دینامیک موتورهای القایی و همزمان چیست؟
ویژگی‌های پویای موتورهای القایی و 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 کار
موتور القایی:
موتورهای القایی معمولاً جریان شروع کار بالایی دارند، معمولاً 5 تا 7 برابر با جریان اسمی. این به این دلیل است که در زمان شروع کار، راتور ساکن است و لغزش s=1 است، که باعث جریان القایی زیاد در سیم‌پیچ‌های راتور می‌شود.
گشتاور شروع کار نسبتاً کم است، به خصوص تحت بار کامل، و ممکن است فقط 1.5 تا 2 برابر گشتاور اسمی باشد. برای بهبود عملکرد شروع کار، می‌توان از راه‌اندازهای نرم یا راه‌اندازهای ستاره-دلتا استفاده کرد تا جریان شروع کار را کاهش داده و گشتاور شروع کار را افزایش دهد.
فرآیند شروع کار موتور القایی غیرهمزمان است؛ موتور به تدریج از حالت ساکن به سرعت نزدیک به همزمانی شتاب می‌گیرد اما هرگز به همزمانی دقیق نمی‌رسد.
موتور همزمان:
ویژگی‌های شروع کار موتورهای همزمان به نوع آنها بستگی دارد. برای موتورهای همزمان خودراه‌انداز (مانند موتورهای همزمان دائمی یا موتورهای همزمان با سیم‌پیچ‌های راه‌انداز)، می‌توانند مانند موتورهای القایی غیرهمزمان شروع کار کنند اما توسط سیستم تحریک به همزمانی کشیده می‌شوند وقتی به سرعت همزمان نزدیک می‌شوند.
برای موتورهای همزمان غیرخودراه‌انداز، معمولاً نیاز به دستگاه‌های خارجی (مانند تبدیل‌دهنده‌های فرکانس یا موتورهای کمکی) برای کمک به شروع کار موتور تا رسیدن به سرعت همزمان است، پس از آن می‌تواند به عملکرد همزمان وارد شود.
موتورهای همزمان معمولاً گشتاور شروع کار بالاتری ارائه می‌دهند، به ویژه آنها که دارای سیستم تحریک هستند، که می‌توانند گشتاور قابل توجهی در زمان شروع کار 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 تفاوت بین سرعت واقعی و سرعت همزمان را نشان می‌دهد، معمولاً بین 0.01 تا 0.05 (یعنی 1% تا 5%) متغیر است. لغزش کمتر باعث کارایی بالاتر می‌شود، اما خروجی گشتاور نیز به تبع آن کاهش می‌یابد.
ویژگی گشتاور-سرعت موتور القایی منحنی‌وار است و گشتاور ماکزیمم در مقدار لغزش خاصی (معمولاً لغزش بحرانی) رخ می‌دهد. وقتی بار افزایش می‌یابد، سرعت کمی کاهش می‌یابد، اما موتور عملکرد پایداری دارد.
ضریب توان موتور القایی معمولاً کم است، به ویژه تحت بار کم یا بدون بار، ممکن است به حداقل 0.7 برسد. با افزایش بار، ضریب توان بهبود می‌یابد.
موتور همزمان:
سرعت موتور همزمان به طور دقیق متناسب با فرکانس تغذیه است و در سرعت همزمان ثابت می‌ماند، صرف نظر از تغییرات بار. این امر سرعت بسیار پایدار را تضمین می‌کند و موتورهای همزمان را برای کاربردهایی که نیاز به کنترل دقیق سرعت دارند مناسب می‌کند.
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 ماکزیمم موتور فراتر رود، موتور همزمانیت خود را از دست می‌دهد و متوقف می‌شود.
موتورهای همزمان می‌توانند ضریب توان را با تنظیم جریان تحریک کنترل کنند و قادر به کار در حالت‌های ظرفیتی یا القایی هستند. این ویژگی موتورهای همزمان را برای بهبود ضریب توان شبکه الکتریکی مفید می‌کند.
