به نام خداوند قلم
موضوع : راه اندازی موتورهای روتوری سیم پیچی شده
تهیه کننده : حمید دیانتی پور
مقدمه
موتورجریان متناوب یک ماشین الکتریکی است که با جریان متناوب تغذیه شده و توان الکتریکی را تبدیل به توان مکانیکی چرخشی یا خطی مینماید . موتور جریان متناوبAC از دو قسمت اصلی تشکیل شده :
استاتور : هسته خارجی و معمولاً ثابت که با استفاده از جریان متناوب میدان دوار ایجاد میکند.
روتور : هسته داخلی و متحرک که به محور خروجی متصل شده با توجه به میدان دوار تولید شده توسط استاتور ، گشتاور تولید میکند .
از نظر نوع روتور مورد استفاده قرارگرفته در موتورها ، موتورهای جریان متناوب به دوصورت طبقهبندی میشوند:
موتورسنکرون یا همزمان که درآن روتوردقیقاً باسرعت میدان دوارمیچرخد . دراین نوع موتورها میدان الکتریکی روتور به وسیله یک منبع خارجی تامین میشود.
موتور اسنکرون یا القایی که در آن میدان الکتریکی روتور ازالقای میدان استاتور پدید میآید.
تاریخچه
در ۱۸۸۲ نیک ولاتسلا اصول میدان مغناطیسی دوار را پایه گذاری کرد و راه را برای استفاده از میدان دوار به عنوان یک نیروی مکانیکی باز کرد. درسال ۱۸۸۳ او ازاین اصول برای طراحی یک موتورالقایی دوفاز استفاده کرد . در ۱۸۸۵ «گالیلئوفراریس» (Galileo Ferraris) مستقلاً تحقیقاتی را دراین باره آغاز کرد و در ۱۸۸۸ نتایج تحقیقات خود را در قالب مقاله ای به آکادمی سلطنتی علوم درتورین ایتالیا ارائه داد.
حرکتی که نیک ولاتسلا در ۱۸۸۸ آغازکرد چیزی بود که امروزه برخی از آن به عنوان «انقلاب صنعتی دوم» یاد میکنند ، چرا که این حرکت به تولید آسانتر انرژی الکتریکی و همچنین امکان انتقال انرژی الکتریکی درطول مسافتهای طولانی انجامید. قبل از اختراع موتورهای جریان متناوب به وسیله تسلا موتورها به وسیله حرکت دائم یک هادی در میان میدان مغناطیسی ثابت به حرکت در میآمدند. تسلا به این نکته اشاره کرد که میتوان کلکتورهای موتور را حذف کرد به طوری که موتور به وسیله میدانی دوار به حرکت درآید . تسلا بعدها موفق به کسب حق امتیاز شماره ۰٫۴۱۶٫۱۹۴ایلات متحده برای اختراع موتور خود شد. این موتور که در بسیاری از عکسهای تسلا نیز هست نوع خاصی از موتور القایی بود.
درسال ۱۸۹۰ میخایلاسیبوویچ یک موتورسه فاز روتور قفسی اختراع کرد. این نوع موتور امروزه به طور وسیعی برای کاربردهای گوناگون استفاده میشود.
موتورجریان متناوب سه فاز القایی
در بیشتر محلهایی که سیستم تغذیه سه فاز (یاچندفاز) در دسترس است از این گونه موتورها استفاده میشود به ویژه در قدرتهای بالاتر استفاده ازاین موتورها بسیار رایج است. اختلاف زاویه بین هر یک از سه فاز تغذیه کننده باعث به وجود آمدن یک میدان دوار متعادل میشود که دارای سرعتی ثابت است.
در یک موتور القایی میدان مغناطیسی دوار موجب القای یک جریان در هادی های روتور میشود. این جریان به طور متقابل میدان مغناطیسی را به وجود میآورد که موجب چرخش روتور درجهت میدان مغناطیسی دوارخواهد شد. اما نکته ای که باید به آن توجه داشت این است که روتور همیشه باید باسرعتی کمتری از سرعت استاتور بچرخد و به عبارت دیگر در صورتی که سرعت روتور و میدان دوار یکسان باشد جریانی در روتور القا نخواهد شد.
