کنترل موتورهای الکتریکی — به زبان ساده

موتورهای الکتریکی، انرژی الکتریکی را به انرژی مکانیکی تبدیل می‌کنند و در وسایل و تجهیزات متحرک به کار می‌روند. در این آموزش، درباره کنترل موتورهای الکتریکی بحث خواهیم کرد. در همین راستا و در ادامه، ابتدا انواع موتورها و کاربردهای آن‌ها را بیان می‌کنیم؛ سپس روش‌های اصلی و متداول کنترل موتورها را نیز معرفی خواهیم کرد.

دسته‌بندی موتورها

موتورهای الکتریکی را معمولاً در سه گروه اصلی دسته‌بندی می‌کنند:

• موتورهای DC که فقط با جریان مستقیم کار می‌کنند.
• موتورهای AC که با جریان متناوب کار می‌کند.
• و موتور یونیورسال که می‌توانند با جریان dc یا ac کار کند.

موتورهای DC

موتور DC یک ماشین الکتریکی است که انرژی مکانیکی تولید می‌کند. سرعت و جهت چرخش یک موتور DC به آسانی قابل کنترل است. تنها با برعکس کردن پلاریته ورودی این نوع موتور، می‌توان جهت چرخش آن را تغییر داد. با تغییر اندازه ولتاژ‌ نیز می‌توان سرعت آن را کنترل کرد.

موتور جریان مستقیم، دارای آرمیچری روی روتور به شکل آهنربای الکتریکی است. یک سوئیچ دوار به نام کموتاتور، جهت جریان الکتریکی در آرمیچر را در هر سیکل دو بار برعکس می‌کند تا قطب‌های آهنرباهای الکتریکی، آهنربای دائمی استاتور را جذب و دفع کنند. در واقع، کموتاتور پلاریته آهنربای الکتریکی آرمیچر را با عبور قطب‌های آهنربای الکتریکی آن از جلوی قطب‌های آهنربای دائمی استاتور معکوس می‌کند. در طول این جابه‌جایی پلاریته، تکانه روتور در یک جهت ثابت می‌ماند و روتور به چرخش خود ادامه می‌دهد. شکل زیر، این عملکرد را نشان می‌دهد.

در واقع می‌توان گفت که عملکرد موتور DC، بر این اساس است که یک هادی حامل جریان، عمود بر خطوط شار در میدان مغناطیسی قرار می‌گیرد و حرکت می‌کند. رابطه بین جهت تمایل هادی به حرکت و جهت جریان را می‌توان با استفاده از قانون دست راست تعیین کرد.

از متداول‌ترین موتورهای DC در مصارف صنعتی و خانگی، می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• موتور DC‌ سری: از آنجایی که موتورهای DC‌ سری گشتاور راه‌اندازی بالا و سرعت متغیری دارند، برای کاربردهای سنگین مانند لوکوموتیو، کارخانه نورد فولاد، بالابرها، آسنسور و جراثقال به کار می‌روند.
• موتور DC شنت: گشتاور راه‌اندازی این موتور، متوسط است و سرعت تقریباً ثابتی دارد. از این موتورها در جارو برقی، ماشین‌های برشکاری چوب، ماشین‌های لباسشویی، نوار نقاله و... استفاده می‌شود.
• موتور کمپوند اضافی: موتور کمپوند اضافی، یک موتور با سرعت متغیر و گشتاور راه‌اندازی بالا است و در کمپرسورها، پمپ‌های گریز از مرکز، دستگاه‌های پرس چرخشی، ماشین‌های برش، آسانسور، نوار نقاله پیوسته و... به کار می‌رود.

موتورهای AC

یک موتور AC از دو بخش اصلی تشکیل شده است: بخش بیرونی و بخش درونی.

بخش بیرونی، یک استاتور شامل سیم‌پیچ‌هایی است که برای تولید میدان مغناطیسی دوار، با جریان متناوب تغذیه می‌شود. بخش درونی، یک روتور متصل به شفت خروجی است که توسط میدان مغناطیسی دوار حرکت داده می‌شود. روتور می‌تواند به صورت قفس سنجابی یا سیم‌پیچی شده باشد. شکل زیر، دو بخش اصلی یک موتور AC را نشان می‌دهد.