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 راتور و اینرسی الکترومغناطیسی، زمان تأخیری برای انطباق موتور با شرایط بار جدید وجود دارد. این تأخیر 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 محول فرکانس متغیر) انجام می‌شود. اما این می‌تواند باعث کاهش گشتاور، به ویژه در سرعت‌های پایین شود.
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 لازم را در مدت زمان کوتاه ارائه می‌دهد.
موتورهای همزمان می‌توانند گشتاور و ضریب توان 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 اضافی و محافظت
موتور القایی:
موتورهای القایی ظرفیت بار اضافی مشخصی دارند و می‌توانند برای مدت کوتاه 1.5 تا 2 برابر بار اسمی را تحمل کنند. اما بار اضافی مداوم می‌تواند باعث گرم شدن شود و مواد عایقی را آسیب ببیند. بنابراین، موتورهای القایی معمولاً با دستگاه‌های محافظت از بار اضافی مجهز می‌شوند، مانند رله‌های حرارتی یا سنسورهای دما، برای جلوگیری از گرم شدن.
ظرفیت بار اضافی موتورهای القایی به طراحی آنها بستگی دارد. به عنوان مثال، موتورهای القایی با راتور پیچیده معمولاً عملکرد بار اضافی بهتری نسبت به موتورهای القایی نوع قفس دارند، زیرا جریان راتور می‌تواند با مقاومت‌های خارجی تنظیم شود.
موتور همزمان:
موتورهای همزمان ظرفیت بار اضافی قوی دارند، به ویژه آنها که دارای سیستم تحریک هستند، که می‌توانند برای مدت کوتاه 2 تا 3 برابر بار اسمی را تحمل کنند. اما بار اضافی مداوم می‌تواند باعث گرم شدن شود.
موتورهای همزمان با روش‌های مختلفی محافظت می‌شوند، از جمله محافظت از جریان بیش از حد، محافظت از از دست دادن همزمانی و محافظت از خرابی سیستم تحریک. محافظت از از دست دادن همزمانی مانع از از دست دادن همزمانی موتور تحت بار بیش از حد می‌شود، در حالی که محافظت از خرابی سیستم تحریک تضمین عملکرد صحیح سیستم تحریک می‌کند.
5. سناریوهای کاربردی
موتور القایی:
موتورهای القایی در صنایع، کشاورزی و وسایل خانگی به طور گسترده استفاده می‌شوند، به ویژه در کاربردهایی که نیاز به کنترل دقیق سرعت ندارند. مثال‌هایی از این کاربردها شامل مراوح، پمپ‌ها و فشاردهنده‌ها هستند.
به دلیل ساختار ساده، هزینه کم و نگهداری آسان، موتورهای القایی معمولاً گزینه مطلوب برای بسیاری از کاربردها هستند.
موتور همزمان:
موتورهای همزمان برای کاربردهایی که نیاز به کنترل دقیق سرعت دارند مناسب هستند، مانند ماشین‌آلات دقیق، ژنراتورها و فشاردهنده‌های بزرگ. توانایی حفظ سرعت ثابت و ارائه ضریب توان بالا آنها را در سیستم‌های توان برای بهبود کارایی شبکه مفید می‌کند.
موتورهای همزمان نیز به طور گسترده در کاربردهایی که نیاز به کنترل دقیق سرعت و پاسخ پویا سریع دارند، مانند سیستم‌های سرو و رباتیک استفاده می‌شوند.
خلاصه
موتور القایی: جریان شروع کار بالا، گشتاور شروع کار کمتر، سرعت کمی کمتر از سرعت همزمان، پاسخ پویا کند، مناسب برای کاربردهای صنعتی و خانگی عمومی.
موتور همزمان: ویژگی‌های شروع کار به نوع بستگی دارد، سرعت همزمان دقیق، پاسخ پویا سریع، مناسب برای کاربردهایی که نیاز به کنترل دقیق سرعت و بهبود ضریب توان دارند.
