اساس کار موتورهای القایی جریان متناوب (AC)

موتورهای القایی AC عمومی‌ترین موتورهایی هستند که در سامانه‌های کنترل حرکت صنعتی و همچنین خانگی استفاده می‌شوند. 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 می‌دهد.

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 می‌چرخد دارند، که میان آن دو یک فاصله دقیق کارشناسی شده وجود دارد. به طور مجازی همه موتورهای الکتریکی از میدان مغناطیسی دوار برای گرداندن روتورشان استفاده می‌کنند. 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 می‌شود. در حالی که موتورهای DC به وسیله‌ای 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 شده‌است. در یک موتور القایی AC یک سری از مغناطیس شونده‌ها به خاطراینکه تغذیه AC به پیچه‌های استاتور متصل است در استاتور تعبیه شده‌اند. بخاطر طبیعت متناوب تغذیه ولتاژ AC بر اساس قانون لنز نیرویی الکترومغناطیسی به روتور وارد می‌شود (درست شبیه ولتاژی که در ثانویه ترانسفورماتور القا می‌شود). بنابر این سری دیگر از مغناطیس شونده‌ها خاصیت مغناطیسی پیدا می‌کنند. تعامل میان این مگنت‌ها انرژی چرخیدن یا تورک (گشتاور) را فراهم می‌آورد. در نتیجه موتور در جهت گشتاور بوجود آمده چرخش می‌کند.

استاتور

استاتور از چندین قطعه باریک آلومنیوم یا آهن سبک ساخته شده‌است. این قطعات بصورت یک سیلندر تو خالی به هم منگنه و محکم شده اند(هسته استاتور) با شیارهایی که در شکل یک نشان داده شده‌اند. سیم پیچ هایی 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 شکل می‌دهد. تعداد قطبهای یک موتور القایی AC به اتصال درونی پیچه‌های استاتوربستگی دارد. پیچه‌های استاتور مستقیما به منبع انرژی متصل اند. آنها به صورتی متصل اند که با برقراری تغذیه AC یک میدان مغناطیسی چرخنده تولید می‌شود.

روتور

روتور از چندین قطعه مجزای باریک فولادی که میانشان میله‌هایی از مس یا آلومنیوم تعبیه شده ساخته شده‌است. در رایج ترین نوع روتور (روتور قفس سنجابی) این میله‌ها در انتهای خود به صورت الکتریکی و مکانیکی بوسیله حلقه‌هایی به هم متصل شده‌اند.تقریبا ۹۰ درصد از موتورهای القایی دارای روتور قفس سنجابی می‌باشند و این به خاطر آن است که این نوع روتور ساختی مستحکم و ساده دارد. این روتور از هسته‌ای چند تکه استوانه‌ای با محوری که شکافهای موازی برای جادادن رساناها درون آن دارد تشکیل شده‌است. هر شکاف یک میله مسی یا آلومنیومی یا آلیاژی را شامل می‌شود. در این میله‌ها به طور دائمی بوسیله حلقه‌های انتهایی آنها همچنان که در شکل دو مشاهده می‌شود مدار کوتاه برقرار است. چون این نوع مونتاژ درست شبیه قفس سنجاب است، این نام برای آن انتخاب شده‌است. میله‌ای روتور دقیقا با محور موازی نیستند. در عوض به دو دلیل مهم قدری اریب نصب می‌شوند.

* 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. دندانه‌های روتور به خاطر جذب مغناطیسی مستقیم (محض) تلاش می‌کنند که در مقابل دندانه‌های استاتور باقی بمانند. این اتفاق هنگامی می‌افتد که تعداد دندانه‌های روتور و استاتور برابر باشند.

روتور بوسیله مهار‌هایی در دو انتها روی محور نصب شده؛ یک انتهای محور در حالت طبیعی برای انتقال نیرو بلندتر از طرف دیگر گرفته می‌شود. 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 می‌شود. تورک تولید شده به روتور نیرو داده و سپس برای چرخیدن به آن نیرو می‌کند. صرف نظر از روتور استفاده شده قواعد کلی برای دوران یکی است.

