توفيق المحركات مع الأحمال Matching Motors to loads

 
.
إعداد م. محمد حسن مغازي
بمعرفة خصائص المحركات “علاقة العزم المتولد في المحرك Motor مع زيادة السرعة” وكذلك بمعرفة خصائص الأحمال “العزم المطلوب مع زيادة السرعة” ، يتم توفيق المحرك المناسب مع الحمل المطلوب.
.
ولكي يتم ذلك دعنا نتعرف علي خصائص المحركات وكيفية تغييرها وكذلك معرفة تصرف الأحمال بزيادة سرعتها من خلال التعرف علي خصائصها وذلك نوجزه فيما يلي:
.

أولاً : خصائص المحركات

.

I. منحني العزم – السرعة Torque-speed Curve

Figure 1: typical Torque-speed curve of 3-phase AC induction motor
.
ينقسم منحني العزم المتولد في المحرك مع زيادة السرعة إلي منطقتين هما:
.
أ‌. المنطقة الأولي : وهي من بداية السرعة وحتي الوصول إلي العزم الأقصي Pull-out Torque أو Breakdown Torque وتسمي هذه المنطقة “منطقة عدم الإستقرار Unstable Zone” ، وفي هذه المنطقة إذا تقاطع منحني عزم الحمل مع سرعته فإن هذا الوضع لا يحدث استقرار عند هذه النقطة لأنه في هذه الحالة يكون التيار المسحوب (بالأمبير) أكبر من معدل التحميل للمحرك ويكون سبباً في فصل المحرك بزيادة التيار Overload or Over Current .
.
ب‌. المنطقة الثانية : وهي منطقة الإستقرار وتبدأ من العزم الأقصي وحتي الوصول إلي سرعة التزامن (100 % من السرعة) ، وتسمي منطقة الإستقرار Stable Zone .
.
سرعة التزامن تختلف باختلاف عدد الأقطاب وتكون هذه السرعة = 3000 لفة/الدقيقة عندما يكون المحرك ذي زوج واحد من الأقطاب (أي عدد 2 قطب). وإذا كان المحرك ذو زوجين من الأقطاب (أي عدد 4 أقطاب) تكون سرعة التزامن له = 1500 لفة/الدقيقة ، وهكذا.
.
وتحكم هذه العلاقة المعادلة التالية:
f  = (PN)/60     – – – – – – (1)
.
حيث أن :
.
  •  f هي التردد وهو في حالتنا هذه = 50 هرتز.
.
  • P هي عدد أزواج الأقطاب.
.
  • N هي السرعة مقدرة (لفة/الدقيقة) أي RPM .
.
وبالنظر إلي خصائص المحرك نجد هناك خمسة نقاط مميزة للمحرك وهي كالآتي:
.
1. نقطة بداية عزم التحميل Starting Torque أو Locked Rotor Torque .
2. نقطة العزم الأصغر أو ما يسمي Pull-up Torque ، وهي نقطة الأصغر في المنحني.
3. نقطة العزم الأكبر للمنحني أو ما يسمي Pull-out Torque أو Break Down Torque ، وهذه النقطة هي التي تفصل مابين المنطقتين المستقرة وغير المستقرة.
4. نقطة تعادل العزم المتولد من المحرك مع العزم الحمل المطلوب ، وتسمي Rated Torque أو Normal Torque ، وهذا العزم هو المكتوب علي لوحة بيانات المحرك Motor Name Plate ، ويطلق عليه Rated Torque أو Rated Full Load Torque .
5. النقطة الخامسة والأخيرة ، وهي سرعة التزامن التي يدور بها الجزء المتحرك Rotor ، ويكون عندها سرعة الجزء المتحرك = سرعة التزامن، ولكن العزم المتولد يكون = صفراً، ويسحب عندها المحرك التيار اللازم للمفاقيد الثابتة للمحرك أو ما يسمي بـمفاقيد اللاحمل No Load Losses .
وإذا تم تحميل المحرك بحمل ما ، فإن سرعته تتأخر عن سرعة الترزامن فيما يعرف بـ “التزحلق Slip” وقيمته تساوي:
.
(2)- – – – – – –
.
لذلك يكون مكتوب علي لوحة بيانات المحرك Motor Name Plate سرعة أقل من سرعة التزامن ، أي إذا كانت سرعة التزامن محسوبة من المعادلة رقم (1) تساوي 3000 لفة/الدقيقة ، فإن سرعة المحرك تكون حوالي 2850 لفة/الدقيقة “مثلاً” ، وتكون S في هذه الحالة:
.
.
ويمكن تغيير هذا المنحني للمحرك بواسطة عمل تجاويف في الجزء المتحرك وملئها بقضبان ألومنيوم حسب الأنماط الآتية والتي حددتها المواصفات القياسية الأمريكية والمسماه بـــ National Electrical Manufacturers Association NAMA طبقاً للآتي:
.
Figure 2 : Torque-Speed Curves of Different Nema Standard Motors
.
النوع الأول : وهو ما يرمز له بالرمز A وهو يتميز بعزم بدء Starting Torque معتاد يعادل من 150 – 170 % من العزم المعتاد ، وتيار بدء عالي والعزم الأقصي هو أكبر عزم في المجموعة NEMA ، وكذلك قيمة التزحلق S تكون في حدود أقل من 5 % .
.
S≤5 %
.
النوع الثاني : وهو ما يرمز له بالرمز B وهو النوع الأكثر استخداماً Common Used وعزم البدء له أكبر قليلاً من النوع السابق A ، ولكن تيار البدء له أقل من النوع السابق A ، و قيمة التزحلق S له تكون في حدود % S ≤ 5 ، واستخداماته تكون في المراوح والطلمبات والآلات الكهربية أو العدة Machine Tools .
.
النوع الثالث : وهو ما يرمز له بالرمز C وهذا النوع له عزم بدء أكبر من النوعين السابقين يصل إلي 200 % من عزم البدء الخاص بالنوعين السابقين ، ولذلك يكون مناسب للأحمال التي تتطلب إدارتها عزم بدء عالي ، مثل السيور الناقلة Conveyors والكسارات Crushers وآلات التحريك Stirring Machines والخلاطات Agitators والمضخات الترددية Reciprocating Pumps والضواغط ، ويكون التزحلق في حدود % S ≤ 5 .
.
النوع الرابع والأخير D : وهو النوع الذي يكون فيه عزم البدء عالي جداً ، أعلي من الأنواع الثلاثة السابقة ، وكذلك التيار المسحوب في حالتي البدء والدوران عند الحمل الكامل يكون أقل ، ولكن التزحلق S كبير (% S = (5 % – 13 ، ويكون هذا المحرك مناسب للأحمال التي تغيير قيمة عزمها بسرعة ويتبعها تغير في سرعة المحرك ، مثل الأحمال التي لها حدافة Energy Storage Flyweels وآلات القص Shears والمصاعد Elevators والبواثق Extractors والأوناش Winches ومضخات آبار النفط Oil-well Pumps وآلات سحب الأسلاك Wire-Drawing ، وهذا النوع D يطلب خصيصاً بطلب الشراء.
.

