موتورهای الکتریکی AC: قطعات، انواع، سیم کشی و نحوه کار آنها

چگونه یک موتور AC کار می کند

یک موتور AC انرژی الکتریکی جریان متناوب را از طریق اصل القای الکترومغناطیسی به انرژی چرخشی مکانیکی تبدیل می کند. هنگامی که ولتاژ منبع تغذیه AC به سیم پیچ های استاتور اعمال می شود، یک میدان مغناطیسی دوار (RMF) ایجاد می کند. سرعت چرخش این میدان را گویند سرعت سنکرون با فرکانس تغذیه و تعداد جفت قطب های مغناطیسی در استاتور تعیین می شود: Ns = 120f / P ، کجا f فرکانس عرضه بر حسب هرتز و P تعداد قطب ها است.

در موتورهای القایی - رایج ترین نوع موتور AC - میدان مغناطیسی دوار بر روی هادی های روتور قطع می کند و با قانون فارادی جریانی را در آنها القا می کند. آن جریان القایی میدان مغناطیسی خود را تولید می‌کند و برهمکنش بین میدان روتور و میدان چرخشی استاتور، گشتاوری ایجاد می‌کند که روتور را به سمت چرخش سوق می‌دهد. روتور همیشه کمی کندتر از سرعت سنکرون کار می کند. این اختلاف سرعت نامیده می شود لغزش معمولاً 2 تا 8 درصد در موتورهای القایی استاندارد. بدون لغزش، هیچ حرکت نسبی بین میدان و هادی های روتور وجود ندارد، هیچ جریانی القا نمی شود و هیچ گشتاوری تولید نمی شود.

در موتورهای AC سنکرون، روتور در عوض توسط یک میدان DC برانگیخته می‌شود یا از آهنرباهای دائمی استفاده می‌کند و آن را قفل می‌کند تا دقیقاً با سرعت سنکرون با لغزش صفر بچرخد. این امر موتورهای سنکرون را به انتخاب ارجح تبدیل می کند که در آن عملکرد دقیق با سرعت ثابت حیاتی است، مانند مکانیزم های ساعت، ماشین آلات نساجی خاص، و درایوهای با سرعت متغیر با راندمان بالا.

قطعات یک موتور AC

درک معماری داخلی یک موتور AC به تعیین واحد مناسب، تشخیص عیوب و برنامه ریزی فواصل نگهداری کمک می کند. اجزای اصلی عبارتند از:

• استاتور: مجموعه بیرونی ثابت که هسته آهنی چند لایه و سیم‌پیچ‌های مسی را در خود جای داده است. هسته استاتور از لایه های نازک فولادی سیلیکونی ساخته شده است که در کنار هم قرار گرفته اند تا تلفات جریان گردابی را به حداقل برسانند. سیم پیچ ها به شکاف هایی در هسته پیچیده شده و به منبع AC متصل می شوند.
• روتور: مجموعه داخلی چرخان که روی شفت خروجی نصب شده است. در موتورهای القایی قفس سنجابی، روتور از میله های هادی آلومینیومی یا مسی تشکیل شده است که در هر انتها توسط حلقه های انتهایی اتصال کوتاه دارند. در موتورهای روتور پیچ، روتور سیم پیچ های سه فازی را حمل می کند که از طریق حلقه های لغزشی به مقاومت های خارجی متصل می شوند.
• شفت خروجی: شفت فولادی جامد که گشتاور مکانیکی را به بار رانده منتقل می کند. قطر شفت و ابعاد کلید طبق مشخصات اندازه قاب IEC یا NEMA استاندارد شده است.
• بلبرینگ: معمولاً بلبرینگ های شیار عمیق در انتهای محرک (DE) و انتهای غیر محرک (NDE). یاتاقان ها بارهای شعاعی و محوری تحمیل شده توسط روتور و بار محرکه را تحمل می کنند و رایج ترین مورد جایگزین تعمیر و نگهداری هستند.
• سپرهای انتهایی (زنگ های انتهایی): محفظه های چدنی یا آلومینیومی که هر انتهای قاب موتور را می پوشانند، یاتاقان ها را در موقعیت خود نگه می دارند و مجموعه داخلی را محصور می کنند.
• پوشش فن و فن: اکثر موتورهای AC از نوع TEFC (خنک‌شده با فن کاملاً محصور شده) هستند، با یک فن خنک‌کننده خارجی که روی پسوند شافت انتهایی غیر محرک نصب شده است، که توسط یک پوشش فن فولادی فشرده محصور شده است. فن هوای محیط را روی پره های قاب موتور می کشد تا گرما را دفع کند.
• جعبه ترمینال (جعبه اتصال): یک محفظه ضد آب و هوا روی قاب موتور که حاوی پایانه‌های اتصال سیم‌پیچ است (معمولاً با برچسب U1، V1، W1، U2، V2، W2 تحت کنوانسیون IEC). این جایی است که کابل های تامین و هر پیوند پیکربندی ستاره/مثلث متصل می شوند.
• قاب: بدنه ساختاری بیرونی، معمولاً چدن آجدار یا آلیاژ آلومینیوم، که پشتیبانی مکانیکی را فراهم می کند، به عنوان یک هیت سینک عمل می کند و پایه های نصب یا فلنج را برای نصب حمل می کند.

