موتور القایی (که به عنوان موتور آسنکرون شناخته می شود) یک الکتروموتور یا موتور الکتریکی AC است که معمولا مورد استفاده قرار می گیرد. در یک موتور القایی، جریان الکتریکی در روتور مورد نیاز برای تولید گشتاور از طریق القای الکترومغناطیسی از میدان مغناطیسی دوار سیم پیچ استاتور به دست می آید. روتور یک موتور القایی می تواند یک روتر قفس سنجابی یا روتور کلافی (wound rotor) باشد.
موتورهای القایی به عنوان موتورهای آسنکرون یا ناهمزمان شناخته می شوند زیرا با سرعت کمتر از سرعت سنکرون خود کار می کنند، بنابراین اولین چیزی که باید متوجه شویم این است که سرعت همزمان یا سنکرون چیست؟
سرعت سنکرون
سرعت سنکرون سرعت چرخش میدان مغناطیسی در یک دستگاه دوار است و به فرکانس و قطب های دستگاه بستگی دارد. موتور القایی همیشه با سرعت کمتر از سرعت سنکرون خود کار می کند.
میدان مغناطیسی دوار تولید شده در استاتور باعث ایجاد شار در روتور می شود و از این رو باعث چرخش روتور می شود. به دلیل تاخیر بین جریان شار در روتور و جریان شار در استاتور، روتور هرگز به سرعت میدان مغناطیسی چرخشی خود (یعنی سرعت سنکرون) نمی رسد.
به طور کلی دو نوع موتور القایی وجود دارد. انواع موتورهای القایی به منبع ورودی بستگی دارد. موتورهای القایی تک فاز و موتورهای القایی سه فاز وجود دارد. موتورهای القایی تک فاز یک موتور خود راه انداز نیستند و موتورهای القایی سه فاز یک موتور خود راه انداز هستند.
اصل کار موتور القایی
برای اینکه یک موتور DC بچرخد باید تحریک مضاعف داشته باشد. در موتور DC یک منبع تغذیه به استاتور و دیگری به روتور می دهیم. اما در موتور القایی فقط یک منبع می دهیم، بنابراین جالب است بدانید که یک موتور القایی چگونه کار می کند.
خود نام موتور القایی نشان می دهد که این نوع الکتروموتور از فرایند القاء استفاده می کند. وقتی منبع تغذیه را به سیم پیچ استاتور میدهیم، یک شار مغناطیسی در استاتور به دلیل جریان در سیم پیچ ایجاد میشود. سیم پیچ روتور طوری چیده شده است که هر سیم پیچ اتصال کوتاه پیدا می کند.
شار استاتور سیم پیچ اتصال کوتاه روتور را قطع می کند. از آنجایی که سیم پیچ های روتور اتصال کوتاه دارند، طبق قانون القای الکترومغناطیسی فارادی ، جریان از سیم پیچ روتور شروع به عبور می کند. هنگامی که جریان از طریق سیم پیچ های روتور جریان می یابد، شار دیگری در روتور ایجاد می شود.
حالا دو شار وجود دارد، یکی شار استاتور و دیگری شار روتور. شار روتور نسبت به شار استاتور با تاخیر مواجه خواهد شد. به همین دلیل، روتور گشتاوری را احساس می کند که باعث می شود روتور در جهت میدان مغناطیسی بچرخد. این اصل کار موتورهای القایی تک فاز و سه فاز است.
در مورد استاتور و روتور
استاتور و روتور دو بخش اساسی موتور هستند. استاتور قسمت ثابت است و سیم پیچ های همپوشانی را حمل می کند در حالی که روتور سیم پیچ اصلی یا میدانی را حمل می کند. سیم پیچ های استاتور به طور مساوی با زاویه ۱۲۰ درجه از یکدیگر جا به جا می شوند.
موتور القایی تک موتور تحریک شده است، یعنی منبع تغذیه فقط به یک قسمت، یعنی استاتور اعمال می شود. اصطلاح تحریک به معنای فرآیند القای میدان مغناطیسی بر روی قطعات موتور است.
