(بخش سوم)
موتور قفس سنجابي
تقريباً 90 درصد موتورهاي القايي AC سه فاز از اين نوعند. كه روتور آنها از نوع قفس سنجابي است كه در ابتدا توضيح داده شد. محدوده هاي طبقه بندي نيروي آنها از يك سوم تا چند صد اسب بخار است. موتورهاي اين نوعي كه در دسته يك اسب بخار به بالا اند در مقايسه با مشابه هاي تك فاز كم هزينه ترند و مي توانند در استارت در فشارهاي سنگين تر بكار كنند.
موتور با روتور پيچشي
موتور با حلقه لغزان يا موتور روتور پيچشي نوعي از موتور القايي قفس سنجابي است.درحالي كه استاتور در اين موتور همانند موتور قفس سنجابي است يك سري از پيچه ها را روي روتور خود دارد كه در حالت مداركوتاه نيستند ولي به يك سري از رينگهاي لغزان ختم مي شوند.اين پيچه ها در اضافه كردن مقاومتها و خازنهاي خارجي سودمندند.اسليپ لازم براي توليد گشتاور بيشينه نهايي مستقيما با مقاومت روتور متناسب است.در موتور با حلقه لغزان مقاومت موثر روتور با اضافه كردن مقاومت خارجي ميان حلقه هاي لغزان كاهش ميابد.
بنابراين امكان بدست آوردن لغزش بيشتر و همچنين گشتاور بيشينه نهايي در سرعتهاي كمتر وجود دارد. يك مقاومت خارجي مي تواند در سرعت تقريباً صفر را نتيجه دهد كه گشتاو بيشينه نهايي بسيار زيادي با جريان استارت كم را توليد مي كند. هنگامي كه موتور شتاب مي گيرد مقدار مقاومت مي تواند كاهش يابد تا مشخصات موتور براي كارهايي با فشار زياد مناسب شود. هنگامي كه موتور به سرعت اصلي ميرسد خازنهاي خارجي از مدار خارج مي شوند و اين يدين معني است كه اكنون موتور به عنوان يك موتور القايي استاندارد كار مي كند. اين نوع موتور براي فشارهاي مانا (كارهايي با فشار ثابت) كه درآنها گشتاور نهايي بايد در سرعت تقريبا صفر توليد شده و موتور دركمترين زمان و با كمترين مصرف جريان تا سرعت بيشينه شتاب گيرد ايده آل است.
قسمت پاييني موتور با حلقه لغزان كه در آن حلقه ها به همراه مجموعه براشها است به نگهداري منظم نياز داردكه از نظر قيمت، استاندارد بودن آن را به عنوان يك موتور قفس سنجابي غير ممكن مي كند. اگر پيچه ها كوتاهتر شوده و استارت زده شود معمولا جريان بالااز روتور در حالت متوقف عبورمي كند كه در حد 1400 درصد است. درحالي كه در اين حالت درآن گشتاوري در حد 60 درصد توليد مينمايد كه در بسياري از كاربري ها چنين امكان پشتيباني چنين چيزي نيست. با تغيير مقاومتهاي روتور منحني سرعت گشتاور تعديل مي گرددكه بدان وسيله سرعتي كه درآن موتور در فشاري مخصوص كارمي كند تعديل مي شود. ظرفيت تكميل فشار ميتواند سرعت را تا 50درصد سرعت سنكرون كاهش دهد. خصوصاً هنگامي كه فشار، از انواعي با نياز به گشتاور – سرعت هاي مختلف مثل پرس هاي چاپ يا كمپرسورها است. كاهش سرعت تا زير 50درصد بازده را به خاطر اتلاف انرژي در مقاومت ها به شدت كاهش مي دهد. اين نوع موتور در كاربريهايي با چرخش با گشتاور و سرعت هاي مختلف مانند پرس هاي چاپ، كمپرسورها، تسمه نقاله ها، بالابرنده ها و آسانسورها مورد استفاده قرار مي گيرد.
معادله كنترل گشتاور عملكرد موتور
سيستم بار موتور مي تواند به وسيله معادله اساسي زير بيان شود.
براي چرخش هايي با ماند ثابت داريم:
اين نشان مي دهد كه گشتاور ايجادشده توسط موتوربا گشتاوربار نسبت عكس دارد.
