روشهای ترمز موتورهای القایی
در این مقاله به روشهای ترمز موتورهای القایی پرداخته شده است. چهار روش جریان مخالف، ترمز DC ، مولدی و الکترونیکی (کنترل سرعت) تشریح شده است.
ترمز الکتریکی موتور سه فاز
در بسیاری از سیستمهای صنعتی، موتورها به صورت طبیعی و با شتاب دهی به سادگی متوقف می شوند. زمانی که طول می کشد تا موتور متوقف شود بستگی به اینرسی و گشتاور مقاوم بار روی موتور دوار دارد. بهر حال، معمولا نیاز به کاهش دادن زمان رسیدن به توقف داریم و بدین منظور ترمز الکتریکی یک راه حل کارآمد و ساده می باشد.
ترمز الکتریکی در مقایسه با سیستمهای ترمز مکانیکی و هیدرولیکی، درای مزیت یکنواخت بودن است و هیچ نوع قطعه ای که فرسوده شود در آن وجود ندارد.
در این مقاله به روشهای ترمز موتورهای القایی به شرح زیر می پردازیم.
- ترمز جریان مخالف (1.1 قفس سنجابی 2.1 موتور با رینگ لغزان)
- ترمز با تزریق جریان DC
- ترمز الکترونیکی
- ترمز با کارکرد در ناحیه فوق سنکرون (مولدی)
- بقیه سیستمهای ترمز الکتریکی
1- ترمز جریان مخالف – اصول عملکرد
در این روش برای ترمز کردن ابتدا موتور از منبع تغذیه جدا می شود و در حالیکه همچنان به دوران خود ادامه می دهد و در جهت معکوس به منبع تغذیه متصل می گردد. این سیستم ترمز از نظر مقدار گشتاور تولید شده بسیار کارآمد است، در این روش معمولا گشتاوری بیش از گشتاور راه اندازی ایجاد می شود. پس از راه اندازی موتور در جهت مخالف، به سرعت بایستی موتور متوقف شود تا از گردش در جهت معکوس اجتناب گردد.
تجهیزات مختلف اتوماتیکی برای کنترل کردن توقف در سرعتی نزدیک به صفر استفاده می شوند.
- آشکار سازهای اصطکاک توقف، آشکارسازهای توقف گریز از مرکز
- ادوات کورنومتریک
- اندازه گیری فرکانس یا رله های ولتاژ روتور (در موتورهای با رینگ لغزان)
1-1 موتورهای قفس سنجابی
قبل از انتخاب این سیستم (شکل 1)، بسیار مهم است که مطمئن شویم موتور می تواند ترمز جریان مخالف را با توجه به کارکرد و بار مورد نیاز بر روی آن تحمل کند. صرفنظر از تنش های مکانیکی، بدلیل اینکه در هر بار ترمز کردن انرژی آزاد شده (انرژی لغزش اصلی و انرژی جنبشی) در قفس تلف می گردد. این فرآیند روتور را در معرض تنش های حرارتی خیلی زیاد قرار می دهد.
تنش گرمایی در هنگام ترمز گرفتن سه بار بیش از سرعت گرفتن است.
شکل 1 – اصول کلی ترمز جریان مخالف
هنگام ترمز گرفتن، پیکهای جریان و گشتاور به طور قابل ملاحظه ای بیشتر از مقادیر تولید شده آنها در لحظه راه اندازی است. برای ترمز یکنواخت و آرامتر، معمولا یک در هنگام سوئیچ کردن به جریان مخالف یک مقاومت با هر فاز استاتور به صورت سری قرار می گیرد. این مقاومت جریان و گشتاور را در هنگام راه اندازی استاتور کاهش می دهد. موانع ترمز گرفتن با روش جریان مخالف در موتورهای قفس سنجابی زیاد بوده و به گونه ای بزرگ است که این سیستم فقط در برخی از کاربردها در موتورهای کم توان استفاده می شود.
2-1 موتور با رینگ لغزان (روتور سیم پیچی شده)
به منظور محدود کردن پیک گشتاور و جریان، قبل از کلید زدن استاتور به حالت جریان مخالف، بسیار مهم و حیاتی است که مقاومت های راه انداز استفاده شده در راه اندازی را مجددا در مدار روتور قرار دهیم. و همچنین در هنگام ترمز مقاومت بیشتری را به ان اضافه کنیم.
شکل 2 – اصول کاری ترمز جریان مخالف در ماشین آسنکرون با رینگ لغزان
با انتخاب اندازه درست مقاومت راه انداز می توان به آسانی گشتاور ترمز را به مقدار مورد نیاز تنظیم کرد. هنگامی که جریان سوئیچ می شود، ولتاژ روتور دو برابر حالت توقف آن می گردد. از اینرو نیاز است مساله عایق کاری و شکست عایقی از قبل مورد توجه قرار گیرد.
همانند موتورهای قفسی، در این موتور نیز مقدار زیادی از انرژی در مدار روتور آزاد می شود. به جز مقداری کمی که در مقاومتها تلف می شود باقی آن در روتور تلف خواهد شد.
2- ترمز با تزریق جریان DC
این سیستم ترمز موتورهای القایی در هر دو موتور قفس سنجابی و موتور با رینگ لغزان (روتور سیم پیچی شده) می تواند استفاده شود. (شکل 3 را ببینید). در مقایسه با سیستم جریان مخالف، قیمت خرید رکتیفایر جریان DC با کاهش یافتن مقاومت ها جبران می گردد با راه اندازها و کنترل کننده های سرعت الکترونیکی، انتخاب این روش ترمز باعث افزایش هزینه نمی شود.
فرآیند ترمز در دو مرحله قطع کردن استاتور از منبع توان و سپس ارسال جریان یکسو شده به داخل آن انجام می شود. جریان یکسو شده یک شار ثابت در فاصله هوایی موتور ایجاد می کند. برای اطمینان از اینکه مقدار شار برای ترمز کردن کافی باشد، جریان باید 1.3 برابر بیشتر از جریان نامی باشد. تلفات حرارتی اضافی به دلیل این اضافه جریان همیشه مدت کوتاهی پس از ترمز، جبران می شود.
شکل 3 - اصول کاری ترمز جریان مستقیم در ماشین آسنکرون
نظر به اینکه مقدار جریان تنها با مقدار مقاومت سیم پیچی استاتور تنظیم می شود، ولتاژ کمی در منبع جریان یکسو شده مورد نیاز است. منبع معمولا از طریق رکتیفایرها یا کنترل کننده های سرعت تامین می شود. این منبع باید قادر باشد در برابر موجهای (surges) ولتاژ گذرای ایجاد شده توسط سیم پیچهایی که از منبع تغذیه متناوب (مثلا 380V RMS)جدا شده اند استقامت کند. حرکت روتور نسبت به میدان دوار در فضای استاتور (میدان سنکرون) با یک مقدار لغزش انجام می گیرد. (از آنجاییکه در سیستم ترمز جریان مخالف میدان در جهت معکوس می چرخد). موتور مانند یک ژنراتور سنکرون که در حال تخلیه انرژی در روتور است. رفتار می کند.
در مقایسه با سیستم جریان مخالف//
تفاومتهای مهمی در مشخصات بدست آمده با جریان dc تزریق شده به استاتور در مقایسه با سیستم جریان مخالف وجود دارد.
- انرژی کمتری در مقاومتهای روتور یا قفس روتور تلف می شود. این انرزی فقط معادل انرژی مکانیکی تحویل گرفته از اجسام در حال دوران است. تنها انرژی اخذ شده از منبع توان اصلی برای تحریک کردن استاتور است.
- اگر بار دوار نباشد، موتور در جهت معکوس راه اندازی و حرکت نمی کند.
- اگر بار در حال دوران باشد، سیستم بدون تغییر ترمز می کند و بار را در سرعت کم نگه می دارد. این بیشتر ترمزی برای کند کردن است تا اینکه توقف کننده سریع باشد. مشخصه آن بسیار پایدارتر از جریان مخالف است.
در موتورهای دارای رینگ لغزان (روتور سیم پیچی): مشخصه گشتاور-سرعت به انتخاب مقاومتها بستگی دارد.
در موتورهای قفسی: سیستم به راحتی گشتاور ترمزی خود را با انرژی گرفته از جریان مستقیم تنظیم می کند. با این وجود، گشتاور ترمز در حالتی که موتور در سرعتهای بالا کار می کند کم است.
به منظور جلوگیری از گرم شدن بیش از حد، و جلوگیری از اعمال بیش از حد ترمز، باید تجهیزاتی برای قطع کردن جریان در استاتور استفاده شود.
3- ترمز الکترونیکی
ترمز الکترونیکی به سادگی با استفاده از یک کنترل کننده سرعت که با مقاومت ترمز تجهیز شده است تامین می شود. در این حالت موتور آسنکرون به عنوان ژنراتور عمل کرده و انرژی مکانیکی در مقاومت ترمز تلف می گردد بدون اینکه باعت افزایش تلفات در موتور گردد.
یک واحد راه انداز (starter) موتور چهار وظیفه اصلی دارد.
- بار را از مدار قدرت اصلی ایزوله می کند
- به حفاظت موتور در برابر اتصال کوتاه کمک می کند.
- به حفاظت موتور در برابر اضافه بار حرارتی کمک می کند
- کار کموتاسیون یا کنترل را انجام می دهد.
