در مقاله ی قبلی توضیح دادیم که موتورهای الکتریکی یک‌فاز نمی‌توانند به‌طور خودکار شروع به کار کنند، و این مشکل به دلایل مختلفی مرتبط با نحوه تولید میدان مغناطیسی و نیروهای موجود در موتور در زمان شروع است. در این مقاله، به بررسی علل این مشکل و راه‌حل‌های موجود می‌پردازیم.
1. ماهیت میدان مغناطیسی در موتورهای AC
موتورهای سه‌فاز:
در یک موتور سه‌فاز، سه جریان متناوب (AC) به سیم‌پیچی‌های استاتور وارد می‌شود که هرکدام از آن‌ها 120 درجه از یکدیگر اختلاف فاز دارند. این اختلاف فاز باعث تولید میدان مغناطیسی چرخشی در استاتور می‌شود که برای راه‌اندازی موتور و ادامه چرخش آن ضروری است. میدان چرخشی به صورت ریاضی به شکل زیر توصیف می‌شود:
که در آن:
- B0شدت میدان مغناطیسی است،
- ωفرکانس زاویه‌ای منبع تغذیه AC است،
- ϕkاختلاف فاز برای هرکدام از سه سیم‌پیچی است که هر فاز 120 درجه از دیگری متفاوت است.
از آنجایی که این فازها 120 درجه از هم فاصله دارند، منجر به تولید میدان مغناطیسی می‌شود که به طور مداوم در اطراف استاتور می‌چرخد و نیروی اولیه‌ای که برای به حرکت درآوردن روتور نیاز است را فراهم می‌کند. این تعامل پیوسته میان روتور و میدان مغناطیسی چرخشی از قانون نیروی لورنز پیروی می‌کند:
که در آن:
- Fنیروی وارد بر روتور است،
- Iجریان در روتور است،
- Lطول هادی در میدان مغناطیسی است،
- Bشدت میدان مغناطیسی است.
این تعامل پیوسته باعث چرخش موتور می‌شود.
موتورهای یک‌فاز:
در مقابل، در یک موتور یک‌فاز تنها یک جریان AC به سیم‌پیچی استاتور وارد می‌شود. این جریان باعث ایجاد میدان مغناطیسی نوسانی می‌شود نه چرخشی. میدان مغناطیسی به طور متناوب از مثبت به منفی تغییر می‌کند و میانه‌رو می‌شود. شدت میدان مغناطیسی B(t) در یک موتور یک‌فاز به شکل زیر تغییر می‌کند:
این میدان بین مثبت و منفی نوسان می‌کند، اما هیچ‌گاه نمی‌چرخد. در هر لحظه، میدان مغناطیسی در استاتور ثابت باقی می‌ماند (چرخش ندارد) و به همین دلیل یک موتور یک‌فاز قادر به شروع به کار خودکار نیست.
2. نظریه میدان دوگانه چرخشی
این نظریه به طور ریاضیاتی توضیح می‌دهد که چرا موتورهای یک‌فاز نمی‌توانند خودشان شروع به کار کنند.
- دو میدان چرخشی مخالف: در یک موتور یک‌فاز، میدان مغناطیسی نوسانی می‌تواند به‌طور ریاضی به دو میدان چرخشی که برابر در اندازه هستند ولی در جهت‌های مخالف می‌چرخند، تجزیه شود. به‌طور ریاضی این دو میدان به شکل زیر توصیف می‌شوند:
و
این دو میدان، B1(t) و B2(t)، در جهت‌های مخالف می‌چرخند و یکدیگر را خنثی می‌کنند. در حالت ایستاده (standstill)، این دو میدان گشتاورهای برابر و مخالفی را روی روتور تولید می‌کنند که یکدیگر را خنثی می‌کنند. این را می‌توان با استفاده از معادله گشتاور لحظه‌ای Tکه ناشی از دو میدان مغناطیسی است توضیح داد:
که در آن:
- T1و T2گشتاورهای تولیدی توسط (t) و B2(t)هستند.
