۱- مقدمه

موتور یونیورسال به نوعی از موتورهای الکتریکی گفته می‌شود که می‌تواند با هردو جریان AC یا DC کار کند. این نوع موتور از لحاظ ساختاری بسیار شبیه موتور DC است. به این صورت که میدان مغناطیسی آن به جای استفاده از آهنربای دائم با اعمال ولتاژ به سیم‌پیچ میدان حاصل می‌شود و سیم‌پیچ روتور به صورت سری با سیم‌پیچ استاتور متصل شده است. باید توجه داشت با اتصال موتور دی سی سری به جریان متناوب، علاوه بر مقاومت اهمی سیم پیچ‌های موتور، به دلیل وجود اندوکتانس، مقاومت القایی نیز به مدار اضافه می‌گردد و در نتیجه امپدانس آن افزایش می‌یابد. بنابراین نسبت به اتصال موتور به جریان مستقیم، جریان کمتری از سیم‌پیچ‌های موتور عبور می‌کند.

در موتورهای یونیورسال برای اینکه جهت میدان روتور و میدان ایجاد شده توسط استاتور هم‌جهت باشد تا اینکه گشتاور ایجاد گردد و باعث حرکت روتور گردد، جریان توسط کموتاتور به سیم‌پیچ روتور متصل می‌گردد. البته باید توجه داشت که برای عملکرد بدون آسیب موتور یونیورسال، ولتاژ موثر منبع متناوب می‌بایستی معادل حداکثر ولتاژ منبع تغذیه جریان مستقیم باشد. این موتورها اغلب در محدوده توانی کمتر از ۱۰۰۰ وات یافت می‌شوند. منبع ولتاژ متناوب در موتور DC سری باعث معکوس شدن جریان در هر نیم سیکل در سیم‌پیچ موتور می‌گردد. طبق قانون دست چپ، در الکتروموتور DC هنگامی جهت گردش موتور تغییر می‌کند که جهت میدان مغناطیسی یا جریان گذرنده از آرمیچر تغییر کند. در موتور دی سی سری هر دو سیم پیچ روتور و استاتور با هم سری هستند و تعویض پلاریته که در کار با ولتاژ متناوب در هر نیم سیکل رخ می‌دهد باعث تغییر جهت هر دو می‌شود و از این رو جهت دوران ثابت باقی می‌ماند و موتور می‌تواند در یک جهت گشتاور تولید کرده و به دوران خود ادامه دهد. در موتورهای یونیورسال جهت کار در ولتاژ AC بهینه سازی‌هایی نظیر ورقه ورقه کردن هسته و … انجام شده است. ورقه ورقه بودن هسته باعث می‌شود که جریان‌های گردابی یا همان جریان فوکو در هسته کمتر شود و از داغ شدن هسته جلوگیری می‌کند. در شکل ۱ یک موتور یونیورسال به صورت شماتیک نشان داده شده است.

 

همانطور که در شکل ۱ مشاهده می‌شود، موتور یونیورسال از نظر ساختار شبیه موتور DC سری است و از دو قسمت روتور و استاتور تشکیل شده، به طوری که سیم پیچ استاتور یا همان میدان و سیم پیچ روتور یا همان آرمیچر با هم سری شده است.

 

۲- تغییر جهت چرخش موتورهای یونیورسال

جهت چرخش موتورهای یونیورسال را می‌توان با معكوس نمودن جهت عبور جریان از هر یک از سیم‌پیچ‌های آرمیچر یا میدان تحریک معكوس نمود. دو روش رایج برای تغییر جهت چرخش موتورهای یونیورسال وجود دارد. در روش اول که در شکل ۲ نمایش داده شده است با استفاده از یک سوئیچ DPDT یا Double Pole Double Throw جهت جریان در سیم پیچ آرمیچر معکوس می‌شود. مطابق شکل ۲ زمانی که وضعیت سوئیچ DPDT تغییر کند جهت جریان در سیم پیچ آرمیچر معکوس شده و منجر به تغییر جهت میدان مغناطیسی روتور و در نتیجه تغییر جهت چرخش خواهد شد.

