اساس کار موتور های القایی تکفاز

همان طور که می‌دانیم موتور‌های القایی تک فاز یک نقص جدی دارند. چون در سیم پیچی استاتور تنها یک فاز وجود دارد، میدان مغناطیسی موتورالقایی تکفاز نمی‌چرخد. در عوض نوسان می‌کند، یعنی بزرگ و کوچک می‌شود، اما همیشه در یک امتداد باقی می‌ماند، چون در استاتور میدان مغناطیسی دوار وجود ندارد، موتور القایی تکفاز گشتاور راه اندازی ندارد.

این حقیقت را می‌توان به سادگی با آزمایش موتور در هنکامی که روتور آن ساکن است مشاهده کرد. شار استاتور ماشین ابتدا زیاد شده، سپس کاهش می‌یابد، اما همیشه در یک امتداد می‌ماند.

چون میدان مغناطیسی استاتور نمی‌چرخد، بین میدان استاتور و میله‌های روتور حرکت نسبی وجود ندارد پس هیچ ولتاژ القایی ناشی از حرکت نسبی در روتور وجود ندارد، از روتور هیچ جریانی در اثر حرکت نسبی نمی‌گذرد و هیچ گشتاوری القا نمی‌شود. در واقع در اثر عمل ترانسفورماتوری (dØ/dt) ولتاژی که در میله‌های روتور القا می‌شود و، چون میله‌ها اتصال کوتاه اند، از روتور جریان می‌گذرد. اما میدان ناشی از جریان رتور با میدان مغناطیسی استاتور هم امتداد است، و هیچ گشتاور برآیندی در روتور ایجاد نمی‌کند.

در شرایط سکون، موتور مانند ترانسفورماتوری است که سیم پیچی ثانویه آن اتصال کوتاه شده است.

این حقیقت که موتور‌های القایی تکفاز ذاتا گشتاور راه اندازی ندارند، مانعی جدی در توسعه زودرس موتور‌های القایی بود. هنگامی که موتور‌های القایی در اواخر دهه‌ی ۱۸۸۰ و اوایل دهه‌ی ۱۸۹۰ ابداع شدند، اولین سیستم‌های قدرت موجود تکفاز HZ – ۱۳۳ بودند. با مواد و تکنولوژی قابل دسترسی آن زمان، ساخت موتوری که خوب کار کند غیر ممکن بود. تا اواسط دهه‌ی ۱۸۹۰ که سیستم سه فاز HZ – ۲۵ توسعه یافت، موتور‌های القایی کاربرد عملی نیافتند. ولی با شروع گردش روتور در آن گشتاور القایی تولید می‌شود. دو نظریه برای توجیه این گشتاور در روتور در حال گردش وجود دارد:
۱- نظریه‌ی میدان دو گانه گردان (لبلان)
۲- نظریه‌ی میدان متقاطع

بر اساس این نظریه میدان مغناطیسی ساکن با دامنه متغییر را می‌توان به دو میدان مغناطیسی دوار با دامنه‌های برابر و جهت‌های مختلف هم، تجزیه کرد. موتور القایی به هریک از این دو میدان مغناطیسی جداگانه پاسخ می‌دهد و گشتاور برآیند ماشین مجموع گشتاور‌های ناشی از دو میدان است.

چگالی شار میدان مغناطیسی را با استفاده از رابطه‌ی زیر به دست می‌آید:
(Bst=j (Bmax.cosωt

توجه کنید که جمع میدان مغناطیسی ساعتگرد و پادساعتگرد برابر میدان مغناطیسی ساکن Bs است:


موتور القایی تکفاز به هریک از دو میدان مغناطیسی دوار موجود پاسخ می‌دهد، پس گشتاور القایی برآیند موتور با اختلاف دو منحنی گشتاور – سرعت برابر است.

توجه کنید که در سرعت صفر هیچ گشتاور برآیندی وجود ندارد، پس این موتور گشتاور راه اندازی ندارد.
مشخصه‌ی گشتاور – سرعت در  توصیف دقیق گشتاور موتور تکفاز نیست. این منحنی از برهم نهی شدن دو مشخصه‌ی سه – فاز به دست آمد و ازاین حقیقت که در موتور تک فاز هر دو میدان به طور همزمان وجود دارند چشم پوشی شد.
اگر در حالی که موتور را وادار به چرخیدن در خلاف جهت میدان استاتور کرده ایم به آن توان اعمال می‌کنیم، جریان‌های بسیار بزرگی از روتور می‌گذرد، همنند

اما فرکانس روتور نیز خیلی بزرگ است، که موجب می‌شود راکتانس روتور بسیار بیشتر از مفاومت اهمی آن باشد. به علت زیاد بودن راکتانس روتور، جریان روتور نسبت به ولتاژ آن نزدیک به ۹۰ درجه تاخیر داردو میدان مغناطیسی تولید شده توسط آن نزدیک ۱۸۰ درجه با میدان مغناطیسی استاتور اختلاف دارد.