Design

Slip, %

A

Less than 5

B

Less than 5

C

Less than 5

D

5 or more

جدول رقم (1) : قيمة التزحلق لكل تصميم
.
فيما يلي جدول رقم (2) لهذه الخصائص من المحركات والإستخدام الأمثل لها ، ويحدد تصميم هذه الأنواع علي لوحة بيانات المحرك Motor Name Plate تحت اسم Design Letter أي حرف التصميم A, B, C and D .
.
Design Starting Torque Starting Current Max Torque Full load slip Applications
A 1.5 – 1.75 5 – 8 2 – 2.5 2 % – 5 % General-purpose motor – Fan – Blower – Most machinery Tools
B 1.5 – 1.75 4.5 – 5 2 – 3 3 % – 6 % Nearly as A
C 2 – 2.5 3.5 – 5 1.9 – 2.25 4 % – 8 % Used in conveyers – Compressors
D 2.75 – 3 3 – 8 2.75 7 % – 7 %

High inertia Load

Low Efficiency

جدول رقم (2)
.
Figure 3: A typical name plate on an AC induction motor
.
Term Description
Volts Rated terminal supply voltage.
Amps Rated full-load supply current.
H.P. Rated motor output.
R.P.M Rated full-load speed of the motor.
Hertz Rated supply frequency.
Frame External physical dimension of the motor based on the NEMA standards.
Duty Motor load condition, whether it is continuos load, short time, periodic, etc.
Date Date of manufacturing.
Class Insulation Insulation class used for the motor construction. This specifies max. limit of the motor winding temperature.
NEMA Design This specifies to which NEMA design class the motor belongs to.
Service Factor Factor by which the motor can be overloaded beyond the full load.
NEMA Nominal Efficiency Motor operating efficiency at full load.
PH Specifies number of stator phases of the motor.
Pole Specifies number of poles of the motor.
Specifies the motor safety standard.
Y Specifies whether the motor windings are start (Y) connected or delta (Δ) connected.
Table 3: Name Plate Terms and Their Meanings
.
الرسم التالي رقم (4) يوضح هذه الأنواع علي العضو الدوار Rotor من المحرك ، ويكون مكتوب علي لوحة بيانات المحرك Motor Name Plate الموجود علي المحرك إما حرف A أو B أو C أو D تحت اسم Design Letter .
.
Figure 4 : Squirrel-cage rotor-bar cross section to produce NEMA design-class characteristics
.
يمكن حساب العزم (نيوتن.متر) من قدرة المحرك Hourse Power مقدراً بــ K.W والسرعة مقدرة بـــ RPM من العلاقة التالية:
.
(3)- – – – – – – – –
.
حيث أن:
.
  • العزم مقدر بــ NutonMeter .
.
  • القدرة مقدرة بــ KW أو اعتبار HP = 3/4 KW أو KW = 4/3 HP .
.
  • السرعة مقدرة بــ RPM .
.

