چه دینامیک‌هایی در موتورهای القایی و همزمان وجود دارد؟
موتورهای القایی و موتورهای همزمان
موتورهای القایی (Induction Motor) و موتورهای همزمان (Synchronous Motor) دو نوع رایج از موتورهای جریان متناوب هستند. آنها در ساختار، اصول عملکرد و ویژگی‌های پویا به طور قابل توجهی متفاوت هستند. در زیر تحلیل ویژگی‌های پویای این دو نوع موتور آمده است:
1. ویژگی‌های شروع
موتور القایی:
موتورهای القایی معمولاً جریان شروع بالایی دارند، معمولاً 5 تا 7 برابر جریان اسمی. این امر به این دلیل است که در زمان شروع، روتور ثابت است و لغزش s=1 است که باعث جریان القایی زیاد در سیم‌پیچ‌های روتور می‌شود.
گشتاور شروع نسبتاً کم است، به ویژه تحت بار کامل، و ممکن است فقط 1.5 تا 2 برابر گشتاور اسمی باشد. برای بهبود عملکرد شروع، می‌توان از شروع‌کننده‌های نرم یا ستاره-دلتا استفاده کرد تا جریان شروع را کاهش داده و گشتاور شروع را افزایش دهد.
فرآیند شروع موتور القایی غیرهمزمان است؛ موتور به تدریج از حالت ثابت به سرعت نزدیک به همزمان شتاب می‌گیرد اما هرگز به همزمانی دقیق نمی‌رسد.
موتور همزمان:
ویژگی‌های شروع موتورهای همزمان به نوع آنها بستگی دارد. برای موتورهای همزمان خودرو (مانند موتورهای همزمان دائمی مغناطیس یا موتورهای همزمان با سیم‌پیچ‌های شروع)، می‌توانند مانند موتورهای القایی غیرهمزمان شروع شوند اما توسط سیستم تحریک وقتی به سرعت همزمان نزدیک می‌شوند به همزمانی کشیده می‌شوند.
برای موتورهای همزمان غیرخودرو، معمولاً نیاز به دستگاه‌های خارجی (مانند تبدیل‌کننده‌های فرکانس یا موتورهای کمکی) برای کمک به شروع موتور تا زمانی که به سرعت همزمان می‌رسد وجود دارد، بعد از آن می‌تواند وارد عملکرد همزمان شود.
موتورهای همزمان معمولاً گشتاور شروع بالاتری ارائه می‌دهند، به ویژه آنهایی که دارای سیستم تحریک هستند، که می‌توانند گشتاور قابل توجهی در زمان شروع ارائه دهند.
2. ویژگی‌های عملکرد حالت پایدار
موتور القایی:
سرعت موتور القایی متناسب با فرکانس تغذیه است اما همیشه کمتر از سرعت همزمان است. لغزش s نشاندهنده تفاوت بین سرعت واقعی و سرعت همزمان است، معمولاً بین 0.01 تا 0.05 (یعنی 1% تا 5%). لغزش کمتر باعث کارایی بالاتر می‌شود، اما خروجی گشتاور نیز به تبع آن کاهش می‌یابد.
ویژگی گشتاور-سرعت موتور القایی منحنی‌ای است با گشتاور ماکسیمم در مقدار مشخصی از لغزش (معمولاً لغزش بحرانی). وقتی بار افزایش می‌یابد، سرعت کمی کاهش می‌یابد، اما موتور عملکرد پایداری دارد.
عامل قدرت موتور القایی معمولاً کم است، به ویژه تحت بار کم یا بدون بار، ممکن است به اندازه 0.7 باشد. با افزایش بار، عامل قدرت بهبود می‌یابد.
موتور همزمان:
سرعت موتور همزمان به طور دقیق متناسب با فرکانس تغذیه است و مستقل از تغییرات بار در سرعت همزمان ثابت می‌ماند. این امر سرعت بسیار پایدار را تضمین می‌کند و موتورهای همزمان را برای کاربردهایی که نیاز به کنترل دقیق سرعت دارند مناسب می‌سازد.
ویژگی گشتاور-سرعت موتور همزمان خط عمودی است که نشان می‌دهد می‌تواند گشتاور ثابت را در سرعت همزمان ارائه دهد بدون هیچ تغییر در سرعت. اگر بار از ظرفیت گشتاور ماکسیمم موتور فراتر رود، موتور همزمانی خود را از دست می‌دهد و متوقف می‌شود.
موتورهای همزمان می‌توانند عامل قدرت را با تنظیم جریان تحریک کنترل کنند و قادر به کار در حالت‌های ظرفیتی یا القایی هستند. این ویژگی موتورهای همزمان را برای بهبود عامل قدرت شبکه الکتریکی مفید می‌سازد.
