اساس کار موتورهای القایی AC
مقدمه:
موتورهای القایی AC عمومی ترین موتورهایی هستند که در سامانه های کنترل حرکت صنعتی و همچنین خانگی استفاده می شوند.طراحی ساده و مستحکم , قیمت ارزان , هزینه نگه داری پایین و اتصال آسان و کامل به یک منبع نیروی AC امتیازات اصلی موتورهای القایی AC هستند.انواع متنوعی از موتورهای القایی AC در بازار موجود است.موتورهای مختلف برای کارهای مختلفی مناسب اند.با اینکه طراحی موتورهای القایی AC آسانتر از موتورهای DC است , ولی کنترل سرعت و گشتاور در انواع مختلف موتورهای القایی AC نیازمند درکی عمیقتر در طراحی و مشخصات در این نوع موتورهاست.
این نکته در اساس انواع مختلف , مشخصات آنها , انتخاب شرایط برای کاربریهای مختلف و روشهای کنترل مرکزی یک موتورهای القایی AC را مورد بحث قرار می دهد.
اصل ساخت اولیه و کاربری
مانند بیشتر موتورها , یک موتورهای القایی AC یک قسمت ثابت بیرونی به نام استاتور و یک روتور که در درون آن می چرخد دارند , که میان آندو یک فاصله دقیق کارشناسی شده وجود دارد.به طور مجازی همه موتورهای الکتریکی از میدان مغناطیسی دوار برای گرداندن روتورشان استفاده می کنند.یک موتور سه فاز القایی AC تنها نوعی است که در آن میدان مغناطیسی دوار به طور طبیعی بوسیله استاتور به خاطر طبیعت تغذیه گر آن تولید می شود.در حالی که موتورهای DC به وسیله ای الکتریکی یا مکانیکی برای تولید این میدان دوار نیاز دارند.یک موتور القایی AC تک فاز نیازمند یک وسیله الکتریکی خارجی برای تولید این میدان مغناطیسی چرخشی است.
در درون هر موتور دو سری آهنربای مغناطیسی تعبیه شده است.در یک موتور القایی AC یک سری از مغناطیس شونده ها به خاطراینکه تغذیه AC به پیچه های استاتور متصل است در استاتور تعبیه شده اند.بخاطر طبیعت متناوب تغذیه ولتاژ AC بر اساس قانون لنز نیرویی الکترومغناطیسی به روتور وارد می شود (درست شبیه ولتاژی که در ثانویه ترانسفورماتور القا می شود).بنابر این سری دیگر از مغناطیس شونده ها خاصیت مغناطیسی پیدا می کنند.-نام موتور القایی از اینجاست-.تعامل میان این مگنت ها انرژی چرخیدن یا تورک (گشتاور) را فراهم می آورد.در نتیجه موتور در جهت گشتاو بوجود آمده چرخش می کند.
استاتور
استاتور از چندین قطعه باریک آلومنیوم یا آهن سبک ساخته شده است.این قطعات بصورت یک سیلندر تو خالی به هم منگنه و محکم شده اند(هسته استاتور) با شیارهایی که در شکا یک نشان داده شده اند.سیم پیچهایی از سیم روکش دار در این شیارها جاسازی شده اند.هر گروه پیچه با هسته ای که آن را فرا گرفته یک آهنربای مغناطیسی (با دو پل) را برای کار کردن با تغذیه AC شکل می دهد.تعداد قطبهای یک موتور القایی AC به اتصال درونی پیچه های استاتوربستگی دارد.پیچه های استاتور مستقیما به منبع انرژی متصل اند.آنها به صورتی متصل اند که با برقراری تغذیه AC یک میدان مغناطیسی چرخنده تولید می شود.
http://hupaa.com/Data/other/1/acmoto...s/image001.jpg
روتور
روتور از چندین قطعه مجزای باریک فولادی که میانشان میله هایی از مس یا آلومنیوم تعبیه شده ساخته شده است.در رایج ترین نوع روتور (روتور قفس سنجابی) این میله ها در انتهای خود به صورت الکتریکی و مکانیکی بوسیله حلقه هایی به هم متصل شده اند.تقریبا 90 درصد از موتورهای القایی دارای روتور قفس سنجابی می باشند و این به خاطر آن است که این نوع روتور ساختی مستحکم و ساده دارد.این روتور از هسته ای چند تکه استوانه ای با محوری که شکافهای موازی برای جادادن رساناها درون آن دارد تشکیل شده است.هر شکاف یک میله مسی یا آلومنیومی یا آلیاژی را شامل می شود.در این میله ها به طور دائمی بوسیله حلقه های انتهایی آنها همچنان که در شکل دو مشاهده می شود مدار کوتاه برقرار است.چون این نوع مونتاژ درست شبیه قفس سنجاب است , این نام برای آن انتخاب شده است.میله ای روتور دقیقا با محور موازی نیستند.در عوض به دو دلیل مهم قدری اریب نصب می شوند.
دلیل اول آنکه موتور با کاهش صوت مغناطیسی بدون صدا کارکرده و برای آنکه از هارمونیکها در شکافها کاسته شود.
دلیل دوم آن است که گرایش روتور به هنگ کردن کمتر شود.دندانه های روتور به خاطر جذب مغناطیسی مستقیم (محض) تلاش می کنند که در مقابل دندانه های استاتور باقی بمانند.این اتفاق هنگامی می افتد که تعداد دندانه های روتور و استاتور برابر باشند.