هر واحد راه انداز موتور می تواند بستگی به هدف مورد نظر کارهای دیگری را نیز انجام دهد، اینها شامل:
- قدرت: کنترل کننده سرعت، سافت استارتر، معکوس کردن فاز و غیره.
- کنترل: اتصالات کمکی، تاخیر زمانی، ارتباطات و غیره
مطابق با ساختار واحد راه انداز موتور، به روشهای مختلفی می توان به عملکرد مورد نظر دست یافت. (شکل 4 را ببینید) در این شکل ارایشهای ممکن نشان داده شده است.
شکل 4 – آرایشهای مختلف عملکردی و ساختمان آنها برای راه اندازی موتور
4 - ترمز با کار در ناحیه فوق سنکرون (ترمز مولدی)
این ترمز هنگامی مورد استفاده قرار می گیرد که بار در سرعتی بیش از سرعت سنکرون می چرخد. در این حالت مانند یک ژنراتور آسنکرون عمل کرده و گشتاور ترمزی ایجاد می شود. صرفنظر از مقدار جزیی از انرژی که تلف می گردد باقی انرژی توسط منبع توان اصلی بازیابی می گردد. در یک موتور جرثقیل یا آسانسور، این نوع عملکرد باعث کاهش سرعت به سرعت نامی می گردد. گشتاور ترمزی کاملا متعادل با بار شده و به جای اینک سرعت را شل (سست و کم) کند، موتور را در یک سرعت ثابت به گردش در می آورد.
در یک موتور با رینگ لغزان (روتور سیم پیچی شده) ، بایستی تمام یا بخشی از مقاومتهای روتور اتصال کوتاه شوند تا از کارکرد موتور در سرعتی خیلی بیشتر از سرعت نامی جلوگیری شود که این حالت از نظر مکانیکی خطرناک خواهد بود.
این سیستم خصوصیات ایده آلی برای مهار کردن بار دوار را دارا می باشد. اینها شامل:
- سرعت پایدار بوده و عملا مستقل از گشتاور پیچشی گرداننده است.
- انرژی بازیابی شده و به منبع تغذیه بازگشت داده می شود.
بهر حال، این سیستمها فقط موتور را در یک سرعت که سرعت نامی آن است نگه می دارد. سیستمهای ترمز فوق سنکرون به راحتی با استفاده از یک کنترل کننده سرعت الکترونیکی ایجاد می شوند، آنها به صورت اتوماتیک سرعت سیستم را با کاهش دادن فرکانس تنظیم شده، کاهش می دهند. و بدین ترتیب می توان موتور را به حالت توقف رساند.
5 - دیگر سیستمهای ترمز الکتریکی
هنوز هم می توان در برخی جاها ترمز تک فاز یافت. این نوع ترمز به این صورت است که دو تا از سرهای موتور سه فاز به ولتاژ تک فاز متصل شده و ترمینال دیگر موتور نیز به یکی از اتصالات تغذیه (فاز یا نول) متصل می گردد. گشتاور ترمز به 3/1 گشتاور ماکزیمم موتور محدود شده است این سیستم نمی تواند بار کامل را ترمز کند و در این حالت باید برگردیم به ترمز جریان مخالف و از آن ترمز استفاده کنیم. ترمز تک فاز عدم تقارن و تلفات زیادی ایجاد می کند.
یکی دیگر از سیستمها، ترمز کردن بوسیله جریان گردابی متوقف کننده است. این سیستم قاعده کاری شبیه به آن چیزی که در وسایل حمل و نقل استفاده می شود به اضافه ترمز مکانیکی است (کاهنده های سرعت الکتریکی) . انرژی مکانیکی در کاهنده سرعت تلف می گردد. ترمز به سادگی با استفاده از یک سیم پیچ تحریک کنترل می شود. با این حال مشکل اصلی در این ترمز اینرسی است که به میزان زیادی به موتور تحمیل می شود.
معکوس کردن
موتورهای آسنکرون سه فاز را (شکل 5 را ببینید) به سادگی با تغییر اتصال فازهای متصل به دو اتصال تخته کلم می توان برعکس کرد.
شکل 5 – روش معکوس کردن موتور آسنکرون
معمولا هنگامی می توان دور موتور را برعکس کرد که متوقف باشد. در غیر اینصورت، معکوس کردن فازها باعث ایجاد حالت ترمز جریان معکوس می گردد (پاراگراف مربوط به موتور با رینگ لغزان را ببینید) . بقیه سیستمهای ترمز الکتریکی که در بالا تشریح گردید نیز می توانند برای توقف و سپس معکوس کردن استفاده شوند. در موتورهای تک فاز معکوس کردن را در صورتی می توان انجام داد که سرهای سیم پیچها در دسترس باشند.