مقدمه
امروزه موتورهایی که برای کار با منبع یکفاز طرح می شوند با انواع مختلف ساخته شده و در منازل ادارات ، کارخانه ها ، کارگاه ها و شرکتهای تجارتی و غیره بطور وسیعی مورد استفاده قرار می گیرند .
موتورهای کوچک مخصوصاً با قدرت کسر اسب بخار کاربرد فراوان دارند بطوریکه پیشرفت محصولات جدید سازندگان سفینه های فضائی ، هواپیماها ، ماشینهای تجارتی ، ماشین های ابزار و غیره در سایه طرح موتورهای با قدرت کسر اسب بخار امکان پذیر می باشد.
چون لزوماً عملکرد و موارد استعمال موتورها بسیار گوناگون است صنعت تولید موتور در زمینه انواع چنین موتورهائی تکامل پیدا کرده بطوریکه برای هر زمینه ای طرحی موجود است.
موتورهای یکفاز را میتوان بسته به ساختمان و روش راه اندازیشان تقسیم بندی کرد .
1- موتورهای القاء- القاء یکفاز انشعابی- القاء یکفاز انشعابی خازنی- با قطب چاکدار
2- موتورهای ریپولسیون ( موتورهای القائی )
3- موتورهای سری جریان متناوب
4- موتورهای سنکرون بدون تحریک
در این مجموعه سعی بر این شده است که ساختمان- طرز کار و کاربرد انواع موتورهای یکفاز تا حد نیاز دانشجویان کاردانی مورد بررسی قرار گیرد.
فصل یک: موتورهای القاء یکفاز
هدفهای رفتاری
در پایان این فصل از دانشجو انتظار میرود که:
موتور های القای یکفاز را نام ببرد
ساختمان, طرزکار, مشخصه گشتاور و کاربرد موتورهای القایی یک فاز را شرح دهد
از دو طریق تئوری میدان دوگانه دوار و میدانهای صلیبی عدم راه اندازی موتورهای القایی یکفاز بخودی خود را شرح دهد.
محاسبات سیم بندی موتورهای یکفاز با سیم بندی استارت موقت را انجام دهد.
قطر سیم اصلی و راه انداز موتورهای یکفاز استارت موقت را محاسبه کند.
آرایش کلافهای موتورهای یک فاز استارت موقت را ترسیم کند.
خازن مورد نیاز موتورهای یکفاز استارت موقت را محاسبه کند.
1-1- ساختمان و طرز کار موتورهای القاء یکفاز :
از نظر ساختمان این موتور کمابیش شبیه موتور القاء چند فاز است جز اینکه :
1- استاتور آن با سیم پیچی یکفاز مجهز شده است .
2- یک کلید گریز از مرکز در بعضی موتور بکار رفته تا سیم پیچی راه اندازی را از مدار خارج کند . وقتی سیم پیچی استاتور از منبع یکفاز تغذیه می شود ، شاری ( میدان ) تولید می شود که فقط متناوب است یعنی فقط در طول یک محور فضا متناوب است . این شار بطور سنکرون نمی چرخد بر خلاف استاتوری که با منبع دو فاز یا سه فاز تغذیه می شود . شار متناوب یا ضربانی نمی تواند رتور قفس سنجابی را بگردش در آورد ( فقط شار گردان میتواند ) باین ترتیب موتور یکفاز خودش می تواند راه بیفتد .
بعد از مدت زمانی A و Bباندازه و طبق شکل (b) 1 بچرخیده اند و فشار نتیجه آنها چنین خواهد بود :
پس از گذشت یک ربع سیکل گردش شارهای A و B طبق شکل (c)1 در خلاف جهت یکدیگر شده بطوریکه شار منتجر صفر است .
بعد از نیم سیکل شارهای A و B نتیجه دارند . بعد از سه ربع سیکل مجدداً نتیجه آنها فر می شود شکل (c) 1 و بهمین ترتیب . اگر مقادیر شار نتیجه را بر حسی بین صفر تا ْ360 رسم کنیم منحنی شکل 2 بدست می آید با این ترتیب می توان شار متناوبی را بدو شار دوار بادامنه نصف با سرعت سنکرون در جهات مخالف تجزیه کرد . با ید یا اوری کرد که اگر نقوش رتور s نسبت به شار دوار راستگرد s باشد دوار چپ گرد (s-2) خواهد بود .
هر یک از دو مولفه شار که دور استاتور میچرخند رتور را قطع کرده و هر کدام در رتور نیروی محرکه الکتریکی القاء کرده و کوپل تولید مینایند . واضح است که این دو کوپل راست گرد و چپ گرد نام دارند ) در جهات مخالفند و بنابراین کوپل نتیجه طبق شکل 3 برابر اختلاف این دوکوپل است .
