ساختمان وطرز کار وکنترول دور موتور القایی

ساختمان موتور القایی

 استاتور موتورهای القایی همان ساختار فیزیکی ماشین های سنکرون را دارد ، ولی ساختار روتورشان متفاوت است .

این استاتور ظاهر استاتور ماشین های سنکرون را دارد ( و واقعاً هم همان است)  دو نوع مختلف روتور موتور القایی وجود دارد که می تواند داخل استاتور قرار گیرد .  یک نوع روتور قفس سنجابی یا تنها روتور قفسی نام دارد و دیگری روتور سیم پیچی شده نامیده می شود . روتورقفس سنجابی از یک سری میلة هادی تشکیل می شود که در شیارهای سطح روتور قرار دارند و در دو طرف با حلقه های اتصال کوتاه کننده به هم متصل شده اند . این طرح به این دلیل روتور قفس سنجابی نامیده می شود که مجموعه میله های هادی شبیه چرخهایی هستند که سنجابها روی آن می دوند .

نوع دیگر روتور ، روتور سیم پیچی شده است . روتور سیم پیچی شده مجموعه کاملی از سیم پیچهای سه فاز دارد ، که مثل تصویر آینه ای سیم پیچهای استاتور بر روتور هستند سیم پیچهای سه فاز روتور معمولاً اتصال ستاره (Y) دارند و انتهای سه سیم روتور به حلقه های لغزان محور روتور متصل اند . سیم پیچهای روتور توسط جاروبکهای سوار بر حلقه های لغزان اتصال کوتاه می شوند . بنابراین جریانهای روتور موتورهای القایی با روتور سیم پیچی شده از طریق جاروبکهای استاتور قابل دسترسی اند ، و از همین جا می توان این جریانها را اندازه گرفت و مقاومت های اضافی در مدار روتور گذاشت . می توان از این خصوصیت استفاده کرد و مشخصة گشتاور – سرعت موتور را تغییر داد.

مفاهیم اساسی موتورالقایی :

 طرز کار موتور القایی در اصل شبیه سیم پیچهای میراکننده موتورهای سنکرون است . اکنون اساس کار را مرور و چند اصطلاح مهم موتور القایی را تعریف می کنیم .

ایجاد گشتاور القایی در یک موتورالقایی

یک مجموع ولتاژ سه فاز به استاتور اعمال شده است و یک مجموعه جریان سه فاز از آن می گذرد . این جریانها یک میدان مغناطیسی ایجاد می کنند که در جهت ساعتگرد می چرخد . سرعت چرخش میدان مغناطیسی عبارت است از :

که در آن  فرکانس بر حسب هرتز و p تعداد قطب های ماشین است . این میدان مغناطیسی دوار  از میله های روتور می گذرد و ولتاژی در آنها القا می کند . ولتاژ القا شده در هر میله روتور از معادله زیر بدست می آید

که در آن

V= سرعت میله ها نسبت به میدان مغناطیسی

B = چگالی شار مغناطیسی استاتور

  = I طول میله روتور

تاریخچۀ طراحی موتورهای القایی :

ایده های پایه ای موتور القایی در اواخر دهه 1880 توسط نیکولا تسلا پی ریزی شد ، او در سال 1888 این ایده ها را به ثبت رساند . در آن زمان او مقاله ای در انستیتو آمریکایی مهندسین برق ( AIEE ، که فعلاً IEEE شده است ) ارائه داد و در آن اصول اساسی موتور القایی سیم پیچی شده را به همراه ایده های مربوط به دو موتور acمهم دیگر – موتور سنکرون و موتور رلوکتانسی – مطرح کرد .

گر چه ایدة اساسی موتور القایی در 1888 تشریح شد ، ولی چنین موتوری به شکل امروزی ساخته نشد ، ابتدا یک دورة پیشرفتهای سریع وجود داشت و به دنبال آن یک رشته بهبودهای تدریجی که تا امروز ادامه یافته است.

موتور القایی در بین سالهای 1888 تا 1895 شکل مدرن خود را پیدا کرد . در این مدت از منابع تغذیه دو فاز و سه فاز برای ایجاد میدان مغناطیسی دوار در موتور استفاده می شد ، پیچکهای استاتور توزیع شده به وجود آمد و روتور قفس سنجابی معرفی شد . در 1896 موتور القایی سه فاز کامل و عملی به صورت تجاری در دسترس قرار گرفت .

