آشنائی با انواع موتورهای الکتریکی

موتور­ های الکتریکی بر­اساس سه اصل فیزیکی مختلف کار می ­کنند­­:

• مغناطیس

• الکترو­استاتیک

• پیزو­الکتریک

در موتور­ های مغناطیسی­، میدان مغناطیسی در روتور و استاتور تشکیل می ­شود­. ضرب برداری این دو میدان یک نیرو و در نتیجه یک گشتاور بر روی محور روتور ایجاد می کند­.­ یکی یا هر دو این میدان ­ها را باید با چرخش روتور تغییر داد­. این کار با روشن و خاموش کردن قطب ­ها در زمان مناسب و یا تغییر قدرت قطب انجام می ­شود­. انواع اصلی موتور­ها از نظر نوع تغذیه ورودی شامل موتورهای DC و موتورهای AC می شود که نوع دوم تا حد زیادی جایگزین نوع اول شده است­.­{۱}

۱- بررسی تفاوت میان موتور الکتریکی AC و DC:

۱-۱- میدان های چرخشی مغناطیسی در موتور AC و DC با هم تفاوت دارند:

بین موتور AC و DC از لحاظ چرخش میدان مغناطیسی تفاوت وجود دارد. برای موتور سنکرون AC، میدان استاتور به دلیل چرخش جریان های متناوب متقارن که همه به اندازه ۱۲۰ درجه پشت سر هم قرار دارند چرخیده می شوند­، بدین معنا که چرخش میدان مغناطیسی استاتور به علت سرعت تغییر AC است­؛ درحالی که در موتور DC  چرخش میدان مغناطیسی با تغییر بین ولتاژ ثابت و مکان واقعی کویل متصل شده شکل می گیرد­.­{۴}

۲-۱- تفاوت انواع موتور الکتریکی AC و DC در روش کنترل سرعت:

برای موتورهای AC سنکرون ویچی­، سرعت موتور می‌تواند تا زمانی که سرعت جریان متناوب تغییر می‌ کند­، تغییر کند­. برای موتورهای DC ویچی­، سرعت فقط با تغییر سرعت روتور تغییر می‌ کند­، در­حالی­که سرعت روتور متناسب با ولتاژ است­، بنابراین سرعت را می‌توان با تغییر ولتاژ تغییر داد­. به نظر می­ رسد که تفاوت بین موتور AC و DC رابطه مشخصی با اختلاف توان آن ­ها دارد­.{۴}

۳-۱- روش تولید گشتاور در انواع موتور الکتریکی AC و DC تفاوت دارد:

برای موتور القایی­ AC ، میدان مغناطیسی چرخشی استاتور و میدان مغناطیسی چرخشی روتور برای تولید گشتاور تعامل دارند و سرعت‌ های روتور و میدان مغناطیسی با هم همگام هستند­ برای موتور ­DC، میدان مغناطیسی استاتور و میدان مغناطیسی روتور برای تولید گشتاور تعامل می‌ کنند­، اما میدان مغناطیسی حین چرخش آرمیچر ثابت است­.­{۴}

با توجه به این تفاوت‌های اصلی بین موتور DC و موتور ­AC، محرک‌های موتور AC و DC نیز در عملکرد و کاربرد متفاوت هستند­.­{۴}

۲- انواع الکتروموتور­های AC­:

موتورهای الکتریکی AC می‌توانند سنکرون (synchronous) یا آسنکرون (asynchronous) باشند.­{۱}

در ادامه به بررسی موتور الکتریکی AC از نوع سنکرون پرداخته می­ شود­.

۱-۲- الکتروموتور سنکرون AC:

موتور سنکرون نوعی موتور جریان متناوب است که در آن شرایط پایدار­، چرخش شفت با فرکانس جریان تغذیه هم­ سرعت می­ باشد و دوره زمان چرخش دقیقاً با مضربی از سیکل جریان متناوب برابر است­.­{۶} در الکترو­موتور­های AC سنکرون هم استاتور و هم روتور سیم ­پیچی شده ­است­. زمانی­که استاتور را به شبکه وصل می ­کنیم­، میدان گردان در الکترو­موتور بوجود می­آید که با سرعت سنکرون می­ چرخد­. روتور نیز سیم­ پیچی شده­ است که توسط منبع DC تغذیه می ­شود­. با اتصال جریان DC به روتور­؛ روتور مغناطیس ثابت شده و شروع به گردش با میدان دوار استاتور می ­کند­.­{۷} به عبارت دیگر استاتور موتور­های سنکرون شامل آهن­ربای الکتریکی است که یک میدان مغناطیسی تولید می ­کند که به صورت هم­ زمان با نوسانات جریان خط می ­چرخد­. روتور همگام با این میدان و با همان سرعت می­ چرخد­.­{۶}

