پیمانکار رتبه یک تاسیسات

بانک خازنی – آشنایی با مزایای استفاده از تابلوهای بانک خازنی و نحوه محاسبه
1397-08-13
انواع نیروگاه ها – بررسی اجمالی انواع نیروگاه های فعال و مورد استفاده در دنیا
1397-08-15
Show all

موتور القایی – آشنایی کامل با ساختمان و کاربرد موتورهای القایی در صنایع

موتور القایی

گردآورنده: محسن قنبرنژاد
آبان 97

موتور القایی

بخش اول

موتور القایی نوعی موتور الکتریکی است که با استفاده از قانون القای الکترومغناطیسی، انرژی الکتریکی را به انرژی مکانیکی (چرخش شفت موتور) تبدیل می کند. موتور القایی برای اولین بار توسط نیکولاس تسلا در سال ۱۸۸۸ ساخته شد.

این موتورها باتوجه به طراحی ساده و نیاز به تعمیر و نگهداری کم بسیار پرکاربرد هستند و به طور گسترده در صنایع بزرگ و کارخانجات و حتی لوازم منزل مورد استفاده قرار می گیرند.

در موتور القایی، با تغذیه سیم پیچ استاتور و عبور جریان از آن، یک میدان دوار توسط سیم پیچ استاتور ایجاد می شود که این میدان دوار باعث القای ولتاژ  در روتور و جاری شدن جریان در آن خواهد شد. جریان ایجاد شده در روتور نیز یک میدان دوار به وجود خواهد آورد. تقابل این دو میدان دوار، ایجاد گشتاور کرده و در نتیجه محور روتور به چرخش در خواهد آمد.

۱ – ساختمان ماشين های القايی

به طور کلی هر ماشين القايی (موتور يا ژنراتور) از دو بخش عمده تشکیل شده است:

  • استاتور
  • روتور

استاتور: استاتور قسمت ساکن موتور القایی الکتریکی است. هسته استاتور، مجموعه ای از ورق های فولادی است که دارای شيار در سطح داخلی آن است که پس از قرار گرفتن در کنار هم تشکيل يک حجم استوانه ای توخالی را می دهد. سيم پيچ های سه فاز ماشين القايی در داخل همين شيارها قرار می گيرند.

روتور: روتور قسمت دوار موتور الکتریکی است. میدان مغناطیسی ایجاد شده توسط استاتور، باعث القای یک میدان متقابل در روتور می شود که روتور برای همسو شدن با میدان ناشی از این جریان به حرکت در خواهد آمد.

موتور القایی

روتور موتور القايی بر دو نوع است:

  • روتور قفس سنجابی: اين نوع رتور، از تعدادی ميله های مسی يا آلومينيومی تشکیل شده است که در داخل شيارهای ورقه مغناطيسی رتور تعبيه شده اند. سپس اين ميله ها از هر دو طرف توسط دو حلقه هم جنس با ميله ها ( آلومينيوم يا مس) به هم متصل شده اند.
  • رتور سيم پيچی شده: بر روی اين نوع رتور، سه دسته سیم پيچ با اختلاف مکانی ۱۲۰ درجه مانند استاتور ماشين القايی سه فاز با همان تعداد قطب پيچيده می شود. اين سيم پيچ ها نسبت به بدنه روتور عايق شده است. 

۲  عملکرد موتورهای القایی

نحوه عملکرد موتور القایی سه فاز روتور سیم پیچی شده براساس القای ولتاژ است و لذا از این نظر همانند یک ترانسفورماتور سه فاز عمل می کند.  در واقع هر دو از اثر القای نیروی محرکه در سیم پیچ طرف دیگر استفاده می کنند، لذا به این موتورها، موتورهای القایی گفته می شود. البته در ساختار موتور القایی بین سیم پیچ استاتور )اولیه(  و روتور ) ثانویه(  علاوه بر هسته مغناطیسی، فاصله هوایی نیز وجود دارد و از آنجا که در قدرت های یکسان، نیروی محرکه مغناطیسی بیشتری جهت غلبه بر تلفات مکانیکی روتور و مقاومت مغناطیسی ناشی از فاصله هوایی بین استاتور و روتور مورد نیاز است، بنابراین در قدرت یکسان جریان بی باری موتورهای القایی نسبت به ترانسفورماتورها بیشتر است.. در شکل زیر مدار معادل موتور القایی را مشاهده می کنید :

موتور القایی

۳ مشخصه ضريب قدرت سرعت موتورالقايی

يکی از مهم ترين پارامترهای شبکه های برق، ضريب قدرت مصرف کننده است. در واقع ضريب قدرت (PF) ناشی از اختلاف فاز بين ولتاژ و جريان است. از آنجا که تغيير سرعت روتور باعث تغيير امپدانس مدار روتور می شود و همچنين به دليل القای متقابل مدار روتور و تأثير آن بر ميدان استاتور، امپدانس کلی موتور نيز تغيير می کند. بنابراين تغيير سرعت روتور بر ضريب قدرت موتور نيز اثر گذار است. در شکل زیر منحنی تغييرات ضريب قدرت بر حسب دور موتور القايی نمايش داده شده است.

