از کدامیک از انواع الکتروموتورها (DC ، سه فاز ، تک فاز) استفاده کنم؟

درباره یکسوساز سه فاز بیشتر بدانید

در آموزش‌های قبلی گفتیم که یکسوسازی، عملی است که در آن، یک منبع ولتاژ‌ AC سینوسی با استفاده از دیودها، تریستورها، ترانزیستورها یا مبدل‌ها به یک منبع ولتاژ‌ DC یا جریان مستقیم تبدیل می‌شود. این فرایند یکسوسازی را می‌توان با یکسوسازهای مختلف نیم موج، تمام موج، کنترل نشده و کاملاً کنترل شده برای تبدیل منابع تکفاز و سه فاز به یک سطح DC ثابت انجام داد. در آموزش‌های پیشین، با یکسوساز‌های تکفاز نیم موج و تمام‌ موج نیز آشنا شدیم. در این آموزش، درباره یکسوساز سه فاز و الکتروموتور 7.5 اسب بحث می‌کنیم.

یکسوسازی، یکی از کاربردهای محبوب دیودها است. دیودها ارزان، کوچک و مقاوم هستند و با استفاده از آن‌ها می‌توان انواع مدارهای یکسوکننده را ساخت. منابع تکفاز، مانند آن‌هایی که در خانه‌ها با ولتاژهای $120 \, \mathrm {Vrms}$ یا $ 240 \, \mathrm {Vrms} $ فاز به نول یا خط به نول (L-N) در دسترس هستند و ولتاژ و فرکانس ثابتی دارند، ولتاژ یا جریان‌های سینوسی تولید می‌کنند که به طور خلاصه آن‌ را AC می‌نامند.

مدارهای یکسوساز سه فاز یا چند فاز، مشابه مدارهای یکسوساز تکفاز هستند؛ با این تفاوت که در حالت سه فاز، سه منبع تکفاز داریم که با یکدیگر یک منبع سه فاز را می‌سازند. از یکسوسازهای سه فاز در بسیاری از کاربردهای صنعتی، مانند کنترل موتور، شارژ باتری و… استفاده می‌شود که توان بالاتری نسبت به مدارهای یکسوساز تکفاز دارد.

منابع سه فاز، از ترکیب ولتاژهای AC تکفاز با دامنه و فرکانس مشابه ساخته شده‌اند که هر یک از این ولتاژهای AC تکفاز، «فاز» نامیده می‌شود. این سه فاز مختلف، به اندازه $120$ درجه الکتریکی نسبت به هم اختلاف فاز دارند و یک دنباله فاز یا چرخش فاز $ 360^ \circ / 3 = 120 ^ \circ $ را ایجاد می‌کنند که در شکل زیر نشان داده شده است.

شکل موج سه فاز

یکی از مزایای منبع سه فاز AC، این است که توان الکتریکی را مستقیماً برای بارهای متعادل و یکسوکننده‌ها مهیا می‌کند. از آنجایی که دامنه ولتاژ و فرکانس یک منبع سه فاز ثابت است، می‌توان از آن برای تولید یک ولتاژ DC یکسو استفاده کرد. این ولتاژ DC در مقایسه با یک ولتاژ DC یکسو شده از منبع تکفاز، ریپل کمتری دارد.

یکسوساز سه فاز نیم موج

گفتیم که یک منبع سه فاز، ترکیبی از سه منبع تکفاز است و با استفاده از این ویژگی می‌توانیم مدارهای یکسوساز سه فاز را بسازیم. مشابه یکسوسازی تکفاز، در یکسوسازی سه فاز نیز از دیود، تریستور یا مبدل برای برای ساخت مدارهای یکسوکننده نیم موج، تمام موج، کنترل نشده و کاملاً کنترل شده استفاده می‌شود. در اغلب کاربردها، یکسوساز سه فاز مستقیماً از شبکه اصلی یا یک ترانسفورماتور سه فاز (در صورت نیاز به سطح ولتاژ متفاوت) تغذیه می‌شود.

مشابه یکسوسازهای تکفاز، پایه‌ای‌ترین مدار یکسوساز سه فاز، یک مدار یکسوساز نیم موج کنترل نشده است که از سه دیود نیمه‌هادی (یک دیود برای هر فاز) بهره می‌گیرد. شکل زیر، این مدار را نشان می‌دهد.

یکسوسازی سه فاز نیم موج

اما یکسوساز شکل بالا چگونه کار می‌کند؟ همان‌طور که می‌بینیم، آند هر دیود به هر فاز منبع ولتاژ متصل است. کاتد هر سه دیود نیز به یکدیگر و نیز سر مثبت بار متصل هستند.

فرض می‌کنیم ترتیب فاز‌ها به صورت قرمز-زرد-آبی ($ V_A – V_B – V_C$) بوده و فاز قرمز ($V_A$) از $0 ^ \circ $ آغاز می‌شود. دیودی که قبل از همه هدایت می‌کند، دیود $ 1 $ ($D_1$) است، زیرا در آند، ولتاژ مثبت بزرگتری نسبت به دو دیود دیگر $ D_2 $ یا $ D_3 $ دارد. بنابراین، دیود $D_1$ در نیم‌ دوره‌های مثبت $V_A$ هدایت می‌کند؛ در حالی که $D2 $ و $D_3 $ بایاس معکوس هستند. سیم نول، یک مسیر برای بازگشت جریان بار به منبع ایجاد می‌کند.

بعد از $120$ درجه الکتریکی، دیود $2$ ($ D_ 2 $) برای نیم‌ سیکل مثبت $V_B$ (فاز زرد) شروع به هدایت می‌کند. در این حالت، آند دیود $ D_2$، نسبت به آند دیودهای $ D_1$ و $D_3$ مثبت‌تر است و به دلیل بایاس معکوس، این دو دیود خاموش هستند. به طور مشابه، $120 ^ \circ $ بعد، $V_C$ (فاز آبی) دیود $ 3$ ($ D_3$) را روشن می‌کند. در این حالت $D_1$ و $ D _ 2 $ خاموش هستند.

همان‌طور که از شکل بالا مشخص است، هر دیود به اندازه یک سوم هر دوره، جریان را هدایت می‌کند و فرکانس جریان خروجی، سه برابر فرکانس منبع AC است. بنابراین، در هر تناوب، سه پیک ولتاژ وجود دارد. در نتیجه، با افزایش تعداد فازهای منبع از یک فاز به سه فاز، یکسوسازی منبع بهبود می‌یابد و ولتاژ‌ DC خروجی نرم‌تر خواهد بود.

برای یک یکسوساز نیم موج سه فاز، منابع ولتاژ $ V_A$، $V_B$ و $V_C$ با اختلاف فاز $ 120 ^ \circ $ متعادل هستند:

$ \large V _ A = V _p \sin ( \omega t – 0 ^ \circ ) $

$ \large V _ B = V _p \sin ( \omega t – {120} ^ \circ ) $

$ \large V _ C = V _p \sin ( \omega t – {240} ^ \circ ) $

بنابراین، مقدار DC میانگین شکل موج ولتاژ‌ خروجی یک یکسوساز نیم موج سه فاز برابر است با:

$ \large V_{\mathrm {DC}} = \frac { 3 \sqrt { 3 } } { 2 \pi } V _ {\mathrm {P}} = 0 . 8 27 \times V _ {\mathrm {PEAK}} $

از آنجایی که ولتاژ پیک منابع ولتاژ، $ V _ \mathrm {P} $، برابر با $ 1.414 \times V _ {\mathrm {RMS}}$ است، رابطه $ V _\mathrm {RMS} = 0.707 \times V _ \mathrm {P} $ را داریم. بنابراین، ولتاژ خروجی DC میانگین یکسوکننده را می‌توان بر حسب مقدار مؤثر (RMS) ولتاژ فاز بیان کرد:

$ \large V _ \mathrm {DC} = \frac { 3 \sqrt {3}} { 2 \pi } \times \frac {V _ { \mathrm {PEAK}}} {1.414} $

$ \large V _ \mathrm {DC} = \frac {0.827} { 0.707 } \times V _ { \mathrm {RMS}} $

مثال ۱

یک ترانسفورماتور سه فاز $ 120 \, \mathrm {VAC}$، به یک یکسوساز سه فاز متشکل از سه دیود مجزا متصل شده است. اگر بخواهیم توان مورد نیاز باری با امپدانس $50 \, \Omega $ را تأمین کنیم، موارد زیر را به دست آورید (فرض کنید دیودها ایده‌آل هستند):‌

    (الف) خروجی ولتاژ DC میانگین بار

    (ب) جریان بار

    (ج) جریان میانگین هر دیود.