مؤلفه گشتاور گشتاور پويا ناميده مي شود زيرا فقط در اعمال زودگذر و آني ظاهر ميشود.اينكه چرخش تسريع يا كند مي شود به اين بستگي دارد كه T از T1 بزرگتر يا كوچكتر باشد. در هنگام شتاب گيري موتور نبايد تنها گشتاور بار راتغذيه كند بلكه بايد مؤلفه گشتاور اضافي اي را براي چيره شدن به اينرسي داشته باشد. در درايوهايي با اينرسي بزرگ مانند قطارهاي الكتريكي گشتاور موتور براي مقدار بسيار كافي شتاب گيري بايد از گشتاور بار تجاوز كند. در درايوهايي با نياز به واكنش سريع گشتاور موتور بايد در بالاترين مقدارنگه داشته شده و سيستم بار موتور با كمترين مقدار ممكن اينرسي طراحي شده باشد. انرژي مربوط به گشتاور پويا به صورت انرژي جنبشي (KE) بوجود آمده ذخيره مي شود. در زمان شتابگيري گشتاور پويا علامت منفي دارد. از اين رو به گشتاور توليدي موتور T و حفظ تحرك چرخش بوسيله استخراج انرژي از انرژي جنبشي ذخيره شده كمك مي كند. براي خلاصه، براي حالت دائمي چرخش موتورگشتاوري توليدي موتورT بايد هميشه با گشتاور لازم بارT1 برابر باشد. منحني سرعت گشتاور موتور القايي سه فاز معمولي در شكل 11 نشان داده شده است.
ويژگي استارتينگموتورهاي القايي درحالت خاموش مانند يك ترانسفورماتور درمدار كوتاه عمل مي كنند و اگر كاملاً به منبع ولتاژ متصل شوند جرياني بسيار بزرگ مي كشند كه اين جريان به جريان روتور قفل شده معروف است. همچنين گشتاوري توليد مي كند كه به گشتاور روتور قفل شناخته مي شود. گشتاور روتور قفل (LRT) و جريان روتور قفل (LRC) تابع ولتاژ پايانه و تابع طراحي آن مي باشند. هنگامي كه موتور شتاب مي گيرد اگر ولتاژ ثابت نگه داشته شود هر دوی گشتاور و جريان تلاش مي كنند كه سرعت روتور را تغير دهند.
جريان استارت يك موتور با ولتاژ ثابت با شتاب گرفتن موتور به طوربسيار آهسته كاهش ميابد و صرفا روند نزولي ميابد. به خصوص وقتي كه موتور به 80 درصد سرعت كامل خود مي رسد. منحني هاي واقعي براي موتورهاي القايي مي توانند ميان طراحي هاي مختلف بسيار بسيار متفاوت باشند ولي عموماً گرايش آنها به جريان بالاست تا وقتي كه متور تقريبا به سرعت كامل ميرسد.LRC يك موتور ميتواند در محدوده از500 درصد تا 1400 درصد جريان ظرفيت تكميل (FLC) باشد.معمولا موتورهاي خوب در محدوده 550 تا 750درصد از FLC مي باشند.
گشتاور استارت يك موتور القايي كه با ولتاژ ثابت آغاز به كار مي كند، كمي به گشتاور كمينه افت مي كند كه به Pull-Up torque شناخته مي شود و با شتاب گرفتن موتور در تقريباً سرعت بيشينه به يك گشتاور بيشينه افزايش يافته كه به گشتاور شكست يا Pull-Out torque معروف است و سپس در سرعت سنكرون به صفر نزول مي كند. منحني گشتاور استارت برخلاف سرعت روتور به ولتاژ پايانه و طراحي روتور بستگي دارد.
LRT يك موتور القايي ميتواند از مقدار كم 60 درصد FLT تا 350 درصد آن تغيير كند.Pull-Up torque نيز مي تواند به كمي 40 درصد FLT و گشتاور شكست هم مي تواند تا حد 350 درصد FLT باشد.معمولا LRT ها براي موتورهاي بزرگ تا متوسط دستورا 120 تا 280 درصد FLT ميباشد.ضريب توان (PF) با شتاب گرفتن موتور از استارت از .1 تا .25 به مقدار بيشينه افزايش يافته وسپس با رسيدن موتور به سرعت نهايي دوباره سقوط مي نمايد.
ويژگي عملكردهنگامي كه موتوربه سرعت خود سرعتي كه به تعداد قطبهاي استاتور مربوط است رسيده است در ميزان خطاي كمي نسبت به سرعت سنكرون(Slip) كار مي كند. معمولاً ميزان اين كاستي براي يك موتور قفس سنجابي كمتر از 5 درصد است. اسليپ حقيقي نوع خاصي از موتور به طراحي آن بستگي دارد. معمولاً سرعت اصلي يك موتور القايي چهار قطبي بين 1420 تا 1480 دور در دقيقه در فركانس 50 هرتز متغير است. در حالي كه سرعت سنكرون 1500 دور در دقيقه در فركانس 50 هرتز است.
ولتاژ كشيده شده توسط موتور القايي دو جزء دارد: جزءانفعالي (جريان مغناطيسي سازي) و مولفه موثر (جريان كاري). جريان مغناطيسي سازي مستقل از بار ولي وابسته به طراحي و ولتاژ استاتور مي باشد. جريان مغناطيسي سازي حقيقي موتور القايي مي تواند از مقدار كم 20 درصد FLC براي دستگاه بزرگ دو پل تا بزرگي 60 درصد براي نمونه كوچك هشت پل متغير باشد. جريان كاري موتوربا بار نسبت مستقيم دارد.