البته لازم به ذکر است که ضريب قدرت در لحظه راه اندازی هر موتور به دليل اهميت ويژه ای که دارد در برگه مشخصات سازنده ارائه می شود. با توجه به شکل بالا ملاحظه می شود که در زمان راه اندازی، ضريب قدرت موتور بسيار کم است ولی با افزايش سرعت، مقدار آن افزايش يافته و پس از عبور از لغزش بحرانی مقدار آن رو به کاهش می گذارد و در سرعت سنکرون صفر می شود. بنابراين در انتخاب موتور القايی برای چرخش بار مکانيکی مشخص نبايد توان موتور را خيلی بالاتر از آن اختيار نمود، زيرا باعث هرزگردی ( بی باری) وکاهش ضريب قدرت و در نتيجه دريافت توان راکتيو بيشتر موتور از شبکه برق می شود و اتلاف انرژی را در پی خواهد داشت که مقرون به صرفه نيست .از سوی شرکت برق، برای مصرف کننده هایی که دارای ضریب توان پایینی هستند، جرایمی در نظر گرفته می شود. راهکاری که امروزه در بسیاری از صنایع، کارخانجات و مصرف کنندگان با مصرف راکتیو بالا جهت افزایش ضریب توان و نزدیک کردن آن به مقدار مطلوب ۱ استفاده می شود، استفاده از بانک های خازنی است که ظرفیت آن با توجه به توان مصرفی و ضریب توان بار قابل محاسبه است.

۴ روش های راه اندازی موتورهای القايی

با توجه به تنوع بار (پمپ ها، کمپرسورها، بالابرها، نوارهای نقاله، همزن ها و… )، موتورهای القايی و ميزان بار آنها در شروع راه اندازی و همچنين نوع و يا شکل قفس رتور، جريان راه اندازی در اين نوع موتورها نسبتاً زياد و حدود ۵ تا ۸ برابر جريان نامی آنها است. بنابراین بررسی روش های راه اندازی از اهميت ويژه برخوردار هستند.

در زمان راه اندازی موتور، دو موضوع بايد ملاحظه شود:

۱- نسبت گشتاور راه اندازی به گشتاور نامی

 اين نسبت نشان می دهد که موتور القايی برای رسيدن به نقطه کار به چه مدت زمانی احتياج دارد، هر چه مقدار اين نسبت بيشتر باشد موتور شتاب بيشتری گرفته و زودتر به نقطه کار خواهد رسید.

۲- نسبت جريان راه اندازی به جريان نامی

مقدار اين نسبت هر چه بيشتر باشد يعنی جريان راه اندازی بيشتر است. در طی زمان راه اندازی به دليل ازدياد جريان، شبکه برق، کابل و منبع تغذيه تحت فشار قرار می گیرند و لذا دچار افت ولتاژ می شوند. بنابراين هرچه این نسبت کمتر باشد، شرايط راه اندازی بهتر است.

با در نظر گرفتن اين دو موضوع می توان راه اندازی موتور القايی را به طور کلی با دو روش انجام داد:

  • روش راه اندازی استاتوری : قابل کاربرد در کليه موتورهای القايی
  • روش راه اندازی روتوری : قابل کاربرد در موتورهای القايی روتور سيم پيچی

راه اندازی استاتوری

انواع روش های راه اندازی استاتوری عبارت اند از:

  • راه اندازی مستقيم
  • راه اندازی ستاره – مثلث
  • راه اندازی با اتو ترانسفورماتور
  • راه اندازی نرم با تجهيزات الکترونيک

راه اندازی مستقيم (Direct On Line) : در این روش تنها از يک کليد قطع و وصل (کنتاکتور) مطابق شکل زیر استفاده می شود. اين روش ساده ترين راه برای راه اندازی موتور القايی و در عين حال به دليل مقرون به صرفه بودن رایج ترين روش است. با اتصال مستقيم موتور به شبکه هيچ تغييری در منحنی مشخص گشتاور- دور موتور ایجاد نمی شود. بنابراين از معايب اين روش، جريان بالای راه اندازی پس از وصل کليد است. وقتی از اين روش استفاده می شود، کابل، شبکه برق )ترانسفورماتور يا ژنراتور و ديگر تجهيزات متصل به شبکه ( باید تحمل عبور جریان بالای راه اندازی ۵ تا ۸ برابر جریان نامی و افت ولتاژ حاصل از این جریان را تا چند ثانیه داشته باشند.

