چرا راه اندازی موتور تک فاز موضوعی مهم و پیچیده است

موتورهای تک فاز در دل بسیاری از وسایلی که هر روز با آن ها سر و کار داریم پنهان شده اند؛ کولر آبی، یخچال، پمپ آب خانگی، جاروبرقی و انواع ابزار برقی کوچک. با این حال کمتر کسی می داند که این موتورها بر خلاف موتورهای سه فاز، به تنهایی توانایی راه اندازی خودشان را ندارند. دلیل این موضوع به ساختار فیزیکی آن ها برمی گردد؛ وقتی جریان تک فاز وارد سیم پیچ اصلی موتور می شود، به جای یک میدان مغناطیسی چرخان، یک میدان مغناطیسی نوسانی یا به اصطلاح ضربان دار تولید می شود. این نوع میدان، گشتاور لازم برای چرخاندن روتور را از حالت سکون ندارد و اگر موتور را با دست کمی بچرخانید، تازه شروع به کار می کند.

دقیقا همین محدودیت باعث شده مهندسان طراحی، روش های مختلفی برای غلبه بر این مشکل ابداع کنند و از دل همین راه حل ها، دسته بندی موتور تک فاز بر اساس نوع راه اندازی شکل گرفته است. شناخت این دسته بندی برای هر کسی که در حال خرید، تعمیر یا سیم پیچی موتور تک فاز است اهمیت زیادی دارد، چون هر نوع موتور، گشتاور راه اندازی، بازده و کاربرد متفاوتی دارد.

منطق کلی دسته بندی؛ حضور یا عدم حضور خازن

پیش از ورود به جزئیات هر نوع، بهتر است چارچوب کلی دسته بندی را روشن کنیم. مهندسان برق موتورهای تک فاز القایی را از نظر روش ایجاد گشتاور راه اندازی به دو گروه بزرگ تقسیم می کنند:

گروه اول شامل موتورهایی است که در مدار راه اندازی خود از خازن استفاده نمی کنند. در این گروه، اختلاف فاز لازم بین سیم پیچ اصلی و کمکی از طریق تفاوت در مقاومت و راکتانس دو سیم پیچ یا با کمک یک حلقه مسی کوتاه شده ایجاد می شود.

گروه دوم شامل موتورهایی است که برای ایجاد اختلاف فاز مناسب و افزایش گشتاور راه اندازی از یک یا دو خازن کمک می گیرند. این گروه معمولا گشتاور راه اندازی بالاتر و عملکرد پایدارتری نسبت به گروه اول دارند.

از دل همین دو گروه، پنج نوع اصلی موتور تک فاز شکل می گیرد که در ادامه هر کدام را به طور کامل بررسی می کنیم.

موتور تک فاز با فاز شکسته (Split Phase)

این موتور یکی از قدیمی ترین و ساده ترین انواع موتور تک فاز است و در آن هیچ خازنی وجود ندارد. استاتور این موتور دو دسته سیم پیچ دارد؛ سیم پیچ اصلی که سطح مقطع سیم آن بیشتر و مقاومت اهمی آن کمتر است، و سیم پیچ کمکی یا راه انداز که سیم نازک تر و مقاومت بالاتری دارد. همین اختلاف در مقاومت و اندوکتانس باعث می شود جریان عبوری از دو سیم پیچ با یکدیگر اختلاف فاز کوچکی پیدا کنند و یک میدان چرخان ضعیف ولی کافی برای شروع حرکت روتور ایجاد شود.

وقتی موتور به حدود هفتاد تا هشتاد درصد سرعت نامی خود رسید، یک کلید گریز از مرکز به صورت خودکار سیم پیچ کمکی را از مدار خارج می کند و موتور فقط با سیم پیچ اصلی به کار خود ادامه می دهد. این نوع موتور جریان راه اندازی نسبتا بالایی دارد و گشتاور راه اندازی آن در حد متوسط است، به همین دلیل بیشتر در وسایلی مثل پنکه، دمنده هوا و برخی پمپ های سبک استفاده می شود که نیاز به گشتاور راه اندازی سنگین ندارند.

موتور تک فاز با خازن راه انداز (Capacitor Start)

در این نوع، یک خازن الکترولیتی با ظرفیت نسبتا بالا به صورت سری با سیم پیچ کمکی قرار می گیرد. وجود این خازن باعث می شود اختلاف فاز بین جریان سیم پیچ اصلی و کمکی بسیار نزدیک به نود درجه شود، و این یعنی میدان مغناطیسی تولید شده در لحظه راه اندازی بسیار قوی تر و نزدیک تر به یک میدان چرخان کامل خواهد بود. نتیجه این طراحی، گشتاور راه اندازی بسیار بالاتر نسبت به موتور فاز شکسته است، معمولا در حدود سه تا پنج برابر گشتاور نامی.

درست مانند موتور فاز شکسته، در این نوع نیز یک کلید گریز از مرکز پس از رسیدن به سرعت مشخص، هم خازن و هم سیم پیچ کمکی را از مدار قطع می کند. به همین دلیل این موتور برای کاربردهایی که در لحظه شروع نیاز به بار سنگین دارند بسیار مناسب است؛ کمپرسور یخچال و کولر، پمپ های آب با فشار بالا و برخی ابزارهای برقی صنعتی از جمله مصارف رایج این نوع موتور هستند.

