موتور القایی چیست؟

موتور القایی چیست؟ موتورهای القایی دارای تاریخچه ای غنی هستند که به اواخر قرن نوزدهم باز می گردد. مفهوم القای الکترومغناطیسی، که اصل اساسی در پشت موتورهای القایی است، توسط مایکل فارادی در سال 1831 کشف شد. با این حال، تا اواخر قرن 19 بود که موتورهای القایی عملی توسعه یافته و به طور گسترده مورد استفاده قرار گرفتند.

اختراع موتور القایی که بیش از 100 سال قدمت دارد، را به نیکولا تسلا نسبت می دهند. او تنها 21 سال داشت که متوجه شد باید راه بهتری برای ایجاد موتورهای کارآمدتر و قابل اعتمادتر وجود داشته باشد، زیرا موتورهای موجود پرهزینه و نه چندان قدرتمند هستند. آیا می دانستید که ژنراتورهای برق در آبشار نیاگارا کاملاً بر اساس اختراع تسلا هستند؟ و تا به امروز، سیستم موتور AC ثبت شده تسلا هنوز در اکثر موتورهای الکتریکی استفاده می شود.

جورج وستینگهاوس، که در آن زمان در حال توسعه یک سیستم قدرت جریان متناوب بود، در سال 1888 مجوز اختراعات تسلا را صادر کرد و یک گزینه ثبت اختراع ایالات متحده در مورد مفهوم موتور القایی فراری را خریداری کرد. تسلا همچنین به مدت یک سال به عنوان مشاور وستینگهاوس مشغول به کار شد.

کارمند وستینگهاوس سی اف اسکات برای کمک به تسلا منصوب شد و بعدن توسعه موتور القایی در کمپانی وستینگهاوس را بر عهده گرفت. میخائیل دولیوو-دوبروولسکی که در ترویج توسعه سه فاز ثابت قدم بود، موتور القایی روتور قفس را در سال 1889 و ترانسفورماتور سه پا را در سال 1890 اختراع کرد. علاوه بر این، او ادعا کرد که موتور تسلا به دلیل ضربان‌های دوفاز، عملی نیست، که او را بر آن داشت تا بر موتورهای سه فاز خود پافشاری کند.

اگرچه وستینگهاوس اولین موتور القایی عملی خود را در سال 1892 تولید کرد و خطی از موتورهای القایی 60 هرتز چند فازی را در سال 1893 توسعه داد، اما این موتورهای اولیه وستینگهاوس موتورهای دو فازی با روتورهای کلافی بودند تا اینکه B. G. Lamme یک روتور سیم پیچ میله دوار را توسعه داد.

شرکت جنرال الکتریک شروع به توسعه موتورهای القایی سه فاز در سال 1891 کرد. در سال 1896، جنرال الکتریک و وستینگهاوس یک قرارداد مجوز متقابل برای طراحی روتور میله سیم پیچی امضا کردند که بعدن روتور قفس سنجابی نامیده شد. پیشرفت‌های موتور القایی ناشی از اختراعات و نوآوری‌ها به گونه‌ای است که یک موتور القایی 100 اسب بخاری مدرن دارای ابعاد نصب مشابه یک موتور 7.5 اسب بخاری در سال 1897 است.

موتور القایی چیست؟

موتور القایی یا موتور آسنکرون یک موتور الکتریکی AC است جریان الکتریکی مورد نیاز برای تولید گشتاور در روتور از طریق القای الکترومغناطیسی از میدان مغناطیسی چرخان سیم پیچ استاتور به دست می‌آید. در موتور های القایی نیازی به اتصال الکتریکی به روتور نخواهیم داشت. روتور موتور القایی می تواند از نوع کلافی یا قفس سنجابی باشد.

این موتورها به عنوان موتورهای ناهمزمان شناخته می شوند زیرا روتور آنها با سرعتی کمتر از سرعت سنکرون میدان مغناطیسی دوار می چرخد. موتور القایی یک دستگاه تبدیل انرژی الکترومکانیکی است، یعنی انرژی الکتریکی را به صورت چرخش شفت به انرژی مکانیکی تبدیل می کند. مانند هر موتور الکتریکی، یک موتور القایی دارای دو بخش اصلی استاتور و روتور است.