دو نوع اساسی موتور AC وجود دارد. این دو نوع عبارتند از موتور سنکرون، که سرعت چرخش آن دقیقاً متناسب با فرکانس منبع تغذیه است و موتور آسنکرون یا القایی که سرعت چرخش آن کمی کندتر از موتور سنکرون است و به طور معمول (هرچند نه الزاماً همیشه) روتور آن، قفس سنجابی است.

از متداول‌ترین موتورهای AC در مصارف صنعتی و خانگی، می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• موتور سنکرون سه‌ فاز: از آنجایی که سرعت این موتورها در بارهای متغیر، ثابت می‌ماند، از آن‌ها در تجهیزاتی که به طور پیوسته کار می‌کنند و باید سرعت آن‌ها ثابت باشد، مانند کمپرسورهای هوا و آمونیاک، مجموعه ژنراتور-موتور، صنایع کاغذسازی، صنایع سیمان و... استفاده می‌شود.
• موتور القایی قفس سنجابی:‌ این موتور، با وجود سادگی، زمخت است و ظرفیت اضافه بار بالایی دارد. سرعت موتور قفس سنجابی تقریباً‌ ثابت است و گشتاور راه‌اندازی کمی دارد. این موتور، برای توان‌های پایین و متوسط به کار می‌رود که در آن‌ها کنترل سرعت لازم نیست؛ مانند پمپ‌های آب، ماشین‌های تراش، مته‌ها، ماشین‌آلات تراش چوب، فن‌ها، دمنده ها، ماشین‌های لباس‌شویی، کمپرسورها و... .
• موتور قفس سنجابی با تحریک دوگانه: گشتاور راه‌اندازی بالا، ظرفیت اضافه بار بزرگ و سرعت تقریباً ثابت از ویژگی‌های این موتور است. این نوع موتور، برای حرکت بارهایی به کار می‌رود که به گشتاور راه‌اندازی بالایی نیاز دارند؛ مانند پمپ‌های کمپرسور، یخچال‌های بزرگ، سنگ‌شکن‌ها، ماشین‌آلات نساجی، جراثقال‌ها و... .
• موتور القایی با حلقه لغزان: این موتور، گشتاور راه‌اندازی و ظرفیت اضافه بار بالایی دارد. سرعت این نوع موتور را می‌توان تا $$50 \% $$ مقدار نامی‌اش کاهش داد. موتور القایی با حلقه لغزان، در دستگاه‌های سیم‌پیچی، کمپرسورها، پمپ‌ها، دستگاه‌های چاپ پرس، آسانسورها و... کاربرد دارد.
• موتور سنکرون تکفاز: این موتور به دلیل سرعت ثابتی که دارد، در ساعت‌ها، انواع دستگاه‌های زمان‌سنج و دستگاه‌های ضبط صدا مورد استفاده قرار می‌گیرد.

موتور یونیورسال

یکی از انواع موتورهای DC که میدان مغناطیسی دائمی آن به جای قطب‌های آهنربای دائمی با اعمال ولتاژ بر سیم‌پیچی میدان حاصل می‌شود، موتور یونیورسال است. به دلیل این ‌که این موتورها را می‌توان هم با جریان DC و هم جریان AC تغذیه کرد، آن‌ها را یونیورسال نامگذاری کرده‌اند. البته در عمل، این موتورها اغلب با تغذیه‌ AC به کار می‌روند.

شکل زیر، یک موتور یونیورسال را نشان می‌دهد.

وقتی یک موتور DC با جریان متناوب تغذیه می‌شود، جریان هم در سیم پیچی میدان و هم در سیم پیچی آرمیچر به صورت هم زمان تغییر می‌کند و بنابراین نیروی مکانیکی تولید شده همواره در یک جهت است. امپدانس سیم‌پیچی‌های موتور باید به گونه‌ای باشد که با جریان AC سازگاری داشته باشند. این موضوع باعث می‌شود موتور یونیورسال اغلب بازده کمتری نسبت به یک موتور معادل DC داشته باشد. در فرکانس‌های عادی (۵۰ یا ۶۰ هرتز) منبع تغذیه، حداکثر توان خروجی موتورهای یونیورسال محدود است.

