راه اندازی موتور های القایی:

موتور های القایی به دلیل اینکه جریان اولیه شان در ابتدا بالاست برای راه اندازی نیاز به آموزش دارند.

روش های راه اندازی موتور های القایی

آسان ترین روش راه اندازی موتور های القایی این است که موتور القایی را مستقیم به برق سه فاز وصل کنیم اما مشکل اینجاست که جریان اولیه بالایی دارند که از سیم پیچ های موتور عبور می کنند و برای برطرف کردن این مشکل روش های مختلفی که در ادامه بیان می کنیم وجود دارد.

روش های استارت موتور القایی:

۱)روش راه اندازی مستقیم (با کلید مغناطیسی)
۲)روش ستاره مثلث
۳)روش راه اندازی نرم
۴)روش راه اندازی با اینورتر

چرا جریان راه اندازی موتور القایی در ابتدا زیاد است؟

یک موتور القایی پس از روشن شدن در ابتدا به دلیل اینکه سرعت موتور پایین است باید توان بالایی را از شبکه ی جریان دریافت کند (در اصطلاح زور زیادی بزند) تا باری که برروی آن قرار گرفته را تکان دهد و همین امر سبب می شود باعث استفاده از جریان بالا می شود که استفاده کردن از جریان بالا نیز خود سبب می شود که ولتاژ کاهش پیدا کند.

با توجه به نمودارهای  گشتاور – سرعت و نمودارهای جریان موتور القایی در حالت های مختلف راه اندازی می توان دریافت که در هنگام شروع حرکت موتور، جریان اولیه چقدر از جریان نامی موتور بیشتر است و لازم است بدانید که جریانی در ابتدای راه اندازی به روش مستقیم در موتور القایی حدود ۶ الی ۸ برابر جریان نامی موتور القایی می باشد.

مدار قدرت

مجموعه سیم بندی های سه فازی که از المان های حفاظتی به سمت الکتروموتور ها و ژنراتور ها وجود دارد مدار قدرت آن سیستم می باشد .در مدار قدرت برای راه اندازی الکترو موتور القایی مهم ترین فاکتور سربندی موتور می باشد. برای مثال سر بندی راه اندازی ستاره با سر بندی راه اندازی مثلث با هم تفاوت بسیاری دارند که میبایست رعایت شود. المان های به کار رفته در مدار قدرت عبارت اند از : فیوز ها , کلید های حفاظت موتوری MPCB, کنترل بار , کنتاکتور ها , کلید های حرارتی (بی متال) و…

مدار فرمان

سیم بندی های تک فازی که بعد از گذشت از المان های حفاظتی و کنتاکت های NO و NC (نرمالی اپن و نرمالی کلوز) فرمان مورد نظر برای نحوه ی کارکرد مدار ما را صدور می کند مدار فرمان نامیده می شود. مدار فرمان بسته به نوع راه اندازی و المان های حفاظتی که باید در مدار مورد استفاده قرار دهیم طراحی می شود. و این مدار فرمان است که مدار قدرت را وارد مدار می کند و هر گونه اشتباه در طراحی مدار فرمان امکان بوجود آمدن حادثه هایی همچون اتصال کوتاه در سیم پیچی های الکترو موتور که باعث آتش سوزی و از بین رفتن الکترو موتور میشود , اتفاق می افتد. المان هایی که در مدار فرمان استفاده میکنیم بسیار گسترده میباشد و ما چند مورد که استفاده ی بیشتری دارند را معرفی میکنیم : کنترل فاز , بی متال ها , شستی ها(استاپ و استارت تکی و دوبل , استاپ قارچی) میکرو سوییچ ها , تیغه های کمکی کنتاکتور ها , رله ها , المان های اندازه گیری(جریان , ولتاژ , دما , فشار) , تایمر ها و مواردی بسیار دیگر.

پر کاربردترین مدارات در برق صنعتی

در کارخانه ها برای راه اندازی دستگاه هایی که وابسته به الکترو موتور القایی سه فاز می باشند مدار های مختلفی بسته به نوع نیاز و کارکرد دستگاه ها طراحی می شود .مدار فرمان های پر کاربرد در برق صنعتی عبارت اند از : مدار فرمان استارت لحظه ای , مدار فرمان دائم کار , مدار فرمان استارت از دو نقطه (دستگاه پرس) , مدار فرمان چپگرد راستگرد لحظه ای , مدار فرمان چپگرد راستگرد دائم , مدار فرمان ستاره مثلث , مدار فرمان ستاره مثلث – چپگرد راستگرد.

پرکاربرد ترین اتصالات و سربندی های الکترو موتورهای القایی

این اتصال ها  و سربندی ها عبارتند از : اتصال ستاره , اتصال مثلث , اتصال ستاره مثلث , اتصال موتورهای دو سرعته دالاندراین اتصال ها را هنگام توضیح دادن مدار های فرمان توضیح خواهیم داد.

. در تابلو برق سیم‌های نول باید توسط ترمینال پیچی یا توسط حوضچه قلع و روکش عایق (وارنیش حرارتی) به هم متصل شوند و برقکار باید از به هم تابیدن سیم‌ها و نوارچسب کاری کردن آن‌ها اکیدا خودداری کند.
۲٫ نصب فن در حمام ممنوع است مگر IP44 باشد ( در وبلاگ برقکاران بخوانید IP یعنی چه و چه کاربردی دارد؟ ) که باید حداقل ۶۰cm با خروجی آب دوش فاصله داشته باشد.
۳٫ از بدنه اجسام نباید به عنوان سیم ارت استفاده کرد.
۴٫ عبور لوله برق از کف حمام و آشپزخانه و دست‌شویی و مکان‌های مرطوب و دارای ریزش آب ممنوع است.
۵٫ مسیر لوله برق از روی دیوارها به صورت مورب ممنوع است. (زیرا ممکن است در آینده روی آن میخ کوبیده شود)
۶٫ حداقل فاصله مجاز دتکتور تا دیوار ۱۰cm می‌باشد ولی توصیه جدی شده که از ۵۰cm کمتر نشود.
۷٫ استفاده از چاه آسانسور جهت عبور تأسیسات برقی به استثناء کابل آسانسور ممنوع است.
۸٫ لوله‌کشی هایی که در سقف کاذب انجام می شود ترجیحاً از مسیرهای مشخص و مشترک و با بست و ساپورت مناسب انجام گردد که هنگام پیچ کردن یا میخ کوبیدن در سقف مسیر مشخص باشد.
۹٫ استفاده از لوله‌های خرطومی پلاستیکی در برق ساختمان از سال ۸۹ ممنوع شده. چون بسیار کم استقامت هستند، مخصوصاً بعد از گذشت چند سال به‌ شدت شکننده می‌شوند و عبور فنر از آن باعث شکسته شدن آن می شود. به جای آن باید از لوله های فلکسی استاندارد استفاده کرد.

۱۰٫ لوله‌های فلزی و پوشش‌های فلزی سیم‌های عایق دار، نباید به عنوان سیم برگشت، سیم نول یا سیم محافظ مورد استفاده قرار گیرد.
۱۱٫ طول کابل تغذیه کنتور برق ساختمان تا تیر شرکت برق نباید بیشتر از ۲۵ متر باشد.

ایرینگ با سیم کشی قطعات الکتریکی داخل تابلو برق بسیار حائز اهمیت بوده و اجرای آن باید با دقت هرچه بیشتر انجام شود زیراکه یکی از مهمترین مسائلی که باید در رابطه با ایمنی تابلو برق به آن توجه نمود همین سیم کشی تجهیزات الکتریکی می‌باشد و همچنین عملکرد صحیح و طول عمر تجهیزات تا حد زیادی به رعایت اصول سیم کشی و استاندارد‌های مربوطه بستگی دارد.

برخی از اصول و استاندارد‌هایی که در سیم کشی تابلو برق باید مد نظر داشته باشیم.

۱- کلیه اتصالات و علی الخصوص سیم‌هایی که از باسبار (شینه) انشعاب داده شده اند، باید توسط سرسیم مخصوص و کابلشو پرس شده و توسط پیچ و مهره به هم متصل شوند.

اتصال کابلشو به شکل صحیح به شینه

۲- سیم‌های مورد استفاده برای ترانسفورماتور‌های ولتاژ یا PT، بدلیل حرارت زیاد حداقل ۱ رنج بالاتر گرفته شوند. برای ترانس جریان یا CT، سیم ۲٫۵ در ۳- فضای داخل کانال سیم کشی (داکت)، حدود ۱/۳ خالی باشد.نظر گرفته شود.

داکت

۴- سیم‌هایی که خارج از داکت عبور می‌کنند و باز هستند، باید طوری فرم دهی شوند که در هنگام گرم شدن و یا تکان خوردن، به بدنه و دیگر لوازم اتصال نکند.

۵- تمامی مصارف داخل تابلو باید دارای فیوز مناسب باشند. مانند چراغ سیگنال، فن، هیتر و …

۶- تمامی قسمت‌های لخت و برقدار باید عایق شوند تا از تماس آن‌ها با بدن جلوگیری شوند به عنوان مثال در محل کابلشو‌ها از وارنیش حرارتی استفاده نموده و آن را کاملا عایق نمود.

وارنیش حرارتی

۷- از خم کردن سیم‌های افشان به صورت تیز و یا ۹۰ درجه خودداری شود. آن‌ها را باید به صورت گرد خم کنید و یا در فاصله‌های کوتاه آن‌ها را به شکل S. دربیاورید.

۸- در تابلو برق، ولتاژ سیم‌ها باید با رنگ بندی از هم متمایز شوند. مثلا،۲۲۰ ولت با رنگ یا قرمز یا مشکی و ۲۴ ولت با رنگ آبی یا سبز

در سیستم های الکتریکی و تابلوهای اصلی برق و در اغلب محیط های صنعتی، برای بررسی و مدیریت تجهیزات الکتریکی و آنالیز پارامترهایی مانند جریان، ولتاژ، توان، فرکانس، ضریب قدرت و … به دستگاه های اندازه گیری الکتریکی نیاز است.

• انتخاب دستگاه های اندازه گیری

1. کلاس دقت دستگاه: ۱٫۵ و در صورت لزوم ۱
2. ولتاژ تست دستگاه: (مثال برای کار در ولتاژ ۴۰ الی ۶۰۰ ولت، ولتاژ تست ۲۰۰۰ ولت)
3. کمیت مورد سنجش
4. وضعیت نصب دستگاه
5. ابعاد دستگاه (۷۲×۷۲، ۹۶×۹۶، ۱۴۴×۱۴۴) میلی متر در میلی متر
6. نصب مستقیم به مدار یا با استفاده از C.T و P.T

• آمپرمتر

آمپرمتر دستگاهی جهت اندازه گیری مقدار جریان مؤثر در مدار است که به صورت سری با مصرف کننده قرار می گیرد. برای اندازه گیری جریانی که از بار عبور می کند، باید آمپرمتر را به صورت سری با مصرف کننده قرار داد. برای توسعۀ اندازه گیری در جریان های مستقیم و متناوب توان پایین از مقاومت های موازی (Rp) که به آن شنت آمپرمتر می گویند استفاده می شود.