سرعت یک موتور القایی

میدان مغناطیسی ای که در استاتور تولید میشود با سرعت سنکرون می‌چرخد.(Ns)

در روتور میدان مغناطیسی تولید می‌شود 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 می‌کند و تلاش می‌کند تا به سرعت چرخش فلاکس نایل شود. با اینحال روتور هرگز موفق نمی‌شود که به سرعت میدان استاتور برسد. روتور از سرعت میدان استاتور کندتر می‌گردد. این سرعت Base speed نام دارد.(Nb)

تفاوتها میان Ns و Slip ، Nb نام دارد. اسلیپ مقادیر مختلف فشار(مکانیکی) بستگی دارد. هر افزایشی در فشار موجب کندتر کار کردن روتور و افزایش اسلیپ می‌شود. برعکس کاهش فشار سبب سرعت گرفتن روتور و کاهش اسلیپ می‌شود. اسلیپ بوسیله درصد نشان داده شده می‌شود.

انواع موتورهای القایی

عموما دسته بندی موتورهای القای براساس تعداد پیچه‌های استاتور است که عبارتند از:

۱ - موتورهای القایی تک فاز

۲ - موتورهای القایی سه فاز

۳ - موتورهای القایی تک فاز

بیشتر از کل انواع موتورها از موتورهای القایی AC تک فاز استفاده می‌شود. 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 بر می آید این نوع از موتور تنها یک پیچه (پیچه اصلی) دارد و با یک منبع تغذیه تک فاز کار می‌کند. 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 می‌شود. این جریان متناوب میدان مغناطیسی ای ضربانی تولید می‌کند. بسبب القا روتور تحریک می‌شود. چون میدان مغناطیسی اصلی ضربانی است تورکی که برای چرخش موتور لازم است بوجود نمی‌آید و سبب ارتعاش روتور و نه چرخش آن می‌شود. از این رو موتور القایی تک فاز به دستگاه آغاز گری نیاز دارد که می‌تواند ضربات آغازی را برای چرخش موتور تولید کند.

دستگاه آغاز گر موتورهای القایی تک فاز اساسا پیچه‌ای اضافی در استاتور است. پیچه استارت می‌تواند دارای خازنهای سری و یا سوئیچ گریز از مرکز باشد. هنگامی که ولتاژ تغذیه برقرار است جریان در پیچه اصلی بسبب مقاومت پیچه اصلی ولتاژ تغذیه را افت میدهد (ولتاژ به جریان تبدیل می‌شود).
در همین حین جریان در پیچه استارت بسته به مقاومت دستگاه استارت به افزایش ولتاژ تغذیه تبدیل می‌شود. فعل و انفعال میان میدانهای مغناطیسی که پیچه اصلی و دستگاه استارت می‌سازند میدان برآیندی میسازند که در جهتی گردش می‌کند. موتور گردش را در جهت این میدان برایند آغاز میکند.

هنگامی که موتور به ۷۵ درصد دور مجاز خود می‌رسد یک سوئیچ گریز از مرکز پیچه استارت را از مدار خارج می‌کند. از این لحظه به بعد موتور تک فاز می‌تواند تورک کافی را برای ادامه کارکرد خود نگه دارد.

بجز انواع خاص دارای Capacitor start / capacitor run عموما همه موتورهای تک فاز فقط برای کاربری‌های بالای ۳/۴ hp استفاده می‌شوند.

موتور القایی AC فاز شکسته

موتور فاز شکسته همچنین به عنوان Induction start/Induction run (استارت القایی/کارکرد القایی)هم شناخته می‌شود که دو پیچه دارد. پیچه استارت از سیم نازکتر و تعداد دور کمتر نسبت به پیچه اصلی برای بوجود آوردن مقاومت بیشتر ساخته شده‌است. همچنین میدان پیچه استارت در زاویه‌ای غیر از آنچه که پیچه اصلی دارد قرار می‌گیرد که سبب آغاز چرخش موتور می‌شود. پیچه اصلی که از سیم ضخیم تری ساخته شده‌است موتور را همیشه درحالت چرخش باقی نگه می‌دارد.

تورک آغازین کم است مثلا ۱۰۰ تا ۱۷۵ درصد تورک ارزیابی شده. موتور برای استارت جریانی زیاد طلب می‌کند. تقریبا ۷۰۰ تا ۱۰۰۰ درصد جریان ارزیابی شده. تورک بیشینه تولید شده نیز در محدوده ۲۵۰ تا ۳۵۰ درصد از تورک براوردشده می‌باشد.

