الکتروموتور تک‌ فاز و روش‌های راه‌اندازی آن

الکتروموتور تک فاز چیست؟

الکتروموتور تجهیزی است که انرژی الکتریکی را به انرژی مکانیکی (یک حرکت دورانی یا خطی) تبدیل می‌کند. الکتروموتورها از منظر ولتاژ تغذیه به دو دسته الکتروموتورهای AC و الکتروموتورهای DC تقسیم می‌شوند. الکتروموتور تک فاز یک ماشین دوار است که با ولتاژ ۲۲۰ ولت متناوب (AC) کار می‌کند.اگر دوست دارید مطالب بیشتری در مورد دسته‌بندی الکتروموتورها بدانید، مقاله دسته‌بندی الکتروموتورها را بخوانید.

مزایای استفاده از الکتروموتور تک فاز

دلایل اصلی استفاده از الکتروموتورهای تک فاز به شرح زیر است:

• عدم نیاز به شبکه برق سه‌فاز

برق تک فاز (فاز و نول) بسیار راحت‌تر از سه‌فاز در دسترس است و بسیاری از صنایع و کارگاه‌های کوچک (کارگاه تراشکاری یا نجاری) با برق تک فاز کار می‌کنند.

• پایین بودن هزینه تهیه و نگهداری 

الکتروموتورهای تک فاز نسبت به الکتروموتورهای سه‌فاز بسیار ارزان‌تر هستند و هزینه تعمیرات آن‌ها کمتر از الکتروموتورهای سه‌فاز است.

• طول عمر نسبتاً بالا

موتور تک فاز به دلیل ساختار ساده نسبت به موتور سه‌فاز عمر بیشتری دارد.

ساختار داخلی الکتروموتور تک فاز آسنکرون

موتورهای AC تک فاز از موتورهای پرکاربرد در صنعت هستند. این موتورها به دو دسته تقسیم می‌شود:

• موتور تک فاز سنکرون 
• موتور تک فاز آسنکرون 

در موتورهای سنکرون، سرعت میدان استاتور و روتور برابر است. اما در موتورهای آسنکرون سرعت میدان استاتور از سرعت میدان روتور بیشتر است. زیرا میدان روتور از القای جریان در روتور به‌وجود می‌آید؛ اما در موتورهای سنکرون، روتور و استاتور هر یک به صورت جداگانه به منبع ولتاژ متصل می‌شوند. 

موتورهای آسنکرون تک فاز بسیار پرکاربرد هستند به‌همین دلیل در این مقاله، ما نحوه عملکرد موتورهای تک فاز آسنکرون را بررسی می‌کنیم.

ساختار اصلی موتور تک فاز آسنکرون از اجزای زیر تشکیل شده است:

•  استاتور یا قسمت ثابت (Stator)
•  روتور یا قسمت متحرک (Rotor)
• بیرینگ ابتدایی و انتهایی (Driven Bearing & Opposite Driven Bearing)
• شافت (Shaft) 
• کلید گریز از مرکز (Centrifugal Switch)
• فن (Fan)
• خازن دائم یا موقت (Start or Run Capacitor) (که با توجه به نوع موتور می‌تواند خازن به صورت دائم یا موقت در مدار قرار گیرد) 
• جعبه ترمینال یا تخته کِلِم (Terminal Box)

شکل ۱- اجزاء تشکیل دهنده الکتروموتور القایی تک‌فاز

آیا می‌دانید؟

 چرا نام دیگر جعبه ترمینال موتور، تخته کِلِم است؟ اینجا کلیک کنید و پاسخ این سوال را ببینید.

نحوه عملکرد انواع الکتروموتورهای تک‌فاز آسنکرون

برای به حرکت در آوردن روتور باید در استاتور یک میدان مغناطیسی دوار ایجاد کنیم. در موتورهای تک فاز یک دسته کلاف وجود دارد (به دلیل تک فاز بودن موتور). زمانی که به موتور برق وصل می‌کنیم، در این دسته کلاف، میدان مغناطیسی ایجاد می‌شود؛ اما این میدان دوار نیست. 