حل (الف): ولتاژ بار DC میانگین برابر است با:

$ \large V _ \mathrm {DC} = 1.17 \times 120 = 140.4 \, \mathrm {V} $

توجه کنید که اگر مقدار پیک ولتاژ ($ V _ \mathrm {P}$) را در اختیار داشتیم، می‌توانستیم $ V _ \mathrm {DC}$ را به صورت زیر محاسبه کنیم:

$ \large V _ \mathrm {DC} = 0.827 \times V _ \mathrm {P} = 0.827 \times 169.68 = 140.4 \, \mathrm {V} $

 حل (ب): جریان بار DC برابر است با:

$ \large I _ \mathrm {L} = V _ \mathrm {DC} / R _ \mathrm {L} = 140.4/50 = 2.81 \, \mathrm {A} $

حل (ج): جریان میانگین هر دیود نیز به صورت زیر به دست می‌آید:

$ \large I _ \mathrm {D} = I _ \mathrm {L} / 3 = 2.81/3 = 0.94 \, \mathrm {A} $

یکی از معایب یکسوسازی سه فاز نیم موج این است که به یک منبع تغذیه چهار سیمه شامل سه فاز و یک نول نیاز دارد. همچنین، ولتاژ‌ خروجی DC میانگین آن کم است (همان‌طور که دیدیم، مقدار آن $ 0.827 V _ \mathrm{P}$ است). دلیل کم بودن این مقدار این است که فرکانس خروجیِ دارای ریپل، سه برابر فرکانس ورودی است. البته با افزودن سه دیود دیگر به مدار یکسوساز پایه و تشکیل یک یکسوساز پل کنترل نشده تمام موج، می‌توانیم این معایب را بهبود دهیم.

یکسوساز سه فاز تمام موج

مدار یکسوساز پل کنترل نشده تمام موج، از شش دیود تشکیل شده است. در این مدار، مشابه یکسوساز پل تکفاز، دو دیود برای هر فاز وجود دارد. یکسوکننده سه فاز تمام موج را می‌توان با استفاده از دو یکسوساز نیم موج ساخت. مزیت این مدار یکسوساز، ریپل خروجی کمتر نسبت به یکسوکننده سه فاز نیم موج است. دلیل این ریپل کم، شش برابر بودن فرکانس خروجی نسبت شکل موج AC ورودی است.

همچنین، یکسوکننده تمام موج می‌تواند از یک منبع سه فاز سه سیمه با اتصال مثلث نیز تغذیه شود که نیازی به سیم نول ندارد. شکل زیر، مدار یکسوکننده سه فاز تمام موج را نشان می‌دهد.

یکسوسازی سه فاز سه سیمه

مانند قبل، فرض می‌کنیم توالی به صورت قرمز-زرد-آبی ($V_A-V_b-V_C$) باشد و فاز قرمز ($ V_A$) در $ 0 ^ \circ $ آغاز شود. همان‌طور که در شکل بالا مشخص است، هر فاز بین دو دیود وصل می‌شود. یکی از دو دیود، بخش مثبت بار و دیگری، بخش منفی آن را تغذیه می‌کند.

دیودهای $ D_1 $، $ D_3$، $D_2$ و $D_ 4$ یک شبکه یکسوکننده پل را بین فازهای $ A $ و $B$ تشکیل می‌دهند. به طور مشابه، دیودهای $ D_3$، $D_5$، $D_4$ و $D_6$ بین فازهای $B$ و $C$، و دیودهای $ D_ 5$، $D_1$، $D_6$ و $D_2$ بین فازهای $C$ و $ A $ قرار دارند.

بنابراین، دیودهای $ D_1$، $ D_3$ و $ D_5$، بسته به اینکه ولتاژ کدام‌ یک در سر آند بیشتر است، بخش مثبت را تغذیه می‌کنند. از سوی دیگر، کاتد دیودهای $ D_ 2$، $ D_4$ و $D_6$، بسته به اینکه کدام‌یک منفی‌تر است، هدایت می‌کند.

می‌توان مشاهده کرد که در یکسوسازی سه فاز، جفت دیودها با الگوی خاصی جریان را هدایت می‌کنند. این الگو به صورت $ D_ {1-2}D_{1-6}D_{3-6}D_{3-6}D_{3-4}D_{5-4}D_{5-2} $ و $ D _ {1-2}$ است که در شکل زیر نشان داده شده است.

در یکسوسازهای قدرت سه فاز، هدایت همیشه در مثبت‌ترین دیود و منفی‌ترین دیود متناظر با آن انجام می‌شود. وقتی سه فاز در ترمینا‌ل‌های یکسوساز می‌چرخند، هدایت از یک دیود به دیود دیگر منتقل می‌شود. پس از آن، هر دیود $ 120 ^ \circ$ (یک‌سوم) از هر دوره تناوب منبع را با یک جفت دیود هدایت می‌کند. هر یک جفت دیود به اندازه $ 60 ^ \circ $ (یک‌ششم) یک تناوب را هدایت می‌کنند.

بنابراین، می‌توانیم بگوییم برای یک یکسوساز سه فاز که از طریق ثانویه ترانسفورماتور تغذیه می‌شود، هر فاز به اندازه $ 360 ^ \circ /3 $ جدا خواهد شد و بنابراین به $ 2 \times 3 $ دیود نیاز داریم. لازم به ذکر است که برخلاف یکسوساز نیم موج، اتصال مشترکی بین ورودی یکسوکننده و ترمینال‌های خروجی وجود ندارد. بنابراین، می‌توان آن را با یک ترانسفورماتور با اتصال ستاره یا مثلث تغذیه کرد.

در نتیجه، مقدار DC میانگین شکل موج ولتاژ خروجی یک یکسوساز تمام موج سه فاز، برابر است با:

$ \large V _ {\mathrm {DC}} = \frac { 3 \sqrt {3 } } { \pi} V _ \mathrm {S} = 1.65 V _ {\mathrm {S}} $

که در آن، $ V _ \mathrm {S}$ برابر با $ V_ \mathrm {L(PEAK)}/ \sqrt {3} $ و $ V _ {\mathrm {L(PEAK)}} $ ولتاژ خط به خط ماکزیمم ($ 1.414 V_ \mathrm {L}$) است.

یک یکسوساز پل تمام موج سه‌ فاز برای تغذیه یک بار مقاومتی $ 150 $ اهمی نیاز داریم. منبع سه فاز با ولتاژ $ 127 $ ولت، فرکانس $ 60 $ هرتز و اتصال مثلث است. با چشم‌پوشی از افت ولتاژ دیودها، (الف) ولتاژ DC خروجی یکسوساز و (ب) جریان بار را محاسبه کنید.

حل (الف): ولتاژ خط RMS برابر با $ 127 $ ولت است. بنابراین، ولتاژ خط به خط پیک ($ V _{\mathrm {L-L(PEAK)}}$) به صورت زیر است:

$ \large V _ { \mathrm { L ( P E A K ) } } = V _ { \mathrm { L ( R M S) } } \times \sqrt {2 } = 127 \times 1.414 = 179. 6 \, \mathrm {V} $

از آنجایی که منبع سه فاز است، ولتاژ فاز به نول ($ V _ \mathrm {P-N}$) هر فاز به صورت زیر محاسبه می‌شود:

$ \large V _ { \mathrm {S} } = V _ { \mathrm { L ( P E A K ) } } / \sqrt { 3 } = 179.6 / 1.732 = 103.7 \, \mathrm {V} $

در حقیقت می‌توان گفت:

$ \large V _ \mathrm {S} = \frac {V _ { \mathrm {L (RMS)} } \times \sqrt { 2 }} {\sqrt {3}} = 103.7 \, \mathrm {V} $

بنابراین، ولتاژ خروجی DC یکسوکننده سه فاز، برابر است با:

$ \large V _ \mathrm {DC} = \frac {3 \sqrt { 3 }} {\pi} V _ \mathrm {S}= 1.654 V _ \mathrm {S} = 1.654 \times 103.7 = 171.5 \, \mathrm {V} $

می‌توانیم با استفاده از ولتاژ‌ RMS خط به خط، محاسبات بالا را کاهش دهیم و ولتاژ خروجی DC میانگین را به صورت زیر محاسبه کنیم:

$ \large V _ \mathrm {DC} = \frac {3 \sqrt { 2 }} {\pi} V _ \mathrm {L(RMS)}= 1.35 \times 127 = 171.5 \, \mathrm {V} $

حل (ب): خروجی یکسوساز، یک بار $ 150 $ اهمی مقاومتی را تغذیه می‌کند. با استفاده از قانون اهم، جریان بار به صورت زیر به دست می‌آید:

$ \large I _ \mathrm {LOAD} = V _ \mathrm {S} / R_ \mathrm {L} = 171.5/150 = 1.14 \, \mathrm {A} $

یکسوساز سه فاز کنترل شده

در یکسوسازی سه فاز کنترل نشده، از دیود برای تولید ولتاژ خروجی میانگین ثابت با توجه به مقدار ولتاژهای AC ورودی استفاده می‌شود. اما برای تغییر ولتاژ خروجی یکسوساز، باید همه یا تعدادی از دیودهای کنترل نشده را با تریستور تعویض کنیم. در این صورت، یکسوکننده نیمه کنترل شده یا کاملاً کنترل شده خواهیم داشت.

دسته بندی دینام صنعتی

تریستورها، قطعات نیمه‌هادی سه‌ سر هستند و وقتی یک پالس تریگر مناسب به گیت آن‌ها اعمال شود و ولتاژ آند-کاتد آن‌ها مثبت باشد، جریان بار را از خود عبور می‌دهند. بنابراین، با تأخیر زمان پالس تریگر (زاویه آتش)، می‌توانیم تأخیر ایجاد کنیم.

در نتیجه، با یکسوسازی سه فاز کنترل شده که در آن به جای دیود از تریستور استفاده می‌شود، می‌توانیم مقدار ولتاژ‌ خروجی DC را با کنترل زاویه آتش جفت تریستورها کنترل کنیم و در نتیجه ولتاژ خروجی را به عنوان تابعی از زاویه آتش $ \alpha $ یکسو کنیم.