موتورهای القایی در صنایع به طور گستردهای مورد استفاده قرار میگیرند اما قدرتهای حدود ۵۰۰ کیلو وات خیلی بیشتر رایج هستند . موتورهای القایی معمولاً با اندازه های استانداردی ساخته میشوند (البته این استاندارد ها در اروپا و آمریکا متفاوت است) این استانداردگذاری درساخت موتورها تقریباً همه آنها را قابل تعویض میکند. توان برخی از موتورها القایی بسیار بزرگ تادهها هزارکیلو وات میرسد و از جمله استفاده های این موتورها میتوان به کمپرسورهای خطوط لوله و تونل های باد اشاره کرد . برای این موتورها دو نوع مختلف از روتور وجود دارد :
1- روتور قفسی (قفس سنجابی)
2- روتور سیم پیچی شده
روتور قفسی بیشتر موتورهای جریان متناوب از این نوع روتورها استفاده میکنند به طوری که میتوان گفت همه موتورهای خانگی وموتورهای سبک صنعتی از این نوع روتورها استفاده میکنند. روتور قفسی یا قفس سنجابی نام خود را به خاطر شکلش گرفته ؛ دو رینگ در دو انتهای روتور که به وسیله میلههای به هم وصل شده اند شکلی تقریبا شبیه یک قفس تشکیل میدهند . این میلهها عموماً از جنس آلومینیوم یا مس هستند و در بین ورقههای لایه لایه شده فولادی ریخته شدهاند . بیشتر جریان القا شده در روتور از میان این میلهها عبور میکند چرا که ورقه ای لایه لایه فولادی به علت لاک زنی شدن دارای مقاومت الکتریکی زیادی هستند. ولتاژ ایجاد شده در بین حلقه ها بسیار پایین است اما جریان جاری بسیار زیاد است و این به دلیل مقاومت پایین این میله هاست. در موتورهایی که راندمان بالاتری دارند از مس برای تولید روتور استفاده میشوند چرا که مقاومت الکتریکی این فلز کمتر است.
تصویری ازروتور یک موتور ، روتور قفسی
در هنگام کار ،موتور القایی شبیه یک ترانسفورماتور عمل میکند که استاتور اولیه و روتور ثانویه آن محسوب میشود. زمانی که روتور با سرعت میدان دوار نمیچرخد جریان القاشده در روتور زیاد است ، این جریان زیاد میدان مغناطیسی ایجاد میکند که با افزایش سرعت روتور سرعت آنرا هرچه بیشتر به سرعت استاتور نزدیک میکند. یک موتور القایی روتور قفسی در هنگام بی باری (سرعت برابر با میدان دوار) تنها مقدار کمی انرژی الکتریکی برای جبران تلفات مکانیکی (اصطکاک) و تلفات مسی (تلفات ایجاد شده به دلیل مقاومت هادیهای الکتریکی) مصرف میکند . اما زمانی که بار موتور افزایش مییابد میزان جریان جاری در روتور افزایش مییابد (برای جبران فشار وارده به محور موتور) و به این ترتیب موتور مانند یک ترانسفورماتور عمل میکند چرا که با افزایش جریان در ثانویه جریا ناولیه نیز افزایش مییابد. این دلیل کاهش یافتن نور لامپها در هنگام روشن شدن موتورهای القایی است البته زمانی که این موتورها به هواکش ها متصل شدهاند این اتفاق نمیافتد.
موتورهای القایی که از حرکت واماندهاند (به دلیل بار زیاد یا گیر کردن محور) جریانی بسیار زیاد مصرف خواهند کرد چرا که تنها عامل محدود کننده جریان در چنین حالتی مقاومت ناچیز هادی های استاتور و روتور خواهد بود و در صورتی که این جریان به وسیله عاملی خارجی مهار نشود موتور و تجهیزات تغذیه کننده آن آسیب خواهند دید.
روتور سیم پیچی
زمانی که مقاومت سر راه روتور قابل تغییر باشد ، روتور را سیم پیچی شده مینامند. یکی از کاربردهای این نوع روتور ها در موقعیتهایی است که به سرعت متغیر نیاز است . در این روتورها سیمپیچ روتو رطوری پیچیده شده که تعداد قطبها در روتور و استاتور برابر هستند و خروجی هر فاز از روتور به طور جداگانه و به وسیله حلقههای
لغزنده از موتور خارج شده است. این حلقههای لغزنده ارتباط الکتریکی خود با محور موتور را معمولاً به وسیله کربن ایجاد میکنند و پس از خارج شدن از موتور به یک مقاومت متغیر خارجی وصل میشوند.