روتور بوسیله مهار هایی در دو انتها روی محور نصب شده ; یک انتهای محور در حالت طبیعی برای انتقال نیرو بلندتر از طرف دیگر گرفته می شود.ممکن است بعضی موتورها محوری فرعی در طرف دیگر(غیر گردنده - غیر منتقل کننده نیرو) برای اتصال دستگاههای حسگر حالت(وضعیت) و سرعت داشته باشند.بین استاتور و روتور شکافی هوایی موجود است.بعلت القا انرژی از استاتور به روتور منتقل می شود.تورک تولید شده به روتور نیرو داده و سپس برای چرخیدن به آن نیرو می کند.صرف نظر از روتور استفاده شده قواعد کلی برای دوران یکی است.
http://hupaa.com/Data/other/1/acmoto...s/image002.jpg
سرعت یک موتور القایی
میدان مغناطیسی ای که در استاتور تولید میشود با سرعت سنکرون می چرخد.(Ns)
http://hupaa.com/Data/other/1/acmoto...s/image003.jpg
در روتور میدان مغناطیسی تولید می شود زیرا به طور طبیعی ولتاژ متناوب است.
برای کاهش سرعت نسبی نسبت به (شار)استاتور , روتور چرخش را در همان جهتی که شار استاتور دارد آغاز می کند و تلاش می کند تا به سرعت چرخش فلاکس نایل شود.با اینحال روتور هرگز موفق نمی شود که به سرعت میدان استاتور برسد.روتور از سرعت میدان استاتور کندتر می گردد.این سرعت Base speed نام دارد.(Nb)
تفاوتها میان Ns و Nb Slip نام دارد.اسلیپ مقادیر مختلف فشار(مکانیکی) بستگی دارد.هر افزایشی در فشار موجب کندتر کار کردن روتور و افزایش اسلیپ می شود.برعکس کاهش فشار سبب سرعت گرفتن روتور و کاهش اسلیپ می شود.اسلیپ بوسیله درصد نشان داده شده و با فرمول زیر مشخص می شود.
http://hupaa.com/Data/other/1/acmoto...s/image004.jpg
انواع موتورهای القایی
عموما دسته بندی موتورهای القای براساس تعداد پیچه های استاتور است که عبارتند از:
موتورهای القایی تک فاز
موتورهای القایی سه فاز
موتورهای القایی تک فاز
احتمالا بیشتر از کل انواع موتورها از موتورهای القایی AC تک فاز استفاده می شود.منطقی است که باید موتورهای دارای کمترین گرانی و هزینه نگه داری بیشتر استفاده شود. موتور القایی AC تک فاز بهترین مصداق این توصیف است.آن طور که از نام آن برمیاید این نوع از موتور تنها یک پیچه (پیچه اصلی) دارد و با یک منبع تغذیه تک فاز کار می کند.در تمام موتورهای القایی تک فاز روتور از نوع قفس سنجابی است.
موتور القایی تک فاز خود راه انداز نیست.هنگامی که موتور به یک تغذیه تک فاز متصل است پیچه اصلی دارای جریانی متناوب می شود.این جریان متناوب میدان مغناطیسی ای ضربانی تولید می کند.بسبب القا روتور تحریک می شود.چون میدان مغناطیسی اصلی ضربانی است تورکی که برای چرخش موتور لازم است بوجود نمی آید و سبب ارتعاش روتور و نه چرخش آن می شود.از این رو موتور القایی تک فاز به دستگاه آغاز گری نیاز داردکه می تواندضربات آغازی را برای چرخش موتور تولید کند.
دستگاه آغاز گر موتورهای القایی تک فاز اساسا پیچه ای اضافی در استاتور است (پیچه کمکی) که در شکل سه نشان داده شده است.پیچه استارت می تواند دارای خازنهای سری ویا سوئیچ گریز از مرکز باشد.هنگامی که ولتاژ تغذیه برقرار است جریان در پیچه اصلی بسبب مقاومت پیچه اصلی ولتاژتغذیه را افت میدهد (ولتاژ به جریان تبدیل می شود).در همین حین جریان در پیچه استارت بسته به مقاومت دستگاه استارت به افزایش ولتاژ تغذیه تبدیل می شود.فعل و انفعال میان میدانهای مغناطیسی که پیچه اصلی و دستگاه استارت می سازند میدان برایندی میسازند که در جهتی گردش می کند.موتور گردش را در جهت این میدان برایند آغاز میکند.
هنگامی که موتور به 75 درصد دور مجاز خود می رسد یک سوئیچ گریز از مرکز پیچه استارت را از مدار خارج می کند.از این لحظه به بعد موتور تک فاز می تواند تورک کافی را برای ادامه کارکرد خود نگه دارد.
بجز انواع خاص دارای Capacitor start / capacitor run عموماهمه موتورهای تک فاز فقط برای کاربری های بالای 3/4 hp استفاده می شوند.
بسته به انواع تکنیکهای استارت موتورهای القایی تک فاز AC در دسته بندی ای وسیع آن گونه توصیف شده
موتور القایی AC فاز شکسته
موتور فاز شکسته همچنین به عنوان Induction start/Induction run (استارت القایی/کارکرد القایی)هم شناخته می شود که دو پیچه دارد.پیچه استارت از سیم نازکتر و تعداد دور کمتر نسبت به پیچه اصلی برای بوجود آوردن مقاومت بیشتر ساخته شده است.همچنین میدان پیچه استارت در زاویه ای غیر از آنچه که پیچه اصلی دارد قرار می گیرد که سبب آغاز چرخش موتور می شود.پیچه اصلی که از سیم ضخیم تری ساخته شده است موتور را همیشه درحالت چرخش باقی نگه می دارد.
http://hupaa.com/Data/other/1/acmoto...s/image006.jpg
تورک آغازین کم است مثلا 100 تا 175 درصد تورک ارزیابی شده.موتور برای استارت جریانی زیاد طلب می کند.تقریبا 700 تا 1000 درصد جریان ارزیابی شده.تورک بیشینه تولید شده نیز در محدوده 250 تا 350 درصد از تورک براوردشده می باشد.(برای مشاهده منحنی سرعت – گشتاور به شکل 9نگاه کنید).
