-
انواع موتورهاي الکتريکي
انواع موتورهاي الکتريکي موتورهاي DC :
يکي از اولين موتورهاي دوار، اگر نگوييم اولين، توسط ميشل فارادي در سال 1821م ساخته شده بود و شامل يک سيم آويخته شده آزاد که در يک ظرف جيوه غوطه ور بود، مي شد. يک آهنرباي دائم در وسط ظرف قرار داده شده بود. وقتي که جرياني از سيم عبور مي کرد، سيم حول آهنربا به گردش در مي آمد و نشان مي داد که جريان منجر به افزايش يک ميدان مغناطيسي دايرهاي اطراف سيم مي شود. اين موتور اغلب در کلاس هاي فيزيک مدارس نشان داده مي شود، اما گاهاً بجاي ماده سمي جيوه، از آب نمک استفاده مي شود.
موتور کلاسيک DC داراي آرميچري از آهنرباي الکتريکي است. يک سوييچ گردشي به نام کموتاتور جهت جريان الکتريکي را در هر سيکل دو بار برعکس مي کند تا در آرميچر جريان يابد و آهنرباهاي الکتريکي، آهنرباي دائمي را در بيرون موتور جذب و دفع کنند. سرعت موتور DC به مجموعه اي از ولتاژ و جريان عبوري از سيم پيچهاي موتور و بار موتور يا گشتاور ترمزي، بستگي دارد. سرعت موتور DC وابسته به ولتاژ و گشتاور آن وابسته به جريان است. معمولاً سرعت توسط ولتاژ متغير يا عبور جريان و با استفاده از تپ ها (نوعي کليد تغيير دهنده وضعيت سيم پيچ) در سيم پيچي موتور يا با داشتن يک منبع ولتاژ متغير، کنترل مي شود. بدليل اينکه اين نوع از موتور مي تواند در سرعتهاي پايين گشتاوري زياد ايجاد کند، معمولاً از آن در کاربردهاي ترکشن (کششي) نظير لکوموتيوها استفاده مي کنند.
اما به هرحال در طراحي کلاسيک محدوديتهاي متعددي وجود دارد که بسياري از اين محدوديت ها ناشي از نياز به جاروبک هايي براي اتصال به کموتاتور است. سايش جاروبک ها و کموتاتور، ايجاد اصطکاک مي کند و هرچه که سرعت موتور بالاتر باشد، جاروبک ها مي بايست محکم تر فشار داده شوند تا اتصال خوبي را برقرار کنند. نه تنها اين اصطکاک منجر به سر و صداي موتور مي شود بلکه اين امر يک محدوديت بالاتري را روي سرعت ايجاد مي کند و به اين معني است که جاروبک ها نهايتاً از بين رفته نياز به تعويض پيدا مي کنند. اتصال ناقص الکتريکي نيز توليد نويز الکتريکي در مدار متصل مي کند. اين مشکلات با جابجا کردن درون موتور با بيرون آن از بين مي روند، با قرار دادن آهنرباهاي دائم در داخل و سيم پيچ ها در بيرون به يک طراحي بدون جاروبک مي رسيم.
موتورهاي ميدان سيم پيچي شده
آهنرباهاي دائم در (استاتور) بيروني يک موتور DC را ميتوان با آهنرباهاي الکتريکي تعويض کرد. با تغيير جريان ميدان (سيم پيچي روي آهنرباي الکتريکي) مي توانيم نسبت سرعت/گشتاور موتور را تغيير دهيم. اگر سيم پيچي ميدان به صورت سري با سيم پيچي آرميچر قرار داده شود، يک موتور گشتاور بالاي کم سرعت و اگر به صورت موازي قرار داده شود، يک موتور سرعت بالا با گشتاور کم خواهيم داشت. مي توانيم براي بدست آوردن حتي سرعت بيشتر اما با گشتاور به همان ميزان کمتر، جريان ميدان را کمتر هم کنيم. اين تکنيک براي ترکشن الکتريکي و بسياري از کاربردهاي مشابه آن ايده آل است و کاربرد اين تکنيک مي تواند منجر به حذف تجهيزات يک جعبه دنده متغير مکانيکي شود.
موتورهاي يونيورسال
يکي از انواع موتورهاي DC ميدان سيم پيچي شده موتور ينيورسال است. اسم اين موتورها از اين واقعيت گرفته شده است که اين موتورها را مي توان هم با جريان DC و هم AC بکار برد، اگر چه که اغلب عملاً اين موتورها با تغذيه AC کار مي کنند. اصول کار اين موتورها بر اين اساس است که وقتي يک موتور DC ميدان سيم پيچي شده به جريان متناوب وصل مي شود، جريان هم در سيم پيچي ميدان و هم در سيم پيچي آرميچر (و در ميدانهاي مغناطيسي منتجه) همزمان تغيير مي کند و بنابراين نيروي مکانيکي ايجاد شده همواره بدون تغيير خواهد بود. در عمل موتور بايستي به صورت خاصي طراحي شود تا با جريان AC سازگاري داشته باشد (امپدانس/رلوکتانس بايستي مدنظر قرار گيرند)، و موتور نهايي عموماً داراي کارايي کمتري نسبت به يک موتور معادل DC خالص خواهد بود. مزيت اين موتورها اين است که ميتوان تغذيه ي AC را روي موتورهايي که داراي مشخصه هاي نوعي موتورهاي DC هستند بکار برد، خصوصاً اينکه اين موتورها داراي گشتاور راه اندازي بسيار بالا و طراحي بسيار جمع و جور در سرعتهاي بالا هستند. جنبه منفي اين موتورها تعمير و نگهداري و مشکل قابليت اطمينان آنهاست که به علت وجود کموتاتور ايجاد مي شود و در نتيجه اين موتورها به ندرت در صنايع مشاهده مي شوند اما عمومي ترين موتورهاي AC در دستگاه هايي نظير مخلوط کن و ابزارهاي برقي اي که گاهاً استفاده مي شوند، هستند.
موتورهاي AC
عموماً ما داراي دو نوع از موتورهاي AC هستيم: تک فاز و سه فاز.
