موتور AC چیست، چگونه کار می کند و چگونه موتورهای الکتریکی را عیب یابی کنیم

یک چیست موتور AC ?

یک موتور AC یک موتور الکتریکی است که انرژی الکتریکی جریان متناوب (AC) را به انرژی چرخشی مکانیکی تبدیل می کند. برخلاف موتورهای DC، که به منبع جریان مستقیم نیاز دارند و معمولاً شامل برس‌ها و کموتاتورها برای مدیریت جهت جریان هستند، موتورهای AC مستقیماً از ولتاژ سینوسی تامین‌شده توسط شبکه برق کار می‌کنند و آنها را به نوع موتور غالب در کاربردهای صنعتی، تجاری و مسکونی در سراسر جهان تبدیل می‌کند.

پایه جهانی نصب شده موتورهای AC را تشکیل می دهد تقریباً 45 تا 50 درصد کل مصرف برق طبق گزارش آژانس بین المللی انرژی در کشورهای صنعتی. آنها همه چیز را از پمپ های گریز از مرکز، کمپرسورها و سیستم های نقاله در صنایع سنگین گرفته تا فن های HVAC، ماشین های لباسشویی و ابزار برقی در زندگی روزمره تامین می کنند.

موتورهای AC بر اساس ساختار روتور و اصل عملکرد به دو خانواده اصلی تقسیم می شوند:

• موتورهای القایی (موتورهای ناهمزمان) - روتور به برق متصل نیست. جریان در روتور توسط میدان مغناطیسی دوار استاتور القا می شود. پرکاربردترین نوع موتور در سطح جهان.
• موتورهای سنکرون - روتور دقیقاً با همان سرعت میدان مغناطیسی در حال چرخش استاتور می چرخد. برای حفظ همزمانی به یک منبع تحریک خارجی (آهنربای دائمی، سیم پیچ میدان DC یا هندسه بی میلی) نیاز دارد.

در این دو خانواده، انواع فرعی دیگر شامل موتورهای القایی قفس سنجابی، موتورهای القایی روتور پیچشی، موتورهای سنکرون مغناطیس دائم (PMSM)، موتورهای رلوکتانس سنکرون (SynRM) و موتورهای القایی تک فاز هستند که هر کدام برای محدوده خاصی از توان، الزامات سرعت و سیکل‌های وظیفه مناسب هستند.

موتور AC چگونه کار می کند: اصل عملیات

عملکرد یک موتور AC بر اساس قانون القای الکترومغناطیسی فارادی و قانون نیروی لورنتس درک این اصول به ترتیب توضیح می دهد که چگونه انرژی الکتریکی به گشتاور شفت تبدیل می شود.

مرحله 1 - ایجاد میدان مغناطیسی دوار

هنگامی که جریان AC سه فاز از طریق سیم‌پیچ‌های استاتور می‌گذرد - که از نظر فیزیکی 120 درجه در اطراف سوراخ استاتور از یکدیگر جابجا شده‌اند - هر سیم‌پیچ یک میدان مغناطیسی ایجاد می‌کند که در فرکانس تغذیه (50 یا 60 هرتز) به‌صورت سینوسی تغییر می‌کند. مجموع برداری این سه میدان مغناطیسی جابجایی زمان و جابجایی فضا، a را ایجاد می کند میدان مغناطیسی دوار (RMF) که با سرعت سنکرون حول حفره استاتور می چرخد که به صورت زیر محاسبه می شود:

Ns = (120 × f) / P

در جایی که Ns سرعت سنکرون در RPM است، f فرکانس عرضه بر حسب هرتز و P تعداد قطب های استاتور است. یک موتور 4 قطبی روی منبع تغذیه 50 هرتز با سرعت سنکرون 1500 RPM کار می کند. در منبع 60 هرتز، همان موتور دارای سرعت سنکرون 1800 RPM است.

مرحله 2 - القاء جریان روتور (موتور القایی)

در یک موتور القایی، میدان مغناطیسی دوار از کنار هادی‌های ثابت روتور عبور می‌کند و با عمل ترانسفورماتور، نیروی الکتروموتور (EMF) را در آنها القا می‌کند. از آنجایی که هادی‌های روتور مدارهای بسته را تشکیل می‌دهند (اعم از میله‌های آلومینیومی ریخته‌شده روتور قفس سنجابی یا سیم‌پیچ‌های زخمی موتور روتور پیچ)، EMF القایی جریانی را از روتور عبور می‌دهد. این جریان روتور میدان مغناطیسی خود را ایجاد می کند که با RMF استاتور در تعامل است و گشتاوری تولید می کند که روتور را در جهت چرخش میدان شتاب می دهد.