در مقایسه با موتورها روتور قفسی ، موتورهای روتور سیم پیچی گرانتر هستند و به علت استهلاک حلقههای لغزان دارای هزینه تعمیر و نگه داری بالاتری نیز هستند ، قبل از تولید تجهیزات کنترل سرعت الکترونیکی این موتورها بهترین راه برای کنترل سرعت بودند همچنین این موتورها میتوانند در لحظه شروع به کار گشتاور بالاتری داشته باشند . استفاده از کنترل کنندههای ترانزیستوری فرکانس راهی مناسب برای کنترل دور موتورهای جریان متناوب است و این از تمایل برای استفاده از موتورهای روتور سیم پیچی کاسته است.
راه های مختلفی برای راهاندازی موتورهای جریان متناوب استفاده میشود که اغلب این راه ها بر کاهش جریان هجومی در هنگام راهاندازی و همچنین افزایش گشتاور راهاندازی تکیه میکنند. این گونه موتورها تنها با وصل ترمینالهای ورودی به برق شهری با ولتاژ استاندارد شروع به کارمیکنند و (برخلاف برخی موتورهای جریان مستقیم) نیاز به روش راهاندازی ویژه ای ندارند. یکی دیگر از روش های کاهش جریان راهاندازی موتور ، کاهش ولتاژ سیم پیچها در لحظه راهاندازی است که این کار به وسیله سری کردن سیم پیچها یبیشتر یا استفاده از اتوترانسفورماتور ، تریستور ویا دیگر تجهیزات کاهش ولتاژ صورت میگیرد. روشی دیگر برای کاهش ولتاژ سیم پیچها در لحظه راهاندازی تغییر طرز قرار گرفتن سیم پیچها و استفاده از کلید های ستاره – مثلث است. در این حالت ابتدا موتور را در حالت ستاره راهاندازی کرده و پس از رسیدن به دور نامی ، ترتیب قرار گرفتن سیم پیچها را به وسیله کلید تغییر داده و به حالت مثلث میبرند . این روش در اروپا رایجتر از آمریکای شمالی است.
سرعت موتور آسنکرون
سرعت در یک موتور جریان متناوب به دو عامل فرکانس و تعداد قطبهای موتور بستگی دارد و از فرمول زیر به دست میآید
که:
NS سرعت میدان دوار یا سرعت سنکرون (r. p. m)
F فرکانس منبع جریان متناوب (هرتز)
P تعداد قطبهای سیمپیچی به ازای هر فاز است.
میزان سرعت واقعی روتور همیشه از سرعت میدان دوار کمتر است . این اختلاف سرعت را لغزش مینامند و باS (مخفف slip به معنی لغزش) نمایش میدهند. در حالت بیباری سرعت روتور به سرعت سنکرون خیلی نزدیک خواهد بود و در بار نامی موتور لغزشی بین ۲ تا ۳ درصد خواهد داشت که در برخی موتورها این لغزش تا ۷٪ نیز میرسد . میزان لغزش در یک موتور جریان متناوب از رابطه زیر به دست میآید :
که:
Nr سرعت روتور (r. p. m)
S میزان لغزش است که میتواند عددی بین ۱ و ۰ باشد..
موتور جریان متناوب سه فاز سنکرون اگر خروجی قطبهای روتور به وسیله کلکتورها از موتور خارج شده و به یک منبع خارجی وصل شود به طوری که روتور نیز به نوبه خود میدانی جدا گانه و مداوم را ایجاد کند به موتور موتو رسنکرون یا همزمان گفته میشود. سرعت چرخش روتور در موتورهای سنکرون همواره برابر سرعت میدان دوار است و به همین دلیل این موتورها را هم زمان می نامند.
از این موتورها میتوان به عنوان یک ژنراتور جریان متناوب نیز استفاده کرد.