کاربریهای خوب برای موتورهای فاز شکسته شامل سمباده (آسیاب) های کوچک , دمنده ها و فنهای کوچک و دیگر دستگاههایی با نیاز به تورک آغازین کم با و نیاز به قدرت 1/20 تا 1/3 اسب بخار می باشد.از استفاده از این موتورها در کاربریهایی که به دوره های خاموش و روشن و گشتاور زیاد نیازدارند خود داری نمایید.
موتور القایی با استارت خازنی
این نوع , موتور اصلاح شده فاز شکسته با خازنی سری با آن برای بهبود استارت است.همانند موتور معمولی فاز شکسته این نوع موتور یک سوئیچ گریز از مرکز داشته که هنگامی که موتور به 75 درصد سرعت ارزیابی شده می رسد , پیچه استارت را از مدار خارج می نماید.از آنجا که خازن با مدار استارت موازی است , گشتاور استارت بیشتری تولید می کند , معمولا در حدود 200 تا 400 درصد گشتاور ارزیابی شده.و جریان استارت معمولا بین 450 تا 575 درصد جریان ارزیابی شده است.که بسیار کمتر از موتور فاز شکسته و بعلت سیم ضخیمتر در مدار استارت است.برای منحنی سرعت گشتاور به شکل 9 مراجعه کنید.
نوع اصلاح شده ای از موتو با استارت خازنی ، موتور با استارت مقاومتی است.در این نوع موتور خازن استارت با یک مقاومت جایگزین شده است.موتور استارت مقاومتی در کاربریهایی مورد استفاده قرار می گیرد که میزان گشتاور استارتینگی کمتر از مقداری که موتور استارت خازنی تولید می کند لازم است.صرف نظر از هزینه این موتور امتیازات عمده ای نسبت به موتور استارت خازنی ندارد.
http://hupaa.com/Data/other/1/acmoto...s/image007.jpg
این موتورها در انواع مختلف کاربریهای پولی و تسمه ای مانند تسمه نقاله های کوچک , پمپها و دمنده های بزرگ به خوبی بسیاری از خود گردانها و کاربریهای چرخ دنده ای استفاده می شوند.
موتورهای AC القایی با خازن دائمی اسپلیت
این موتور (PSC) نوعی خازن دائما متصل به صورت سری به پیچه استارت دارد.این کار سبب آن میشود که پیچه استارت تازمانی که موتور به سرعت چرخش خود برسد بصورت پیچه ای کمکی عمل کند.از آنجا که خازن عملکرد اصلی , باید برای استفاده مداوم طراحی شده باشد , نمیتواند توان استارتی معادل یک موتور استارت خازنی ایجاد نماید.گشتاور استارت یک موتور (PSC) معمولا کم و در حدود 30 تا 150 درصد گشتاور ارزیابی شده است.موتورهای (PSC) جریان استارتی پایین , معمولا در کمتر از 200 درصد جریان برآورد شده دارند که آنها را برای کاربریهایی با سرعتهای دارای چرخه های خاموش روشن بالا بسیار مناسب میسازد.برای منحنی سرعت – گشتاور به شکل 9 مراجعه کنید.
موتورهای PSC امتیازات فراوانی دارند.طراحی موتور براحتی برای استفاده با کنترل کننده های سرعت میتواند اصلاح شود.همچنین می توانند برای بازدهی بهینه و ضریب توان بالا در فشار برآورد شده طراحی شوند.آنها به عنوان قابل اطمینان ترین موتور تک فاز مطرح میشوند.مخصوصا به این خاطر که به سوئیچ گریز از مرکز نیازی ندارند.
موتورهای PSC بسته به طراحیشان کاربری بسیار متنوعی دارند که شامل فنها , دمنده ها با نیاز به گشتاور استارت کم و چرخه های کاری غیر دائمی مانند تنظیم دستگاهها (طرز کارها) , عملگر درگاهها و بازکننده های درب گاراژها میشود.
موتورهای AC القایی استارت با خازن/ کارکرد با خازن
این موتور , همانند موتور با استارت خازن , خازنی از نوع استارتی در حالت سری با پیچه کمکی برای گشتاور زیاد استارت دارد.همچنین مانند یک موتور PSC خازنی از نوع کارکرد که درکنار خازن استارت در حالت سری با پیچه کمکی است که بعد از شروع به کار موتور از مدار خارج می شود.این حالت سبب بوجود آمدن گشتاوری در حد اضافی می شود.
http://hupaa.com/Data/other/1/acmoto...s/image009.jpg
این نوع موتور می تواند ... و بازده بیشتر طراحی شود.(منحنی سرعت – گشتاور در شکل 9 را ببینید).این موتور بخاطر خازنهای کارکرد و استارت و سوئیچ گریز از مرکز آن پرهزینه است.
این موتور می تواند در بسیاری از کاربریهایی که از هرموتور تک فاز دیگری انتظار میرود استفاده شود.این کاربریها شامل ماشینهای مرتبط با چوب , کمپرسورهای هوا , پمپهای آب فشار قوی , پمپهای تخلیه و دیگر کاربردهای نیازمند گشتاورهای بالا در حد 1 تا 10 اسب بخار می شوند.
موتور القایی AC با قطب سایه دار
موتورهای با قطب سایه دار فقط یک پیچه اصلی دارند و پیچه استارت ندارند.استارت خوردن بوسیله طرح خاص آن که حلقه پیوسته مسی ای را دور قسمت کوچکی از هر قطب موتور حلقه می کند انجام می شود.این سایه که قطب را دو تکه می کند سبب می شود که میدان مغناطیسی ای ضعیفتر در ناحیه سایه خورده نسبت به قسمت دیگر و در کنار آن بوجود آید.تعامل میان میدانها محور را به چرخش وامی دارد.