در تابلوهای برق می توان برای اندازه گیری جریان هر مصرف کننده یک آمپرمتر و برای اندازه گیری جریان کل نیز یک آمپرمتر جداگانه در مدار قرار داد. در جریان سه فاز در صورت متعادل بودن بار، می توان توسط یک آمپرمتر جریان یک فاز را اندازه گیری، و برای دو فاز دیگر منظور کرد. اما چون معمولاً بر روی شینه های اصلی تابلو، بارهای متعادل قرار نمی گیرد لذا برای هر شین یک آمپرمتر و در مجموع از سه آمپرمتر استفاده می شود.

آمپرمترها در دو نوع AC و DC در بازار موجود است. در هنگام استفاده از آمپرمتر باید شدت جریان مدار بیش از جریان نامی یا جریان ماکزیمم آن نباشد. به عنوان مثال آمپرمتر صفر تا ۱۰ آمپر تنها جریان های در این محدوده را اندازه گیری می کند.

در مواردی که به خاطر زیاد بودن جریان و یا غیرممکن بودن اتصال شین به آمپرمتر، استفاده از آمپرمتر به تنهایی مقدور نباشد از ترانسفورماتور (مبدل) جریان استفاده می کنیم. گاهی اوقات جریان مصرف کننده بیشتر از این مقدار بوده که در این صورت می توان از چند روش، رنج آمپرمتر را توسعه داد که متداول ترین آن، استفاده از ترانس جریان یا اصطلاحاً CT است. در CT، اولیه ترانس از یک هادی یا شین و ثانویه آن از یک سیم پیچ تشکیل شده است.

در ادامه این مقاله توضیحات بیشتری در مورد ترانس جریان خواهیم داد.

 توجه داشته باشید که در هنگام استفاده از ترانس جریان باید ضریب تبدیل در مقدار عددی خوانده شده از آمپرمتر لحاظ شود. لازم به ذکر است که در اکثر آمپرمترها ضریب CT برای دستگاه اندازه گیری تعریف شده است به طوری که عددی که آمپرمتر نشان می دهد در اصل مقدار واقعی جریان خواهد بود و دیگر نیازی به لحاظ کردن ضریب تبدیل نیست.

برای نصب در تابلوهای سه فاز آمپر پایین (کمتر از ۱۰۰ آمپر) به شکل مستقیم (یکسره، بدون مبدل) و برای آمپراژهای بالا با استفاده از ترانسفورماتور جریان بسته می شوند. سیم پیچ اولیه ترانسفورماتور جریان فقط شین (شمش) حامل جریان است.

 آمپرمتر مطابق با شدت جریان عبوری از مدار با حدوداً ۲۰ درصد اضافه جریان انتخاب می شود تا شدت جریان ۶۰ آمپر در شبکۀ فشار ضعیف آمپرمتر مستقیماً در مسیر جریان مصرف قرار گرفته و جریان بیش از این مقدار از طریق CT سنجیده شده و به آمپرمتر داده می شود.

درجه بندی این نوع آمپرمترها باید براساس شدت جریان اولیه مدار انجام شود و نسبت تبدیل ترانسفورماتور جریان در مشخصات آمپرمتر درج شده باشد. دستگاه های اندازه گیری تابلویی معمولاً با کلاس دقت ۱٫۵  ساخته می شوند.

طراحی نقشه سیم کشی ساختمان اولین مرحله برای سیم کشی ساختمان است که متناسب با نوع ساختمان، نوع سیم کشی و تجهیزات مورد نظر تهیه می شود. نقشه سیم کشی ساختمان بایستی متناسب با تمامی اصول و استانداردهای سیم کشی ساختمان تهیه شود.

سیم کشی ساختمان بسته به نوع پروژه و کاربرد ساختمان به دو روش توکار و روکار انجام می شود. در سیم کشی روکار سیم ها برای حفظ زیبایی، نظم و امنیت از یک لوله برق مخصوص یا داکت برای پوشاندن سیم ها از روی گچ دیوار عبور داده می شوند. مزیت این روش سیم کشی سادگی در عیب یابی و دسترسی به سیم ها است. سیم کشی توکار روشی بسیار متداول و قابل اجرا برای انواع ساختمان های مسکونی، تجاری، اداری و غیره است. این روش به دلیل قابل رویت نبودن سیم ها نه تنها دارای ظرافت و زیبایی بوده بلکه امنیت بیشتری نیز نسبت به روش سیم کشی روکار دارد. سیم کشی توکار در دو حالت  انجام می شود. در حالت اول از سیم های مخصوص مجهز به چندلایه عایق مستقیماً در زیر گچ استفاده می شود. در حالت دوم سیم ها از رون لوله های خرطومی و pvc عبور داده می شوند. معمولاً استفاده از لوله های برق میتواند امنیت و دسترسی بهتری برای عیب یابی برق ساختمان ایجاد کند. بنابراین با توجه به قرارگیری سیم ها در زیر گچ دیوار سیم کشی توکار در سه مرحله انجام می شود. مرحله اول در هنگام ساخت ساختمان، مرحله دوم بعد از کف کاری، کاشی کاری و سفیدکاری دیوار ها و مرحله سوم بعد از نقاشی و تمام کردن کف انجام می شود.

 منظور از حفاظت الکتریکی اقداماتی است که باید در تأسیسات الکتریکی به عمل آورد تا خطرات ناشی از جریان برق سبب صدمه زدن به شخص، دستگاه ها، مصرف کننده ها و سیم های حامل جریان برق نشود. برای جلوگیری از این نوع خطاها باید از انواع حفاظت الکتریکی استفاده کرد.

• انواع حفاظت الکتریکی

به طور کلی انواع حفاظت الکتریکی شامل موارد زیر می شود:

• حفاظت انسان در برابر برق گرفتگی
• حفاظت مصرف کننده ها و تجهیزات الکتریکی
• حفاظت سیم و کابل

برای حفاظت از اشخاص در برابر خطر برق گرفتگی چه راهکارهایی وجود دارد ؟

• روش های ایجاد حفاظت الکتریکی

 برق گرفتگی غیر مستقیم و اتصال به بدنه تجهیزات الکتریکی که حفاظت آن از طریق سیستم ارت انجام می گیرد. 

 برق گرفتگی مستقیم که حفاظت آن توسط کلیدهای حفاظت جان RCD و RCCB و کلید آشکار ساز جرقه AFFD انجام می شود.

• حفاظت اضافه جریان و  حفاظت در برابر اتصال کوتاه 

جریان اضافه بار مدار: اضافه جریانی که علاوه بر جریان نامی در مدار برقرار شود و مدار آسیب نبیند.

جریان اتصال کوتاه : اضافه جریان ناشی از بروز اتصالی با امپدانس بسیار کم بین هادی های برق دار مانند هر یک از فازها یا نول با ارت.

---

 

 بیشتر بخوانید:

سه نکته مهم ایمنی در برق

اشخاص و تجهیزات الکتریکی باید در برابر اثرات ناشی از هر اضافه جریان و اتصال کوتاهی محافظت شوند. از جمله روش های مورد استفاده در این راستا قطع خودکار تغذیه و یا محدود کردن حداکثر اضافه جریان است.

• تجهیزات الکتریکی حفاظتی

همه اقلامی که برای تولید انتقال، توزیع و مصرف نیروی برق به کار می آید تجهیزات الکتریکی یا برقی نامیده می شود، مانند: ژنراتورها، ترانسفورماتورها، وسایل حفاظت مانند فیوزها، کلیدهای مینیاتوری، کلیدهای محافظ جان (RCD)، رله های کنترلی مانند رله ارت فالت، رله کنترل فاز و …، وسایل سیم کشی و دستگاه ها و وسایل مصرف کننده نیروی برق.

راهنمای نصب و سیم بندی رله ارت فالت اشنایدر را  این جا بخوانید.

• حفاظت تجهیزات و مصرف کننده های الکتریکی

حفاظت از تجهیزات و مصرف کننده های الکتریکی باید در برابر  هرگونه خطای احتمالی هم چون اتصال کوتاه و اضافه جریان صورت پذیرد. به منظور حفاظت تجهیزات به طور معمول قبل از دستگاه و مصرف کننده، تجهیزاتی مانند فیوزها، رله های حرارتی، کلید محافظ موتوری و … در مدار قرار می دهند. در واقع جهت حفاظت تجهیزات و مصرف کننده ها در مقابل اضافه بار از رله های حرارتی و برای حفاظت در مقابل اتصال کوتاه از فیوزهای ذوب شونده یا مغناطیسی استفاده می کنند. هم چنین برای دستگاه ها و مصرف کننده های الکتریکی خانگی از کلیدهای مینیاتوری بهره گرفته می شود که از تجهیزات هم در برابر اضافه بار و هم در مقابل اتصال کوتاه محافظت می کنند.

حفاظت اضافه جریان و اتصال کوتاه توسط بی متال، کلید حرارتی مغناطیسی، فیوز، کلید مینیاتوری، کلید اتوماتیک و کلید هوایی انجام می شود.

کلید هوایی چه تفاوتی با کلید اتوماتیک دارد و چطور از تجهیزات الکتریکی محافظت می کند؟

به طور کلی یک سیستم حفاظتی کلیه قسمت ها از جمله سیم زمین یا هادی حفاظتی (ارت)، هادی اتصال زمین، الکترود زمین، ترمینال اصلی اتصال زمین، تابلوهای توزیع، هادی های هم بندی اصلی و اضافی، تجهیزات و کلیدهای حفاظتی و … را شامل می شود.

• هادی حفاظتی (ارت)

به طور مثال در یک ساختمان هادی حفاظتی یا ارت به منظور اتصال بدنه دستگاه های الکتریکی به زمین از طریق شینه یا ترمینال اتصال زمین حفاظتی در تابلو توزیع فرعی و هم چنین اتصال دو شینه ارت در تابلو توزیع فرعی و اصلی و سپس اتصال شینه ارت تابلو توزیع اصلی به ترمینال اصلی اتصال زمین، استفاده می شود.

• هادی اتصال زمین

هادی اتصال زمین به قسمتی از سیم زمین می گویند که الکترود زمین را به ترمینال اصلی اتصال زمین وصل می کند.