موتورهای یونیورسال، همچنین پایه‌ موتورهای کششی راه‌آهن‌های سنتی را تشکیل می‌دهند. در این کاربرد، برای حفظ بهره‌وری الکتریکی بالا، از منابع با فرکانس پایین استفاده می‌شود که عملکرد آن‌ها در 25 هرتز یا کمتر از آن معمول است. همچنین لوکوموتیوهایی که دارای موتورهای یونیورسال هستند، قادرند در راه‌‌آهن‌های نسل سوم که تغذیه DC دارند حرکت کنند.

کنترل موتورهای الکتریکی

موتورها بسته به کاربردهای خاصی که در سیستم‌های مختلف دارند، با توجه به جنبه‌های مختلف کنترل می‌شوند. راه‌اندازی، کنترل سرعت، کنترل موقعیت و ترمزگیری جنبه‌های کنترل یک موتور الکتریکی هستند که بسته به کاربرد مورد نظر، یک روش کنترلی برای آن‌ها در نظر گرفته می‌شود. در ادامه، روش‌های کنترل سرعت موتورهای DC و موتورهای AC سنکرون و القایی را بیان می‌کنیم.

کنترل سرعت موتورهای DC

سرعت موتورهای DC معمولاً از سه راه مختلف کنترل می‌شود: کنترل جریان میدان، کنترل ولتاژ آرمیچر و کنترل مقاومت آرمیچر.

کنترل شار میدان

کنترل شار میدان، متداول‌ترین روش کنترل سرعت یک موتور DC شنت یا کمپوند است. در این روش کنترلی، جریان به بالاتر از مقدار پایه که توسط ولتاژ ترمینال تعیین شده افزایش داده می‌شود. این روش، ساده و ارزان است و موجب تغییرات زیاد در تلفات موتور نخواهد شد. کم‌ترین سرعت دست‌یافتنی یک موتور DC شنت در یک ولتاژ ترمینال داده شده، زمانی رخ می‌دهد که رئوستای شار میدان روی صفر تنظیم شود. روش کنترل مقاومت میدان برای کنترل سرعت را می‌توان کنترل توان ثابت نیز نامید. البته توان حقیقی به بار بستگی دارد. از آن‌جایی که با کنترل مقاومت میدان می‌توان سرعت موتور را افزایش داد، باید روش دیگری را برای کاهش سرعت موتور به کار گرفت.

کنترل ولتاژ آرمیچر

با فرض بدون تغییر ماندن شار در هر قطب، با کاهش ولتاژ ترمینال، سرعت موتور کم می‌شود. اگر شار ثابت بماند (با تحریک جداگانه میدان یا تنظیم رئوستا)، سرعت موتور مستقیماً با ولتاژ تغییر خواهد کرد. با افزایش مقاومت از طریق تنظیم رئوستا، جریان و شار میدان کاهش می‌یابد. اگر شار هر قطب کاهش یابد، سرعت ماشین زیاد می‌شود.

کنترل مقاومت آرمیچر

با فرض ثابت ماندن ولتاژ ترمینال و شار میدان، افزایش مقاومت مدار آرمیچر، سبب کاهش سرعت موتور می‌شود. برای جلوگیری از اثرپذیری شار میدان، افزودن یک مقاومت اضافه به مدار آرمیچر امری ضروری است. افزودن مقاومت مدار آرمیچر، سبب تغییر شیب مشخصه گشتاور-سرعت موتور می‌شود. با اینکه پیاده‌سازی این روش نسبتاً آسان است، به دلیل توان تلف شده مقاومت، تلفات اضافه‌ای به سیستم تحمیل می‌کند.

کنترل سرعت موتور سنکرون

موتورهای سنکرون، سرعت ثابتی دارند. این موتورها در سرعت سنکرون منبع کار می‌کنند و معمولاً برای عملکرد با سرعت ثابت و تحت شرایط بی‌باری، به منظور بهبود ضریب توان به کار می‌روند. موتورهای سنکرون تلفات کمتری نسبت به موتورهای القایی دارند.

سرعت یک موتور سنکرون برابر است با:‌

$$ \large N _ s = \frac { 120 f } { p } $$

که در آن، $$f$$ فرکانس منبع و $$p$$ تعداد قطب‌های موتور است.