موتورهاي AC تک فاز
معمول ترين موتور تک فاز موتور سنکرون قطب چاکدار است، که اغلب در دستگاه هايي بکار مي رود که گشتاور پايين نياز دارند، نظير پنکه هاي برقي، اجاق هاي ماکروويو و ديگر لوازم خانگي کوچک.
نوع ديگر موتور AC تک فاز موتور القايي است، که اغلب در لوازم بزرگ نظير ماشين لباسشويي و خشک کن لباس بکار مي رود. عموماً اين موتورها مي توانند گشتاور راه اندازي بزرگتري را با استفاده از يک سيم پيچ راه انداز به همراه يک خازن راه انداز و يک کليد گريز از مرکز، ايجاد کنند.
هنگام راه انداز ي، خازن و سيم پيچ راه انداز ي از طريق يک دسته از کنتاکت هاي تحت فشار فنر روي کليد گريز از مرکز دوار، به منبع برق متصل مي شوند . خازن به افزايش گشتاور راه انداز ي موتور کمک مي کند. هنگامي که موتور به سرعت نامي رسيد، کليد گريز از مرکز فعال شده، دسته کنتاکت ها فعال مي شود، خازن و سيم پيچ راه انداز سري شده را از منبع برق جدا مي سازد. در اين هنگام موتور تنها با سيم پيچ اصلي عمل مي کند.
موتورهاي AC سه فاز
براي کاربردهاي نيازمند به توان بالاتر، از موتورهاي القايي سه فاز AC (يا چند فاز) استفاده مي شود. اين موتورها از اختلاف فاز موجود بين فازهاي تغذيه چند فاز الکتريکي براي ايجاد يک ميدان الکترومغناطيسي دوار درونشان، استفاده مي کنند. اغلب، روتور شامل تعدادي هادي هاي مسي است که در فولاد قرار داده شده اند. از طريق القاي الکترومغناطيسي ميدان مغناطيسي دوار در اين هادي ها القاي جريان مي کند، که در نتيجه منجر به ايجاد يک ميدان مغناطيسي متعادل کننده شده و موجب مي شود که موتور در جهت گردش ميدان به حرکت در آيد. اين نوع از موتور با نام موتور القايي معروف است. براي اينکه اين موتور به حرکت درآيد بايستي همواره موتور با سرعتي کمتر از فرکانس منبع تغذيه اعمالي به موتور، بچرخد چرا که در غير اين صورت ميدان متعادل کنندهاي در روتور ايجاد نخواهد شد. استفاده از اين نوع موتور در کاربردهاي ترکشن نظير لوکوموتيوها، که در آن به موتور ترکشن آسنکرون معروف است، روز به روز در حال افزايش است. به سيم پيچ هاي روتور جريان ميدان جدايي اعمال مي شود تا يک ميدان مغناطيسي پيوسته ايجاد شود، که در موتور سنکرون وجود دارد، موتور به صورت همزمان با ميدان مغناطيسي دوار ناشي از برق AC سه فاز، به گردش در مي آيد. موتورهاي سنکرون را مي توانيم به عنوان مولد جريان هم بکار برد.
سرعت موتور AC در ابتدا به فرکانس تغذيه بستگي دارد و مقدار لغزش، يا اختلاف در سرعت چرخش بين روتور و ميدان استاتور، گشتاور توليدي موتور را تعيين مي کند. تغيير سرعت در اين نوع از موتورها را ميتوان با داشتن دسته سيم پيچ ها يا قطب هايي در موتور که با روشن و خاموش کردنشان سرعت ميدان دوار مغناطيسي تغيير مي کند، ممکن ساخت. به هر حال با پيشرفت الکترونيک قدرت مي توانيم با تغيير دادن فرکانس منبع تغذيه، کنترل يکنواخت تري بر روي سرعت موتورها داشته باشيم.
موتورهاي پله اي
نوع ديگري از موتورهاي الکتريکي موتور پله اي است، که در آن يک روتور دروني، شامل آهنرباهاي دائمي توسط يک دسته از آهنرباهاي خارجي که به صورت الکترونيکي روشن و خاموش مي شوند ، کنترل مي شود. يک موتور پله اي ترکيبي از يک موتور الکتريکي DC و يک سلونوييد است. موتورهاي پله اي ساده توسط بخشي از يک سيستم دنده اي در حالت هاي موقعيتي معيني قرار مي گيرند، اما موتورهاي پله اي نسبتا کنترل شده، مي توانند بسيار آرام بچرخند. موتورهاي پله اي کنترل شده با کامپيوتر يکي از فرمهاي سيستم هاي تنظيم موقعيت است، بويژه وقتي که بخشي از يک سيستم ديجيتال داراي کنترل فرمان يار باشند.
موتورهاي خطي
يک موتور خطي اساساً يک موتور الکتريکي است که از حالت دوار در آمده تا بجاي اينکه يک گشتاور (چرخش) گردشي توليد کند، يک نيروي خطي توسط ايجاد يک ميدان الکترومغناطيسي سيار در طولش، بوجود آورد. موتورهاي خطي اغلب موتورهاي القايي يا پله اي اند. مي توانيد يک موتور خطي را در يک قطار سريع السير ماگليو مشاهده کنيد که در آن قطار روي زمين پرواز مي کند.