هنگامی که منبع تغذیه سه فاز به استاتور داده می شود، میدان مغناطیسی دوار روی آن تولید می شود. شکل زیر میدان مغناطیسی دوار تنظیم شده در استاتور را نشان می دهد:
در نظر بگیرید که میدان مغناطیسی دوار در جهت خلاف جهت عقربه های ساعت القا می شود. میدان مغناطیسی دوار دارای قطبیت های متحرک است. قطبیت میدان مغناطیسی با توجه به نیم سیکل مثبت و منفی عرضه متفاوت است. تغییر در قطبیت باعث چرخش میدان مغناطیسی می شود.
هادی های روتور ثابت هستند. این هادی ثابت میدان مغناطیسی دوار استاتور را قطع می کند و به دلیل القای الکترومغناطیسی، EMF در روتور القا می شود. این EMF به عنوان EMF ناشی از روتور شناخته می شود و به دلیل پدیده القای الکترومغناطیسی است.
هادی های روتور یا توسط حلقه های انتهایی یا با کمک مقاومت خارجی به هم متصل می شوند. حرکت نسبی بین میدان مغناطیسی دوار و هادی روتور باعث القای جریان در هادی های روتور می شود. همانطور که جریان از طریق هادی عبور می کند، شار روی آن القا می شود. جهت شار روتور با جهت جریان روتور یکسان است.
اکنون دو شار داریم یکی به دلیل روتور و دیگری به دلیل استاتور. این شارها با یکدیگر تعامل دارند. در یک سر هادی، شارها یکدیگر را خنثی می کنند و در طرف دیگر، چگالی شار بسیار زیاد است. بنابراین، شار با چگالی بالا سعی می کند هادی روتور را به سمت ناحیه شار کم چگالی هل دهد. این پدیده باعث القای گشتاور بر روی هادی می شود و این گشتاور به عنوان گشتاور الکترومغناطیسی شناخته می شود.
جهت گشتاور الکترومغناطیسی و میدان مغناطیسی دوار یکسان است. بنابراین، روتور شروع به چرخش در همان جهت میدان مغناطیسی در حال چرخش می کند.
سرعت روتور همیشه کمتر از میدان مغناطیسی دوار یا سرعت سنکرون است. روتور سعی می کند با سرعت روتور حرکت کند، اما همیشه از بین می رود. بنابراین، موتور هرگز با سرعت میدان مغناطیسی دوار کار نمی کند و به همین دلیل است که موتور القایی به عنوان موتور ناهمزمان نیز شناخته می شود.
چرا روتور هرگز با سرعت سنکرون کار نمی کند؟
اگر سرعت روتور برابر با سرعت سنکرون باشد، هیچ حرکت نسبی بین میدان مغناطیسی دوار استاتور و هادی های روتور رخ نمی دهد. بنابراین EMF روی هادی القا نمی شود و جریان صفر روی آن ایجاد می شود. بدون جریان، گشتاور نیز تولید نمی شود.
به دلیل دلایل ذکر شده در بالا، روتور هرگز با سرعت سنکرون نمی چرخد. سرعت روتور همیشه کمتر از سرعت میدان مغناطیسی دوار است.
روش دیگر، روش اصل کار موتور القایی نیز می تواند به شرح زیر توضیح داده شود.
این هادی میدان مغناطیسی دوار استاتور را قطع می کند. در نظر بگیرید که میدان مغناطیسی دوار در جهت عقربه های ساعت می چرخد. طبق قانون القای الکترومغناطیسی فارادی، EMF در هادی القا می شود.
همانطور که مدار روتور توسط مقاومت خارجی یا حلقه انتهایی تکمیل می شود، روتور یک EMF را القا می کند که باعث ایجاد جریان در مدار می شود. جهت روتور القا کننده جریان برخلاف جهت میدان مغناطیسی دوار است. جریان روتور باعث القای شار در روتور می شود. جهت شار روتور با جریان یکسان است.
بر همکنش شار روتور و استاتور نیرویی ایجاد می کند که بر هادی های روتور اثر می گذارد. نیرو به صورت مماس بر روتور اثر می کند و از این رو گشتاور را القا می کند. گشتاور هادی های روتور را فشار می دهد و در نتیجه روتور شروع به حرکت در جهت میدان مغناطیسی دوار می کند. روتور بدون هیچ گونه سیستم تحریک اضافی شروع به حرکت می کند و به همین دلیل موتور را موتور خود راه انداز می نامند .