چون موتور با قطب سایه خورده پیچه استارت , سوئیچ استارت ویا خازن ندارد از نظر الکتریکی ساده و ارزان است.همچنین سرعت آن راصرفا با تغییر ولتاژ یا بوسیله یک پیچه با چند دور مختلف می توان کنترل کرد.
http://hupaa.com/Data/other/1/acmoto...s/image010.jpg
ساخت موتور با قطب سایه خورده از نظر مکانیکی اجازه تولید انبوه را میدهد.درحقیقت این موتورها به موتورهای یک بار مصرف معروفند.بدین معنی که جایگزین کردن آنها ارزانتر از تعمیر آنهاست
http://hupaa.com/Data/other/1/acmoto...s/image011.jpg
موتورهای با قطب سایه دار بسیاری مشخصات مثبت دارند.اما چندین مورد بی فایدگی هم دارند.گشتاور استارت کم آن معمولا 25 تا 75 درصد گشتاور برآوردی است.این موتور موتوری با اتلاف بالاست که سرعتی حدود 7 تا 10 درصد سرعت سنکرون دارد.عموما بازده این نوع موتور بسیار پایین است (زیر 20 درصد).
هزینه اولیه پایین آن را برای قدرت کمتر یا کاربردهای با کار کمتر مناسب می سازد.شاید وسیعترین استفاده از آنها در فنهای چند سرعته برای استفاده خانگی است.ولی گشتاور کم موتور دارای قطب سایه دار را برای بیشتر کاربریهای صنعتی یا تجاری که در آنها کار مداوم یا چرخه های گردش بیشتر معمول است غیر قابل استفاده می کند.شکل 9 منحنی سرعت - گشتاور را برای انواع موتور القایی AC تک فاز نشان می دهد.
http://hupaa.com/Data/other/1/acmoto...s/image012.jpg
موتور القایی AC سه فاز
موتورهای القایی AC سه فاز به طور گسترده در کاربریهای تجاری و صنعتی استفاده می شوند.آنها هم به عنوان موتورهایی با روتور پیچ خورده یا قفس سنجابی دسته بندی می شوند.
این موتورها خود استارت هستند و از هیچ خازن یا پیچه استارت یا سوئیچ گریز از مرکز یا دستگاه آغازگری استفاده نمی کنند.
آنها گشتاور آغازین در درجه های متوسط یا بالا تولید می نمایند.محدوده نیروی تولیدی و بازده این موتورها از متوسط تا بالا با مشابه های تک فازشان مقایسه می شود.استفاده های عمومی آنها مانند آسیابها (و لیث ها دستگاه برنده و فرم دهنده چوب و فلز) مته فشاری پمپها کمپرسورها تسمه نقاله ها همچنین دستگاههای چاپ دستگاههای مزرعه سرمایش در الکترونیک و دیگر کاربریهای مکانیکی است.
موتور قفس سنجابی
تقریبا 90 درصد موتورهای القایی AC سه فاز از این نوعند.که روتور آنها از نوع قفس سنجابی است که در ابتدا توضیح داده شد.محدوده های طبقه بندی نیروی آنها از یک سوم تا چند صد اسب بخار است.موتورهای این نوعی که در دسته یک اسب بخار به بالا اند در مقایسه با مشابه های تک فاز کم هزینه ترند و میتوانند در استارت در فشارهای سنگینتر بکار کنند.
موتور با روتور پیچشی
موتور با حلقه لغزان یا موتور روتور پیچشی نوعی از موتور القایی قفس سنجابی است.درحالی که استاتور در این موتور همانند موتور قفس سنجابی است یک سری از پیچه ها را روی روتور خود دارد که در حالت مدارکوتاه نیستند ولی به یک سری از رینگهای لغزان ختم می شوند.این پیچه ها در اضافه کردن مقاومتها و خازنهای خارجی سودمندند.اسلیپ لازم برای تولید گشتاور بیشینه نهایی مستقیما با مقاومت روتور متناسب است.در موتور با حلقه لغزان مقاومت موثر روتور با اضافه کردن مقاومت خارجی میان حلقه های لغزان کاهش میابد.
بنابراین امکان بدست آوردن لغزش بیشتر و همچنین گشتاور بیشینه نهایی در سرعتهای کمتر وجود دارد.
یک مقاومت خارجی می توانددر سرعت تقریبا صفر را نتیجه دهد که گشتاو بیشینه نهایی بسیار زیادی با جریان استارت کم را تولید می کند.هنگامی که موتور شتاب می گیرد مقدار مقاومت می تواند کاهش یابد تا مشخصات موتور برای کارهایی با فشار زیاد مناسب شود.هنگامی که موتور به سرعت اصلی میرسد خازنهای خارجی از مدار خارج می شوند و این یدین معنی است که اکنون موتور به عنوان یک موتور القایی استاندارد کار می کند.
این نوع موتور برای فشارهای مانا (کارهایی با فشار ثابت) که درآنها گشتاور نهایی باید در سرعت تقریبا صفر تولید شده و موتور درکمترین زمان و با کمترین مصرف جریان تا سرعت بیشینه شتاب گیرد ایده آل است.***
http://hupaa.com/Data/other/1/acmoto...s/image013.jpg
قسمت پایینی موتور با حلقه لغزان که در آن حلقه ها به همراه مجموعه براشها است به نگهداری منظم نیاز داردکه از نظر قیمت , استاندارد بودن آن را به عنوان یک موتور قفس سنجابی غیر ممکن می کند.اگر پیچه ها کوتاهتر شوده و استارت زده شود معمولا جریان بالااز روتور در حالت متوقف عبورمی کند که در حد 1400 درصد است.درحالیکه در این حالت درآن گشتاوری در حد 60درصد تولید مینماید که در بسیاری از کاربریها چنین امکان پشتیبانی چنین چیزی نیست.با تغییر مقاومتهای روتور منحنی سرعت گشتاور تعدیل می گرددکه بدان وسیله سرعتی که درآن موتور در فشاری مخصوص کارمی کند تعدیل می شود.ظرفیت تکمیل فشار میتواند سرعت را تا 50درصد سرعت سنکرون کاهش دهد.خصوصا هنگامی که فشار , از انواعی با نیاز به گشتاور – سرعتهای مختلف مثل پرسهای چاپ یا کمپرسورها است.کاهش سرعت تا زیر 50درصد بازده را به خاطر اتلاف انرژی در مقاومتها به شدت کاهش میدهد.این نوع موتور در کاربریهایی با چرخش با گشتاور و سرعتهای مختلف مانند پرسهای چاپ , کمپرسورها , تسمه نقاله ها , بالابرنده ها و آسانسورها مورد استفاده قرار می گیرد.
