موتور القایی

موتورهای القایی روتور سه‌فاز

روند عملکرد یک موتور القایی روتور قفسی

موتور القایی نوعی از موتور جریان متناوب موتور AC آسنکرون (غیرهمزمان) است که توان مورد نیاز در قسمت متحرک آن از طریق القای الکترومغناطیسی تامین می‌شود. نام دیگر این موتور، موتور قفس‌سنجابی است، چون میله‌های روتور شبیه قفس همستر (سنجاب) است که در دو انتها اتصال کوتاه شده‌است.

یک موتور الکتریکی در روتور خود انرژی الکتریکی را به انرژی مکانیکی تبدیل می‌کند. برای تامین توان مورد نیاز روتور راه‌های مختلفی وجود دارد. در یک موتور DC توان آرمیچر مستقیما به وسیله یک منبع جریان مستقیم تامین می‌شود در حالی که در یک موتور القایی این توان از طریق استاتور در روتور القا می‌شود. موتورهای القایی را به علت شباهت بسیار زیاد آنها 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 سه فاز به طور گسترده‌ای در صنعت استفاده می‌شود.

قدرت بالا، ساختار ساده و عدم وجود جاروبک‌ها (که به تعمیر و نگه‌داری زیادی نیاز دارند) و قابلیت بالای موتورهای القایی برای کنترل سرعت از جمله دلایل استفاده از آنهاست.

تاریخچه

اولین 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 به طور رسمی ثبت شد. اولین موتور القایی روتور قفسی یک سال بعد توسط میخاییل دولیوو دوبرولسکی در اروپا اختراع شد. پیشرفت‌های تکنیکی 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 موتورهای روتور قفس سنجابی تشکیل می‌دهند^{[نیازمند منبع]}.

اصول عملکرد و مقایسه با موتورهای سنکرون

بزرگترین تفاوت بین یک موتور القایی AC و یک موتور سنکرون AC این است که در موتور سنکرون توان روتور به طور مستقیم از یک منبع خارجی تامین می‌شود. این جریان در روتور نیز خود میدان مغناطیسی تولید خواهد کرد و به دلیل اثر متقابل میدان‌های استاتور و روتور، روتور در جهت میدان دوار استاتور به حرکت در خواهد آمد.

از طرفی برای القای جریان در روتور، اختلاف سرعتی بین سرعت میدان دوار و سرعت گردش روتور به وجود می آید. در غیر این صورت میدان دوار نسبت به روتور امکان حرکت نخواهد داشت و هادی‌های روتور شار میدان تولید شده توسط 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:

1. موتور القایی سه‌فاز (خود راه انداز)
2. موتور القایی تک‌فاز (غیر خود راه انداز)

• بر اساس نوع روتور:

1. موتور القایی روتور قفسی
2. موتورالقایی روتور سیم‌پیچی شده

فرمول‌ها

مهمترین رابطه در موتورهای القایی رابطه بین فرکانس منبع f، تعداد زوج قطب‌ها p و سرعت میدان دوار ns است:

$f = \frac{pn_s}{60\ [\mbox{sec/min}]}$.

و از این رابطه خواهیم داشت:

$\mbox{Synchronous speed, }n_s = \frac{60\ [\mbox{sec/min}]f}{p}\quad[\mbox{rev/min}]$

و سرعت روتور برابر است با:

$\mbox{Rotor speed, }n_r = n_s(1-s)\,\!$

و s نشان‌دهنده لغزش (Slip) است و از این رابطه به دست می‌آید:

$s = \frac{n_s-n_r}{n_s}$

در موتورهای سنکرون سرعت روتور همیشه برابر سرعت میدان دوار است و از این رابطه $n_s = \tfrac{60f}{p}$ به دست می‌آید.

ساختار

استاتور: استاتور موتورهای القایی از قطب‌های سیم‌پیچی شده‌ای تشکیل شده که با عبور جریان از آنها با تولید میدان مغناطیسی در روتور ولتاژ القا می‌کنند. تعداد قطب‌ها با توجه به سرعت و گشتاور مورد نیاز می‌تواند مختلف باشد ولی تعداد آنها همواره یک عدد زوج است.

روتور: روتور موتورهای القایی به دو صورت است:

• روتور قفسی
• روتور سیم‌پیچی شده

به دلیل مزایای بالای روتورهای قفسی مانند 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 پیشرفت المان‌های الکترونیک قدرت تغییر فرکانس موتورهای القایی به راحتی ممکن نبود و این کاربرد این نوع موتورها را محدود می‌کرد.

روش‌ها مختلفی برای تغییر سرعت موتورهای القایی وجود دارد ولی رایج‌ترین روش استفاده از تکنیک PWM (Pulse Width Modulation) یا تلفیق پهنای فرکانس است، که در آن یک موج DC به طور مرتب و سرعتی قابل تنظیم قطع و وصل می‌شود. از این طریق می‌توان توان وروردی متوسط موتور را کنترل کرد.

راه‌اندازی

همانطور که گفته شد 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 القا شده در روتور موجب بالا رفتن جریان استاتور می‌شود و به همین دلیل میزان جریان راه‌اندازی در استاتور تقریبا بین ۵ تا ۹ برابر جریان در بار کامل است. جریان بالای موتور در لحظه راه‌اندازی می‌تواند باعث افت ولتاژ در بقیه مصرف کننده 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 محدود سازی جریان راه‌اندازی استفاده می‌کنند این راه‌اندازها طوری طراحی شده‌اند که با رسیدن موتور به سرعت متوسط ولتاژ را افزایش دهند.

سه فاز

موتورهای سه فاز به علت استفاده از برق سه فاز 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.

تک فاز

این موتورها به علت استفاده از یک فاز نمی‌توانند در لحظه اولیه موتور را به حرکت در آورند چون اختلاف بین هر قطب ۱۸۰ درجه‌است که موتور را در حالتی قفل شده نگه می‌دارد. برای رفع این مشکل از یک سیم‌پیچ دیگر به نام سیم‌پیچ کمکی استفاده می‌کنند. این سیم‌پیچ باید دارای اختلاف فاز با سیم‌پیچ اصلی موتور باشد و برای ایجاد این اختلاف فاز از مصرف کننده‌های رآکتیو مانند سلف یا خازن استفاده می‌کنند. اختلاف فاز اندک بین موجب متمایل شدن روتور شده و روتور به حرکت در خواهد آمد. پس از به حرکت در آمدن رتور 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

• موتور الکتریکی
• موتور روتور قفسی
• جریان متناوب

منابع

• مشارکت‌کنندگان ویکی‌پدیا، «Induction motor»، ویکی‌پدیای ، دانشنامهٔ آزاد (بازیابی در ۳۱ اکتبر ۲۰۰۸).

در ویکی‌انبار پرونده‌هایی دربارهٔ موتور القایی موجود است.