مرحله 3 - عملیات لغزش و حالت ثابت

همانطور که روتور شتاب می گیرد، سرعت نسبی بین هادی های روتور و میدان چرخان استاتور - نامیده می شود لغزش - کاهش می یابد. اگر روتور به سرعت سنکرون برسد، هیچ حرکت نسبی، EMF القایی، جریان روتور و در نتیجه گشتاور وجود نخواهد داشت. بنابراین روتور همیشه با سرعت کمی کمتر از سنکرون تحت بار کار می کند. لغزش بار کامل در موتورهای القایی استاندارد معمولاً 2-8٪ است. ، به این معنی که یک موتور 4 قطبی 50 هرتز با سرعت سنکرون 1500 RPM معمولاً در 1380-1470 RPM تحت بار نامی کار می کند.

لغزش با بار افزایش می‌یابد: با افزایش بار مکانیکی روی شفت، روتور نسبت به RMF کند می‌شود و باعث می‌شود جریان روتور بیشتر و گشتاور بیشتری برای مطابقت با تقاضای بار - تا حد گشتاور شکست موتور- ایجاد شود. این رفتار خودتنظیمی باعث می شود که موتور القایی ذاتاً بدون کنترل خارجی در کاربردهای سرعت ثابت به بار پاسخگو باشد.

عملکرد موتور سنکرون

در موتور سنکرون، روتور دارای آهنرباهای دائمی یا سیم پیچ میدان تحریک شده DC است که میدان مغناطیسی خود را تولید می کند. این میدان روتور روی میدان چرخان استاتور قفل می‌شود و دقیقاً با سرعت همزمان از آن پیروی می‌کند - هیچ لغزشی وجود ندارد. بنابراین موتورهای سنکرون ارائه می دهند سرعت دقیقاً ثابت بدون توجه به تغییرات بار ، آنها را به انتخاب ارجح برای درایوهای دقیق، برنامه های کاربردی با سرعت متغیر با راندمان بالا با استفاده از VFD ها و تصحیح ضریب توان در کارخانه های صنعتی تبدیل می کند.

کلاس های راندمان موتور AC و استانداردهای انرژی

راندمان موتور AC در سطح بین‌المللی تحت استاندارد IEC 60034-30-1 طبقه‌بندی می‌شود که چهار سطح بازده - IE1 تا IE4 - را تعریف می‌کند و IE5 ("Ultra-Premium") به عنوان یک کلاس راهنما برای طراحی‌های با راندمان بالا معرفی شده است. هر کلاس IE بالاتر تلفات الکتریکی را تقریباً 20 درصد نسبت به کلاس زیر آن کاهش می دهد.

• IE1 (استاندارد) - دیگر برای تاسیسات جدید در اتحادیه اروپا، بریتانیا، یا بسیاری از حوزه های قضایی دیگر تحت مقررات Ecodesign 2019/1781 مجاز نیست.
• IE2 (با کارایی بالا) - حداقل نیاز برای موتورهای 0.75-1000 کیلووات در بسیاری از بازارها در صورت استفاده بدون VFD. هنوز به طور گسترده در سطح جهانی نصب شده است
• IE3 (بازده برتر) - حداقل اجباری در اتحادیه اروپا از ژوئیه 2021 برای موتورهای 0.75-1000 کیلووات؛ مشخصات استاندارد در تدارکات صنعتی آمریکای شمالی
• IE4 (Super Premium) - معمولاً با عدم تمایل همزمان یا طرح‌های PMSM به دست می‌آید. به طور فزاینده ای برای درایوهای پمپ، فن و کمپرسور با چرخه کاری بالا مشخص می شود

تفاوت راندمان بین IE2 و IE3 ممکن است بر اساس درصد پلاک نام کمی به نظر برسد - اغلب 1 تا 3 درصد - اما منجر به صرفه جویی قابل توجهی در هزینه انرژی در طول عمر 15 تا 20 ساله موتور می شود. برای یک موتور 75 کیلوواتی که 6000 ساعت در سال کار می کند، بهبود بازده 2 درصد تقریباً باعث صرفه جویی می شود. 9000 کیلووات ساعت در سال ، با بازپرداخت ساده حق بیمه بهره وری معمولاً کمتر از 2 سال با نرخ برق صنعتی.

چگونه یک موتور الکتریکی را عیب یابی کنیم: یک رویکرد تشخیصی سیستماتیک

موثر عیب یابی موتور الکتریکی یک توالی تشخیصی ساختار یافته را دنبال می کند که از ساده ترین و کم هزینه ترین بررسی ها به سمت آزمایش های الکتریکی و مکانیکی پیچیده تر حرکت می کند. اکثر خرابی های موتور در یکی از چهار دسته علت اصلی قرار می گیرند: مشکلات تامین برق، تخریب عایق، خرابی یاتاقان، و اضافه بار مکانیکی . شناسایی صحیح دسته قبل از هر گونه جداسازی باعث صرفه جویی در زمان و جلوگیری از تشخیص اشتباه می شود.

