در چند پست آینده به نکاتی در مورد برق اشاره خواهیم کرد که برای مهندسان مکانیک جالب و کاربردی خواهد بود

تولید برق متناوب مطابق تصاویر می تواند از چرخش یک سیم پیچ مغناطیس شده درون یک سیم پیچ چند کلافه ثابت یا چرخش یک سیم پیچ چند کلافه درون یک سیم پیچ مغناطیس شده ایجاد شود.در هر صورت سیم پیچ درونی متحرک است و به آن روتور و سیم پیچ بیرونی ثابت است و به آن استاتور گویند
اگر مطابق شکل، روتور یک مغناطیس دوار باشد و استاتور از سه کلاف سیم پیچ با اختلاف مکان زاویه ای ۱۲۰ درجه تشکیل شده باشد برق در اثر چرخش روتور در سیم پیچهای استاتور سینوسی(متناوب)خواهد بود و اگر برق در یک سیم پیچ در حالتی باشد با چرخش ۱۲۰ درجه روتور سیم پیچ بعدی در همان حالت خواهد بود. در این حالت می گوییم برق در سه سیم‌پیچ استاتور بصورت سه فاز با اختلاف فاز ۱۲۰ درجه است. سر مشترک سه کلاف استاتور برق نخواهد داشت و به آن نول می گویند. سه سیم فاز ال 1 و ال 2 و ال 3 یا آر و اس و تی نامیده می شوند.
اگر اختلاف پتانسیل بین یک فاز و نول، برق متناوب با دامنه ۲۳۰ باشد، به این عدد ولتاژ فاز گویند. در این حالت اختلاف پتانسیل دو فاز، برق متناوب با دامنه ۴۰۰ ولت خواهد بود که به آن ولتاژ خط گویند.به همین دلیل وجود این ولتاژ خط بالا برق سه فاز خطرناک است

سیم پیچ یا سلنوئید
اگر یک سیم پیچ مطابق شکل داشته باشیم عبور جریان درون سیم ان باعث بوجود آمدن میدان مغناطیسی درون آن می شود یعنی سیم پیچ می تواند یک آهنربا ایجاد کند. عواملی مانند شدت جریان عبوری از سیم پیچ یا تعداد حلقه های سیم پیچ یا وجود یک هسته از ماده فرومغناطیس می تواند باعث افزایش قدرت میدان مغناطیسی این قطعه شود.
از خصوصیات جالب سیم پیچ ها این است که با تغییر میدان مغناطیسی درون خود مقابله می کنند مثلاً اگر جریان دو سر سیم پیچی را افزایش دهیم بالتبع میدان مغناطیسی درون آن افزایش می یابد در این حالت سیم پیچ جریانی مخالف این افزایش جریان در خود ایجاد می کند تا میدان مغناطیسی درون سیم پیچ کمتر افزایش یابد. این پدیده اساس کار ترانسفورماتور ها و ژنراتورهای تولید برق جریان متناوب و موتورها و الکتروپمپ ها است.

شیر سلنوئیدی شیری است که هنگام عبور برق از آن، باز یا بسته می شود در این شیر یک سیم پیچ وجود دارد که با عبور برق از آن مغناطیس شده و با جذب یک مانع جریان سیال، آن را سر راه جریان سیال قرار می دهد یا از سر راه جریان سیال بر می دارد. شیر های سلنوئیدی معمولا فقط دو حالت باز و بسته دارند. این شیرها می توانند دو سه یا چند راهه باشند. این شیرها می توانند حالت عادی بسته (نرمال بسته) باشند یعنی وقتی برق به سولنوئید می رسد باز شوند یا حالت عادی باز (نرمال باز) باشند یعنی با رسیدن برق بسته شوند. این شیرها مدار فرمان نیاز دارند یعنی باید یک مدار برق این شیرها را قطع و وصل کند. معمولا این شیرها کوچکند و اوریفیس (سوراخ کوچک) دارند و مثلا شیرهای دروازه ای را سولنوئیدی نمی سازند بلکه آنها را با جک هیدرولیک یا نیوماتیک بسته و باز می کنند. در زمانیکه لازم باشد که شیر سولنوئیدی بر سر جریان بیشتری قرار گیرد باید از نوع غیر مستقیم این شیر استفاده کرد. در این نوع شیر، اوریفیس تنها وسیله ای برای باز کردن راه اصلی که یک دیافراگم بر سر راه آن قرار دارد است.