 

در روش دوم که در شکل ۳ نمایش داده شده است دو سیم‌پیچ مجزا با جهت‌های مخالف یکدیگر برروی استاتور پیچیده می‌شوند. سپس با استفاده از یک سوئیچ سه وضعیتی و قرار دادن هریک از سیم‌پیچ‌ها در مسیر، جهت چرخش عوض خواهد شد.

 

۳- مزایای موتورهای یونیورسال

• موتورهای یونیورسال دارای گشتاور راه‌اندازی بسیار بالایی هستند.
• این موتورها سرعت بالایی دارند و در ضمن خیلی سریع به سرعت نهایی می‌رسند.
• نسبت قدرت به وزن در این موتورها بالاست. به عبارتی با وزن و حجم کم، قدرت نسبتا بالایی تولید می‌کنند.
• برای تجهیزات قابل حمل مثل دریل‌های دستی و جاروبرقی‌ها بسیار مناسب می‌باشند.
• کنترل سرعت نسبتا راحتی دارند.

 

۴- معایب موتورهای یونیورسال

• به دلیل وجود کموتاتور صدای زیاد و استهلاک نسبتا بالایی دارند.
• شدیدا به بار وابسته‌اند و در بی‌باری آسیب پذیر می‌باشند.
• همه موتورهای با سیم‌پیچ سری با جریان AC به خوبی کار نمی‌کنند.

 

۵- روش‌های کنترل سرعت و دور موتورهای یونیورسال

از روش‌های مختلفی برای کنترل سرعت و جلوگیری از کارکردن موتور یونیورسال با سرعت خطرناک استفاده می‌شود. یک روش برای اینکه در بی‌باری دچار سرعت بیش از حد نگردند و آسیب نبیند این است که موتور یونیورسال همواره متصل به بار به کار گرفته شود تا موتور هرگز بدون بار کار نکند. این نوع موتورها برای کاربردهای کوچکی استفاده می‌شوند که موتور را مستقیماً یا توسط گیربکس به بار متصل می‌کنند. به طور کلی روش‌‌های کنترل سرعت نسبت به هزینه و نوع استفاده‌ کاربر متفاوت هستند. به همین دلیل توصیه می‌شود روش مناسبی برای کنترل سرعت انتخاب شود تا به سیستمی با راندمان مناسب رسید. در ادامه این بخش روش‌‌های مختلف کنترل دور موتورهای یونیورسال را معرفی خواهیم کرد.

 

۱-۵- مکانیزم گریز از مرکز برای کنترل سرعت یک موتور یونیورسال

اولین و رایج‌ترین راهی که برای کنترل سرعت موتورهای یونیورسال مورد استفاده قرار می‌‌گیرد، نصب مقاومت در مدار موتور است. در این روش یک مقاومت R با میزان دلخواه به طور سری با سیم‌پیچ‌های موتور در ورودی سیستم نصب می‌شود. همچنین استفاده از مقاومت‌های متغییر در این روش بهتر هستند زیرا به شما کمک می‌‌کنند تا سرعت موتور را به سادگی تغییر دهید. همانطور که در شکل ۴ نشان داده شده است در ابتدای حرکت جریان منبع به طور مستقیم به موتور می‌رسد و زمانی که دور موتور از حدی بیشتر شد کلید گریز از مرکز G عمل کرده و مقاومت R در مسیر جریان روتور قرار می‌گیرد. همچنین به منظور کاهش جرقه تولید شده در حین باز و بسته شدن این نقاط، یک خازن C به صورت موازی با مقاومت، در مسیر جریان روتور به کار گرفته شده است.