مرحله 1 - ابتدا منبع تغذیه را بررسی کنید

قبل از مشکوک شدن به خود موتور، منبع را بررسی کنید. ولتاژ خط به خط را در پایانه های موتور (نه در پانل) تحت بار اندازه گیری کنید. عدم تعادل ولتاژ بیش از 1٪ باعث عدم تعادل جریان نامتناسب 6-10٪ می شود. که باعث ایجاد گرمای بیش از حد در سیم پیچی استاتور می شود و پیری عایق را تسریع می کند. بررسی کنید که هر سه فاز وجود داشته باشد، فیوزها سالم باشند و کنتاکتورها کاملا بسته شوند. عدم وجود فاز (تک فاز) شایع ترین علت موتوری است که زمزمه می کند اما روشن نمی شود یا بلافاصله پس از راه اندازی مجدد خاموش می شود.

مرحله 2 - اندازه گیری جریان در حال اجرا در برابر FLA پلاک

اندازه‌گیری‌های گیره‌سنج در هر سه فاز باید جریان‌های متعادلی را در فاصله 5 درصد از یکدیگر و در محدوده آمپر بار کامل (FLA) موتور نشان دهد. جریان بیش از حد نشان دهنده بارگذاری بیش از حد مکانیکی، وضعیت روتور قفل شده یا یک خطای سیم پیچ در حال توسعه است. جریان زیرین با ارتعاش یا نویز غیرعادی ممکن است نشان دهنده شکستگی میله روتور در موتور قفس سنجابی باشد - نقصی که اغلب نادیده گرفته می شود زیرا موتور با خروجی گشتاور کاهش یافته به کار خود ادامه می دهد. خرابی میله روتور با تجزیه و تحلیل امضای جریان موتور (MCSA) یا تست میله روتور با استفاده از گیره سنج در طول شتاب کنترل شده تأیید می شود.

مرحله 3 - تست مقاومت عایق (Megger).

موتور را خاموش کرده و قفل کنید، سپس مقاومت عایق (IR) را بین هر فاز سیم پیچ و زمین با استفاده از یک مگاهم متر (Megger) در ولتاژ آزمایشی مناسب اندازه گیری کنید - معمولاً 500 ولت DC برای موتورهای دارای ولتاژ کمتر از 1000 ولت. در IEEE 43-2013، حداقل مقدار IR از 1 MΩ در هر کیلوولت ولتاژ نامی به اضافه 1 MΩ حداقل مطلق برای یک موتور در حال کار است. موتورهای سالم معمولاً 100 مگا اهم یا بالاتر می‌خوانند. مقادیر کمتر از 1 MΩ نشان دهنده ورود رطوبت قابل توجه یا خرابی عایق است - موتور نباید تا زمانی که علت شناسایی و برطرف شود دوباره روشن شود.

برای یک تصویر تشخیصی بیشتر، یک را انجام دهید تست شاخص پلاریزاسیون (PI). : قرائت IR 10 دقیقه ای را بر قرائت IR 1 دقیقه ای تقسیم کنید. PI بالاتر از 2.0 نشان دهنده عایق خوب است. زیر 1.0 نشان دهنده آلودگی یا تخریب شدید است. تست PI به ویژه برای تمایز بین عایق مرطوب (که با گذشت زمان خشک می شود و بهبود می یابد) و عایق شیمیایی تخریب شده (که بازیابی نمی شود) مفید است.

مرحله 4 - تست تعادل مقاومت سیم پیچ

با استفاده از اهم متر یا میکرو اهم متر با مقاومت کم، مقاومت DC را بین هر جفت فاز اندازه گیری کنید (T1-T2، T2-T3، T1-T3 برای موتور سه فاز). خواندن باید در درون متعادل باشد 2 درصد از یکدیگر . مقاومت به طور قابل توجهی کمتر در یک جفت فاز نشان دهنده یک چرخش کوتاه یا گروه سیم پیچ کوتاه است. مقاومت به طور قابل توجهی بالاتر یا مدار باز نشان دهنده شکستگی سیم پیچ، سیم پیچ سوخته، یا اتصال شل در بلوک ترمینال است.

