موتور القایی
یک موتور القایی یا موتور آسنکرون (غیر همزمان) یک موتور الکتریکی جریان متناوب (AC) است که در آن جریان الکتریکی روتور (بخش متحرک) که برای تولید گشتاور مورد نیاز است از طریق القای الکترومغناطیسی از سوی میدان مغناطیسی سیم پیچ استاتور به دست می آید. موتورهای القایی از پرکاربردترین موتورهایی هستند که در سامانه‌های کنترل حرکت صنعتی و همچنین خانگی به کار گرفته می‌شوند.
موتور های القایی یا آسنکرون را در واقع ترانسفورماتور گردان هم می نامند دلیل این مقایسه شباهت زیاد کار این الکتروموتور با ترانسفورماتور است که هر دو بر اساس القا کار می کنند با این تفاوت که سیمهای روتور اتصال کوتاه شده و سبب چرخش آن می شود.
طراحی ساده و عملکرد پایدار، بهای ارزان، هزینه نگهداری کم و اتصال آسان و کامل به یک منبع برق AC (تک‌فاز و سه‌فاز) برتری‌های بنیادی موتورهای القایی هستند. انواع گوناگونی از موتورهای القایی برای کاربردهای گوناگون در بازار هست. با اینکه طراحی موتورهای القایی آسانتر از موتورهای DC است، کنترل سرعت و گشتاور در انواع مختلف موتورهای القایی نیازمند درک ژرفتر از عملکرد و طراحی و ساخت این نوع موتورهاست.
یک موتور الکتریکی در روتور خود انرژی الکتریکی را به انرژی مکانیکی تبدیل می‌کند. برای تأمین توان مورد نیاز روتور راه‌های مختلفی وجود دارد. در موتور DC توان آرمیچر مستقیماً به وسیله یک منبع جریان مستقیم تأمین می‌شود، در حالی که در موتور القایی این توان از استاتور در روتور القا می‌شود. موتورهای القایی را به علت شباهت زیاد به ترانسفورماتور، ترانسفورماتور دوار نیز می‌نامند چرا که استاتور این موتورها از نظر عملکرد شباهت زیادی به سیم‌پیچ اولیه و روتور آنها به سیم‌پیچ ثانویه ترانس دارد. از موتورهای القایی به ویژه موتورهای القایی سه‌فاز به‌طور گسترده‌ای در صنعت استفاده می‌شود.
قدرت بالا، ساختار ساده و بی‌نیاز بودن از جاروبکها (که به تعمیر و نگهداری زیادی نیاز دارند) و قابلیت بالای موتورهای القایی برای کنترل سرعت از جمله دلایل استفاده از آنهاست.
تاریخچه
موتور القایی در سال ۱۸۸۲ توسط نیکولا تسلا در فرانسه اختراع شد اما در سال ۱۸۸۸ و پس از نقل مکان تسلا به ایالات متحده به‌طور رسمی ثبت شد. موتور القایی روتور قفسی یک سال بعد توسط میخاییل دولیوو دوبرولسکی در اروپا اختراع شد. پیشرفت در زمینه تولید این موتورها تا جایی ادامه یافت که در سال ۱۹۷۶ موتوری القایی با قدرت خروجی ۱۰۰ اسب بخار با حجمی برابر موتور ۷٫۵ اسب بخاری سال ۱۸۹۷ ساخته شد. امروزه پرکاربردترین موتورهای القایی را موتورهایی با روتور قفس‌سنجابی تشکیل می‌دهند.
اصول عملکرد و مقایسه با موتورهای سنکرون
بزرگترین تفاوت موتور القایی و موتور سنکرون این است که در موتور سنکرون جریان روتور به‌طور مستقیم از یک منبع خارجی تأمین می‌شود. این جریان در روتور میدان مغناطیسی تولید خواهد کرد و به دلیل اثر متقابل میدان‌های استاتور و روتور، روتور در جهت میدان دوار استاتور خواهد چرخید.
از طرفی در اثر القای جریان در روتور، اختلافی بین سرعت میدان دوار و سرعت گردش روتور به وجود می‌آید، چرا که در غیر این صورت روتور نسبت به میدان دوار امکان حرکت نداشته، هادی‌های روتور شار میدان تولید شده استاتور را قطع نکرده و در نتیجه ولتاژی در روتور القا نخواهد شد. این اختلاف سرعت بین سرعت میدان دوار و سرعت حرکت روتور در اصطلاح لغزش (Slip) نامیده می‌شود. لغزش یک مؤلفه بدون واحد است. از آنجا که در موتورهای القایی اختلاف سرعت شرط و ضرورت عملکرد آنهاست به این موتورهای موتورهای غیرهمزمان یا آسنکرون می‌گویند.
