موتور القایی حلقه لغزنده وسیله ای الکتریکی است که انرژی الکتریکی را به انرژی مکانیکی تبدیل می کند. به دلیل ویژگی خود راه اندازی که دارد بیشتر برای کاربردهای صنعتی استفاده می شود. موتور القایی حلقه لغزنده یکی از انواع الکتروموتور سه فاز و از نوع موتورهای روتور زخمی می باشد. به دلیل مزایای مختلف مانند جریان کم اولیه، گشتاور راه اندازی بالا و ضریب توان بهبود یافته، در کاربردهایی که نیاز به گشتاور بالا، جرثقیل ها و آسانسورها دارند استفاده می شود. سیم پیچ های روتور از تعداد سیم پیچ بیشتر، ولتاژ القایی بالاتر و جریان کمتر در مقایسه با روتور قفس سنجابی تشکیل شده است. سیم پیچ ها از طریق حلقه های لغزشی به مقاومت خارجی متصل می شوند که به کنترل گشتاور / سرعت موتور کمک می کند.
موتور القایی حلقه لغزنده چیست؟
موتور القایی حلقه لغزنده به عنوان موتور آسنکرون یا ناهمزمان هم شناخته می شود زیرا سرعتی که در آن کار می کند با سرعت سنکرون روتور برابر نیست. روتور این نوع موتورها از نوع سیم پیچی است. این شامل یک هسته فولادی چند لایه استوانه ای و یک شیار نیمه بسته در مرز بیرونی برای قرار دادن یک مدار سیم پیچ عایق سه فاز است.
همانطور که در شکل بالا مشاهده می شود، روتور برای مطابقت با تعداد قطب های روی استاتور پیچیده شده است. سه پایانه یک روتور و سه پایانه استارت که از طریق حلقه های لغزشی به هم متصل می شوند به یک شفت متصل می شوند. هدف شفت انتقال نیروی مکانیکی است.
اجزای موتور القایی حلقه لغزنده
قبل از اینکه در مورد اصل کار موتور القایی حلقه لغزنده صحبت کنیم، درک ساختار این الکتروموتور مهم است. به طور کلی این موتور شامل دو بخش استاتور و روتور است.
استاتور
استاتور این موتور شامل شکاف های مختلفی است که برای پشتیبانی از ساخت یک مدار سیم پیچ سه فاز که به منبع AC سه فاز متصل می شود، چیده شده اند.
روتور
روتور این موتور از یک هسته استوانه ای با لایه های فولادی تشکیل شده است. علاوه بر این، روتور دارای شکاف های موازی برای قرار دادن سیم پیچ های سه فاز است. سیم پیچ ها در این شکاف ها به صورت ۱۲۰ درجه نسبت به یکدیگر چیده شده اند. این ترتیب می تواند نویز را کاهش دهد و از توقف نامنظم موتور جلوگیری کند.
نحوه کار موتور القایی حلقه لغزنده
این موتور بر اساس قانون القای الکترومغناطیسی فارادی کار می کند. هنگامی که سیم پیچ استاتور با منبع AC فعال می شود، سیم پیچ استاتور شار مغناطیسی تولید می کند. بر اساس قانون القای الکترومغناطیسی فارادی، سیم پیچ روتور القا می شود و جریانی از شار مغناطیسی تولید می کند. این EMF القایی گشتاور ایجاد می کند که روتور را قادر می سازد تا بچرخد.
با این حال، اختلاف فاز بین ولتاژ و جریان الزامات تولید گشتاور راه‌اندازی بالا را برآورده نمی‌کند، زیرا گشتاور توسعه یافته یک جهته نیست. مقاومت خارجی با ارزش بالا برای بهبود اختلاف فاز یک موتور به مدار متصل می شود. در نتیجه راکتانس القایی و اختلاف فاز بین I و V کاهش می یابد.
در نتیجه، این کاهش به موتور کمک می‌کند تا گشتاور بالایی تولید کند. نمودار موتور القایی حلقه لغزش در زیر نشان داده شده است.
اندوکتانس چیست؟
در تصویر زیر، یک مدار ساده ترکیبی از یک مقاومت و یک سلف به صورت سری وجود دارد که به ولتاژ سینوسی AC متصل است. اجازه دهید یک زاویه سنج فاز را به مدار وصل کنیم تا اختلاف فاز بین ولتاژ اعمال شده و جریان را اندازه گیری کنیم. می بینید که جریانی که از مدار می گذرد با ولتاژ اعمال شده هم فاز نیست. این به دلیل وجود راکتانس القایی در مدار است. هرچه فرکانس الکتریسیته بیشتر باشد، راکتانس القایی و اختلاف فاز بیشتر خواهد بود. مقدار مقاومت بالاتر این اختلاف فاز را کاهش می دهد. این در مورد یک اندوکتانس است.