3. ویژگی‌های پاسخ پویا
موتور القایی:
پاسخ پویای موتور القایی نسبتاً کند است، به ویژه وقتی بار به طور ناگهانی تغییر می‌کند. به دلیل اینرسی روتور و اینرسی الکترومغناطیسی، زمان تاخیری برای تطبیق موتور با شرایط بار جدید وجود دارد. این تاخیر می‌تواند باعث نوسانات سرعت شود، به ویژه در کاربردهای بار سنگین یا شروع-توقف مکرر.
محدوده کنترل سرعت موتور القایی محدود است، معمولاً با تغییر فرکانس تغذیه (مانند استفاده از درایو فرکانس متغیر) انجام می‌شود. اما این می‌تواند باعث کاهش گشتاور شود، به ویژه در سرعت‌های پایین.
موتور همزمان:
پاسخ پویای موتور همزمان سریع‌تر است، به ویژه وقتی بار تغییر می‌کند. چون سرعت موتور همیشه با فرکانس تغذیه همزمان است، می‌تواند حتی تحت تغییرات بار سرعت پایداری را حفظ کند. علاوه بر این، پاسخ گشتاور موتور همزمان سریع است و گشتاور مورد نیاز را در زمان کوتاه ارائه می‌دهد.
موتورهای همزمان می‌توانند گشتاور و عامل قدرت را با تغییر جریان تحریک تنظیم کنند و کنترل بیشتری ارائه دهند. روش‌های کنترل پیشرفته مانند کنترل برداری یا کنترل گشتاور مستقیم (DTC) نیز می‌توانند برای دستیابی به کنترل دقیق سرعت و گشتاور استفاده شوند.
4. ظرفیت بار زائد و محافظت
موتور القایی:
موتورهای القایی ظرفیت بار زائدی دارند و می‌توانند برای مدت کوتاه 1.5 تا 2 برابر بار اسمی را تحمل کنند. اما بار زائد طولانی مدت می‌تواند باعث گرم شدن شود و مواد عایقی را آسیب ببیند. بنابراین، موتورهای القایی معمولاً با دستگاه‌های محافظت از بار زائد مانند رله‌های حرارتی یا سنسورهای دما مجهز می‌شوند تا از گرم شدن جلوگیری کنند.
ظرفیت بار زائد موتورهای القایی به طراحی آنها بستگی دارد. به عنوان مثال، موتورهای القایی با روتور پیچشی معمولاً عملکرد بار زائد بهتری نسبت به موتورهای القایی با روتور کفتربندی دارند چون جریان روتور می‌تواند با مقاومت‌های خارجی تنظیم شود.
موتور همزمان:
موتورهای همزمان ظرفیت بار زائد قوی دارند، به ویژه آنهایی که دارای سیستم تحریک هستند، که می‌توانند برای مدت کوتاه 2 تا 3 برابر بار اسمی را تحمل کنند. اما بار زائد طولانی مدت نیز می‌تواند باعث گرم شدن شود.
موتورهای همزمان با روش‌های مختلفی محافظت می‌شوند، از جمله محافظت از جریان زائد، محافظت از از دست دادن همزمانی و محافظت از خطا در سیستم تحریک. محافظت از از دست دادن همزمانی مانع از از دست دادن همزمانی موتور در زیر بار زیاد می‌شود، در حالی که محافظت از خطا در سیستم تحریک تضمین می‌کند که سیستم تحریک به درستی کار کند.
5. سناریوهای کاربرد
موتور القایی:
موتورهای القایی به طور گسترده در صنعت، کشاورزی و وسایل خانگی استفاده می‌شوند، به ویژه در کاربردهایی که نیاز به کنترل سرعت با دقت بالا ندارند. مثال‌هایی از این کاربردها شامل مراوح، پمپ‌ها و فشرده‌کننده‌ها هستند.
به دلیل ساختار ساده، هزینه کم و نگهداری آسان، موتورهای القایی معمولاً انتخاب محبوب برای بسیاری از کاربردها هستند.
موتور همزمان:
موتورهای همزمان برای کاربردهایی که نیاز به کنترل سرعت با دقت بالا دارند مناسب هستند، مانند ماشین‌آلات دقیق، ژنراتورها و فشرده‌کننده‌های بزرگ. توانایی آنها در حفظ سرعت ثابت و ارائه عامل قدرت بالا آنها را در سیستم‌های قدرت برای بهبود کارایی شبکه مفید می‌سازد.
موتورهای همزمان نیز به طور گسترده در کاربردهایی که نیاز به کنترل سرعت دقیق و پاسخ پویای سریع دارند، مانند سیستم‌های سرو و رباتیک استفاده می‌شوند.
خلاصه
موتور القایی: جریان شروع بالا، گشتاور شروع کمتر، سرعت کمتر از سرعت همزمان، پاسخ پویای کند، مناسب برای کاربردهای صنعتی و خانگی عمومی.
موتور همزمان: ویژگی‌های شروع به نوع بستگی دارد، سرعت همزمان دقیق، پاسخ پویای سریع، مناسب برای کاربردهایی که نیاز به کنترل سرعت با دقت بالا و بهبود عامل قدرت دارند.
