اصول سایز کردن الکتروموتور

مقدمه

یکی از کارهای جالب اما دقیق، سایز کردن الکتروموتور است. برای این کار ابتدا بایستی مفاهیم اولیه الکتروموتور، توان مکانیکی را دانسته و سپس متوجه رابطه بین توان، سرعت و گشتاور، سایز کزدن موتور، مقادیر نامی و نکاتی پیرامون انتخاب صحیح یک الکتروموتور باشیم. با خواندن این مقاله با تمامی این مفاهیم و آیتم ها آشنا خواهید شد.

مفاهیم کلی

الکتروموتور: انرژی الکتریکی را به انرژی مکانیکی تبدیل می کند. در این قسمت به بررسی الکتروموتورهای دوار خواهیم پرداخت.

توان مکانیکی: توان مکانیکی خروجی الکترموتور(P) بر حسب وات می باشد. این توان در الکتروموتورهای قدیمی و الکتروموتورهای کشور آمریکا برحسب اسب بخار اندازه گیری می شود. هر اسب بخار معادل 746 وات می باشد.
در یک مقایسه کمی مشخص شده است که یک موتور بنزینی 2 لیتر، در خروجی خود حداکثر میتواند حدود 90 کیلو وات تولید کند در حالی که حداکثر توان تولیدی یک دوچرخه سوار حدود 400 وات است.

چند سوال نمونه
چند اسب بخار یک موتور بنزینی معمولی 2 لیتری است؟ چند وات معادل 15 اسب بخار است؟

سرعت: تعداد چرخش اکتروموتور در هر دقیقه است. معمولا با حرف N مشخص می شود و برحسب rpm (دور بر دقیقه) اندازه گیری می شود. در بعضی فرمولها، سرعت بر حسب دور بر ثانیه اندازه گیری می شود و با حرف n نمایش داده می شود. در متون علمی و دانشگاهی واحد دیگری بنام رادیان بر ثانیه استفاده می شود که اغلب با حرف “ω” نشان داده می شود. دلیل استفاده از این واحد، ساده شدن یعضی فرمولها می باشد.

n=N/60       ω=2πN/60

گشتاور: نیرویی که موجب گردش الکتروموتور می شود را گشتاور می نامند که برحسب نیوتن متر اندازه گیری می شود. یک الکتروموتور با گشتاور بالا ، سریع شتاب می گیرد و می تواند بارهای سنگین را راه اندازی کند. در آمریکا، معمولا گشتاور را بر حسب فوت-پوند (ft-lb)اندازه گیری می کنند.

رابطه بین توان، سرعت و گشتاور

هر چه سرعت الکتروموتور بالاتر باشد قدرت بیشتری خواهد داشت، همچنین هر چه گشتاور الکتروموتور بالاتر باشد قدرت بیشتری خواهد داشت. در حقیقت، قدرت الکتروموتور با حاصلضرب گشناور در سرعت رابطه مستقیم دارد.

تلفات و راندمان

 رابطه بین توان و راندمان الکتروموتور:

مثال های نمونه:

1- توان مکانیکی خروجی یک موتور الکتریکی، 1KW و توان مصرفی(ورودی) آن، 1200W است.تلفات چقدر است؟ راندمان موتورچقدر است؟(83.3%)
2- یک موتور الکتریکی با راندمان 85%، توان خروجی 1200W را تولید می کند. توان ورودی موتور چقدراست؟ مقدار تلفات چقدر است؟( 2353W)

سایز کردن موتور

عامل تعیین کننده در سایز کردن الکتروموتور میزان جریان کشیده شده از الکتروموتور توسط بار می باشد. به دلایل زیر انتخاب درست موتورالکتریکی حائز اهمیت است:

1- اگر الکتروموتور انتخاب شده برای کار مورد نظر خیلی کوچک باشد ممکن است نتواند گشتاور لازم برای راه اندازی بار و رساندن آن به سرعت مورد نظر را تامین کند.حتی اگر به سرعت مورد نظر هم برسد، الکتروموتور در معرض گرمای بسیار قرار می گیرد و می سوزد.
2- اگر الکتروموتور انتخاب شده برای کار مورد نظر، بسیار بزرگ باشد پول زیادی را برای خرید آن به هدر داده اید. همچنین معمولا الکتروموتورها زمانی با راندمان بالا کار می کنند که تحت بار نامی خود کار کنند. بنابراین پول زیادی در هزینه های بهره برداری به هدر می رود.