امروزه موتورهای سنکرون را اغلب به وسیله کنترل کنندههای ترانزیستوری فرکانس راهاندازی میکنند. این موتورها همچنین میتوانند به صورت یک موتور القایی نیز راه اندازی شوند به اینصورت که در روتور این موتورها از میله های هادیی شبیه روتورهای قفسی استفاده میشود و پس از راه اندازی ، این قسمت روتور خود به خود از مدار خارج میشود به اینصورت که پس از رسیدن موتور به دور نامی مقدار ناچیزی جریان درقفس رتور القا میشود و بدین ترتیب تقریباً از مدارخارج میشود.
یکی از کاربرد های موتورهای سنکرون اصلاح ضریب توانا ست . در مراکز صنعتی تقریباً تمامی بارها (به جز موتور های سنکرون پر تحریک) از انرژی الکتریکی به صورت پس فاز استفاده میکنند. بار های پس فاز موجب به وجود آمدن اختلاف فاز در مدار شده و ضریب توان مدار را کاهش میدهند که این میتواند موجب به وجود آمدن تلفات اضافی در طول خطوط شود. به دلیل خصوصیت خاص موتورهای سنکرون میتوان از آنها برای اصلاح ضریب توان نیز استفاده کرد ، چرا که در صورتی که موتور سنکرون در حالت پرتحریک کار کند تقریباً مانند یک بار خازنی عملکرده و از انرژی الکتریکی به صورت پیش فاز استفاده میکند و به این ترتیب میتوان از یک موتور سنکرون به جای خازن های اصلاح ضریب توان استفاده کرد. این خصوصیت موتورهای سنکرون باعث شده که با وجود مشکلات مربوط به راهاندازی آنها ، استفاده از آنها هنوز رایج باشد.
برخی از بزرگترین موتورهای جریان متناوب در نیروگاههای آب تلمبهای مورد استفاده قرار میگیرند چرا که این موتورها به راحتی میتوانند نقش ژنراتور را ایفا کنند و به این ترتیب در ساعات کم مصرف انرژی الکتریکی به صورت موتور عملکرده و آب را به مخزن پر ارتفاعی پمپ کنند و سپس در ساعات پر مصرف باپایین آمدن آب به صورت ژنراتور عملکرده و از شبکه پشتیبانی کنند. درنیروگاه آب تلمبهای Bath County در ویرجینیای آمریکا از شش ژنراتور سنکرون ۳۵۰ مگاواتی استفاده شده است که در زمان پمپ ،هر کدام میتوانند توانی برابر ۵۶۳۴۰۰ اسببخار (۴۲۰۱۲۷ وات) تولیدکنند.
راه اندازی
موتورهای آسنکرون باتوجه به قدرت و ولتاژ آن به طرق مختلف راه اندازی میشوند و باتوجه به این که موتور در لحظه شروع به کار جریان زیادی از منبع الکتریکی میکشد و این جریان زیاد علاوه بر این که به خود موتور صد مهمی زند به مصرف کنندههای دیگری که از این خط مشترک تغذیه میشوند لطمه زده و کار آنها را مختل میسازد. موتور آسنکرون معمولاً به روشهای زیر راه اندازی میشود در نتیجه جریان راه اندازی کم میشود:
به طورمستقیم
برای موتورهایی که بزرگ نیستند و آمپر زیادی از شبکه نمیکشند بوسیله یک کلید سه قطبی به شبکه متصل میشوند.
توسط کلید یا مدار ستاره- مثلث
ابتدا ولتاژ اولیه را که بر هر فازمتصل میشود ، را کم میکنیم سپس وقتیکه موتور به دور نرمال خود رسید ولتاژی راکه به هر فاز میرسد زیاد میکنیم . بنابراین در لحظه اول کلید به حالت ستاره بوده یعنی ولتاژ دو سر هر فاز به u/√3 تقلیل مییابد در نتیجه موتور با توان 3/1 توان نامی خود کار میکند. است عمال کلید روی انواع موتورها با روتور قفسهای یا روتو رسیم پیچی امکان پذیراست. ولی در موتورهایی که با بار زیاد کارمیکنند از کلید برای راه اندازی استفاده نمیشود . چون گشتاور مقاوم بار زیاد است.