موتور تک فاز با خازن دائم (PSC)

نام کامل این موتور Permanent Split Capacitor است و تفاوت اصلی آن با نوع قبلی در این است که خازن به جای اینکه فقط در لحظه راه اندازی در مدار باشد، در تمام مدت کارکرد موتور همراه سیم پیچ کمکی باقی می ماند. به همین دلیل در این طراحی نیازی به کلید گریز از مرکز نیست، چون سیم پیچ کمکی هرگز از مدار خارج نمی شود.

خازن مورد استفاده در این موتور معمولا از نوع روغنی است و ظرفیت آن نسبت به خازن راه انداز بسیار کمتر است، چون قرار نیست جریان راه اندازی سنگین را برای مدت طولانی تحمل کند. حاصل این طراحی، موتوری با گشتاور راه اندازی متوسط اما بازده بالا، صدای کمتر و لرزش پایین تر در حالت کارکرد دائم است. به همین دلیل موتور خازن دائم گزینه محبوبی برای فن های سقفی، پمپ های گردشی، کولرهای آبی و برخی موتورهای کمپرسوری سبک به شمار می رود.

موتور تک فاز دو خازنه (Capacitor Start - Capacitor Run)

این نوع در واقع ترکیبی هوشمندانه از دو طراحی قبلی است و مزایای هر دو را با هم دارد. در این موتور دو خازن مجزا وجود دارد؛ یک خازن الکترولیتی با ظرفیت بالا برای لحظه راه اندازی و یک خازن روغنی با ظرفیت پایین تر برای کارکرد دائم. این دو خازن با یکدیگر موازی می شوند، اما با رسیدن موتور به سرعت مشخص، کلید گریز از مرکز فقط خازن راه انداز را از مدار خارج می کند و خازن دائم همچنان در مدار باقی می ماند.

نتیجه این ترکیب، موتوری است که هم گشتاور راه اندازی بسیار بالایی دارد و هم در حالت کارکرد دائم بازده و ضریب توان مناسبی از خود نشان می دهد. به همین دلیل این نوع موتور معمولا در تجهیزاتی با بار سنگین و نیاز به کارکرد پیوسته طولانی مدت استفاده می شود، مثل کمپرسورهای صنعتی، پمپ های چاه عمیق و برخی موتورهای کولر گازی با ظرفیت بالا.

موتور تک فاز با قطب چاک دار (Shaded Pole)

این موتور از نظر ساختار با چهار نوع قبلی کاملا متفاوت است و اصلا سیم پیچ کمکی یا خازن ندارد. در این طراحی، هر قطب استاتور دارای یک شیار کوچک است که یک حلقه مسی کوتاه شده دور بخشی از آن پیچیده شده است. وقتی جریان متناوب در سیم پیچ اصلی جاری می شود، این حلقه مسی یک جریان القایی در خود ایجاد می کند که باعث تاخیر فاز در بخش سایه دار قطب می شود. همین تاخیر فاز کوچک، یک میدان مغناطیسی متحرک ضعیف تولید می کند که برای راه اندازی موتورهای کم توان کافی است.

گشتاور راه اندازی این موتور در پایین ترین سطح ممکن در میان انواع موتور تک فاز قرار دارد و بازده آن نیز نسبت به سایر انواع کمتر است. اما به دلیل سادگی ساختار، هزینه تولید پایین و نداشتن قطعات متحرک اضافی مثل کلید گریز از مرکز، این موتور برای وسایل کم توان و ارزان قیمتی مثل پنکه های رومیزی کوچک، دستگاه های تهویه کوچک و برخی اسباب بازی های برقی بسیار مورد استفاده قرار می گیرد.

چگونه موتور مناسب را بر اساس نوع راه اندازی انتخاب کنیم

انتخاب نوع موتور تک فاز باید بر اساس دو عامل اصلی انجام شود؛ میزان گشتاور مورد نیاز در لحظه راه اندازی و شرایط کارکرد دائم دستگاه. اگر دستگاه شما در لحظه شروع با بار سنگین روبرو می شود، مثل کمپرسور یا پمپ فشار قوی، موتورهای خازن راه انداز یا دو خازنه گزینه مناسب تری هستند. اگر اولویت شما بازده بالا و کارکرد ساکت در طول زمان طولانی است، موتور خازن دائم انتخاب بهتری خواهد بود. برای وسایل ساده و کم توان که هزینه تمام شده اهمیت بیشتری دارد، موتور قطب چاک دار یا فاز شکسته می تواند کافی باشد.

توجه به این نکته نیز ضروری است که برخی منابع، موتورهای سنکرون تک فاز و موتورهای دافعه ای را نیز در کنار موتورهای القایی قرار می دهند، اما این دو دسته از نظر اصول کارکرد تفاوت اساسی با موتورهای القایی معرفی شده در بالا دارند و بیشتر در کاربردهای خاص صنعتی و ساعت های برقی قدیمی به کار می روند.

جمع بندی

دسته بندی موتور تک فاز بر اساس نوع راه اندازی در نهایت به پنج گروه اصلی می رسد؛ فاز شکسته، خازن راه انداز، خازن دائم، دو خازنه و قطب چاک دار. هر یک از این پنج نوع، ترکیب متفاوتی از گشتاور راه اندازی، بازده، هزینه و پیچیدگی ساختار ارائه می دهند و شناخت دقیق تفاوت های آن ها به شما کمک می کند تا بر اساس نیاز واقعی دستگاه خود، انتخاب درستی داشته باشید. پیش از خرید یا تعویض هر موتور تک فاز، بهتر است پلاک مشخصات آن را با دقت بررسی کنید تا نوع خازن، توان و روش راه اندازی آن مشخص شود.