گرايش دستگاههاي بزرگ و پرسرعت به ارائه دادن جريان مغناطيسي سازي كم است درحالي كه گرايش ماشين هاي كوچك و كم سرعت به جريان بالاي مغناطيسي سازي مي باشد. يك موتور معمولي در سايز متوسط و با چهار پلجريان مغناطيسي سازي اي معادل 33 درصد FLC دارد. يك جريان كم مغناطيسي سازي اتلاف كم آهن را دربردارد در حالي كه جريان بزرگ مغناطيسي سازي افزايش در اتلاف آهن و درنتيجه كاهش بازده عملكرد را در پي دارد.
معمولاً بازده عملكرد يك موتور القايي در سه چهارم ظرفيت حداكثر است و از 60درصد براي موتورهاي كوچك كم سرعت تا بيش از 92 درصد براي موتورهاي بزرگ پرسرعت متنوع است. ضرايب توان و بازده ها عموما در مشخصات موتورها ذكر شده است.
مشخصه باردر واقعيت كاربري هايي با مقادير مختلف بار با منحنيهاي مختلف سرعت گشتاور وجود دارد. براي نمونه: گشتاور ثابت با بار با سرعت متغير(در كمپرسورهاي پيچشي تسمه نقاله ها تغذيه كننده ها)، گشتاور متغير با بار با سرعت متغير(در فن، پمپ)، توان بار ثابت (در محرك هاي انقباضي)، توان و گشتاور بار ثابت (در محرك هاي سيم پيچي) و گشتاور بالاي استارت و دورگرفتن ناگهاني كه در گشتاور ثابت بار(در پمپ هاي پيچشي، فشرده سازها) مشاهده مي شود.
گفته مي شود سيستم بار موتور پايدار است هرگاه گشتاور توليدي موتور با گشتاور مورد نياز بار برابر باشد. در اين حالت موتور در يك سرعت ثابت در حالتي مانا كار مي كند. پاسخگويي موتور به هر اختلال ايده اي در مورد پايداري سيستم بار آن به ما مي دهد. اين مفهوم به ما در انتخاب سريع نوع موتور براي كاربري خاصي كمك مي كند.
در بيشتر كاربري ها، واحد زماني الكتريكي در مقابل واحد زماني مكانيكي آن ناچيز است. از اين رو درهنگام اعمال آني مي توان موتور را در تعادل الكتريكي فرض كرد كه بر اينكه منحني سرعت – گشتاور حالت پايدار براي اعمال آني نيز صادق است دلالت دارد. به عنوان نمونه شكل 12 منحني هاي سرعت – گشتاور موتوري با دو بار مختلف نشان مي دهد. مي توان سامانه را بعد از به حالت اول بازگشتن پس از كمي تغيير به سبب اختلالي در موتور يا بار ثابت ناميد.
براي نمونه اختلال سبب كاهش در سرعت مي شود. در حالت اول در سرعتي جديد گشتاور موتور T از گشتاور بار T1 بزرگتر است. بنابراين موتور شتاب گرفته و عمليات به X باز خواهد گشت. به طور مشابه افزايش در سرعت كه بوسيله يك اختلال بوجود ميايد و گشتاور بار را از گشتاور موتور بيشتر خواهد كرد كاهش سرعت موتور وبازگشت حالت عمليات به نقطه X را نتيجه مي دهد. بنابراين سيستم در نقطه X پادار است. در حالت دوم كاهش سرعت سبب بيشتر شدن گشتاور بار از گشتاور مووتور ميشود.چرخش كل كند شده و حالت دستگاه از نقطه Y دور مي شود. به طور مشابه افزايشي در سرعت گشتاور موتور را از گشتاور بار فزوني داده كه موجب دور شدن بيشتر حالت دستگاه از نقطه Y ميشود.بنابر اين سامانه در نقطه Y ناپايدار است.
اين نشان مي دهد كه موتور انتخاب شده براي كاربري در حالت اول صحيح است و انتخاب دوم انتخابي اشتباه مي باشد و براي عمل مورد نظر بايد تغيير كند.
انوع بار با منحني هاي سرعت – گشتاورشان در زير توضيح داده شده اند.
بارهاي با سرعت متغير و گشتاور ثابتگشتاوري كه اين نوع بارها نيازدارند صرفنظر از سرعت، ثابت اند. درمقابل نيرو با سرعت نسبت خطي دارد. دستگاه هايي نظير كمپرسورهاي پيچشي، تسمه نقاله ها و تغذيه گرها(سوخت رسانها) چنين مشخصات باري دارند.
بارهاي با گشتاور متغير و سرعت متغيراين عمومي ترين نوع بار در صنايع بوده و بيشتر اوقات به عنوان بار با گشتاور نمايي شناخته مي شود. درحالي كه نيرو مكعب سرعت است گشتاور مربع سرعت مي باشد. اين مشخصات معمول سرعت – گشتاور يك فن يا پمپ است.