اجزای اضافی موجود در انواع موتورهای خاص عبارتند از لغزش rings and brushes (موتورهای القایی روتور پیچ)، سوئیچ های راه اندازی گریز از مرکز (موتورهای تک فاز خازن استارت)، و خازن ها (طرحهای اجرا-خازن و خازن-شروع/اجرای تک فاز).

انواع موتورهای الکتریکی AC

موتورهای AC به دو خانواده اصلی - القایی (ناهمزمان) و سنکرون - تقسیم می شوند که هر کدام با چندین زیرگروه برای نیازهای عملیاتی مختلف بهینه شده اند.

برای اکثر کاربردهای صنعتی، موتور القایی قفس سنجابی سه فاز انتخاب پیش فرض باقی می ماند. نیازی به برس، حلقه های لغزنده، یا تحریک خارجی ندارد، که آن را به کم هزینه ترین و مقرون به صرفه ترین گزینه برای بارهای با سرعت ثابت تبدیل می کند. درایوهای فرکانس متغیر (VFD) قابلیت استفاده خود را به برنامه‌های با سرعت متغیر که قبلاً به موتورهای DC یا روتور زخمی نیاز داشتند، گسترش داده‌اند.

اصول نمودار سیم کشی موتور AC

سیم کشی صحیح یک موتور AC برای عملکرد ایمن و دستیابی به ویژگی های گشتاور و سرعت صحیح ضروری است. پیکربندی جعبه ترمینال بسته به نوع موتور و ولتاژ تغذیه متفاوت است، اما موارد زیر بیشترین سناریوها را پوشش می‌دهند.

موتورهای سه فاز دو ولتاژ (ستاره / دلتا)

اکثر موتورهای القایی سه فاز برای دو سطح ولتاژ پیچیده می شوند - معمولاً 230 ولت / 400 ولت یا 400 ولت / 690 ولت - و جعبه ترمینال شامل شش سرب با برچسب U1، V1، W1 (شروع سیم پیچ) و U2، V2، W2 (انتهای سیم پیچ) است. ولتاژ تغذیه اتصال را تعیین می کند:

• اتصال ستاره (Y) - ولتاژ بالاتر: U2، V2 و W2 را به یکدیگر متصل کنید تا نقطه ستاره خنثی را تشکیل دهید. منبع تغذیه سه فاز را به U1، V1، W1 وصل کنید. هر سیم پیچ ولتاژ فاز به خنثی را می بیند. زمانی استفاده می شود که ولتاژ منبع تغذیه با ولتاژ نامی بالاتر موتور مطابقت داشته باشد (به عنوان مثال، منبع تغذیه 400 ولت در موتور 230/400 ولت).
• اتصال دلتا (Δ) - ولتاژ پایین: U1 را به W2، V1 را به U2، W1 را به V2 پیوند دهید و یک حلقه بسته تشکیل دهید. منبع تغذیه سه فاز را در هر جفت ترمینال متصل کنید. هر سیم پیچ ولتاژ خط به خط کامل را می بیند. زمانی استفاده می شود که ولتاژ منبع تغذیه با ولتاژ نامی پایین تر موتور مطابقت داشته باشد (به عنوان مثال، منبع تغذیه 230 ولت در موتور 230/400 ولت).