• الکترود زمین

 به یک یا چند قطعه هادی که با زمین به صورت مستقیم در تماس هستند و با آن اتصال الکتریکی دارند، الکترود زمین می گویند.

الکترود زمین از لحاظ شکل و نحوه قرارگیری در زمین به موارد زیر تقسیم بندی می شود:

الکترود صفحه ای 

الکترود قائم

الکترود افقی

الکترودها به اشکال مختلف ساخته می شوند:

(الف) میله های مسی معمولاً با چکش در زمین کوبیده می شوند این میله ها دارای نوک تیز فولادی هستند که فرو رفتن در زمین را آسان می کند. پس از کوبیدن یک میله می توان میلۀ دیگری به آن پیچ کرد و کوبیدن را ادامه داد تا میله با طول مورد نظر تا حدود ۳ متر به دست آید.

(ب) صفحه های مسی یا الکترودهای صفحه ای در مناطق مرطوب حداقل پوشش خاک از لبه بالایی صفحه باید ۱/۵ متر باشدو در غیر این صورت الکترود صفحه ای در عمق بیش تر از ۳ متر برای رسیدن به لایه های نمناک زمین نصب می شود. در هر حالت صفحه به صورت عمودی در زمین قرار می گیرد.

(ج) غلاف یا زره فلزی کابل های زیر زمینی امروزه بیش تر به عنوان الکترود زمین و سیم زمین مورد استفاده قرار می گیرد. غلاف و زره کابل در پست به نوترال متصل هستند. در این سیستم ها در صورت اتصالی، جریان از غلاف یا زره عبور کرده و به زمین نفوذ نمی کند. در بسیاری از موارد برای کاهش دادن مقاومت زمین از مجموعه میله ها استفاده می کنند و با اتصال الکتریکی آن ها به یکدیگر آنها را به صورت الکترود واحد مورد استفاده قرار می دهند. اما نکته قابل توجه این است که مقاومت بین الکترود و زمین بستگی به مقاومت ویژه زمین دارد که خود بسته به جنس زمین و میزان رطوبت دارد.

بیشتر بخوانید:

اندازه گیری مقاومت چگونه صورت می گیرد

انواع الکترود و روش های نصب آن

 مقاومت ویژه خاک

• • حفاظت الکتریکی توسط سیم زمین

 در این حفاظت، قسمت های هادی دستگاه هایی که با شبکه تغذیه ارتباط الکتریکی ندارند توسط سیم به زمین متصل می شوند. تا هنگامی که اتصال بدنه در دستگاه الکتریکی وجود نداشته باشد، قسمت های حفاظت شده دستگاه، هم پتانسیل با زمین هستند و چنان چه قسمت های الکتریکی دستگاه به بدنه آن متصل شوند، از بدنه دستگاه جریانی به نقطه صفر ستاره ترانسفورماتور شبکه – از طریق سیم متصل شده به زمین و زمین جاری می شود.

در مورد تمام دستگاه های الکتریکی که ممکن است در اثر معیوب شدن روپوش سیم و اتصال به بدنه جریان خطرناک ایجاد شود با اجرای اتصال به زمین، اگر بدن فرد با این دستگاه معیوب تماس پیدا نماید، در انشعاب قرار می گیرد و مقدار شدت جریانی که به طور موازی از بدن عبور می کند جزیی از جریان خطرناک اصلی است و اگر سیم اتصال به زمین به گونه ای درست و مقاومت کم نصب شده باشد، شدت جریانی که از بدن عبور می کند به میزان خطرناک ۰/۰۳۰ آمپر نمی رسد.

مقدار این جریان باید به اندازه ای باشد که جریان خطا، باعث قطع سریع فیوز شده و ولتاژ تماس قطع شود. این جریان را، جریان قطع می گویند و مقدار آن به جریان مجاز فیوز که در سر راه دستگاه قرار گرفته است بستگی دارد.

شکل زیر، طریقۀ استفاده از سیستم حفاظت زمین برای مصرف کننده را نشان می دهد.

 زمین کردن مرکز بار

اﮔﺮ ﺷﺨﺼﻲ ﺑﺎ بدنۀ هادی ﺗﻤﺎس داﺷﺘﻪ ﺑﺎﺷﺪ و ﻫﻤﺰﻣﺎن ﺳﻴﻢ ﻓﺎز ﺑﻪ ﻃﺮﻳﻘﻲ ﺑﻪ بدنۀ دﺳﺘﮕﺎه وﺻﻞ ﺷﻮد، ﺟﺮﻳﺎن اﺗﺼﺎﻟﻲ ﺟﺎری ﺷﺪه در بدنۀ دﺳﺘﮕﺎه دو ﻣﺴﻴﺮ ﺑﺮای ﻋﺒﻮر ﭘﻴﺪا ﻣﻲ ﻛﻨﺪ، ﻳﻜﻲ ﻋﺒﻮر از ﺑﺪن ﺷﺨﺺ و زﻣﻴﻦ و دیگری مستقیماً به زمین، ﭼﻮن ﻣﻘﺎوﻣﺖ ﺑﺪن اﺷﺨﺎص زیادتر اﺳﺖ، ﺑﻨﺎﺑﺮاﻳﻦ ﺟﺮﻳﺎن از ﻃﺮﻳﻖ ﻣﻘﺎوﻣﺖ ﻛﻢ ﺗﺮ، ﻳﻌﻨﻲ زﻣﻴﻦ ﻋﺒﻮر ﻣﻲ ﻛﻨﺪ و ﻧﻬﺎﻳﺘﺎً ﺑﺎﻋﺚ ﻗﻄﻊ ﺳﺮﻳﻊ ﻓﻴﻮز ﻣﻲ ﺷﻮد.

---

 

 بیشتر بخوانید:

انواع سیستم های ارتینگ

اﺗﺼﺎل زﻣﻴﻦ ﻣﻲﺗﻮاﻧﺪ ﺗﻮﺳﻂ ﻟﻮﻟﻪ ﻳﺎ ﻣﻴﻠﻪ ی ﻓﻠﺰی، ﻧﻮار، ﺳﻴﻢ ﻓﻠﺰی و صفحۀ ﻓﻠﺰی اﻧﺠﺎم ﭘﺬﻳﺮد ﻛﻪ ﻣﻌﻤﻮﻻً ﺗﻮﺳﻂ ﻳﻚ رﺷﺘﻪ ﺳﻴﻢ ﺑﺎ ﻣﻘﻄﻊ ﻣﻨﺎﺳﺐ (ﺑﺎﺗﻮﺟﻪ ﺑﻪ ﺟﺮﻳﺎن ﻧﺎمی مصرف کننده) به اتصال زمین وصل می شود.

 سیم زمین ارتباط بین الکترود زمین و بدنه ها و قطعاتی که باید زمین شوند را برقرار می کند. سیم زمین در صورت امکان باید طوری کشیده شود که قابل رؤیت باشد.

هنگام انتخاب سطح مقطع سیم زمین، توجه به این نکته مهم است که در زمان بروز اتصال بدنه، معمولاً جریانی معادل جریان اتصال کوتاه از این سیم عبور خواهد کرد و سیم زمین باید بتواند این جریان را تحمل کند بدون اینکه ولتاژ تماس قابل ملاحظه ای تولید شود.

روش های ایجاد سیستم اتصال زمین برای آنکه یک سیستم زمین مؤثر برای شبکه های الکتریکی ایجاد شود، می توان از الکترودهای زمین های مختلفی به صورت قائم، افقی و صفحه ای بهره گرفت.

در تصویر زیر دیاگرام سیستم اتصال زمین در سیستم های برق رسانی TT و TN را مشاهده می کنید:

• • حفاظت توسط سیم نول (در سیستم TN)

در سیستم حفاظت نول، به جای سیم زمین از سیم نول (MP) شبکه، که به بدنۀ دستگاه اتصال دارد، استفاده می شود. در اینجا نیز مشابه سیستم حفاظتی زمین برای اینکه در هنگام اتصال بدنه وسیلۀ حفاظتی (مثلاً فیوز) به سرعت قطع کند باید جریان قطع از آن عبور کند. در این سیستم اگر سیم صفر به عللی قطع شود حتی اگر مصرف کننده نیز اتصال بدنه نداشته باشد باز اختلاف پتانسیل تماس (ولتاژ تماس)، برابر با اختلاف پتانسیل بین فاز و زمین در دستگاه ایجاد می شود؛ به طوری که اگر شخص، دستگاه را لمس کند و در همان حالت به هادی دیگری که به زمین متصل است، دست بزند، جریان خطرناکی از بدن او عبور می نماید.

ترانسفورماتور یا ترانسفورمر از جمله تجهیزات مهم صنعت برق محسوب می‌شوند که آشنایی با آن‌ها و نحوه عملکردشان برای هر شخص که با حوزه برق سروکار دارد، مهم است. در این مقاله با ترانسفورماتورها، اساس کار آن‌ها و کاربردشان آشنا خواهیم شد.

ترانسفورماتور چیست؟

ترانسفورماتور یا مبدل الکتریکی یکی از کلیدی‌ترین عناصر در انتقال انرژی الکتریکی است. این انتقال می‌تواند در شبکه‌های بزرگ قدرت یا حتی در انتقال انرژی الکتریکی به یک تجهیز کوچک الکتریکی باشد. ترانسفورمر، انرژی الکتریکی را با استفاده از القای الکتریکی که توسط دو یا چند سیم‌پیچ که بر روی هسته فلزی پیچیده شده‌اند، از مداری (سمت اولیه) به مداری دیگر (سمت ثانویه) انتقال می‌دهد.

پس از ایجاد جریان الکتریکی در سمت اولیه یک ترانسفورماتور، میدان مغناطیسی در اطراف سیم‌پیچ اولیه شکل می‌گیرد. میدان مغناطیسی ایجاد شده، موجب بوجود آمدن ولتاژ در سمت ثانویه می‌شود. در نهایت در صورت وجود یک بار الکتریکی در سمت ثانویه جریان برقرار می‌شود.

اصول کار ترانسفورماتور

اساس کار ترانسفورمرها، قانون القای فارادی است. قانون القای فارادی به این شکل تعریف می‌شود که: «با تغییر مقدار شار مغناطیسی عبوری از یک مدار بسته، نیروی محرکه‌ای در آن القا می‌شود که مقدار آن با میزان تغییرات شار مغناطیسی ارتباط مستقیم دارد.»

ترانسفورمرها براساس القای مغناطیسی که بین سمت اولیه و ثانویه ایجاد می‌شود، کار می‌کنند. یک ترانس ساده دارای هسته‌ای از جنس آهن نرم یا فولاد سیلیکونی است. با اتصال سیم‌پیچ اولیه به یک منبع تغدیه و جاری شدن جریان در آن، جریانی متناوب در هسته القا می‌شود. با عبور این جریان، نیروی محرکه‌ای در سمت ثانویه القا می‌شود. با وجود بار در سمت ثانویه، جریان در آن جاری خواهد شد.