همان‌طور که از فرمول اخیر مشخص است، سرعت سنکرون به فرکانس منبع و تعداد قطب‌های روتور وابسته است. تغییر تعداد قطب‌ها کار آسانی نیست. بنابراین، از این روش استفاده نمی‌کنیم. البته با استفاده از مدارهای شامل قطعات حالت جامد، فرکانس جریان تغذیه کننده موتور سنکرون را می‌توان تغییر داد. بنابراین، می‌توانیم سرعت موتور سنکرون را با تغییر فرکانس منبع کنترل کنیم. برای این کار می‌توان از ترکیب یکسوکننده‌ها و اینورترها به دو صورت حلقه باز و حلقه بسته استفاده کرد.

روش حلقه باز

در این روش، موتور سنکرون از یک اینورتر فرکانس متغیر تغذیه می‌شود. به دلیل ساختار حلقه باز، اینورتر اطلاعاتی درباره وضعیت روتور ندارد. این روش برای مواردی که کنترل سرعت بسیار دقیق مورد نظر نیست، کاربرد دارد. منبع، مجموعه اینورتر-یکسوساز را تغذیه می‌کند.

در شکل زیر، نمودار بلوکی کنترل سرعت موتور سنکرون نشان داده شده است. ولتاژ سه فاز منبع، از طریق یکسوساز به ولتاژ‌ DC تبدیل می‌شود. پس از آن، ولتاژ DC دارای ریپل از طریق فیلتر LC نرم شده و هموار می‌شود. این ولتاژ DC نرم، به اینورتر وارد شده و اینورتر موتور را تغذیه می‌کند. اینورتر می‌تواند منبع جریان یا منبع ولتاژ باشد.

وقتی بخواهیم چند موتور در سرعت یکسانی کار کنند، استفاده از روش حلقه باز مفید خواهد بود. از معایب این روش می‌توان به نوسان یا تغییرات ناگهانی اشاره کرد.

روش حلقه بسته

هنگامی از روش حلقه بسته استفاده می‌کنیم که دقت بالایی در کنترل سرعت لازم باشد. در این روش، سرعت روتور، فرکانس خروجی اینورتر را تعیین می‌کند. همان‌طور که در شکل زیر می‌بینیم، سرعت روتور به یک تفریق کننده پس خورانده می‌شود. اختلاف بین سرعتِ از قبل تنظیم شده و سرعتِ واقعی به یکسوساز وارد می‌شود. بر این اساس، اینورتر فرکانس را تغییر داده و سرعت موتور را تنظیم می‌کند. در این حالت، کنترل سرعت دقیق‌تری داریم. برای مثال، اگر سرعت کاهش یابد (به دلیل افزایش بار)، فرکانس منبع تغذیه استاتور کم می‌شود و به همین دلیل، روتور با میدان مغناطیسی استاتور سنکرون می‌ماند. در این حالت، نوسان یا تغییر ناگهانی وجود نخواهد داشت.

کنترل سرعت موتور القایی سه فاز

یک موتور القایی سه فاز، اساساً یک موتور سرعت ثابت است. اما کنترل سرعت آن تا حدودی دشوار است.

کنترل سرعت موتور القایی، به بهای کاهش بهره‌وری و ضریب توان پایین انجام می‌شود. قبل از صحبت درباره کنترل سرعت موتور القایی سه‌ فاز، باید فرمول اساسی سرعت و گشتاور آن را بنویسیم، زیرا روش‌های کنترل سرعت به این فرمول‌ها بستگی دارند.

فرمول سرعت سنکرون به صورت زیر است:

$$ \large N _ s = \frac {120 f} { P } $$

که در آن، $$f$$‌ فرکانس و $$P$$ تعداد قطب‌ها است.

سرعت موتور سنکرون به صورت زیر بیان می‌شود:

$$ \large N = N _ s (1-s)$$

که در آن، $$N$$ سرعت روتور موتور القایی، $$ N _s $$ سرعت سنکرون و $$S$$ لغزش است. گشتاور تولیدی موتور نیز برابر است با:

$$ \large T = \frac { 3 } { 2 \pi N _ s} X \frac { s E _2^2 R _2} {R_2 ^ 2 + (s X_2)^2} $$

وقتی که لغزش موتور متوقف شود، $$s$$ برابر با $$1 $$ است. در این صورت، گشتاور برابر است با:

$$ \large T = \frac { 3 } { 2 \pi N _ s} X \frac { E _2^2 R _2} {R_2 ^ 2 + X _ 2 ^ 2 } $$

که در آن، $$ E _ 2 $$ مقدار نیروی محرکه الکتریکی (EMF) روتور، $$ N _s $$ سرعت سنکرون، $$ R_ 2 $$ مقاومت روتور و $$ X _ 2 $$ راکتانس القایی روتور است.