از پنج روش زیر برای ایجاد میدان مغناطیسی دوار استفاده می‌شود:

• استفاده از سیم‌پیچ راه‌انداز و کلید گریز از مرکز
• استفاده از سیم‌پیچ کمکی، خازن موقت و کلید گریز از مرکز
• استفاده از سیم‌پیچ کمکی، خازن دائم و کلید گریز از مرکز
• استفاده از سیم‌پیچ کمکی، خازن دائم، خازن موقت و کلید گریز از مرکز
• استفاده از قطب چاک‌دار

موتورهای تک فاز آسنکرون بسته به استفاده از هر کدام از روش‌های بالا، به پنج دسته تقسیم می‌شود. در ادامه با هر یک از آن‌ها آشنا می‌شوید.

موتور تک فاز با سیم‌پیچ راه‌انداز و کلید گریز از مرکز(موتور تک فاز با فاز شکسته)

این مدل موتور تک فاز AC، دارای دو دسته کلاف سیم‌پیچ (سیم‌پیچ اصلی و سیم‌پیچ راه‌اندازی) است. عموماً سیم‌پیچ راه‌انداز در مقایسه با سیم‌پیچ اصلی، با تعداد دور کمتر و سیم‌های نازک‌تری ساخته می‌شود تا مقاومت بیشتری نسبت به سیم‌پیچ اصلی داشته‌ باشد.

سیم‌پیچ اصلی وظیفه نگه‌داشتن موتور الکتریکی در حالت چرخش را برعهده دارد. از موارد کاربرد موتور القایی تک فاز با فاز شکسته می‌توان به روشن و خاموش کردن دستگاه‌هایی که به گشتاور پایین نیاز دارند، از جمله فن‌ها و دمنده‌های کوچک، اشاره کرد.

اگر سیم‌پیچ کمکی از سیم‌پیچ اصلی مقاومت بیشتری داشته باشد، جریان مقاومتی با جریان سلفی اختلاف فاز دارد. این اختلاف فاز باعث ایجاد یک میدان دوار و در نتیجه راه‌اندازی موتور می‌شود. برای این که سیم‌پیچ راه‌اندازی، مقاومت بیشتری داشته باشد، باید سطح مقطع آن را نازک‌تر از سیم‌پیچ اصلی در نظر گرفت.

شکل ۲- مدل موتور تک‌فاز با سیم‌پیچ راه‌انداز و کلید گریز از مرکز

نکته حائز اهمیت این است که سیم‌پیچ راه‌اندازی به‌دلیل مقاومت بالاتری که دارد باید پس از راه‌اندازی موتور، از مدار خارج شود. زیرا هنگام عبور جریان، مقاومت بالای سیم‌پیچ باعث داغ شدن آن می‌شود. اگر سیم‌پیچ به مدت طولانی در مدار باشد، عایق سیم‌پیچِ راه‌انداز ذوب شده و باعث سوختن آن خواهد شد.

برای حل این مشکل، در موتور یک کلید گریز از مرکز طراحی شده است. به محض این که موتور به ۷۵٪ دور نامی خود رسید، کلید گریز از مرکز، سیم‌پیچ راه‌انداز را از مدار خارج می‌کند.

شکل ۳- شماتیک موتور تک فاز با سیم‌پیچ راه‌انداز و کلید گریز از مرکز

الکتروموتور تک فاز با سیم‌پیچ راه‌انداز، گشتاور پایینی دارد. توان این نوع موتور،بین ۱/۲ الی ۱/۳ اسب بخار و جریان راه‌اندازی آن بین ۶ تا ۸ برابر جریان نامی است. از کاربردهای این موتور می‌توان به روشن و خاموش کردن دستگاه‌هایی که به گشتاور پایین نیاز دارند از جمله فن‌ها و دمنده‌های کوچک، اشاره کرد.