انواع
- براساس تعداد فازها:
- موتور القایی سه‌فاز (خود راه انداز)
- موتور القایی تک‌فاز (غیر خود راه انداز)
- بر اساس نوع روتور:
فرمول‌ها
مهمترین رابطه در موتورهای القایی رابطه بین فرکانس منبع f، تعداد زوج قطب‌ها p و سرعت میدان دوار ns است
از این رابطه خواهیم داشت
و سرعت روتور برابر است با
و s نشان‌دهنده لغزش (Slip) است و از این رابطه به دست می‌آید
در موتورهای سنکرون سرعت روتور همیشه برابر سرعت میدان دوار است و از رابطه
ساختار
مانند همه موتورها، موتور القایی نیز از یک قسمت ایستا به نام استاتور (بدنه موتور) و یک محور گردان که درون استاتور می‌چرخد و روتور نام دارد، تشکیل شده‌است. میان استاتور و روتور فاصله ای اندک و یکنواخت است. موتورهای سه‌فاز (سنکرون و القایی) تنها نوعی از موتورها هستند که در آنها به‌طور ذاتی یک میدان مغناطیسی چرخنده از سوی استاتور (به دلیل تغذیه سه‌فاز آن و نیز موقعیت سیم پیچِ فازها نسبت به هم) ساخته می‌شود. این در حالی است که موتورهای DC به عاملی الکتریکی (یا مکانیکی) برای تشکیل این میدان چرخنده نیاز دارند. البته موتور القایی تک‌فاز نیز نیازمند عاملی بیرونی برای پدیدآوردن این میدان مغناطیسی چرخشی است. ویژگی جالب و مهم موتورهایی که با برق سه‌فاز تغذیه می‌شوند این است که به دلیل ماهیت جریان‌های سه‌فاز (که هر کدام با دیگری ۱۲۰ درجه اختلاف فاز دارد) و نیز نحوه قرار گرفتن سیم پیچ‌های استاتور (سیم پیچ هر فاز با دیگری، ۱۲۰ درجه اختلاف مکانی دارد)، میدان الکترومغناطیسی حاصل از آنها در استاتور به چرخش در می‌آید. در موتور القایی، این میدان مغناطیسی چرخنده، در (هادی‌های) روتور جریان القاء می‌کند (مانند ترانسفورماتورها). در اثر برهمکنش میدان مغناطیسیِ این جریان القاء شده در روتور و میدان مغناطیسی چرخنده استاتور، روتور نیز به چرخش واداشته می‌شود (بر اساس قانون لنز).
استاتور: استاتور موتورهای القایی از قطبهای سیم‌پیچی شده‌ای تشکیل شده که با گذر جریان از آنها و تولید میدان مغناطیسی، در روتور ولتاژ القا می‌کنند. استاتور از چندین نواره باریک آلومینیوم یا آهن سبک ساخته شده‌است. این نواره‌ها به صورت یک استوانه تهی به هم منگنه و سخت شده‌اند (هسته ایستان). 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) می‌سازد. تعداد قطبهای یک موتور القایی به اتصال درونی پیچه‌های ایستان بستگی دارد. پیچه‌های استاتور مستقیماً به منبع انرژی متصلند. آنها به گونه‌ای در استاتور قرار گرفته‌اند که با اِعمال تغذیه سه‌فاز، یک میدان مغناطیسی چرخنده در استاتور تولید می‌شود. تعداد قطب‌ها با توجه به سرعت و گشتاور مورد نیاز می‌تواند مختلف باشد ولی تعداد آنها همواره یک عدد زوج است.
روتور: روتور از چندین بخش جدای باریک فولادی که میانشان میله‌هایی از مس یا آلومینیوم پیش‌بینی شده ساخته شده‌است. روتور موتورهای القایی به دو صورت است:
در رایج‌ترین نوع روتور (روتور قفس‌سنجابی) این میله‌ها در پایانه خود به صورت الکتریکی و مکانیکی از سوی حلقه‌هایی به هم بسته شده‌اند. کمابیش ۹۰ درصد از موتورهای القایی دارای روتور قفس‌سنجابی می‌باشند و این به خاطر آن است که این نوع روتور ساختاری پایدار و ساده دارد. این روتور از هسته‌ای چند تکه استوانه‌ای با اهرمی که شکافهای همراستا برای جادادن رساناها درون آن دارد پدید آمده‌است. هر شکاف یک میله مسی یا آلومینیومی یا آلیاژی را در بر می‌گیرد. این میله‌ها با زنجیره‌های پایانی آنها عمداً اتصال کوتاه می‌شوند. چون این ساختار درست مانند قفس سنجاب است، این نام برای آن گذاشته شده‌است. میله‌های گردان دقیقاً با محور موازی نیستند، به جای آن به دو دلیل مهم، کمی اریب کار گذاشته می‌شوند؛
- موتور بدون صدا کارکرده و نیز از هارمونیک‌های شکاف کاسته شود.
- گرایش روتور به چفت شدن (Hang) کمتر شود. دندانه‌های روتور به دلیل جذب مغناطیسی می‌کوشند که در برابر دندانه‌های استاتور باقی بمانند. این اتفاق هنگامی رخ می‌دهد که شمار دندانه‌های روتور و استاتور برابر باشند.