کاربرد ترانسفورماتور

ترانسفورمرها دارای تقسیم‌بندی‌ها و انواع گوناگونی هستند. هر کدام از انواع ترانسفورمر کاربرد مخصوص به خود را دارد. قابلیتی که ترانسفورماتورها در اختیار کاربران قرار می‌دهد، موجب می‌شود تا آن‌ها بتوانند از وسایل الکتریکی با ولتاژ و جریان مختلف بهره ببرند. به عنوان نمونه کاربران می‌توانند در محل‌هایی که نیاز به افزایش ایمنی وجود دارد، سطح ولتاژ را کاهش دهند یا در مورد دستگاه جوش از جریان بالا استفاده کنند.

همچنین برخی از کاربردهای دیگر ترانس‌ ها عبارت است از:

• کوره‌های الکتریکی؛
• مدارهای جوشکاری؛
• مدارهای اندازه‌گیری؛
• راه‌اندازی موتورهای الکتریکی؛
• افزایش ولتاژ به منظور کاهش تلفات؛
• تطبیق ولتاژ مورد نیاز جهت تغذیه مصرف کننده؛
• جداکننده مدار با ولتاژهای زیاد از مدارهای با ولتاژ پایین؛
• و … .

ساختمان ترانسفورماتور

مهم‌ترین اجزای یک ترانس عبارت است از:

هسته

در ترانسفورماتورها برای اتصال شار مغناطیسی بین سیم‌پیچ‌ها از یک مسیر با مقاومت مغناطیسی (رلوکتانس) کم استفاده می‌شود. این مسیر همان هسته ترانس است. هسته ترانسفورماتور معمولا برای کاهش تلفات آهنی از ورقه‌های نازک تشکیل می‌شود. همچنین از کاغذهای مخصوص یا یک لایه نازک اکسید فسفات (یا سیلیکات) به عنوان عایق در بین این ورقه‌های نازک استفاده می‌شود.

سیم‌پیچ

سیم‌پیچ‌ها از هادی‌های مسی با روکش لاکی تشکیل شده است. معمولا مقطع این هادی‌ها گرد است، اما در ترانس‌ های قدرت به شکل تسمه هستند.

قرقره یا بوبین

جنس قرقره‌ها معمولا از کاغذ عایق سخت، فیبرهای استخوانی یا مواد ترموپلاستیک است. سیم‌پیچ‌ها بر روی قرقره پیچیده می‌شوند. از قرقره برای حفاظت و نگهداری سیم‌پیچ ترانسفورماتور استفاده می‌شود.

«موتور الکتریکی» (Electric Motor) انرژی الکتریکی را به «انرژی جنبشی» (kinetic energy) تبدیل می‌کند. عمل عکس آن یعنی تبدیل انرژی جنبشی به انرژی الکتریکی توسط «ژنراتور» (generator) یا «دینام» (dynamo) انجام می‌شود. ساختمان کلی این دو «ماشین» (machine) به هم شبیه است و در برخی موارد یک ماشین می‌تواند هر دو نقش موتوری و ژنراتوری را بازی کند. برای مثال، موتور‌های «کشش» (traction) لوکوموتیو‌هایی که دارای ترمز دینامیکی هستند، در هر دو نقش ظاهر می‌شوند و در هنگام ترمز، انرژی جنبشی را به انرژی الکتریکی تبدیل و ذخیره می‌کنند.

اغلب موتور‌های الکتریکی بر اساس اصول «الکترومغناطیس» (electromagnetism) به حرکت درمی‌آیند، اما موتورهایی که بر اساس دیگر «پدیده‌های الکترو مکانیکی» (electromechanical phenomena) مانند «نیروی الکترو استاتیک» (electrostatic force) و «اثر پیزو الکتریک» (piezoelectric effect) کار می‌کنند، نیز وجود دارند. اصل اساسی در موتورهای الکترومغناطیسی این است که به سیم‌های حامل جریان الکتریکی در داخل «میدان مغناطیسی» (magnetic field) نیروی مکانیکی اعمال می‌شود. این نیرو در «قانون نیروی لورنتز» (Lorentz force law) تشریح شده است. جهت این نیرو بر هر دو میدان مغناطیسی و سیم حامل جریان عمود است که با استفاده از قانون دست راست به دست می‌آید. در شکل زیر قانون دست راست بیان شده است.

اغلب موتورها «دوار» (rotary) هستند، اما موتورهای «خطی» (linear) نیز وجود دارند. در یک موتور دوار، قسمت دوار که اغلب در داخل قرار دارد «روتور» (rotor) و قسمت ایستا «استاتور» (stator) نامیده می‌شود. «آرمیچر» (Armature) آن بخش از موتور الکتریکی است که به آن ولتاژ ورودی اعمال می‌شود یا آن بخش از ژنراتور است که در آن ولتاژ خروجی ایجاد می‌شود. با توجه به طراحی ماشین، روتور یا استاتور هر کدام می‌تواند به عنوان آرمیچر باشد. در شکل زیر استاتور و روتور در یک موتور الکتریکی مشخص شده است.

در ادامه به معرفی انواع موتور الکتریکی و کارکرد آن‌ها می‌پردازیم. در شکل زیر چند نمونه موتور الکتریکی نشان داده شده است.

موتورهای جریان مستقیم

یکی از اولین موتورهای دوار الکترومغناطیسی توسط «مایکل فارادی» (Michael Faraday) در سال ۱۸۲۱ میلادی اختراع شد و شامل یک سیم آویخته شده‌ی آزاد که در یک ظرف جیوه غوطه‌ور بود، می‌شد. یک «آهنربای دائم» (permanent magnet) در وسط ظرف قرار داده شده بود. وقتی که جریانی از سیم عبور می‌کرد، سیم حول آهنربا به گردش در می‌آمد و نشان می‌داد که جریان منجر به افزایش یک میدان مغناطیسی دایره‌ای اطراف سیم می‌شود. این موتور اغلب در کلاس‌های فیزیک مدارس نشان داده می‌شود، اما گاهی به جای ماده سمی جیوه ، از آب نمک استفاده می‌گردد. این موتور ساده‌ترین شکل از موتورهای الکتریکی است که «موتور هوموپولار» (homopolar motor) نامیده می‌شود. موتور اصلاح شده‌ی بعدی که از چرخ در آن استفاده شده «چرخ بارلو» (Barlow’s Wheel) است. در شکل زیر نمونه‌ای از چرخ بارلو به همراه تعیین جهت حرکت با استفاده از قانون دست نشان داده شده است.

یکی دیگر از طراحی‌های اولیه موتور الکتریکی از یک «پلانجر رفت و برگشتی» (reciprocating plunger) در داخل یک «سلونوئید سوییچ شده» (switched solenoid) استفاده می‌کرد؛ به طور مفهومی می‌توان آن را به عنوان یک نسخه الکترومغناطیسی از یک «موتور احتراق داخلی» (internal combustion engine) دو مرحله‌ای مشاهده کرد. سلونوئید سیم پیچی‌ای دارای طول است که وقتی یک شدت جریان به آن متصل شود باعث به وجود آمدن میدان مغناطیسی می‌شود. «توماس داونپورت» (Thomas Davenport) در سال ۱۸۳۴ میلادی یک موتور الکتریکی DC کوچک برای یک قطار اسباب بازی که در یک مسیر دایره‌ای حرکت می‌کرد ساخت. او این اختراع خود را در سال ۱۸۳۷ میلادی به ثبت رساند.

«موتور جریان مستقیم» (Direct Current Motor) یا «DC» امروزی به صورت تصادفی در سال ۱۸۷۳ میلادی اختراع شد. زمانی که «زنوب گرام» (Zénobe Gramme) یک دینام چرخشی به یک واحد مشابه دیگر متصل کرد تا به عنوان یک موتور کار کند. ماشین گرام اولین موتور الکتریکی صنعتی بود. اختراعات قبلی به عنوان اسباب بازی یا کنجکاوی آزمایشگاهی در نظر گرفته می‌شوند. موتور کلاسیک DC دارای آرمیچری روی روتور به شکل «آهنربای الکتریکی» (electromagnet) است. یک سوییچ دوار به نام «کموتاتور» (commutator) جهت جریان الکتریکی را در آرمیچر در هر سیکل دو بار برعکس می‌کند تا «قطب‌های» (poles) آهنرباهای الکتریکی، «آهنربای دائمی» (permanent magnet) واقع در استاتور را جذب و دفع کنند. در واقع کموتاتور «پلاریته» (polarity) آهنربای الکتریکی آرمیچر را با عبور قطب‌های آهنربای الکتریکی آرمیچر از جلوی قطب‌های آهنربای دائمی استاتور معکوس می‌کند. در طول این جابجایی پلاریته، «تکانه» (momentum) روتور در یک جهت ثابت می‌ماند و روتور به چرخش خود ادامه می‌دهد. در شکل زیر این عملکرد نشان داده شده است.

موتورهای میدان سیم پیچی شده

آهنرباهای دائم در محیط بیرونی (استاتور) یک موتور DC ممکن است با آهنرباهای الکتریکی تعویض شود. با تغییر جریان سیم پیچی میدان (تحریک)، این پدیده که نسبت سرعت به «گشتاور» (torque) موتور تغییر کند ممکن می‌شود. به طور نمونه سیم پیچی میدان به صورت سری با سیم پیچی آرمیچر قرار داده می‌شود تا یک موتور گشتاور بالا و سرعت کم حاصل شود و اگر سیم پیچی میدان به صورت موازی (شنت) با سیم پیچی آرمیچر قرار داده شود، یک موتور گشتاور کم و سرعت بالا خواهیم داشت. برای تعادل سرعت و گشتاور قسمتی از سیم پیچی میدان سری و قسمتی از آن موازی با سیم پیچی آرمیچر (سیم پیچی کمپوند) قرار داده می‌شود تا سرعت تقریبا ثابتی را در محدوده‌ی تغییرات بار فراهم کند. موتور «تحریک مستقل» (separate excitation) نیز در صنعت رایج است. در این موتور با ثابت نگه داشتن ولتاژ سیم پیچی میدان، سرعت با تغییر ولتاژ سیم پیچی آرمیچر کنترل می‌شود. به علاوه با کاهش ولتاژ سیم پیچی میدان و به تبع کاهش جریان آن می‌توان به سرعت بالاتر و گشتاور پایین‌تر دست یافت که بهره برداری «میدان ضعیف» (weak field) خوانده می‌شود. در مجموع با استفاده از این تکنیک‌ها کنترل سرعت در موتور DC فراهم می‌شود. در شکل زیر مدارهای موتورهای DC سری و شنت و کمپوند نشان داده شده است.