عملکرد موتور به ولتاژ القایی روی روتور بستگی دارد و از این رو به آن موتور القایی می گویند .
انواع موتورهای القایی یا آسنکرون
انواع موتورهای القایی را می توان بسته به تک فاز یا سه فاز بودن موتورهای القایی طبقه بندی کرد.
موتور القایی تک فاز
موتور القایی تک فاز خود راه اندازی نمی شود. هنگامی که موتور به منبع تغذیه تک فاز متصل می شود، سیم پیچ اصلی جریان پراکنده ای را حمل می کند. کاملاً منطقی است که ارزان ترین و کم هزینه ترین موتور مرتب سازی نگهداری باید به طور منظم استفاده شود. بر اساس نحوه راه اندازی، این ماشین ها به طور متفاوتی دسته بندی می شوند. این نوع موتورهای قطب سایه دار، فاز تقسیم شده و موتورهای خازن هستند. همچنین موتورهای خازن با خازن راه اندازی می شوند، با خازن کار می کنند و دارای موتور خازن دائمی هستند.
در این نوع موتورهای تک فاز، سیم پیچ استارت می تواند دارای یک خازن سری و یک کلید گریز از مرکز باشد. هنگامی که ولتاژ تغذیه اعمال می شود، جریان در سیم پیچ اصلی ولتاژ تغذیه را به دلیل امپدانس سیم پیچ اصلی نگه می دارد. و جریان در سیم پیچ راهاندازی، ولتاژ منبع تغذیه بسته به امپدانس مکانیزم راهاندازی دارد. زاویه بین دو سیم پیچ اختلاف فاز کافی برای ایجاد میدان بزرگی دوار برای تولید گشتاور شروع است. زمانی که موتور به ۷۰ تا ۸۰ درصد سرعت سنکرون می رسد، یک کلید گریز از مرکز روی شفت موتور باز می شود و سیم پیچ راه اندازی را قطع می کند.
انواع موتورهای القایی تک فاز عبارتند از:
- موتور القایی فاز اسپلیت (Split Phase Induction Motor)
- موتور القایی استارت خازن (Capacitor Start Induction Motor)
- موتور القایی استارت و خازن ران (Capacitor Start and Capacitor Run Induction Motor)
- موتور القایی قطب سایه دار (Shaded Pole Induction Motor)
موتورهای القایی تک فاز در کاربردهای کم توان استفاده می شوند. این موتورها در مصارف خانگی و صنعتی کاربرد فراوانی دارند. برخی از برنامه های کاربردی در زیر ذکر شده است:
- پمپ ها
- کمپرسورها
- فن های کوچک
- میکسرها
- اسباب بازی
- جارو برقی های پر سرعت
- ریش تراش های برقی
- ماشین آلات حفاری
موتور القایی سه فاز
موتورهای القایی سه فاز از آنجایی که خود راه انداز هستند، از سیم پیچی استارت، سوئیچ گریز از مرکز، خازن یا دستگاه راه اندازی دیگر استفاده نمی کنند. موتورهای القایی AC سه فاز کاربردهای مختلفی در کاربردهای تجاری و صنعتی دارند. دو نوع موتور القایی سه فاز عبارتند از موتورهای قفس سنجابی و حلقه لغزنده. ویژگی هایی که باعث می شود موتورهای قفس سنجابی به طور گسترده قابل استفاده باشند، عمدتاً طراحی ساده و ساختار ناهموار آنها است. با مقاومت های خارجی، موتورهای حلقه لغزش می توانند گشتاور راه اندازی بالایی داشته باشند.
موتورهای القایی سه فاز به طور گسترده در لوازم خانگی و صنعتی مورد استفاده قرار می گیرند زیرا این موتورها در ساخت و ساز ناهموار هستند و نیاز به تعمیر و نگهداری کمی دارند، نسبتاً ارزان تر هستند و فقط به استاتور نیاز دارند.
انواع موتورهای القایی سه فاز عبارتند از:
- موتور القایی قفس سنجابی (Squirrel Cage Induction Motor)
- موتور القایی حلقه لغزنده (Slip Ring Induction Motor)
کاربردهای موتور القایی سه فاز
- آسانسور
- جرثقیل ها
- بالابرها
- فن های اگزوز با ظرفیت بالا
- ماشین های تراش رانندگی
- سنگ شکن ها
- کارخانه های استخراج روغن
- نساجی و غیره
قبلاً اشاره کردیم که موتور القایی تک فاز یک موتور خود راه انداز نیست و موتور القایی سه فاز خود راه انداز است.