اثبات: اگر N سرعت رتورباشد لغزش نسبت به شار دوار راستگرد:
شار چپ گرد درخلاف جهت گردش رتور میچرخدلغزش نسبت به شار چپ گرد:
اما اگر رتور چنین ماشینی را با دست ( یا با موتور های کوچکی ) راه بیندازیم ( در هر جهتی سپس بلافاصله کوپل بالا رفته و موتور شتاب میگیرد تا بسرعت نهائی خود برسد ( جز اینکه اعمال شده خیلی زیاد باشد ) .
این عملکرد بخصوص موتور کفاز را می توان بدو طریق استدلال کرد :
< >با تئوری دو میدان یا میدان دوبل گردانبا موتوری میدان صلیبیدراینجا تئوری اول را مختصراً بحث می نمائیم:
1-1-1- تئوری میدان دوگانه دوار
این تئوری با استفاده از این قانون که یک کمیت متناوب تک محور ( تک امتداد ) را می توان با دو بردار نصف مقدار که در خلاف جهت یکدیگر میچرخد جایگزین کرد بیان می شود . طبق این قانون یک شار متناوب سینوسی را می توان با دو شار گردان ( دورا ) نشان داد که مقدار هر کدام نصف مقدار شار متناوب بوده و هر کدام با سرعت سنکرون در جهات مخالف میچرخند .
چنانکه شکل (a)1 نشان میدهد شار متناوب دارای مقدار ماکزیمم بوده و مولفه های A و B آن معادل است که در جهت ساعت و خلاف ساعت میچرخند .
حال قدرت تولیدی توسط رتور :
اگر N سرعت رتور باشد کوپل تولیدی :
بنابراین کوپلهای راست گرد و چپ گرد عبارتند از :
به وات سنکرون به وات سنکرون
کوپل مجموعه ( نتیجه )
شکل 3 این دو کوپل و کوپل نتیجه را برای لغزشهای بین صفر تا 2+ نشان میدهد . در حال سکون 1=s و 1=s-2 بنابراین مقدار این دو کوپل مساوی بوده و د رخلاف جهت یکدیگرند و در نتیجه کوپل مجموعه صفر است باین ترتیب موتور یکفاز کوپل راه اندازی ندارد .
اگر رتور را قدری بچرخانیم مثلاً در جهت ساعت کوپل راست گرد رو با افزایش راست گرد رو با افزایش گذاشته و کوپل چپ گرد رو بکاهش میگذارد بنابراین کوپل نتیجه در جهت ساعت مقداری خواهد داشت که موتور را تا سرعت کامل شتاب خواهد داد .
1-1-2- تئوری میدانهای متقاطع (صلیبی)
توسط این تئوری میتوان ثابت کرد که چرا موتور تکفاز بدون سیم پیچ راه انداز اگر به شبکه تک فاز متصل شود گشتاور استارت آن برابر با صفر است ( TS=0)
فرض می کنیم که روتور در حال سکون است و سیم پیچ استاتور موتور تکفاز به یک منبع تک فاز متصل باشد که در این حالت یک میدان ساکن متغییر مانند یک ترانسفورماتور در آن بوجود می آید و یک ولتاژ در مفتولهای روتور القاء میشود ( مانند ثانویه ترانسفورماتور) که جهت ولتاژ القایی در روتور 180 درجه اختلاف فاز نسبت به ولتاژ اعمالی به استاتور دارد ( طبق قانون لنز) حال اگر جهت میدانهای این دو سیم پیچ را رسم کنید توسط قانون دست راست سیم پیچ ها مطابق شکل 1 دو میدان 180 درجه اختلاف دارند پس یکدیگر را تضعیف کرده و فقط رتور لرزش میکند و هیچگونه چرخشی در آن مشاهده نمیشود. حال اگر رتور را به هر وسیله ای در یک جهت خاص بگردانیم , در رتور علاوه بر ولتاژ القایی ترانسفورماتوری , هادیهای دیگری نیز میدان استاتور را قطع می کنند پس حال جمع دو میدان رتور بگونه ای میشود که دیگر با میدان استاتور 180 درجه اختلاف فاز ندارد پس رتور در آن جهت شروع بگردش میکند مطابق شکل 2 . به دیگر سخن اینکه در این حالت در رتور هم ولتاژ القایی ترانسفورماتوری داریم و هم ولتاژ القایی گردشی. البته برآیند این دو میدان ( القایی و گردشی) ممکن است 90 درجه کامل نباشد ولی به هر مقدار که باشد باعث گردش رتور میشود ( هر قدر به 90 نزدیک باشد رتور سریعتر دور میگیرد)
1-2- موتور القاء یکفاز با راه انداز خودبخود
چنانکه بحث شدموتور القاء یکفاز کوپل راه اندازی ندارد.