اساس موتورهاي القايي AC
امروزه در صنعت، ماشينهاي متفاوت و با سرعت هاي مختلف مورد استفاده قرار مي گيرد كه موارد قابل ذكر عبارتند از : ماشين برش فلزات ، چرثقيل الكتريكي ، ماشينهاي مربوط به حمل ونقل وانواع مختلف وسايل چاپ ، معدن ذغال سنگ و صنايع ديگر . براي مثال چرخاننده الكتريكي در ماشين برش فلزات ، سرعت سيستم مي بايد مطابق با نوع كار ، فلز و كيفيت نوع برش واندازه قطعه مورد نظر ، قابل تنظيم باشد . در كليه ماشين آلات ذكر شده ، چرخاننده بايد مجهز به كنترل سرعت باشد تا بتواند كميت توليد زياد ، شرايط كار مطلوب و كيفيت محصول خوب باشد . توسط كنترل سرعت مي توان سرعت چرخاننده را به ميزان مورد نياز جهت انجام مراحل كار تغيير داد . مفهوم كنترل سرعت يا تنظيم نبا يد شامل تغيير طبيعي در هنگام اخذ بار شود . تغيير سرعت مورد نياز در روي موتور چرخاننده و يا عنصر مرتبط به موتور چرخاننده انجام مي گيرد ، كه ممكن است اين عمل با دست توسط اپراتور و يا به طور اتوماتيك توسط وسايل كنترل انجام گيرد . امروزه تنظيم سرعت توسط مدار الكتريكي توسعه يافته و از نظر اقتصادي و نتايج حاصله بر كنترل مكانيكي ارجحيت دارد .
موتورهاي آسنكرون سه فاز به خاطر امتيازات چشمگيرشان در صنايع كاربرد متنوعي دارند . از آن جمله در سيستمهاي محركه اي كه نياز به تغيير وتنظيم دور دارند بيشتر وبيشتر بكار گرفته مي شوند .
دور موتور آسنكرون به خودي خود حداكثر 1- min 3000 (برايP=1 ،F=50 HZ ) است . اما صنعت اتوماسيون و تنظيم دقيق ، نياز به دورهايي از حدود1 تاmin -1 100000 و بيشتر ( مثلا min -1 350000 در دندانپزشكي با بلبرينگ مغناطيسي ) مي باشد . برخي سيستمهاي محركه نظير جراثقال به دور كمي نيازمنداند. دور موتور آسنكرون وابسته از F فركانس شبكه ، P تعداد زوج قطب موتور و S لغزش آن مي باشد :
Nr = (1- S) NS = ( 1-S )
توسط تغييرات اين سه عامل مي توان دور موتور آسنكرون را تغيير داد . براي اين منظور مدارهاي متنوعي را مي توان تحقق بخشيد . در اين ميان سعي برآنست مدارهائي مورد استفاده قرار گيرند كه با هزينه كمتري تحقق پذيرند ، ساده ترند و نيز تلفاتشان كمتر است. بدين ترتيب تعداد اين مدارها عملاً محدود مي گردد در ادامه متدهاي كلاسيك ومدرن تنظيم دور موتور آسنكرون را مورد بحث قرار خواهيم داد .
موتورهاي القايي AC عمومي ترين موتورهايي هستند كه در سامانه هاي كنترل حركت صنعتي و همچنين خانگي استفاده مي شوند.طراحي ساده و مستحكم , قيمت ارزان , هزينه نگه داري پايين و اتصال آسان و كامل به يك منبع نيروي AC امتيازات اصلي موتورهاي القايي AC هستند.انواع متنوعي از موتورهاي القايي AC در بازار موجود است.موتورهاي مختلف براي كارهاي مختلفي مناسب اند.با اينكه طراحي موتورهاي القايي AC آسانتر از موتورهاي DC است , ولي كنترل سرعت و گشتاور در انواع مختلف موتورهاي القايي AC نيازمند دركي عميقتر در طراحي و مشخصات در اين نوع موتورهاست.
اين نكته در اساس انواع مختلف , مشخصات آنها , انتخاب شرايط براي كاربريهاي مختلف و روشهاي كنترل مركزي يك موتورهاي القايي AC را مورد بحث قرار مي دهد.
اصل ساخت اوليه و كاربري
مانند بيشتر موتورها , يك موتورهاي القايي AC يك قسمت ثابت بيروني به نام استاتور و يك روتور كه در درون آن مي چرخد دارند , كه ميان آندو يك فاصله دقيق كارشناسي شده وجود دارد.به طور مجازي همه موتورهاي الكتريكي از ميدان مغناطيسي دوار براي گرداندن روتورشان استفاده مي كنند.يك موتور سه فاز القايي AC تنها نوعي است كه در آن ميدان مغناطيسي دوار به طور طبيعي بوسيله استاتور به خاطر طبيعت تغذيه گر آن توليد مي شود.در حالي كه موتورهاي DC به وسيله اي الكتريكي يا مكانيكي براي توليد اين ميدان دوار نياز دارند.يك موتور القايي AC تك فاز نيازمند يك وسيله الكتريكي خارجي براي توليد اين ميدان مغناطيسي چرخشي است.
در درون هر موتور دو سري آهنرباي مغناطيسي تعبيه شده است.در يك موتور القايي AC يك سري از مغناطيس شونده ها به خاطراينكه تغذيه AC به پيچه هاي استاتور متصل است در استاتور تعبيه شده اند.بخاطر طبيعت متناوب تغذيه ولتاژ AC بر اساس قانون لنز نيرويي الكترومغناطيسي به روتور وارد مي شود (درست شبيه ولتاژي كه در ثانويه ترانسفورماتور القا مي شود).بنابر اين سري ديگر از مغناطيس شونده ها خاصيت مغناطيسي پيدا مي كنند.-نام موتور القايي از اينجاست-.تعامل ميان اين مگنت ها انرژي چرخيدن يا تورك (گشتاور) را فراهم مي آورد.در نتيجه موتور در جهت گشتاو بوجود آمده چرخش مي كند.
استاتور از چندين قطعه باريك آلومنيوم يا آهن سبك ساخته شده است.اين قطعات بصورت يك سيلندر تو خالي به هم منگنه و محكم شده اند(هسته استاتور) با شيارهايي
كه در شكا يك نشان داده شده اند.سيم پيچهايي از سيم روكش دار در اين شيارها جاسازي شده اند.هر گروه پيچه با هسته اي كه آن را فرا گرفته يك آهنرباي مغناطيسي (با دو پل) را براي كار كردن با تغذيه AC شكل مي دهد.تعداد قطبهاي يك موتور القايي AC به اتصال دروني پيچه هاي استاتوربستگي دارد.پيچه هاي استاتور مستقيما به منبع انرژي متصل اند.آنها به صورتي متصل اند كه با برقراري تغذيه AC يك ميدان مغناطيسي چرخنده توليد مي شود.