موتور تک فاز با خازن موقت (راه‌انداز)

همانطور که گفته شد، برای ایجاد اختلاف فاز مناسب در موتورهای الکتریکی تک فاز، معمولاً تعداد دور سیم‌پیچ اصلی را بیشتر از سیم‌پیچ راه‌انداز و سطح مقطع آن را نیز بزرگ‌تر در نظر می‌گیرند. در حالت ایده‌آل، اگر اختلاف فازِ بین این دو سیم‌پیچ ۹۰ درجه باشد، موتور با گشتاور بالایی راه‌اندازی می‌شود. اما اختلاف فاز بین این دو سیم‌پیچ به اندازه کافی نیست‌.

برای ایجاد اختلاف فاز بیشتر، می‌توان از یک خازن استفاده کرد. در خازن، جریان نسبت به ولتاژ پیش‌فاز است. این خاصیت سبب استفاده از خازن در مدار سیم‌پیچ راه‌اندازی می‌شود.

خازن موقت از نوع الکترولیتی با ظرفیت بالا است و معمولاً به صورت جداگانه روی بدنه موتور نصب می‌شود. خازن‌های الکترولیتی تلفات زیاد و راندمان پایینی دارند، لذا بعد از این‌ که دور موتور به ۷۵٪ دور نامی موتور رسید، کلید گریز از مرکز این خازن و سیم‌پیچ راه‌انداز را از مدار خارج می‌کند، چون اگر مدت زمان زیادی در مدار باشند، هر دو تجهیز آسیب می‌بینند. این موتورها از ۱/۸ اسب بخار به بالا تولید می‌شوند.

شکل ۴- مدل موتور تک فاز با سیم‌پیچ راه‌انداز، خازن موقت و کلید گریز از مرکز

شکل ۵- شماتیک موتور تک‌فاز با سیم‌پیچ راه‌انداز و کلید گریز از مرکز

موتور تک فاز با خازن دائم

در این نوع موتور، به دلیل نبود کلید گریز از مرکز و وجود خازن دائم در مدار، صدای موتور کم بوده و زور (گشتاور) آن در جریان نامی بیشترین مقدار است. این موتور در دستگاه‌هایی مثل پنکه و ماشین لباسشویی خانگی و … بسیار پرکاربرد است.

در این موتورهای الکتریکی، سطح مقطع و تعداد دور سیم‌پیچ‌های اصلی و راه‌انداز برابر است و به آن سیم‌پیچ کمکی می‌گویند. برای ایجاد اختلاف فاز بین دو سیم‌پیچ، از خازن دائم استفاده می‌شود. 

ظرفیت خازن راه‌انداز باید طوری محاسبه شود تا در زمان راه‌اندازی، اختلاف فاز کمی ایجاد کند. به‌طوری که گشتاور کافی برای راه‌اندازی تامین شود؛ اما هنگامی که موتور در جریان نامی خود در حال کار است، اختلاف فاز بین دو سیم‌پیچ تقریبا معادل ۹۰ درجه باشد. در این شرایطِ کاری، می‌توان خازن را در مدار نگه داشت. در نتیجه، ظرفیت خازن دائم کار در مقابل خازن راه‌انداز، کمتر است و هنگام راه‌اندازی، جریان کمتری از آن عبور می‌کند.

به دلیل این که خازن دائم‌کار باید زمان بیشتری در مدار حضور داشته باشد، خازن الکترولیت گزینه مناسبی نخواهد بود. به همین خاطر، خازن این نوع موتور القایی را روغنی در نظر می‌گیرند. البته قیمت خازن‌های روغنی نسبت به مدل الکترولیتی بیشتر است. این موتور برای دستگاه‌هایی که در لحظه راه‌اندازی نیاز به گشتاور زیادی دارند، مناسب نیست.

شکل ۶- مدل موتور تک‌فاز با سیم‌پیچ‌ کمکی و خازن دائم

موتور تک فاز با خازن دائم و موقت 

این نوع موتور نسبت به موتورهای دیگر بازده بیشتر و گشتاور تقریباً ثابتی دارند. این موتورها می‌توانند اضافه بار تا ۲۵٪ بار نامی خود را تحمل کنند. در این دسته از موتورهای تک فاز، موتور دارای دو خازن راه‌انداز و دائم است، که با هم موازی شده‌اند.