استاتور مجموعه ای از سیم پیچ ها به نام سیم پیچ استاتور را حمل می کند. سیم پیچ استاتور ممکن است سیم پیچ تک فاز یا سیم پیچ سه فاز باشد. روتور یک سیم پیچ اتصال کوتاه به نام سیم پیچ روتور را حمل می کند. در مورد یک موتور القایی، فقط سیم پیچ استاتور از منبع AC تغذیه می شود، در حالی که سیم پیچ روتور ولتاژ و توان خود را از سیم پیچ استاتور از طریق القای الکترومغناطیسی می گیرد.

نحوه کار موتورهای القایی

موتورهای القایی بر اساس اصل القای الکترومغناطیسی کار می‌کنند. در یک موتور القایی، دو سیم پیچ وجود دارد، سیم پیچ استاتور و سیم پیچ روتور. منبع تغذیه AC ورودی به سیم پیچ استاتور متصل است، جریانی که در سیم پیچ استاتور جریان می یابد منجر به ایجاد یک شار مغناطیسی می‌شود. این شار مغناطیسی معمولن دوار است، از این رو میدان مغناطیسی دوار نیز نامیده می شود. سیم پیچ روتور در موتور القایی یک سیم پیچ اتصال کوتاه است.

شار مغناطیسی دوار استاتور، از هادی های اتصال کوتاه سیم پیچ روتور عبور می کند. طبق قانون القای الکترومغناطیسی فارادی، یک نیروی محرکه الکتریکی در سیم‌پیچ روتور القا می شود که باعث می شود جریانی از آن عبور کند. هنگامی که جریان از سیم پیچ روتور عبور می کند، شار مغناطیسی دیگری در دستگاه تولید می شود.

بنابراین در داخل موتور القایی دو شار مغناطیسی وجود دارد که یکی شار استاتور و دیگری شار روتور است. این دو شار مغناطیسی بر همدیگر اثر دارند. به همین دلیل، برآیند گشتاور وارد بر روتور باعث می شود روتور در جهت میدان مغناطیسی دوار استاتور بچرخد. یک موتور القایی بدین ترتیب کار می کند. موتورهای القایی هم به صورت تک فاز و هم به صورت سه فاز وجود دارند که بسته به نیاز می‌توان از آنها استفاده نمود.

سوال: چرا موتور القایی سه فاز برای استارت نیاز به سیم پیچ کمکی ندارد؟

در سیستم سه فاز، سه خط تک فاز با اختلاف فاز 120 درجه وجود دارد. بنابراین میدان مغناطیسی دوار دارای اختلاف فازی است که می‌تواند باعث حرکت روتور شود.
اگر وقتی فاز a مغناطیسی می شود 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.

سوال:‌ چرا موتورهای القایی تک فاز برای استارت نیاز به سیم‌پیچ کمکی دارد؟

در این موتورها فقط یک فاز داریم 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 به‌عنوان 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، اختلاف فاز ایجاد می کند. هنگامی که اختلاف فاز وجود دارد، روتور یک گشتاور راه اندازی ایجاد می کند و شروع به چرخش می کند. به صورت عملی می‌توانیم ببینم که با جداکردن خازن استارت از موتور پروانه نمی چرخد اما اگر خودمان به صورت دستی عقربه را بچرخانیم پروانه شروع به چرخش می کند. برای رفع این مشکل در موتورهای القایی تک فاز از خازن و سیم‌پیچ کمکی استفاده می‌کنیم.

تعیین جهت چرخش پروانه در موتورهای القایی

جهت چرخش موتور القایی را می توان به راحتی با تغییر توالی فاز تغذیه سه فاز تغییر داد، یعنی اگر RST در جهت رو به جلو باشد، RTS موتور را وادار می کند که در جهت معکوس بچرخد. 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.

مزایا و معایب موتور های القایی:

مزایا:

• موتورهای القایی ساختار ساده و مستحکمی دارند.
• موتورهای القایی نسبتاً ارزان هستند.
• موتورهای القایی راندمان نسبتن بالایی دارند. تا 97 درصد
• موتورهای القایی را می توان به گونه ای طراحی کرد که دارای ویژگی های مناسب برای رفع نیازهای صنعتی باشد.
• موتورهای القایی نیاز به تعمیر و نگهداری کمی دارند.

معایب:

• سرعت موتورهای القایی را نمی توان به راحتی تغییر داد زیرا اساسن موتورهای با سرعت ثابت هستند.
• موتورهای القایی هنگام راه اندازی جریان استارت بالایی می کشند.
• موتورهای القایی همیشه با ضریب توان تاخیری کار می کنند.
• موتورهای القایی تک فاز خود راه انداز نیستند. از این رو ما باید مکانیزم شروع اضافی را ارائه دهیم.