روتور از چندين قطعه مجزاي باريك فولادي كه ميانشان ميله هايي از مس يا آلومنيوم تعبيه شده ساخته شده است.در رايج ترين نوع روتور (روتور قفس سنجابي) اين ميله ها در انتهاي خود به صورت الكتريكي و مكانيكي بوسيله حلقه هايي به هم متصل شده اند.تقريبا 90 درصد از موتورهاي القايي داراي روتور قفس سنجابي مي باشند و اين به خاطر آن است كه اين نوع روتور ساختي مستحكم و ساده دارد.اين روتور از هسته اي چند تكه استوانه اي با محوري كه شكافهاي موازي براي جادادن رساناها درون آن دارد تشكيل شده است.هر شكاف يك ميله مسي يا آلومنيومي يا آلياژي را شامل مي شود.در اين ميله ها به طور دائمي بوسيله حلقه هاي انتهايي آنها مدار كوتاه برقرار است.چون اين نوع مونتاژ درست شبيه قفس سنجاب است , اين نام براي آن انتخاب شده است.ميله اي روتور دقيقا با محور موازي نيستند.در عوض به دو دليل مهم قدري اريب نصب مي شوند.
دليل اول آنكه موتور با كاهش صوت مغناطيسي بدون صدا كاركرده و براي آنكه از هارمونيكها در شكافها كاسته شود.
دليل دوم آن است كه گرايش روتور به هنگ كردن كمتر شود.دندانه هاي روتور به خاطر جذب مغناطيسي مستقيم (محض) تلاش مي كنند كه در مقابل دندانه هاي استاتور باقي بمانند.اين اتفاق هنگامي مي افتد كه تعداد دندانه هاي روتور و استاتور برابر باشند.
روتور بوسيله مهار هايي در دو انتها روي محور نصب شده ; يك انتهاي محور در حالت طبيعي براي انتقال نيرو بلندتر از طرف ديگر گرفته مي شود.ممكن است بعضي موتورها محوري فرعي در طرف ديگر(غير گردنده - غير منتقل كننده نيرو) براي اتصال دستگاههاي حسگر حالت(وضعيت) و سرعت داشته باشند.بين استاتور و روتور شكافي هوايي موجود است.بعلت القا انرژي از استاتور به روتور منتقل مي شود.تورك توليد شده به روتور نيرو داده و سپس براي چرخيدن به آن نيرو مي كند.صرف نظر از روتور استفاده شده قواعد كلي براي دوران يكي است.
ميدان مغناطيسي اي كه در استاتور توليد ميشود با سرعت سنكرون مي چرخد.(Ns)
در روتور ميدان مغناطيسي توليد مي شود زيرا به طور طبيعي ولتاژ متناوب است.
براي كاهش سرعت نسبي نسبت به (شار)استاتور , روتور چرخش را در همان جهتي كه شار استاتور دارد آغاز مي كند و تلاش مي كند تا به سرعت چرخش فلاكس نايل شود.با اينحال روتور هرگز موفق نمي شود كه به سرعت ميدان استاتور برسد.روتور از سرعت ميدان استاتور كندتر مي گردد.اين سرعت Base speed نام دارد.(Nb)
تفاوتها ميان Ns و NbSlip نام دارد.اسليپ مقادير مختلف فشار(مكانيكي) بستگي دارد.هر افزايشي در فشار موجب كندتر كار كردن روتور و افزايش اسليپ مي شود.برعكس كاهش فشار سبب سرعت گرفتن روتور و كاهش اسليپ مي شود.اسليپ بوسيله درصد نشان داده مي شود.
عموما دسته بندي موتورهاي القاي براساس تعداد پيچه هاي استاتور است كه عبارتند از:
موتورهاي القايي تك فاز
موتورهاي القايي سه فاز
موتورهای AC :
موتورهای AC تک فاز:
معمولترین موتور تک فاز موتور سنکرون قطب چاکدار است، که اغلب در دستگاه هایی بکار می رود که گشتاور پایین نیاز دارند، نظیر پنکه‌های برقی ، اجاقهای ماکروویو و دیگر لوازم خانگی کوچک. نوع دیگر موتور AC تک فاز موتور القایی است، که اغلب در لوازم بزرگ نظیر ماشین لباسشویی و خشک کن لباس بکار می‌رود. عموماً این موتورها می‌توانند گشتاور راه اندازی بزرگتری را با استفاده از یک سیم پیچ راه انداز به همراه یک خازن راه انداز و یک کلید گریز از مرکز ، ایجاد کنند.
هنگام راه اندازی ، خازن و سیم پیچ راه اندازی از طریق یک دسته از کنتاکتهای تحت فشار فنر روی کلید گریز از مرکز دوار ، به منبع برق متصل می‌شوند. خازن به افزایش گشتاور راه اندازی موتور کمک می‌کند. هنگامی که موتور به سرعت نامی رسید، کلید گریز از مرکز فعال شده ، دسته کنتاکتها فعال می‌شود، خازن و سیم پیچ راه انداز سری شده را از منبع برق جدا می‌سازد، در این هنگام موتور تنها با سیم پیچ اصلی عمل می‌کند
موتورهای AC سه فاز:
برای کاربردهای نیازمند به توان بالاتر، از موتورهای القایی سه فاز AC (یا چند فاز) استفاده می‌شود. این موتورها از اختلاف فاز موجود بین فازهای تغذیه چند فاز الکتریکی برای ایجاد یک میدان الکترومغناطیسی دوار درونشان ، استفاده می‌کنند. اغلب ، روتور شامل تعدادی هادیهای مسی است که در فولاد قرار داده شده‌اند. از طریق القای الکترومغناطیسی میدان مغناطیسی دوار در این هادیها القای جریان می‌کند، که در نتیجه منجر به ایجاد یک میدان مغناطیسی متعادل کننده شده و موجب می‌شود که موتور در جهت گردش میدان به حرکت در آید.