از آن سال تا اوائل دهة 1970 کیفیت فولادها ، روشهای ریخته گری ، عایق سازی و جنبه های ساختمانی مورد استفاده در موتورهای القایی مرتب رو به بهبود داشت . این روند به ساخت موتورهای کوچکتر ( به ازاء توان مشخص ) انجامید و صرفه جویی عمده ای در هزینه های ساخت را میسر کرد . در واقع یک موتور hp -100 امروزی از لحاظ اندازه فیزیکی با یک موتور hp -5/7 سال 1897 برابرست . این پیشرفت به خوبی در موتورهای القایی hp -15 نمایان است. ولی این بهبودها در طراحی موتور القایی لزوماً به بهبود بازدة کاری موتور منجر نشد. کوشش اصلی طراحی متوجة کاهش هزینة مواد مصرفی بود ، نه در جهت افزایش بازده . دلیل این جهت گیری ارزانی فوق العادة نیروی برق بود که باعث می شد معیار اصلی خریدار موتور ، قیمت آن باشد . از وقتی که افزایش چشمگیر قیمت نفت در سال 1973 شروع شد ، هزینه های کاری ماشینها مهمتر و مهمتر شدند و هزینة اولیة خرید و نصب از آن اهمیت سابق افتاد . در نتیجه این روند تاکید بر روی بازدة موتور قرار گرفت ، هم از لحاظ طراح و هم از لحاظ مصرف کننده نهایی .

امروزه موتورهای القایی پر بازده تقریباً توسط تمام سازندگان عمده ساخته می شوند ، و این موتورها روز به روز سهم بیشتری از بازار موتورهای القایی را به خود اختصاص می دهند . برای ساختن موتورهای القایی پر بازده ، در مقایسه با طرحهای سنتی موتورهای القایی ، روشهای خاصی به کار برده می شود . از این روشها می توان اینها را نام برد :

1-   در سیم پیچی استاتور مس بیشتری به کار می رود تا تلفات مس کاهش یابد .

2-  طول هستة روتور و استاتور افزایش یافته است تا چگالی شار مغناطیسی در فاصلة هوایی ماشین کاهش یابد . به این ترتیب اشباع مغناطیسی کاهش یافته ، تلفات هسته کمتر می شود .

3-  در استاتور ماشین فولادی بیشتری به کار می رود ، به این ترتیب انتقال حرارت بیشتری صورت گرفته ، درجه حرارت حالت کار موتور کاهش می یابد . طراحی پنکة روتور تغییر کرده است ، تا تلفات بادخوری کاهش یابد .

4-   فولاد به کار رفته در استاتور یک فولاد الکتریکی با کیفیت بالاست که تلفات هیستریزیس کمی دارد .

5-  فولادهای به کار رفته در استاتور نازکترند ( یعنی لایه ها به هم خیلی نزدیک اند ) ، و مقاومت ویژة خیلی بزرگی دارند . هر دوی اینها باعث کاهش تلفات جریانهای گردابی موتور می شود .

6-  روتور به دقت تراشکاری می شود تا فاصلة هوایی یکنواختی به وجود آمده ، تلفات پراکنده در موتور کاهش یابد .

راه اندازی موتورهای القایی:

مشکلاتی که در راه اندازی موتورهای سنکرون وجود دارد ، در موتورهای القایی وجود ندارد . در بسیاری موارد می توان تنها با اتصال موتور به خطوط برق ، آن را راه اندازی کرد . ولی گاهی دلایل خوبی برای پرهیز از چنین کاری وجود دارد . مثلاً جریان راه اندازی لازم ممکن است ، آنقدر بزرگ باشد که ولتاژ سیستم قدرت به شدت افت کند و چنین واقعه ای قابل قبول نباشد ، بنابراین با اتصال مستقیم به خط موتور را نتوان راه اندازی کرد . در موتورهای القایی سیم پیچی شده با گذاشتن مقاومت اضافی در مدار روتور می توان راه اندازی را با جریانهای کوچک آغاز کرد . این مقاومت اضافی علاوه بر اینکه باعث افزایش گشتاور    راه اندازی می شود ، جریان راه اندازی را نیز پایین می آورد . برای موتورهای القایی قفس سنجابی جریان راه اندازی می تواند بسته به توان نامی موتور و مقاومت مؤثر روتور در شرایط راه اندازی بسیار متفاوت باشد . برای اینکه بتوانیم جریان روتور در شرایط راه اندازی را برآورد کنیم ، بر روی پلاک تمام موتورهای قفس سنجابی جدید یک کُد راه اندازی حک می شود ( این کُد را نباید با کلاس طراحی موتور اشتباه کرد ) . این کُد ، برای جریانی که موتور می تواند در شرایط راه اندازی بکشد ، حدودی تعیین می کند