Star-Delta شروع می شود یک روش متداول استارت نرم برای موتورهای بزرگ است: موتور به صورت ستاره ای شروع به کار می کند (ولتاژ کاهش یافته در هر سیم پیچ = جریان راه اندازی کمتر، معمولاً 1/3 هجوم مستقیم روی خط)، سپس هنگامی که به سرعت کامل نزدیک شد به مثلث تغییر می کند. این امر اختلال در عرضه را کاهش می دهد، اما همچنین گشتاور راه اندازی را با همان ضریب 1/3 کاهش می دهد، بنابراین فقط برای برنامه های راه اندازی با بار کم مناسب است.

سیم کشی موتور تک فاز

موتورهای تک فاز AC به مدار راه اندازی کمکی نیاز دارند زیرا منبع تغذیه تک فاز به تنهایی نمی تواند میدان مغناطیسی دوار ایجاد کند. ترتیب ترمینال معمولاً شامل موارد زیر است:

• پایانه های سیم پیچ اصلی (M): مستقیماً از طریق خط و خنثی متصل می شود.
• پایانه های سیم پیچ (S) را شروع کنید: به صورت موازی با سیم پیچ اصلی اما به صورت سری با خازن راه اندازی متصل می شود. خازن یک جابجایی فاز (تقریباً 90 درجه) بین جریان های سیم پیچ اصلی و کمکی ایجاد می کند و میدان چرخشی به اندازه کافی قوی برای ایجاد گشتاور راه اندازی ایجاد می کند.
• سوئیچ گریز از مرکز یا رله PTC: هنگامی که موتور به حدود 75 تا 80 درصد سرعت سنکرون رسید، سیم پیچ استارت را قطع می کند. خرابی این کلید - یا باز ماندن (موتور روشن نمی شود) یا بسته ماندن (سیم پیچ استارت بیش از حد گرم می شود و می سوزد) - یکی از رایج ترین خطاهای موتور تک فاز است.

معکوس چرخش موتور

معکوس کردن جهت چرخش یک موتور سه فاز مستلزم تعویض هر دو از سه فاز تغذیه در پایانه های موتور است - به عنوان مثال، تعویض اتصالات در U1 و V1. این امر جهت میدان مغناطیسی دوار و در نتیجه روتور را معکوس می کند. برای موتورهای تک فاز، معکوس با تعویض اتصالات سیم پیچ شروع نسبت به سیم پیچ اصلی به دست می آید. برخی از موتورها برای این منظور علامت های پایانه اختصاصی ارائه می دهند، در حالی که برخی دیگر نیاز به اتصال مجدد داخلی دارند.

حفاظت از زمین و اضافه بار

هر نصب موتور AC باید شامل یک اتصال زمین محافظ (PE) متصل به قاب موتور، متصل به زمین منبع در جعبه ترمینال. علاوه بر این، به درستی رتبه بندی شده است رله اضافه بار حرارتی یا رله حفاظتی الکترونیکی موتور باید در مدار تغذیه نصب شود که روی درجه جریان تمام بار موتور (FLC) تنظیم شود. حفاظت اضافه بار، دفاع اولیه در برابر رایج ترین حالت خرابی موتور است: جریان اضافه طولانی مدت ناشی از اضافه بار مکانیکی، تهویه تک فاز یا محدود که دمای سیم پیچ را فراتر از حد کلاس عایق افزایش می دهد.