وجه برجسته آن­، روتوری است که به وسیله­ ی سیم ­پیچ­ های آهن­ربائی با سرعت برابر با فرکانس AC و در نتیجه میدان معناطیسی ناشی از آن می ­چرخد­. یکی دیگر از راه­ های بیان آن­، این است که موتور سنکرون در شرایط کارکرد خود بدون لغزش کار می­ کند­. این بر خلاف یک موتور القائی است که باید برای تولید گشتاور­، لغزش داشته باشد­.­{۱} زمانی که یک الکتروموتور سنکرون استارت می کند، نیاز به سنکرون شدن میدان مغناطیسی متغیر با همه گشتاورها می‌ باشد. در ماشین‌ های سنکرون میدان مغناطیسی باید با استفاده از وسیله‌ ای غیر از القای اصلی همانند یک سیم پیچ با تحریک جداگانه و یا آهنرباهای دائمی تامین شود.­{۵}

لازم به ذکر است که با توجه به تعاریف فوق می­ توان گفت که یک موتور سنکرون یک ماشین تحریک مضاعف است زیرا­ که هم استاتور و هم روتور دارای منابع تغذیه جدا هستند­. چنین ماشینی را تحریک مضاعف یا دابل تحریک می­ نامند­. در مقابل ماشینی که منبع تغذیه یا به استاتور و یا به روتور وصل می­ شود را ماشین تک تحریکه می­ نامند­.­{۸}

به عبارت دیگر می­ توان گفت­: تفاوت موتور سنکرون و موتور القائی که از پرکاربرد­ترین انواع موتورهای جریان متناوب هستند­؛ این است که موتور سنکرون دقیقاً هم ­سرعت با فرکانس خط می ­چرخد­­، در مقابل موتور القائی نیاز به لغزش دارد و روتور باید کمی کند­تر از تناوب جریان AC بچرخد تا ایجاد گشتاور کند­.­{۶}

البته یک نوع موتور سنکرون مانند یک موتور القائی است­، به جز این­که روتور توسط یک میدان DC تحریک می ­شود­. رینگ ­های لغزشی و جاروبک­ ها برای هدایت جریان به روتور به کار می­ روند­. قطب­ های روتور به یکدیگر متصل می­ شوند و با سرعت برابر می ­چرخند­، به همین دلیل به آن نام موتور سنکرون داده ­اند­.­{۱}

برای محرکه موتورهای BLDC و موتور­های سنکرون PMSM (Permanent-Magnet Synchronous Motor) داشتن اطلاعات موقعیت روتور در هر لحظه ضروری است­، با این تفاوت که در محرکه ­های BLDC فقط موقعیت روشن و خاموش شدن جریان سیم­ پیچ­ ها مورد نیاز است­، بنا­بر­این اغلب برای BLDC ها از سنسور­های اثری هال که قیمت پایینی دارند­، استفاده می­ شود­. اما شکل موج جریان فاز موتور  PMSM باید به شکل دقیقی کنترل گردد از این رو به انکودر­های با دقت بالا نیاز است و این موضوع باعث افزایش هزینه موتور­های PMSM در مقایسه با موتور­های BLDC شده­ است­.­{۱}

۱-۱-۲- موتور­های سنکرون گشتاور راه ­اندازی ندارند­!

از آن­جا که میدان مغناطیسی چرخان استاتور با سرعت بسیار زیادی می چرخد این سرعت زیاد مانع می ­شود که روتور به ­علت وجود لختی­، بتواند به دنبال آن شروع به چرخش کند لذا موتور سنکرون راه ­اندازی نمی­ شود­.­{۲}

روش­ های راه ­اندازی موتور سنکرون{۲ و ۳}­:

1. کاهش فرکانس تغذیه استاتور­: کاهش سرعت میدان مغناطیسی استاتور تا حدی که روتور بتواند طی نیم سیکل چرخش میدان مغناطیسی شتاب گیرد و با آن قفل شود­. این کار را می ­توان با کاهش فرکانس منبع تغذیه انجام داد­.

2.  روش استفاده از دمپر­(راه­ اندازی به صورت موتور القائی)

3. استفاده از محرک مکانیکی خارجی

۲-۱-۲- کاربرد­های موتور سنکرون{۲ و ۳ و ۷}

به خاطر راه ­اندازی مشکل این نوع موتور­ها­، موارد استفاده از آن­ ها محدود است­.

