قطب های غیر همنام روتور به سیم پیچی استاتور نزدیک میشود ، باندازه نصف سیکل تغیر کند دیاگرام زیر ، جهت میدان استاتور را که بوسیله اعمال کردن جریان متناوب یک فاز ایجاد میشود ، معین میکند . شکل اول نصف سیکل جریان متناوب را نشان میدهد میبینید که وقتی روتور خودش را با میدان استاتور همگام کرد ، قطبهایش بوسیله سیم پیچ های استاتور جذب میشود . در شکل دوم برای نصف دیگر سیکل جریان متناوب جهت میدان  استاتور برعکس میشود وکوپل لازم برای حرکت روتور 180 درجه گردیده است سپس یکبار دیگر وقتی قطب های روتور به سیم پیچ استاتور نزدیک میشود ، یکدیگر را جذب کرده و درنتیجه روتور در جهت قبلی میگردد بخاطر داشته باشد که  مانند موتورهای سنگرون سه فاز ، موتور یک فاز هم به یک وسیله راه اندازی احتیاج دارد که به روتور آن ، گشتاوری درجهت معینی بدهد .

در موتورهای سنکرون یک فاز کوچک ، ممکن است روتور را از مغناطیسی دائمی بسازند ، در اینصورت احتیاج به سیم پیچی های میدان و جریان مستقیم که به آن اعمال شود ، ندارد .

 

2-     موتور القایی :

موتور القایی یکی از انواع موتورهای جریان متناوب است که بعلت سادگی و محکم بودن و قیمت ارزان ساختن آن ، بیش از هر موتوری مورد استفاده قرار میگیرد . این خصوصیات موتور القایی به این علت که روتور آن به هیچ منبع ولتاژ خارجی وصل نمیشود و دلیلی اینکه موتور القایی گفته میشود ، اینست که در اثر دوران میدان مغناطیسی استاتور جریان های متناوبی در مدار روتور القاء می شود . ساختمان استاتور موتور القایی وموتور سنکرون تقریبا یکسان است اما روتور های آنها کاملا با هم فرق میکنند .روتور موتورهای القایی از یک استوانه مورق ساخته شده است که در روی آن شیارهایی وجود دارد و سیم پیچ هایی در این شیارها قرار میگیرد . این سیم پیچ ها دو نوع هستند . نوع خیلی معمولی آن از سیم های کلفت مسی یا آلومینومی تشکیل شده است که سرههای آنها بوسیله دوحلقه فلزی به یکدیگر متصل است وشکلی می سازند که شبیه فقس سنجابها میباشد و بعلت ولتاژ خیلی ضعیفی در سیم های روتور تولید میشود ، هیچ عایقی بین هسته روتور سیم ها وجود ندارد . ضمنا فاصله هوایی بین روتوروساتاتور خیلی کوچک در نظر گرفته شده است ، تا ماکزیمم شدت میدان روی رتور عمل میکند .

نوع دیگر سیم پیچی روتور موتورهای القایی دارای کلافهایی است که در شیار های روتور قرار میگرند و دراینصورت موتور را با روتورسیم پیچی شده میگویند .

صرف نظر از نوع روتوری که در موتورهای القایی مورد استفاده قرار میگیرد ، اساس کارشان یکی است یعنی درهر دو حالت وقتی جریان متناوب به سیم پیچهای استاتور اعمال میشود ، میدان مغناطیسی گردانی تولید میشود . این میدان مغناطیسی . سیمهای روتور را قطع کرده ، جریانی در آنها القا میکند . همانطورکه از مطالب گفته شده در پیش میدانید این جریان القا شده ایم میدان مغناطیسی دراطراف هادی های روتور ایجاد میکند که میدان مزبور کوشش میکند با میدان استاتور همگام شود اما چون میدان استاتور دائما درحال گردش است ،روتور نخواهد توانست که به آن برسد ولی همیشه میدان مزبور را تعقیب میکند .

مطابق قانون لنز، هر جریان القایی کوشش می کند که باتغییر میدانی که آنرا القا کرده است ، مخالف کند در مورد موتور القایی عامل تغییر ، حرکت میدان استاتور است . بنابراین در اثر عکس العمل بین میدان رتور واستاتور نیرویی به روتور وارد می شود که حرکت دائم میدان استاتور را از بین ببرد . به عبارت دیگر روتور در همان جهتی خواهد گردید که میدان استاتور می گردد و کوشش خواهد کرد که به آن برسد و در عمل تا آنجا که وزن و مقدار باریکه روی موتور است اجازه بدهد ، سرعت روتور تا نزدیکی های سرعت میدان استاتور خواهد رسید .