توسط کمپانساتور
این وسیله راه اندازی که اتو ترانسفورماتور کاهنده است بین موتور و شبکه قرار میگیرد . این طریق راه اندازی به دلیل این که جریان شروع به کار و گشتاور شروع به کار هر دو به یک نسبت پایین میآیند خیلی خوب است. ولی چون هزینه آن گران است فقط در موتورهایی که قدرت زیاد دارند استفاده میشوند.
اضافه کردن مقاومت در مدار روتور
برای جلوگیری از عبور جریان زیاد در موقع راه اندازی موتور میتوان مقاومتهایی به طور سری سر راه سیم پیچی های موتور قرار دارد . و به تدریج که موتور دور میگیرد دسته مقاومتهای راه انداز را به طرف چپ حرکت داده در اینصورت کم کم مقاومتها از سرراه مدار خارج میشود. این طریق راه اندازی به دلیل تلفات انرژی در مقاومتها زیاد و نیروی کشش در لحظه شروع به کار کم ، استعمال کمی دارد.
اضافه کردن مقاومت در مدار استاتور
تمام مقاومتهای راه انداز را سر راه سیم پیچی روتور قرار داد. بدین وسیله مقاومت مدار سیم پیچی روتور را به حداکثر مقدار خود می رسانند وسپس استاتور را به شبکه برق وصل میکنند. مقاومت روئستای روتور به تدریج از مدار خارج میشود . موتور را باید شست.
سر وو موتورهای دو فازجریان متناوب یک سرو و موتور جریان متناوب دارای یک روتور قفسی است و سیم پیچ آن شامل دو قسمت است: ۱) سیم پیچ اصلی ۲) سیم پیچ کمکی که از آن برای به وجود آوردن میدان دوار استفاده میشود. دراین موتورها مقاومت روتور بالا است و بنابراین منحنی گشتاور – دور این موتورها تقریباً خطی است. به طور کلی این موتورها ،موتورهایی پرسرعت و با گشتاور پایین هستند و معمولاً قبل از وصل به بار سرعت آن ها به وسیله وصل به چرخ دنده ها کاهش مییابد.
موتور با قطب سایه دار
برخی موتورهای جریان متناوب ، دارای قطب سایهدار (چاکدار) هستند. از این قطب برای ایجاد گشتاور راهاندازی در موتور استفاده میشود. نمونه این موتور ها در فن های الکتریکی کوچک و برخی پمپهای کوچک و برخی دیگر از موتور های توان پایین دیده میشود. در این موتورها از یک سیم پیچ کوچک و با سطح مقطع پایین با نام سیم پیچ سایه ای استفاده میشود به اینصورت که قسمتی از هر قطب به وسیله این سیم پیچ پوشیده شده است. طرز کار این موتورها به اینصورت است که با القای الکتریکی در سیم پیچها به علت خاصیت سلفی سیم پیچهای سایهای ، این سیم پیچها با تغییرات جریان مخالفت میکنند (قانون لنز) و بنابراین یک اختلاف اندک بین جریان در سیم پیچ اصلی و سیم پیچ سایهای ایجاد میشود که موجب چرخش موتور شده و از قفل شدن موتور در لحظه راهاندازی جلوگیری میکند. با افزایش سرعت روتور نیاز به وجود قطبهای کمکی از بین میرود چرا که به دلیل وجود این رسی موتور به چرخش ادامه میدهد.
موتور القایی با انشقاق فاز
یکی دیگر از انواع موتورهای تکفاز القایی ، موتور با انشقاق فاز است که نسبت به موتور باقطب سایه دار کاربردهای مهم تری دارد. از جمله کاربردهای این موتورها میتوان به موتورهای مورد استفاده قرارگرفته در ماشینهای لباسشویی و خشککن ها اشاره کرد. در مقایسه با موتورهای باقطب سایهدار این موتورها گشتاور راهاندازی خیلی بیشتری دارند و این به دلیل استفاده ازسیم پیچ راه انداز است. این سیم پیچ راهانداز معمولاً پس از راه اندازی کامل موتور به وسیله یک کلید گریز از مرکز از مدار خارج میشود.