معادله کنترل گشتاور عملکرد موتور
سیستم بار موتور میتواند بوسیله معادله اساسی زیر بیان شود.
موتورهای القایی درحالت خاموش مانند یک ترانسفورماتور درمدار کوتاه عمل می کنند و اگر کاملا به منبع ولتاژ متصل شوند جریانی بسیار بزرگ می کشند که این جریان به جریان روتور قفل شده معروف است. همچنین گشتاوری تولید می کند که به گشتاور روتور قفل شناخته می شود.گشتاور روتور قفل (LRT) و جریان روتور قفل (LRC) تابع ولتاژ پایانه و تابع طراحی آن می باشند.هنگامی که موتور شتاب می گیرد اگر ولتاژ ثابت نگه داشته شود هردوی گشتاور و جریان تلاش می کنند که سرعت روتور را تغیر دهند.
جریان استارت یک موتور با ولتاژ ثابت با شتاب گرفتن موتوربطوربسیار آهسته کاهش میابد و صرفا روند نزولی میابد.به خصوص وقتی که موتور به 80 درصد سرعت کامل خود میرسد.منحنیهای واقعی برای موتورهای القایی میتوانند میان طراحی های مختلف بسیاربسیارمتفاوت باشند ولی عموما گرایش آنها به جریان بالاست تا وقتی که متور تقریبا به سرعت کامل میرسد.LRC یک موتور میتواند در محدوده از500 درصد تا 1400 درصد جریان ظرفیت تکمیل (FLC) باشد.معمولا موتورهای خوب در محدوده 550 تا 750درصد از FLC میاشند.
گشتاور استارت یک موتور القایی که با ولتاژ ثابت آغاز به کار می کند , کمی به گشتاور کمینه افت می کند که به Pull-Up torque شناخته می شود.و با شتاب گرفتن موتور در تقریبا سرعت بیشینه به یک گشتاور بیشینه افزایش یافته که به گشتاور شکست یا Pull-Out torque معروف است و سپس در سرعت سنکرون به صفر نزول می کند.منحنی گشتاور استارت برخلاف سرعت روتور به ولتاژ پایانه و طراحی روتور بستگی دارد.
LRT یک موتور القایی میتواند از مقدار کم 60 درصد FLT تا 350 درصد آن تغییر کند.Pull-Up torque نیز می تواند به کمی 40 درصد FLT و گشتاور شکست هم می تواند تا حد 350 درصد FLT باشد.معمولا LRT ها برای موتورهای بزرگ تا متوسط دستورا 120 تا 280 درصد FLT میباشد.ضریب توان (PF) با شتاب گرفتن موتور از استارت از .1 تا .25 به مقدار بیشینه افزایش یافته وسپس با رسیدن موتور به سرعت نهایی دوباره سقوط مینماید.
ویژگی عملکرد
هنگامی که موتوربه سرعت خود سرعتی که به تعداد قطبهای استاتور مربوط است رسیده است در میزان خطای کمی نسبت به سرعت سنکرون(Slip) کار می کند.معمولا میزان این کاستی برای یک موتور قفس سنجابی کمتر از 5 درصد است.اسلیپ حقیقی نوع خاصی از موتور به طراحی آن بستگی دارد.معمولا سرعت اصلی یک موتور القایی چهار قطبی بین 1420 تا 1480 دور در دقیقه در فرکانس 50 هرتز متغیر است.در حالی که سرعت سنکرون 1500 دور در دقیقه در فرکانس 50 هرتز است.
ولتاژ کشیده شده توسط موتور القایی دو جزء دارد:جزءانفعالی (جریان مغناطیسی سازی) و مولفه موثر (جریان کاری).جریان مغناطیسی سازی مستقل از بار ولی وابسته به طراحی و ولتاژ استاتور می باشد.جریان مغناطیسی سازی حقیقی موتور القایی می تواند از مقدار کم 20 درصد FLC برای دستگاه بزرگ دو پل تا بزرگی 60 درصد برای نمونه کوچک هشت پل متغیر باشد.جریان کاری موتوربا بار نسبت مستقیم دارد.
گرایش دستگاههای بزرگ و پرسرعت به ارائه دادن جریان مغناطیسی سازی کم است درحالی که گرایش ماشینهای کوچک و کم سرعت به جریان بالای مغناطیسی سازی میباشد.یک موتور معمولی در سایز متوسط و با چهار پلجریان مغناطیسی سازی ای معادل 33 درصد FLC دارد.
یک جریان کم مغناطیسی سازی اتلاف کم آهن را دربردارد در حالی که جریان بزرگ مغناطیسی سازی افزایش در اتلاف آهن و درنتیجه کاهش بازده عملکرد را در پی دارد.
معمولا بازده عملکرد یک موتور القایی در سه چهارم ظرفیت حداکثر است و از 60درصد برای موتورهای کوچک کم سرعت تا بیش از 92درصد برای موتورهای بزرگ پرسرعت متنوع است.ضرایب توان و بازده ها عموما در مشخصات موتورها ذکر شده است.
مشخصه بار
در واقعیت کاربریهایی با مقادیر مختلف بار با منحنیهای مختلف سرعت گشتاور وجود دارد.برای نمونه: گشتاور ثابت با بار با سرعت متغیر(در کمپرسورهای پیچشی تسمه نقاله ها تغذیه کننده ها) , گشتاور متغیر با بار با سرعت متغیر(در فن , پمپ) , توان بار ثابت(در محرکهای انقباضی) , توان و گشتاور بار ثابت(در محرکهای سیم پیچی) و گشتاور بالای استارت و دورگرفتن ناگهانی که در گشتاور ثابت بار(در پمپهای پیچشی , فشرده سازها) مشاهده می شود.