بنابراین، تنها تغییری که در فرمول مربوط به ولتاژ‌ خروجی میانگین یکسوساز پل سه فاز ایجاد می‌شود، ضرب کسینوس زاویه آتش یا $ \cos \alpha $ در فرمول است. اگر زاویه آتش صفر باشد ($ \cos (0) = 1 $)، یکسوکننده کنترل شده، مانند یکسوکننده کنترل نشده دیودی قبل و با ولتاژ‌ خروجی میانگین مشابه آن عمل خواهد کرد.

جمع‌بندی

دیدیم که یکسوسازی سه فاز، فرایند تبدیل یک منبع AC سه فاز به یک ولتاژ DC پالس‌زن است. این یکسوسازی توان، یک منبع متناوب را به یک منبع یک‌جهته تبدیل می‌کند.

همچنین دیدیم که یکسوسازهای کنترل نشده نیم موج سه فاز، از یک دیود برای هر فاز استفاده می‌کنند و باید به یک منبع با اتصال ستاره وصل شوند که دارای سیم چهارم (نول) برای بستن مدار از بار به منبع است. اما یکسوساز پل تمام موج را که از دو دیود برای هر فاز بهره می‌گیرد، می‌توان به یک منبع با اتثال مثلث متصل کرد که سه سیم دارد.

یک مزیت دیگر یکسوساز تمام موج، این است که جریان بار پل به خوبی متعادل شده و بازده (نسبت توان DC خروجی به توان تغذیه ورودی) را افزایش می‌دهد و فرکانس و دامنه ریپل خروجی آن را در مقایسه با پیکربندی نیم موج کاهش می‌یابد.

با افزایش تعداد فازها و دیودها در پیکربندی پل، می‌توان به یک ولتاژ خروجی DC میانگین بالاتر با دامنه ریپل کمتر دست یافت؛ مثلاً‌ با یکسوسازی شش فاز، که در آن، هر دیود فقط به اندازه یک‌ششم دوره تناوب هدایت می‌کند. علاوه بر این، فرکانس ریپل ولتاژ خروجی یکسوسازهای چند فاز، بیشتر است و به همین دلیل، خروجی نرم‌تری دارند. بنابراین، می‌توان از یکسوسازهای ۶، 12، 15 و حتی ۲۴ فاز برای بهبود ضریب ریپل در کاربردهای مختلف استفاده کرد.

موتور الکتریکی تک فاز به الکتروموتورهایی گفته می شود که جهت راه اندازی نیاز به جریان متناوب تک فاز (N,L) دارند. ساختمان داخلی این موتورها از یک قسمت ساکن (استاتور) و یک قسمت گردان (روتور) تشکیل شده است. این موتورها از اندازه های کوچک ۱/۸ hp تا چند اسب بخار حدود ۵ اسب بخار ساخته می شوند.

اصول کار اغلب موتورهای تک فاز مانند موتورهای سه فاز بر خاصیت القایی استوار است. این موتورها به میدان دوار نیاز دارند. موتورهای تک فاز در وسایل خانگی بیشتر از صنعت کاربرد دارد. الکتروموتور تک فاز را براساس ساختمان داخلی و روش راه اندازی به صورت زیر می توان طبقه بندی کرد:

• الکتروموتور القایی (فاز شکسته- خازن دار- قطب چاک دار)
• الکتروموتور دفعی (ربولسیونی)
• الکتروموتور اونیورسال
• الکتروموتور سنکرون با قطب دائم (رلوکتانسی – هیسترزیسی)

سیم پیچی و شار موتور تک فاز

یک هسته استاتور که مشابه با هستۀ به کار رفته در موتورهای چند فاز است، در شکل زیر نشان داده شده است. سیم پیچی استاتور نشان می دهد که ماشین مذکور دو قطب دارد. از طرفی دیده می شود که سیم پیچ های هر قطب هم مرکز بوده و سیم پیچی درونی نسبت به سیم پیچی بیرونی دارای گام کمتری است. در اینجا فقط دو سیم پیچ در هر قطب نشان داده شده است، اما تعداد این سیم پیچ ها می تواند سه، چهار و یا پنج سیم پیچ (بسته به اندازه موتور و تعداد شیارهای استاتور) باشد.

باید توجه داشت، سیم پیچی مورد استفاده در این ماشین از نوع هم مرکز است. سیم پیچ های هر قطب با یکدیگر سری هستند و این سیم پیچ ها خود می توانند با قطب دیگر سری و یا موازی شوند.

یم پیچی اصلی یک موتور تک فاز دو قطب سیم پیچ های a و b به صورت سری به یکدیگر وصل شده اند سیم پیچ های ab و ′a′b می توانند سری یا موازی باشند.

اگر سیم پیچی این موتور را به یک ولتاژ متناوب تک فاز وصل کنیم، به طور تقریبی یک شار متناوب به صورتی که نشان داده شده، در شکاف هوایی هسته استاتور ایجاد می شود، که تنها در امتداد یک محور (در اینجا محور عمودی) نوسان می کند. این شار از صفر شروع شده، و به حداکثر خود می رسد و سپس مجدد صفر شده و در جهت مخالف به مقدار حداکثر خود می رود و در انتهای سیکل دوباره صفر می شود.

چنین به نظر می رسد که در این سیستم هیچ گونه دوران و چرخش شار وجود ندارد. اگر یک روتور قفس سنجابی در داخل استاتور قرار داده شود، روتور حرکتی نمی کند، تنها لرزش دارد و داغ می شود.

با این وجود اگر به روتور در یک جهت دلخواه، نیروی نسبتاً اندکی وارد کنیم، در همان جهت سریع سرعت گرفته، و شروع به کار می کند. با توجه به این پدیده نتیجه می گیریم که موتورهای تک فاز القایی گشتاور راه اندازی ندارند.

روش های راه اندازی موتور تک فاز

نخستین راه حلی که برای راه اندازی موتور های الکتریکی تک فاز پیشنهاد می شود این است که حرکت اولیه ای برای رتور به سمت راست یا چپ ایجاد شود. با ایجاد این حرکت اولیه در یک جهت، رتور در همان جهت به چرخیدن خود ادامه خواهد داد تا به سرعتی نزدیک به سرعت سنکرون برسد.

با ایجاد چرخش اولیه، حالت کارکرد موتور به صورت ژنراتوری در خواهد آمد و بنا به قانون دست راست، جریان هایی در رتور تولید خواهند شد که این جریان ها، میدانی را در رتور به وجود می آورند که بر شار استاتور عمود است، در نتیجه گشتاوری در رتور تولید خواهد شد و موتور به چرخش خود ادامه خواهد داد.

اجرای این شیوۀ راه اندازی گرچه عملی است اما مطلوب نیست و همواره راه اندازی خودکار موتور تک فاز مورد نظر است. بر این اساس موتورهای تک فاز مختلفی طراحی می شوند که موتور تک فاز با فاز شکسته، موتور تک فاز با خازن راه اندازی موتور تک فاز با خازن دائمی و موتور تک فاز دو خازنه نامیده می شوند.

برای آنکه راه اندازی موتور تک فاز به طور خودکار صورت گیرد، باید میدان نوسانی موتور تک فاز به میدانی دوار تبدیل شود به همین دلیل از ایدۀ تولید میدان دوار در موتور دو فاز در موتور تک فاز نیز استفاده می شود. باید توجه داشت که در موتورهای دو فاز، بین فازهای تغذیه کنندۀ سیم بندی موتور، ۹۰ درجه اختلاف فاز وجود دارد.

اختلاف فاز در موتور الکتریکی تک فاز

   شکل زیر نمونه ای از یک استاتور دو قطب را نشان می دهد که در شیارهای آن دو دسته سیم پیچی (قطبی و کمکی) قرار داده شده است. در حالت کار دائمی موتور، از سیم پیچ اصلی استفاده می شود.

یک استاتور تک فاز دو قطب، که سیم پیچ های اصلی و کمکی آن ۹۰ درجه اختلاف مکان دارند. اگر استاتور چهار قطب باشد، سیم پیچ های اصلی و کمکی ۹۰ درجۀ الکتریکی که معادل ۴۵ درجه مکانیکی است با یکدیگر اختلاف مکان دارند.

   یک روتور قفسه سنجابی در این استاتور قرار دارد و فرض می کنیم که یک منبع ۱۱۵ ولت، Hz ۶۰ به سیم پیچ اصلی استاتور متصل است. موقعیت نسبی شکل موج های ولتاژ و جریان، مانند شکل زیر است که نمایش آن ها با فازور متداول است.

با اتصال سیم پیچی اصلی به یک منبع تغذیه مناسب، هنگامی که روتور ساکن است جریان مانند شکل است.

   کلاف ها درون فولاد قرار دارند، بنابراین شار مغناطیسی قوی تولید می کنند که به کلاف، راکتانس القایی قابل ملاحظه ای می دهد و در نتیجه جریان را نسبت به ولتاژ در موقعیت پس فاز قرار می دهد.

   دومین سیم پیچی که عمود بر سیم پیچ اصلی است را سیم پیچ راه انداز یا  کمکی می نامیم. اگر مشابه سیم پیچ اصلی باشد و به همان منبع تغذیه تک فاز متصل شود، شاری به وجود می آورد که با شار سیم پیچ اصلی ۹۰ درجه اختلاف مکان دارد. از ترکیب شار سیم پیچ کمکی و شار سیم پیچ اصلی، شاری پدید می آید که محور آن در فاصله میانی بین دو سیم پیچ قرار دارد. موتور هیچ گردشی نمی کند و تنها سر و صدا ایجاد کرده و گرم می شود.