این نوع از موتور با نام موتور القایی معروف است. برای اینکه این موتور به حرکت درآید بایستی همواره موتور با سرعتی کمتر از فرکانس منبع تغذیه اعمالی به موتور ، بچرخد، چرا که در غیر این صورت میدان متعادل کننده‌های در روتور ایجاد نخواهد شد. استفاده از این نوع موتور در کاربردهای ترکشن نظیر لوکوموتیوها ، که در آن به موتور ترکشن آسنکرون معروف است، روز به روز در حال افزایش است. به سیم پیچهای روتور جریان میدان جدایی اعمال می‌شود تا یک میدان مغناطیسی پیوسته ایجاد شود، که در موتور سنکرون وجود دارد، موتور به صورت همزمان با میدان مغناطیسی دوار ناشی از برق AC سه فاز ، به گردش در می‌آید. موتورهای سنکرون را می‌توانیم به عنوان مولد جریان هم بکار برد.
سرعت موتور AC در ابتدا به فرکانس تغذیه بستگی دارد و مقدار لغزش ، یا اختلاف در سرعت چرخش بین روتور و میدان استاتور ، گشتاور تولیدی موتور را تعیین می‌کند. تغییر سرعت در این نوع از موتورها را می‌توان با داشتن دسته سیم پیچها یا قطبهایی در موتور که با روشن و خاموش کردنشان سرعت میدان دوار مغناطیسی تغییر می‌کند، ممکن ساخت. به هر حال با پیشرفت الکترونیک قدرت می توانیم با تغییر دادن فرکانس منبع تغذیه ، کنترل یکنواخت تری بر روی سرعت موتورها داشته باشیم. روشهاي كنترل سرعت در موتورهاي القايي : همانطور كه در گذشته نيز گفته شد از معايب اصلي موتورهاي آسنكرون نسبت به موتورهاي DC در عدم امكانات مناسب در كنترل سرعت آنها مي باشد كه به همين دليل در صنعت كه احتياج به كنترل دور موتور با دقت زياد و در رنج وسيعي مي باشد استفاده از ماشينهاي DC ترجيح داده مي شود و اين مسئله در هنگامي كه گشتاور راه اندازي بزرگي نيز مورد احتياج باشد ، تشديد مي گردد . به همين دليل براي كنترل سرعت ماشينهاي القايي نيز تمهيداتي انجام گرفته
است كه توسط آنها بتوان تا حد امكان به كنترل سرعت اين موتورها پرداخت0 به طور كلي به چهار روش مي توان به كنترل دور موتورهاي القايي پرداخت كه اين موارد عبارتنداز : 1-كنترل دور به وسيله كنترل ولتاژ 2-كنترل دور توسط كنترل فركانس 3-كنترل دور به وسيله كنترل ولتاژ و كنترل فركانس به صورت همزمان 4-كنترل سرعت از طريق كنترل جفت قطب در بين اين روشها بهترين روش كنترل دوربه وسيله كنترل همزمان ولتاژ و فركانس مي باشد چون مقدار فوران ميدان مغناطيسي دوار موتورهاي القايي متناسب با نسبت ولتاژ به فركانس مي باشد بنا براين در صورتي كه به همان نسبت كه ولتاژ را تغيير مي دهيم مقدار فركانس را نيز تغيير دهيم نتيجتاً مقدار دامنهي ميدان مغناطيسي دوار موتور تغييري نمينمايد و در نتيجه در كار ماشين اختلالي وجود نخواهد داشت. از طرف ديگر با تغيير مشخصات منبع تغذيه منحني گشتاور بر حسب سرعت تغيير خواهد نمود . عيب اين روش در قيمت بسيار بالاي مبدلهايي مي باشند كه به صورت همزمان فركانس و ولتاژ را كنترل مي نمايند و همچنين داراي ساختمان پيچيده اي هستند و تعمير و نگهداري آنها مشكل مي باشد و بعضاّ هزينه هاي مربوط به اين مبدّل ها از هزينه مربوط به خود موتور بيشتر مي گردد . بنابراين در بسياري از مواقع از لحاظ اقتصادي استفاده از اين روش براي كنترل سرعت موتور القايي مقرون به صرفه نمي باشد.
موتورهای پله‌ای :
نوع دیگری از موتورهای الکتریکی موتور پله‌ای است، که در آن یک روتور درونی ، شامل آهنرباهای دائمی توسط یک دسته از آهنرباهای خارجی که به صورت الکترونیکی روشن و خاموش می‌شوند، کنترل می‌شود. یک موتور پله‌ای ترکیبی از یک موتور الکتریکی DC و یک سلونوئید است. موتورهای پله‌ای ساده توسط بخشی از یک سیستم دنده‌ای در حالتهای موقعیتی معینی قرار می‌گیرند، اما موتورهای پله‌ای نسبتا کنترل شده ، می‌توانند بسیار آرام بچرخند. موتورهای پله‌ای کنترل شده با کامپیوتر یکی
از فرمهای سیستمهای تنظیم موقعیت است، بویژه وقتی که بخشی از یک سیستم دیجیتال دارای کنترل فرمان یار باشند.
موتورهای خطی :
یک موتور خطی اساساً یک موتور الکتریکی است که از حالت دوار در آمده تا بجای اینکه یک گشتاور (چرخش) گردشی تولید کند، یک نیروی خطی توسط ایجاد یک میدان الکترومغناطیسی سیار در طولش ، بوجود آورد. موتورهای خطی اغلب موتورهای القایی یا پله‌ای هستند. می‌توانید یک موتور خطی را در یک قطار سریع السیر ماگلیو مشاهده کنید که در آن قطار روی زمین پرواز می‌کند.
احتمالا بيشتر از كل انواع موتورها از موتورهاي القايي AC تك فاز استفاده مي شود.منطقي است كه بايد موتورهاي داراي كمترين گراني و هزينه نگه داري بيشتر استفاده شود. موتور القايي AC تك فاز بهترين مصداق اين توصيف است.آن طور كه از نام آن برميايد اين نوع از موتور تنها يك پيچه (پيچه اصلي) دارد و با يك منبع تغذيه تك فاز كار مي كند.در تمام موتورهاي القايي تك فاز روتور از نوع قفس سنجابي است.