موتور خود راه انداز (Self-Starting Motor) چیست؟
هنگامی که موتور بدون اعمال نیروی خارجی به دستگاه به طور خودکار شروع به کار می کند، موتور به عنوان “خود راه انداز یا Self-Starting” شناخته می شود. به عنوان مثال، می بینیم که وقتی سوئیچ را می گذاریم، فن به طور خودکار شروع به چرخش می کند، بنابراین یک دستگاه خود راه انداز است.
نکته قابل توجه اینکه فن مورد استفاده در لوازم خانگی یک موتور القایی تک فاز است که ذاتاً خود راه انداز نیست. حالا این سوال پیش می آید که این موتور چگونه کار می کند؟ حالا در مورد آن بحث خواهیم کرد.
چرا موتور القایی سه فاز خود راه انداز است؟
در سیستم سه فاز ، سه خط تک فاز با اختلاف فاز ۱۲۰ درجه وجود دارد. بنابراین میدان مغناطیسی دوار دارای همان اختلاف فاز است که باعث حرکت روتور می شود.
اگر وقتی فاز A مغناطیسی است و سه فاز A، B و C را در نظر بگیریم، روتور به سمت فاز A سیم پیچ A حرکت می کند، در لحظه بعد فاز B مغناطیسی می شود و روتور را جذب می کند و سپس فاز C. بنابراین روتور به چرخش خود ادامه خواهد داد.
چرا موتور القایی تک فاز خود راه انداز نیست؟
این موتورها تنها یک فاز دارد که باعث می شود روتور بچرخد. قبل از آن، باید بدانیم که چرا یک موتور القایی تک فاز یک موتور خود راه انداز نیست و چگونه بر مشکل غلبه کنیم. می دانیم که منبع AC یک موج سینوسی است و یک میدان مغناطیسی ضربانی در سیم پیچ استاتور توزیع شده یکنواخت ایجاد می کند.
از آنجایی که میتوانیم میدان مغناطیسی ضربانی را به عنوان دو میدان مغناطیسی متضاد در حال چرخش فرض کنیم، هیچ گشتاور حاصله در راهاندازی تولید نخواهد شد و از این رو موتور کار نمیکند. پس از دادن منبع تغذیه، اگر روتور با نیروی خارجی در هر جهت بچرخد، موتور شروع به کار می کند. ما می توانیم این مشکل را با تبدیل سیم پیچ استاتور به دو سیم پیچ حل کنیم ( یکی سیم پیچ اصلی و دیگری سیم پیچ کمکی است).
ما یک خازن را به صورت سری با سیم پیچ کمکی وصل می کنیم. خازن زمانی که جریان از هر دو سیم پیچ عبور می کند، تفاوت فاز ایجاد می کند . هنگامی که اختلاف فاز وجود دارد، روتور یک گشتاور راه اندازی ایجاد می کند و شروع به چرخش می کند.
عملاً می بینیم که وقتی خازن از موتور جدا می شود فن نمی چرخد اما اگر سه سمت عقربه بچرخانیم شروع به چرخش می کند. به همین دلیل است که در موتور القایی تک فاز از خازن استفاده می کنیم.
با توجه به مزایای مختلف یک موتور القایی ، طیف گسترده ای از کاربردهای موتور القایی وجود دارد. یکی از بزرگترین مزایای آنها راندمان بالای آنها است – که می تواند تا ۹۷٪ برسد. عیب اصلی موتورهای القایی این است که سرعت موتور با بار اعمال شده تغییر می کند.
جهت چرخش موتور القایی را می توان به راحتی با تغییر توالی فاز تغذیه سه فاز تغییر داد، یعنی اگر RYB در جهت رو به جلو باشد، RBY موتور را وادار به چرخش در جهت معکوس می کند. این در مورد موتور سه فاز است، اما در موتور تک فاز، می توان جهت را با معکوس کردن پایانه های خازن در سیم پیچ تغییر داد.
منابع: electrical4u و researchdive