   برای ساخت سیم پیچ کمکی از سیم نازکتری که مقاومت بیشتری دارد استفاده شده و تعداد دور این سیم پیچ کاهش داده می شود. بنابراین سیم پیچ کمکی مقاومت زیاد و راکتانس کوچکی دارد و جریان آن نسبت به ولتاژ خیلی پس فاز نیست.

اختلاف فاز مقاومتی

   نمودار شکل زیر ولتاژ (که برای هر دو سیم پیچ یکسان است) و جریان های سیم پیچ های کمکی و اصلی را نشان می دهد. توجه داشته باشید که در جریان با یکدیگر اختلاف فاز دارند. البته اختلاف فاز آن ها مانند سیستم های دو فاز ۹۰ درجه نیست بلکه در حدود ۳۰ درجه است.

بنابراین سیستمی شبیه سیستم دو فاز در موتور تک فاز پدیدار می شود، که یک شار گردان تولید می کند. در اینجا با یک منبع تک فاز توانستیم در سیم پیچ ها اختلاف فاز به وجود آوریم. بنابراین مناسب تر است آن ها را اختلاف فاز مقاومتی بنامیم. کل جریانی که موتور در لحظه راه اندازی از شبکه می گیرد، با مجموع I_S و I_M برابر است.

 با اتصال سیم پیچ های اصلی و کمکی به یک منبع تک فاز، جریان های متمایزی مانند شکل پدید می آید.  مجموع این دو جریان برابر با جریان خط (I) است، که موتور در لحظۀ راه اندازی از شبکه می گیرد.

دلیل قطع سیم پیچ کمکی در مدار موتور القایی تک فاز

   اگر در زمانی که سیم پیچ کمکی در مدار است، موتور به کار خود ادامه دهد نه تنها به کاربرد مطلوب موتور کمکی نمی کند، بلکه به موتور آسیب می رساند. در ساخت سیم پیچ کمکی از سیم های نازک استفاده شده است، تا مقاومت به اندازه کافی بزرگ گردد و اگر در حدود ۵ ثانیه در مدار باشد می سوزد، زیرا سیم ها به قدری گرم می شود که عایق آن ها ذوب شده و سیم پیچ اتصال کوتاه (زمین) می شود.

   بنابراین مجبوریم که از روش هایی برای قطع کردن سیم پیچ کمکی از منبع، بعد از راه اندازی موتور استفاده کنیم. اما این سیم پیچ در هنگام توقف یا کاهش سرعت موتور مجدداً باید در مدار قرار گیرد.

دو روش پرکاربرد برای قطع سیم پیچ کمکی در موتور تک فاز را بررسی می کنیم :

1. استفاده از کلید گریز از مرکز موتور تک فاز
2. استفاده از رله های جریان در مدار راه انداز موتور تک فاز

کلید گریز از مرکز موتور تک فاز

   کلید گریز از مرکز شامل یک محرک و یک صفحه اتصال است. محرک شامل وزنه های لولا شده ای است که با وارد شدن نیروی گریز از مرکز به اندازه فاصله کوتاهی باز می شوند، اما نیروی فنر با این عمل مخالفت می کند. سرعتی که در آن وزنه ها حرکت می کند ثابت است و توسط وزنه ها و ثابت فنر مشخص می شود. هنگامی که آن ها حرکت می کنند، یک اتصال سبب حرکت محوری غلاف می شود.

  این غلاف در حالت سکون موتور، اتصال بازوهای لولا شده را به اتصال ساکن دیگری فشار می دهد. این دو اتصال به صورت سری با سیم پیچ کمکی قرار دارند. هنگامی که سرعت موتور به حدود سرعت نهایی رسید، این کلید باز شده، سیم پیچ کمکی از مدار خارج می شود و موتور تنها با سیم پیچ اصلی به کار خود ادامه می دهد. یک اضافه بار می تواند سرعت موتور را کم کند، که سبب نزدیک شدن نقاط اتصال به یکدیگر و سپس اتصال آن ها می شود.

   سپس سیم پیچ کمکی در مدار قرار می گیرد و گشتاور اضافه شده سرعت موتور زیاد می شود. این افزایش سرعت باعث باز شدن کلید می شود. اگر اضافه بار ادامه یابد روند فوق تکرار شده و سبب سوختن اتصالات و سیم پیچ کمکی خواهد شد.

در منحنی گشتاور سرعت یک موتور تک فاز، گشتاور ناشی از ترکیب هر دو سیم پیچی و سیم پیچ اصلی به تنهایی نشان داده شده است.

رله های جریان در مدار راه اندازی الکتروموتور 10 اسب

   برای خارج کردن سیم پیچ کمکی از مدار، به غیر از کلیدهای گریز از مرکز، از رله های جریان نیز استفاده می شود. این رله ها یک آهنربای الکتریکی دارد، که بازوی اتصال را حرکت می دهد. اساس کار این رله ها به این صورت است که در هنگام وصل موتور به خط، جریان نسبتاً زیادی کشیده می شود که باعث بسته شدن رله می شود. با سرعت گرفتن موتور این جریان به تدریج کاهش می یابد تا جایی که رله باز می شود و سیم پیچ کمکی قطع می شود.

   سیم پیچ رله به صورت سری با سیم پیچ اصلی قرار می گیرد. اما اتصال های رله به صورت سری با سیم پیچ کمکی قرار دارد، که این اتصال ها در حالت عادی باز است. در هنگام وصل موتور به خط، این اتصال ها توسط نیروی آهنربای الکتریکی بسته می شود. با سرعت گرفتن موتور، جریان کم شده و اتصال ها باز می شود.

   طراح موتور باید این رله ها را به دقت انتخاب کند، در غیر این صورت نقطه قطع رله ممکن است به گونه ای باشد که سیم پیچ کمکی را خیلی زود یا دیر قطع کند.

   معمولاً موتورهای یخچال به گونه ای ساخته می شوند که در ناحیۀ کار خود، گاز را به داخل کمپرسور می فرستند. به طور قطع نمی توان از کلیدهای گریز از مرکز برای موتورهای یخچال استفاده کرد، بنابراین از رله های راه انداز استفاده می شود.

نمونه ای از ساختمان یک کلید گریز از مرکز.  در هنگام راه اندازی موتور تماس بین دکمه ها و غلاف گردان تنها در کسری از ثانیه انجام می گیرد.

یک رلۀ جریان برای راه اندازی موتور

موتور فاز شکسته

برای تولید میدان دوار در موتور های الکتریکی تک فاز علاوه بر سیم پیچ اصلی، سیم پیچ دیگری نیز به استاتور اضافه می شود که به سیم پیچ راه انداز یا کمکی معروف است. این سیم پیچ با سیم پیچ اصلی، موازی بسته می شود.

از آنجا که سیم پیچ کمکی با راه انداز را در بسیاری موارد تنها جهت راه اندازی موتور و ایجاد حرکت اولیه در آن به کار می گیرند، معمولاً یک کلید گریز از مرکز بر سر راه آن قرار می دهند تا پس از رسیدن سرعت موتور به حدود ۷۰ یا %۷۵ سرعت نامی، سیم پیچ راه انداز از مدار خارج شود و فقط سیم پیچ اصلی در مدار باقی بماند.

با توجه به اینکه میدان های سیم پیچ اصلی و کمکی با جریان عبوری از آن ها متناسب هستند، می توان رابطه گشتاور راه اندازی را به صورت   T= K I _a I _s  sin a بیان کرد، که در آن I _s جریان سیم پیچ اصلی و I _a جریان سیم پیچ کمکی و اختلاف فاز بین این دو جریان است. هر چه a به ۹۰ درجه نزدیکتر باشد گشتاور بزرگتری تولید خواهد شد در حالت عادی مقدار زاویه  در حدود ۲۵ درجه است.

به این روش راه اندازی موتور تک فاز، راه اندازی مقاومتی با فاز شکسته می گویند و به طور کلی باید دو شرط برای راه اندازی موتورهای القایی تک فاز با فاز شکسته لازم است:

۱- وجود اختلاف فاز زمانی بین جریان سیم پیچ اصلی و کمکی

٢- وجود جابجایی مکانی روی هسته استاتور بین سیم پیچ اصلی و کمکی ( تولید شدن میدان دوار)

در موتورهای چندفاز ولتاژهای تغذیه کننده این موتورها، هر کدام در لحظات مختلفی از زمان به مقدار حداکثر خود می رسند. این اختلاف زمانی در موتورهای دو فاز ۹۰ درجه و در موتورهای سه فاز ۱۲۰ درجه بود.

در ضمن اعمال این ولتاژ، به یک سری سیم پیچ ها که به طور مناسبی در داخل استاتور پیچیده شده اند، باعث ایجاد یک میدان مغناطیسی دوار در شکاف هوایی می شود. از طرفی منبع تک فاز، ولتاژ متناوب را تولید می کند.

از آن جا که در موتور های الکتریکی تک فاز سیم بندی استاتور تنها به یک منبع تک فاز وصل می شود، میدانی نوسانی در استاتور تولید می شود که در یک محل شروع به نوسان کرده و مانند موتورهای القایی سه فاز حرکت دورانی نخواهد داشت، در نتیجه موتور تک فاز قادر به چرخیدن نیست.