مفهوم مهم : مقادیر نامی

هر الکتروموتور داری مقادیر نامی ولتاژ، جریان، سرعت و توان( و فرکانس در موتور ac) می باشد. معمولا این مقادیر روی پلاک نامی الکتروموتور قابل مشاهده است اما بطور مفصل در کاتالوگ الکتروموتور هم آمده است. به طور کلی مقادیر نامی ، نشان دهنده حداکثر مقادیر ممکن در عملکرد عادی از الکتروموتور می باشد. با این حال برخی تفاوت های جزئی در معنای مقادیر نامی مختلف وجود دارد.

– بدلیل امکان آسیب به الکتروموتور بواسطه شوک الکتریکی، هیچگاه مقدار ولتاژ نباید از حد ولتاژ نامی تجاوز کند .

– هیچگاه جریان نباید برای مدت طولانی از مقدار نامی تجاوز کند.ممکن است جریان در اثر یک اتفاق گذرا، از مقدار نامی تجاوز کند(مثلا هنگام راه اندازی موتور). در اینصورت احتمال ایجاد گرمای زیاد و سوختن سیم پیچ های الکتروموتور وجود دارد.

– عموما سرعت الکتروموتور نباید از مقدار نامی تجاوز کند، با این حال طراحی موتورهای الکتریکی بگونه ای است که می توانند با مقداری از سرعت بیش از سرعت نامی کار بکنند. برای مثال، یک موتور القایی با سرعت نامی 1450 دور بر دقیقه، یک سرعت سنکرون1500 دور بر دقیقه ای دارد و عملکرد موتور الکتریکی در این سرعت ایمن خواهد بود.البته بدلیل وجود نیروی گریز از مرکز، احتمال آسیب مکانیکی به بخشهای دوار وجود دارد.

– معمولا توان الکتروموتور نباید از مقدار نامی آن تجاوز کند. با این حال، در استاندارد NEMA (استاندارد آمریکای شمالی) برخی الکتروموتورها یک ضریب سرویس دارند که اجازه می دهد الکتروموتور برای یک مدت کوتاه در توانی بالاتر از توان نامی مورد استفاده قرار بگیرد.این ویژگی می تواند در مواجهه با بارهای متغیر مفید باشد که ممکن است برای مدت کوتاهی در طول عملکرد موتور الکتریکی به توانی بیش از توان نامی نیاز باشد. تجاوز از توان نامی ممکن است موجب افزایش دما و در موارد نادر، آسیب مکانیکی به الکتروموتور شود.

– اغلب به مقدار گشتاور نامی در پلاک موتور اشاره نمی شود اما یک پارامتر مهم برای سایز کردن الکتروموتور مناسب، محسوب می شود. هم در موتورهای DCو هم در موتورهای AC ، جریان متناسب با گشتاور است. بنابراین به احتمال زیاد، تجاوز از گشتاور نامی، منجر به افزایش دما و سوختن سیم پیچی ها خواهد شد. همچنین تجاوز از گشتاور نامی احتمال آسیب مکانیکی به کوپلینگ و شفت محرکه را افزایش می دهد. گشتاور نامی را می توان از مقادیر توان نامی و سرعت نامی مطابق رابطه زیر محاسبه کرد.

انتخاب صحیح یک الکتروموتور

اگرمقدار بار ثابت باشد، انتخاب اندازه الکتروموتور را براین اساس انجام می دهند که گشتاور نامی آن کمی بالاتر از گشتاور مورد نیاز بار باشد. گشتاور بار باید بین 75٪ -100٪ گشتاور نامی الکتروموتور باشد که مقدار 95٪ ایده ال است.