کنترل سرعت موتورهای القایی :

تا قبل از دوران کنترل کننده های حالت – جامد امروزی موتورهای القایی در حالت کلی ماشینهای خوبی برای کاربردهایی که سرعت باید در گسترة وسیعی کنترل می شد نبودند . گسترة عادی کار یک موتور القایی ( طرحهای کلاس A ، B و C ) به لغزش کمتر از 5 درصد محدودست ، و تغییر سرعت در این گستره با بار روی محور موتور کم و بیش به طور خطی متناسب است . حتی اگر بتوان لغزش را بزرگتر کرد ، بازدة موتور بسیار کم می شود زیرا تلفات مس روتور با لغزش نسبت مستقیم دارد ( به یاد دارید که 

در واقع برای کنترل سرعت موتور القایی تنها دو روش وجود دارد . یک روش تغییر سرعت سنکرون ، یعنی سرعت میدانهای مغناطیسی روتور و استاتورست ، زیرا سرعت روتور همیشه می ماند . روش دیگر تغییر لغزش موتور برای یک بار معین است . در زیر هر یک از این دو روش را با تفضیل بیشتری بررسی می کنیم .

سرعت سنکرون یک موتور القایی عبارت است از

پس تنها راههای تغییر سرعت سنکرون ماشین عبارت اند از (1) تغییر فرکانس الکتریکی و (2) تغییر تعداد قطبهای ماشین . کنترل لغزش را می توان با تغییر مقاومت روتور یا ولتاژ پایانه ای موتور انجام داد . در زیر هر یک از این روشها را بررسی می کنیم .

کنترل سرعت موتور القایی با تغییر قطب

برای تغییر تعداد قطبهای یک موتور القایی سه روش اصلی وجود دارد :

1-   روش قطبهای تالی

2-   سیم پیچ های استاتور چندگانه

3-   مدولاسیون دامنه قطب

مدل معادل موتور القایی:

موتور القایی یر اساس القای ولتاژ و جریان در مدار روتور از مدار استاتور (عمل ترانسفورماتوری ) کار می کند . چون القای ولتاژ و جریان در مدار روتور یک موتور القایی اساساً یک عمل ترانسفورماتوری است ، مدار معادل موتور القایی به مدار معادل ترانسفورماتور بسیار شبیه است . موتور القایی را ماشین با تحرک یگانه می خوانند ( در مقابل ماشین سنکرون که با تحریک دوگانه است)  ، زیرا تنها به مدار استاتور توان داده می شود . چون موتور القایی مدار میدان مستقل ندارد ، در مدل آن یک منبع ولتاژ داخلی ، شبیه ولتاژ  موجود در ماشین سنکرون ، وجود ندارد .

توان و گشتاور در موتور القایی

چون موتورهای القایی ماشینهای با تحریک یگانه هستند ، روابط توان و گشتاور آنها با روابط توان و گشتاور در ماشینهای سنکرون بررسی شده در قبل بسیار تفاوت دارد . در این بخش روابط توان و گشتاور در موتورهای القایی را بررسی می کنیم .