 

در مواردی که بیش از دو تنظیم دلخواه برای کنترل سرعت موتورهای یونیورسال مورد نیاز است، مکانیزم گریز از مرکز برای کنترل سرعت استفاده می‌شود. این روش کنترل سرعت برای موتورهای یونیورسال در کاربردهایی مانند مخلوط کن‌های غذا و نوشیدنی خانگی استفاده می‌شود. تنظیم سرعت توسط یک کلید گریز از مرکز که در داخل موتور قرار دارد انجام می‌شود. همچنین این سوئیچ گریز از مرکز را می‌توان با استفاده از یک اهرم خارجی کنترل یا تنظیم کرد.

 

۲-۵- استفاده از مدار الکتریکی نیم موج و کنترل کننده سرعت تمام موج

روش دیگری که برای کنترل سرعت موتورهای یونیورسال وجود دارد، استفاده از مدارهای نیم موج یا کنترل کننده سرعت تمام موج است. در این روش یک مدار نیم موج یا پارالل در مسیر نصب موتور قرار گرفته و سرعت موتور را با دقتی بسیار مناسب با کمک کنترل بر روی شکل موج سیکل جریان ورودی، سرعت نهایی را کنترل می‌‌کند. این روش همان راه معروف کنترل الکتروموتورها است که درایور و اینورترها در آن نقش دارند.

 

شکل ۵-الف مدار یکسو کننده نیم موج تک فاز با استفاده از تریستور SCR است. در این مدار تریستور قادر به کنترل نیم‌سیکل ولتاژ است. به طوریکه جریان یکسو شده و نیم سیکل از جریان متناوب ورودی به موتور می‌رسد. یک دیود به صورت سری با مقاومت متغیر به گیت متصل می‌شود که وظیفه راه‌اندازی SCR را بر عهده دارد. در طول نیم سیکل منفی سیگنال ورودی SCR بایاس معکوس است. از این رو هیچ جریانی از بار عبور نمی‌کند.

همانطور که در شکل ۵-الف می‌بینید در طول نیم سیکل مثبت ورودی، SCR بایاس مستقیم است. اگر مقاومت به گونه‌ای تغییر کند که حداقل جریان تحریک کننده به گیت اعمال شود، SCR روشن می‌شود و در نتیجه‌ آن تریستور باعث عبور جریان می‌شود.

اگر جریان گیت بیشتر باشد، ولتاژ تغذیه‌ای که تریستور در آن روشن می‌شود کمتر خواهد بود. زاویه‌ای که SCR شروع به هدایت می‌کند، زاویه شلیک نامیده می‌شود. برای این مدار یکسو کننده، زاویه شلیک را می توان تنها در طول نیم سیکل مثبت تغییر داد.

بنابراین با تغییر مقاومت Rc و بعبارتی تغییر زاویه شلیک یا جریان گیت، می‌توان سرعت موتور را تغییر داد.

 

در شکل ۵-ب تریاک قادر به کنترل کل سیکل ولتاژ است. به طوری که با تغییر زاویه شلیک از طریق تغییر مقاومت Rc می‌توان هر دو سیکل مثبت و منفی جریان متناوب ورودی را کنترل نمود، که در نتیجه آن سرعت موتور قابل کنترل می‌باشد.

 

۳-۵- روش میدان منشعب

در روش میدان منشعب از ایجاد میدان مغناطیسی برای کنترل سرعت موتور یونیورسال استفاده می‌شود. در این روش قطب‎‌های میدان مغناطیسی موتور در نقاط مختلف تقسیم شده تا بتوان سرعت را تنظیم کرد. زمانی که کاربر شدت میدان‌‌ها را تغییر می‌دهد، سرعت موتور نیز تغییر می‌‌کند. بدیهی است که پیاده‌سازی این روش نیاز به مهارت و دانش فنی زیادی دارد.

 

۴-۵- روش کنترل زوایه فاز

این روش ساده‌ترین روش برای کنترل سرعت موتور یونیورسال می‌باشد. کنترل سرعت با تغییر زاویه تحریک برای TRIAC بدست می‌آید. کنترل زاویه فاز یک راه حل بسیار مقرون به صرفه است اما زیاد کارآمد نمی‌باشد.