برای کاربردهایی که سرعت ثابت است مثلا جایی که الکتروموتور بصورت دایم در حال گردش با سرعت نامی است نیازی به محاسبه گشتاور نیست. شما به سادگی می توانید به توان بار و توان الکتروموتور نگاه کنید و قانون مشابه 75٪ -100٪ را استفاده کنید. این موضوع فقط برای موتورهای القایی استاندارد و بدون درایو سرعت متغیر کاربرد دارد.

عمیق تر نگاه کنید. آیا موتورالکتریکی می تواند بار را راه اندازی کند؟ برای اینکه سرعت بار تا سرعت نامی الکتروموتور افزایش یابد، باید از حالت ساکن راه اندازی شده و با شتاب گیری به سرعت نامی موتور برسد. عامل ایجاد کننده شتاب، گشتاور است. گشتاور الکتروموتور موجب شتاب گیری بار می شود اما بار نیز گشتاوری تولید می کند که گشتاور مقاوم نامیده می شود و در برابر شتاب گیری مقاومت می کند.

گشتاورتولید شده بوسیله الکتروموتور، با سرعت الکتروموتور تغییر می کند. همچنین گشتاور ناشی از بار نیز با سرعت تغییر می کند. اگر گشتاور الکتروموتور بزرگتر از گشتاور بار باشد ، بار شتاب خواهد گرفت.اگر گشتاور بار بزرگتر از گشتاور الکتروموتور باشد، از سرعت الکتروموتور خواهد کاست.

 برای اینکه موتورالکتریکی بتواند بار را راه اندازی کند و آن را به سرعت مورد نظر برساند باید در سرعت صفر( گشتاورراه اندازی) وهر سرعتی که باید به سرعت مورد نظر افزایش یابد، گشتاور الکتروموتور بزرگتر از گشتاور بار باشد. اگر گشتاور بار بیش از گشتاور الکتروموتور در سرعت متوسط باشد، الکتروموتور در آن سرعت متوقف و اصطلاحا وامانده (stall) خواهد شد و سیستم به درستی راه اندازی نخواهد شد.

نمودار فوق مربوط به الکتروموتوری است که راه اندازی می شود و به سرعت مورد نظر می رسد.

 نمودار فوق مربوط به الکتروموتوری است که هیچگاه راه اندازی نخواهد شد.

نمودار فوق مربوط به الکتروموتوری است که راه اندازی می شود اما در نقطه Stall، وامی ماند.

چقدر طول می کشد که سیستم به سرعت مورد نظر برسد؟
محاسبه این زمان خارج از موضوع این مقاله است. برای دریافت اطلاعات بیشتر مقاله “محاسبه زمان راه اندازی الکتروموتور” را ملاحظه بفرمایید. اما قابل توجه است که بدانید مدت زمانی که طول می کشد تا موتور به حداکثر سرعتش برسد از ناحیه بین منحنی گشتاور- سرعت موتور و منحنی گشتاور- سرعت بار محاسبه می شود. هر چه این ناحیه بزرگتر باشد، سیستم سریعتر به سرعت مورد نظر می رسد.

اگر بار متفاوت باشد چطور؟
بعضی از بارها حتی پس از رسیدن به حداکثر سرعت، گشتاور ثابتی ندارند.لذا توان ورودی الکتروموتور متغیر می شود و سایز کردن الکتروموتور مناسب را دشوار و پیچیده می کند.

1-حداکثر گشتاور بار (یا توان)<گشتاور نامی الکتروموتور (یا توان)×(1+ ضریب سرویس100%)
2- مقدار موثر گشتاور بار (توان)باید کمتر از 100% گشتاور نامی الکتروموتور(توان) باشد و مقدار ایده آل، بین 75 تا 100 درصد گشتاور نامی الکتروموتور (توان) است.
3-بررسی کنید که آیا الکتروموتور می تواند بار را راه اندازی کند و سرعت آن را افزایش دهد.

