تفاوت بین موتور القایی و سنکرون: اصول و راهنمای گشتاور

موتورهای الکتریکی انرژی الکتریکی را به چرخش مکانیکی تبدیل می‌کنند و روش خاصی که این کار را انجام می‌دهند، ویژگی‌های عملیاتی، کارایی و مناسب بودن آن‌ها را برای کاربردهای مختلف مشخص می‌کند. دو نوع اصلی موتور AC - القایی و سنکرون - اکثریت عظیمی از تاسیسات موتور صنعتی و تجاری را تشکیل می دهند. درک کردن تفاوت بین موتور القایی و موتور سنکرون برای انتخاب ماشین مناسب برای بار معین ضروری است، زیرا رفتار سرعت، روش‌های راه‌اندازی و پروفایل‌های کارایی آن‌ها به‌طور قابل توجهی متفاوت است. فراتر از نوع موتور، یکپارچه سازی عملی موتور نیازمند دانش تولید گشتاور، محاسبات بازده، کنترل سرعت، کاهش دنده و توانایی تشخیص خرابی های رایج است. این راهنمای جامع اصول کار، معادلات کلیدی و استراتژی‌های حل مسئله در دنیای واقعی را که مهندسان و تکنسین‌ها برای بهینه‌سازی سیستم‌های موتور الکتریکی، چه با یک درایو صنعتی بزرگ یا یک درایو صنعتی بزرگ، به آن نیاز دارند، گرد هم می‌آورد. موتور آسنکرون تک فاز در یک دستگاه خانگی

تفاوت اساسی بین موتور القایی و موتور سنکرون

اولیه تفاوت بین موتور القایی و موتور سنکرون در رابطه بین سرعت روتور و میدان مغناطیسی دوار تولید شده توسط استاتور نهفته است. در موتور سنکرون، روتور دقیقاً با همان سرعت میدان مغناطیسی استاتور می چرخد. سرعت سنکرون ، داده شده توسط N _s = 120f / پ ، که در آن f فرکانس عرضه و P تعداد قطب ها است. روتور یا توسط آهنرباهای دائمی یا توسط جریان میدان DC که از طریق حلقه‌های لغزشی تغذیه می‌شود، مغناطیسی می‌شود و آن را همگام با میدان دوار قفل می‌کند. در مقابل، یک موتور القایی با یک تفاوت کوچک در سرعت به نام کار می کند لغزش ، به طور معمول 2-5٪ در بار کامل روتور از میله های اتصال کوتاه (قفس سنجاب) تشکیل شده است که جریان و میدان مغناطیسی را تنها زمانی ایجاد می کند که سرعت روتور کمتر از سرعت سنکرون باشد و ولتاژی را در هادی های روتور القا می کند. این لغزش چیزی است که گشتاور تولید می کند. بدون آن، هیچ جریان روتور جریان نمی یابد و هیچ گشتاوری تولید نمی شود.

این تفاوت سرعت، نقاط قوت کاربرد آنها را دیکته می کند. موتورهای سنکرون بدون توجه به تغییرات بار، سرعت ثابتی را حفظ می‌کنند و برای درایوهای دقیق مانند کمپرسورها، پمپ‌های بزرگ و ژنراتورها ایده‌آل هستند. آنها همچنین می توانند به گونه ای طراحی شوند که در یک ضریب توان پیشرو عمل کنند و برای جبران عقب ماندگی توان راکتیو در یک نیروگاه. موتورهای القایی، به ویژه نوع قفس سنجابی ناهموار، به دلیل ساخت ساده، هزینه کم و توانایی راه اندازی مستقیم بر روی خط، بر کاربردهای صنعتی عمومی غالب هستند. با این حال، سرعت آنها با افزایش بار کمی کاهش می یابد و همیشه توان راکتیو عقب مانده را از منبع تغذیه می گیرند. یک مثال عملی: یک موتور سنکرون 4 قطبی روی منبع تغذیه 60 هرتز دقیقاً با سرعت 1800 دور در دقیقه کار می کند، در حالی که یک موتور القایی 4 قطبی معادل ممکن است در 1750 دور در دقیقه در بار کامل کار کند و لغزش 50 دور در دقیقه امکان تولید گشتاور را فراهم می کند.

اصل کار موتور سنکرون و روش های راه اندازی

را اصل کار موتور سنکرون متکی بر قفل مغناطیسی بین میدان دوار استاتور و میدان مغناطیسی ثابت روتور است. هنگامی که AC سه فاز به استاتور اعمال می شود، یک میدان مغناطیسی دوار تولید می کند. روتور که قبلاً با DC برانگیخته شده است، به عنوان یک آهنربای دائمی عمل می کند. قطب های مخالف جذب می شوند و روتور با سرعت همزمان کشیده می شود. با این حال، یک چالش مهم در حال شروع است: در حالت سکون، میدان دوار خیلی سریع حرکت می کند تا روتور از حالت سکون در آن قفل شود. بنابراین اکثر موتورهای سنکرون دارای a سیم پیچ دمپر قفس سنجاب در صفحه روتور، به موتور اجازه می دهد تا به عنوان یک موتور القایی راه اندازی شود. وقتی روتور تقریباً رسید 95 درصد سرعت سنکرون ، میدان DC انرژی می گیرد و روتور به سمت همزمانی می کشد. موتورهای سنکرون مغناطیس دائم مدرن (PMSM) که به طور فزاینده ای در درایوهای سروو و وسایل نقلیه الکتریکی مورد استفاده قرار می گیرند، از حلقه های لغزش تحریک اجتناب می کنند و به راندمان و چگالی توان بالایی دست می یابند، اما برای راه اندازی و کنترل سریع سرعت به یک درایو فرکانس متغیر (VFD) نیاز دارند.