۱.در توان ­های بالای یک مگاوات این موتور­ها از نظر قیمت و قابلیت بر موتور­های القائی ارجحیت داشته و به ­کار می روند­.

۲.در کارخانه از این موتور­ها به دو دلیل استفاده می ­شود­:

الف) برگرداندن بار­های مکانیکی که نیاز به سرعت ثابت دارند­.

ب) برای اصلاح ضریب توان­.

۳. در مواردی­ که دور ثابت مورد نیاز است­، به خاطر سرعت ثابت آن استفاده می ­شود­. در وسائل دقیق مانند ساعت ­های الکتریکی و گرام و… .

۳-۱-۲- بررسی مزایا و معایب موتور­های سنکرون

الف) مزایا­{۲ و ۳ و ۷}­:

• نسبت به موتور­های القائی بیشتر قابل کنترل می­ باشند­.

• در ضریب توان­ های مختلف می­ توانند کار کنند­؛ به عبارت دیگر هم می­ توانند تولید کننده و هم مصرف کننده ­ی توان راکتیو باشند­.

• راندمان بالا دارند­.

• این الکترو­موتور­ در مقابل نوسان ولتاژ حساسیت ندارد­.

• امکان به­ کار بردن این الکترو­موتور به طور مستقیم با ولتاژ زیاد وجود دارد­.

ب) معایب{۲ و ۳ و ۷}­:

• گشتاور راه­ اندازی ندارد­.

• پیچیدگی ساختمان

• قیمت بالا (در توان ­های پایین)

• نیاز به تعمیر و نگهداری

• عدم تحمل بار اضافه

• غیر قابل تنظیم بودن سرعت یا به عبارتی بهتر، سرعت ثابت را نیز به عنوان یکی از معایب این نوع موتور­ها می توان بیان کرد.

۴-۱-۲- انواع موتور­های سنکرون

بر­حسب این­که چگونه روتور مغناطیسی می­ شود­، دو نوع عمده از موتور­های سنکرون وجود دارد­:

موتور سنکرون غیر تحریکی یا (Non-Excited Synchronous Motor) و موتور سنکرون با تحریک جریان مستقیم یا (Direct-Current Excited Synchronous Motor). {6}

در موتور سنکرون غیر تحریکی روتور از فولاد ساخته شده ­است و در سرعت سنکرون همگام با میدان مغناطیسی دوار استاتور می ­چرخد و بنا­بر­این در داخل آن یک میدان مغناطیسی تقریباً ثابت برقرار می­ شود­. میدان استاتور خارجی روتور را مغناطیسی و قطب­ های مغناطیسی مورد نیاز برای گردش را به آن القا می­ کند­. این موتور­ها دارای طرح­ های مغناطیس دائمی­، رلوکتانسی و هیسترزیس هستند­.­{۶}

۳-جمع بندی

جهت خلاصه کردن مطالب بیان شده در فوق جدول زیر را می­ توان ارائه داد که در ضمن بیان مشخصات موتور الکتریکی سنکرون­، مقایسه با موتور القائی نیز صورت گرفته­ است:

جدول ۱) تفاوت میان موتور سنکرون و موتور القائی­{۸}

۴- منابع

1. سلطان محمد­، ب. سوایی، ا. دسته ­بندی­، معرفی و مقایسه انواع موتور­های الکتریکی­، مجله علمی ترویجی انجمن مهندسان مکانیک ایران­، سال ۲۷­، شماره ۱۲۳­، صفحات۱۳-۳
2. دکتر واحدی­،پی دی اف جزوه درسی ماشین­ های الکتریکی­، دانشکده برق­، دانشگاه علم و صنعت ایران­، پائیز ۸۳­، ۱۳ اسلاید­.
3. سنکرون­، سایت نیرو پیشتاز­
4. تفاوت بین انواع موتور الکتریکی AC و DC­، سایت آموزشگاه برق پایتخت فناوری
5. الکتروموتورهای اصلی و انواع گوناگون آن­ ها­­­­­­­­­­­­­­، (۱۲ آذر­ماه ۱۳۹۸)­، سایت دیزل پارس­
6. موتور سنکرون­، (۱۱ تیرماه ۱۳۹۶)­، سایت مکانیزم­
7. همه چیز در مورد موتور­های الکتریکی­، سایت شرکت الکترو سامانه الوند(السا موتور)­
8. ترابی­، م­. (۲ دی­ماه ۱۳۹۸)­، تفاوت بین موتور القائی و موتور سنکرون­، سایت ماه صنعت انرژی­­