موتور القايي تك فاز خود راه انداز نيست.هنگامي كه موتور به يك تغذيه تك فاز متصل است پيچه اصلي داراي جرياني متناوب مي شود.اين جريان متناوب ميدان مغناطيسي اي ضرباني توليد مي كند.بسبب القا روتور تحريك مي شود.چون ميدان مغناطيسي اصلي ضرباني است توركي كه براي چرخش موتور لازم است بوجود نمي آيد و سبب ارتعاش روتور و نه چرخش آن مي شود.از اين رو موتور القايي تك فاز به دستگاه آغاز گري نياز داردكه مي تواندضربات آغازي را براي چرخش موتور توليد كند.
دستگاه آغاز گر موتورهاي القايي تك فاز اساسا پيچه اي اضافي در استاتور است (پيچه كمكي) .پيچه استارت مي تواند داراي خازنهاي سري ويا سوئيچ گريز از مركز باشد.هنگامي كه ولتاژ تغذيه برقرار است جريان در پيچه اصلي بسبب مقاومت پيچه اصلي ولتاژتغذيه را افت ميدهد (ولتاژ به جريان تبديل مي شود).در همين حين جريان در پيچه استارت بسته به مقاومت دستگاه استارت به افزايش ولتاژ تغذيه تبديل مي شود.فعل و انفعال ميان ميدانهاي مغناطيسي كه پيچه اصلي و دستگاه استارت مي سازند ميدان برايندي ميسازند كه در جهتي گردش مي كند.موتور گردش را در جهت اين ميدان برايند آغاز ميكند.
هنگامي كه موتور به 75 درصد دور مجاز خود مي رسد يك سوئيچ گريز از مركز پيچه استارت را از مدار خارج مي كند.از اين لحظه به بعد موتور تك فاز مي تواند تورك كافي را براي ادامه كاركرد خود نگه دارد.
بجز انواع خاص داراي Capacitor start / capacitor run عموماهمه موتورهاي تك فاز فقط براي كاربري هاي بالاي 3/4 hp استفاده مي شوند.
بسته به انواع تكنيكهاي استارت موتورهاي القايي تك فاز AC در دسته بندي اي وسيع قرار دارند.
AC فاز شكسته
موتور فاز شكسته همچنين به عنوان Induction start/Induction run (استارت القايي/كاركرد القايي)هم شناخته مي شود كه دو پيچه دارد.پيچه استارت از سيم نازكتر و تعداد دور كمتر نسبت به پيچه اصلي براي بوجود آوردن مقاومت بيشتر ساخته شده است.همچنين ميدان پيچه استارت در زاويه اي غير از آنچه كه پيچه اصلي دارد قرار مي گيرد كه سبب آغاز چرخش موتور مي شود.پيچه اصلي كه از سيم ضخيم تري ساخته شده است موتور را هميشه درحالت چرخش باقي نگه مي دارد.
تورك آغازين كم است مثلا 100 تا 175 درصد تورك ارزيابي شده.موتور براي استارت جرياني زياد طلب مي كند.تقريبا 700 تا 1000 درصد جريان ارزيابي شده.تورك بيشينه توليد شده نيز در محدوده 250 تا 350 درصد از تورك براوردشده مي باشد.
كاربريهاي خوب براي موتورهاي فاز شكسته شامل سمباده (آسياب) هاي كوچك , دمنده ها و فنهاي كوچك و ديگر دستگاههايي با نياز به تورك آغازين كم با و نياز به قدرت 1/20 تا 1/3 اسب بخار مي باشد.از استفاده از اين موتورها در كاربريهايي كه به دوره هاي خاموش و روشن و گشتاور زياد نيازدارند خود داري نماييد.
اين نوع , موتور اصلاح شده فاز شكسته با خازني سري با آن براي بهبود استارت است.همانند موتور معمولي فاز شكسته اين نوع موتور يك سوئيچ گريز از مركز داشته كه هنگامي كه موتور به 75 درصد سرعت ارزيابي شده مي رسد , پيچه استارت را از مدار خارج مي نمايد.از آنجا كه خازن با مدار استارت موازي است , گشتاور استارت بيشتري توليد مي كند , معمولا در حدود 200 تا 400 درصد گشتاور ارزيابي شده.و جريان استارت معمولا بين 450 تا 575 درصد جريان ارزيابي شده است.كه بسيار كمتر از موتور فاز شكسته و بعلت سيم ضخيمتر در مدار استارت است..
نوع اصلاح شده اي از موتو با استارت خازني ، موتور با استارت مقاومتي است.در اين نوع موتور خازن استارت با يك مقاومت جايگزين شده است.موتور استارت مقاومتي در كاربريهايي مورد استفاده قرار مي گيرد كه ميزان گشتاور استارتينگي كمتر از مقداري كه موتور استارت خازني توليد مي كند لازم است.صرف نظر از هزينه اين موتور امتيازات عمده اي نسبت به موتور استارت خازني ندارد.
اين موتورها در انواع مختلف كاربريهاي پولي و تسمه اي مانند تسمه نقاله هاي كوچك , پمپها و دمنده هاي بزرگ به خوبي بسياري از خود گردانها و كاربريهاي چرخ دنده اي استفاده مي شوند.
AC القايي با خازن دائمي اسپليت
اين موتور (PSC) نوعي خازن دائما متصل به صورت سري به پيچه استارت دارد.اين كار سبب آن ميشود كه پيچه استارت تازماني كه موتور به سرعت چرخش خود برسد بصورت پيچه اي كمكي عمل كند.از آنجا كه خازن عملكرد اصلي , بايد براي استفاده مداوم طراحي شده باشد , نميتواند توان استارتي معادل يك موتور استارت خازني ايجاد نمايد.گشتاور استارت يك موتور (PSC) معمولا كم و در حدود 30 تا 150 درصد گشتاور ارزيابي شده است.موتورهاي (PSC) جريان استارتي پايين , معمولا در كمتر از 200 درصد جريان برآورد شده دارند كه آنها را براي كاربريهايي با سرعتهاي داراي چرخه هاي خاموش روشن بالا بسيار مناسب ميسازد. موتورهاي PSC امتيازات فراواني دارند.طراحي موتور براحتي براي استفاده با كنترل كننده هاي سرعت ميتواند اصلاح شود.همچنين مي توانند براي بازدهي بهينه و ضريب توان بالا در فشار برآورد شده طراحي شوند.آنها به عنوان قابل اطمينان ترين موتور تك فاز مطرح ميشوند.مخصوصا به اين خاطر كه به سوئيچ گريز از مركز نيازي ندارند.