موتور آسنکرون تک فاز: طراحی و کاربردهای داخلی

A موتور آسنکرون تک فاز یک موتور القایی است که برای کار بر روی منبع AC تک فاز طراحی شده است که معمولاً در لوازم خانگی، فن ها و پمپ های کوچک یافت می شود. چالش اساسی این است که سیم‌پیچ استاتور تک فاز یک میدان مغناطیسی ضربانی تولید می‌کند، نه یک میدان دوار، و بنابراین نمی‌تواند به خودی خود گشتاور راه‌اندازی ایجاد کند. برای ایجاد میدان چرخشی لازم، از روش های مختلف شروع استفاده می شود. رایج ترین آن است موتور استارت خازن ، که از سیم پیچ کمکی استفاده می کند که به طور فیزیکی از سیم پیچ اصلی جابجا شده و به صورت سری با خازن متصل می شود تا جریان انتقال فاز ایجاد کند. این یک میدان دو فازی ایجاد می کند که روتور را شروع می کند. سپس یک کلید گریز از مرکز مدار کمکی را در حدود قطع می کند 70-80 درصد سرعت کامل . طرح های دیگر عبارتند از موتور فاز دوشاخ (مقاومت-شروع) و موتور خازن با تقسیم دائمی (PSC) که خازن را برای بهبود عملکرد در مدار در مدار نگه می دارد. این موتورها ذاتا کارایی کمتری نسبت به همتایان سه فاز خود برای یک رتبه بندی توان معین دارند - راندمان معمولی از 50٪ برای واحدهای اسب بخار کسری تا 75٪ برای مدل های بزرگتر - اما سازگاری آنها با پریزهای تک فاز استاندارد آنها را در محیط های تجاری خانگی و سبک غیر قابل تعویض می کند.

موتورها و درایوهای شفت موازی: ادغام کاهش دنده

موتورها و درایوهای شفت موازی به ترکیبات موتور-گیربکس مراجعه کنید که در آن شفت خروجی موازی با شفت موتور است و گشتاور از طریق چرخ دنده های مارپیچ یا خار منتقل می شود. این پیکربندی زیر مجموعه ای از کاهنده دنده برای موتور الکتریکی سیستم ها و به طور گسترده در نوار نقاله ها، جابجایی مواد و ماشین آلات بسته بندی استفاده می شود. کاهنده دنده دو عملکرد مهم را انجام می دهد: سرعت چرخش بالای موتور را به سرعت پایین قابل استفاده کاهش می دهد و گشتاور را چند برابر می کند. برای یک نسبت دنده معین i، سرعت خروجی N _بیرون = ن _موتور / i، و گشتاور خروجی T _بیرون = تی _موتور × من × η _دنده ، جایی که η _دنده راندمان گیربکس است (معمولا 94-98٪ در هر مرحله برای چرخ دنده های مارپیچ). آرایش شفت موازی فشرده و کارآمد است و اغلب به موتور اجازه می دهد تا مستقیماً بر روی دستگاه محرک نصب شود. هنگام انتخاب یک گیربکس شفت موازی، ضریب سرویس - نسبت ظرفیت نامی گیربکس به بار واقعی - باید در نظر گرفته شود. برای بارهای یکنواخت، یک ضریب سرویس از 1.0-1.25 قابل قبول است، در حالی که برای بارهای شوک یا شروع مکرر، یک ضریب 1.5-2.0 یا بالاتر برای جلوگیری از سایش زودرس دنده توصیه می شود.

معادله گشتاور موتور و فرمول بازده

را mechanical output power of a motor is related to torque and speed. The fundamental معادله گشتاور موتور از نظر قدرت و سرعت چرخش عبارت است از:

T = (60 × P _بیرون ) / (2π × N) (گشتاور بر حسب نیوتن متر، قدرت در W، N در RPM)

برای یک موتور DC، گشتاور الکترومغناطیسی نیز متناسب با جریان آرمیچر و شار مغناطیسی است: T = k _t × φ × من _a . ثابت گشتاور k _t بستگی به ساخت موتور دارد در موتورهای القایی AC، گشتاور ایجاد شده متناسب با مربع ولتاژ اعمال شده است و با لغزش تغییر می کند.