عملکرد شیر سولنوئیدی غیر مستقیم در فیلم بالا از شرکت معروف دانفوس به خوبی نشان داده شده است. این شیر در مواردی بکار می رود که جریان سیال زیاد است و اوریفیس به تنهایی جواب نمی دهد. در این شیر اوریفیس راه جریان به پشت شیر را باز می کند و دیافراگم بالا آمده و راه اصلی جریان باز می شود

هنگامیکه برق متناوب را به دو سر سیم پیچی ورودی ترانسفورماتور وصل می کنند اگر تعداد حلقه سیم پیچ اولیه (ورودی) بیشتر از ثانویه (خروجی) باشد جریان خروجی به نسبت تعداد حلقه دو سیم‌پیچ بیشتر و ولتاژ خروجی به نسبت تعداد حلقه های دو سیم پیچ کمتر خواهد بود. از این جهت ترانسفورماتور را می توان به دو چرخدنده‌ درگیر تشبیه کرد. همانطور که در چرخدنده، سرعت دورانی و گشتاور به نسبت تعداد دندانه ها کاهش و افزایش می یابند ولی ضرب این دو که توان است ثابت می ماند در ترانسفورماتور هم جریان و ولتاژ به نسبت تعداد حلقه های سیم پیچ ثانویه و اولیه افزایش یا کاهش می یابد، در حالیکه حاصلضرب این دو که توان است ثابت می ماند. از کاربردهای افزایش ولتاژ، جرقه زنها در موتور یا مشعل دیگ یا پکیج و از کاربردهای کاهش ولتاژ جوشکاری هستند

از مهمترین کاربردهای برق در تاسیسات مکانیکی الکتروموتورها هستند. الکتروموتور سه فاز (اسنکرون) از تک فاز ساده تر و با بازده بیشتر و با دوام تر است. در این موتور، استاتور از چند کلاف سیم پیچ درست شده و روتور می تواند یک سیم پیچ یا چند میله رسانا بشکل قفس باشد که به آن موتور قفسه سنجابی گویند. مهم این است که روتور رسانا و متقارن محوری باشد. وقتی سه فاز برق به کلافهای سیم پیچ استاتور به درستی وصل شوند ترکیبی می سازند مثل اینکه برق و میدان استاتور می چرخد.
سیم پیچها همیشه سعی می کنند که با حرکت یا تغییر جریان یا میدان درون خود مخالفت کنند. مثلا وقتی میدان استاتور می چرخد روتور دنبال آن می چرخد تا این دو نسبت به هم کمترین سرعت را داشته باشند و میدان درون روتور کمتر تغییر کند. پس در این موتورها، چرخش برق و میدان مغناطیسی استاتور باعث القای چرخش به روتور می شود که به آن موتور القایی نیز گویند.
در ویدئو نحوه القای چرخش در یک روتور قفسی سنجابی را می بینیم. سرعت چرخش روتور از سرعت چرخش میدان استاتور اندکی کمتر خواهد بود پس این دو نسبت به هم سرعت دارند. نام اسنکرون یا غیرهمزمان از همینجا آمده است.

موتور سه فاز سه سیم استاتور دارد که سیمها میتواند بصورت ۱ یا هر تعداد کلاف سیم پیچ تحت عنوان قطب در استاتور پیچیده شود.

