اصول انتخاب موتورهای الکتریکی

انتخاب یک موتور الکتریکی به در نظر گرفتن موارد بسیار زیادی از استانداردها، عوامل محیطی و مشخصه های بار ، راندمان موتور الکتریکی و … وابسته است در این مقاله کوتاه به تاثیر و چرایی توان و گشتاور بار بر روی انتخاب الکتروموتور می پردازیم.

با مفاهیم بسیار ساده شروع و با نکات کاربردی به پایان می رسد که این خود به درک و همراهی خواننده کمک بسیاری می کند.

مفاهیم عمومی

در این مقاله ما به ماشین های دوار توجه داریم

موتور:

تبدیل انرژی الکتریکی به مکانیکی.

 

توان مکانیکی:

خروجی مکانیکی موتور ” P ” که با وات اندازه گیری می شود.

موتورهای قدیمی و موتورهای ساخت آمریکا با اسب بخار سنجیده می شوند.

ضریب تبدیل :

Conversion Factor: 1 Hp = 746 W

سرعت:

تعداد دور موتور در دقیقه را گویند، عموماَ با ” N ” نمایش داده می شود و با ” RPM ” اندازه گیری می شود.

در بعضی از فرمول ها براساس دور بر ثانیه سنجیده می شود که با ” n ” نشان داده می شود.

در دروس آکادمیک از واحد دیگری که رادیان نامیده می شود استفاده می گردد که با ” ω ”   نشان داده می شود. دلیل استفاده از آن در فرمول ها بخاطر ساده کردن نگارش آنها می باشد.

ضریب تبدیل:    n=N/60 ω=۲πN/60

 

گشتاور:

نیرویی که موتور را می گرداند گشتاور نامیده می شود و با نیوتن متر سنجیده می شود. موتوری با گشتاور بالا ، به سرعت شتاب می گیرد و می تواند بار سنگین را به حرکت در آورد.

رابطه بین توان، سرعت و گشتاور

می داینیم که سرعت بالاتر، توان بیشتر می خواهد و گشتاور بالاتر نیز، توان بیشتر  در حقیقت توان به گشتاور در سرعت وابسته است.

فرمول مهم

برای مثال

iii) If T = 10Nm, N = 1000 rpm what is P?           (۱٫۰۵kW)

iv) If P=2kW, N = 1450 rpm what is T?              (۱۳٫۲Nm)

v) If P = 4 Hp, T = 10 Nm, what is N?             (۲۸۵۰rpm)

سایز نمودن موتور

سایز نمودن موتور به روند انتخاب موتور صحیح برای بار مشخص اطلاق می گردد.

مهم است که موتور به درستی سایز شود چراکه:

• اگر موتوری برای کاربری مورد نظر بسیار کوچک باشد ممکن است برای راه اندازی آن بار و رساندن آن به سرعت صحیح مناسب نباشد. حتی اگر موتور بار را به سرعت مورد نظر برساند دچار بیش دمایی شده و می سوزد.
• اگر برای کاربری مورد نظر موتور بسیار بزرگ باشد خرید چنین موتوری هدر دادن پول و هزینه ای اضافی خواهد بود. همچنین موتورها اگر در باری کمتر از بار نامی باشند، غالبا در بازه عدم بازدهی مناسب کار می کنند که این به معنی از دست دادن پول و سرمایه در دوره بهره برداری است.

به نمودار منحنی گشتاور به سرعت موتور قفس سنجابی توجه فرمایید و گشتاور راه انداز، گشتاور بالابر  و گشتاور حداکثر را بیاموزید.

مفاهیم مهم:

مقادیر نامی:

تمامی موتورها دارای مقادری نامی همچون ولتاژ، جریان، سرعت و توان و فرکانس  ( در موتورهای ac ) هستند که بصورت معمول بر روی پلاک موتورها نوشته می شوند اما در هر حال در مدارک فنی و کاتالوگ ها نیز در دسترس می باشند.

بطور کلی مقادیر نامی ارایه دهنده حداکثر مقداری است که باید در کارکرد عادی از موتور انتظار داشت.