حرکت تناوبی رفت و برگشت میدان هنگامی که رتور ساکن است باعث القای ولتاژی در آن می شود که این ولتاژ جریان های بزرگی را در رتور ایجاد می کند. این جریان ها به گونه ای ایجاد می شوند که بنا به قانون دست چپ نیروهای ایجاد شده در رتور یکدیگر را خنثی کرده و گشتاوری تولید نخواهد شد.

وضعیت میدان در یک موتور القایی تک فاز در حالت عادی

دلیل عدم به وجود آمدن گشتاور راه اندازی در موتور تک فاز، به گونه ای دیگر نیز بیان می شود. میدان نوسانی استاتور را می توان در هر لحظه از زمان به دو میدان تجزیه کرد، به طوری که از تجزیه میدان استاتور در یک سیکل کامل، دو میدان دوار راستگرد و چپگرد به دست می آید. از آنجا که در هنگام ساکن بودن رتور، گشتاور راه اندازی نسبت به این دو میدان با هم برابر است رتور موتور تک فاز نخواهد چرخید.

راه اندازی موتور تک فاز با خازن

برای ایجاد اختلاف فاز مناسب در موتور های الکتریکی تک فاز معمولاً تعداد دور سیم پیچ اصلی را بیشتر از سیم پیچ راه انداز و سطح مقطع آن را نیز بزرگتر انتخاب می کنند.

 در موتورهای اختلاف فازی توانستیم گشتاور راه اندازی به وجود آوریم. اما این اشکال عمده وجود دارد که اختلاف فاز به وجود آمده بین جریان دو سیم پیچ به اندازه کافی بزرگ نباشد. اگر به طور ایده آل جریان های سیم پیچ های اصلی و کمکی اندازه برابر و اختلاف فاز ۹۰ ذرجه داشته باشند تمام مزایای راه اندازی یک موتور دو فاز به دست می آید.

   این شرایط با استفاده از یک خازن به دست می آید. خازن این خاصیت ویژه را دارد که جریان آن نسبت به ولتازش پیش فاز است. این خاصیت سبب استفادۀ وسیع آن در اضافه نمودن به مدار سیم پیچ کمکی می شود.

در راه اندازی موتور تک فاز با خازن، دو سیم پیچ اصلی و کمکی وجود دارد. برخی الکتروموتورهای تک فاز به منظور افزایش اختلاف فاز بین جریان های سیم پیچ اصلی، کمکی و رساندن آن به حدود ۹۰ درجه الکتریکی از خازن در مسیر جریان سیم پیچی کمکی به طور سری استفاده می شود. در این حالت گشتاور به حداکثر می رسد.

 خازن مورد نظر از نوع الکترولیتی با ظرفیت بالاست و معمولاً به صورت جداگانه روی بدنۀ موتور نصب می شود. این خازن ها بعد از مدتی از مدار خارج می شوند چون اگر مدت زمان زیادی در مدار بمانند آسیب می بینند. برای خارج کردن خازن از مدار، در مدار سیم پیچ راه انداز با خازن، از یک کلید گریز از مرکز (تابع دور) نیز استفاده می شود. این کلید پس از راه اندازی الکتروموتور تک فاز، خازن را از مدار خارج می کند.

خازن اضافه شده هم می تواند به طور موقت و هم می تواند به طور دائم در مدار سیم پیچ راه انداز قرار بگیرد. به موتوری که خازن آن به طور موقت در مدار سیم پیچ راه انداز قرار می گیرد، موتور تک فاز با خازن راه انداز می گویند.

راه اندازی موتور تک فاز با خازن راه اندازی

 شکل زیر تصویر مدار الکتریکی الکتروموتور تک فاز با راه اندازی خازنی را نشان می دهد.

راه اندازی موتور تک فاز با خازن

 در عمل نه لازم و نه اقتصادی است که جریان های دو سیم پیچ مثل شکل زیر دقیقاً مانند جریان های دو فاز باشند. تحت شرایطی می توان گشتاور راه اندازی رضایت بخشی با استفاده از خازنی با ظرفیت کمتر به دست می آورد. علی رغم این توافق موتورهای تا ۱۰ اسب بخار به خازن های ۶۰ تا ۱۰۰۰ میکروفارادی نیاز دارند.

 ظرفیت خازن اضافه شده به سیم پیچ کمکی می تواند به گونه ای باشد که اندازۀ جریان سیم پیچ کمکی را با اندازۀ جریان سیم پیچ اصلی برابر و اختلاف فاز بین آنها را ۹۰ درجه سازد. به نظر می رسد که در لحظۀ راه اندازی، دو سیم پیچ به یک منبع تغذیه دو فاز متصل شده اند.

IM جریان سیم پیچ اصلی و IA جریان سیم پیچ کمکی است.

جریان های یک موتور راه انداز خازنی هنگامی که روتور ساکن نشان داده شده است  در اینجا ظرفیت خازن به کار رفته کمتر است اما اندازۀ گشتاور و راه اندازی به دست آمده مناسب است.

نمودار گشتاور-سرعت موتور تک فاز با خازن راه انداز

خازن راه انداز معمولاً از نوع الکترولیتی بوده و ظرفیت آن از μF ۱۰۰ تا ۱۰۰۰ μF می تواند تغییر نماید و موتور تک فاز با خازن راه انداز از بیشترین گشتاور راه اندازی در بین موتورهای تک فاز برخوردار است.

 الکتروموتور تک فاز با راه انداز خازنی

هرگاه دور موتور به ۷۵% دور نامی برسد کلید تابع دور عمل کرده سیم پیچ راه انداز و خازن را از مدار خارج می کند. این موتورها از یک هشتم اسب بخار به بالا قدرت دارند. گشتاور راه اندازی آنها نسبتاً مناسب است و در کمپرسورها، سیستم های تهویه مطبوع، پمپ ها و سردخانه ها کاربرد دارند. مانند آنچه در شکل زیر مشاهده می شود الکتروموتور تک فاز خازنی را می توان توسط میکروکنترلر چپ گرد ،راست گرد کرد.

راه اندازی موتور تک فاز با خازن الکترولیتی

   روش راه اندازی موتورهای تک فاز با استفاده از خازن، سال ها قبل توسط Steinmet ارائه شد. اما در آن زمان تنها روش ساخت خازن ها استفاده از دو ورقه فلزی بود که بین آن ها کاغذ قرار می دادند. این خازن ها خیلی حجیم و گران قیمت بودند. یک خازن ۱۰۰۰MF از این نوع، به طور قابل ملاحظه ای بزرگتر از یک جعبه بود.

   در حدود سال ۱۹۳۰ خازن های الکترولیتی توسعه یافت. در ساختار جدید، خازن ها کوچکتر و ارزانتر تولید می شوند. به عنوان مثال یک خازن MF۶۰ به اندازه یک باتری فلاش بود. اما این نوع خازن ها یک عیب عمده داشتند، اینکه به طور دائم آن ها را به خط تغذیه وصل می کردند. در حقیقت به طور استاندارد آن ها ۲۰ بار در ساعت می توانستند راه اندازی شوند که البته ضریب ایمنی قابل ملاحظه ای برای آن در نظر گرفته شده است. اما با این وجود، موتور راه انداز خازنی باید سریعاً بار را به سرعت مورد نظر برساند و سپس سیم پیچ کمکی و خازن از حال تغذیه قطع شوند. عمل قطع شدن توسط کلید گریز از مرکز یا رله جریان انجام می گیرد.

   معمولاً این موضوع مشکل زیادی در کاربرد ایجاد نمی کند. گشتاور راه اندازی یک موتور با خازن راه انداز به آسانی می تواند در حدود چهار برابر گشتاور بار کامل باشد. به علاوه در این نوع موتور با افزایش سرعت، گشتاور شتاب دهنده بار، نیز افزایش می یابد بنابراین به جز زمانی که موتور دارای باری با اینرسی غیر عادی است، گشتاور راه اندازی و شتاب دهنده، سریعاً موتور را به سرعت بالایی می رساند. این بزرگترین مزیت این نوع موتورها نسبت به موتورهای اختلاف فاز مقاومتی است. چون در موتورهای اختلاف فاز گشتاور راه اندازی در حدود گشتاور بار کامل است و گشتاور شتاب دهنده با افزایش سرعت کاهش می یابد.

   تمام این موارد با توسعه خازن الکترولیتی ممکن شده است و این توسعه تغییرات زیادی در صنعت موتور، در سی سال گذشته به وجود آورده است.

منحنی های کار یک موتور راه انداز خازنی با توان ۱/۲ hp و سرعت ۱۷۲۵ rpm

راه اندازی موتور الکتریکی تک فاز با خازن دائمی

در صورتی که خازن اضافه شده به مدار سیم پیچ راه انداز، از این مدار خارج نشود، موتوری با نام موتور الکتریکی تک فاز با خازن دائم شکل می گیرد. خازنی که به طور دائم در مدار قرار می گیرد، معمولاً از نوع روغنی بوده و ظرفیت آن حدود ۱۰ درصد ظرفیت خازن الکترولیتی است و با سیم پیچ راه اندازی سری شده استفاده می شود. در بین موتورهای تک فاز، موتور با راه انداز خازنی از بیشترین گشتاور راه انداز برخوردار است.