II. درجة حرارة الوسط

.
تعتبر درجة حرارة الوسط 40 درجة مئوية ، أو ما هو مكتوب علي لوحة بيانات المحرك Motor Name Plate ، وإذا زادت عن ذلك فإنه يمكن عمل Derating أي تقليل المعدل عن ذلك كما هو واضح من الجدول الآتي:
.
Temperature درجة الحرارة Derating Factor
40 ºC 1
45 ºC 0.96
50 ºC 0.92
55 ºC 0.87
60 ºC 0.82
جدول رقم 4 
.

III. الإرتفاع عن سطح البحر Altitude 

.
يجب الأخذ في الاعتبار الموقع الذي يعمل فيه المحرك بالنسبة لارتفاعه عن سطح البحر ، ويؤخذ هذا المعامل = 1 حتي ارتفاع 1000 متر عن سطح البحر.
.
أما إذا زاد عن ذلك فإن هذا المعامل يكون كما هو موجود بالجدول التالي:
.
Altitude الإرتفاع عن سطح البحر K
< 1000 mt 1
1001 – 2000 0.97
2001 – 3000 0.94
3001 – 4000 0.86
جدول رقم 5 
.
والرسم التالي يجمع الإرتفاع عن سطح البحر وارتفاع درجة الحرارة
.
 شكل رقم 5
.
وكذلك الجدول التالي أيضا يوضح هذه العلاقة .
.
جدول رقم 6 
.
ويلاحظ أنه في حالتنا هذه يكون الإرتفاع عن سطح البحر لا يزيد عن 1000 م.
.

IV. معامل الخدمة Service Factor s.f 

.
يكون غالباً مكتوب علي لوحة بيانات المحرك Motor Name Plate تحت اسم s.f وقيمته تتراوح بين 1 إلي 1.15 ، أي أنه يمكن تحميل المحرك ذو القدرة 10KW ابتداء من 10 ك.وات (10.15 ك.وات) ، وذلك تحت ظروف درجة الحرارة العادية 40 درجة مئوية وارتفاع عن سطح البحر لا يزيد عن 1000 متر.
.

V. دورة التحميل Duty Cycle S 

.
لها عدة أنواع ابتداء من الخدمة المستمرة S1 وحتي الخدمة المتقطعة ، أو التي تعمل لفترة قصيرة ثم تقف بفعل فرامل مثل محركات المصاعد.
.
توضح هذه البيانات علي لوحة بيانات المحرك Motor Name Plate ، كما هو موضح بالشكل رقم ( 3 ) ، والجدول رقم (7) .
No. Ref. Duty Cycle Type Description
1 S1 Continuous running Operation at constant load of sufficient duration to reach the thermal equilibrium.
2 S2 Short-time duty Operation at constant load during a given time, less than required to reach the thermal equilibrium, followed by a rest enabling the machine to reach a temperature similar to that of the coolant (2 Kelvin tolerance).
3 S3 Intermittent periodic duty A sequence of identical duty cycles, each including a period of operation at constant load and a rest (without connection to the mains). For this type of duty, the starting current does not significantly affect the temperature rise.
4 S4 Intermittent periodic duty A sequence of identical duty cycles, each consisting of a significant period of with starting starting, a period under constant load and a rest period.
5 S5 Intermittent periodic duty with electric braking A sequence of identical cycles, each consisting of a period of starting, a period of operation at constant load, followed by rapid electric braking and a rest period.
6 S6 Continuous operation periodic duty A sequence of identical duty cycles, each consisting of a period of operation at constant load and a period of operation at no-load. There is no rest period.
7 S7 Continuous operation periodic duty with electric braking A sequence of identical duty cycles, each consisting of a period of starting, a period of operation at constant load, followed by an electric braking. There is no rest period.
8 S8 Continuous operation periodic duty with related load and speed changes A sequence of identical duty cycles, each consisting of a period of operation at constant load corresponding to a predetermined speed of rotation, followed by.one or more periods of operation at another constant load corresponding to the different speeds of rotation (e.g., duty). There is no rest period. The period of duty is too short to reach the thermal equilibrium.
9 S9 Duty with non-periodic load and speed variations Duty in which, generally, the load and the speed vary non-periodically within the permissible range. This duty includes frequent overloads that may exceed the full loads.
Table 7: Motor Duty Cycle Types as Per IEC Standards
.