کاربریهای خوب برای موتورهای فاز شکسته شامل سمباده (آسیاب)‌های کوچک، دمنده‌ها و فنهای کوچک و دیگر دستگاههایی با نیاز به تورک آغازین کم با و نیاز به قدرت ۱/۲۰ تا ۱/۳ اسب بخار می‌باشد.
از استفاده از این موتورها در کاربریهایی که به دوره‌های 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 ۷۵ درصد سرعت ارزیابی شده می‌رسد، پیچه استارت را از مدار خارج می‌نماید. از آنجا که خازن با مدار استارت موازی است، گشتاور استارت بیشتری تولید می‌کند، معمولا در حدود ۲۰۰ تا ۴۰۰ درصد گشتاور ارزیابی شده و جریان استارت معمولا بین ۴۵۰ تا ۵۷۵ درصد جریان ارزیابی شده‌است که بسیار کمتر از موتور فاز شکسته و بعلت سیم ضخیمتر در مدار استارت است.
نوع اصلاح شده‌ای از موتو با استارت خازنی، موتور با استارت مقاومتی است. در این نوع موتور خازن استارت با یک مقاومت جایگزین شده‌است. موتور استارت مقاومتی در کاربریهایی مورد استفاده قرار می‌گیرد که میزان گشتاور استارتینگی کمتر از مقداری که موتور استارت خازنی تولید می‌کند لازم است. صرف نظر از هزینه این موتور امتیازات عمده‌ای نسبت به موتور استارت خازنی ندارد.

این موتورها در انواع مختلف کاربریهای پولی و تسمه‌ای مانند تسمه نقاله‌های کوچک ، پمپها و دمنده‌های بزرگ به خوبی بسیاری از خود گردانها و کاربریهای چرخ دنده‌ای استفاده می‌شوند.

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 پیچه‌ای 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 ۳۰ تا ۱۵۰ درصد گشتاور ارزیابی شده‌است. موتورهای (PSC) جریان استارتی پایین، معمولا در کمتر از ۲۰۰ درصد جریان برآورد شده دارند که آنها را برای کاربریهایی با سرعتهای دارای چرخه‌های خاموش روشن بالا بسیار مناسب میسازد.

موتورهای PSC امتیازات فراوانی دارند. طراحی موتور براحتی برای استفاده با کنترل کننده‌های سرعت میتواند اصلاح شود.همچنین می‌توانند 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 , دمنده‌ها با نیاز به گشتاور استارت کم و چرخه‌های کاری غیر دائمی مانند تنظیم دستگاهها (طرز کارها)، عملگر درگاهها و بازکننده‌های 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 می‌شود. این حالت سبب بوجود آمدن گشتاوری در حد اضافی می‌شود.

این موتور بخاطر خازنهای کارکرد و استارت و سوئیچ گریز از مرکز آن پرهزینه‌است.

این موتور می‌تواند در بسیاری از کاربریهایی که از هر موتور 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 ۱ تا ۱۰ اسب بخار می‌شوند.

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 می‌کند انجام می‌شود. این سایه که قطب را دو تکه می‌کند سبب می‌شود 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 و یا خازن ندارد از نظر الکتریکی ساده و ارزان است. همچنین سرعت آن را صرفا با تغییر ولتاژ یا بوسیله یک پیچه با چند دور مختلف می‌توان کنترل کرد.

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.

موتورهای با قطب سایه دار بسیاری مشخصات مثبت دارند. اما چندین مورد بی فایدگی هم دارند. گشتاور استارت کم آن معمولا ۲۵ تا ۷۵ درصد گشتاور برآوردی است. این موتور موتوری با اتلاف بالاست که سرعتی حدود ۷ تا ۱۰ درصد سرعت سنکرون دارد. عموما بازده این نوع موتور بسیار پایین است (زیر ۲۰ درصد).