سرعت موتور القایی را می‌توان هم از طریق استاتور و هم روتور انجام داد. کنترل سرعت از سمت استاتور با روش‌های زیر قابل انجام است:

• کنترل $$ V / f$$ یا کنترل فرکانس
• تغییر تعداد قطب‌های استاتور
• کنترل ولتاژ منبع تغذیه
• افزودن رئوستا به مدار استاتور

کنترل سرعت موتور القایی سه فاز از سمت روتور را نیز می‌توان با روش‌های زیر انجام داد:

• اضافه کردن مقاومت به روتور
• روش کنترل آبشاری
• تزریق نیروی محرکه الکتریکی فرکانس لغزش به سمت روتور

در ادامه، هر یک را توضیح می‌دهیم.

کنترل $$ \large V / f$$‌ یا کنترل فرکانس

وقتی یک منبع تغذیه سه فاز، موتور القایی را تغذیه کند، یک میدان مغناطیسی گردان به وجود می‌آید که با سرعت سنکرون می‌چرخد:

$$ \large N _s = \frac {120 f } { P } $$

در موتور القایی سه فاز، نیروی محرکه القایی، مشابه ترانسفوماتور با رابطه زیر بیان می‌شود:‌

$$ \large V = 4.44 \phi K\cdot T \cdot f $$

یا

$$ \large \phi = \frac { V } { 4.44 K T f }$$

که در آن، $$K$$ ثابت سیم‌پیچی، $$T$$ تعداد دور بر فاز و $$f$$ فرکانس است.

اکنون اگر فرکانس را تغییر دهیم، سرعت سنکرون تغییر می‌کند. اما با کاهش فرکانس، شار افزایش می‌یابد و این تغییر مقدار شار سبب اشباع هسته روتور و استاتور می‌شود که خود سبب افزایش جریان بی‌باری موتور می‌گردد. بنابراین، ثابت نگه داشتن شار $$ \phi $$ امری ضروری است. در این صورت باید ولتاژ را همراه با تغییر فرکانس، تغییر دهیم. بدین صورت که اگر فرکانس را کاهش دهیم، شار افزایش پیدا می‌کند، اما اگر همزمان ولتاژ را کاهش دهیم، شار کاهش می‌یابد و به این ترتیب، شار تغییری نمی‌کند و ثابت می‌ماند. در نتیجه، باید نسبت $$ V / f $$ را ثابت نگه داریم. به همین دلیل است که این روش $$ V / f $$ نام دارد. برای کنترل سرعت موتور القایی سه فاز با روش $$ V / f$$، باید ولتاژ و فرکانس تغذیه را تغییر دهیم. این کار را می‌توان به آسانی و با استفاده از مجموعه مبدل و اینورتر انجام داد.

کنترل ولتاژ منبع

گشتاور تولیدی یک موتور القایی سه فاز به صورت زیر است:

$$ \large T \propto \frac {s E _2^2 R _2} {R_2 ^ 2 + (s X _ 2) ^ 2 } $$

در ناحیه لغزش پایین، عبارت $$ (sX)^2$$ در مقایسه با $$R_2$$ بسیار کوچک است. بنابراین می‌توانیم از آن چشم‌پوشی کنیم و گشتاور را به صورت زیر بنویسیم:

$$ \large T \propto \frac {s E _2^2 } {R_2 } $$

از آن‌جایی که مقاومت $$R_2$$ روتور ثابت است، معادله گشتاور را می‌توان به صورت زیر نوشت:

$$ \large T \propto {s E _2^2 } $$

می‌دانیم که $$ E_2 \propto V$$، در نتیجه $$T \propto s V ^ 2 $$.

از معادله اخیر مشخص است که اگر ولتاژ تغذیه را کاهش دهیم، گشتاور نیز کاهش می‌یابد. اما برای تغذیه بار مشابه، باید گشتاور را در مقدار ثابت نگه داریم. در این صورت، فقط می‌توانیم لغزش را زیاد کنیم و اگر این کار را انجام دهیم، موتور در سرعت کمتری کار خواهد کرد. این روش کنترل سرعت، به ندرت مورد استفاده قرار می‌گیرد، زیرا یک تغییر کوچک در سرعت، نیازمند کاهش بزرگی در ولتاژ است و در نتیجه، جریان کشیده شده توسط موتور افزایش می‌یابد و سبب گرم شدن آن می‌گردد.