برای برطرف کردن این عیب و تبدیل آن به موتور با راه اندازی خود بخود موتور را موقتاً در اثنای راه اندازی به دو فاز تبدیل می کنیم. برای این منظور استاتورموتور یکفاز را به یک سیم پیچی اضافی بنام سیم پیچی راه انداز (یا کمکی) مجهز می کنیم دو سیم پیچ راه انداز و اصلی ْ90 الکتریکی فاصله دارند و طبق شکل 4 به منبع یکفاز بطور موازی وصل شده اند.
سعی می شود که اختلاف فاز بین جریان های دو سیم پیچی استاتور خیلی بزرگ باشد (مقدار ایده آلْ90) باین ترتیب موتور مانند موتور دو فاز عمل خواهد کرد. این دو سیم پیچی میدان دواری تولید می کنند و موتور خود به خود راه می افتد.
روش های زیادی برای ایجاد اختلاف فاز لازم بین جریانهای این دو سیم پیچی موجود است :
1. در موتور القاء یکفاز انشعابی :
طبق شکل 5 سیم پیچ اصلی مقاومت اهمی کم و مقاومت القایی زیاد دارد در حالی که سیم پیچ راه اندازی مقاومت اهمی زیاد و مقاومت القایی کمی دارد. مقاومت اهمی سیم پیچ راه اندازی را می توان با اتصال یک مقاومت بزرگ R بطور سری با آن یا با انتخاب سیم نازک مسی برای سیم پیچی راه اندازی بالا برد.
باین ترتیب طبق شکلb 5 جریان سیم پیچ راه اندازی نسبت به ولتاژ اعمال شده باندازه زاویه کوچکی پس فاز دارد در حالی که جریان سیم پیچ اصلی نسبت به ولتاژ v با زاویه بزرگتری عقب افتادگی پیدا می کند.
زاویه فاز بین وتا حد امکان بزرگ می شود زیرا کوپل راه اندازی موتور القاء یک فاز انشعابی متناسب با است یک کلید گریز از مرکز S بطور سری با سیم پیچی راه اندازی وصل می شود این کلید در داخل موتور قرار دارد عمل آن قطع کردن خودکار سیم پیچی راه اندازی از منبع در هنگامی است که موتور به 70تا 80 درصد سرعت نامی رسیده باشد.
در موتور هایی که محکم در واحد های سرد کننده سرپوشیده قرار گرفته اند بجای کلید گریز از مرکز داخلی یک رله الکترو مغناطیسی بکار می رود چنانکه در شکل 6 دیده می شود بوبین رله بطور سری با سیم پیچ اصلی وصل شده و یک جفت کنتاکت باز در مدار سیم پیچی راه اندازی قرار گرفته است . در ابتدای راه اندازی که بزرگ است کنتاکتهای رله بسته شده و اجازه می دهد از سیم پیچ راه اندازی عبور کرده و موتور شروع بکار می کند بعد از اینکه موتور به سرعت 75 درصد سرعت بار کامل خود رسید بمقداری افت می کند که کنتاکتها باز می شوند
یک نمونه از مشخصه کوپل – سرعت چنین موتوری در شکل 7 نشان داده شده است چنانکه دیده می شود کوپل راه انداز 150تا 200درصد کوپل بار کامل بوده در حالی که جریان راه اندازی 6 تا 8 برابر جریان بار کامل است . این موتور ها نسبت به موتورهایی با راه انداز خازنی گران قیمت ترجیح داده می شود . موارد استعمال آنها عبارتند از بادبزن ، دمنده ،
پمپ ها و جدا کننده های گریز از مرکز
ماشین های پلی کپی ، یخچال های خانگی ، بخاریها و غیره اندازه های معمول موتور یکفاز از تا اسب بخار با سرعت های از 3450 تا 865 دور بردقیقه می باشد .
چنانکه از شکل 8 برمی اید جهت گردش چنین موتورهایی را می توان با معکوس کردن یکی از دو سیم پیچی استاتور (نه هردو) عوض کرد . برای این منظور 4 سر از موتور بیرون آورده می شود در شکل 9 دو سر سیم پیچی راه انداز عوض شده است.
تنظیم سرعت موتور های القاء یکفاز انشعابی استاندارد تقریباً مشابه موتورهای سه فاز است . سرعت این موتورها از حالت بی بار تا بار کامل در حدود 2تا 5% تغییر می کند باین دلیل چنین موتورها را معمولاً با سرعت تقریباً ثابت قلمداد می کنند.
یادداشت:
چنین موتورهایی را برای تمایز دادن از موتورهای القاء با راه انداز خازنی که بعداً مورد بحث قرار می گیرد بعضاً موتور القاء یکفاز انشعابی با راه انداز مقاومتی می نامند.