موتور القایی

موتورهای القایی 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.
موتورهای القایی AC پرکاربردترین موتورهایی هستند که در سامانه‌های کنترل حرکت صنعتی و همچنین خانگی به کار گرفته می‌شوند. طراحی ساده و پایدار، بهای ارزان، هزینه نگهداری پایین و اتصال آسان و کامل به یک سرچشمه نیروی AC برتری‌های بنیادی موتورهای القایی AC هستند. انواع گوناگونی از موتورهای القایی AC در بازار هست. موتورهای گوناگون برای کارهای گوناگونی شایسته‌اند. با اینکه طراحی موتورهای واداشتیی AC آسانتر از موتورهای DC است، ولی کنترل سرعت و گشتاور در انواع مختلف موتورهای القایی AC نیازمند دریافتی ژرفتر در طراحی و ساخت این نوع موتورهاست.
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 به‌طور 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 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
بزرگترین تفاوت بین یک موتور القایی AC و یک موتور سنکرون AC این است که در موتور سنکرون توان روتور به‌طور 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 می‌آید. 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 مولفه 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:
موتور القایی سه‌فاز (خود راه انداز)
موتور القایی تک‌فاز (غیر خود راه انداز)
بر اساس نوع روتور:
موتور القایی روتور قفسی
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:: .
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
مانند بیشتر موتورها، یک موتورهای القایی AC یک قسمت ایستای بیرونی به نام استاتور و یک گردان که در درون آن می‌چرخد و روتور نامیده می‌شود، دارند، که میان آندو یک فاصله ریز و یکنواخت هست. به‌طور انگاری همه موتورهای الکتریکی از میدان مغناطیسی چرخان برای گرداندن روتورشان بهره می‌گیرند. یک موتور سه فاز القایی AC تنها نوعی از موتور است که در آن میدان مغناطیسی چرخان به‌گونه سرشتی از سوی استاتور به خاطر طبیعت تغذیه گر آن ساخته می‌شود. در حالی که موتورهای DC به وسیله‌ای الکتریکی یا مکانیکی برای آفریدن این میدان چرخان نیاز دارند. یک موتور القایی AC تک فاز نیازمند یک ابزار الکتریکی بیرونی برای پدیدآوردن این میدان مغناطیسی چرخشی است.
در درون هر موتور دو سری آهنربای مغناطیسی پیش‌بینی شده‌است. در یک موتور القایی AC یک سری از مغناطیس شونده‌ها به خاطر اینکه تغذیه AC به پیچه‌های استاتور متصل است در استاتور پیش‌بینی شده‌اند. بخاطر طبیعت متناوب تغذیه ولتاژ AC بر پایه دستور لنز نیرویی الکترومغناطیسی به گردان اندر می‌آید (درست همانند ولتاژی که در ثانویه ترانسفورماتور واداشته می‌شود). بنابراین سری دیگر از مغناطیس شونده‌ها خاصیت مغناطیسی پیدا می‌کنند. اندرکنش میان این آهنرباها توانستار چرخیدن یا گشتاور را فراهم می‌آورد؛ و در پی آن، موتور در جهت گشتاور پدید آمده می‌چرخد.
استاتور (ایستان): استاتور موتورهای القایی از قطب‌های سیم‌پیچی شده‌ای تشکیل شده که با گذرجریان از آن‌ها با تولید میدان مغناطیسی در روتور ولتاژ القا می‌کنند. استاتور یا ایستان 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) را برای کار کردن با تغذیه AC می‌سازد. تعداد قطبهای یک موتور القایی AC به اتصال درونی پیچه‌های ایستان بستگی دارد. پیچه‌های استاتور مستقیما به منبع انرژی متصل‌اند. آن‌ها به گونه‌ای بسته شده‌اند که با استواردن تغذیه AC یک میدان مغناطیسی چرخنده پدیدآوردن می‌شود. تعداد قطب‌ها با توجه به سرعت و گشتاور مورد نیاز می‌تواند مختلف باشد ولی تعداد آن‌ها همواره یک عدد زوج است.
روتور (گردان): گردان از چندین بخش جدای باریک فولادی که میانشان میله‌هایی از مس یا آلومینیوم پیش‌بینی شده ساخته شده‌است. روتور موتورهای القایی به دو صورت است:
روتور قفس سنجابی
روتور سیم‌پیچی شده
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 ساختی پایدار و ساده دارد. این گردان 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 می‌برگیرد. در این میله‌ها به‌طور همیشگی از سوی زنجیره‌های پایانی آن‌ها چرخه کوتاه برقرار است. چون این نوع مونتاژ درست همانند قفس سنجاب است، این نام برای آن گذاشته شده‌است. میله‌های گردان دقیقا با چرخگاه موازی نیستند، به جای آن به دو دلیل مهم قدری اریب کار گذاشته می‌شوند.
دلیل نخست 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 چفت شدن (Hang) کمتر شود. دندانه‌های روتور به دلیل جذب مغناطیسی مستقیم 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 در دو سر چرخگاه سوار شده؛ یک سر محور در حالت سرشتی برای فرستادن نیرو بلندتر از طرف دیگر گرفته می‌شود. ممکن است بعضی موتورها محوری فرعی در دیگر سو (غیر گردنده - غیر فرستنده نیرو) برای هم رسی دستگاه‌های اندریاب(sensor) حالت (وضعیت) و سرعت داشته باشند. بین ایستان و گردان شکافی هوایی موجود است. بعلت القای توانستار از ایستان به گردان برده می‌شود. گشتاور پدید آمده به گردان نیرو داده و سپس برای چرخیدن به آن نیرو وارد می‌کند.
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 گوناگونی برای تغییر سرعت موتورهای القایی وجود دارد ولی رایج‌ترین روش بهره‌گیری از ترفند PWM (Pulse Width Modulation) یا آمیختگی پهنای فرکانس است، که در آن یک موج ac به‌طور یکنواخت و سرعتی قابل تنظیم قطع و وصل می‌شود. با این روش می‌توان توان ورودی 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 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
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 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.
موتور الکتریکی
موتور روتور قفسی
جریان متناوب