را فرمول راندمان موتور ورودی الکتریکی را به خروجی مکانیکی مرتبط می کند:

η = (P _بیرون / P _در ) × 100%

برای یک موتور AC سه فاز، P _در = √3 × V _L × من _L × cosφ، که در آن cosφ ضریب توان است. تلفات شامل تلفات مس استاتور (I²R)، تلفات مس روتور، تلفات آهن (هیسترزیس و جریان های گردابی)، اصطکاک مکانیکی و تلفات باد است. به عنوان مثال، یک موتور القایی 15 کیلوواتی 4 قطبی IE3 ممکن است به آن دست یابد راندمان 91.5 درصد در بار کامل، رها کردن به 88% در 50% بار . به حداقل رساندن این تلفات از طریق فولاد الکتریکی با عیار بالا، طراحی بهینه شکاف و خنک کننده بهبود یافته تمرکز استانداردهای موتور با راندمان برتر مانند IE4 و IE5 است.

موتور در کدام جهت می چرخد: تعیین و تغییر چرخش

را direction in which a موتور rotates توسط برهمکنش میدان های مغناطیسی تعیین می شود. برای یک موتور القایی سه فاز، توالی فاز منبع، جهت میدان چرخان استاتور را تعیین می کند. طبق قرارداد، اگر موتور به گونه‌ای وصل شود که توالی فاز L1، L2، L3 در پایانه‌های U، V، W باشد، وقتی از انتهای درایو مشاهده می‌شود، شفت در جهت عقربه‌های ساعت می‌چرخد. معکوس کردن هر دو سیم منبع تغذیه، توالی فاز را معکوس می کند و در نتیجه جهت چرخش موتور را معکوس می کند. این روش استاندارد هنگام راه اندازی پمپ یا نوار نقاله موتوردار است. برای یک موتور DC، جهت چرخش از قانون سمت چپ فلمینگ پیروی می کند: معکوس کردن جریان آرمیچر یا جریان میدان، چرخش را معکوس می کند، اما معکوس کردن چرخش هر دو برگ بدون تغییر. یک موتور DC آهنربای دائم با قطبیت ولتاژ اعمال شده معکوس می شود. هنگام کار با موتور، جهت تعیین شده چرخش اغلب با یک فلش روی محفظه نشان داده می شود. راه اندازی موتور در جهت معکوس می تواند به بارهای خاصی مانند پمپ های پیچی یا فن هایی با پروانه های جهت دار آسیب برساند.

کنترل کننده سرعت موتور الکتریکی: VFD و درایوهای DC

A کنترل کننده سرعت موتور الکتریکی سرعت چرخش موتور را با تنظیم پارامترهای ورودی الکتریکی تغییر می دهد. برای موتورهای القایی سه فاز، دستگاه استاندارد این است درایو فرکانس متغیر (VFD) AC ورودی را به DC تصحیح می کند و سپس آن را به یک خروجی AC با فرکانس متغیر و ولتاژ متغیر معکوس می کند. با حفظ نسبت V/f ثابت، قابلیت گشتاور موتور در محدوده وسیعی از سرعت حفظ می‌شود - معمولاً از 10% تا 150% سرعت پایه . برای یک موتور DC، یک درایو DC مبتنی بر تریستور یا PWM، میانگین ولتاژ آرمیچر را تغییر می‌دهد و مستقیماً سرعت را کنترل می‌کند. الگوریتم های کنترل برداری بدون حسگر مدرن به VFD ها اجازه می دهد تا سرعت و گشتاور موتور القایی را با دقتی معادل ± 0.5٪ سرعت نامی بدون رمزگذار بازخورد، آنها را برای کاربردهای سخت مانند بالابرهای جرثقیل، اکسترودرها و ماشین های سیم پیچ پارچه مناسب می کند. برای موتورهای تک فاز کوچک، کنترل‌کننده‌های ولتاژ مبتنی بر تریاک ساده‌تر یا استارت‌های نرم الکترونیکی رایج هستند.

مشکلات و راه حل های رایج موتور الکتریکی

تشخیص مشکلات و راه حل های موتور الکتریکی به طور سیستماتیک عمر موتور را افزایش می دهد و از خرابی برنامه ریزی نشده جلوگیری می کند. رایج ترین مسائل، علل احتمالی آنها و اقدامات اصلاحی مناسب در زیر خلاصه شده است.

تعمیر و نگهداری پیشگیرانه منظم - تست مقاومت عایق با مگاهم متر، بازرسی حرارتی اتصالات و روند ارتعاش یاتاقان - می تواند این مسائل را قبل از وقوع خرابی تشخیص دهد. برای مشکلات و راه حل های موتور الکتریکی ، نگه داشتن گزارشی از ساعات کار و نمایه های بار به تعیین زمان تعویض بلبرینگ کمک می کند (معمولاً هر 20000-40000 ساعت کار ) یا دوباره چرب کنید. هنگامی که یک موتور از کار می افتد، تجزیه و تحلیل علت اصلی ضروری است: به سادگی جایگزین کردن موتور بدون شناسایی علت خرابی - خواه رطوبت، عدم تعادل ولتاژ یا کاهش دهنده دنده گیر کرده باشد - منجر به خرابی مجدد می شود.