عیب اصلی موتورهای القایی این است که سرعت موتور با بار اعمال شده تغییر می کند.

انواع موتورهای القایی

موتورهای القایی تک‌فاز

موتور القایی فاز جدا: یکی دیگر از انواع موتورهای تک‌فاز القایی، موتور فاز-جدا است که نسبت به موتور با قطب سایه‌دار کاربردهای مهم‌تری دارد. از جمله کاربردهای این موتورها می‌توان به موتورهای مورد استفاده قرار گرفته در ماشین‌های لباسشویی و خشک‌کن‌ها اشاره کرد.

در مقایسه با موتورهای با قطب سایه‌دار این موتورها گشتاور راه‌اندازی خیلی بیشتری دارند و این به دلیل استفاده از سیم‌پیچ راه انداز است. این سیم‌پیچ راه‌انداز معمولاً پس از راه‌اندازی کامل موتور به وسیله یک کلید گریز از مرکز از مدار خارج می‌شود.

در موتور فاز جدا، سیم‌پیچ راه انداز همیشه با مقاومت بیشتری نسبت به سیم‌پیچ اصلی ساخته می‌شود و به این ترتیب نسبت المان‌های سلفی و مقاومتی در هر سیم پیچ متفاوت است، همچنین تعداد دور سیم‌پیچ کمکی کمتر از سیم‌پیچ اصلی است که این موجب کاهش خاصیت سلفی این سیم‌پیچ می‌شود. بنابراین این سیم‌پیچ نسبت به سیم‌پیچ اصلی دارای مقاومت بیشتر و اندوکتانس کمتر است.

کمتر بودن نسبت L به R موجب به وجود آمدن اختلاف فاز در دو سیم‌پیچ می‌شود که معمولاً بیشتر از ۳۰درجه نیست. این اختلاف فاز موجب چرخش موتور در لحظه راه‌اندازی می‌شود. پس از راه‌اندازی به علت وجود اینرسی موتور به چرخش خود ادامه می‌دهد و به این ترتیب نیازی به سیم‌پیچ کمکی نخواهد بود به همین دلیل سیم‌پیچ کمکی به وسیله کلید گریز از مرکز از مدار خارج می‌شود و به این ترتیب از ایجاد تلفات اضافی به وسیله سیم‌پیچ کمکی جلوگیری می‌شود.

در ادامه بخوانید: نکته طراحی اینترلاک بین فیدر خروجی موتوری و فیدر ورودی

موتور القایی استارت خازن: در یک موتور استارت خازنی، یک «خازن راه انداز» (starting capacitor) با سیم پیچی راه اندازی به صورت سری قرار داده می‌شود و یک مدار LC ایجاد می‌کند که قادر به شیفت فاز بیشتری است و بنابراین گشتاور راه اندازی بسیار بیشتری تولید می‌کند. البته این خازن باعث افزایش قیمت این موتورها نسبت به موتورهای فاز شکسته نیز می‌شود.

موتورهای استارت خازن، موتورهای القایی تک فازی هستند که از یک خازن در مدار سیم پیچ کمکی استفاده می کنند تا اختلاف فاز بیشتری بین جریان در سیم پیچ اصلی و کمکی ایجاد کنند. با توجه به نام این نوع موتورها مشخص است که برای راه اندازی این موتورها از خازن استفاده می‌شود. شکل زیر نمودار اتصال یک موتور استارت خازن را نشان می دهد:
موتور استارت خازن دارای روتور قفسی است و دارای دو سیم پیچ روی استاتور است. آنها به عنوان سیم پیچ اصلی و کمکی یا سیم پیچ شروع شناخته می شوند. دو سیم پیچ با فاصله 90 درجه از هم قرار می گیرند. یک خازن CS به صورت سری با سیم پیچ شروع متصل می شود. یک سوئیچ گریز از مرکز نیز به مدار متصل است.

موتور القایی استارت و کارکرد خازن: در این موتور، همانند موتور با استارت خازنی، از خازن راه انداز در حالت سری با سیم پیچ راه اندازی (کمکی) برای ایجاد گشتاور زیاد راه اندازی استفاده می‌شود. این موتور الکتریکی در مجموع دو عدد خازن دارد. خازن استارت در حالت سری با سیم پیچ کمکی است که بعد از شروع به کار موتور توسط کلید گریز از مرکز از مدار خارج می‌شود.