تلفات و نمودار عبور توان

موتور القایی را می توان به صورت یک ترانسفورماتور دوار توصیف کرد . ورودی آن یک سیستم سه فاز از ولتاژها و جریان هاست . در ترانسفورماتور معمولی خروجی توان الکتریکی گرفته شده از سیم پیچی ثانویه است . سیم پیچی های ثانویه ( روتور ) در موتور القایی اتصال کوتاه شده اند ، بنابراین در یک موتور القایی معمولی خروجی الکتریکی نداریم . خروجی مکانیکی است . توان ورودی یک موتور القایی  به شکل ولتاژها و جریان های سه فازست . اولین تلفی که در ماشین داریم تلفات  سیم پیچهای استاتورست این را تلفات مس می نامند ) . بخشی از توان به خاطر هیسترزیس و تلفات جریانهای گردابی در استاتور مصرف می شود ( هسته p ) . توانی که اکنون باقی می ماند از طریق فاصلة هوایی       بین استاتور و روتور به روتور منتقل می شود . این توان را توان فاصلة هوایی ماشین می نامند . پس از انتقال توان به روتور بخشی از آن به صورت تلفات  ( تلفات مس روتور  ) از دست می رود.  بقیة توان از شکا الکتریکی به شکل مکانیکی تبدیل می شود (  سرانجام باید تلف های اصطکاکی و باد خوری و پراکنده  را کم کنیم توان باقیمانده توان خروجی موتور  است . به خاطر طبیعت تلفات هسته اینکه آن را در کجای نمودار نشان دهیم تا حدی اختیاری است . بخشی از تلفات هستة موتور القایی از استاتور و بخشی از آن از روتور ناشی می شود . چون موتور القایی معمولاً با سرعتی نزدیک سرعت سنکرون کار می کند ، حرکت نسبی میدان مغناطیسی بر روی سطح روتور کند است و تلفات هستة روتور در مقابل تلفات هستة استاتور بسیار ناچیزست . چون اکثر تلفات هسته از مدار استاتور ناشی می شود ، تمام تلفات هسته را در آن نقطة نمودار متمرکز کرده ایم . این تلفات در مدار معادل موتور القایی با مقاومت     ( یا رسانی  ) نشان داده می شود . اگر تلفات هسته با یک عدد بیان شده باشد  ( X وات ) نه با یک عنصر مداری ، آن را با تلفات مکانیکی ادغام کرده و در نقطه ای از نمودار که مربوط به تلفات مکانیکی است نشان   می دهیم .

هر چه سرعت یک موتور القایی بیشتر باشد ، تلفات اصطکاکی ، باد خوری و پراکنده نیز بیشتر می شود . بنابراین این سه تلف را گاهی در هم ادغام کرده ، آنها را تلفات چرخشی می نامند . غالباً کل تلفات چرخشی موتور را ثابت در نظر می گیرند ، زیرا اجزاء این تلفات وقتی که سرعت تغییر می کند در جهت های مخالف هم تغییر می کنند .

مدارهای راه اندازی موتورهای القایی:

طرز کار این مدار بسیار ساده است. وقتی دکمه شروع فشرده می شود. پیچک رله ( یا کنتاکتور) M فعال می شود و باعث می شود کنتاکتهای ذاتاً باز M1 ,M2 ,M3 بسته شوند. بابسته شدن این کنتاکها توان به موتور القایی اعمال شده ؛ موتور شروع به کار می کند. کنتاکت M4 نیز بسته شده شده و دکمۀ شروع را اتصال کوتاه می کند و اجازه می دهد که اپراتور دست خود را از روی آن بردارد. بدون اینکه جریان رلۀ M قطع شود. با فشرده شدن دکمۀ توقف توان رلۀ M قطع می شود، کنتاکت Mباز شده و موتور متوقف می شود.

 در این مدار راه اندازی چند جنبۀ حفاظتی در نظر گرفته شده است:

1-   حفاظت در مقابل اتصال کوتاه

2-   حفاظت در مقابل اضافه بار

3-   حفاظت در مقابل کمی ولتاژ

حفاظت در مقابل اتصال کوتاه

موتور توسط فیوزهای F1 ،F2 ،F3  تأمین می شود.اگر داخل موتور اتصال کوتاهی ایجاد شود و جریانی بسیار بزرگتراز جریان نامی بگذرد، این فیوزها می سوزند و موتور را از منبع تغذیه جدا می کنند و به این ترتیب نمی گذارند که موتور بسوزد. ولی این فیوزها نباید در هنگام راه اندازی عادی موتور بسوزند. بنابراین باید طوری انتخاب شوند که بتوانند جریانهای تا چند برابر جریان بار کامل را تحمل کنند. پس اتصال هایی که مقاومت زیاد دارند و یا بارهای موتور که بیشتر از حد معمول هستند نباید موجب سوختن فیوز شوند.

