نحوه کار موتورهای الکتریکی: انتخاب، محاسبات و عیب یابی

موتورهای الکتریکی AC چگونه کار می کنند

موتورهای الکتریکی AC انرژی الکتریکی جریان متناوب را از طریق القای الکترومغناطیسی به چرخش مکانیکی تبدیل می کنند. اصل عملیات متکی بر دو جزء اصلی است: استاتور (مجموعه خارجی ثابت سیم پیچ های مسی) و روتور (مجموعه شافت داخلی چرخان). هنگامی که ولتاژ متناوب به سیم‌پیچ‌های استاتور اعمال می‌شود، یک میدان مغناطیسی دوار ایجاد می‌کند. روتور - خواه قفس سنجاب، روتور زخمی یا مجموعه آهنربای دائمی - به این میدان چرخشی پاسخ می دهد و به حرکت کشیده می شود.

در موتورهای القایی (متداول ترین نوع AC)، میدان استاتور دوار با قانون القای الکترومغناطیسی فارادی جریانی را در هادی های روتور القا می کند. این جریان القایی میدان مغناطیسی خود را ایجاد می کند که با میدان استاتور در تعامل است و گشتاور تولید می کند. روتور هرگز کاملاً به میدان دوار استاتور نمی رسد - تفاوت در سرعت نامیده می شود لغزش ، معمولاً 2-5٪ سرعت سنکرون است. این لغزش است که جریان القایی و در نتیجه گشتاور را حفظ می کند. در سرعت دقیقاً سنکرون، القاء متوقف می شود و گشتاور به صفر می رسد.

سرعت سنکرون (در دور در دقیقه) با فرکانس عرضه و تعداد قطب های مغناطیسی تعیین می شود: N = (120 × f) ÷ P ، که در آن f فرکانس در هرتز و P تعداد قطب ها است. یک موتور 4 قطبی روی منبع تغذیه 60 هرتز با سرعت سنکرون 1800 RPM کار می کند. با لغزش معمولی، سرعت شفت واقعی تقریباً 1725-1760 RPM است.

موتور 3 فاز چگونه کار می کند

موتورهای سه فاز پیشرو کاربردهای صنعتی هستند. آنها بر اساس همان اصل القایی موتورهای تک فاز عمل می کنند، اما با یک مزیت حیاتی: سه ولتاژ AC مجزا، با فاصله 120 درجه در زمان، به سه مجموعه سیم پیچ استاتور که به طور متقارن در اطراف سوراخ استاتور چیده شده اند، تغذیه می شوند. این تولید یک میدان مغناطیسی در حال چرخش طبیعی بدون هیچ گونه جزء راه اندازی کمکی - سه فاز ذاتا چرخش صاف و خود راه اندازی را از لحظه اعمال برق ایجاد می کنند.

نتیجه موتوری است که به طور قابل اعتمادی تحت بار راه اندازی می شود، با موج گشتاور بسیار کم کار می کند (مجموع شکل موج سه فاز به مجموع تقریباً ثابت می رسد)، و بازده و چگالی توان بالاتری نسبت به یک طرح تک فاز معادل ارائه می دهد. موتورهای سه فاز تقریباً به حساب می آیند 70 درصد کل مصرف برق صنعتی در سطح جهانی، عمدتاً به دلیل این ترکیب از قابلیت اطمینان، کارایی (معمولاً 90 تا 97٪ در بار کامل در کلاس های بهره وری IE3/IE4)، و کنترل سریع سرعت از طریق درایوهای فرکانس متغیر (VFDs).

موتورهای القایی قفس سنجابی سه فاز فاقد برس، کموتاتور و حداقل قطعات متحرک فراتر از روتور و یاتاقان‌ها هستند - به همین دلیل است که آنها به طور معمول بین 20000 تا 40000 ساعت بین فواصل خدمات اصلی در تاسیسات به خوبی نگهداری می‌شوند.

موتورهای براشلس چگونه کار می کنند

موتورهای DC بدون جاروبک (BLDC) جایگزین کموتاتور مکانیکی و مونتاژ برس کربن موتورهای DC سنتی با کموتاسیون الکترونیکی می‌شوند. روتور حامل آهنرباهای دائمی است. استاتور سیم پیچ ها را حمل می کند. یک کنترل کننده - با استفاده از سنسورهای اثر هال یا حسگر EMF برگشتی برای تشخیص موقعیت روتور - جریان را به ترتیب به فازهای مناسب استاتور سوئیچ می کند و یک میدان الکترومغناطیسی چرخشی را حفظ می کند که روتور آهنربای دائمی از آن پیروی می کند. از آنجایی که هیچ تماس فیزیکی برس و کموتاتور وجود ندارد، موتورهای بدون جاروبک جرقه برس ایجاد نمی کنند، گرمای کمتری تولید می کنند و نیازی به تعویض برس ندارند. آنها به راندمان 85 تا 95 درصد می‌رسند و در سروو درایوها، سیستم‌های کشش EV، کمپرسورهای HVAC و اتوماسیون دقیق که در آن دقت کنترل سرعت و عمر طولانی مورد نیاز است، استاندارد هستند.

نحوه محاسبه گشتاور، اسب بخار و راندمان موتور

محاسبه گشتاور

گشتاور موتور (T) نیروی چرخشی است که شفت وارد می‌کند که بر حسب نیوتن متر (نیوتن متر) یا پوند فوت (پوند · فوت) اندازه‌گیری می‌شود. رابطه بین گشتاور، قدرت و سرعت:

T (Nm) = P (وات) ÷ ω (rad/s) - یا معادل آن - T (Nm) = (9550 × P در کیلووات) ÷ N (RPM)

مثال: یک موتور 7.5 کیلوواتی که با سرعت 1450 دور در دقیقه کار می کند T = (9550 × 7.5) ÷ 1450 = 49.4 نیوتن متر گشتاور شفت در واحدهای امپریالیستی: T (lb·ft) = (5252 × HP) ÷ RPM. یک موتور 10 اسب بخار در 1750 دور در دقیقه T = (5252 × 10) ÷ 1750 = 30 پوند · فوت .

محاسبه اسب بخار

اسب بخار خروجی یک موتور الکتریکی را می توان از روی گشتاور شفت و سرعت اندازه گیری شده محاسبه کرد: HP = (T در پوند · فوت × RPM) ÷ 5252 . از ورودی الکتریکی، خروجی HP = (V × I × PF × η × 1.732 برای 3 فاز) ÷ 746، که در آن V ولتاژ خط، I جریان خط، PF ضریب توان و η بازده است. عامل 1.732 (√3) رابطه سه فازی بین کمیت های خط و فاز را به حساب می آورد.

محاسبه کارایی

راندمان موتور الکتریکی (η) نسبت توان خروجی مکانیکی به توان الکتریکی ورودی است: η (%) = (توان خروجی ÷ توان ورودی) × 100 . در عمل: توان ورودی (W) را با یک تحلیلگر قدرت و توان خروجی شفت (گشتاور × سرعت زاویه ای) اندازه گیری کنید. تقسیم کردن تلفات در یک موتور شامل تلفات مس (گرمایش I²R در سیم‌پیچ‌ها)، تلفات آهن (جریان‌های گردابی و هیسترزیس در هسته)، تلفات مکانیکی (اصطکاک یاتاقان، باد) و تلفات بار سرگردان است. موتوری که به طور قابل توجهی کمتر از بار نامی خود کار می کند - مثلاً در 30 تا 40٪ ظرفیت نامی - با راندمان کاهش یافته کار می کند زیرا تلفات آهن و مکانیکی ثابت ثابت می مانند در حالی که کسر خروجی مفید کوچک می شود.

نحوه معکوس کردن جهت موتور

معکوس کردن موتور 3 فاز

معکوس کردن موتور القایی سه فاز ساده است: هر دو از سه سرنخ فاز عرضه را تعویض کنید در جعبه ترمینال یا استارت موتور. تعویض دو فاز، توالی فاز را معکوس می کند (به عنوان مثال، از A-B-C به A-C-B)، که جهت میدان مغناطیسی دوار استاتور - و در نتیجه جهت چرخش روتور را معکوس می کند. این را می توان با جابجایی L1 و L2 در حالی که L3 بدون تغییر باقی گذاشت یا هر تعویض دو فاز دیگری انجام داد. موتور نیازی به اصلاح داخلی ندارد. کنتاکتورهای معکوس در مدار استارت موتور این کار را با انرژی بخشیدن به مجموعه های تماس تعویض فاز متناوب به صورت خودکار انجام می دهد.

نحوه معکوس کردن موتور تک فاز

موتورهای تک فاز را نمی توان به سادگی با تعویض سرنخ های منبع معکوس کرد - آنها هیچ چرخش فاز ذاتی برای معکوس ندارند. جهت توسط قطبیت نسبی سیم پیچ اصلی و سیم پیچ شروع (کمکی) تعیین می شود. برای معکوس کردن موتور تک فاز، اتصالات سیم پیچ اصلی یا سیم پیچ شروع را معکوس کنید - اما نه هر دو . در عمل، اکثر موتورهای تک فاز دارای سیم‌پیچ‌های راه‌اندازی هستند که مخصوصاً برای این منظور به برد ترمینال می‌آیند، با برچسب T5/T8 در انواع استارت خازن و خازن. قبل از تعویض، با نمودار سیم کشی موتور (معمولاً روی جلد پلاک یا داخل درپوش جعبه ترمینال چاپ می شود) مشورت کنید تا سرنخ های صحیح را شناسایی کنید. معکوس کردن جهت در حین کارکرد موتور به خازن استارت و سوئیچ راه اندازی آسیب می رساند — همیشه موتور را قبل از تغییر جهت کاملاً متوقف کنید.

نحوه تست موتور DC

آزمایش یک موتور DC به طور سیستماتیک مشخص می‌کند که آیا مشکلات در سیم‌پیچ‌ها، عایق‌ها، برس‌ها یا کموتاتور قبل از خارج شدن موتور از سرویس یا ارسال به عقب، وجود دارد یا خیر. از یک مولتی متر دیجیتال (DMM) و برای تست عایق، یک مگاهم متر (مگر) با ولتاژ 500 ولت یا 1000 ولت DC استفاده کنید.

تست مقاومت سیم پیچ

تمام خازن های برق و دشارژ را قطع کنید. مقاومت در سرتاسر پایانه های آرمیچر را با DMM اندازه گیری کنید. قرائت را با پلاک نام موتور یا مشخصات طراحی مقایسه کنید. مدار باز (مقاومت بی نهایت) نشان دهنده شکستگی سیم پیچ یا برس بلند شده است ; مقاومت بسیار کم (نزدیک به صفر) نشان دهنده یک چرخش کوتاه است. هنگام اندازه‌گیری متوالی، خوانش‌های مقاومت باید در تمام بخش‌های کموتاتور ثابت باشند - یک بخش خواندن به طور قابل‌توجهی بالاتر یا پایین‌تر نشان دهنده یک خطای موضعی است.

تست مقاومت عایق

با استفاده از میگر 500 ولت یا 1000 ولت، مقاومت عایق را بین هر سیم پیچ و قاب موتور (زمین) اندازه گیری کنید. حداقل 1 MΩ در هر کیلوولت ولتاژ عامل معیار پذیرش پایه است (استاندارد IEEE 43)؛ مقادیر کمتر از 1 MΩ نشان دهنده آلودگی رطوبت، خرابی عایق یا آسیب سیم پیچ است که منجر به خطای زمین در سرویس می شود. موتورهای جدید معمولاً 100 مگا اهم یا بالاتر اندازه گیری می کنند. هر گونه قرائت زیر 5 مگا اهم در موتور در حال کار، قبل از بازگرداندن آن به کار بررسی می شود.

بازرسی برس و کموتاتور

طول برس ها را به صورت چشمی بررسی کنید (در صورت استفاده از نصف طول اصلی یا حداقل تولید کننده، آنها را تعویض کنید)، و بررسی کنید که نگهدارنده های برس اجازه حرکت آزاد و بدون اتصال را می دهند. سطوح کموتاتور باید صاف و یکنواخت باشد (پتینه تیره و یکنواخت طبیعی است؛ حفره‌ها، سوختن یا الگوهای سایش ناهموار نشان دهنده ایجاد قوس از یک قطعه آرمیچر کوتاه یا درجه قلمو نادرست است). فشار فنر برس را با یک فنر سنج اندازه گیری کنید - فشار کم باعث ایجاد قوس و سایش شتاب می شود. فشار بیش از حد باعث سایش کموتاتور می شود.

نحوه عیب یابی موتورهای الکتریکی

عیب یابی سیستماتیک از منطق علائم خطا پیروی می کند - شناسایی کاری که موتور انجام می دهد (یا انجام نمی دهد) و از طریق محتمل ترین دلایل به منظور بررسی آسان کار می کند.

موتور شروع به کار نمی کند

• ولتاژ منبع تغذیه را در پایانه های موتور بررسی کنید - ولتاژ پایین (زیر 90 درصد پلاک نام) از گشتاور کافی راه اندازی جلوگیری می کند. افت ولتاژ تحت بار یک مشکل رایج سایت است.
• فیوزها، بریکرها و وضعیت تریپ رله اضافه بار را بررسی کنید. تنظیم مجدد فقط پس از شناسایی علت جریان بیش از حد.
• در موتورهای تک فاز، خرابی خازن استارت یکی از دلایل رایج است - موتور زمزمه می کند اما نمی چرخد. ظرفیت خازن را با یک DMM دارای خازن آزمایش کنید.
• اتصال مکانیکی در بار رانده را بررسی کنید - بار را جدا کرده و قبل از برق انداختن، سعی کنید شفت را با دست بچرخانید.

موتور کار می کند اما با اضافه بار حرکت می کند

• جریان جاری را در تمام فازها با گیره سنج اندازه گیری کنید. مقایسه با آمپراژ تمام بار پلاک نام (FLA). جریان اضافه 10 تا 15 درصد بالاتر از FLA تحت بار معمولی نشان می‌دهد که موتور برای کاربرد کمتر از اندازه است.
• عدم تعادل فاز را بررسی کنید - عدم تعادل ولتاژ بیش از 2٪ بین فازها عدم تعادل جریان را تقریباً 6-10× افزایش می دهد و به سرعت سیم پیچ ها را بارگذاری می کند.
• بررسی کنید که تنظیم رله اضافه بار با FLA واقعی موتور و ضریب سرویس مطابقت دارد.

لرزش یا نویز بیش از حد

• خرابی یاتاقان یک صدای ناله یا صدای بلند مشخص ایجاد می کند که با سرعت افزایش می یابد. دمای یاتاقان را با دماسنج مادون قرمز بررسی کنید - یاتاقان هایی که بالای 90 درجه سانتیگراد (194 درجه فارنهایت) کار می کنند در حال خراب شدن هستند.
• عدم تعادل روتور باعث ایجاد ارتعاش در فرکانس 1× می شود. ناهماهنگی کوپلینگ معمولاً باعث ایجاد ارتعاش در فرکانس 1× و 2× می شود.
• پیچ‌های نصب شل یا پای نرم (سطح نصب ناهموار) تمام علائم ارتعاش را تقویت می‌کنند و باید قبل از تشخیص بیشتر اصلاح شوند.

گرمای بیش از حد عامل اصلی خرابی موتور است

تخریب حرارتی عایق سیم پیچ بزرگترین عامل خرابی موتور است تخمین زده می شود که 30 تا 40 درصد از خرابی های موتور در بررسی های صنعتی را شامل می شود. قانون آرنیوس که به طور گسترده مورد استناد قرار گرفته برای عایق الکتریکی بیان می کند که هر 10 درجه سانتیگراد بالاتر از درجه حرارت درجه بندی عایق، طول عمر عملیاتی آن را به نصف کاهش می دهد . یک موتور عایق کلاس F (با درجه حرارت 155 درجه سانتیگراد) که به طور مداوم در دمای 165 درجه سانتیگراد کار می کند، نصف زمانی که موتوری در محدوده حرارتی خود کار می کند، دوام خواهد آورد.

منابع گرمای بیش از حد موتور عبارتند از: اضافه بار فراتر از ضریب سرویس، مسدود شدن یا محدود شدن جریان هوای خنک کننده (پره های کثیف، مسدود شدن ورودی، تهویه ناکافی در قسمت محفظه موتور)، دمای محیط بالا، عدم تعادل ولتاژ باعث افزایش جریان در یک یا چند فاز، شروع مکرر در هر ساعت بیش از درجه اصطکاک حرارتی موتور می شود. موتورهای مجهز به سنسورهای دمای سیم‌پیچ ترمیستور یا RTD می‌توانند قبل از انباشته شدن آسیب‌های حرارتی خاموش شوند – مقاوم‌سازی حفاظت از دما در موتورهای حیاتی یک معیار قابلیت اطمینان مقرون‌به‌صرفه است.

به عنوان یک روش تعمیر و نگهداری، دمای سیم پیچ را در حین کار با استفاده از یک دماسنج مادون قرمز روی قاب موتور به عنوان یک پروکسی اندازه گیری کنید و با درجه افزایش دمای اصلاح شده موتور مقایسه کنید. موتوری که به طور مداوم در محدوده یا نزدیک به حد حرارتی خود در شرایط بار معمولی کار می کند باید از نظر محدودیت خنک کننده، اندازه نادرست یا مشکلات کیفیت تامین قبل از وقوع خرابی بررسی شود.

نحوه انتخاب موتور

انتخاب موتور یک فرآیند چند متغیره است. انتخاب بر اساس اسب بخار به تنهایی - رایج ترین میانبر - به طور منظم موتورهایی تولید می کند که بزرگتر هستند، با مشخصات بار مطابقت ضعیفی دارند، یا با سیستم کنترل ناسازگار هستند. به ترتیب با معیارهای زیر کار کنید:

1. نوع بار و چرخه وظیفه را تعریف کنید

بارهای گشتاور ثابت (نقاله ها، پمپ های جابجایی مثبت، میکسرها) به موتوری نیاز دارند که گشتاور نامی را در محدوده سرعت کامل ارائه دهد. بارهای گشتاور متغیر (پمپ‌های گریز از مرکز، فن‌ها، دمنده‌ها) از قانون مکعب پیروی می‌کنند - تقاضای برق در سرعت کاهش‌یافته به شدت کاهش می‌یابد و آنها را به گزینه‌های VFD عالی با پتانسیل صرفه‌جویی در انرژی تبدیل می‌کند. کاربردهای متناوب (جرثقیل ها، پرس ها، کمپرسورها) به موتورهایی با درجه بندی کار مناسب (S1 تا S9 بر اساس IEC 60034-1) نیاز دارند تا بتوانند چرخه حرارتی را بدون تخریب زودرس عایق انجام دهند.

2. گشتاور و سرعت مورد نیاز را تعیین کنید

گشتاور مورد نیاز بار را در سرعت کار محاسبه کنید (به فرمول های گشتاور در بالا مراجعه کنید). برای گشتاور راه اندازی، تلفات مکانیکی و تنوع کاربرد، 10 تا 25 درصد حاشیه ایمنی اضافه کنید. موتوری را انتخاب کنید که گشتاور نامی آن در سرعت کار با این مقدار مطابقت داشته باشد یا بیشتر از آن باشد. از بزرگ‌سازی بیش از یک اندازه قاب استاندارد اجتناب کنید - یک موتور بزرگ با ضریب توان پایین کار می‌کند، راندمان را کاهش می‌دهد و هزینه سرمایه را هدر می‌دهد.

3. نوع موتور را برای برنامه انتخاب کنید

• القایی AC سه فاز - اولین انتخاب برای کاربردهای صنعتی با سرعت ثابت یا کنترل شده با VFD. مقاوم، تعمیر و نگهداری کم، به طور گسترده در کلاس های بهره وری IE3/IE4 موجود است.
• القایی AC تک فاز - برای برنامه هایی که منبع تغذیه سه فاز در دسترس نیست. بسته به نیازهای گشتاور راه اندازی، در انواع استارت خازن، کار با خازن و PSC موجود است.
• DC بدون برس (BLDC) - برای کاربردهای دقیق با سرعت متغیر، سیستم‌های سروو یا جایی که عمر طولانی با حداقل تعمیر و نگهداری حیاتی است.
• شنت DC / زخم مرکب - در مواردی که تنظیم سرعت دقیق تحت بارهای مختلف مورد نیاز است و منبع DC موجود است. در تاسیسات جدید به دلیل نگهداری برس کمتر رایج است.
• موتورهای ضد انفجار (Ex) - محفظه های دارای گواهی ATEX یا UL/CSA در محیط های گاز، گرد و غبار یا بخار قابل اشتعال مورد نیاز است. طبقه بندی منطقه و گروه باید با تعیین منطقه خطرناک مطابقت داشته باشد.

4. Enclosure and Insulation Class را مشخص کنید

انتخاب محفظه توسط محیط عملیاتی تعیین می شود. TEFC (سرد شده با فن کاملا محصور، IP55) استانداردی برای اکثر برنامه های صنعتی در فضای باز و محیط های داخلی گرد و غبار است. ODP (Open Drip Proof، IP23) برای محیط های تمیز و خشک داخلی مناسب است و خنک کننده بهتری را در دمای بالای محیط ارائه می دهد. برای محیط های مرطوب یا شستشو، درجه بندی IP66 یا IP67 مورد نیاز است. کلاس عایق - F (155 درجه سانتیگراد) برای اکثر موتورهای صنعتی استاندارد است. کلاس H (180 درجه سانتیگراد) برای کاربردهای دوچرخه سواری با محیط بالا یا کارهای سنگین مشخص شده است.

5. نصب، قاب و ولتاژ منبع تغذیه را بررسی کنید

سازگاری اندازه قاب IEC یا NEMA را با آرایش نصب تأیید کنید (B3 نصب شده روی پا، B5 فلنجی یا ترکیبی B35). بررسی کنید که ولتاژ و فرکانس پلاک با منبع موجود مطابقت داشته باشد - و اگر از درایو فرکانس متغیر استفاده می شود، تأیید کنید که موتور دارای رتبه VFD (وظیفه اینورتر) است. موتورهای استانداردی که روی VFD بدون عایق کاری اینورتر کار می‌کنند، تسریع تخریب سیم‌پیچ ناشی از تنش افزایش ولتاژ را تسریع می‌کنند.