تئوری

اگر «شافت» (shaft) موتور DC با نیروی خارجی به حرکت درآید، موتور شبیه یک ژنراتور عمل می‌کند و «نیروی الکتروموتیو» (EMF | Electromotive force) تولید می‌کند. این ولتاژ حاصل از EMF همچنین در طول کارکرد عادی موتوری تولید می‌شود. چرخش موتور یک ولتاژ تولید می‌کند که به عنوان «عکس العمل EMF» معادل (CEMF; counter-EMF) یا بازگشت EMF نامیده می‌شود، زیرا با ولتاژ اعمال شده در موتور مخالف است. بنابراین، افت ولتاژ در یک موتور شامل افت ولتاژ به علت CEMF و افت ولتاژ ناشی از «مقاومت» (resistance) داخلی سیم پیچی‌های آرمیچر می‌شود.

به دلیل این که CEMF متناسب با سرعت موتور است، زمانی که یک موتور الکتریکی در ابتدای راه اندازی است یا روتور قفل شده است، میزان CEMF برابر صفر است. بنابراین در این حالت‌ گذرا جریان گذرنده از آرمیچر بسیار بالا است. این جریان بالا یک میدان مغناطیسی قوی ایجاد می‌کند که چرخش موتور را آغاز می‌کند. همان طور که چرخش موتور افزایش می‌یابد، CEMF نیز افزایش می‌یابد، تا آنکه برابر ولتاژ اعمالی منهای افت ولتاژ ناشی از مقاومت داخلی سیم پیچ‌های آرمیچر شود. در این نقطه‌ی پایدار، جریان گذرنده از آرمیچر در کمترین حالت ممکن است.

موتورهای یونیورسال

یکی از انواع موتورهای DC میدان سیم پیچی شده، «موتور یونیورسال» (Universal motors) است. به دلیل این ‌که این موتورها را می‌توان هم با جریان DC و هم AC تغذیه کرد، این موتورها را یونیورسال نام نهاده‌اند، گرچه اغلب در عمل این موتورها با تغذیه‌ی AC به کار می‌روند. اصول کار این موتورها این گونه است که وقتی یک موتور DC میدان سیم پیچی شده با جریان متناوب تغذیه می‌شود، جریان هم در سیم پیچی میدان و هم در سیم پیچی آرمیچر (و از این رو در میدان‌های مغناطیسی حاصل شده) به صورت هم زمان تغییر می‌کند و بنابراین نیروی مکانیکی تولید شده همواره در یک جهت است. امپدانس سیم پیچی‌های موتور باید به گونه‌ای طراحی شود تا با جریان AC سازگاری داشته باشد که باعث می‌شود این موتور اغلب بازده کمتری نسبت به یک موتور معادل DC داشته باشد. در فرکانس‌های عادی (۵۰ یا ۶۰ هرتز) خط قدرت، حداکثر توان خروجی موتورهای یونیورسال محدود است و موتورهای بیش از یک «کیلو وات» (kilowatts) نادر هستند. اما موتورهای یونیورسال همچنین پایه‌ی موتورهای کششی راه‌آهن‌های سنتی را تشکیل می‌دهند. در این کاربرد، برای حفظ بهره ‌وری الکتریکی بالا، از منابع با فرکانس پایین استفاده می‌شود که عملکرد آن‌ها در ۲۵ هرتز و ۱۶ ۲/۳ هرتز معمول است. همچنین لوکوموتیوهایی که دارای موتورهای یونیورسال هستند قادرند در راه‌ آهن‌های نسل سوم که تغذیه DC دارند حرکت کنند.

مزیت موتورهای یونیورسال این است که می‌توان تغذیه AC را روی موتورهایی که دارای مشخصه‌های نوعی از موتورهای DC هستند به کار برد، خصوصاً این‌که این موتورها دارای گشتاور راه ‌اندازی بسیار بالا و طراحی بسیار فشرده در سرعت‌های بالا هستند. جنبه منفی این موتورها تعمیر و نگهداری و عمر کوتاه آن‌ها است که به علت وجود کموتاتور است و در نتیجه این موتورها معمولا در دستگاه‌های AC نظیر مخلوط کن و ابزارهای برقی که گاهی استفاده می‌شوند، به کار می‌روند. کنترل سرعت پیوسته یک موتور یونیورسال با تغذیه AC به راحتی با استفاده از یک مدار تریستوری انجام می‌شود، در حالی‌ که کنترل سرعت پله‌ای با استفاده از چندین تپ روی «کویل» (coil) میدان انجام می‌شود.

بر خلاف موتورهای AC، موتورهای یونیورسال به راحتی می‌توانند از یک دور در هر سیکل جریان برق تجاوز کنند. این کار باعث می‌شود آن‌ها برای لوازم خانگی مانند مخلوط کن، جارو برقی و سشوار، که عملیات با سرعت بالا مورد نظر است مفید باشند. برای مثال دور موتور بسیاری از جاروبرقی‌ها و موتورهای برش علف‌های هرز از ۱۰،۰۰۰ دور در دقیقه تجاوز می‌کند. از لحاظ تئوری یک موتور یونیورسال بدون بار مکانیکی با «سرعت بالاتر از حد مجاز» (overspeed) کار خواهد کرد که باعث خسارت آن خواهد شد. ولی در واقعیت،‌ «اصطکاک‌های» (frictions) گوناگون «یاتاقان» (bearing)‌، «مقاومت هوای» (windage) آرمیچر و بار هر «فن خنک کننده » (cooling fan)، همگی از سرعت بالاتر از حد مجاز جلوگیری می‌کنند.

با هزینه بسیار پایین از یکسو کننده‌های نیمه هادی، برخی کاربردها که قبلا از یک موتور یونیورسال استفاده کرده‌اند، الآن از یک موتور DC، معمولا با یک میدان مغناطیسی دائمی استفاده می‌کنند. این امر به ویژه اگر مدار نیمه هادی برای کنترل سرعت متغیر نیز مورد استفاده قرار گیرد، بسیار مناسب است. از مزایای موتور یونیورسال و توزیع جریان متناوب، نصب سیستم توزیع جریان با فرکانس کم و مقرون به صرفه برای بعضی از تأسیسات راه آهن است. در فرکانس‌های به اندازه کافی کم، عملکرد موتور تقریبا مشابه وقتی است که موتور در جریان مستقیم عمل می‌کند. در شکل زیر نمونه‌ای از یک موتور یونیورسال نشاده داده است.

موتورهای «جریان متناوب» (AC: Alternating Current)

در سال ۱۸۸۲ میلادی، «نیکلا تسلا» (Nikola Tesla) اصل میدان مغناطیسی چرخشی را شناسایی کرد و پیشگام استفاده از یک میدان چرخشی برای نیروی کارکرد ماشین‌آلات شد. او از این اصل برای طراحی یک موتور القایی دو فاز منحصر به فرد در سال ۱۸۸۳ م استفاده کرد. در سال ۱۸۸۵، «گالیله فراریس» (Galileo Ferraris) به طور مستقل این مفهوم را مورد بررسی قرار داد. در سال ۱۸۸۸ م، فراریس تحقیقات خود را در مقاله‌ای در آکادمی سلطنتی علوم در تورین منتشر کرد.

اختراع موتور تسلا از سال ۱۸۸۸ آغاز به کار کرد که به عنوان انقلاب صنعتی دوم شناخته می‌شود و امکان تولید بهینه و توزیع انرژی الکتریکی از راه دور را با استفاده از سیستم انتقال جریان متناوب فراهم کرد. قبل از ابداع میدان مغناطیسی چرخشی، موتورها با عبور مداوم رسانا از میان میدان مغناطیسی ایستا (مانند موتورهای homopolar) عمل می‌کردند. تسلا پیشنهاد کرده بود که کموتاتورهای یک ماشین می‌تواند برداشته شود و دستگاه بتواند با نیروی حاصل از یک میدان چرخشی کار کند. «پروفسور پوچل» (Professor Poeschel) ، استادش، اظهار داشت که او به ساخت یک ماشین حرکت دائمی نزدیک می‌شود. تسلا بعدا در دسامبر سال ۱۸۸۹ م به ثبت اختراع موتور الکتریکی در ایالات متحده که شبیه موتور در بسیاری از عکس‌های تسلا است، دست یافت. این موتور الکترومغناطیسی جریان متناوب کلاسیک یک موتور القایی بود.

بعدا «میخائیل اوسپویچ دولیوو-دوبرولسکی» (Michail Osipovich Dolivo-Dobrovolsky) موتور القایی سه فاز «روتور قفسه سنجابی» (squirrel cage rotor) را در سال ۱۸۹۰ م اختراع کرد. با استفاده از این اختراع، سیستم چند فاز تجاری تولید و انتقال انرژی الکتریکی از راه دور به صورت موفق توسط «آلمرین دکر» (Almerian Decker) در Mill Creek در Redlands California طراحی شد.

اجزا و انواع موتور AC

یک موتور AC متشکل از دو بخش است که عبارتند از:

جز بیرونی: یک استاتور ایستا که دارای کویل‌هایی است که با جریان متناوب برای تولید میدان مغناطیسی دوار تغذیه می‌شود. در شکل زیر استاتور و سیم پیچی آن نشان داده شده است.

جز درونی: یک روتور متصل به شفت خروجی است که توسط میدان مغناطیسی دوار گشتاور داده می‌شود. در شکل‌های زیر دو نمونه روتور قفسه سنجابی و سیم پیچی شده نشان داده شده است.

دو نوع اساسی موتور AC وجود دارد که بسته به نوع روتور مورد استفاده قرار می‌گیرد. این دو نوع عبارت هستند از:

• «موتور سنکرون» (synchronous motor): سرعت چرخش این موتور دقیقا متناسب با فرکانس تغذیه است.
• «موتور القایی» (induction motor): سرعت چرخش این موتور کمی کندتر از موتور سنکرون است و به طور معمول (هر چند نه الزاما همیشه) موتور با روتور قفس سنجابی است.

موتورهای القایی AC سه فاز

در جایی که تغذیه چند فاز موجود است، خصوصا برای موتورهای با توان بالاتر، از موتورهای القایی سه فاز AC (یا چند فاز) استفاده می‌شود. اختلاف فاز موجود بین فازهای تغذیه چند فاز الکتریکی، یک میدان الکترومغناطیسی دوار درون این موتورها ایجاد می‌کند.