اگر سه فاز را دو به دو به سر سه سیم استاتور وصل کنیم ولتاژ متناوب دو سر هر سیم ولتاژ اختلاف دو فاز یا همان ولتاژ خط مثلا ۴۰۰ ولت خواهدبود. در این حالت گویند مدار موتور یا پمپ بصورت مثلث بسته شده چون اگر مدار سه سیم استاتور را باز کنیم شبیه مثلثی میشود که هر ضلع آن یک سیم است و هر راس این مثلث یک فاز وصل شده. روش مثلث برای گرفتن قدرت بالاتر از موتور بکار میرود و موتور باید توان آن را داشته باشد.

اگر سیم نول را به یک سر هر سه سیم استاتور وصل کنیم و هر فاز را به سر دیگر این سیم پیچها بزنیم اختلاف پتانسیل متناوب دو سر هر سیم استاتور، ولتاژ فاز مثلا ۲۳۰ ولت خواهد بود به این مدار ستاره گویند زیرا هر سیم استاتور یک شعاع ستاره خواهدبود و سیم نول به وسط ستاره وصل است و هر فاز به نوک یک‌ شعاع ستاره وصل میشود. مدار ستاره برای گرفتن توان کمتر از موتور استفاده میشود
شکل نشان میدهد که فازها و دو‌ سر سیمهای استاتور به کجای تخت کلم روی پمپ وصل میشود که ستاره یا مثلث ایجادمیگردد

رله وسیله ای کنترلی است با مکانیزمی که کلیدی را قطع یا وصل می کند
رله الکترومغناطیسی: سولنوئید یا همان سیم پیچی است که با عبور جریان و مغناطیس شدن کلیدی را جذب کرده و قطع یا وصل می کنند

رله  رید: در این رله دو نوار فلز در فاصله کمی از یکدیگر درون یک حباب خالی شده از گاز یا پر شده از گاز بی اثر قرار دارند و دور حباب سیم پیچی پیچیده شده که با عبور برق از آن، دو نوار فلزی مغناطیس شده و بهم می چسباند و جریان برقرار می گردد

رله جیوه ای: از یک مقدار جیوه درون حباب تشکیل شده و سیم پیچی این جیوه را در هنگام عبور جریان جذب کرده و بر سر راه مدار قرار می دهد در واقع کانتکت در این رله جیوه ای است

رله حالت جامد: یک رله الکترونیکی با این مشخصه است که قطعه متحرک ندارد بلکه هدایت فلز سویچ به واسطه خواص نیمه هادی‌ها تغییر می کند و جریان قطع یا وصل می شود

رله حرارتی: از دو نوار فلزی بهم چسبیده شده (بیمتال) تشکیل شده که با گرما و انبساط متفاوت دو فلز خم می شوند و کلید قطع و وصل می شود. این رله را می توان برای محافظت از گرم شدن دستگاه بکار برد

رله تاخیر زمانی: پس از مدت زمان مشخصی سویچ دیگری را وصل می کند

رله در حالت تقریبا ساده سه فیش برای مدار قدرت با نامهای  مشترک و  نرمال-باز و نرمال-بسته و دو فیش ورودی از مدار فرمان دارد که در رله الکترومغناطیسی به دو سر سیم پیچ رله وصل می شوند. فیش  کام و ان سی در حالت نرمال بهم وصلند و اگر بخواهید مدار قدرت در حالت نرمال بسته باشد دو سر آن باید به این دو وصل شود و اگر بخواهیم در موقع عبور جریان کنترل، مدار وصل شود باید دو فیش کام و ان او را به دو سر مدار قدرت وصل کنیم.
رله ممکن است یکی از دو فیش ان او یا ان سی را نداشته باشد در این حالت به رله سینگل ثرو گویند و فقط در یک حالت نرمال-باز یا نرمال-بسته قابل بکارگیری خواهد بود.
رله ممکن است هم زمان با فعال شدن، دو مدار کاملا متمایز را باز یا بسته کند که به آن دابل پل گویند.