هزینه اولیه پایین آن را برای قدرت کمتر یا کاربردهای با کار کمتر مناسب می‌سازد. شاید وسیعترین استفاده از آنها در فن های 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 چرخه‌های گردش بیشتر معمول است غیر قابل استفاده می‌کند

موتور القایی AC سه فاز

موتورهای القایی AC سه فاز به طور گسترده در کاربریهای تجاری و صنعتی استفاده می‌شوند. آنها هم به عنوان موتورهایی با روتور پیچ خورده یا قفس سنجابی دسته بندی می‌شوند.

این موتورها خود استارت هستند و از هیچ خازن یا پیچه استارت یا سوئیچ گریز از مرکز یا دستگاه آغازگری استفاده نمی‌کنند.

آنها گشتاور آغازین در درجه‌های متوسط یا بالا تولید می‌نمایند. محدوده نیروی تولیدی و بازده این موتورها از متوسط تا بالا با مشابه‌های تک فازشان مقایسه می‌شود. استفاده‌های عمومی آنها مانند آسیابها (و لیث‌ها دستگاه برنده و فرم دهنده چوب و فلز) مته فشاری، پمپها ، کمپرسورها، تسمه نقاله‌ها ، همچنین دستگاههای چاپ ، دستگاههای مزرعه ، سرمایش در الکترونیک دیگر کاربریهای مکانیکی است.

موتور قفس سنجابی

تقریبا ۹۰ درصد موتورهای القایی AC سه فاز از این نوعند. که روتور آنها از نوع قفس سنجابی است که در ابتدا توضیح داده شد. محدوده‌های 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 مشابه‌های 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 پیچه‌ها را روی روتور خود دارد که در حالت مدار کوتاه نیستند ولی به یک سری از رینگهای لغزان ختم می‌شوند. این پیچه‌ها 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 حلقه‌های لغزان کاهش میابد.

بنابراین امکان بدست آوردن لغزش بیشتر و همچنین گشتاور بیشینه نهایی در سرعتهای کمتر وجود دارد.

یک مقاومت خارجی می‌تواند در سرعت تقریبا صفر را نتیجه دهد که گشتاو بیشینه نهایی بسیار زیادی با جریان استارت کم را تولید می‌کند. هنگامی که موتور شتاب می‌گیرد مقدار مقاومت می‌تواند کاهش یابد تا مشخصات موتور برای کارهایی با فشار زیاد مناسب شود. هنگامی که موتور به سرعت اصلی میرسد خازنهای خارجی از مدار خارج می‌شوند و این یدین معنی است که اکنون موتور به عنوان یک موتور القایی استاندارد کار می‌کند.

این نوع موتور برای فشارهای مانا (کارهایی با فشار ثابت) که در آنها 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.

قسمت پایینی موتور با حلقه لغزان که در آن حلقه‌ها به همراه مجموعه براشها است به نگهداری منظم نیاز دارد که از نظر قیمت، استاندارد بودن آن را به عنوان یک موتور قفس سنجابی غیر ممکن می‌کند.
اگر پیچه‌ها کوتاهتر شوده و استارت زده شود معمولا جریان بالا از روتور در حالت متوقف عبورمی کند که در حد ۱۴۰۰ درصد است. درحالیکه در این حالت در آن گشتاوری در حد ۶۰ درصد تولید مینماید که در بسیاری از کاربریها چنین امکان پشتیبانی چنین چیزی نیست. با تغییر مقاومتهای روتور منحنی سرعت گشتاور تعدیل می‌گردد که بدان وسیله سرعتی که در آن موتور در فشاری مخصوص کار می کند تعدیل می‌شود. ظرفیت تکمیل فشار میتواند سرعت را تا ۵۰ درصد 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 ۵۰ درصد 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 نقاله‌ها، بالابرنده‌ها و آسانسورها مورد استفاده قرار می‌گیرد.