این موتور کلید تابع دور ندارد و سیم پیچ راه انداز به همراه خازن در مدار است. خازن دائم کار همیشه در مدار است و به نسبت راه انداز خازنی خرابی کمتری دارد. خازن دائم کار گشتاور موتور را بهبود می دهد و در الکتروموتور تک فاز با هدف بهبود ظرفیت اضافه بار، افزایش ضریب قدرت، افزایش ضریب بهره (راندمان) و آرام کار کردن موتور استفاده می شود. از این موتورها در دمنده ها، پنکه های سقفی، پمپ آب ماشین لباسشویی و پنکه رومیزی استفاده می شود.

موتور الکتریکی تک فاز با خازن دائمی گشتاور راه اندازی پایینی دارد اما ضریب توان و راندمان در آن بسیار بالاست. نمونه ای از موتور تک فاز با خازن دائمی در شکل زیر نشان داده شده است.

   اگر از یک خازن روغنی ۴ یا ۵ میکروفارادی که به طور ثابت در مدار سیم پیچ کمکی باقی می ماند استفاده می شد، چه اتفاقی می افتاد؟ در لحظه راه اندازی جریان کمی از خازن و سیم پیچ کمکی عبور می کرد و در نتیجه گشتاور و راه اندازی کم بود.

منحنی گشتاور سرعت یک موتور خازن دائمی

   در صورت استفاده از خازن دائم، گشتاور شتاب دهنده کوچک خواهد بود، اما گشتاور ماکزیمم بیشتر از زمانی خواهد بود که تنها سیم پیچ اصلی در مدار قرار داشت.

   فرض کنید، خازن های بیشتری به مدار اضافه شود، این افزایش تا نقطه ای سودمند است، پس از آن با اینکه گشتاور راه اندازی و شتاب دهنده همچنان افزایش می یابد. اما کارکرد موتور ضعیف می شود. که سر و صدا، کاهش سرعت و افزایش دما از نتایج آن است.

   در طراحی یک موتور با خازن دائم، اندازه خازن بین مقدار بزرگی که برای راه اندازی لازم است و مقدار کوچکی که برای تعادل عملکرد مورد نیاز است انتخاب می شود. به هر حال شار ناشی از سیم پیچ کمکی که در فاصله هوایی به وجود می آید به میزان زیادی شار تپشی، با فرکانس دو برابر را تضعیف می کند. در نتیجه این موتورها نسبتاً نرم تر و بهتر کار می کنند.

کاربردهای وسیع موتورهای تک فاز خازن دار

   از موتورهای خازن دائمی در پنکه ها و دمنده ها استفاده می شود. زیرا این موتورها گشتاور راه اندازی کمی نیاز دارند و نرم و آرام کار می کنند.

   به تازگی از این موتورها در ماشین های تجاری گوناگونی که در آن ها سیکل راه اندازی سریع و سیکل کار کوتاه است، استفاده می شود. بعضی از انواع ماشین حساب های رومیزی و ماشین های توزیع بلیط نمونه ای از موارد استفاده این موتورها است. کارپرداز یک کلید را فشار می دهد و موتور روشن می شود کار خود را انجام می دهد و قبل از اینکه سرعت بگیرد می ایستد.

   خازن نسبتاً بزرگی که برای گشتاور راه اندازی لازم است، سبب ضعیف شدن کارکرد موتور می شود اما سیکل کار موتور کوتاه است و بنابراین مشکلی به وجود نمی آید. این راه اندازی های مکرر، باعث خرابی خازن های الکترولیتی و کوتاه شدن عمر کلیدهای گریز از مرکز یا رله های جریان می شود. بنابراین از آغاز کاربرد پنکه ها و دمنده ها تنها موتور خازن دائم با طراحی ویژه در کاربردهای گوناگون مفید واقع شده است.

راه اندازی موتور تک فاز خازن دائم با دو خازن

برای آنکه از مزایای موتور های الکتریکی تک فاز با خازن راه انداز و خازن دائمی یک جا استفاده شود، موتور تک فاز دو خازنه انتخاب می شود.الکتروموتور تک فاز دو خازنی ترکیبی از دو نوع موتور قبل است؛ یعنی هم گشتاور راه اندازی و هم گشتاور کار خوبی دارد.

در ابتدای راه اندازی، دو خازن موازی با سیم پیچ کمکی به صورت سری قرار می گیرند. پس از راه اندازی و رسیدن دور موتور به ۷۵% دور نامی تنها خازن الکترولیتی توسط کلید گریز از مرکز از مدار خارج می شود و خازن روغنی به همراه سیم پیچ راه اندازی (سیم پیچ کمکی) در مدار باقی می ماند. چگونگی اتصال خازن ها و سیم پیچ اصلی و کمکی این موتورها طبق شکل زیر است:

چگونگی قرار گرفتن خازن راه انداز، خازن دائمی و کلید گریز از مرکز در مدار سیم پیچ کمکی. خازن الکترولیتی سبب تولید گشتاور راه اندازی بزرگی می شود و خازن روغنی عملکرد موتور را بهبود می بخشد.

در حالت راه اندازی هر دو خازن در مدار هستند و زاویه φ از ۹۰ درجه بیشتر است. پس از آن خازن راه اندازی از مدار خارج می شود و زاویه φ برابر با ۹۰ درجه می شود.

به عبارت دیگر اگر از یک خازن الکترولیتی چند صد میکروفارادی برای راه اندازی موتور تک فاز استفاده شود، و سپس برای کار دائم آن را از مدار خارج نموده و یک خازن روغنی چند ده میکروفارادی اضافه کنیم، یک موتور تک فاز با گشتاور راه اندازی عالی و عملکرد بسیار خوب خواهیم داشت. این روش به خصوص در موتورهای با توان بیش از یک اسب بخار عملی است. شکل زیر نشان می دهد که چگونه می توان کلید گریز از مرکز و خازن ها را در مدار قرار داد تا به منظور فوق دست یافت.

   توجه داشته باشید که در هنگام کار در نتیجه اثر سیم پیچ کمکی به گشتاور ماکزیمم افزوده شده و آن را از lb- ft ۱۰/۷ به ft ۹/۸ می رساند. سیم پیچ کمکی همچنین سرعت را از ۱۷۲۰ به ۱۷۳۵ دور در دقیقه افزایش می دهد (افزایش سرعت چندان مهم نیست).

   مهمتر از همه این حقیقت است که تمام توان مورد نیاز بار را تنها سیم پیچ اصلی تأمین نمی کند. در نتیجه وجود سیم پیچ کمکی، جریان سیم پیچ اصلی از ۱۶/۵ به ۱۴/۴  آمپر کاهش می یابد و تلفات از ۱۰۲ به ۷۸ وات تقلیل پیدا می کند.

   کاهش تلفات خیلی به نظر نمی آید اما اختلاف دما در دو موتور ۱۳ درجه سانتیگراد است. موتور با خازن راه انداز هنگامی که تنها سیم پیچ اصلی در بار کامل کار می کند دمای آن ۱۳ درجه سانتیگراد بیشتر از زمانی است که هر دو سیم پیچ در مدار است.

   این اختلاف دما نقش تعیین کننده ای در قابل قبول یا غیرقابل قبول بودن موتور دارد. که این مسئله خصوصاً در گنجاندن توان در چهارچوب های کوچک و کوچک تر مهم می شود.

نقشه سربندی موتور تک فاز با دو خازن

در تصاویر زیر سیم بندی یک نمونه موتور تک فاز دو خازنه نشان داده شده است.

یک نمونه موتور تک فاز دو خازنه

نمونه سیم بندی موتور تک-فاز دو خازنه

دیاگرام سیم بندی موتور القایی تک فاز دو خازنه

خصوصیات الکتروموتور تک فاز دو خازنی

• این موتورها گشتاور راه اندازی زیادی دارند.
• در شرایط کاری گشتاور خوبی از خود نشان می دهند.
• ضریب بهره و ضریب قدرت خوبی دارند. (ضریب توان و راندمان قابل ملاحظه)
• فوق العاده آرام کار می کنند.
• قدرت تحمل اضافه بار تا ۲۵% بار نامی دارند.
• از این موتورها در پمپ های بالابرها، کمپرسورها، یخچال های صنعتی و به طور کلی جاهایی که بخواهیم بارهای سنگین را راه اندازی کنیم استفاده می شود. هم چنین در وسایلی مانند کولر آبی و ماشین لباسشویی به کار گرفته می شوند و موتورهای با خازن دائمی در اکثر لوازم خانگی مانند یخچال و کولرهای گازی مورد استفاده قرار می گیرند.
• رتور موتورهای تک فاز، معمولاً از نوع قفس سنجابی انتخاب می شود زیرا این رتورها ارزان بوده، ساختمانی ساده دارند.

نکته: برای تغییر جهت موتورهای تک فاز کافی است محل اتصال دو سر مجموعه سیم بندی کمکی به منبع (همراه خازن) عوض شود.

موتور قطب چاک دار

موتور قطب چاک دار، ساده ترین و ارزانترین نوع موتورهای تک فاز است. این موتورها با توان کمتر از یک اسب بخار معمولاً بین ^۱/_۶ (برای موتورهای دو قطب) تا ^۱/_۲۵۰ hp که ساخته می شوند. راندمان این موتورها کاملاً پایین است.

موتور الکتریکی با قطب چاک دار اساساً یک موتور القایی قفس سنجابی است که سیم پیچ کمکی آن، یک حلقه مسی است که قسمتی از هر قطب را احاطه می کند. سیم پیچی اصلی آن نیز پیچک ساده ای است که به یک منبع AC وصل می شود.