موتورهاي AC القايي استارت با خازن/ كاركرد با خازن
اين موتور , همانند موتور با استارت خازن , خازني از نوع استارتي در حالت سري با پيچه كمكي براي گشتاور زياد استارت دارد.همچنين مانند يك موتور PSC خازني از نوع كاركرد كه دركنار خازن استارت در حالت سري با پيچه كمكي است كه بعد از شروع به كار موتور از مدار خارج مي شود.اين حالت سبب بوجود آمدن گشتاوري در حد اضافي مي شود.
اين نوع موتور مي تواند ... و بازده بيشتر طراحي شود .اين موتور بخاطر خازنهاي كاركرد و استارت و سوئيچ گريز از مركز آن پرهزينه است.
اين موتور مي تواند در بسياري از كاربريهايي كه از هرموتور تك فاز ديگري انتظار ميرود استفاده شود.اين كاربريها شامل ماشينهاي مرتبط با چوب , كمپرسورهاي هوا , پمپهاي آب فشار قوي , پمپهاي تخليه و ديگر كاربردهاي نيازمند گشتاورهاي بالا در حد 1 تا 10 اسب بخار مي شوند.
AC با قطب سايه دار
موتورهاي با قطب سايه دار فقط يك پيچه اصلي دارند و پيچه استارت ندارند.استارت خوردن بوسيله طرح خاص آن كه حلقه پيوسته مسي اي را دور قسمت كوچكي از هر قطب موتور حلقه مي كند انجام مي شود.اين سايه كه قطب را دو تكه مي كند سبب مي شود كه ميدان مغناطيسي اي ضعيفتر در ناحيه سايه خورده نسبت به قسمت ديگر و در كنار آن بوجود آيد.تعامل ميان ميدانها محور را به چرخش وامي دارد.
چون موتور با قطب سايه خورده پيچه استارت , سوئيچ استارت ويا خازن ندارد از نظر الكتريكي ساده و ارزان است.همچنين سرعت آن راصرفا با تغيير ولتاژ يا بوسيله يك پيچه با چند دور مختلف مي توان كنترل كرد.
ساخت موتور با قطب سايه خورده از نظر مكانيكي اجازه توليد انبوه را ميدهد.درحقيقت اين موتورها به موتورهاي يك بار مصرف معروفند.بدين معني كه جايگزين كردن آنها ارزانتر از تعمير آنهاست.
موتورهاي با قطب سايه دار بسياري مشخصات مثبت دارند.اما چندين مورد بي فايدگي هم دارند.گشتاور استارت كم آن معمولا 25 تا 75 درصد گشتاور برآوردي است.اين موتور موتوري با اتلاف بالاست كه سرعتي حدود 7 تا 10 درصد سرعت سنكرون دارد.عموما بازده اين نوع موتور بسيار پايين است (زير 20 درصد)
هزينه اوليه پايين آن را براي قدرت كمتر يا كاربردهاي با كار كمتر مناسب مي سازد.شايد وسيعترين استفاده از آنها در فنهاي چند سرعته براي استفاده خانگي است.ولي گشتاور كم موتور داراي قطب سايه دار را براي بيشتر كاربريهاي صنعتي يا تجاري كه در آنها كار مداوم يا چرخه هاي گردش بيشتر معمول است غير قابل استفاده مي كند.
PSC بسته به طراحيشان كاربري بسيار متنوعي دارند كه شامل فنها , دمنده ها با نياز به گشتاور استارت كم و چرخه هاي كاري غير دائمي مانند تنظيم دستگاهها (طرز كارها) , عملگر درگاهها و بازكننده هاي درب گاراژها ميشود.
آشنايي با استپ موتور
با پيشرفت روز افزون علم و فناوري همواره نياز هاي جديد به وسايل و دستگاه هاي جديد تر جهت هماهنگي همه بخشهاي صنعت با اين پيشرفت ، به وجود مي آيند. بدين منظور شناخت و طراحي راه كارها و وسايل جديد امري است اجتناب ناپذير.از جمله اين پيشرفت ها ساخت نوع جديد و پيشرفته تري از موتورهاي الكتريكي به نام استپ موتور ها يا موتورهاي پله اي است كه با كاهش انواع هزينه ها در صناع كم كم جاي مكانيزم هاي پيچيده مكانيكي را خواهند گرفت.در اين مقاله سعي شده است تا بسيار مختصر و متناسب با محدوديت ها بزباني ساده و قابل درك ساختار و نحوه كاركرد و كنترل موتورهاي استپي بررسي و بيان شود.
با درك ميدان هاي مغناطيسي و كشف آنكه مي توان انرژي الكريكي را به انرژي مكانيكي تبديل نمود تحولي عظيم در تاريخ بشري بوجود آمد ، بگونه اي كه بشر روز به روز به تفكر و طراحي و ساخت وسايلي كه بتوانند با استفاده از انرژي الكتريكي ، انرژي مكانيكي توليد نمايند روي آورد. از اين رو انواع موتور هاي الكتريكي به صحنه وجود آمده و همچنان سير تكميلي خود را طي نمودند تا به امروز كه مي توان براي هر نوع كاربري ، نوع خاصي از موتورها را بكار برد. اما ساخت اسپ موتور با امكاناتي كه به طراحان و سازندگان ماشين آلات ميدهد ، به گونه اي برجسته سبب كاهش هزينه ها در همه زمينه ها مي شود. يكي از چندين مزاياي بسيار زياد اين نوع الكتروموتورها تبديل مكانيزم هاي بسيار پيچيده مكانيكي ، به تنها يك محرك استپي مي باشد. در ادامه با اين پديده جالب آشنا تر خواهيم شد.