 حفاطت در مقابل اضافه بار

توسط وسیله ای که در شکل با OL مشخص شده تأمین می شود. این وسیلۀ محافظت در مقابل اضافه بار از دو بخش تشکیل شده است. عنصر گرمکن رله اضافه بار وکنتاکتهای آن تحت شرایط عادی کار کنتاکتهتی رله اضافه بار بسته اند. ولی اگر دمای عناصر گرمکن خیلی زیاد شود کنتاکتهای OL باز شده، جریان رلۀ M قطع می شود واین به نوبۀ خود کنتاکتهای ذاتاً بازM را باز کرده، موتور را از خطوط تغذیه جدا می کند. وقتی یک موتور القایی اضافه بار پیدا می کند، گرمای ناشی از جریانهای بزرگی که از آن می گذرد نهایتاً باعث آسیب دیدن آن می شود. ولی این صدمه آنی نیست و زمان می برد و جریان های بزرگ کوتاه مدت( مثل جریان راه اندازی) معمولاً آسیبی به موتور نمی رساند. جریانهای بزرگ در صورتی که ادامه یابند باعث صدمه دیدن موتور می شوند. عناصر گرمکن رله اضافه بار نیز برای اینکه عمل کنند باید گرم شوند. بنابراین یک جریان بزرگ آنی، مثلاً در حین     راه اندازی ، نمی تواند بر کار آنها تأثیر داشته باشد، ولی اگر جریان بزرگ تداوم یابد آنها عمل کرده ، قبل از آسیب دیدن موتور آن را از خطوط تغذیه جدا می کنند.

حفاظت در مقابل کمی ولتاژ:

نیز توسط کنترل کننده تأمین می شود به شکل توجه کنید و ببینید که توان رلۀ Mمستقیماً از خطوط متصل به موتور گرفته می شود. اگر ولتاژ اعمال شده به موتور افت شدیدی داشته باشد ولتاژ اعمال شده به رله هم افت می کند و رله از کار می افتد. کنتاکت های M  باز شده توان را از پایۀ موتور جدا می کنند.

شکل 4 یک راه انداز موتور القایی را نشان می دهد که در آن برای کاهش جریان راه اندازی از مقاومت استفاده شده است. این مدار شبیه مدار قبلی است، ولی برای کنترل خروج مقاومت های راه اندازی از مدار عناصر دیگری به آن افزده شده است. رله های 1TD ، 2TD ،3TD، شکل4رله های معروف به رله تأخیر زمانی هستند ، یعنی وقتی تحریک می شوند مدت زمان زاز پیش تنظیم شده ای می گذرد و سپس کنتاکتهای آنها تغییر حالت می دهند. وقتی دکمۀ شروع این مدار فشرده می شود ، رله M تحریک شده و مثل قبل خطوط تغذیه به موتور وصل می شوند. چون کنتاکتهای1TD ،2TD، 3TD همگی بازند کل مقاومت راه انداز بار موتور سری است و جریان راه اندازی کم میشود.

با بسته شدن کنتاکتهای رله M ، رلۀ 1TD نیز فعّال می شود. ولی کنتاکهای1TDپس ازیک تاخیر زمانی مشخص بسته می شوند.طی این زمان موتورکمی سرعت گرفته وجریان راه اندازی را از مدار خارج می کنند و در همین حال رله 2TD را به کارمی اندازند.پس از یک تاخیر دیگرکنتاکهای 2TD بسته شده و بخش دوم مقاومت رااز مدار خارج می کنند و رله 3TD را نیز به کار می اندازند.سرانجام کنتاکهای3TD  بسته شده و کل مقاومت راهانداز از مدار خارج می شود. با انتخاب مناسب مقادیر مقاومت ها و تأخیر های زمانی می توان مدار را طوری طراحی کرد که اجازه ندهد جریان راه اندازی موتور از حد خطر آفرینی تجاوز کند، و در عین حال جریان کافی برای شتاب گرفتن سریع موتور و رسیدن به سرعت عادی را تأمین کند.

روش راه اندازی موتورهای القایی سه فاز:

    دو  روش برای راه اندازی اینگونه موتورها وجود دارد.

1- وصل مستقیم موتور به شبکه ( منبع تغذیه)

نظرات شما عزیزان:

نام :

آدرس ایمیل:

وب سایت/بلاگ :

متن پیام:

نظر خصوصی

 کد را وارد نمایید:

 

 

 

عکس شما

آپلود عکس دلخواه: