موتور جریان متناوب

 یک ماشین الکتریکی است که با جریان متناوب تغذیه شده و توان الکتريکی را تبديل به توان مکانيکی چرخشی يا خطی می نمايد. موتور جريان متناوب AC از دو قسمت اصلی تشکیل شده:

•           استاتور: هسته خارجی و معمولاً ثابت که با استفاده از جریان جریان متناوب میدان دوار ایجاد می‌کند.

•           روتور: هسته داخلی و متحرک که به محور خروجی متصل شده و با توجه به میدان دوار تولید شده توسط استاتور، گشتاور تولید می‌کند.

از نظر نوع روتور مورد استفاده قرار گرفته در موتورها، موتورهای جریان متناوب به دو صورت طبقه‌بندی می‌شوند:

•           موتور سنکرون یا هم‌زمان که در آن روتور دقیقاً با سرعت میدان دوار می‌چرخد. در این نوع موتورها میدان الکتریکی روتور به وسیله یک منبع خارجی تامین می‌شود.

•           موتور اسنکرون یا القایی که در آن میدان الکتریکی روتور از القای میدان استاتور پدید می‌آید.

در ۱۸۸۲ نیکولا تسلا اصول میدان مغناطیسی دوار را پایه گذاری کرد و راه را برای استفاده از میدان دوار به عنوان یک نیروی مکانیکی باز کرد. در سال ۱۸۸۳ او از این اصول برای طراحی یک موتورالقایی دو فاز استفاده کرد. در ۱۸۸۵ «گالیلئو فراریس» (Galileo Ferraris) مستقلاً تحقیقاتی را در این باره آغاز کرد و در ۱۸۸۸ نتایج تحقیقات خود را در قالب مقاله‌ای به آکادمی‌سلطنتی علوم در تورین ایتالیا ارایه داد

حرکتی که نیکولا تسلا در ۱۸۸۸ آغاز کرد چیزی بود که امروزه برخی از آن به عنوان «انقلاب صنعتی دوم» یاد می‌کنند، چراکه این حرکت به تولید آسانتر انرژی الکتریکی و همچنین امکان انتقال انرژی الکتریکی در طول مسافت‌های طولانی انجامید. قبل از اختراع موتورهای جریان متناوب به وسیله تسلا موتورها به وسیله حرکت دائم یک هادی در میان میدان مغناطیسی ثابت به حرکت در می‌آمدند. تسلا به این نکته اشاره کرد که می‌توان کلکتورهای موتور را حذف کرد به طوریکه موتور به وسیله میدانی دوار به حرکت درآید. تسلا بعدها موفق به کسب حق امتیاز شماره ۰٫۴۱۶٫۱۹۴ ایلات متحده برای اختراع موتور خود شد. این موتور که در بسیاری از عکس‌های تسلا نیز هست نوع خاصی از موتور القایی بود

در سال ۱۸۹۰ میخایل اسیبوویچ یک موتور سه فاز روتور قفسی اختراع کرد. این نوع موتور امروزه به طور وسیعی برای کاربردهای گوناگون استفاده می‌شود

موتور جریان متناوب سه فاز القایی

در بیشتر محل‌های که سیستم تغذیه سه فاز (یا چند فاز) در دسترس است از این گونه موتورها استفاده می‌شود به ویژه در قدرت‌های بالاتر استفاده از این موتورها بسیار رایج است. اختلاف زاویه بین هر یک از سه فاز تغذیه کننده باعث به وجود آمدن یک میدان دوار متعادل می‌شود که دارای سرعتی ثابت است.

در یک موتور القایی میدان مغناطیسی دوار موجب القای یک جریان در هادی‌های روتور می‌شود. این جریان به طور متقابل میدان مغناطیسی را به وجود می‌آورد که موجب چرخش روتور در جهت میدان مغناطیسی دوار خواهد شد. اما نکته‌ای که باید به آن توجه داشت این است که روتور همیشه باید با سرعتی کمتری از سرعت استاتور بچرخد و به عبارت دیگر در صورتی که سرعت روتور و میدان دوار یکسان باشد جریانی در روتور القا نخواهد شد.

موتورهای القایی در صنایع به طور گسترده‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرند اما قدرت‌های حدود ۵۰۰ کیلووات خیلی بیشتر رایج هستند. موتورهای القایی معمولاً با اندازه‌های استانداردی ساخته می‌شوند (البته این استانداردها در اروپا و آمریکا متفاوت است) این استانداردگذاری در ساخت موتورها تقریباً همه آنها را قابل تعویض می‌کند. توان برخی از موتورها القایی بسیار بزرگ تا ده‌ها هزار کیلو وات می‌رسد و از جمله استفاده‌های این موتورها می‌توان به کمپروسورهای خطوط لوله و تونل های باد اشاره کرد. برای این موتورها دو نوع مختلف از روتور وجود دارد:

•           روتور قفسی (قفس سنجابی)

•           روتور سیم‌پیچی شده

روتور قفسی

بیشتر موتورهای جریان متناوب از این نوع روتورها استفاده می‌کنند به طوری که می‌توان گفت همه موتورهای خانگی و موتورهای سبک صنعتی از این نوع روتورها استفاده می‌کنند. روتور قفسی یا قفس سنجابی نام خود را به خاطر شکلش گرفته؛ دو رینگ در دو انتهای روتور که به وسیله میله‌های به هم وصل شده‌اند شکلی تقریبً شبیه یک قفس تشکیل می‌دهند. این میله‌ها عموماً از جنس آلمینیوم یا مس هستند و در بین ورقه‌های لایه لایه شده فولادی ریخته شده‌است. بیشتر جریان القا شده در روتور از میان این میله‌ها عبور می‌کند چراکه ورق‌های لایه لایه فولادی به علت لاک زنی شدن دارای مقاومت الکتریکی زیادی هستند. ولتاژ ایجاد شده در بین حلقه‌ها بسیار پایین است اما جریان جاری بسیار زیاد است و این به دلیل مقاومت پایین این میله‌هاست. در موتورهایی که راندمان بالاتری دارند از مس برای تولید روتور استفاده می‌شوند چراکه مقاومت الکتریکی این فلز کمتر است.

در هنگام کار، موتور القایی شبیه یک ترانسفورماتورعمل می‌کند که استاتور اولیه و روتور ثانویه آن محسوب می‌شود. زمانیکه روتور با سرعت میدان دوار نمی‌چرخد جریان القا شده در روتور زیاد است، این جریان زیاد میدان مغناطیسی ایجاد می‌کند که با افزایش سرعت روتور سرعت آن را هرچه بیشتر به سرعت استاتور نزدیک می‌کند. یک موتور القایی روتور قفسی در هنگام بی باری (سرعت برابر با میدان دوار) تنها مقدار کمی‌انرژی الکتریکی برای جبران تلفات مکانیکی (اصطکاک) و تلفات مسی (تلفات ایجاد شده به دلیل مقاومت هادی‌های الکتریکی) مصرف می‌کند. اما زمانی که بار موتور افزایش می‌یابد میزان جریان جاری در روتور افزایش می‌یابد (برای جبران فشار وارده به محور موتور) و به این ترتیب موتور مانند یک ترانسفورماتور عمل می‌کند چراکه با افزایش جریان در ثانویه جریان اولیه نیز افزایش می‌یابد. این دلیل کاهش یافتن نور لامپ‌ها در هنگام روشن شدن موتورهای القایی است البته زمانی که این موتورها به هواکش‌ها متصل شده‌اند این اتفاق نمی‌افتد.

موتورهای القایی که از حرکت وامانده‌اند (به دلیل بار زیاد یا گیر کردن محور) جریانی بسیار زیاد مصرف خواهند کرد چراکه تنها عامل محدود کننده جریان در چنین حالتی مقاومت ناچیز هادی‌های استاتور و روتور خواهد بود و در صورتی که این جریان به وسیله عاملی خارجی مهار نشود موتور و تجهیزات تغذیه کننده آن آسیب خواهند دید.

روتور سیم‌پیچی

زمانی که مقاومت سر راه روتور قابل تغییر باشد، روتور را سیم‌پیچی شده می‌نامند. یکی از کاربردهای این نوع روتورها در موقعیت‌هایی است که به سرعت متغیر نیاز است. در این روتورها سم‌پیچ روتور طوری پیچیده شده که تعداد قطب‌ها در روتور و استاتور برابر هستند و خروجی هر فاز از روتور به طور جداگانه و به وسیله حلقه‌های لغزنده از موتور خارج شده‌است. این حلقه‌های لغزنده ارتباط الکتریکی خود با محور موتور را معمولاً به وسیله کربن ایجاد می‌کنند و پس از خارج شدن از موتور به یک مقاومت متغیر خارجی وصل می‌شوند.

در مقایسه با موتورها روتور قفسی، موتورهای روتور سیم‌پیچی گران‌تر هستند و به علت استهلاک حلقه‌های لغزان دارای هزینه تعمیر و نگه‌داری بالاتری نیز هستند، قبل از تولید تجهیزات کنترل سرعت الکترونیکی این موتورها بهترین راه برای کنترل سرعت بودند همچنین این موتورها می‌توانند در لحظه شروع به کار گشتاور بالاتری داشته باشند. استفاده از کنترل کننده‌های ترانزیستوری فرکانس راهی مناسب برای کنترل دور موتورهای جریان متناوب است و این از تمایل برای استفاده از موتورهای روتور سیم‌پیچی کاسته‌است.

راه‌های مختلفی برای راه‌اندازی موتورهای جریان متناوب استفاده می‌شود که اغلب این راه‌ها بر کاهش جریان هجومی‌در هنگام راه‌اندازی و همچنین افزایش گشتاور راه‌اندازی تکیه می‌کنند. این گونه موتورها تنها با وصل ترمینال‌های ورودی به برق و الکتریک شهری با ولتاژ استاندار شروع به کار می‌کنند و (بر خلاف برخی موتورهای جریان مستقیم) نیاز به روش راه‌اندازی ویژه‌ای ندارند. یکی دیگر از روش‌های کاهش جریان راه‌اندازی موتور، کاهش ولتاژ سیم‌پیچ‌ها در لحظه راه‌اندازی است که این کار به وسیله سری کردن سیم‌پیچ‌های بیشتر یا استفاده از اتو ترانسفورماتور،تریستور و یا دیگر تجهیزات کاهش ولتاژ صورت می‌گیرد. روشی دیگر برای کاهش ولتاژ سیم‌پیچ‌ها در لحظه راه‌اندازی تغییر طرز قرار گرفتن سیم پیچ‌ها و استفاده از کلیدهای ستاره-مثلث است. در این حالت ابتدا موتور را در حالت ستاره راه اندازی کرده و پس از رسیدن به دور نامی، ترتیب قرار گرفت سیم‌پیچ‌ها را به وسیله کلید تغییر داده و به حالت مثلث می‌برند. این روش در اروپا رایج‌تر از آمریکای شمالی است.

سرعت موتور آسنکرون

سرعت در یک موتور جریان متناوب به دو عامل فرکانس و تعداد قطب‌های موتور بستگی دارد و از فرمول زیر به دست می‌آید:

Ns=120f/p

که:

•           NS سرعت میدان دوار یا سرعت سنکرون (r. p. m)

•           f فرکانس منبع جریان متناوب (هرتز)

•           P تعداد قطب‌های سیم‌پیچی به ازای هر فاز است.

میزان سرعت واقعی روتور همیشه از سرعت میدان دوار کمتر است. این اختلاف سرعت را لغزش می‌نامند و با S (مخفف slip به معنی لغزش) نمایش می‌دهند. در حالت بی‌باری سرعت روتور به سرعت سنکرون خیلی نزدیک خواهد بود و در بار نامی‌موتور لغزشی بین ۲ تا ۳ درصد خواهد داشت که در برخی موتورها این لغزش تا ۷٪ نیز می‌رسد. میزان لغزش در یک موتور جریان متناوب از رابطه زیر به دست می‌آید:

S=(Ns-Nr)/Ns

که:

•           Nr سرعت روتور (r. p. m)

•           S میزان لغزش است که می‌تواند عددی بین ۱ و ۰ باشد.