این حالت سبب به وجود آمدن گشتاوری بالا می‌گردد. همچنین به علت داشتن خازن کارکرد دائمی سبب اصلاح ضریب توان می‌شود که در نهایت باعث افزایش بازده موتور خواهد شد. با این حال این موتور به خاطر خازن‌های کارکرد و استارت و کلید گریز از مرکز آن پرهزینه ‌است. این موتور بیش از هر موتور AC تک فاز دیگری متداول است. این کاربری‌ها شامل ماشین‌های مرتبط با چوب، کمپرسور های هوا، پمپ‌های آب فشار قوی، پمپ‌های تخلیه و دیگر کاربردهای نیازمند گشتاورهای بالا در حد ۱ تا ۱۰ اسب بخار می‌شود.

موتور القایی قطب موتور قطب‌چاکدار یا موتور قطب‌سایه‌ای

نوعی موتور الکتریکی است که قطب‌های ویژه‌ای دارد. بخشی از قطب‌های این نوع از موتورها به وسیله ی یک دور سیم‌پیچ مسی احاطه شده‌است که به آن سیم‌پیچ سایه‌ای (Shading coil) گفته می‌شود. جریان‌های القا شده در سیم‌پیچ سایه‌ای موجب می‌شوند شار آن بخش از قطب نسبت به شار بخش دیگر لگ (تأخیر) داشته باشد. نتیجه ی این تأخیر مانند این است که یک میدان دوار از سمت بدون چاک قطب به سمت چاکدار در حال حرکت باشد و در نتیجه یک گشتاور راه‌اندازی کوچک فراهم می‌آورد. در این نوع از موتورها بازده پایین است. موتورهای قطب‌چاکدار ارزان‌ترین نوع موتورهای کم‌توان هستند و تا حدود ۴۰ وات ساخته می‌شوند.

موتورهای القایی 3 فاز

موتور القایی قفس‌سنجابی: موتور القایی قفس سنجابی نوعی موتور القایی است که به طور گسترده در کاربردهای مختلف صنعتی و تجاری استفاده می شود. نام خود را از طراحی روتور گرفته است که شبیه قفس سنجاب است. روتور یک موتور القایی قفس سنجابی از یک هسته ی استوانه ای ساخته شده از لایه های فولادی با میله های رسانا یا هادی های “قفس سنجابی” که در شکاف هایی در اطراف محیط قرار گرفته اند، تشکیل شده است. این هادی ها معمولن از آلومینیوم یا مس ساخته می شوند و در هر دو انتها اتصال کوتاه دارند.

هنگامی که یک جریان متناوب به سیم پیچ های استاتور اعمال می شود، یک میدان مغناطیسی دوار ایجاد می کند. این میدان مغناطیسی جریانی را در هادی های قفس سنجاب القا می کند و میدان مغناطیسی ایجاد می کند که با میدان استاتور در تعامل است و باعث چرخش روتور می شود.

موتور القایی رینگ لغزش: موتور چرخشی که به عنوان موتور حلقه لغزشی-روتور نیز شناخته می شود، نوعی موتور القایی است که در آن سیم پیچ های روتور از طریق حلقه های لغزشی به مقاومت خارجی متصل می شوند. تنظیم مقاومت امکان کنترل مشخصه سرعت/گشتاور موتور را فراهم می کند. این موتورها را می توان با جریان استارت کم، با وارد کردن مقاومت بالا در مدار روتور راه اندازی کرد. با شتاب گرفتن موتور، مقاومت را می توان کاهش داد.

موتور القایی چیست؟

در مقایسه با روتور قفس سنجابی، روتور موتور حلقه لغزش دارای پیچ های بیشتری است. همچنین ولتاژ القایی بیشتر و جریان کمتر از روتور قفس سنجابی است. در طول راه اندازی یک روتور معمولی دارای 3 قطب است که به حلقه لغزش متصل است. هر قطب به صورت سری با یک مقاومت توان متغیر سیم کشی شده است. هنگامی که موتور به سرعت کامل رسید، قطب های روتور به اتصال کوتاه تبدیل می شوند. در هنگام راه اندازی، مقاومت ها قدرت میدان را در استاتور کاهش می دهند. در نتیجه جریان استارت کاهش می یابد.