گفته می شود سیستم بار موتور پایدار است هرگاه گشتاور تولیدی موتور با گشتاور مورد نیاز بار برابر باشد.در این حالت موتور در یک سرعت ثابت در حالتی مانا کار می کند.پاسخگویی موتور به هر اختلال ایده ای در مورد پایداری سیستم بار آن به ما میدهد.این مفهوم به ما در انتخاب سریع نوع موتور برای کاربری خاصی کمک می کند.
در بیشتر کاربریها , واحد زمانی الکتریکی در مقابل واحد زمانی مکانیکی آن ناچیز است.ازین رو درهنگام اعمال آنی میتوان موتور را در تعادل الکتریکی فرض کرد که بر اینکه منحنی سرعت – گشتاور حالت پایدار برای اعمال آنی نیز صادق است دلالت دارد.
بعنوان نمونه شکل 12 منحنیهای سرعت – گشتاور موتوری با دو بار مختلف نشان میدهد.میتوان سامانه را بعد از به حالت اول بازگشتن پس از کمی تغییر به سبب اختلالی در موتور یا بار ثابت نامید.
برای نمونه اختلال سبب کاهش http://hupaa.com/Data/other/1/acmoto...s/image020.jpg در سرعت میشود.درحالت اول در سرعتی جدید گشتاور موتور T از گشتاور بار T1 بزرگتر است.بنابراین موتور شتاب گرفته و عملیات به X باز خواهد گشت.به طور مشابه افزایش http://hupaa.com/Data/other/1/acmoto...s/image020.jpg در سرعت که بوسیله یک اختلال بوجود میاید و گشتاور بار را از گشتاور موتور بیشتر خواهد کرد کاهش سرعت موتور وبازگشت حالت عملیات به نقطه X را نتیجه میدهد.بنابراین سیستم در نقطه X پادار است.
در حالت دوم کاهش سرعت سبب بیشتر شدن گشتاور بار از گشتاور مووتور میشود.چرخش کل کند شده و حالت دستگاه از نقطه Y دور میشود.به طور مشابه افزایشیدر سرعت گشتاور موتور را از گشتاور بار فزونی داده که موجب دور شدن بیشتر حالت دستگاه از نقطه Y میشود.بنابر این سامانه در نقطه Y ناپایدار است.
این نشان میدهد که موتور انتخاب شده برای کاربری در حالت اول صحیح است و انتخاب دوم انتخابی اشتباه میباشد و برای عمل مورد نظر باید تغییر کند.
[IMG]http://hupaa.com/Data/other/1/acmotors2_files/image***.jpg[/IMG]
انوع بار با منحنیهای سرعت – گشتاورشان در زیر توضیح داده شده اند.
بارهای با سرعت متغیر و گشتاور ثابت
گشتاوری که این نوع بارها نیازدارند صرفنظر از سرعت , ثابت اند.درمقابل نیرو با سرعت نسبت خطی دارد.دستگاههایی نظیر کمپرسورهای پیچشی , تسمه نقاله ها و تغذیه گرها(سوخت رسانها) چنین مشخصات باری دارند.
http://hupaa.com/Data/other/1/acmoto...s/image022.jpg
بارهای با گشتاور متغیر و سرعت متغیر
این عمومی ترین نوع بار درصنایع بوده و بیشتر اوقات به عنوان بار با گشتاور نمایی شناخته میشود.درحالی که نیرو مکعب سرعت است گشتاور مربع سرعت میباشد.این مشخصات معمول سرعت – گشتاور یک فن یا پمپ است
http://hupaa.com/Data/other/1/acmoto...s/image023.jpg
بارهای با توان ثابت
ا
ین نوع بار کمیاب است ولی گاهی در صنایع مورد استفاده دارد.درحالی که گشتاور تغییر می کند توان ثابت استگشتاور با سرعت نسبت عکس داشته که به طور نظری گشتاور بینهایت در سرعت صفر و سرعت بینهایت در گشتاور صفر را در بر دارد.در عمل همیشه به مقدار متناهی گشتاور شکست نیاز است.این نوع بار مشخصه محررکهای انقباضی است که برای شتابگیری اولیه به گشتاور بالا در سرعت پایین و گشتاوری بسیار کاهش یافته در هنگام کارکرد نیاز دارد.
http://hupaa.com/Data/other/1/acmoto...s/image024.jpg
بارهای با توان ثابت و گشتاور ثابت
این نوع بار در کارخانه کاغذ استفاده میشود.در این نوع بار درحالیکه سرعت افزایش میابد , گشتاور ثابت مانده و توان بشکل خطی افزایش میابد.هنگامی که گشتاور شروع به کاهش می کند آنگاه توان ثابت می ماند.
http://hupaa.com/Data/other/1/acmoto...s/image025.jpg
گشتاور استارت و دورگیری بالا و در ادامه گشتاور ثابت
درسراسر جهان استانداردهای مختلفی برای تبیین کاربریها و پارامترهای ساختمانی یک موتور موجود است.دو نوع استاندارد که بیش از همه مورد استفاده قرار می گیرد عبارتند از:NEMA (انجمن ملی سازندگان الکتریکی) و IEC (کمیته بین المللی الکتروتکنیکی).