کنتاکتور: در واقع یک رله الکترومغناطیسی یا همان سولنوئیدی است که سه ترمینال ورودی ال 1, ال 2, ال 3 برای ورود سه فاز در بالا دارد و سه ترمینال تی 1, تی 2, تی 3 برای خروج همان سه فاز در زیر دارد. این کنتاکتور همچنین دو پورت آ 1, آ 2 دارد که کنترل کننده کنتاکتور هستند و اگر توسط مدار کنترل جریانی از آنها عبور کند وارد سیم پیچ کنتاکتور می شود و آن را مغناطیس می کند و باعث وصل شدن مدار سه فاز قدرت می گردد. این رله یکی از اجزای اصلی کنترل پنل پمپ و موتور سه فاز است که هر عضو که بخواهد برق پمپ یا موتور را قطع کند از طریق قطع جریان بین پورتهای آ1, آ2 کنتاکتور این کار را انجام می دهد. کنتاکتور در جلوی خود یک جفت پورت ان او یا ان سی یا هر دو هم دارد که سویچ کمکی هستند که همزمان با سه فاز کنتاکتور قطع و وصل می شود و می توانند برای قطع و وصل مدار کنترلی دیگر مثلا یک لامپ که بسته یا باز بودن کنتاکتور را نشان دهد بکار روند.
دقت شود پورت نرمال-باز یعنی در حالت نرمال اتصال آن قطع است

رله اضافه بار سه فاز رله اورلود، سه ترمینال ال 1, ال 2, ال 3 بشکل میله یا زائده برای ورود سه فاز در بالا دارد و سه ترمینال تی 1, تی 2, تی 3 برای خروج همان سه فاز در زیر دارد. این رله با استفاده از زائده ها یا میله های بالایی به راحتی به کنتاکتور ساخت همان کارخانه قابل وصل است (برای برخی رله های اضافه بار نمونه در شکل، متصل شده آنها به کنتاکتور هم نشان داده شده است). این رله با استفاده از مکانیزم بی متال (دو فلز با ضریب انبساط مختلف) در صورت اضافه بار ناشی از گشتاور بر موتور یا پمپ و گرم شدن موتور، متناسب با موتور گرم می شود و می تواند مداری را که به پورت ۹۵ و ۹۶ رله (ان سی) وصل شده قطع یا مداری را که به پورت ۹۷ و ۹۸ (ان او) وصل شده وصل کند (معمولا همان مداری را که از سیم پیچ کنتاکتور عبور می کند و کنتاکتور را وصل نگه داشته قطع می کند و به این ترتیب جریان سه فاز به موتور قطع می شود). اهمیت این رله در این است که جزو اجزای اصلی کنترل پنل موتورها و پمپهای سه فاز است.

دقت شود پورت نرمال-باز (ان او) یعنی در حالت نرمال اتصال آن قطع است

رله کنترل فاز یا رله ایراد در فاز: رله ای است با سه ترمینال ال 1, ال 2, ال 3 و گاهی ان در بالا یا پایین آن برای ورود سه فاز و نول که البته خروجی برای این فازها ندارد و در واقع یک رله جانبی است که مستقیما در مسیر سه فاز به پمپ قرار نمی گیرد. در صورتیکه اشکالاتی از قبیل قطع شدن یکی از فازها یا تغییر ترتیب فازها یا کمبود ولتاژ یا زیاد بودن ولثاژ یا برخی از موارد فوق در یک فاز منبع تغذیه بوجود آید چراغ هشدار مربوط به آن ایراد روشن می شود. علاوه براین با وصل کردن مدارکنترلی به پورت ان سی-کام یا ان او-کام رله، مدار کنترلی می تواند قطع یا وصل شود. این مدار کنترلی می تواند از سیم‌پیچ کنتاکتور رد شود و برق سه فاز را قطع کند. توجه شود از قبل می دانیم تغییر ناگهانی در ترتیب فاز می تواند جهت چرخش موتور را ناگهانی عوض کند و به موتور یا پمپ آسیب جدی بزند. همچنین تغییر جهت چرخش پمپ نوع پره را از بکوارد به فوروارد تغییر می دهد که کلا همه چیز را تغییر می دهد.
اهمیت این رله در این است که گاهی جزو اجزای کنترل پنل موتورها و پمپهای سه فاز است.
دقت شود پورت نرمال-باز یعنی در حالت نرمال اتصال آن قطع است