تغییر تعداد قطب‌های استاتور

قطب‌های استاتور را می‌توان به دو صورت تغییر داد:

• روش سیم‌پیچی چندگانه استاتور

در این روش، دو سیم‌پیچی مجزا در استاتور وجود دارد. این دو سیم‌پیچی از نظر الکتریکی نسبت به یکدیگر ایزوله هستند و برای دو تعداد مختلف از قطب‌ها ساخته شده‌اند. با استفاده از یک آرایش سوئیچینگ، در یک زمان، منبع فقط یکی از سیم‌پیچ‌ها را تغذیه می‌کند و در نتیجه کنترل سرعت ممکن خواهد شد. از معایب این روش، عدم امکان کنترل سرعت نرم است و اینکه هزینه بالایی دارد و بهره‌وری آن نیز پایین است، زیرا در آن دو سیم‌پیچی به کار رفته است. این روش کنترل سرعت را فقط می‌توان به موتور قفس سنجابی اعمال کرد.

• روش مدولاسیون دامنه قطب (PAM)

در این روش، موج نیروی محرکه مغناطیسی (mmf) سینوسی اصلی با یک موج mmf سینوسی دیگر مدوله می‌شود که تعداد قطب‌های متفاوتی دارد. فرض کنید $$ f _1 ( \theta ) $$، موج mmf اصلی موتور القایی باشد که باید سرعت آن را کنترل کنیم. $$ f _ 2 ( \theta ) $$ را نیز به عنوان موج mmf مدولاسیون در نظر بگیرید. همچنین، $$P_1$$ تعداد قطب‌های موتور القایی و $$ P_2$$ نیز تعداد قطب‌های موج مدولاسیون است. روابط زیر را داریم:‌

$$ \large f _ 1 ( \theta ) = F_1 \sin \frac {P_1 \theta } {2} $$

$$ \large  f _ 2 ( \theta ) = F_2 \sin \frac {P_2 \theta } {2} $$

پس از مدولاسیون، موج mmf به صورت زیر خواهد بود:

$$ \large F _ r ( \theta ) = F _1 F _2 \sin \frac {P_1 \theta} {2}\sin \frac {P_2 \theta} {2} $$

از فرمول زیر کمک می‌گیریم:

$$ \large 2 \sin A \sin B = \cos \frac {A-B} { 2 } - \cos \frac {A + B } { 2 } $$

در نتیجه، داریم:

$$ \large F _ r ( \theta ) = F_1 F _ 2 \frac { \cos \frac {(P_1 - P_2) \theta}{2} - \cos \frac {(P_1 + P_2) \theta}{2} } { 2 } $$

بنابراین، شکل mmf دو مقدار مختلف قطب $$ P _ {11} = P_1 - P_2$$ و $$ P _ {12} = P_1 + P _ 2$$ دارد. در نتیجه، با تغییر تعداد قطب‌ها می‌توانیم به سادگی سرعت موتور را تغییر دهیم.

اضافه کردن رئوستا به مدار استاتور

در این روش، یک رئوستا به مدار استاتور افزوده می‌شود و در نتیجه سبب افت ولتاژ خواهد شود. همان‌طور که می‌دانیم، رابطه $$ T \propto s V _ 2 ^ 2 $$ در موتور القایی سه فاز برقرار است. بنابراین، اگر ولتاژ منبع را کاهش دهیم، گشتاور نیز کاهش می‌یابد. اما برای تغذیه یک بار مشابه، گشتاور باید ثابت بماند و این فقط در حالتی ممکن است که لغزش را افزایش دهیم. افزایش لغزش نیز سبب کاهش سرعت می‌شود.

حال، روش‌های کنترل سرعت در سمت روتور را بررسی می‌کنیم.