در یک موتور القایی امکان ندارد، روتور بتواند با سرعت میدان مغناطیسی استانور بگردد . از طرف دیگر ، اگر سرعت ها یکسان باشند ، هیچ حرکت نسبی بین روتورو میدان گردان وجود نخواهد داشت و درنتیجه هیچ جریانی درروتور القا نمی شود در این صورت ، هیچ نیروی گردانده ای هم بر روتور اعمال نخواهد شد . بنابراین برای وجود حرکت نسبی ، باید روتوربا سرعتی کمتر از سرعت میدان مغناطیسی بگردد .

تفاوت سرعت روتورومیدان مغناطیسی معمولا بصورت درصد گفته میشود و این اختلاف چند در صد را لنگی می گویند . هر چه لنگی کمتر باشد ، سرعت روتوربه سرعت میدان استاتور نزدیک می شود .  سرعت موتور بستگی دارد به گشتاور لازم برای بار و هر چه باد موتور بیشتر باشد ، نیروی گردنده قوی تری لازم است تا رتور را بگرداند .

اما نیروی گردنده موقعی زیاد می شود که نیروی الکترو موتوری القا شده در روتور زیاد شود ونیروی الکترو موتوری فقط موقعی زیاد می شود که میدان مغناطیسی ، روتور را با سرعت بیشتری قطع کنند . یعنی باید سرعت نسبی بین میدان مغناطیسی وروتور زیاد شود ، بنابراین باید روتور آهسته تر بگردد .

از این مطالب نتیجه میگیریم که موتور القایی برای بارهای سنگین تر ، آهسته تر از بارهای سبک خواهد گردید. در حقیقت برای ایجاد تغییر لازم در جریان روتور که برای تغییر معمولی بارموتور لازم است ، فقط یک تغییر جزئی باید در سرعت روتور داده شود چون سیم پیچی روتور دارای مقاومت خیلی کمی است . بنابراین موتورهای القایی برای تمام مقصودهای عملی موتورهایی با سرعت ثابت هستند .

روش راه اندازی موتور های آسنکرون( القایی)

این موتورها که با برق متناوب کار می کنند از دو قسمت روتور واستاتور ساخته شده اند.با روشن شدن موتور سیم پیچ های درون شیار های استاتور یک میدان مغناطیسی دوار بوجود می آورند که این میدان برروتور که قسمت گردنده موتور ودارای محور انتقال حرکت می باشد نیز اثر گذاشته ودر آن خاصیت مغناطیسی بوجود می آید .به هر حال با بوجود آمدن قطب های مغناطیسی هم نام وغیرهم نام عمل جذب ودفع انجام شده که باعث حرکت چرخشی روتور می گردد.برای راه اندازی موتور ها از حالت سکون روش های مختلفی بکار می برند که مهمترین آن ها عبارتند از:

الف- موتور آسنکرون با راه انداز غیر خازنی (کلاجی ):  در این موتور به غیر از سیم پیچی های اصلی یک سری سیم پیچ کمکی نیز قرار دارد که میدان مغناطیسی دیگری با فاصله زمانی با میدان مغناطیسی اصلی بوجود می آورد.که باعث چرخش پرقدرت تر موتور می گردد. پس از این که سرعت موتور به 75 درصد سرعت اسمی رسید کلاج که تحت تاثیر نیروی گریز از مرکز کار می کند به عنوان یک کلید عمل کرده وسیم پیچ کمکی را از مدار خارج می کند.

 ب - موتورآسنکرون با راه انداز خازن موقت : این موتور دارای یک خازن الکترولیتی با ظرفیت حدود 200 الی 500 میکرو فاراد است که باسیم پیچ کمکی بطور سری بسته شده وهر دوی آنها باسیم پیچ اصلی موازی بسته می شوند. خازن وسیم پیچ کمکی یک اختلاف فاز ودو میدان مغناطیسی بوجود می آورد که باعث چرخش موتور می گردد. در این موتور نیز کلید گریز از مرکز سیم پیچ کمکی را از مدار خارج می کند.

 ج - آسنکرون با راه انداز خازن موقت وخازن دایم:  یکی از خازن ها پس از راه اندازی از مدار خارج شده وخازن دیگر در حالتی که با سیم پیچ کمکی سری می باشد در مدار باقی می ماند.

د - آسنکرون با راه انداز خازن دایمی :در این موتور ها که دارای قدرت کم تری نسبت به موتور های قبلی هستند از یک خازن که با سیم پیچ کمکی سری بسته شده است استفاده شده و کلید گریز از مرکز ندارند بنابر این خازن به همراه سیم پیچ کمکی همیشه در مدار باقی است.

  
نویسنده : مهندس شهامتی ; ساعت ٧:٥۳ ‎ق.ظ روز سه‌شنبه ٩ اردیبهشت ۱۳٩۳