عیب های رایجی که در موتورهای القایی رخ می دهد
نکته اصلی این است که وقتی ما از موتور القایی استفاده می کنیم، باید بدانیم که مشکلات موتور القایی چیست. دقیقاً همین اتفاق در روتور نیز رخ می دهد. روتور ترکیبی از مقاومت و راکتانس القایی است. به دلیل همین پدیده تاخیر فاز (اگر حداکثر EMF روی یک میله باشد)، حداکثر جریان روی میله دیگری است، این همان چیزی است که در تصور زیر نشان داده شده است.
شرایط حداکثر گشتاور
اکنون یک واقعیت جالب در مورد موتورهای القایی را توضیح خواهیم داد. یک موتور القایی حداکثر گشتاور را تولید می کند که حداکثر جریان بر روی روتور القاء شود و نزدیک به حداکثر شار مغناطیسی باشد که به آن شرایط حداکثر گشتاور گفته می شود. از آنجایی که جریان القایی شرایط حداکثر گشتاور را برآورده نمی کند این امر قطعا میزان گشتاور تولید شده توسط موتور القایی را کاهش می دهد. این اختلاف فاز با روشن شدن موتور زیاد خواهد شد.
هنگام راه اندازی موتور، سرعت روتور صفر است. به همین دلیل میدان مغناطیسی با سرعت بسیار بالایی از روتور عبور می کند و فرکانس EMF القایی بالا خواهد بود. این منجر به اندوکتانس و اختلاف فاز بالا می شود که باعث گشتاور راه اندازی بسیار کم موتور القایی معمولی می شود.
تولید گشتاور راه اندازی بالا با موتور القایی حلقه لغزنده
برای غلبه بر این مشکل، موتور القایی حلقه لغزنده وارد ماجرا می شود. اصول کار و ساخت استاتور موتور القایی حلقه لغزش دقیقاً مشابه موتور قفس سنجابی است. با این حال، ساختار روتور موتور حلقه لغزنده بسیار جالب است. به جای میله ها، از سه سیم پیچ در موتور استفاده می شود. هدف این ساخت روتور کاهش اختلاف فاز است. اجازه دهید توضیح دهیم که روتور حلقه لغزنده چگونه این کار را انجام می دهد. برای درک بهتر شما به جای سیم پیچ فعلی ۲۴ شیار، از سیم پیچ ۱۲ شکافی استفاده کردیم.
در اینجا دوباره، RMF EMF را در پایانه های سیم پیچ القا می کند. بیایید انتهای سیم پیچ را در یک اتصال ستاره ای به هم وصل کنیم و دوباره فرض کنیم که راکتانس القایی صفر است. همانطور که در تصویر زیر نشان داده شده است جریان در سیم پیچ ایجاد می شود. با این حال، در عمل، جریان از EMF القایی عقب می ماند. در اینجا دوباره “شرط حداکثر گشتاور” برآورده نمی شود.
چرا از مقاومت خارجی استفاده می کنیم؟
در موتور القایی حلقه لغزنده، گزینه ای برای کاهش این اختلاف فاز جریان EMF با استفاده از مقاومت خارجی وجود دارد. انتهای دیگر سیم پیچ ها از طریق حلقه های لغزشی به یک مقاومت خارجی متصل می شوند. در مدار ساده دیدیم که با افزایش مقدار مقاومت می‌توانیم اختلاف فاز را کاهش دهیم. با راه اندازی موتور القایی حلقه لغزش، مقدار مقاومت خارجی افزایش می یابد.
این زاویه اختلاف فاز را کاهش می دهد و جریان القایی به “شرایط حداکثر گشتاور” نزدیک می شود. به این ترتیب موتورهای القایی حلقه لغزنده حتی در هنگام راه اندازی نیز می توانند گشتاور بالایی تولید کنند.
چرا از حلقه های لغزنده در موتورهای القایی استفاده می شود؟
لغزش به عنوان تفاوت بین سرعت شار و سرعت روتور تعریف می شود. برای اینکه یک موتور القایی گشتاور تولید کند، حداقل باید بین سرعت میدان استاتور و سرعت روتور تفاوت وجود داشته باشد. این تفاوت “لغزش” نامیده می شود. Slip Ring یک دستگاه الکترومکانیکی است که به انتقال قدرت و سیگنال های الکتریکی ثابت به یک قطعه چرخان کمک می کند.
حلقه های لغزنده به عنوان رابط های الکتریکی دوار، اتصالات چرخشی الکتریکی، حلقه های گردان یا حلقه های جمع کننده نیز شناخته می شوند. گاهی اوقات، بر اساس کاربرد، حلقه لغزنده به پهنای باند بالاتری برای انتقال داده ها نیاز دارد. حلقه های لغزنده با بهبود عملکرد سیستم و حذف سیم هایی که از اتصالات موتور آویزان هستند، کارایی و عملکرد موتور را بهبود می بخشد.
محاسبه مقاومت موتور القایی حلقه لغزنده
اگر r = Smax. X برقرار باشد اوج گشتاور اتفاق می افتد. در این فرمول، Smax لغزش در گشتاور خروجی، X اندوکتانس روتور و r مقاومت سیم پیچ روتور است.
با اضافه کردن مقاومت R به این معادله خواهیم داشت r+R= (Smax)’. X و از این دو معادله به معادل زیر دست پیدا خواهیم کرد:
R = r(S’ max/Smax – ۱)
با تعریف Smax به Smax = 1 – (Nmax/Ns) خواهیم رسید.
با قرار دادن S’max =1 در معادله سوم R = r. (1/Smax-1) را بدست خواهیم آورد. فرض کنید Ns سرعت سنکرون ۱۰۰۰ دور در دقیقه و گشتاور خروجی در ۹۰۰ دور در دقیقه اتفاق می افتد بنابراین معادله چهارم به Smax = 0.1 تبدیل خواهد شد و این یعنی لغزش ۱۰% است.
با جایگذاری در معادله پنج به :
R = r. (1/0.1 – ۱)
R = 9. r
دست پیدا می کنیم. r با استفاده از مولتی متر اندازه گیری می شود. مقدار مقاومت ۹ برابر بیشتر از مقاومت روتور حلقه لغزنده است که به صورت خارجی متصل می شود تا حداکثر گشتاور راه اندازی را تجربه کند.
کنترل سرعت موتور القایی حلقه لغزنده
کنترل سرعت این الکتروموتور با دو روش زیر قابل انجام است:
اثر افزودن مقاومت خارجی
به طور کلی، راه اندازی این موتورها زمانی اتفاق می افتد که ولتاژ کامل خط را بکشد که ۶ تا ۷ برابر بیشتر از جریان بار کامل است. این جریان بالا را می توان با مقاومت خارجی متصل شده به صورت سری با مدار روتور کنترل کرد. مقاومت خارجی به عنوان یک رئوستات متغیر در طول راه اندازی موتور عمل می کند و به طور خودکار به مقاومت بالا تغییر می کند تا جریان راه اندازی مورد نیاز را دریافت کند.
مقاومت خارجی به محض بدست آوردن سرعت نرمال موتور، مقاومت بالا را کاهش می دهد و گشتاور راه اندازی موتور را افزایش می دهد. تغییر مقاومت خارجی همچنین به کاهش جریان روتور و استاتور کمک می کند اما ضریب قدرت موتور را بهبود می بخشد.
استفاده از مدار تریستور
مدار روشن/خاموش تریستور راه دیگری برای کنترل سرعت موتور است. در این روش جریان AC روتور به یکسو کننده پل سه فاز وصل شده و از طریق فیلتر به مقاومت خارجی متصل می شود. تریستور به مقاومت خارجی متصل است و با فرکانس بالا روشن/خاموش می شود. نسبت زمان روشن به زمان خاموش، مقدار واقعی مقاومت مدار روتور را تخمین می زند که با کنترل ویژگی های سرعت-گشتاور به کنترل سرعت موتور کمک می کند.
تفاوت بین موتور قفس سنجابی و موتور القایی حلقه لغزنده
تفاوت این دو الکتروموتور در قالب جدول زیر خلاصه شده است:
| موتور حلقه لغزنده | موتور قفس سنجابی |
| دارای روتور زخمی یا کلافی است | روتور آن از نوع قفس سنجابی است |
| روتور دارای هسته استوانه ای شکل دارای شکاف های موازی است که در آن هر شکاف دارای یک میله است | اسلات ها موازی با یکدیگر نیستند |
| ساخت و ساز به دلیل حلقه های لغزنده و براش ها پیچیده است | ساخت و ساز ساده است |
| مدار مقاومت خارجی با یک موتور متصل می شود | هیچ مدار مقاومت خارجی وجود ندارد زیرا میله های روتور کاملاً شکاف دارند |
| گشتاور راه اندازی بالاست | گشتاور پایین است |
| راندمان پایین است | راندمان بالاست |
مزایای موتور القایی حلقه لغزنده
- گشتاور راه اندازی بالا و عالی برای تحمل بارهای اینرسی بالا.
- به دلیل مقاومت خارجی، جریان راه اندازی کم دارد
- می تواند جریان بار کامل را ۶ تا ۷ برابر بیشتر بگیرد
کاربردها
موتورهای القایی معمولی یا موتورهای نوع قفس سنجابی، گشتاور راه اندازی بسیار پایینی تولید می کنند و برای برخی کاربردها، این گشتاور راه اندازی کم باعث ایجاد مشکل بزرگی می شود. در این شرایط است که از موتورهای القایی حلقه لغزنده استفاده می‌شود، زیرا گشتاور راه‌اندازی بالایی تولید می‌کنند.
برخی از کاربردهای موتور القایی حلقه لغزنده عبارتند از
- این موتورها در کاربردهایی استفاده می شوند که گشتاور بالاتر و جریان راه اندازی کم مورد نیاز است.
- مورد استفاده در کاربردهایی مانند آسانسور، کمپرسور، جرثقیل، نوار نقاله، بالابر و بسیاری موارد دیگر