بوسیله جریان سنج انبری می توان جریان درون یک سیم را بدون بریدن آن اندازه گرفت.
همانطور که گفته شد رله تفاضلی یا کلید محافظ جان، اصلی ترین عامل جلوگیری از برق گرفتگی در ساختمان تحت نظارت ناظرین برق است و با عبور جریان ورودی به ساختمان (سیم فاز) و جریان خروجی از آن (سیم نول) از وسط یک حلقه فرومغناطیس، تفاضل این دو جریان را از میدان مغناطیسی ایجاد شده در حلقه می یابد و در صورت زیاد بودن این تفاضل، فاز ورودی به ساختمان را قطع می کند. در واقع می توان با عبور جریان از درون یک حلقه بسته مقدار هر جریانی را پیدا کرد. این امر اساس کار جریان سنجهای درون تصویر است که از طریق آنها بدون برش سیم می توان مقدار جریان عبوری از ان را پیدا کرد. به این نوع جریان سنج ها انبری گفته می شود
در تصویر همچنین انواع مکانیزم جریان سنج ها برای اندازه گیری جریان عبوری از طریق مقدار میدان مغناطیسی بوجود آمده در حلقه را می بینیم

آیا می توان با برق تک فاز پمپ سه فاز را راه اندازی کرد؟

واقعیت این است با برق تک فاز پمپ سه فاز راه نمی افتد ولی اگر آن را با وسیله ای راه بیندازیم به چرخش خود ادامه می دهد.
برای اینکه مشکل راه اندازی پمپ سه فاز با برق تک فاز حل شود مطابق شکل مدار این پمپ را بصورت ستاره می بندیم و فاز را به یک پره ستاره و نول را به پره دیگر وصل می کنیم و با توجه به اینکه بخواهیم موتور راست یا چپ بگردد خازنی را بین انتهای دو پره ستاره قرار می دهیم.

گفتیم که برق تک فاز نمی تواند میدان چرخنده ایجاد کند و موتور تک فاز را راه بیندازد ولی اگر بتوان موتور تک فاز را استارت زد خودش به چرخش ادامه میدهد زیرا شروع چرخش اختلاف سرعت لازم بین میدان استاتور و روتور ایجاد میکند
موتورهای تک فاز بر اساس شیوه استارت یا راه اندازی تقسیم بندی میشوند
۱.موتور فاز شکسته: توسط یک سیم پیچ کمکی موازی سیم‌پیچ اصلی راه می افتد و این سیم پیچ کمکی با یک رله پس از راه اندازی از مدار خارج میشود
۲.موتور با راه انداز خازنی: علاوه بر سیم پیچ کمکی یک خازن هم سری با سیم پیچ کمکی دارد و این دو با یک رله پس از راه اندازی از مدار خارج میشود
۳.موتور با خازن دائم کار: یک سیم پیچ کمکی و یک خازن سری با ان دارد ولی این دو همیشه در مدار هستند
۴.موتور تک فاز دو خازنی: یک سیم پیچ کمکی با دوخازن موازی بصورت سری با آن دارد و یکی از خازنها پس از راه اندازی از مدار خارج میشود
۵.موتور قطب چاک دار: در هسته خود یک چاک دارد و سیم پیچی در این چاک میدان موتور را نامتقارن کرده و باعث راه افتادن آن میشود
جزییات موتورهای فوق مثل مدار، تصویر، کاربرد آنها در تاسیسات در شکلهای بالا آمده است