5. ولتاژ نامی هرگز نباید از مقدار ارایه شده بیش تر شود. این خطر آسیب به ماشین یا کاربر را در معرض شوک الکتریکی قرار می دهد.
6. جریان نامی، نباید برای طولانی مدت از مقدار آن تجاوز کند. جریان نامی می تواند در زمان های گذر ( مثلا زمان راه اندازی موتور ) نادیده گرفته شود و مقدار جریان افزایش یابد.
7. سرعت نامی – عموما نباید از آن گذر کرد هرچند موتورهای القایی برای کمی بیش از این سرعت طراحی شده اند ( تا سرعت سنکرون ). هنگامیکه آنها زیر بار هستند کمی از دور کاسته می شود. برای مثال موتور القایی با دور نامی ۱۴۵۰ دور در دقیقه دارای سرعت سنکرون ۱۵۰۰ دور بر دقیقه می باشد و تا رسیدن به این سرعت نیز ایمن می باشد. باید در نظر داشت که نیروی گریز از مرکز برای تجهیزات گردنده خطر ساز می باشد.
8. توان نامی – نباید عموما از آن گذر شود. هرچند موتورهایی که دارای ضریب سرویس بالاتر از یک می باشند به موتور اجاز می دهند که در کوتاه مدت از مقدار توان نامی عبور کنند. این برای کاربردهایی که بار متغییر دارند و بار در زمان کوتاهی در دوره کارکرد از مقدار نامی بیشتر می شود، مناسب می باشد. گذار از توان نامی خطر بیش دمایی و آسیب های بالای مکانیکی را افزایش می دهد.
9. گشتاور نامی – اغلب بر روی پلاک موتور ارایه نمی شود اما این یکی از مهمترین پارامترهای انتخاب موتور می باشد. در هر دو نوع موتورهای AC & DC مقدار جریان به گشتاور وابسته است پس گذر از گشتاور برابر است با افزایش جریان کشی ، در نتیجه موجب بیش دمایی و سوختگی سیم پیچ های موتور خواهد شد. گذر از گشتاور نامی همچنین می تواند باعث آسیب مکانیکی در شافت و کوپلینگ شود. گشتاور نامی با توان و سرعت نامی بدست می آید.

انتخاب موتور الکتریکی صحیح

نگاه ساده :

اگر میزان بار ثابت باشد پس انتخاب موتور با نگاه به گشتاور آن می باشد که شامل انتخاب موتوری با گشتاور حتی  کمی بالاتر از گشتاور بار می باشد.

گشتاور بار باید بین ۷۵% تا ۱۰۰% گشتاور نامی موتور و در بهترین حالت ۹۵% آن باشد.

برای کاربردهایی با سرعت ثابت که موتور مداوم کار می کند احتیاجی نیست که به گشتاور توجه شود. شما براحتی می توانید به توان بار و توان موتور توجه کنید که از همان قانون ۷۵% تا ۱۰۰% پیروی می کنیم. این مورد برای موتورهای استاندارد القایی کاربرد دارد که به درایو متصل نمی شوند.

نگاه دقیق تر :

آیا موتور از پس راه اندازی بار بر می آید؟

جهت به حرکت درآوردن بار ، موتور باید از حالت سکون تا سرعت نامی را با کسب شتاب طی کند و می دانیم که این گشتاور است که عامل شتاب می باشد.

درست است که گشتاور موتور باعث شتاب گیری بار می شود اما بار نیز گشتاور مخالف خود را در مقابل این شتابگیری اعمال می کند.

گشتاور تولیدی موتور به مولفه سرعت وابسته است و گشتاور بار نیز همچنین. اگر گشتاور موتور از گشتاور بار بزرگتر باشد ، بار شتاب خواهد گرفت و اگر گشتاور بار بزرگتر از گشتاور موتور باشد ، بار کاهش سرعت و حتی توقف خواهد داشت.

Accelerating Torque: = Tmotor-Tload

از شروع حرکت موتور ایستا تا رساندن بار به سرعت صحیح، گشتاور موتور باید از گشتاور بار در از ابتدای حرکت و نیز در تمام طول زمان رسیدن به سرعت نامی بیشتر باشد. در هر کجای این بازه که گشتاور بار از گشتاور موتور بیشتر شود، موتور دچار استال ( واماندگی ) می شود و سیستم به درستی راه اندازی نخواهد شد.

موتور راه اندازی می شود و بار را به سرعت نامی خود می رساند

این موتور حتی راه اندازی ( حر کت ) هم نمی تواند بشود

این موتور راه اندازی می شود اما به سرعت نامی نمی رسد

 

مقدار زمان لازم برای رسیدن موتور به سرعت نامی خود چقدر است؟

محاسبه این زمان خارج از  چارچوب این مقاله است اما زمان رسیدن به سرعت نامی به فاصله مابین منحنی گشتاور بار و موتور بستگی دارد هر چقدر این دو نمودار از هم فاصله داشته باشند به معنی قدرت و گشتاور برتر موتور نسبت به بار است که باعث سرعت گیری پر شتاب تر و رسیدن به سرعت نامی در زمان کمتری خواهد شد.