مرحله 5 - بلبرینگ و بازرسی مکانیکی

خرابی بلبرینگ تقریباً 40 تا 50 درصد از خرابی های موتور القایی را تشکیل می دهد در خدمات صنعتی، طبق مطالعات IEEE و EPRI. تشخیص با تجزیه و تحلیل ارتعاش آغاز می شود: علامت فرکانس نقص یاتاقان (مسابقه داخلی، مسابقه بیرونی، چرخش توپ، یا فرکانس قفس) قابل مشاهده در یک طیف ارتعاش، آسیب بلبرینگ را قبل از شکست فاجعه بار تأیید می کند. در غیاب ابزارهای تجزیه و تحلیل طیف، شتاب‌سنج تماسی یا تکنیک گوشی‌پزشکی پیچ‌گوشتی به گوش می‌تواند نویز غیرعادی یاتاقان - ساییدن، جیغ یا ناهمواری متناوب - را که نیاز به تعویض بلبرینگ دارد، تشخیص دهد.

همچنین بررسی کنید خروجی شفت و ناهماهنگی : دامنه کلی ارتعاش در فرکانس دویدن 1× (1X) نشان دهنده عدم تعادل است. ارتعاش قوی 2× نشان دهنده ناهماهنگی است. هر دو شرایط به طور چشمگیری سایش یاتاقان را تسریع می‌کنند و باید قبل از بازگرداندن موتور به کار، با تراز لیزری دقیق و تعادل دینامیکی اصلاح شوند.

مرحله 6 - بازرسی حرارتی

ترموگرافی مادون قرمز قاب موتور، جعبه ترمینال و کابل های متصل در حین کارکرد عادی، نقاط داغ ناشی از فازهای نامتعادل، سیم پیچ های بارگذاری شده، اتصالات با مقاومت بالا، یا مسیرهای خنک کننده مسدود شده را نشان می دهد. دمای قاب موتور نباید از دمای نامی محیط به علاوه افزایش دمای کلاس عایق موتور تجاوز کند. طبقات رایج عایق و حداکثر دمای سیم پیچ آنها عبارتند از: کلاس B - 130 درجه سانتی گراد، کلاس F - 155 درجه سانتی گراد، کلاس H - 180 درجه سانتی گراد. عملکرد پایدار بالاتر از این محدودیت ها، به ازای هر 10 درجه سانتی گراد دمای اضافی، به ازای مدل های پیری آرنیوس که در IEC 60085 استفاده می شود، عمر عایق را به نصف کاهش می دهد.

خطاهای متداول موتور AC، علائم، و علل احتمالی

ماتریس خطا-علائم-علت زیر اغلب مشکلات موتور AC را در محیط های خدمات میدانی پوشش می دهد:

• موتور روشن نمی شود، بدون زمزمه - علت احتمالی: باز بودن مدار در منبع تغذیه، سوختن فیوز یا قطع شدن قطع کننده، باز بودن کنتاکتور، یا شکستگی سیم پیچ استاتور. ابتدا ولتاژ منبع تغذیه را در پایانه ها بررسی کنید.
• موتور زمزمه می کند اما نمی چرخد - علت احتمالی: تک فاز (فقدان یک فاز تغذیه)، روتور قفل شده به دلیل گیر کردن یاتاقان یا گیر کردن مکانیکی، یا بار راه اندازی بیش از حد. فوراً هر سه ولتاژ فاز را اندازه گیری کنید.
• موتور روشن می شود اما با اضافه بار به طور مکرر حرکت می کند - علت احتمالی: تنظیم خیلی کم رله اضافه بار، اضافه بار مکانیکی ناشی از تجهیزات رانده، یاتاقان های فرسوده باعث افزایش گشتاور اصطکاک می شود، یا ولتاژ تغذیه بسیار کم که باعث کاهش گشتاور موجود می شود.
• موتور بیش از دمای معمولی کار می کند - علت احتمالی: اضافه بار، عدم تعادل ولتاژ، مسدود شدن تهویه، چرخه کاری نادرست، یا خراب شدن عایق باعث افزایش تلفات دی الکتریک می شود.
• لرزش بیش از حد - علت احتمالی: عدم تعادل روتور (بعد از هر گونه تعمیر یا تمیز کردن روتور بررسی شود)، ناهماهنگی با دستگاه محرک، شل بودن پیچ‌ها، آسیب یاتاقان، یا تشدید بین موتور و صفحه پایه در فرکانس کار.
• صدای غیرعادی (سنگ زدن، جیغ زدن) - علت احتمالی: خرابی بلبرینگ (تأیید با تجزیه و تحلیل ارتعاش یا گوشی پزشکی)، شل شدن حلقه انتهای روتور، مواد خارجی در شکاف هوا، یا تماس تیغه فن با پوشش.
• خواندن مگا اهم کم (<1 MΩ) - علت احتمالی: نفوذ رطوبت (خشک شدن در فر در دمای 90 تا 110 درجه سانتیگراد و آزمایش مجدد)، آلودگی روغن یا خنک کننده، یا عایق تخریب شده حرارتی که نیاز به پیچیدن دارد.