از طریق القای الکترومغناطیسی، میدان مغناطیسی چرخشی، جریان را در هادی‌ها در روتور ایجاد می‌نمایدکه به نوبه خود یک میدان مغناطیسی متعادل ایجاد می‌کند که سبب چرخاندن روتور در جهت چرخش میدان می‌شود. روتور همیشه باید کندتر از میدان مغناطیسی چرخشی تولید شده توسط منبع تغذیه چند فازی باشد؛ در غیر این صورت، هیچ جریان و میدان مغناطیسی متعادلی در روتور تولید نخواهد شد.
موتورهای القایی نیروی کار صنعتی هستند و موتورهایی که توان خروجی آن‌ها حدود ۵۰۰ کیلو وات (۶۷۰ اسب بخار) است در اندازه‌های بسیار استاندارد تولید می‌شوند و تقریبا به طور کامل قابل تعویض بین تولید کنندگان هستند (اگرچه ابعاد استاندارد اروپایی و آمریکای شمالی متفاوت است). موتورهای سنکرون بسیار بزرگ (مانند موتورهای مورد استفاده برای کمپرسورهای خط لوله) قادر به تولید ده‌ها هزار کیلو وات در خروجی هستند. در شکل زیر یک موتور القایی AC سه فاز با روتور قفسه سنجابی نشان داده شده است.

دو نوع روتور مورد استفاده در موتور القایی وجود دارد و در ادامه به شکل مفصلی به آنها خواهیم پرداخت.

«روتورهای قفسه سنجابی» (Squirrel Cage rotors): اغلب موتورهای AC عمومی از روتورهای قفسه سنجابی استفاده می‌کنند که در تقریبا تمام موتورهای متداول خانگی و صنعتی یافت می‌شود. قفس سنجابی نام خود را از شکل خود می‌گیرد – حلقه‌ای در هر دو طرف روتور، با میله‌هایی در طول روتور که به حلقه‌ها متصل اند. این میله‌ها معمولا از جنس آلومینیوم یا مس اند که بین ورقه‌های آهن روتور ریخته می‌شوند و معمولا فقط حلقه‌های انتهایی قابل مشاهده هستند. اکثریت وسیع جریان‌های روتور از طریق میله‌های مسی یا آلومینیومی به جای ورقه‌های با مقاومت بالا و لاک‌ها جریان می‌یابند. در موتورهای با بازده بالا، اغلب از مس ریخته گری برای کاهش مقاومت در روتور استفاده می‌شود.

در عمل، موتور قفس سنجابی ممکن است به عنوان یک ترانسفورماتور با «ثانویه دورانی» (rotating secondary) مشاهده شود – هنگامی که روتور هم‌ زمان (سنکرون) با میدان مغناطیسی نمی‌چرخد، جریان‌های بزرگ روتور ایجاد می‌شوند؛ جریان‌های بزرگ روتور، روتور را مغناطیسی می‌کنند و با اثر متقابل با میدان مغناطیسی استاتور باعث می‌شوند روتور به سنکرون شدن با میدان استاتور نزدیک شود. یک موتور قفس سنجابی بدون بار که در سرعت بسیار نزدیک به سنکرون می‌چرخد، توان الکتریکی کمی را فقط برای حفظ سرعت روتور در برابر اصطکاک و تلفات مقاومت مصرف می‌کند. هرگاه بار مکانیکی افزایش یابد توان الکتریکی مصرفی افزایش می‌یابد. بنابراین بار الکتریکی ذاتا مربوط به بار مکانیکی است. این امر مشابه ترانسفورماتور در نظر گرفته می‌شود؛ جایی که بار الکتریکی اولیه به بار الکتریکی ثانویه مرتبط است.

به همین دلیل، به عنوان مثال، وقتی یک موتور قفس سنجابی «دمنده» (blower) روشن می‌شود، ممکن است روشنایی لامپ خانه را کم کند، اما وقتی تسمه‌ی فن آن (و به همین ترتیب بار مکانیکی) برداشته می‌شود، روشنایی را کم نمی‌کند. علاوه بر این، یک موتور قفس سنجابی قفل شده (یا دارای اضافه بار) که استارت می‌شود جریانی می‌کشد که فقط با مقاومت مدار محدود می‌شود. به استثنای موارد دیگری که جریان محدود می‌شود (یا قطع کامل جریان اتفاق می‌افتد)، افزایش گرما و تخریب عایق سیم پیچ نتیجه‌ی احتمالی افزایش بیش از حد جریان است. تقریبا هر ماشین لباسشویی، ماشین ظرف‌ شویی، فن‌، پخش کننده و غیره از نوعی از یک موتور قفس سنجابی استفاده می‌کنند.

«روتور سیم پیچی شده» (Wound Rotor): روتور سیم پیچی شده زمانی مورد استفاده قرار می‌گیرد که سرعت متغیر مورد نیاز باشد. در این مورد، روتور همان تعداد قطب‌های استاتور را داراست و «سیم‌پیچ» (winding) از سیم‌هایی ساخته شده است که به «حلقه‌های سایشی» (slip rings) روی شافت متصل اند. «جاروبک‌های» (brushes) کربنی حلقه‌های سایشی را به کنترل کننده خارجی مانند مقاومت متغیر متصل می‌کنند که اجازه می‌دهد نرخ لغزش موتور تغییر کند. در درایوهای کنترل سرعت مربوط به موتورهای توان بالای روتور سیم پیچی شده، انرژی مربوط به تغییرات فرکانس هدر نمی‌رود بلکه یکسو شده و از طریق اینورتر به منبع تغذیه بازمی‌گردد.

در مقایسه با روتورهای قفس سنجابی، موتورهای روتور سیم پیچی شده گران هستند و نیاز به تعمیر و نگهداری حلقه‌های سایشی و جاروبک‌ها دارند؛ با این حال قبل از ظهور تجهیزات الکترونیک قدرت برای کنترل سرعت متغیر به شکل استاندارد مورد بهره‌برداری قرار می‌گرفتند. در حال حاضر اینورترهای ترانزیستوری با درایو فرکانس متغیر برای کنترل سرعت مورد استفاده قرار می‌گیرند و موتورهای روتور سیم‌پیچی شده کمتر معمول هستند. درایوهای اینورتر ترانزیستوری همچنین اجازه می‌دهد که موتورهای سه فاز با بازده بیشتری مورد استفاده قرار گیرند – زمانی که تنها جریان تک فاز در دسترس است – اما آن‌ها به دلیل ایجاد تداخل الکتریکی (هارمونیک زایی) و نیازهای توان بالا در دستگاه‌های خانگی هرگز استفاده نمی‌شوند.

چند روش برای استارت موتور چند فاز استفاده می‌شود. در جایی ‌که «جریان هجومی» (inrush current) و گشتاور راه اندازی مجاز باشد، ترمینال‌های موتور می‌تواند مستقیم به خط تغذیه وصل شود. به این روش «راه اندازی مستقیم» (DOL; Direct-On-Line) گویند. در جایی‌ که نیاز باشد جریان هجومی محدود شود،‌ ولتاژ راه اندازی با استفاده از «اندوکتورهای» (inductors) سری، «اتو ترانسفورماتور» (autotransformer)، «تریستورها» (thyristors)، یا دیگر تجهیزات کاهش می‌یابد. تکنیکی که گاهی اوقات استفاده می‌شود راه اندازی «ستاره-مثلث» (star-delta) است، که کویل‌های موتور در ابتدای راه اندازی اتصال ستاره دارند، سپس وقتی که موتور به سرعت مناسب رسید کویل‌ها به اتصال مثلث سوییچ می‌شوند. این تکنیک در اروپا بیشتر از آمریکای شمالی معمول است. درایوهای ترانزیستوری می‌توانند مستقیما ولتاژ اعمالی را که به مشخصه‌ی راه اندازی موتور و بار وابسته است تغییر دهند.

این نوع از موتور بیشتر در کاربردهای کشش از قبیل لوکوموتیو معمول است. سرعت در این نوع موتور به طور سنتی با داشتن مجموعه‌ای از کویل‌ها یا قطب‌های اضافی در موتور تغییر می‌کند که می‌تواند روشن یا خاموش باشد تا سرعت چرخش میدان مغناطیسی را تغییر دهد. با این حال، تحولات در الکترونیک قدرت به این معنی است که فرکانس منبع تغذیه هم اکنون می‌تواند متناسب با کنترل یکنواخت سرعت موتور متغیر باشد.

موتورهای سنکرون AC سه فاز

اگر اتصالات به کویل‌های روتور یک موتور سه فاز بر روی حلقه‌های سایشی برداشته شود و یک جریان میدان جداگانه برای ایجاد میدان مغناطیسی مداوم (یا اگر روتور از یک آهنربای دائمی تشکیل شده باشد)، نتیجه‌ی آن را موتور سنکرون می‌نامند زیرا روتور در هماهنگی با میدان مغناطیسی چرخشی تولید شده توسط منبع تغذیه چند فازی چرخش می‌یابد. موتور سنکرون نیز می‌تواند به عنوان یک مولد جریان متناوب استفاده شود.

امروزه موتورهای سنکرون اغلب توسط درایوهای فرکانس متغیر ترانزیستور رانده می‌شوند که باعث می‌شود عمدتا مشکل راه اندازی روتورهای بزرگ در موتورهای سنکرون بزرگ حل شود. این موتورهای سنکرون بزرگ همچنین ممکن است در راه اندازی به عنوان موتور القایی که قفس سنجابی آن روی روتور جاسازی شده است استارت شوند: هنگامی که موتور به سرعت سنکرون می‌رسد، هیچ جریان الکتریکی در میله‌های قفس سنجابی ایجاد نمی‌شود، بنابراین اثر کمی بر عملکرد موتور سنکرون، به غیر از تثبیت سرعت موتور در تغییرات بار دارد. موتورهای سنکرون گاهی اوقات به عنوان موتور کششی استفاده می‌شوند.

سروو موتورهای AC دو فاز

نوعی از «سروو موتور AC دو فاز» (two-phase AC servo motor) دارای یک روتور قفس سنجابی و یک میدان متشکل از دو سیم پیچ است: یک سیم پیچ اصلی ولتاژ ثابت (AC) و دیگری یک سیم پیچ ولتاژ کنترلی در آرایش چهارتایی با سیم پیچ اصلی که یک میدان مغناطیسی چرخشی تولید کند. مقاومت الکتریکی روتور عمدا بزرگ ساخته می‌شود تا نمودار گشتاور-سرعت تا حد خوبی خطی شود. به طور کلی سروو موتورهای دو فاز ذاتا موتورهای سرعت بالا و گشتاور پایین هستند و معمولاً قبل از وصل به بار سرعت آن‌ها به وسیله وصل به چرخ‌دنده‌ها کاهش می‌یابد.