در واقع استاتور الکتروموتور قطب چاک دار به صورت برجسته (آشکار) و روتور آن از نوع قفسی است. برای ایجاد میدان دوار از یک حلقه یا کلاف اتصال کوتاه شده در روی ورق های هسته استفاده می شود. حلقه یا سیم پیچ اتصال کوتاهی که در استاتور جاسازی می شود نقش سیم پیچ راه انداز را دارد.

عملکرد موتور با قطب چاک دار

   به موتور دو قطبی نشان داده شده در شکل زیر توجه کنید. لحظه ای را در نظر بگیرید که شار در تمام مدار مغناطیسی خود تازه از صفر به یک مقدار مثبت در حال افزایش است. در این لحظه، در اثر عبور شار از درون حلقه مسی اتصال کوتاه، ولتاژی در آن القا می شود که سبب جاری شدن جریان درون حلقه مسی می شود. شار به وجود آمده توسط این جریان به گونه ای است که با شار اصلی مخالفت می کند.

 قسمتی از ورقۀ استاتور یک موتور دو قطب: هنگامی که شار تغییر می کند،  حلقۀ مسی اتصال کوتاه، شار عبوری از این قسمت را به تأخیر می اندازد.

به دلیل وجود اختلاف فاز بین جریان سیم پیچ اصلی و جریان القایی در حلقه مسی، اختلاف فازی نیز بین شار بخش حلقه دار و شار بخش بدون حلقه در هر قطب، پدید می آید و میدان دواری در سطح کوچک قطب ها شکل می گیرد. این میدان دوار، حرکت خود را از بخش بدون حلقه آغاز می کند و به سمت بخش حلقه دار ادامه می دهد، در نتیجه رتور نیز این میدان دوار را دنبال کرده به گردش در می آید. این مقدار جزئی انتقال شار با اینکه به طور فاحشی از حالت ایده آل شارگردان در موتورهای چندفاز به دور است، برای راه اندازی موتور کافی است. البته این عمل در هر دو قطب انجام می شود.

به بیان ساده تر حلقۀ اتصال کوتاه تحت تأثیر میدان مغناطیسی سیم پیچ اصلی قرار می گیرد و میدان مغناطیسی به وجود می آورد. این میدان نسبت به میدان اصلی اختلاف فاز زمانی دارد. این دو میدان با اختلاف فازی که دارند موجب می شوند تا میدان تقریباً دواری به وجود آید و روتور شروع به حرکت کند.

به دلیل آن که در موتور با قطب چاکدار، میدان دوار در سطح کوچک قطب ها تشکیل می شود، گشتاور راه اندازی، راندمان و ضریب توان در این موتورها بسیار پایین و لغزش بسیار بزرگ است. سادگی ساختمان و عدم نیاز به سیم پیچ کمکی و کلید گریز از مرکز از مزایای این موتورها به شمار می آید، به همین دلیل کاربرد این موتورها در توانهای تا حدود ۴۰ وات مانند فن ها و پمپ های کوچک رواج زیادی یافته است.

 این موتور در جهت معکوس نمی چرخد. به هر حال در سال های اخیر به دلیل تقاضای زیاد، برای هواکش های پنجره که می توانند هوا را به داخل کشیده یا به خارج بفرستند، موتورهای با قطب چاک داری که در هر دو جهت می چرخند طراحی و ساخته شده است.

   به ورقه نشان داده شده در شکل زیر توجه کنید. به جای یک حلقه مسی اتصال کوتاه دو کلاف ۱۰ دور در هر یک از شیارهای دو لبه قطب قرارداد می شود. یک کلاف از یک قطب به کلاف مشابه از قطب دیگر متصل شده و چهار کلاف درون چاک ها به دو گروه تقسیم می شود. با اتصال کوتاه کردن یک گروه موتور در یک جهت و با باز کردن آن و اتصال کوتاه کردن گروه دیگر، موتور در جهت عکس می چرخد.

   هنگام کار موتور در سیم پیچ ها همیشه تلفات وجود دارد و فرقی نمی کند که موتور در یک جهت و یا در هر دو جهت می چرخد. همچنین توزیع شار در فاصله هوایی به قدری نامنظم است که ضربان های گشتاور چندین برابر شده و موتور به طور قابل ملاحظه ای لرزش داشته، و سر و صدا ایجاد می کند. بدون در نظر گرفتن این مطالب، این موتورها جایگاه وسیع و مفیدی را در خانواده موتورهای تک فاز پیدا کرده اند.

کاربرد این گونه موتورها در پنکه های رو میزی، دستگاه های فتوکپی، پمپ آب کولر، انواع بادبزن ها، تابلوهای تبلیغاتی و ساعت های الکتریکی است.

طرحی برای معکوس کردن جهت چرخش یک موتور قطب چاکدار.در هر قطب دو سیم پیچ با تعداد دور کم در لبۀ قطب قرار دارند.

 موتورهای با قطب چاک دار در اندازه های کوچک از   ۱/۲۵۰hp  تا hp1/6 ساخته می شوند و از نظر ساختمان ساده و ارزان هستند گشتاور راه اندازی و اضافه بار این موتورها کم است. کاربرد این گونه موتورها در پنکه های رو میزی، دستگاه های فتوکپی، پمپ آب کولر، انواع بادبزن ها، تابلوهای تبلیغاتی و ساعت های الکتریکی است.

موتور یونیورسال

ساختار یک موتور یونیورسال شبیه به موتور DC با تحریک سری است. در صورتی که همانند شکل زیر یک منبع ولتاژ AC را به ترمینال های یک موتور DC با تحریک سری وصل نماییم، یک موتور یونیورسال شکل خواهد گرفت.

دلیل اینکه یک موتور DC با تحریک سری می تواند با ولتاژ AC نیز کار کند این است که اگر پلاریته ترمینال های موتور تغییر نماید، هم جهت جریان آرمیچر و هم جهت میدان سیم بندی تحریک تغییر خواهند کرد. این امر باعث می شود که گشتاور وارد بر محور موتور تغییر جهت ندهد و موتور در همان جهت قبلی به گردش خود ادامه دهد.

استارتر الکتروموتور یونیورسال معمولاً به صورت قطب برجسته است که به آن (بالشتک) نیز می گویند. به قسمت گردان این موتورها (آرمیچر) گفته می شود و سیم پیچی آرمیچر بر روی تیغه های مسی به نام (کلکتور) سربندی می شود. برای رساندن جریان به سیم بندی آرمیچر از (جاروبک) که با تیغه های کلکتور در تماس است استفاده می کنند. به جاروبک ها (زغال) نیز می گویند جنس جاروبک ها از گرافیت است. شکل زیر یک الکتروموتور یونیورسال را نشان می دهد.

نحوه اتصال سیم بندی یک موتور یونیورسال و مدار معادل آن

الکتروموتور یونیورسال گشتاور راه اندازی بسیار بالایی دارند ولی سرعت آنها با اعمال بار به شدت کاهش می یابد. سرعت بی باری این موتورها می تواند تا ۲۰۰۰۰۰ دور در دقیقه باشد. از این موتورها در بسیاری از لوازم خانگی مانندجاروبرقی، مخلوط کن و آبمیوه گیری استفاده می شود.

این موتورها به صورت موتور سری در جریان مستقیم نیز می توانند کار کنند و چون هم در جریان متناوب و هم در جریان مستقیم کارمی کنند (یونیورسال) نامیده می شوند. این موتورها به علت داشتن کومولاتور صدای زیادی دارند و به علت وجود جاروبک در آن برای استفاده مداوم توصیه نمی شود. تمام مشخصاتی که بر روی پلاک موتور سه فاز درج می شود، بر روی پلاک موتور تک فاز نیز قید می شود.

موتور تک فاز ریپالسیونی

الکتروموتور تک فاز رپیالسیونی یا دفعی از نظر ساختمان داخلی شبیه موتورهای القایی و موتورهای dc است و اساس کار این موتور بر مبنای نیروی دافعۀ مغناطیسی است. این موتورها انواع مختلفی دارند. الکتروموتور تک فاز ریپالسیونی استاتور لایه ای با سیم پیچ های پوشیده دارد. سیم پیچ های استاتور الکتروموتور تک فاز ریپالسیونی خیلی شبیه به سیم پیچ های موتور القایی است. از طرف دیگر روتور الکتروموتور تک فاز ریپالسیونی یک آرمیچر سیم پیچی استوانه ای دارد و مشابه موتور dc است.

در الکتروموتور تک فاز ریپالسیونی جاروبک ها به هم اتصال کوتاه شده اند. شکل زیر وضعیت روتور را در حالتی نشان می دهد که روتور در حالت کموتاسیون قرار دارد و جریانی از سیم اتصال کوتاه جاروبک ها عبور نمی کند.

شکل بعدی، وضعیت روتور را در شرایطی نشان می دهد که جریان از سیم اتصال کوتاه شده بین زغال ها (جاروبک ها) عبور می کند.

موتور های الکتریکی سنکرون تک فاز بدون سیم پیچ تحریک

سیم بندی استاتور این موتور های الکتریکی با یک منبع ولتاژ AC تغذیه می شود و محور رتور آن ها با سرعتی برابر با سرعت میدان دوار استاتورشان ( سرعت سنکرون) می چرخد. موتورهای سنکرون تک فاز نیازی به سیم بندی تحریک DC بر روی رتور خود ندارند و قادرند به طور خودکار شروع به حرکت کنند.