افزودن مقاومت خارجی به روتور

در این روش، مقاومت خارجی به روتور افزوده می‌شود. معادله گشتاور موتور القایی سه فاز به صورت زیر است:

$$ \large T \propto \frac {s E _2 ^2 R _2 } {R_2 ^ 2 + (s X_2) ^ 2 } $$

موتور القایی سه فاز، در ناحیه لغزش کم کار می‌کند. در این ناحیه، $$ (s X )^2 $$ نسبت به $$R_2$$ بسیار کوچک بوده و می‌توان از آن چشم‌پوشی کرد. $$E_2 $$ نیز ثابت است. بنابراین، معادله گشتاور بعد از ساده‌سازی به صورت زیر خواهد بود:

$$ T \propto \frac {s} { R _ 2} $$

اکنون اگر مقاومت $$ R_2$$ روتور را افزایش دهیم، گشتاور کاهش می‌یابد. اما برای تغذیه بار مشابه، باید آن را ثابت نگه داریم. بنابراین، لغزش را افزایش می‌دهیم که در نتیجه آن، سرعت کاهش پیدا می‌کند. در نتیجه، با افزودن مقاومت خارجی به مدار روتور، می‌توان سرعت موتور القایی سه فاز را کاهش داد. مزیت اصلی این روش، آن است که با افزودن مقاومت به مدار روتور، گشتاور راه‌اندازی افزایش می‌یابد. اما این روش معایبی نیز دارد که عبارتند از:

• سرعت بالاتر از مقدار نامی ممکن نیست.
• تغییرات بزرگ در سرعت، نیازمند مقاومت‌های بزرگ است و اگر مقدار مقاومت بزرگی به مدار افزوده شود، سبب تلفات زیاد و در نتیجه کاهش بازدهی خواهد شد.
• وجود مقاومت سبب تلفات بیشتر می‌شود.
• این روش را نمی‌توان به موتورهای قفس سنجابی اعمال کرد.

روش کنترل آبشاری

در این روش، دو موتور القایی سه فاز به یک شفت مشترک متصل می‌شوند و به همین دلیل، این روش کنترل آبشاری نام دارد. یکی از موتورها اصلی و دیگری کمکی است. منبع سه فاز به استاتور موتور اصلی اعمال می‌شود، در حالی که فرکانس لغزش موتور کمکی را حلقه لغزان موتور اصلی تعیین می‌کند.

فرض کنید $$ N _ {s1}$$ سرعت سنکرون موتور اصلی، $$ N _ {s2}$$ سرعت سنکرون موتور کمکی، $$P_1$$ تعداد قطب‌های موتور اصلی، $$P_2$$ تعداد قطب‌های موتور کمکی، $$ F $$ فرکانس منبع، $$ F _1$$ فرکانس emf القایی روتور موتور اصلی و $$N $$ سرعت مجموعه دو موتور باشد.

لغزش $$ S_1$$ موتور اصلی، برابر است با:

$$ \large S_1 = \frac { N_{S1} - N } { N _ {S1}}$$

$$ \large F _ 1 = S_1 F $$

موتور کمکی، با فرکانس مشابهی با موتور اصلی تغذیه می‌شود. یعنی:

$$ \large F _ 1 = F _ 2 $$

$$ \large N _ {S2} = \frac { 120 F _ 2 } { P _ 2 } = \frac { 120 F _1 } { P _ 2} $$

$$ \large N _ {S2} = \frac { 120 S_1 F } { P _ 2 } $$

اکنون مقدار $$  S_1 = \frac { N_{S1} - N } { N _ {S1}}$$ را در فرمول اخیر جایگذاری می‌کنیم. بنابراین، داریم:

$$ \large N _ {S2} = \frac {120 F (N_ {S1} - N) } {P_2 N _ {S1}} $$

در حالت بی‌باری، سرعت موتور کمکی، برابر با سرعت سنکرون، یعنی $$ N = N _ {s2} $$ است:

$$ \large N = \frac {120 F (N_ {S1} - N) } {P_2 N _ {S1}} $$

با چند عملیات ساده ریاضی روی معادله اخیر، می‌توان مقدار $$ N $$ را به دست آورد:‌

$$ \large N = \frac { 120 F } {P_1 - P_2} $$

این ترکیب آبشاری از دو موتور، سرعت جدیدی با تعداد قطب‌های $$ ( P _1 + P _ 2) $$ خواهد داشت. در این روش، گشتاور موتور اصلی و موتور کمکی در یک جهت است و این نوع اتصال آبشاری، جمع‌ شونده نامیده می‌شود. نوع دیگری از اتصال آبشاری وجود دارد که در آن، گشتاور تولیدی موتور اصلی در خلاف جهت گشتاور موتور کمکی است. این نوع نوع اتصال، آبشاری تفریق شونده نام دارد. در این حالت، سرعت متناظر با تعداد قطب‌های $$ (P_1 - P _ 2 ) $$ است.