موتورهای القایی AC تک فاز

موتورهای سه فاز ذاتا میدان مغناطیسی دوار تولید می‌کنند. با این حال هر گاه فقط منبع توان تک فاز موجود است، میدان مغناطیسی دوار باید با استفاده از اسباب‌های دیگر تولید شود. روش‌های متعددی بدین منظور معمولا مورد استفاده قرار می‌گیرد.

یک نوع موتور AC تک فاز رایج، «موتور قطب چاک دار یا قطب سایه دار» (shading-pole motor) است، که در تجهیزاتی از قبیل فن‌های الکتریکی یا دیگر تجهیزات خانگی کوچک استفاده می‌شود و احتیاج به گشتاور کمی دارند. در این موتور، حلقه مسی کوچک تک دور به نام «کویل سایه‌ » (shading coil) میدان مغناطیسی راه اندازی را تولید می‌کند. قسمتی از هر قطب توسط حلقه مسی یا کویل سایه احاطه شده است. طبق «قانون لنز» (Lenz’s Law) جریان القا شده در این حلقه با تغییرات شار مغناطیسی عبوری از داخل این کویل مخالفت می‌کند و باعث تضعیف میدان مغناطیسی در این قسمت سایه خورده از قطب می‌شود. بنابراین در هر سیکل شدت میدان از یک طرف به طرف دیگر قطب تغییر می‌کند، پس میدان مغناطیسی چرخشی مورد نیاز راه اندازی تولید می‌شود و از قفل شدن موتور در لحظه راه‌اندازی جلوگیری می‌کند.

نوع دیگر موتور AC تک فاز رایج، «موتور القایی فاز شکسته یا با انشقاق فاز» (split-phase induction motor) معمولا در کاربردهای زیادی مانند ماشین‌های لباسشویی و خشک کن لباس استفاده می‌شود. در مقایسه با موتور قطب چاک دار، این موتورها به طور کلی با استفاده از «سیم پیچی راه اندازی» (startup winding) مخصوص در اتصال با یک «کلید گریز از مرکز» (centrifugal switch) می‌توانند گشتاور راه اندازی بیشتری تولید کنند.

در موتور فاز شکسته، سیم پیچی راه اندازی مقاومت بالاتری از «سیم پیچی دائم» (running winding) دارد. این سیم پیچی راه اندازی یک مدار LR است که فاز جریان در سیم پیچی جریان را کمی شیفت می‌دهد. در هنگام استارت موتور، سیم پیچی راه اندازی به وسیله‌ی مجموعه‌ای از فنرهای فشرده شده توسط کلید گریز از مرکز به منبع تغذیه متصل است. فاز میدان مغناطیسی در سیم پیچی راه اندازی از فاز میدان مغناطیسی در سیم پیچی دائم شیفت پیدا می‌کند که باعث ایجاد میدان مغناطیسی حرکتی می‌شود که موتور را راه می‌اندازد. هنگامی که موتور به نزدیکی سرعت بهره برداری طراحی شده (تقریبا ۷۵٪ سرعت نامی) می‌رسد، کلید گریز از مرکز فعال می‌شود، اتصالات را باز می‌کند و سیم پیچی راه اندازی را از منبع تغذیه جدا می‌کند. سپس موتور فقط با سیم پیچی دائم به عمل خود ادامه می‌دهد. سیم پیچی موتور حتما باید قطع شود وگرنه تلفات در موتور را افزایش می‌دهد.

نوع دیگر موتور AC تک فاز رایج، «موتور استارت خازنی یا با خازن راه انداز» (capacitor start motor) است. در یک موتور استارت خازنی، یک «خازن راه انداز» (starting capacitor) با سیم پیچی راه اندازی به صورت سری قرار داده می‌شود و یک مدار LC ایجاد می‌کند که قادر به شیفت فاز بیشتری است و بنابراین گشتاور راه اندازی بسیار بیشتری تولید می‌کند. البته این خازن باعث افزایش قیمت این موتورها نسبت به موتورهای فاز شکسته نیز می‌شود.

نوع دیگر موتور AC تک فاز رایج، «موتور استارت مقاومتی» (resistor start motor) است. در این نوع موتور، خازن استارت با یک مقاومت استارت جایگزین شده ‌است. موتور استارت مقاومتی در کاربری‌هایی استفاده می‌شود که میزان گشتاور راه اندازی کمتر از مقداری که موتور استارت خازنی تولید می‌کند لازم است. هزینه تولید این موتور کمتر از موتور استارت خازنی است. این موتورها در «تسمه نقاله‌های» (belts) کوچک، پمپ‌ها و دمنده‌های بزرگ استفاده می‌شود.

دسته‌ی دیگری از موتورهای AC تک فاز رایج، «موتور با خازن دائمی دوگانه» (PSC; Permanent Split-Capacitor motor) است. این موتور همچنین به عنوان موتور با یک خازن راه انداز-دائم شناخته می‌شود. این موتور الکتریکی همانند موتور استارت خازنی که در بالا توضیح داده شد عمل می‌کند، با این تفاوت که هیچ کلید گریز از مرکزی وجود ندارد و سیم پیچ دوم به همراه خازن دائما به منبع تغذیه متصل می‌ماند. از آنجا که خازن، باید برای استفاده مداوم طراحی شده باشد، نمی‌تواند توان راه اندازی معادل یک موتور استارت خازنی ایجاد نماید. موتورهای (PSC) جریان راه اندازی پایین، معمولاً در کمتر از ۲۰۰ درصد جریان برآورد شده دارند که آن‌ها را برای کاربری‌هایی با سرعت‌های دارای چرخه‌های خاموش روشن بالا بسیار مناسب می‌سازد. موتورهای PSC امتیازات فراوانی دارند. طراحی موتور به راحتی برای استفاده با کنترل‌کننده‌های سرعت می‌تواند اصلاح شود. همچنین می‌توانند برای بازدهی بهینه و ضریب توان بالا در فشار برآورد شده طراحی شوند. آن‌ها به عنوان قابل اطمینان‌ترین موتور الکتریکی تک فاز مطرح می‌شوند؛ مخصوصا به این خاطر که به کلید گریز از مرکز نیازی ندارند. موتورهای PSC بسته به طراحی‌شان کاربری بسیار متنوعی دارند که شامل فن‌ها، دمنده‌ها با نیاز به گشتاور استارت کم و چرخه‌های کاری غیر دائمی مانند تنظیم دستگاه‌ها (طرز کارها)، عملگر درگاه‌ها و بازکننده‌های درب گاراژها می‌شود. موتورهای PSC همچنین در «هواسازها» (air handlers)، فن‌ها، دمنده‌ها و موارد دیگر که سرعت متغیر مورد نظر است استفاده می‌شود.

نوع دیگر موتور AC تک فاز رایج، «موتور استارت با خازن/کارکرد با خازن» (capacitor start / capacitor run motor) است. این موتور، همانند موتور با استارت خازنی، خازنی راه انداز در حالت سری با سیم پیچ راه اندازی (کمکی) برای تولید گشتاور زیاد راه اندازی دارد. این موتور الکتریکی همچنین مانند یک موتور PSC خازنی دائم کار یعنی در مجموع دو عدد خازن دارد. خازن استارت در حالت سری با سیم پیچ کمکی است که بعد از شروع به کار موتور توسط کلید گریز از مرکز از مدار خارج می‌شود. این حالت سبب به وجود آمدن گشتاور بالایی می‌گردد. همچنین به علت داشتن خازن کارکرد دائمی سبب اصلاح «ضریب توان» (PF | Power Factor) می‌شود که باعث افزایش بازده موتور می‌شود. با این حال این موتور به خاطر خازن‌های کارکرد و استارت و کلید گریز از مرکز آن پرهزینه ‌است. این موتور بیش از هر موتور AC تک فاز دیگری استفاده می‌شود. این کاربری‌ها شامل ماشین‌های مرتبط با چوب، کمپرسورهای هوا، پمپ‌های آب فشار قوی، پمپ‌های تخلیه و دیگر کاربردهای نیازمند گشتاورهای بالا در حد ۱ تا ۱۰ اسب بخار می‌شود.

«موتورهای دفعی یا ریپالسیونی» (Repulsion motors) موتورهای AC تک فاز روتور سیم پیچی شده هستند که مشابه موتورهای یونیورسال دیده می‌شوند. در یک موتور دفعی، جاروبک‌های آرمیچر با همدیگر اتصال کوتاه شده‌اند به جای آن‌که اتصال سری با میدان داشته باشند. چند نوع موتور الکتریکی دفعی تولید شده است، اما اغلب موتور «استارت دفعی/ کارکرد القایی» (RS-IR | repulsion-start induction-run) مورد استفاده قرار می‌گیرد. موتور RS-IR دارای کلید گریز از مرکز است که هنگامی که موتور به سمت سرعت کامل شتاب می‌گیرد تمام سگمنت‌های کموتاتور (کلکتورها) را اتصال کوتاه می‌کند؛ به طوری که این موتور به عنوان موتور القایی عمل نماید. موتورهای RS-IR برای ارائه گشتاور بالا در هر آمپر در شرایط دمایی سرد و تنظیم ضعیف ولتاژ منبع مورد بهره‌برداری قرار می‌گیرند.

موتورهای سنکرون AC تک فاز

موتورهای AC تک فاز کوچک نیز می‌توانند با روتورهای مغناطیس شده (و یا چندین تغییر در آن ایده) طراحی شوند. روتورهای این موتورها به جریان القا شده نیازی ندارند بنابراین علارغم موتورهای القایی، «موتورهای سنکرون AC تک فاز» (Single-phase AC synchronous motors)، لغزشی (عقب ماندگی سرعت) نسبت به سرعت سنکرون (متناسب با فرکانس شبکه) ندارند و با سرعت ثابت سنکرون می‌چرخند. به دلیل سرعت دقیق آن‌ها، این موتورها معمولا برای استفاده از ساعت‌های مکانیکی، صفحه گردونه‌ی پخش صوتی و درایوهای نوار استفاده می‌شود. قبلا نیز ار ازین تجهیزات در ابزار زمان‌سنجی مانند ضبط نوار یا مکانیزم‌های درایو تلسکوپ استفاده می‌شد.

موتورهای گشتاور

«موتور گشتاور» (torque motor) نوع خاصی از موتور القایی است که قادر است تا مدت نامحدود در حالت روتور قفل بدون آسیب بماند. در این حالت، این موتور، گشتاور ثابتی را به بار اعمال می‌کند (وجه تسمیه نام گذاری آن). یک کاربرد موتور گشتاور، موتورهای قرقره عرضه و برداشت در یک درایو نوار است.