برای آنکه سیم بندی استاتور موتورهای سنکرون تک فاز، بتواند یک میدان دوار تولید کند، معمولاً یا به صورت فاز شکسته با کلید گریز از مرکز در نظر گرفته می شود و یا اینکه این سیم بندی همانند سیم بندی موتورهای تک فاز با خازن دائمی انتخاب می شود تا میدان دوار تقریباً یکنواختی در موتور ایجاد شود.

موتورهای سنکرون تک فاز به طور کلی به دو دسته تقسیم می شوند: موتورهای رلوکتانسی و موتورهای هیسترزیس در موتورهای رلوکتانسی با توجه به مسیر ورود و خروج شار در استاتور و رتور، قطب های غیر همنامی در آنها شکل می گیرد که یکدیگر را جذب کرده، گردش رتور را باعث می شوند.

در موتورهای رلوکتانسی تعداد قطب های استاتور و رتور بایکدیگر برابر است و برای آنکه حرکت رتور به صورت خودکار آغاز شود معمولاً رتور را از نوع قفس سنجابی انتخاب می کنند و با حذف برخی از شیارهای سرتاسر محیط آن، قطب های برجسته ای بر روی آن به وجود می آورند.

رتور موتور هیسترزیس به صورت یک استوانه صاف از مواد فرومغناطیس بسیار مرغوب مانند فولاد سخت ساخته می شود و بر روی این رتور هیچ گونه سیم بندی، شیار و یا قطب برجسته ای دیده نمی شود.

به دلیل وجود خاصیت پسماند (تمایل دوقطبی های مغناطیسی تشکیل دهنده رتور به حفظ نظم خود حتی پس از قطع شدن میدان استاتور)، میدان رتور نسبت به میدان استاتور، اختلاف فاز پیدا می کند و همین امر باعث ایجاد گشتاور و چرخش رتور می گردد.

محاسبه گشتاور راه اندازی در موتور تک فاز

   جریان در سیم پیچ کمکی I_s است. این جریان با دو مؤلفه عمود بر هم تجزیه می شود. نسبت هر یک از این مؤلفه ها بر جریان اصلی برابر با یکی از توابع سینوس یا کسینوس است. مؤلفه ای به جریان سیم پیچ کمکی که با جریان سیم پیچ اصلی زاویه ۹۰ درجه می سازد، سبب ایجاد گشتاور می شود. از روی دیاگرام فازوری دیده می شود که این مؤلفه برابر به  I_s sinθ_t است. در موتورهای اختلاف فازی زاویۀ θ_t به ندرت از ۳۰ درجه بیشتر می شود. sin_۳۰ برابر با ۰/۵ است، بنابراین در فرمول محاسبه گشتاور یک ضریب کاهش ۵۰٪ وجود خواهد داشت.

   برای افزایش گشتاور راه اندازی باید اندازه I_s و I_m را افزایش داد. برای این منظور باید تعداد دور سیم پیچی ها را کاهش داد تا امپدانس آن ها کاهش یابد. اما مجموع I_s و I_m جریانی را که در لحظه راه اندازی از خط کشیده می شود نشان می دهد.

   استاندارد بین المللی اندازه چنین جریانی را به منظور محافظت مصرف کننده در مقابل عوارض ناشی از کاهش ولتاژ در هنگام روشن کردن وسایل خانگی محدود می کند.

   اکنون R_۲، مقاومت قفسه روتور را در نظر بگیرید. با افزایش مقاومت آلیاژ به کار رفته در قفسه روتور یا کوچکتر نبودن سطح مقطع میله ها و حلقه های انتهایی، این مقاومت افزایش یافته و گشتاور راه اندازی را افزایش می دهد.

   البته اگر مقاومت قفسه روتور بیش از اندازه بزرگ شود، جریان کم شده و نه تنها گشتاور راه اندازی افزایش نمی یابد، بلکه سبب کاهش گشتاور نیز می شود. به علاوه همانطور که در مورد موتورهای چندفاز، افزایش مقاومت R_۲ سرعت بار کامل را کاهش داده، تلفات و دما را افزایش می دهد.

   این فرمول به روشنی مزیت استفاده از موتور راه اندازی خازنی را نشان می دهد. تقریباً زاویه بین I_m و I_s و در این موتور ۹۰ درجه است. سینوس زاویه ۹۰ درجه، یک است، پس انتظار می رود گشتاور این موتور دو برابر گشتاور یک موتور اختلاف فازی باشد. به علاوه در اینجا اندازه می تواند بزرگتر باشد، زیرا زاویه بین Is و In قائمه است و مجموع دو جریان بزرگ نمی شود. شکل زیر این برآیند مطلوب را نشان می دهد.

   بنابراین استاندارد صنعتی با قوانین طبیعی، محدودیت هایی برای گشتاور راه اندازی به وجود می آورد که بر روی طراحی یک موتور تأثیر می گذارد.

 با تجزیۀ جریان سیم پیچ کمکی در هنگام توقف روتور به دو مولفۀ، عمود بر هم، جریان سیم پیچ اصلی از یکی از مولفه ها به اندازۀ ۹۰ درجه عقب تر است (مانند موتور خازنی)

که بر روی لکوموتیوهای سری ۷۰۰/۱۰۰۰ ساخت آلستوم قرار دارند.

موتور الکتریکی یا الکتروموتور، (به انگلیسی: Electric motor) گونه‌ای ماشین الکتریکی است که انرژی الکتریکی را به انرژی مکانیکی تبدیل می‌کند. اغلب موتورهای الکتریکی از طریق اثر متقابل بین میدان مغناطیسی و جریان الکتریکی در داخل یک سیم‌پیچ برای تولید نیرو به شکل گشتاور و اعمال آن به شفت موتور عمل می‌کنند. موتورهای الکتریکی را می‌توان توسط منابع برق جریان مستقیم (DC) مانند باتری‌ها یا یکسوکننده‌ها یا از طریق منابع برق جریان متناوب (AC) مانند شبکه‌برق، اینورترها یا ژنراتورهای الکتریکی به حرکت درآورد. ژنراتور الکتریکی از نظر مکانیکی با موتور الکتریکی یکسان است، اما جریان قدرت در آن معکوس است، یعنی انرژی مکانیکی را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند.

موتورهای الکتریکی را می‌توان با توجه به ملاحظاتی مانند نوع منبع تغذیه، ساختار درونی، کاربرد و نوع حرکت خروجی طبقه‌بندی کرد. علاوه بر انواع AC در مقابل DC، موتورها ممکن است دارای جاروبک یا بدون جاروبک باشند، ممکن است چند فازه باشند (رجوع کنید به تک‌فاز، دو فاز یا سه فاز) و ممکن است به صورت هوا-خنک یا مایع-خنک باشند. موتورهای کاربرد عمومی با ابعاد و مشخصات استاندارد، توان مکانیکی مناسبی را برای کاربردهای صنعتی فراهم می‌کنند. بزرگترین موتورهای الکتریکی در پیشرانه‌های کشتی‌ها، فشرده‌سازی سیالات درون خطوط لوله و نیروگاه‌های ذخیره تلمبه‌ای با درجه‌بندی ۱۰۰ مگاوات استفاده می‌شوند.

اغلب موتورهای الکتریکی دوار هستند، اما موتورهای خطی هم وجود دارند. در یک موتور دوار بخش متحرک روتور و بخش ثابت استاتور خوانده می‌شود. اکثر موتورهای الکتریکی بر اساس الکترومغناطیس کار می‌کنند، اما موتورهایی که بر اساس پدیده‌های دیگری نظیر نیروی الکتروستاتیک و اثر پیزوالکتریک کار می‌کنند، هم وجود دارند که البته کاربردهای خاص و اندکی دارند.

اندازه بازار جهانی فروش موتور الکتریکی در سال ۲۰۲۰ برابر ۱۴۲٫۷ میلیارد دلار برآورد شده‌است و انتظار می‌رود با نرخ رشد مرکب سالانه ۶٫۴٪ گسترش یافته و در سال ۲۰۲۸ به مبلغ ۲۳۲٫۵ میلیارد دلار برسد. بازار موتورهای الکتریکی در بخش حمل‌ونقل در سال ۲۰۱۹ بیش از ۲۶٫۶ میلیارد دلار بود و پیش‌بینی می‌شود بین سال‌های ۲۰۲۰ و ۲۰۲۶ با نرخ رشد مرکب سالانه ۴٫۶٪ رشد کند. پیش‌بینی می‌شود موتورهای الکتریکی مورد استفاده در بخش‌هایی مانند خودرو، راه‌آهن و هوافضا به دلیل سرمایه‌گذاری‌های پیوسته در توسعه محصول رشد چشمگیری را طی سال‌های آینده شاهد باشند.

اصلی‌ترین شرکت‌های تولیدکننده موتورهای الکتریکی در جهان عبارتند از: بالدور الکتریک کامپنی، امیتک، فرانکلین الکتریک، و آزمو کو.

از الکتروموتور در فن‌ها، پمپ‌ها، کمپرسورها، ابزارهای خانگی، لوازم خانگی، خودروهای برقی، تجهیزات تهویه مطبوع، ابزارهای برقی و ربات‌های صنعتی استفاده می‌گردد. تقاضای موتورهای بازده بالا به دلیل عوامل مختلفی در حال افزایش است، این عوامل شامل: عمر طولانی، نیاز به نگهداری کم، مصرف انرژی پایین و تحمل زیاد ولتاژهای نوسانی، افزایش قیمت برق و استانداردهای سختگیرانه مصرف برق می‌باشد.