در برخی از بارهایی که به موتور کوپل شده مانند بالابرها و میکسرها موتور در لحظه راه‌اندازی نیاز به گشتاور بیشتری دارد. در نتیجه در لحظه راه‌اندازی، هر دو خازن وارد مدار می‌شوند و خازن راه‌انداز پس از این که موتور به ۷۵٪ دور نامی خود رسید، به‌وسیله کلید گریز از مرکز از مدار خارج می‌شود و خازن دائم برای یکسان نگه داشتن اختلاف فاز بین دو سیم‌پیچ موتور در مدار باقی می‌ماند.

شکل ۷- مدل موتور تک‌فاز با سیم‌پیچ‌ کمکی و خازن‌های دائم و موقت

از کاربردهای این موتور می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• بالابرها 
• میکسرها 
• سیستم‌های برودتی و مکا‌ن‌هایی که برق سه‌فاز وجود ندارد. 

توجه داشته باشید این موتور نسبت به نوع‌های دیگر قیمت بالاتری دارد.

بیشتر بدانید:

خازن‌های الکترولیتی (شیمیایی) بیشترین ظرفیت‌‌ خازنی را دارند. در حین استفاده از خازن به پایه‌های اتصال، دقت کنید تا قطب‌ها جابه‌جا نشوند. زیرا در صورت اتصال اشتباه پایه‌ها ممکن است خازن باد کند یا منفجر شود. 

در خازن‌های روغنی از روغن خاصی به عنوان دی‌الکتریک خازن استفاده شده است که دوام و مقاومت بالایی دارند. همین امر باعث شده طول عمر این نوع بیشتر از خازن‌های الکترولیتی باشد. این نوع خازن غیر قطبی است و می‌توان پلاریته‌های اتصال ولتاژ را در صورت نیاز در آن‌ها تغییر داد. 

موتور تک فاز قطب چاک‌دار (سایه‌دار)

ساختار داخلی این موتور شبیه سایر انواع موتورهای تک فاز است، با این تفاوت که در قطب‌های استاتور برجستگی‌های کوچکی وجود دارد. به این برجستگی‌های کوچک قطب چاکدار می‌گویند. دور این قطب‌ها یک سیم‌پیچ (کویل) پیچیده شده است. این سیم‌پیچ به هسته استاتور اتصال کوتاه می‌شود. در اصل، این کویل نقش سیم‌پیچ راه‌انداز را دارد.

زمانی که به استاتور برق وصل کنید، یک شار متناوب در آن تولید می‌شود. تغییرات این شار باعث ایجاد شار مغناطیسی در سیم‌پیچ قطب چاک‌دار خواهد شد. جهت این دو شار، مخالف یکدیگر است. شار ایجاد شده در قطب چاک‌دار از شار استاتور عقب‌تر است و همین امر باعث اختلاف فاز بین دو سیم‌پیچ و چرخش روتور می‌شود.

شکل ۸- مدل موتور تک‌فاز قطب چاک‌دار 

موتورهای قطب چاک‌دار از نظر ساختمان ساده هستند و به کلید گریز از مرکز، جاروبک، خازن و کموتاتور نیاز ندارند. این موتورها به دلیل ساختار ساده ارزان‌قیمت هستند.

خصوصیات موتور قطب چاک‌دار شامل موارد زیر است:

•  ضریب توان پایین 
• گشتاور راه‌اندازی بسیار کم
•  راندمان پایین 

به همین خاطر، این موتور در اندازه‌های کوچک از ۱/۲۵۰hp تا ۱/۶hp ساخته می‌شوند. موتورهای سایه‌دار در پنکه‌های رومیزی، دستگاه‌های فتوکپی، پمپ آب کولر، انواع بادبزن‌ها، تابلوهای تبلیغاتی و ساعت‌های الکتریکی کاربرد دارند.