ثانيا : خصائص الحمل

.

 
شكل رقم 6
تنقسم الأحمال إلي الخمسة أنواع التالية:
.
1- أحمال ذات عزم ثابت ، مثل النواقل والطواحن والأوناش والروافع.
.
شكل رقم 7
.
2- العزم يتناسب طردي مع السرعة ، مثل الآلات التي تستخدم لعمليات تنعيم القماش والورق باستخدام درافيل.
.
شكل رقم 8
.
3- العزم يتناسب عكسيا مع السرعة ، أو ذو قدرة ثابتة ، مثل المناشير الدائرية والمخارط.
.
شكل رقم 9 
.
4- العزم يتناسب طرديا مع مربع السرعة ، مثل مراوح الطرد المركزي والمنافخ مثل الموجودة في وحدات مناولات الهواء Air Handling Unit في وحدات التكييف.
.
شكل رقم 10
.
5- البدء بعزم كبير مع سرعة منخفضة مثل الأحمال ذات عزم ذاتي كبير مثل الحدافة ، ثم ينخفض هذا العزم بازدياد السرعة ، حتي يصل إلي قيمة ثابتة كما هو مبين بالشكل.
.
شكل رقم 11
.
بعد هذا التوضيح هناك خمسة خطوات لاختيار المحرك المناسب لحمل معين (ربط مباشر Direct Coupling):
.
1- معرفة نوع الحمل (خصائص الحمل كعزم مع السرعة بحيث لا يزيد عزم الحمل اطلاقا عن عزم المحرك في منطقة عدم الإتزان ويتقاطع معه في منطقة الإتزان فقط).
.
2- معرفة عزم المحرك بالحصان ، باستخدام المعادلة رقم (3) ، وكذلك معرفة المطلوب بالحمل عند نفس السرعة بالحصان أيضا. ويجب أن يكون عزم المحرك أكبر من عزم الحمل [TM > TL] .
3- يجب أن يكون عزم المحرك عند البدء أعلي من عزم البدء للحمل وذلك بالمقارنة مع الأنواع A و B و C و D .
4- اختيار المحرك المناسب من ناحية دورة الخدمة (Duty Cycle (S .
5- الأخذ في الاعتبار معامل الخدمة هل هو s.f = 1.15 أو s.f = 1 ، وكذلك معرفة في أي منطقة يعمل ، أي ارتفاع هذه المنطقة عن سطح البحر فيما لا يتجاوز 1000 م ، وهو عموما الاستخدام المتبع في حالتنا هذه.

مثال لاختيار المحرك

أي من الأحمال التالية والتي تظهر في الشكل التالي يكون مناسبا لإدارته بالمحرك الموضح في الشكل أيضاً:
أ‌. الحمل رقم 1
ب‌. الحمل رقم 2
ت‌. الحمل رقم 3
ث‌. الحمل رقم 4

Which of the loads in the following illustration is properly matched to the motor:

 

A. Load 1

B. Load 2

C. Load 3

D. Load 4

شكل رقم 12
الإجابة
الحمل رقم 1 :هو المناسب للربط مع المحرك حيث أنه يفي بكل الشروط (يتقاطع مع منحني المحرك في نقطة واحدة في منقطة الإستقرار Stable Zone).
الحمل رقم 2 : غير مناسب لأنه يتقاطع مع منحني المحرك في المنطقة الغير مستقرة Unsatble .
الحمل رقم 3 : غير مناسب لأنه يتقاطع مع منحني المحرك في نقطتين في المنطقة الغير مستقرة Unsatble .
الحمل رقم 3 : غير مناسب لأن عزم البدء له أعلي من عزم البدء للمحرك ، وأيضا يتقاطع مع منحني المحرك في المنطقة الغير مستقرة Unsatble .

.

لتحميل المقالة في صورة ملف PDF : من هـنـا

*

اضغط هنا لتتابع صفحتنا علي الفيس بوكأو 

***************************************************************

handwave-yellow

مواضيع ذات صلة

 .

 

.

.

.

.

.

.

 .

handwave-yellow

Share this...شارك المقالة
Share on Facebook
Facebook
Tweet about this on Twitter
Twitter
Share on LinkedIn
Linkedin

**************************************

ملاحظة

  • إذا كان لديك مقالة تريد نشرها أو لديك تعديل أو اقتراح جيد ، فمن فضلك سجل اقتراحك في تعليق علي الموضوع .
  • أو راسلنا علي البريد التالي لنشر مقال خاص بك : info@inst-sim.com

مكتبة محاكاة الأجهزة


أترك تعليق