در موتورهای انشقاق فاز ، سیم پیچ راه انداز همیشه با مقاومت بیشتری نسبت به سیم پیچ اصلی ساخته میشود و به این ترتیب نسبت المانهای سلفی و مقاومتی در هر سیم پیچ متفاوت است ،همچنین تعداد دور سیم پیچ کمکی کمتر ازسیم پیچ اصلی است که این موجب کاهش خاصیت سلفی این سیم پیچ میشود. بنا بر این این سیم پیچ نسبت به سیم پیچ اصلی دارای مقاومت بیشتر و اندوکتانس کمتر است. کمتر بودن نسبت L به R موجب به وجود آمدن اختلاف فاز در دو سیم پیچ میشود که معمولاً بیشتر از ۳۰ درجه نیست. این اختلاف فاز موجب چرخش موتور در لحظه راهاندازی میشود. پس از راه اندازی به علت وجود این رسی موتور به چرخش خود ادامه میدهد و به این ترتیب نیازی به سیم پیچ کمکی نخواهد بود به همین دلیل سیم پیچ کمکی به وسیله کلید گریز ازمرکز ازمدار خارج میشود و به این ترتیب از ایجاد تلفات اضافی به وسیله سیم پیچ کمکی جلوگیری میشود.
موتورهای جریان متناوب باخازن راه انداز
درموتورهایی که از خازن برای راه اندازی استفاده میکنند از یک خازن که با سیم پیچ کمکی سری شده استفاده میشود . این خازن در واقع وظیفه ایجاد اختلاف فاز بین سیم پیچها را بر عهده دارد. اختلاف فاز ایجاد شده توسط خازنها در لحظه راهاندازی خیلی بیشتر از نوع قبلی است و بنابراین میزان گشتاور راه اندازی این موتورها نیز بیشتر است و البته هزینه این موتورها نیز بیشتر است.
موتورهای خازنی باخازن ثابت
نوع دیگری از موتورهای جریان متناوب موتورها باخازن ثابت یا موتورهایPSC هستند. این موتورها دقیقاً مانند موتورهای خازنی که در بالا توضیح داده شد عمل میکنند با این تفاوت که فاقد کلید گریز از مرکز بوده و بنابراین خازن در این موتورها همواره در مدار است. موتورهای با خازن ثابت به طور گسترده ای در فنها ، دمندهها و سیستمهایی که تغییر سرعت برای آنها مطلوب است استفاده میشوند. در برخی موارد که نیاز به استفاده از یک موتور سه فاز به صورت تک فاز است با اتصال یک خازن به یکی از فازها و سری کردند و فاز دیگر میتوان ازموتور سه فاز به صورت تک فاز استفاده کرد که البته در این حالت گشتاور موتور کاهش مییابد.
موتور پولزیون
موتور پولزیون یا موتور دفع کننده نوعی موتور تکفاز جریان متناوب است. روتور این موتورها سیم پیچی شده و تا حدودی شبیه موتورهای یونی ورسال هستند. در گذشته تعدادی از این موتورها ساخته میشد اما استفاده از موتورهای RS-IR (راهاندازدفع کننده-حرکت القایی) به نسبت رایج تربود. موتورهایRS-IR دارای یک کلید گریز از مرکز هستند که پس از رسیدن به سرعت نامی تمام کلکتورها را به هم وصل کرده و روتور را به صورت یک روتور قفسی در میآورد بنابراین موتور در هنگام کار مانند یک موتور روتور قفسی عمل میکند. ازموتورهایRS-IR در مواردی استفاده میشده که نیاز به وجود گشتاور راهاندازی بالا در دمای پایین و تنظیم ولتاژ اندک بوده. امروزه این نوع موتورها ساخته نمیشوند.
موتورسنکرون جریان متناوب تک فاز
موتورهای سنکرون تکفاز کوچک به ایجاد میدان مغناطیسی به وسیله یک منبع خارجی از آهنربا های کوچک برای ایجاد میدان استفاده میکنند. بنابراین روتور این موتورها نیازی به جریان القا کننده نخواهد داشت. خصوصیت اصلی این موتورها سرعت ثابت آنهاست به طوریکه اغلب دروسایلی ازآنها استفاده میشود که نیاز به سرعتی ثابت دارند. این موتورها درساعتها،دیسک گردانها،ضبط صوتها و برخی دیگرازتجهیزات دقیق مورد استفاده قرارمیگیرد.
تمام