NEMA
NEMA برای بسیاری از محصولات الکتریکی شامل موتورها استاندارد قرار میدهد.NEMA اصولا استاندارد موتورهای مورد استفاده در آمریکای شمالی است.استانداردهای معتبر لیاقتهای عمومی صنعتی را بیان می کنند و بوسیله جامعه الکتریکی پشتیبانی میشوند.این استانداردها را می توان در نشریه شماره MG1 NEMA یافت.ممکن است بعضی موتورهای بزرگ AC تحت این استاندارد قرار نگیرند.این موتورها برای مواجهه با نیاز در نوع خاصی از کاربری ساخته شده اند که جزء موتورهای NEMA محسوب نمیشوند.***
IEC
IEC سازمانی اروپایی است که استانداردهای الکتریکی و مکانیکی را از بین همه چیز برای موتورها در سراسر جهان منتشر میکند و ترفیع می دهد.در شرایط عادی میتوان گفت که IEC همتای بین المللی NEMA میباشد.دربسیاری ازکشورها موتورهای مورد استفاده تحت استاندارد IEC میباشند.این استانداردها را میتوان در IEC 34-1-16 یافت.***
به طور عمده استانداردهای NEMA چهار نوع طراحی را برای موتورهای AC القایی مشخص می کنند.(طرح A-B-C-D).منحنیهای سرعت – گشتاور نوعی آنها در شکل 18 نشان داده شده است.
http://hupaa.com/Data/other/1/acmoto...s/image027.jpg
طرح A گشتاور استارت طبیعی (بین 150 تا 170درصد مجاز) و جریان استارت نسبتا بالا دارد.گشتاور شکست آن در میان همه طرحهای NEMA بالاترین مقدار است که موتور را قادر میسازد تا با اضافه بارهای بسیار سنگین برای مدتی کوتاه سروکار داشته باشد.میزان اختلاف(Slip) 5درصد است.نوعی از استعمال آن در نیرودهی به ماشینهای قالبدهی تزریقی است.
طرح B معملی ترین نوع موتور القایی AC است که بفروش میرسد.مانند طرح A گشتاور استارتی طبیعی داشته ولی جریان استارتی پایین دارد.گشتاور روتور قفل , درآن آنقدر خوب هست که بسیاری از بارهایی را که در کاربری صنعتی با آنها مواجه میشود بکار بیندازد.اختلاف(Slip) آن 5درصد است.بازده و ضریب توان ظرفیت تکمیل(PF) آن نسبتا بالا بوده درضمن معروفیت طرح آن.از انواع کاربردهای آن میتوان به پمپها فنها و ماشین ابزارها اشاره کرد.
طرح C با گشتاور استارتی بالا(بالاتر از دونوع قبلی , 200درصد اسمی) , مناسب برای استفاده در بارهایی با شروع بکار ناگهانی مانند نقاله ها خرد کننده ها دستگاههای پرتحرک همزنها و پمپهای دوطرفه و کمپرسورها است.این موتورها نامزد استفاده در عملیاتی با سرعت نزدیک به سرعت تمام بدون اضافه بارهای بزرگ هستند.اختلاف (Slip) در آنها 5درصد میباشد.
طرح D گشتاور بالایی (بالاتر از همه مدلهایNEMA) دارد.جریان استارت و سرعت ظرفیت تکمیل در آن کمند.مقدار بالای اختلاف (5تا13درصد)این موتور را برای کاربریهایی با بارهای متغیر و با تغییرات برجسته در سرعت موتورمانند ماشین آلاتی با ذخیره ساز انرژی چرخ طیار پرسهای منگنه قیچیها آسانسورها استخراج کننده ها بالابرها جرثقیلها پمپهای چاه نفت ماشینهای سیمپیچی و غیره مناسب میسازد.تنظیم سرعت درآنها ضعیف است و آنها را فقط برای استفاده در پرسهای منگنه جرثقیلها آسانسورها و پمپهای چاه نفت مناسب می گرداند.معمولا این موتور به عنوان مورد سفارشی مطرح میشود.
بتازگی NEMA طرحی جدید(طرح D) را به استانداردش برای موتور القایی افزوده است.طرح E شبیه طرح B است با این تفاوت که بازدهی بالاتر جریان استارتی بالا تر و جریان کارکرد در اضافه باری کمتر دارد.مشخصات گشتاور طرح E شبیه موتورهای با همان پارامترهای نیروی تحت استاندارد IEC میباشد.
امتیازدهیهای سرعت – گشتاور طرحهای IEC عملا آینه استانداردهای NEMA است.طرح N از IEC شبیه طرح B از NEMA است , عمومی ترین موتورها برای کاربریهای صنعتی.طرح موتورهای H از IEC با طرح موتورهای C از NEMA بسیار شبیه است.IEC طرح خاصی که با طرح D از NEMA برابری کند ندارد.امتیازدهیهای چرخه کار IEC متفاوت از کار NEMA است.درحالیکه NEMA معمولا سه نوع کار دائمی غیردائمی(دوره ای) و خاص را معرفی میکند(که معمولابا دقیقه بیان میشوند) , IEC 9 نوع چرخه کار مختلف را استعمال مینماید.
استانداردهایی که در جدول 1 نشان داده شده اند صرفنظر از بیان پارامترهای عملکرد و چرخه های کاری , افزایش دما (کلاس ایزولاسیون) اندازه کل (ابعاد فیزیکی موتور) جنس پوسته ضریب نگهداری و چند چیز دیگر را بیان میکند.
برچسب معمول نام یک موتور القایی AC
یک برچسب معمول نام یک موتور القای AC در شکل 19 نشان داده شده است.
http://hupaa.com/Data/other/1/acmoto...s/image028.jpg
نیاز به محرک الکتریکی
صرفنظراز خصوصیات غیرخطی موتورالقایی موضوعات زیادی ضمیمه محرکه موتور است.اجازه دهید آنهارا یک به یک بررسی کنیم.
درقدیم تلاش میشد تا سطح طراحی موتورهای اولیه از کاری که قرار است انجام دهند بالاتر باشد.نتیجه این امر سیستم کاری ای با عدم بازده زیاد بود چراکه قسمت عمده ای از توان ورودی کار مفیدی انجام نمیداد. اغلب اوقات گشتاور تولیدی موتور بیشتر از گشتاور مورد نیاز باربود.