ویژگی استارتینگ

موتورهای القایی درحالت خاموش مانند یک ترانسفورماتور در مدار کوتاه عمل می‌کنند و اگر کاملا به منبع ولتاژ متصل شوند جریانی بسیار بزرگ می‌کشند که این جریان به جریان روتور قفل شده معروف است. همچنین گشتاوری تولید می‌کند که به گشتاور روتور قفل شناخته می‌شود.
گشتاور روتور قفل (LRT) و جریان روتور قفل (LRC) تابع ولتاژ پایانه و تابع طراحی آن می‌باشند. هنگامی که موتور شتاب می‌گیرد اگر ولتاژ ثابت نگه داشته شود هر دوی گشتاور و جریان تلاش می‌کنند 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 ۸۰ درصد سرعت کامل خود میرسد. منحنیهای واقعی برای موتورهای القایی میتوانند میان طراحی‌های مختلف بسیار متفاوت باشند ولی عموما گرایش آنها به جریان بالاست تا وقتی که متور تقریبا به سرعت کامل میرسد. LRC یک موتور میتواند در محدوده از۵۰۰ درصد تا ۱۴۰۰ درصد جریان ظرفیت تکمیل (FLC) باشد. معمولا موتورهای خوب در محدوده ۵۵۰ تا ۷۵۰درصد از FLC میاشند.

گشتاور استارت یک موتور القایی که با ولتاژ ثابت آغاز به کار می‌کند، کمی به گشتاور کمینه افت می‌کند که به Pull-Up torque شناخته می‌شود 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 می‌کند. منحنی گشتاور استارت برخلاف سرعت روتور به ولتاژ پایانه و طراحی روتور بستگی دارد.

LRT یک موتور القایی میتواند از مقدار کم ۶۰ درصد FLT تا ۳۵۰ درصد آن تغییر کند.Pull-Up torque نیز می‌تواند به کمی ۴۰ درصد FLT و گشتاور شکست هم می‌تواند تا حد ۳۵۰ درصد FLT باشد.معمولا LRT‌ها برای موتورهای بزرگ تا متوسط دستورا ۱۲۰ تا ۲۸۰ درصد FLT میباشد.ضریب توان (PF) با شتاب گرفتن موتور از استارت از ۰.۱ تا ۰.۲۵ 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 رسیده‌است در میزان خطای کمی نسبت به سرعت سنکرون(Slip) کار می‌کند. معمولا میزان این کاستی برای یک موتور قفس سنجابی کمتر از ۵ درصد است. اسلیپ حقیقی نوع خاصی از موتور به طراحی آن بستگی دارد. معمولا سرعت اصلی یک موتور القایی چهار قطبی بین ۱۴۲۰ تا ۱۴۸۰ دور در دقیقه در فرکانس ۵۰ هرتز متغیر است. در حالی که سرعت سنکرون ۱۵۰۰ دور در دقیقه در فرکانس ۵۰ 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 می‌باشد. جریان مغناطیسی سازی حقیقی موتور القایی می‌تواند از مقدار کم ۲۰ درصد FLC برای دستگاه بزرگ دو پل تا بزرگی ۶۰ 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 ۳۳ 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 ۶۰درصد برای موتورهای کوچک کم سرعت تا بیش از ۹۲درصد برای موتورهای بزرگ پرسرعت متنوع است.ضرایب توان و بازده‌ها عموما در مشخصات موتورها ذکر شده‌است.

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 نقاله‌ها تغذیه کننده‌ها)، 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 می‌شود.

گفته می‌شود 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 می‌کند.پاسخگویی موتور به هر اختلال ایده‌ای در مورد پایداری سیستم بار آن به ما میدهد.این مفهوم به ما در انتخاب سریع نوع موتور برای کاربری خاصی کمک می‌کند.

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.

انوع بار با منحنیهای سرعت – گشتاورشان در زیر توضیح داده شده‌اند.

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 نقاله‌ها و تغذیه گرها (سوخت رسانها) چنین مشخصات باری دارند.

بارهای با گشتاور متغیر و سرعت متغیر

این عمومی ترین نوع بار در صنایع 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.

بارهای با توان ثابت

این نوع بار کمیاب است ولی گاهی در صنایع مورد استفاده دارد. درحالی که گشتاور تغییر می‌کند 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 محرکهای انقباضی است که برای شتابگیری اولیه به گشتاور بالا در سرعت پایین و گشتاوری بسیار کاهش یافته در هنگام کارکرد نیاز دارد.

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 می یابد. هنگامی که گشتاور شروع به کاهش می‌کند آنگاه توان ثابت می‌ماند.

