موتور القایی

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد
پرش به ناوبری پرش به جستجو
موتورهای القایی سه‌فاز
روند عملکرد یک موتور القایی روتور قفسی

موتور القایی، نوعی موتور جریان متناوب (AC) غیرهمزمان (آسنکرون) است که توان مورد نیاز در قسمت متحرک (روتور) آن از القای الکترومغناطیسی تأمین می‌شود. موتورهای القایی از پرکاربردترین موتورهایی هستند که در سامانه‌های کنترل حرکت صنعتی و همچنین خانگی به کار گرفته می‌شوند. طراحی ساده و عملکرد پایدار، بهای ارزان، هزینه نگهداری کم و اتصال آسان و کامل به یک منبع برق AC (تک فاز و سه فاز) 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 سه فاز به‌طور گسترده‌ای در صنعت استفاده می‌شود.

قدرت بالا، ساختار ساده و بی نیاز 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[ویرایش]

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 به‌طور 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.

اصول عملکرد و مقایسه با موتورهای سنکرون[ویرایش]

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[ویرایش]

  • 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[ویرایش]

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

ساختار[ویرایش]

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 شده است. میان استاتور و روتور فاصله ای اندک و یکنواخت است. موتورهای سه فاز (سنکرون و القایی) تنها نوعی از موتورها هستند که در آنها به‌ طور ذاتی یک میدان مغناطیسی چرخان از سوی استاتور (به دلیل تغذیه سه فاز 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 چرخان نیاز دارند. البته موتور القایی تک فاز نیز نیازمند عاملی بیرونی برای پدید آوردن این میدان مغناطیسی چرخشی است. ویژگی جالب و مهم موتورهایی که با برق سه فاز تغذیه می شوند این است که به دلیل ماهیت جریان های سه فاز (که هر کدام با دیگری 120 درجه اختلاف فاز دارد) و نیز نحوه قرار گرفتن سیم پیچ های استاتور (سیم پیچ هر فاز با دیگری، 120 درجه اختلاف مکانی دارد)، میدان الکترومغناطیسی حاصل از آنها در استاتور به چرخش در می‌آید. در موتور القایی، این میدان مغناطیسی چرخان، در (هادی های) روتور جریان القاء می کند (مانند ترانسفورماتورها). در اثر برهمکنش میدان مغناطیسیِ این جریان القاء شده در روتور و میدان مغناطیسی چرخان استاتور، روتور نیز به چرخش واداشته می شود (بر اساس قانون لنز).

استاتور (ایستان): 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 گرفته اند که با اِعمال تغذیه سه فاز، 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 (گردان): 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 قفس سنجابی) 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 قفس سنجابی 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 می گیرد. این میله‌ها با زنجیره‌های پایانی آن‌ها عمدا اتصال کوتاه می شوند. 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؛

  1. موتور بدون صدا کارکرده و نیز از هارمونیک های شکاف کاسته شود.
  2. 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) 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[ویرایش]

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 گوناگونی برای تغییر سرعت موتورهای القایی وجود دارد ولی رایج‌ترین روش بهره‌گیری از روش PWM (Pulse width modulation) یا مدولاسیون پهنای پالس است، که در آن پهنای پالس یک موج مربعی متناسب با نیاز تغییر داده می‌شود. با این روش می‌توان توان ورودی متوسط موتور را کنترل کرد.

راه‌اندازی[ویرایش]

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 تقریباً بین ۵ تا ۹ برابر جریان در بار کامل است. جریان بالای موتور در لحظه راه‌اندازی 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.

سه فاز[ویرایش]

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[ویرایش]

این موتورها به علت استفاده از یک فاز نمی‌توانند در لحظه اولیه موتور را به حرکت درآورند 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 مصرف‌کننده‌های راکتیو مانند خازن یا سلف استفاده می‌کنند. اختلاف فاز اندک بین موجب متمایل شدن روتور شده و روتور به حرکت در خواهد آمد. 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[ویرایش]

منابع[ویرایش]