گشتاور القایی در موتور با سینوس زاویه بین دو میدان متناسب است، و سینوس یک زاویه نزدیک ۱۸۰ درجه عدد بسیار کوچکی است. گشتاور موتور بسیار کوچک است، و تنها به ازای جریان‌های بزرگ اثر زوایای میدان مغناطیسی تا اندازه‌ای جبران می‌شود.

از سوی دیگر، در موتور تک فاز هم میدان مغناطیسی پیشرو وجود دارد و هم میدان مغناطیسی پسرو، و هردو در اثر یک جریان به وجود می‌آیند. هر یک از میدان‌های مغناطیسی پیشرو و پسرو درموتور قسمتی از ولتاژ کل استاتور را می‌سازند واز این جهت با هم سری هستند. چون هر دو میدان مغناطیسی وجود دارند، میدان مغناطیسی پیشرو (که مقاومت موثر زیاد را دارد) جریان استاتور را (که تولید کننده‌ی هردو میدان پیشرو و پسرو است) محدود می‌کند. چون جریان تامین کننده‌ی میدان مغناطیسی پسرو در استاتور به مقدار کوچکی محدود می‌شود و، چون میدان مغناطیسی پسروی روتور، زاویه‌ی بزرگی نسبت به میدان مغناطیسی پسرو استاتور دارد، گشتاور ناشی از میدان‌های مغناطیسی پسرو در نزدیکی سرعت سنکرون بسیار کوچک است.

علاوه بر گشتاور برآیند متوسطی ذکر شده ، گشتاور نوساناتی، با دو برابر فرکانس استاتور دارد. این نوسانات به این دلیل ایجاد می‌شود که در هر تناوب میدان‌های مغناطیسی پیشرو و پسرو دو بار از برابر هم عبور می‌کنند. هر چند مفدار متوسط این گشتاور نوسانی صفر است. اما لرزش را زیاد می‌کند و موجب می‌شود که موتور القایی تک فاز از موتور سه فاز هم اندازه اش پر سرو صدا باشد. راهی برای حذف این نوسانات وجود ندارد، چون توان لحظه‌ای ورودی مدار تک فاز همیشه شکل نوسانی دارد. طراح این ماشین باید این لرزش ذاتی را در طرح مکانیکی موتور‌های تکفاز در نظر بگیرد.

در نظریه‌ی میدان متقاطع به موتور‌های القایی از دیدگاه دیگری نگریسته می‌شود. این نظریه با ولتاژ‌ها و جریان‌هایی که میدان مغناطیسی ساکن استاتور می‌تواند در میله‌های روتور درحال دوران القا کند سرو کار دارد.
یک موتور القایی تکفاز را در نظر بگیرید که روتور آن به کمک یک وسیله‌ی خارجی سرعت گرفته است.

در میله‌های این موتور ولتاژ‌هایی القا می‌شود، ماکزیمم این ولتاژ در سیم پیچی‌هایی که از برابر سیم پیچی‌های استاتور می‌گذرند القا می‌شود. این ولتاژ‌ها در روتور جریان ایجاد می‌کنند، اما، چون راکتانس روتور زیاد است، جریان تقریبا ۹۰ درجه نسبت به ولتاژ پسفاز است. چون روتور تقریبا با سرعت سنکرون می‌گردد، این تاخیر ۹۰ درجه‌ای جریان یک اختلاف زاویه‌ای تقریبا ۹۰ درجه‌ای بین صفحه‌ی حداکثر ولتاژ روتور و صفحه‌ی حداکثر جریان ایجاد می‌کند.

به علت تلفات درون روتور، میدان مغناطیسی روتور تا حدی کوچکتر از میدان مغناطیسی استاتور است، اما هم از نظر مکانی و هم از نظر زمانی نزدیک به ۹۰ درجه با هم اختلاف دارند. اگر این دو میدان مغناطیسی را در زمان‌های مختلف به هم جمع کنیم، می‌بینیم که میدان مغناطیسی کل موتور در جهت پادساعتگرد دوران می‌کند،
به علت وجود یک میدان مغناطیسی دوار، موتور القایی گشتاور خالصی را در جهت حرکت ایجاد می‌کند واین گشتاور موجب ادامه گردش روتور می‌شود.
اگر موتور از اول در جهت ساعتگرد چرخانده شده بود، گشتاور حاصل ساعتگرد می‌بود، وباز ادامه‌ی گردش روتور راسبب می‌شد