موتورهای پله‌ای

نوع دیگری از موتورهای الکتریکی «موتور پله‌ای» (stepper motor) نامیده می‌شود، که در آن یک روتور درونی، شامل آهنرباهای دائمی یا هسته‌ی بزرگ آهنی با «قطب‌های برجسته» (salient poles) که توسط دسته‌ای از آهنرباهای خارجی با کنترل الکترونیکی روشن و خاموش می‌گردند، کنترل می‌شود. یک موتور پله‌ای ترکیبی از یک موتور الکتریکی DC و یک سلونوئید است. همان ‌طور که هر کویل مغناطیس می‌شود، جهت روتور خود را با جهت میدان مغناطیسی تولید شده توسط سیم پیچ منطبق می‌کند. بسته به توالی مغناطیس شدن، روتور ممکن است ساعت‌ گرد یا پادساعت‌ گرد بچرخد. موتورهای پله‌ای ساده توسط بخشی از یک سیستم دنده‌ای در پله‌های معینی قرار می‌گیرند، اما موتورهای پله‌ای کنترل شده، می‌توانند بسیار آرام بچرخند. موتورهای پله‌ای کنترل شده با رایانه یکی از فرم‌های سیستم‌های تنظیم موقعیت است، به ویژه وقتی که بخشی از یک سیستم دیجیتال دارای کنترل فرمان بار باشند. در شکل زیر عملکرد موتور پله‌ای نشان داده شده است.

موتور مغناطیس دائم

یک «موتور الکتریکی مغناطیسی دائم» (permanent magnet motor) همانند موتور DC معمولی است به جز این که سیم پیچی میدان توسط آهنرباهای دائمی جایگزین می‌شود. با انجام این کار، موتور مانند یک موتور DC تحریک ثابت (موتور DC تحریک جداگانه) عمل می‌کند. این موتورها معمولا از توان‌های کوچک تا چند اسب بخار دیده می‌شوند. این تجهیزات در لوازم خانگی کوچک، «باتری» (battery) وسایل نقلیه، برای اهداف پزشکی، در سایر تجهیزات پزشکی مانند دستگاه‌های اشعه ایکس کاربرد دارند. این موتورها همچنین در اسباب بازی‌ها و در خودروها به عنوان موتورهای کمکی برای تنظیم صندلی، پنجره‌های برقی، «سقف متحرک» (sunroof)، تنظیم آینه، موتورهای دمنده، فن‌های خنک کننده «موتور احتراق داخلی» (engine) و مانند این موارد استفاده می‌شود.

آخرین تحولات «موتور سنکرون مغناطیس دائم» (PSM; Permanent magnet Synchronous Motor) برای وسایل نقلیه الکتریکی است. این موتور دارای ویژگی‌های بازده بالا، حداقل زمان قفل کردن و جابجایی سطح گشتاور، نیاز به فضای کم، ابعاد «فشرده» (compact) و وزن کم است.

موتورهای DC بدون جاروبک

بسیاری از محدودیت‌های موتور الکتریکی DC کلاسیک کموتاتوری به دلیل نیاز به جاروبک است. جاروبک‌ها باید با فشار به کموتاتور متصل باشند که باعث ایجاد اصطکاک می‌شود. همچنین در سرعت‌های بالاتر، جاروبک‌ها در برقراری تماس با کموتاتور با مشکل مواجه هستند و ممکن است در اثر صاف نبودن سطح کموتاتور ایجاد «جرقه» (spark) کنند که این اتفاق حداکثر سرعت موتور را محدود می‌کند. علاوه بر این چگالی جریان بر واحد سطح جاروبک‌ها خروجی موتور را محدود می‌کند. تماس الکتریکی ناقص نیز باعث ایجاد «نویز الکتریکی» (electrical noise) می‌شود. جاروبک‌ها در نهایت مستهلک می‌شوند و نیاز به جایگزینی دارند و کموتاتور نیز در معرض فرسودگی و تعمیر و نگه داری قرار می‌گیرد. مونتاژ کموتاتور در یک ماشین بزرگ یک عامل پر هزینه است که نیاز به مونتاژ دقیق بسیاری از قطعات دارد.

این مشکلات در «موتورهای DC بدون جاروبک» (Brushless DC motors) حذف می‌شوند. در این موتور، «سوییچ چرخان» (rotating switch) یا مجموعه‌ی جاروبک‌ها و کموتاتور با یک سوییچ الکترونیکی خارجی سنکرون (همگام) با موقعیت روتور جایگزین شده است. موتورهای بدون جاروبک معمولا بازدهی بین ۸۵٪-۹۰٪ دارند در حالی که موتورهای DC با جاروبک معمولا بازده ۷۵٪-۸۰٪ از خود نشان می‌دهند. موتور DC بدون جاروبک تا حدودی شبیه موتور DC معمولی و از لحاظ شکل بسیار شبیه به موتورهای پله‌ای است. برای این که در این موتور همانند موتور پله‌ای اغلب از روتور بیرونی مغناطیس دائم، کویل‌های سه فاز، یک یا چند سنسور «اثر هال» (Hall effect) برای تشخیص موقعیت روتور و درایو الکترونیکی استفاده می‌شود. یک کلاس خاص کنترلرهای موتور DC بدون جاروبک از «فیدبک یا پسخورد» (feedback) از طریق اتصالات فاز اصلی به جای سنسورهای اثر هال برای مشخص کردن موقعیت و سرعت روتور استفاده می‌کند. این موتورها به طور گسترده در وسایل نقلیه با کنترل رادیویی الکتریکی استفاده می‌شوند و به عنوان مدل‌های موتورهای پیش‌رو به حساب می آیند (از آنجا که آهن ربا در قسمت خارجی است).

اثر هال این گونه بیان می‌کند که اگر جریانی (I) از یک بلور رسانا در جهت عمود بر میدان مغناطیسی یکنواخت (H) اعمال‌شده عبور کند، رسانا دارای اختلاف پتانسیل (ΔV) میان رخ‌های عمود بر جهت جریان و میدان مغناطیسی خواهد شد. این پدیده به افتخار کاشف آن ادوین هال نام‌گذاری شده است. همچنین او به این نکته پی برد که میزان ولتاژ به اندازه جریان عبوری از رسانا و چگالی شار مغناطیسی عمود بر آن بستگی دارد. اندازه‌ی این ولتاژ در محدوده‌ی میکرو ولت است. به همین خاطر در کاربردهای عملی حضور تقویت کننده‌ها ضروری است. سنسورهای (حسگرهای) اثر هال در بسیاری از ابزار اندازه‌گیری استفاده می‌شوند. در شرایطی که متغیر حس شونده میدان مغناطیسی تولید کند یا آن را از خود عبور دهد سنسورهای اثر هال به خوبی وظیفه خود را انجام می‌دهند.

موتورهای DC بدون جاروبک معمولا در جایی که کنترل سرعت دقیق لازم است مانند درایوهای دیسک کامپیوتر، ضبط کننده‌های کاست ویدئویی، درایوهای CD و CD-ROM، فن‌ها، پرینترهای لیزری، فتوکپی‌ها و… این نوع موتور الکتریکی مزایای متعددی نسبت به موتورهای معمولی دارد که می‌توان به این موارد اشاره کرد: در مقایسه با فن‌های AC با استفاده از موتورهای قطب چاک دار، بسیار کارآمد هستند. در حال اجرا خیلی خنک‌تر از موتورهای AC معادل هستند و منجر به افزایش عمر یاتاقان‌های فن می‌شوند.

هر کابل می تواند بار مشخصی را تغذیه کند در غیر این صورت باعث آسیب جدی به عایق کابل می شود.

بنابراین طراحی و سایزینگ کابل در هر پروژه ای از اهمیت ویژه ای برخوردار است.

در این مقاله قصد داریم نحوه سایزینگ کابل و بدست آوردن افت ولتاژ در آن را آموزش دهیم.

۱# آموزش سایزینگ کابل

در ابتدا بررسی کنیم چرا سایزینگ کابل قبل از شروع سیم کشی باید انجام شود؟

1. کابل بدون آسیب دیدگی به طور مداوم زیر بار کار کند.
2. ولتاژ مناسب بار را تامین کند و افت ولتاژ زیادی نداشته باشد.
3. در برابر بروز خطای احتمالی (اتصال کوتاه) مقاوم باشد.

4. موارد تعیین کننده سایزینگ کابل

   در اینگونه مسائل کارفرما از شما می خواهد کابلی را سایز کنید که افت ولتاژ آن در طول یک مسیر مشخص از ۵ ولت (این عدد قابل تغییر است) بیشتر نباشد.

   برای محاسبه سطح مقطع یک کابل با روش افت ولتاژ قدم های زیر را در نظر می گیریم.

   ۱- محاسبه جریان بار

   ۲- محاسبه افت ولتاژ در کابل

   ۳- انتخاب سطح مقطع کابل بر اساس جدول مشخصه

   ۳# محاسبه جریان بار

   برای تعیین سایزینگ کابل در گام اول باید جریان بار را محاسبه کنیم. برای این کار در دو حالت بار سه فاز و بار تک فاز از فرمول های زیر استفاده می کنیم.

   در صورت اینکه بار سه فاز باشد:

   

   در صورت اینکه بار تک فاز باشد:

   

   برای مثال: محاسبه حداقل سطح مقطع کابل سه هسته ای یک بار ۳ فاز ۵۰ کیلو وات به ولتاژ ۴۰۰ ولت و ضریب توان ۰٫۹ که طول آن ۱۴۰ متر بوده و حداکثر افت ولتاژ آن ۲ درصد باشد.

   گام اول: محاسبه جریان بار

   

   ۴# محاسبه افت ولتاژ کابل

   در گام دوم باید افت پتانسیل کابل با متراژ مشخص را با استفاده از فرمول زیر محاسبه کنیم.

   

   برای مثال بالا گام دوم را محاسبه میکنیم.

   گام دوم: محاسبه افت ولتاژ کابل

   دقت شود طول کابل باید به صورت کیلومتر در فرمول بالا قرار داده شود.

   

   پس از مشخص شدن افت پتانسیل در کابل، گام بعدی برای سایزینگ کابل استفاده از جدول مشخصه برای تعیین سطح مقطع کابل است.

5. جدول سایزینگ کابل

   براساس جدول ابتدا باید مشخص کنیم که کابل ما چند هسته ای است. برخی کابل ها دو هسته ای، سه هسته ای و یا تک هسته ای اند.

   

   بعد از مشخص شدن تعداد هسته های کابل، کافی است با توجه به گام سوم از جدول زیر سطح مقطع کابل را انتخاب کنیم.

   گام سوم: انتخاب کابل از روی جدول مشخصه

   با توجه به افت ولتاژ ۰٫۷۱ ما باید کابل با سطح مقطعی را انتخاب کنیم که افت ولتاژ آن کمتر از ۰٫۷۱ باشد.

   

   بنابراین کابل با سطح مقطع ۷۰ میلیمتر مربع برای این بار کافی است.