در این روش کنترل سرعت موتورهای القایی سه فاز، چهار سرعت مختلف به دست می‌آید:

• وقتی فقط موتور اصلی کار کند، سرعت برابر است با:‌ $$ N _ {S1} = \frac { 120 F } { P_1} $$.
• وقتی فقط موتور کمکی کار کند، سرعت برابر است با: $$ N _ {S2} = \frac { 120 F } { P_2} $$.
• وقتی اتصال دو موتور به صورت آبشاری جمع‌ شونده باشد، سرعت مجموعه برابر است با: $$ N = \frac { 120 F } { (P_1+P_2)} $$.
• وقتی اتصال دو موتور به صورت آبشاری تفریق‌ شونده باشد، سرعت مجموعه برابر است با: $$ N = \frac { 120 F } { (P_1 - P_2)} $$.

تزریق EMF فرکانس لغزش به سمت روتور

وقتی کنترل سرعت موتور القایی سه فاز با اضافه کردن مقاومت به مدار روتور انجام شود، بخشی از توان که توان لغزش نامیده می‌شود، با فرمول $$ R I ^ 2$$ تلف می‌شود. بنابراین، بازده موتور القایی سه فاز در این روش کاهش می‌یابد. این تلفات توان لغزش را می‌توان جبران کرد و بازده کلی را بهبود داد. به این روش، بازیابی توان لغزش می‌گویند و با اتصال یک منبع خارجی emf فرکانس لغزش در مدار آن را انجام می‌شود.

نیروی محرکه الکتریکی تزریقی، می‌تواند مخالف emf القایی روتور باشد یا به آن کمک کند. اگر با emf القایی روتور مخالفت کند، مقاومت کل روتور افزایش می‌یابد و در نتیجه سرعت کم می‌شود. اگر emf تزریقی به emf القایی روتور کمک کند، مقاومت کل روتور کم شده و در نتیجه سرعت زیاد می‌شود.

مزیت اصلی این روش کنترل سرعت، این است که محدوده گسترده‌ای از سرعت‌های مختلف (بالاتر از مقدار نامی و پایین‌تر از آن) را می‌توان کنترل کرد.

کنترل موتورهای الکتریکی صنعتی

اگر علاقه‌مند به یادگیری روش‌های مختلف کنترل موتورهای صنعتی هستید، دو دوره آموزش ویدئویی زیر را به شما پیشنهاد می‌کنیم:

• آموزش کنترل موتورهای الکتریکی صنعتی ۱
• آموزش کنترل موتورهای الکتریکی صنعتی ۲

در «آموزش کنترل موتورهای الکتریکی صنعتی ۱»، ابتدا مفاهیم عمومی کنترل موتورهای الکتریکی بیان شده است. همچنین، نمادها و دیاگرام‌های شماتیکی مربوط به نقشه مدارهای قدرت و فرمان مدارهای کنترل موتور ارائه شده است. در بخشی از آموزش مذکور، انواع رله‌های اضافه بار، زمان‌دار و کنتاکتورها برای راه‌اندازی و نیز محافظت از موتورها به طور کامل و مفصل معرفی شده است. علاوه بر این، انواع سنسورها، سوئیچ‌ها، ترنسمیترها، دیتکتورها و مثال‌هایی از نحوه سیم‌کشی و نقشه‌خوانی مدار کنترل موتورها به طور کامل مورد بررسی قرار گرفته است.

در «آموزش کنترل موتورهای الکتریکی صنعتی ۲»، ابتدا روش‌های سیم‌کشی و نصب مدارهای کنترل موتور ارائه شده است. همچنین، کاربرد قطعات الکترونیک قدرت، آی‌سی‌ها، PLCها و گیت‌های منطقی در مدارهای کنترل موتور بیان شده است. همچنین، موتورهای DC، موتورهای AC و موتورهای پله‌ای معرفی شده و روش‌های کنترل و حفاظت آن‌ها به طور کامل مورد بررسی قرار گرفته است.

اگر به یادگیری مباحث مشابه این مطلب علاقه‌مند هستید، آموزش‌های زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

• اصول عملکرد ترانسفورماتور — به زبان ساده
• مبدل های DC به DC — مفاهیم اصلی

^^