مقدمه
موتورهای تک فاز موتورهای کوچکی هستند و بیشتر در رنج کسری از اسب بخار ساخته می شوند. کاربرد آنها در خانه ها، ادارات، مغازه ها و کارخانه ها می باشد. آنها توان حرکتی را برای ماشین های لباسشویی، فنها، کولرهای آبی، یخچالها، ماشینهای چمن زنی، ابزارهای دستی، مخلوط کن، آب میوه گیری و … فراهم می کنند. موتورهای تکفاز در ساخت و ساز نسبتاً ساده هستند. به هر حال، همیشه تحلیل آنها آسان نیست. بعلت تقاضای زیاد، بازار حالت رقابتی دارد و طراحان از ترفندهایی برای صرفه جویی در هزینه های تولید استفاده می کنند.
یکی از انواع موتورهای تک فاز، موتورهای نوع القایی هستند که اکثر موتورهای کسری از اسب بخار را شامل می شوند. آنها بر طبق روش هایی که برای راه اندازی اشان استفاده می شوند، طبقه بندی شده و به اسمهای توصیفی این روشها ارجاع داده می شوند. بعضی از معمول ترین آنها نوع مقاومت راه انداز (تقسیم-فازی)، نوع خازن راه انداز، نوع خازن دائم و نوع قطب سایه دار هستند.
نحوه عملکرد
موتورهای تکفاز نوع القایی دارای روتور قفسه سنجابی و سیم پیچی استاتور توزیع شده تکفاز هستند. شکل 1 یک نمودار شماتیکی از موتور القایی تکفاز را نشان می دهد. چنین موتوری ذاتاً دارای گشتاور راه اندازی نیست و بنابراین اگر سیم پیچی به یک منبع AC متصل شود، شروع به چرخش نمی کند. به هر حال، اگر روتور بوسیله یک وسیله کمکی بچرخد یا استارت شود، به چرخش خود ادامه می دهد. در ادامه برای فهم بهتر نحوه عملکرد موتور القایی، می توانید ویدئوی مربوط به این موضوع را از لینک موردنظر دانلود کرده و مشاهده کنید.
شکل 1) موتور القایی تکفاز، الف) شماتیک، ب) شارهای استاتور و روتور
نحوه عملکرد موتور القایی تک فاز – دانلود کنید
تئوری مدار معادل دوبل
عملکرد موتور القایی تکفاز می تواند بوسیله تئوری میدان چرخشی دوبل توضیح داده شده و مورد تحلیل قرار بگیرد.
حالت اول: روتور در توقف
درنظر بگیرید که ابتدا روتور ساکن است و سیم پیچی استاتور به منبع تکفاز AC متصل می شود. یک mmf نوسانی شکل می گیرد که منجر به ایجاد یک شار نوسانی Φs مطابق با شکل 2-ب در امتداد محور سیم پیچی استاتور ماشین می شود. این شار استاتور نوسانی، جریانی را بوسیله عمل ترانسفورمری در مدار روتور القا می کند که به نوبه خود یک شار نوسانی Φr تولید می کند که در امتداد همان محور شار استاتور Φs عمل می کند. بر طبق قانون لنز، این دو شار با یکدیگر مخالفت می کنند. چون زاویه بین این دو شار صفر است، هیچ گشتاور راه اندازی بوجود نمی آید.
حالت دوم: روتور در حرکت
حالا فرض کنید روتور در حرکت باشد. این حالت می تواند یا بوسیله چرخاندن روتور یا بوسیله استفاده از مدارهای کمکی انجام شود. موتور القایی تک فاز می تواند گشتاور را زمانی که در شرایط حرکتی هست، توسعه دهد که می تواند به صورت زیر توضیح داده شود. یک میدان نوسانی (mmf یا شار) معادل با دو میدان چرخشی با نیمی از بزرگی است که در جهات مختلف با سرعت سنکرون یکسان چرخش می کنند. این موضوع می تواند به صورت تحلیل یا گرافیکی اثبات شود.
دو بردار با دامنه مساوی OP را در نظر بگیرید که f جهت حرکت در خلاف جهت و b جهت حرکت در جهت عقربه های ساعت مطابق با شکل 2 است. آنها در سرعت یکسان اما در جهت های متضاد می چرخند. جمع برداری آنها یعنی OR به صورت متناوب بین دامنه +2OP و -2OP قرار دارد و همیشه در امتداد خط مستقیم مشابه قرار می گیرد. بعلاوه OR تابع سینوسی از زمان است اگر بردارها در سرعت ثابت یکسان بچرخند. بنابراین میدان نوسانی (نشان داده شده با OR) که بوسیله جریان در سیم پیچی استاتور تولید می شود، ممکن است به صورت برآیند دو میدان چرخشی (نشان داده شده با f و b) با دامنه یکسان اما در جهت های مخالف در نظر گرفته شود. شار استاتور نوسانی که در امتداد محور سیم پیچی استاتور نوسان می کند معادل با دو شار چرخشی Φf و Φb می باشد که در شکل 2-ب نشان داده شده است.
شکل 2) میدان نوسانی و مدیان چرخشی
به صورت ریاضی، برای یک سیم پیچی استاتور توزیع شده سینوسی، mmf در امتداد زاویه در شکل 3 به صورت زیر است:
که N تعداد مؤثر دور سیم پیچی استاتور است.با فرض:
خواهیم داشت:
که Ff نیروی محرکه چرخشی در جهت θ و Fb نیروی محرکه چرخشی در جهت مخالف است. اگرچه نیروهای محرکه چرخشی در جهت های مخالف یکدیگر هستند، اما هر دوی آنها باعث تولید گشتاور موتور القایی تکفاز می شوند. این مؤلفه های گشتاور و گشتاور برآیند در شکل 4 نشان داده شده است. در حالت توقف، این دو گشتاور رو به جلو و رو به عقب از نظر بزرگی برابر هستند و بنابراین گشتاور راه اندازی برآیند صفر است. در هر سرعت دیگر، دو گشتاور نامساوی هستند و گشتاور برآیند چرخش موتور را در جهت چرخش حفظ می کند.
شکل 3) سطح مقطع موتور القایی تک فاز
شکل 4) مشخصات گشتاور – سرعت یک موتور القایی تک فاز بر اساس شکل موج های گشتاور رو به جلو و رو به عقب
لغزش
فرض کنید که روتور در جهت میدان چرخشی جلویی در سرعت n دور بر دقیقه می چرخد و سرعت سنکرون ns دور بر دقیقه است. لغزش با توجه به میدان جلویی برابر است با:
روتور به صورت متضاد با چرخش میدان عقبی می چرخد. بنابراین لغزش با توجه به میدان عقبی برابر است با:
مدارهای روتور برای شارهای رو به جلو و رو به عقب چرخشی در شکل 5 نشان داده شده است. در حالت توقف، امپدانس ها مساوی هستند و بنابراین جریان ها نیز برابرند (I2f=I2b). mmf آنها به صورت مساوی بر mmf استاتور تأثیر می گذارد و بنابراین شارهای چرخشی جلویی و عقبی در شکاف هوایی ار نظر دامنه مساوی هستند. به هر حال، زمانی که روتور می چرخد، امپدانس های مدارهای روتور (شکل 5) نامساوی هستند و جریان روتور I2b بالاتر از جریان روتور I2f است. mmf آنها که با mmf های استاتور مخالفت می کند، منجر به کاهش شار چرخشی عقبی می شود. در نتیجه زمانی که سرعت افزایش می یابد، شار جلویی افزایش می یابد، در حالیکه شار عقبی کاهش می یابد؛ اما شار برآیند در اصل برای القای ولتاژ در سیم پیچی استاتور ثابت است که اگر افت ولتاژ دو سر مقاومت سیم پیچی و راکتانس نشتی ناچیز باشد، تقریباً مشابه با ولتاژ اعمال شده می باشد. در اینجا با روتوری که در حرکت است، در مقایسه با آن مؤلفه هایی که در شکل 4 نشان داده شده، گشتاور جلویی افزایش یافته و گشتاور عقبی کاهش می یابد. مشخصات گشتاور – سرعت واقعی تقریبا آن چیزی است که در شکل 6 نشان داده شده است.
شکل 5 ) مدارهای معادل روتور، الف) برای موج شار چرخشی جلویی، ب) برای موج شار چرخشی عقبی
شکل 6) مشخصه گشتاور – سرعت واقعی یک موتور القایی تک فاز با به حساب آوردن تغییرات در موج-های شار عقبی و جلویی
ضربان (نوسان) گشتاور
در یک موتور تکفاز، توان لحظه ای در دو برابر فرکانس منبع نوسان می کند (مطابق با شکل 7). در نتیجه نوسانات گشتاور در دو برابر فرکانس استاتور بوجود می آید. گشتاور نوسانی علاوه بر گشتاور نشان داده شده در شکل 6 وجود دارد. گشتاور نشان داده شده در منحنی های گشتاور – سرعت شکل 6 ، متوسط زمانی گشتاور لحظه ای می باشد. گشتاور نوسانی از فعل وانفعال mmf و شارهای چرخان متضاد ناشی می شود که با سرعت دوبرابر سرعت سنکرون از همدیگر عبور می کنند – مثل فعل و انفعال شار جلویی با mmf عقبی روتور و شار عقبی با mmf جلویی روتور. فعل و انفعال شار جلویی با mmf جلویی روتور و همچنین شار عقبی با mmf عقبی روتور، گشتاور ثابت را تولید می کند.
شکل 7) شکل موج¬های ولتاژ، جریان و توان در ماشین القایی تکفاز
گشتاور نوسانی هیچ گشتاور متوسطی تولید نمی کند اما اثر وزوزه مانندی را ایجاد می کند و باعث می شود موتورهای تک فاز از موتورهای چندفازه پر سر و صداتر باشند. اثرات گشتاور نوسانی می تواند بوسیله مونتاژ الاستیک، لنتهای لاستیکی و موارد دیگر کمینه شود.
راه اندازی موتورهای القایی تکفاز
همانطور که زودتر توضیح داده شد، یک موتور القایی تکفاز با یک سیم پیچی استاتور ذاتاً هیچ گشتاور راه اندازی تولید نمی کند. برای اینکه موتور شروع به چرخش کند، بعضی آرایش های مداری لازم است به صورتیکه موتور یک گشتاور راه اندازی تولید کند. البته موتور در شرایط حرکتی گشتاور را با فقط یک سیم پیچی استاتور تولید می کند.
ساده ترین روش راه اندازی یک موتور القایی تکفاز تأمین یک سیم پیچی کمکی در استاتور علاوه بر سیم پیچی اصلی و راه اندازی موتور به صورت یک ماشین دوفاز می باشد. دو سیم پیچی در استاتور با 90 درجه الکتریکی جابجایی محورهایشان در فضا قرار می گیرند. امپدانس های دو مدار به صورتی هستند که جریانها در سیم پیچی های اصلی و کمکی نسبت به هم اختلاف فازی دارند. موتور معادل با یک موتور دو فاز نامتعادل می باشد. به هر حال برآیند یک میدان چرخشی استاتور است که می تواند گشتاور راه اندازی تولید کند. دو سیم پیچی می تواند به طور مناسب طوری طراحی شود که باعث رفتار موتور به صورت یک موتور دو فاز متعادل شود.
در شرایط کارکردن، یک موتور القایی تک فاز می تواند یک گشتاور با فقط سیم پیچی اصلی توسعه دهد. بنابراین زمانی که موتور سرعت می گیرد، سیم پیچی کمکی می تواند از مدار جدا شود. در بعضی موتورها این عمل بوسیله اتصال یک کلید گریز از مرکز در مدار کمکی انجام می شود. در حدود 75 درصد سرعت سنکرون، کلید گریز از مرکز عمل می کند و سیم پیچی کمکی را از منبع جدا می کند.
طبقه بندی موتورها
موتورهای القایی تکفاز با نامهای متنوع خود شناخته می شوند. نامها توصیفی از روش هایی هستند که برای ایجاد اختلاف فاز بین جریان ها در سیم پیچی اصلی و کمکی استفاده می شود. بعضی از انواع معمول موتورهای القایی تکفاز در ادامه شرح داده شده است.
موتورهای تقسیم فازی
یک نمودار شماتیکی از موتور القایی تقسیم فازی در شکل 8-الف نمایش داده شده است. سیم پیچی کمکی دارای یک نسبت مقاومت به راکتانس بالاتر نسبت به سیم پیچی اصلی است، به نحوی که دو جریان خارج از فاز هستند که در شکل 8-ب نشان داده شده است. نسبت مقاومت به راکتانس بالا معمولاً با استفاده از سیم ظریف برای سیم پیچی کمکی بدست می آید. این مورد مجاز است زیرا سیم پیچ کمکی فقط در دوره راه اندازی در مدار است. کلید گریز از مرکز در حدود 75 درصد سرعت سنکرون آنرا از مدار قطع می کند.
شکل 8) موتور القایی تقسیم فازی (مقاومت راه انداز)
موتورهای خازن راه انداز
گشتاور راه اندازی بالاتر می تواند با قراردادن یک خازی به صورت سری با سیم پیچی کمکی بدست آید که در شکل 9-الف) نشان داده شده است. این مورد زاویه فاز بین جریان های سیم پیچی را همانند شکل 9-ب) افزایش می دهد. مشخصه گشتاور-سرعت در شکل 9-ج ارائه شده است. خازن یک هزینه اضافی را باعث می شود. یک مقدار خازن نمونه برای یک موتور با توان 0.5 اسب بخار حدود 300 میکروفاراد می باشد. چون که خازن فقط در دوره راه اندازی در مدار است، می تواند از نوع الکترولیتی ac ارزان باشد. گشتاور راه اندازی بالا یک ویژگی برجسته از این آرایش است.
شکل 9) موتور القایی خازن راه انداز
موتورهای خازن دائم
در این موتور همانند شکل 10-الف خازنی که به طور سری با سیم پیچی کمکی متصل می شود بعد از راه اندازی از مدار خارج نمی شود و در تمام مدت در مدار باقی می ماند. این مورد ساخت و ساز را ساده کرده و هزینه را کاهش می دهد، زیرا کلید گریز از مرکز لازم نیست. ضریب توان، نوسان گشتاور و بازده همچنین بهبود می یابد زیرا موتور به صورت یک موتور دو فاز کار می کند. موتور به صورت بی سر و صداتر کار می کند.
مقدار خازن از مرتبه 20 تا 50 میکروفاراد است و چون به صورت پیوسته کار می کند یک نوع روغن کاغذی ac است. ملاحظات خازن بین بهترین راه اندازی و مقدارهای کاری بستگی دارد و بنابراین گشتاور راه اندازی فدا می شود. مشخصه گشتاور – سرعت نمونه در شکل 10-ب) نشان داده شده است.
شکل 10) موتور القایی خازن دائم
موتورهای خازن راه انداز خازن دائم
دو خازن یکی برای راه اندازی و دیگری برای کار دائم می تواند مطابق با شکل 11-الف) استفاده شود. به طور تحلیلی عملکرد بهینه و عملکرد کاری می تواند با داشتن دو خازن بدست آورده شود. خازن راه انداز Cs از نظر مقدار بزرگتر بوده و از نوع الکترولیتی ac است. خازن دائم Cr به طور ثابت به صورت سری با سیم پیچی راه اندازی متصل می شود؛ این خازن کوچکتر بوده و از نوع روغنی کاغذی است. مقدارهای نمونه این خازن ها برای موتور 0.5 اسب بخار برابر با Cs=300 میکروفاراد و Cr=40 میکروفاراد می باشد. مشخصه نمونه گشتاور-سرعت در شکل 11-ب) نشان داده شده است. این موتور البته در مقایسه با دیگر موتورها گران است؛ به هر حال بهترین عملکرد را موجب می شود.
شکل 11) موتور القایی تکفاز خازن راه انداز خازن دائم
موتورهای قطب سایه دار
این موتورها دارای یک ساختار قطب برجسته هستند. یک باند سایه دار شامل یک دور مس اتصال کوتاه شده است که تحت نام کلاف سایه دار شناخته می شود و در قسمتی از هر قطب استفاده می شود (شکل 12-الف) سیم پیچی تک فاز اصلی روی قطبهای برجسته پیچیده شده است. نتیجه آن این است که جریان القاشده در باند سایه دار شاری را در قسمت سایه دار قطب برای به تأخیرانداختن شار در قسمت بدون سایه قطب ایجاد می کند. بنابراین شار در قسمت سایه دار بعد از اینکه شار در قسمت بدون سایه به مقدار بیشینه خود رسید، به مقدار بیشینه خود می رسد. این معادل با یک شیفت تصاعدی شار از قسمت بدون سایه به قسمت سایه دار قطب می باشد. این مشابه با یک میدان چرخشی محرک از قسمت بدون سایه به قسمت سایه دار قطب می باشد. در نتیجه موتور یک گشتاور راه اندازی تولید می کند.
مشخصه گشتاور-سرعت نمونه در شکل 12-ب نشان داده شده است. موتورهای قطب سایه دار ارزانترین موتورهای کسری از اسب بخار هستند و معمولاً برای مقدارهای نامی اسب بخار پایین تا حدود 1/20 اسب بخار ساخته می شوند.
شکل 12) موتور القایی تک فاز قطب سایه دار
مشخصات و کاربردهای معمول
ویژگیهای اصلی و کاربردهای موتورهای القایی تکفاز به صورت خلاصه در جدول 1 آورده شده است. توجه کنید که برای کاربردهای زیر 1/20 اسب بخار، موتورهای قطب سایه دار همواره مورد استفاده قرار می گیرند. به هر حال برای کاربردهای بالای 1/20 اسب بخار، انتخاب موتور اساساً بستگی به گشتاور راه اندازی و تا حدی آرام بودن عملکرد دارد. اگر صدای پایین مطلوب باشد و گشتاور راه اندازی پایین کافی باشد، مثل فنها یا دمنده ها، موتورهای خازن دائم می تواند انتخاب شود. اگر صدای پایین با گشتاور راه اندازی بالا مدنظر باشد، همانندی مواردی که ممکن است برای کمپرسور یا یخچال موردنیاز باشد، سپس موتورهای خازن راه انداز خازن دائم بهتر است. اگر کمپرسور در یک محیط پرسر و صدا قرار گرفته باشد، انتخاب باید یک موتور خازن راه انداز باشد که کمتر گران خواهد بود.
جدول 1) موتورهای القایی تک فاز، مشخصات و کاربردها