گشتاور استارت و دورگیری بالا و در ادامه گشتاور ثابت

این نوع بار با گشتاوری بسیار بالا در بسامدهایی نسبتا کم مشخص میشود.در کاربریهایی نظیر فشرده سازها و پمپهای پیچشی

استانداردهای موتور

در سراسر جهان استانداردهای مختلفی برای تبیین کاربریها و پارامترهای ساختمانی یک موتور موجود است.دو نوع استاندارد که بیش از همه مورد استفاده قرار می‌گیرد عبارتند از:

NEMA (انجمن ملی سازندگان الکتریکی)

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 می‌کنند و بوسیله جامعه الکتریکی پشتیبانی میشوند. این استانداردها را می‌توان در نشریه شماره MG۱ 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 شده‌اند 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 می‌دهد. 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 ۳۴-۱-۱۶ یافت.

به طور عمده استانداردهای NEMA چهار نوع طراحی را برای موتورهای AC القایی مشخص می‌کنند.(طرح A-B-C-D)

طرح A گشتاور استارت طبیعی (بین ۱۵۰ تا ۱۷۰درصد 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) پنج درصد 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 ۵ درصد 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، ۲۰۰درصد اسمی)، مناسب برای استفاده در بارهایی با شروع بکار ناگهانی مانند نقاله‌ها ، خرد کننده‌ها ، 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 ۵ درصد میباشد.

طرح D گشتاور بالایی (بالاتر از همه مدلهایNEMA) دارد. جریان استارت و سرعت ظرفیت تکمیل در آن کمند. مقدار بالای اختلاف (۵تا۱۳درصد) این موتور را برای کاربریهایی با بارهای متغیر و با تغییرات برجسته در سرعت موتور مانند ماشین آلاتی با ذخیره ساز انرژی ، چرخ طیار ، پرسهای منگنه ، قیچیها ، آسانسورها ، استخراج کننده‌ها ، بالابرها ، جرثقیلها ، پمپهای چاه نفت، ماشینهای سیمپیچی و غیره مناسب میسازد. تنظیم سرعت درآنها ضعیف است. معمولا این موتور به عنوان مورد سفارشی مطرح میشود.

بتازگی NEMA طرحی جدیدی را به استانداردش برای موتور القایی افزوده‌است. 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 شبیه‌است.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(دوره‌ای) و خاص را معرفی میکند(که معمولابا دقیقه بیان میشوند)، IEC ۹ نوع چرخه کار مختلف را استعمال مینماید.

استانداردهایی که در جدول زیر نشان داده شده‌اند صرفنظر از بیان پارامترهای عملکرد و چرخه‌های کاری ، افزایش دما (کلاس ایزولاسیون) اندازه کل (ابعاد فیزیکی موتور) جنس پوسته ضریب نگهداری و چند چیز دیگر را بیان میکند.

شرح	چرخه کاری	نوع	شماره
عملکرد در بار ثابت و مدت زمان کافی برای رسیدن به تعادل گرمایی	کارمداوم	۱	S۱
کارکرد در بار ثابت در زمان معین کمتر از میزان لازم برای رسیدن به تعادل گرمایی، که پس از آن استراحت به دستگاه داده می شود. برای رسیدن دمای دستگاه به دمای خنک کننده	کار موقت	۲	S۲
توالی چرخه‌های کاری برابر، که هرکدام شامل دوره کاربری در بار ثابت و یک وقفه (بدون اتصال به برق) می باشد. برای این نوع کاربری جریان استارت تاثیرعمده‌ای برافزایش دماندارد.	کاردوره‌ای موقت	۳	S۳
توالی چرخه‌های کاری برابر، که شامل دوره‌های عمده استارتینگ می‌شود. دوره‌ای زیربارثابت و با وقفه دوره‌ای.	کاردوره‌ای موقت با استارت	۴	S۴
توالی چرخه‌های برابر، که شامل دوره‌ای از استارت و دوره‌ای از کاربری در بار ثابت شده که بدنبال آن ترمزی سریع و دوره استراحت می‌باشد.	کاردوره‌ای موقت با ترمزالکتریکی	۵	S۵
توالی چرخه‌های کاری برابر، که شامل دوره‌ای ازکاربری در بار ثابت و دوره کاربری‌ای در حالت بدون بار می‌باشد. در این نوع دوره استراحت وجود ندارد. با عملکرد مداوم	کار دوره‌ای	۶	S۶
توالی چرخه‌های کاری برابر، که شامل دوره‌ای ازاستارت، دوره‌ای از کار در بار ثابت و بدنبال آن با ترمز الکتریکی همراه است. این نوع دوره استراحتی ندارد.	عملکرد مداوم کار دوره‌ای با ترمزگیری الکتریکی	۷	S۷
توالی چرخه‌های کاری برابر، که در بار ثابت که سرعت چرخش آن از قبل معین شده‌است کار می‌کند و بدنبال آن دوره‌های کاربری در بار ثابت دیگری با سرعت‌های چرخش متفاوت است. دوره استراحت نداشته و برای رسیدن به تعادل گرمایی دوره کاری بسیارکوتاه است. با عملکرد مداوم	کار دوره‌ای با بار وابسته و سرعت متغیر	۸	S۸
عموما کاری با بار و سرعتی که بصورت غیرخطی در محدوده مجاز تغییر می‌کنند. این کابری شامل اضافه بارهای متناوب است که گاهی از ظرفیت تکمیل فراتر می‌روند.	کار با بار غیر دوره‌ای و سرعت‌های متنوع	۹	S۹