این خنثی شدن گشتاورها به این معناست که روتور هیچ‌گونه نیروی اولیه‌ای برای شروع به چرخش تجربه نمی‌کند و به همین دلیل موتور نمی‌تواند شروع به کار کند.
3. چرا شروع به کار ضروری است
اینرسی و غلبه بر آن:
هر جسمی، از جمله روتور یک موتور الکتریکی، دارای اینرسی است، به این معنی که در برابر تغییر در وضعیت حرکت خود مقاومت می‌کند. برای اینکه روتور شروع به چرخش کند، موتور باید نیرویی (گشتاور) تولید کند که بر این اینرسی غلبه کرده و به روتور شتاب دهد. بدون میدان چرخشی در موتور سه‌فاز یا یک مکانیزم راه‌اندازی در موتور یک‌فاز، این گشتاور اولیه فراهم نمی‌شود.
4. نقش مکانیزم‌های راه‌اندازی در موتورهای یک‌فاز
از آنجا که موتورهای یک‌فاز در حالت ایستاده میدان مغناطیسی چرخشی ندارند، نمی‌توانند گشتاور اولیه‌ای را برای شروع چرخش تولید کنند. برای این که موتور شروع به کار کند، از مکانیزم‌های مختلف راه‌اندازی استفاده می‌شود.
سیم‌پیچی راه‌انداز:
در این روش، یک سیم‌پیچی اضافی به استاتور اضافه می‌شود که کمی از نظر فازی با سیم‌پیچی اصلی اختلاف دارد. این اختلاف فاز باعث ایجاد میدان چرخشی موقتی می‌شود که روتور را به حرکت درمی‌آورد. پس از رسیدن به سرعت معینی، سیم‌پیچی راه‌انداز قطع می‌شود. شدت گشتاور در این حالت به صورت زیر است:
که در آن:
- kیک ثابت است که به ساختار موتور بستگی دارد،
- B1 میدان مغناطیسی تولیدی توسط سیم‌پیچی راه‌انداز است،
- L طول هادی روتور است،
- I جریان در روتور در لحظه راه‌اندازی است.
استارت با خازن:
در این روش، یک خازن به صورت سری با سیم‌پیچی راه‌انداز قرار می‌گیرد تا اختلاف فاز بین سیم‌پیچی اصلی و راه‌انداز افزایش یابد. این باعث تولید گشتاور شروع قوی‌تری می‌شود. خازن به‌طور مؤثر اختلاف فاز را افزایش داده و باعث ایجاد میدان چرخشی واضح‌تری می‌شود. گشتاور شروع در این حالت بالاتر است و برای کاربردهایی که نیاز به گشتاور شروع بالاتری دارند، مانند کمپرسورها یا پمپ‌ها، استفاده می‌شود. گشتاور شروع در این حالت به صورت زیر است:
که در آن Vcapacitor ولتاژ across خازن و سیم‌پیچی راه‌انداز است.
تقسیم فاز:
این روش مشابه روش استارت با خازن است، اما سیم‌پیچی راه‌انداز ویژگی‌های متفاوتی دارد (تعداد کمتری پیچ، سیم نازک‌تر) که باعث ایجاد اختلاف فاز می‌شود. این روش ساده‌تر و ارزان‌تر از استارت با خازن است.
نتیجه‌گیری:
موتورهای یک‌فاز قادر به شروع به کار خودکار نیستند، زیرا در حالت ایستاده میدان مغناطیسی چرخشی ندارند. این مشکل به دلیل ماهیت منبع تغذیه AC یک‌فاز است که میدان مغناطیسی نوسانی و نه چرخشی تولید می‌کند. برای غلبه بر این مشکل، موتورهای یک‌فاز به مکانیزم‌های مختلف راه‌اندازی نیاز دارند تا گشتاور اولیه لازم برای شروع به چرخش روتور را فراهم کنند.
در انتها برای سفارش الکتروموتور مورد نظر خود با ما تماس بگیرید.