کنترل زاویه فاز روشی است که از طریق آن می‌توانیم موج سینوسی زاویه تحریک از دستگاه سوئیچینگ را کنترل یا قطع کنیم. با تنظیم زاویه‌ گیت برای تحریک ترایاک، انتگرال ولتاژ آرمیچر را می‌توان در مقدار دلخواه مرتبط با سرعت تنظیمی موتور حفظ کرد. جریان موتور نمونه‌برداری شده توسط سنسور همچنین برای جبران افت سرعت که به مقدار مورد نظر اضافه می‌شود و زاویه دروازه برای تحریک تریاک تنظیم می‌شود تا مقدار انتگرال ولتاژ آرمیچر را برای نزدیک شدن به مقدار مجموع مقدار جبران افت سرعت تنظیم کند. به عبارتی وقتی بار تغییر می‌کند، میکروکنترلر با سنجش جریان و سرعت موتور، زاویه تحریک برای TRIAC را به گونه‌ای تنظیم می‌کند تا سرعت به مقدار تنظیمی برسد.

 

۵-۵- کنترل سرعت با روش مدولاسیون پنهای پالس

همانطور که در شکل ۸ نشان داده شده است، در این روش ابتدا جریان متناوب به وسیله پل دیودی یکسو شده و سپس میکروکنترلر با سنجش سرعت و جریان ورودی به موتور یونیورسال پهنای پالس لازم برای رسیدن به سرعت تنظیمی را تولید می‌کند.

 

مدولاسیون پهنای پالس یا عرض پالس به این شکل عمل می‌کند که یک سیگنال کنترلی با شکل موج مربعی در هر دوره‌ تناوب (چرخه‌ کاری یا Duty Cycle) به صورتی قابل تنظیم تولید می‌شود. در شکل ۹ نمونه‌ای از سیگنال ایجاد شده‌ PWM و سیگنال نهایی اعمالی به موتور نشان داده شده است.

 

چرخه‌ کاری یا Duty Cycle، نسبت مدت زمان High بودن موج مربعی به دوره‌ تناوب آن است، و برحسب درصد (%) بیان می‌شود. در واقع این سیگنال با قطع و وصل جریان، سرعت موتور را تعیین می‌کند. به این ترتیب که اگر سیگنال همواره ON باشد، چرخه‌ کاری آن ۱۰۰ درصد و در نتیجه سرعت موتور ماکزیمم می‌باشد و هنگامی که سیگنال PWM کاملاً Off باشد، مقدار چرخه‌ کاری صفر و جریان ورودی به موتور صفر می‌گردد و در نتیجه سرعت صفر می‌شود. اگر بخواهیم فرمول چرخه کاری را بنویسیم، داریم:

سه نمونه از پالس PWM تولیدی برای حالات مختلف تنظیم سرعت در شکل ۱۰ نشان داده شده است.

 

مزایای این روش:

• راندمان بالای موتور
• نویز صوتی كمتر
• ریپل جریان كمتر

 

و معایب آن:

• ملزومات و تجهیزات بیشتر
• قیمت تمام شده گرانتر
• نیاز به فیلترینگ فركانس برشگر

 

۶- جمع بندی

در این مقاله با نوع خاصی از موتور‌های الکتریکی که قابل بهره‌برداری با هر دو جریان مستقیم و متناوب می‌باشند و به همین علت موتور یونیورسال نام‌گذاری شده‌اند آشنا شدیم. همچنین روش‌های کنترل سرعت این موتورها را بررسی کردیم. به‌طور کلی موتورهای یونیورسال در ابزارهای قابل حمل مانند مته‌های برقی، اره‌ها، سنباده‌ها و در لوازم خانگی مانند جاروبرقی، میکسر، مخلوط کن و … که در آن‌ها سرعت بالا، قدرت و اندازه کوچک مدنظر است مورد استفاده قرار می‌گیرد.