برای موتور القایی محدوده حالت پایدار بسبب فرکانس تغذیه و تعداد قطبهای ثابت بین 80 تا 100درصد سرعت ارزیابی شده است.هنگامیکه یک موتور القایی آغاز بکار میکند بعلت نبود نیروی برق وارانی جریان داخلی فراوانی خواهد کشید.نتیجه این امر اتلاف بیشتر در خطوط انتقال و همچنین روتورخواهد بود که نهایتا به داغ شدن و احتمالاخرابی و ازبین رفتن عایقها خواهد انجامید.جریان برقوارانی زیاد ممکن است موجب تقلیل ولتاژ در خطوط تغذیه شود که ممکن است بر عملکرد وسایل کاربردی دیگری که به همان منبع تغذیه متصل اند تاثیر گذارد.
وقتی که موتور در باری کمینه کارمیکند(اصطلاحا محور آزاد)جریان کشیده شده اصولا جریان مغناطیسی سازیست و تقریبا به طور کامل صرف القا میشود.درنتیجه ضریب توان بسیار پایین و معمولا0.1 است.هنگامی که بار افزایش یافت جریان کاری شروع به زیاد شدن می کند.جریان مغناطیسی سازی در تمام محدوده عملیاتی از وضعیت بدون بار تا ظرفیت تکمیل تقریبا ثابت میماند.از این رو با افزایش بار ضریب توان بهبود میابد.
هنگامی که موتور با ضریب توانی کمتر از واحد کار میکند جریان کشیده شده توسط موتور بطور طبیعی سینوسی نیست.این حالت کیفیت توان در خط تغذیه کاهش داده و ممکن است دیگر وسایل کاربردی که بهمان خط تغذیه متصلند را متاثر سازد.
ضریب توان بسیار مهم است بطوریکه شرکتهای توضیع مشتریانی را که توانی با ضریب توانی پایین تر از حد معین شده از طرف آنان می کشند را مجازات می نمایند.این بدین معنی است که مشتری مجبور است حالت ظرفیت تکمیل را در تمام مدت کاربری حفظ کند و یا آنکه جریمه حالت بار سبک را بپردازد.
درمدت کاربری اغلب لازم است که موتور سریعا متوقف شده و همچنین برعکس کارکند.در کاربریهایی مانند جرثقیلها یا بالابرها ممکن است لازم شود گشتاور چرخش موتور کنترل شود تا از شتابگیری نامطلوب بار جلوگیری شود (درمورد کاهش سرعت بارها تحت تاثیر جاذبه).سرعت و دقت توقف یا معکوس شدن عملیات حفاظت سامانه و کیفیت محصول را بهبود می بخشد.برای کاربریهای نامبرده در بالا ترمزگیری لازم است.درگذشته ترمزهای مکانیکی مورد استفاده بودند.نیروی اصطکاک میان قسمتهای گردنده و کفشکها ترمزگیری لازم را فراهم میاوردند.با اینحال این نوع ترمزگیری بسیار کمبازده است.گرمای تولید شده هنگام ترمزگیری اتلاف انرژی را نشان میدهد.همچنین ترمزهای مکانیکی نگهداری فعال لازم دارند.
در بسیاری از کاربریها توان ورودی تابع سرعت است مانند فنها دمنده ها پمپها و ...در این نوع بارها گشتاور به مربع سرعت وابسته و نیرو به مکعب سرعت بستگی دارد.سرعت متغیر که وابسته به نیاز بار است صرفه جویی در مصرف انرژی زیادی را میسر میسازد.کاهشی 20درصدی در سرعت کاربری موتور تقریبا 50درصد کاهش در توان ورودی موتور را بهمراه خواهد داشت.چنین امری در سامانه هایی که درآنها موتور مستقیما به خط تغذیه متصل است امکان پذیر نیست.در بسیاری از کاربریهای کنترل جریان گلوگاهی مکانیکی ای برای کنترل جریان استفاده میشود.با اینکه وسیله موثری است انرژی را بخاطر اتلافهای زیاد تلف می کند و عمر موتور را بعلت گرمای تولیدشده کم مینماید.
هنگامی که تغذیه کننده توانی را با ضریب (PF) کمتر از واحد تحویل میدهد وتور جریانی با تاثر از هارمونیکها می کشد.نتیجه این امر اتلافهای بیشتر روتور است که بر عمر موتور تاثیر میگذارد.گشتاور تولیدی موتور به علت وجود هارمونیکها ضربانی خواهد شد.در سرعت بالا بسامد ضربان گشتاور به اندازه کافی بزرگ است که بتواند بوسیله مقاومت موتور تصفیه شود.ولی در سرعت پایین ضربانی بودن گشتاور ضربانی شدن سرعت را بوجود خواهدآورد که حرکت با حالت متشنج را نتیجه خواهد داد که برعمر یاتاقانها اثر میگذارد.
خطوط انتقال ممکن است بخاطر عملکرد سایر دستگاههای متصل به آن حامل بارهای با تموج (افزایش ناگهانی) یا کاهش ناگهانی باشند.اگر موتور در مقابل ازاین قبیل حالات محافظت نشده باشد در معرض فشاری بیش از مقدار طراحی شده برای آن قرار میگیرد که ممکن است سرانجام دچار خرابی نابهنگام شود.
همه مشکلات ذکرشده در بالا که بوسیله هردوی مصرف کننده ها و تولیدکننده ها بوجود میایند به نیاز موتور به کنترلی هوشمند تاکید دارند.
با پیشرفت فناوری دستگاه حالت جامد (BJT, MOSFET, IGBT, SCR, …) و فناوری ساخت IC که به میکروکنترلرهای بسیارسریع با قابلیت اداره کردن الگوریتم مرکب بلادرنگ برای بخشیدن پویایی عملکرد دقیق به موتورهای القایی AC ترقی بخشید محرک الکتریکی با فرکانس متغیر عمومیت یافت.