روتور از سوی مهارهایی (بوشن، یاتاقان) در دو سر محور سوار شده، یک سر محور برای انتقال نیرو بلندتر از طرف دیگر گرفته می‌شود. ممکن است بعضی موتورها محوری فرعی در دیگر سو (غیر گردنده - غیر فرستنده نیرو) برای نصب حسگرهای (سنسور) موقعیت و سرعت داشته باشند. بین استاتور و روتور شکافی هوایی موجود است. بعلت القا، توان از استاتور به روتور برده می‌شود. گشتاور پدید آمده، روتور را می چرخاند.
به دلیل مزایای زیاد روتورهای قفسی از جمله سادگی، هزینه کمتر، نیاز کمتر به تعمیر و نگهداری و… رایج‌ترین روتورها در موتورهای القایی روتورهای قفسی هستند. این روتورها از میله‌هایی از جنس مس یا آلومینیوم تشکیل شده‌اند که یه صورت یک استوانه به همدیگر متصل شده‌اند و در دو طرف به وسیله دو حلقه اتصال کوتاه شده‌اند. روتورهای سیم‌پیچی شده در صنعت کاربردهای خاص خود را دارند و بیشتر در موتورهایی که نیاز به گشتاور راه‌اندازی بالایی دارند مورد استفاده قرار می‌گیرند.
کنترل سرعت
سرعت چرخش میدان دوار در موتورهای القایی تابع فرکانس منبع و تعداد قطبهای استاتور است. پیش از ظهور الکترونیک قدرت، تغییر فرکانس موتورهای القایی به راحتی ممکن نبود و این کاربرد این نوع موتورها را محدود می‌کرد.
روش‌ها گوناگونی برای تغییر سرعت موتورهای القایی وجود دارد ولی رایج‌ترین روش بهره‌گیری از اینوِرتر است، با این روش می‌توان توان ورودی متوسط موتور را کنترل کرد.
راه‌اندازی
در موتورهای القایی رابطه‌ای مستقیم بین مقدار لغزش و مقدار جریان القایی در روتور وجود دارد. به این ترتیب بیشترین میزان جریان القایی در روتور در هنگام راه‌اندازی (لغزش ۱) به وجود می‌آید. در این حالت موتور مانند ترانسفورماتوری عمل خواهد کرد که سیم‌پیچ ثانویه آن اتصال کوتاه شده باشد؛ بالا بودن جریان القاشده در روتور موجب بالا رفتن جریان استاتور می‌شود و به همین دلیل میزان جریان راه‌اندازی در استاتور تقریباً بین ۵ تا ۹ برابر جریان در بار کامل است. جریان بالای موتور در لحظه راه‌اندازی (جریان هجومی) می‌تواند باعث افت ولتاژ در بقیه مصرف‌کننده شود اما این جریان بالا در موتور زیاد ادامه پیدا نمی‌کند چون با راه افتادن موتور لغزش به تدریج کاهش یافته و میزان جریان استاتور نیز کاهش می‌یابد. در صورتی که بار موتور در لحظه راه‌اندازی به اندازه‌ای باشد که موتور قادر به چرخش نباشد جریان بالا موجب سوختن سیم‌پیچ استاتور خواهد شد. برای جلوگیری از افزایش بیش از حد جریان در موتور از راه‌اندازها برای کاهش ولتاژ راه‌اندازی و محدودسازی جریان راه‌اندازی استفاده می‌کنند این راه‌اندازها طوری طراحی شده‌اند که با رسیدن موتور به سرعت متوسط ولتاژ را افزایش دهند.
سه‌فاز
موتورهای سه‌فاز به علت استفاده از برق سه‌فاز دارای اختلاف الکتریکی ۱۲۰ درجه‌ای بین هر یک از سیم‌پیچ‌های فازها هستند. این اختلاف موجب چرخیدن موتور با توجه به جهت فازها در سیم‌پیچ‌ها می‌شود و نیاز به سیم‌پیچ راه انداز را از بین می‌برد. در این موتورها با جابه جایی دو فاز می‌توان جهت چرخش این موتورها را تغییر داد.
تک‌فاز
این موتورها به علت استفاده از یک فاز نمی‌توانند در لحظه شروع، موتور را به حرکت درآورند چون اختلاف بین هر قطب ۱۸۰ درجه است که موتور را در حالتی قفل شده نگه می‌دارد. برای رفع این مشکل از یک سیم‌پیچ دیگر به نام سیم‌پیچ راه‌انداز استفاده می‌کنند. این سیم‌پیچ باید دارای اختلاف فاز با سیم‌پیچ اصلی موتور باشد و برای ایجاد این اختلاف فاز از خازن یا سلف استفاده می‌کنند. اختلاف فاز اندک بین جریان سیم‌پیچ اصلی و سیم‌پیچ راه‌انداز موجب حرکت روتور خواهد شد. پس از به حرکت درآمدن روتور به علت وجود اینرسی موتور در همان جهت به چرخش ادامه خواهد داد و نیازی به سیم‌پیچ راه‌انداز نخواهد بود و (در بیشتر موتورهای القایی) این سیم‌پیچ از مدار خارج می‌شود. برای تغییر جهت چرخش در این موتورها باید جهت حرکت جریان در یکی از سیم‌پیچ‌های اصلی یا راه‌انداز را برعکس کرد.
جستارهای وابسته
منابع
شاخهٔ درس ۲۱۳