استپ موتور يا موتور پله اي
يك استپ موتور وسيله اي الكتريكي است چرخش زاويه اي گسسته يا پله اي دارد و با اتصال به ضربان هايي در فركانسي خاص كار مي كند. هر ضربان فرستاده شده به موتور سبب حركت محور موتور تا زاويه اي معين مي شود كه اين زاويه ، زاويه استپينگ (Stepping Angle) ناميده مي شود.
شكل 1 ساختمان ساده شده يك استپ موتور "Bifilar" مگنت دائمي را نشان مي دهد.
روتور از جنس آهنرباي دائمي است و شش دندانه دارد كه با فاصله هاي مساوي و يك در ميان در قطب هاي N و S اطراف روتور قرار دارند.استاتور چهار قطب دارد كه هر قطب داراي پيچه اي است كه اين پيچه از مركز خروجي V را داراست.
پيچه هاي روي قطب هاي مختلف به هم وصلند بطوري كه فقط پنج سيم A , B , C , D & +V از موتور خارج مي شوند.پيچه با ارسال جريان به سيم +V و خروج آن از يكي از سيمهاي ديگر فعال مي شود.
سيم پيچ ها در دندانه هاي استاتور به روشي پيچيده مي شوند به طوريكه نتايج زير حاصل مي شود :
اگر سيم B فعال باشد ، قطب 1 شمال و قطب 2 جنوب خواهند بود و اگر سيم A فعال باشد قطب 1 جنوب و قطب 2 شمال مي شود.
اگر سيم C فعال باشد قطب 3 شمال و قطب 4
جنوب و اگر سيم D فعال باشد قطب 3 جنوب و در عوض قطب 4 شمال خواهند بود.
عملكرد استپ موتورها براساس اين قانون است كه وقتي قطبهاي مشابه دفع مي شوند ، قطبهاي مخالف جذب مي شوند. اگر سيم پيچ ها در توالي صحيح فعال باشند روتور در مسير و جهتي معين خواهد چرخيد.
شكل 2 نشان مي دهدكه روتور هنگامي كه پيچه ها با توالي داده شده در جدول 1 فعال اند چگونه مي گردد.
همانطور كه در شكل 2 مشاهده مي شود ، ترتيب القاهاي داده شده در در جدول 1 سبب چرخش روتور در جهت عقربه هاي ساعت مي شود.
اگر توالي اين القا ها معكوس شود ، جهت حركت نيز معكوس مي شود.
اگر حتي همه القا ها متوقف شده و هيچ جرياني به موتور وارد نشود ، به علت وجود آهنرباهاي دائمي در روتور بازهم مقداري جاذبه ميان قطب ها و دندانه ها وجود دارد. از اين رو حتي هنگامي هم كه هيچ تغذيه اي به موتور متصل نيست ، بازهم قدري ((گشتاور نگه دارنده)) در موتور باقي مي ماند.
از شكل 2 مي توان مشاهده نمود كه موتور زاويه استپينگ يا زاويه مرحله 30 درجه دارد و براي كامل كردن يك چرخه به 12 استپ يا مرحله نياز دارد. تعداد مرحله ها در هر دور در يك موتور استپي با اضافه كردن دندانه هاي بيشتر روي روتور مي تواند افزايش يابد و با اضافه كردن دندانه هايي به دندانه هاي استاتور ، زاويه استپينگ يا زاويه طي مرحله يك موتور استپي را مي توان تا حد 1.8 درجه كوچك كرد به طوري كه براي طي يك چرخه دويست مرحله نياز باشد.
برنامه القاي پيچه ها در شكل 2 به القاي تك فاز معروف است ; از آنجا كه در هر زمان فقط يكي از چهار پيچه فعال است.
در هر مرحله دندانه هاي روتور دقيقا رد مقابل دندانه هاي فعال استاتور قرار مي گيرند. با اين حال راه اندازي موتور با دو پيچه حامل جريان در يك زمان امري ممكن است (القاي دو فازي). در اين حالت دندانه هاي روتور خود را در ميان دوتا از دندانه هاي فعال استاتور قرار مي دهند. جدول 2 برنامه كاري و موقعيت روتور را براي القاي دو فاز و تك فاز نشان مي دهد.توجه داشته باشيد كه زاويه مرحله يا همان Stepping Angle براي دو نوع القا يكي است بجز اينكه موقعيت هاي روتور با نصف زاويه مرحله تعيين مي شوند.
اگر القاي تك فاز و دو فاز با هم تركيب شوند ، يك حالت نيم مرحله (Half Step mode) حاصل مي شود. در اين حالت تعداد مراحل يا استپ ها در هر چرخه دو برابر است ; به طوري كه اگر موتوري در حالت مرحله كامل يا Full – Step براي كامل كردن چرخه به دويست دور نياز داشته باشد ، در حالت نيم مرحله يا Half – Step به چهارصد دور براي تكميل آن نياز دارد. جدول 3 توالي كاركرد براي حالت نيم مرحله نشان مي دهد.
استپ موتوري كه در بالا شرح داده شد از دو پيچه با در مقابل هم قرار دادن مگنت هاي همنام در هر قطب استفاده مي كند. به اين دليل است كه اين نوع ، استپ موتور "Bifilar" ناميده مي شود.
نتيجتا كارايي و امكانات يك استپ موتور بسيار بيشتر از انواع ديگر الكترو موتورها مي باشد. بدين لحاظ كه بسياري مكانيزم ها و حالات مختلف چرخش را مي توان از آنها گرفت و همچنين اين كه كنترل اين موتور ها بسيار آسان تر از سايرين است به طوري كه عمدتا به وسايل كنترل سرعت اضافي از قبيل ترمز هاي الكتريكي و مكانيكي نيازي ندارند.
پس بر ماست تا با افزايش دانش خود در مورد اين نوع كارامد از موتورهاي الكتريكي سعي در استفاده هرچه بيشتر از امكانات آنها كنيم.