به علاوه در این روش گشتاور راه اندازی موتور بسیار زیاد است که در صورت اختلاف خیلی زیاد با گشتاور بار در زمان راه اندازی، نیروی بیشتری به اتصالات مکانیکی موتور و تجهیزات متصل به آن وارد می شود که با گذشت زمان باعث کاهش عمر مکانیکی تجهیزات می گردد.

موتور القایی

 

راه اندازی ستاره مثلث:  مهم ترین مشکل راه اندازی مستقیم عبور جریان زیاد در زمان راه اندازی است. لازم به توضیح است که فقط موتورهایی را می توان با روش ستاره مثلث راه اندازی نمود که بدون بار باشند و سیم پیچ هر فاز آنها تحمل اتصال به ولتاژ خط را داشته باشد. یعنی در شبکه فشار ضعیف برق ایران بتواند ۳۸۰ ولت ولتاژ خط را تحمل نماید زیرا در اتصال مثلث سیم پیچ های هر فاز به ولتاژ خط متصل می شوند. در راه اندازی به صورت ستاره مثلث ابتدا برای کاهش جریان راه اندازی، موتور را با اتصال ستاره به برق متصل می کنند سپس بعد از عبور جریان اولیه راه اندازی که در اتصال ستاره (۳/۱)۲/۱برابر جریان راه اندازی با اتصال مثلث است، اتصال سیم پیچ ها را به مثلث تبدیل می نمایند. زمان راه اندازی در این روش گاهی به۱۵  ثانیه می رسد. در صورتی که عمل تغییر اتصال به موقع انجام نشود، ممکن است موتور در زیر بار بماند زیرا توان حالت ستاره ۳/۱ توان در حالت مثلث است و موتور برای غلبه بر نیروی مقاوم بار به توان حالت مثلث احتیاج دارد. به همین خاطر برای تغییر اتصال این روش راه اندازی در مدار فرمان از تایمر استفاده می شود.

با این روش راه اندازی، جریان و گشتاور راه اندازی به حدود ۳۰ درصد جریان راه اندازی حالت مستقیم می رسد.

از معایب راه اندازی ستاره – مثلث می توان به موارد زیر اشاره کرد:

  • استفاده از سه کلید قطع و وصل )کنتاکتور(  به جای یک کلید در راه اندازی مستقیم
  • بالارفتن هزینه کابل و کابل کشی؛ زیرا سر و ته کلاف های سه فاز موتور بایستی به تابلو منتقل شود.
  • کاهش گشتاور راه اندازی که باید پیش از انتخاب این روش از بالاتر بودن آن نسبت به گشتاور راه اندازی بار اطمینان حاصل کرد.
  • مدار کنترل پیچیده تر نسبت به راه اندازی مستقیم

راه اندازی با اتو ترانسفورماتور : در این روش برای کم کردن جریان راه اندازی از کاهش ولتاژ به کمک اتو ترانسفورماتور استفاده می شود. اتو ترانسفورماتور های راه انداز موتور القایی دارای دارای دو سر خروجی هستند و توسط آن ها می توان ولتاژ را در کسری از ولتاژ نامی تنظیم کرد.

در شروع راه اندازی، سر وسط اتو ترانسفورماتور، ولتاژی متناسب با راه اندازی موتور را در اختیار موتور قرار می دهد.  لذا جریان راه اندازی کنترل شده  و در ادامه با عبور از مرحله راه اندازی، مدار کنترل عمل تغییر اتصال را داده و ولتاژ شبکه به طور کامل به موتور می رسد.

این روش به سه کلید قطع و وصل  )کنتاکتور(  و یک اتو ترانسفورماتور متناسب با توان راه اندازی موتور احتیاج دارد. در راه اندازی موتورهای توان بالا که امکان راه اندازی آنها به صورت ستاره – مثلث وجود ندارد، از این روش می توان استفاده نمود.

در بخش دوم ادامه روش های راه اندازی موتور القایی شرح داده شده است.

منبع:

WWW.Electricaleasy.com

 

یک دیدگاه