برچسب معمول نام یک موتور القایی AC

Volts : ولتاژ اسمی پایانه

Amps : جریان تغذیه ظرفیت تکمیل اسمی

H.P. : خروجی اسمی موتور

R.P.M : سرعت اسمی در حالت ظرفیت تکمیل موتور

Hertz : فرکانس تغذیه مجاز

NEMA Frame : ابعاد فیزیکی خارجی موتور طبق استاندارها

Duty : حالت بار موتور, کوتاه مدت, دوره ای, مداوم...

Date : تاریخ ساخت

Class Insulation : کلاس ایزولاسیونی که برای ساختمان موتور بکار رفته‌است. این مورد بیشینه حد دمای پیچه موتور را مشخص می‌کند.

NEMA Design : این مورد مشخص میکند که موتور به کدام کلاس طراحی NEMA متعلق است.

Service Factor : فاکتوری است که مشخص میکند موتور میتواند چقدر بیشتر از ظرفیت تکمیل اضافه بار داشته باشد.

NEMA Nom Efficiency : بازده کاربری موتور در ظرفیت تکمیل.

PH : تعداد فازهای استاتور موتور را مشخص می‌کند.

Pole : تعداد قطبهای موتور را مشخص می‌کند.

Y : مشخص میکندکه پیچه‌های موتور بصورت Y متصل شده‌اند یا دلتا.

نیاز به محرک الکتریکی

صرفنظراز خصوصیات غیرخطی موتورالقایی موضوعات زیادی ضمیمه محرکه موتور است.

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 عمده‌ای 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 ۸۰ تا ۱۰۰درصد سرعت ارزیابی شده‌است.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 معمولا ۰٫۱ است.
هنگامی که بار افزایش یافت جریان کاری شروع به زیاد شدن می‌کند. 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 می‌کشند را مجازات می‌نمایند. 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.

در مدت 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 می‌بخشد. 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 کمبازده‌است. 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 فن ها، دمنده‌ها ، پمپ ها 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 ۲۰درصدی در سرعت کاربری موتور تقریبا ۵۰درصد کاهش در توان ورودی موتور را بهمراه خواهد داشت. چنین امری در سامانه‌هایی 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 می‌کند و عمر موتور را بعلت گرمای تولیدشده کم مینماید.

هنگامی که تغذیه کننده توانی را با ضریب (PF) کمتر از واحد تحویل میدهد روتور جریانی با تاثر از هارمونیکها می‌کشد. 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.ا گر 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 کننده‌ها و تولیدکننده‌ها 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.

اساس کار موتورهای القایی جریان متناوب (AC)

مطالب مشابه :

دانلود نرم افزار های طراحی و رسم دیاگرام گسترده سیم پیچی موتورهای AC

طراحی موتورهای سه فاز

نرم افزار سیم پیچی

دانلود نرم افزار های مفید برق

اساس کار موتورهای القایی جریان متناوب (AC)

روتور و استاتور

دانلود نرم افزار سیم پیچی موتورهای الکتریکی با آموزش

دانلود نرم افزار سيم پيچي الكتروموتورها