اگر بار متغییر باشد چه؟

بعضی از بارها گشتاور ثابتی ندارند حتی زمانی که به سرعت کامل می رسند نیز دارای نوسان گشتاور هستند، چنین بارهای پیچیده ای انتخاب موتور مناسب را سخت تر می کنند.

بصورت کلی باید از موارد زیر مطمئن شد:

• حداکثر گشتاور ( یا توان ) بار < سرویس فکتور * گشتاور ( یا توان ) نامی موتور
• جذر میانگین گشتاور ( توان ) بار باید از ۱۰۰% گشتاور ( توان ) نامی موتور کمتر باشد و بهترین حالت زمانی رخ می دهد که گشتاور ( توان ) بار بیشتر از ۷۵% گشتاور ( توان ) نامی موتور  باشد.
• مطمئن شوید که موتور توانایی استارت دارد و به سرعت نامی خود میرسد.

 

مثال یک : کارکرد با سرعت ثابت نامی اما با گشتاور متغییر

موتور القایی در سرعت ثابت کار میئکند لذا با توجه به ثابت بودن سرعت بار دیگر نیازی به محاسبه گشتاور نیست بلکه بر روی مقدار توان متمرکز می شویم.

جذر میانگین توان از روش زیر بدست می آید:

برای باری که به توان P1   برای زمان t1  احتیاج دارد و در ادامه به توان P2 برای زمان  t2 و P3 و t3 و …. تا Pn  در زمان tn در چرخه ای تکراری احتیاج دارد از فرمول مهم زیر استفاده می کنیم:

گشتاور بار زیر برای کار در یک سرعت ثابت اندازه گیری شده است ، توان موتور مناسب برای پاسخگویی به این بار را با توجه به ضریب سرویس ۲۰% محاسبه کنید. احتیاجی نیست نگران عملکرد موتور در زمان راه اندازی باشید.

محاسبه موتور

1. احداکثر توان بار مور احتیاج = ۶ کیلووات

حداکثر میزان توان بار باید از مضروب توان موتور در ضریب سرویس کمتر باشد لذا :

توان متوسط بار باید مابین ۷۵% تا ۱۰۰% توان نامی موتور باشد لذا :

اگر ما توان موتور را ۵ کیلووات انتخاب کنیم ، توان متوسط بار ۸۳% توان نامی موتور می شود که مورد تایید است.

 

نکته مهم: اگر مقدار متوسط بار از ۷۵% توان نامی موتور کمتر شد ما باید همچنان ۵ کیلو وات را انتخاب کنیم چون پایین تر از این توان دیگر موتور قادر به پاسخگویی و ارایه توان مناسب حداکثر توان مورد نیاز بار نخواهد بود. هرچند اگر متوسط توان بار از ۱۰۰% توان نامی موتور بیشتر شد باید موتوری با توان بالاتر را انتخاب کنیم.

عملکرد راه اندازی : در این مثال مورد نظر نبود

پاسخ نهانی موتور ۵ کیلو واتی است.

 

مثال دوم:

سرعت ثابت ، گشتاور متغییر در سرعتی پایین تر از سرعت نامی

( به مانند موتور DC که در سرعتی پایین تری از سرعت نامی کار می کند. )

بسیار مشابه مثال قبلی است با این تفاوت که بجای توان باید گشتاور را پارامتر اصلی انتخاب درنظر گرفت به منحنی عملکرد گشتاور بار احتیاج است تا حداکثر و متوسط گشتاور بار با گشتاور نامی موتور سنجیده گردد.

مثال سوم:

بار سرعت متغییر ( بمانند موتورهای القایی متصل به درایو )

در این مورد ما باید گشتاور را بجای توان در نظر بگیریم. همچنین باید شتابگیری بار را در محاسبات لحاظ کنیم. این به سرعت مورد نظر کارکرد و زمان و میزان اینرسی بار و موتور بستگی دارد.

ترجمه و تالیف

هانی ادیب آزاد

مدیر فنی شرکت ویستا جم صنعت

دیماه ۱۳۹۶

 

آشنایی با نویسنده