مثال اول: کارکرد موتورالکتریکی با سرعت ثابت در سرعت نامی اما با گشتاور متغیر ، مثل موتور القایی که در حال کار با سرعت ثابت است. از آنجایی که بار در سرعت نامی الکتروموتور در حال حرکت است ما نیازی به محاسبه گشتاور نداریم بلکه می توانیم بجای آن از توان استفاده کنیم. مقدار موثر توان برای یک بار که نیاز به قدرت P1 برای زمان t1 و پس از آن P2 برای زمان t2 و سپس P3 برای زمان t3 … و به همین ترتیب Pn برای زمان tn درچرخه ای که تکرار می شود، را می توان بصورت زیر محاسبه کرد:

مثال: گشتاور بار برای بار ثابت اندازه گیری شد. یک الکتروموتور مناسب با ضریب سرویس فرضی 20% را برای راه اندازی بار انتخاب کنید. لازم نیست عملکرد الکتروموتور را موقع راه اندازی در نظر بگیرید.

سایز کردن الکتروموتور مناسب

1 -حداکثر توان نامی مورد نیاز=6 کیلو وات. حداکثر توان بار باید کمتر از حاصلضرب توان نامی الکتروموتور در ضریب سرویس باشد.

6kw < P_motor×1.2

P_motor > 6/1.2 =5kw

 2- مقدار موثر(RMS) توان بار باید بین 75% تا 100% توان نامی الکتروموتور باشد.

اگر توان الکتروموتور را 5 کیلووات انتخاب کنیم پس مقدار موثر (RMS) توان بار =   توان الکتروموتور که قابل قبول است.
اگرمعلوم شد که مقدار موثر توان بارکمتر از 75% 5کیلووات است،پس باید یک التروموتور 5 کیلووات را انتخاب کنیم تا بتوانیم حداکثر توان مورد نیاز را تامین کنیم.با این حال اگر توان موثر بار از 100% مقدار توان نامی الکتروموتور بزرگتر باشد برای برآورده کردن احتیاج، باید یک الکتروموتور بزرگتر را انتخاب کنیم.

3- شروع کار – عدم نیاز در این مرحله : جواب: یک موتور 5 کیلووات انتخاب کنید.

مثال دوم: سرعت ثابت و گشتاور متغیر در سرعتی پایین تر از سرعت نامی( مثلا وقتی که یک موتور DC که در سرعتی کمتر از سرعت نامی در حال کار است). این حالت بسیار شبیه به مثال اول است با این تفاوت که در اینجا باید بجای توان روی گشتاور کار کنیم. بر روی گشتاور بار مورد نیاز کار کنید. ( حداکثر گشتاور و مقدار موثر گشتاور را محاسبه کرده و با گشتاور نامی الکتروموتور مقایسه کنید).

مثال سوم: بار با سرعت متغیر. ( مثلا درایو موتور القایی سرعت متغیر). در اینجا هم باید بجای توان، بر روی گشتاور کار کنید. همچنین باید به افزایش گشتاورهم توجه داشته باشید. این به سرعت مورد نظر نسبت به زمان و گشتاور اینرسی الکتروموتور و بار بستگی دارد.

خلاصه ای کوتاه و مفید

بین توان، سرعت و گشتاور، رابطه زیر برقرار است؛

همچنین برای محاسبه راندمان از رابطه زیر استفاده می شود؛

عامل تعیین کننده در سایز کردن الکتروموتور، میزان جریان کشیده شده از الکتروموتور توسط بار می باشد. مقادیر نامی ، نشان دهنده حداکثر مقادیر ممکن در عملکرد عادی از الکتروموتور می باشد و بر روی پلاک موتور قابل مشاهده است.

اگر شما نیز تجربه و نظراتی در این باره دارید با ما به اشتراک بگذارید.