توصیه هایی برای خنک کاری در موتورهای داغ

مقدمه

افزایش دمای بیش ازحد، اثر مخربی بر یاطاقان و سیم پیچ دارد و این خرابی، هزینه بازکردن و بیرون کشیدن موتور را به دنبال دارد. سوال اصلی اینجاست؛ عوامل افزایش دما و راه حل این مشکل و خنک کاری چیست؟ شما با خواندن این مقاله، عوامل موثر در افزایش دما و راه حل های رفع این مشکل آشنا می شوید.

افزایش دمای عملیاتی باعث آسیب به موتورها می شود.

اثرات دمای بیش از حد بر بازده موتور واضح است. پس از رطوبت، افزایش دما بزرگترین نقش را در خرابی یاطاقان و سیم پیچ دارد. پی بردن به منبع افزایش دما، کلید اصلی برای حل (رفع) مشکل، خنک کاری و بهبود امکانات تجهیزات دارای الکتروموتور است.

شکل 1:به صورت تجربی  تاثیرات افزایش دمای عملیاتی بر روی سیستم های عایق بندی موتور را نشان می دهد. نمودار فقط فرسودگی حرارتی موتور را نشان می دهد و به سایر شرایطی که بر عمر موتور تاثیر گذار است نمی پردازد. در واقع، این نمودار نشان می دهد که هر 10 درجه سانتیگراد افزایش دمای کار الکتروموتور، طول عمر عایق بندی آن را به نصف کاهش می دهد. برعکس، کاهش 10 درجه سانتیگراد میتواند طول عمر عایق را دو برابر کند.

در حالی که این در هر نقطه بر روی منحنی درست است، در بعضی موارد، قواعد بازگشت سرمایه  حکم می کند که هزینه های ساخت و فعالیت یک موتور خنک تر مهم تر از مزایای آن است. این مقاله بر روی عوامل متعددی که بر افزایش دما و اینکه چه کاری برای آن قابل انجام است  تمرکز می کند.

بار بیش از حد

اضافه بار یک عامل اصلی در ایجاد مشکلات دمایی است. با توجه به تغییرات بار در تجهیزات در حال کار، بعضی اوقات شرایط کار دارای تناوب است. در سایر اوقات طراح انتخاب می کند که به موتور اجازه دهد در بار بیشتر از حد مجاز کار کند – در صورتیکه ضریب سرویس بیشتر از 1 باشد،این کار مجاز است.

ضریب سرویس

تعریف ضریب سرویس در استاندارد NEMA Std. MG 1-2011 این است که یک موتور از نظر دمایی قادر است در شرایط کار نامی (ولتاژ و فرکانس نامی) اضافه باری معادل با ضریب سرویس را تحمل کرده و از دمای مجاز کلاس حرارتی خود خارج نشود. البته، هر بار اضافی دمای کار موتور را افزایش می دهد. بیشتر موتورها طوری طراحی شده اند که بهترین بازده را داشته باشند، خنکتر کار کنند و مصرف انرژی کمتر برای کاری مشابه—در حدود 75% بار مجازداشته باشند.

کلاس عایق بندی

کلاس عایق بندی حداکثر درجه حرارت کاری مجاز که الکتروموتور می تواند طول عمر مورد نظر را داشته باشد تعیین می کند. ( به تصویر 2 مراجعه نمایید ). اگر یک موتور در کاربردی دچار یک خرابی نابهنگام شود یک راه حل می تواند بازپیچی آن با یک سیستم با کلاس عایق بندی دمایی بالاتر برای افزایش فاصله دمای مجاز تا دمای کارکرد موتور باشد. در انجام این اقدام یاتاقان ها را فراموش نکنید. روانکاری عامل محدود کننده در ارتباط با مشکلات دمایی یاتاقان ها می باشد، بنابراین اطمینان حاصل کنید که در محیط کاری شما بدرستی کار خواهند کرد.

اینورتر ASD

درایوهای با سرعت قابل تنظیم ( ASD ) که از تکنیک مدولاسیون پهنای پالس (PWM) استفاده می کنند، جریانهای توالی منفی نسبتا کمی تولید می کنند. این جریانها اصولا در نقش باز ظاهر می شوند چون باعث می شوند موتور بخواهد در خلاف جهت حرکت خود بچرخد. و در ضمن دمای روتور را به شدت افزایش می دهند. اینورتری که بطور مناسب برای موتور طراحی شده است این مشکل را جبران و برطرف می کند.

تهویه

طراحی موتور شامل یک سیستم برای اتلاف گرمای تولید شده توسط سیم پیچ و یاتاقان ها است. که اغلب آن را ” مدار خنک کننده ” می نامند، این سیستم تحت تاثیرعواملی مانند قطر فن، سرعت شفت، وجود و جایگاه دریچه های هواو صفحه های منحرف کننده، و ارتفاع از سطح دریا قرار دارد.

فن

 مقدار هوایی که یک فن تولید می کند، با مکعب قطر پره تغییر می کند و مستقیما متناسب با سرعت آن است. در تمامی موتورهای با فن خنک کننده محصور شده (TEFC) ، غالبا فن ، منبع اصلی ایجاد سر و صدای مزاحم می باشد. طراح باید اطمینان حاصل کند که فن هوای خنک کننده کافی را بدون ایجاد سر و صدای زیاد تامین می کند.

در موتورهای باز بزرگتر، کانال های هوا، هوای خنک را بین روتور و استاتور و هسته برای بهبود بازدهی خنک کنندگی تقسیم می کنند. صفحه های منحرف کننده هوا ممکن است در موتورهای باز یا بسته در جاهایی که نیاز است، برای کاهش تلاطم هوا استفاده شوند.

کانال های هوا و صفحه های منحرف کننده.

در موتورهای باز بزرگتر، کانال های هوا، هوای خنک را بین روتور و استاتور و هسته برای بهبود بازدهی خنک کنندگی تقسیم می کنند.(شکل 3 را ببینید) صفحه های منحرف کننده هوا ممکن است در موتورهای باز یا بسته در جاهایی که نیاز است، برای کاهش تلاطم هوا استفاده شوند. هوای متلاطم توانایی کافی برای خنک کنندگی ندارد، بنابراین برای بهینه سازی مدار خنک کننده محل صفحه های منحرف کننده می تواند مهم باشد ( تصویر 4 ). کانال های هوای مسدود یا خراب ویا صفحات منحرف کننده خراب هوا می تواند باعث شوند موتور گرمتر کار کند.

دمای عملیاتی

یک موتور مقدار مشخصی از کار را انجام می دهد و دمای آن مقداری افزایش خواهد یافت. این افزایش دما به علاوه دمای محیط ، دمای کارموتور می شود.

افزایش دما  +  دمای محیط=  دمای کار موتور

بدلیل اینکه دمای محیط مستقیما روی دمای کار موتور تاثیر می گذارد، در موتورهای با استاندارد NEMA حداکثر دمای محیط مجاز روی پلاک نامی نشان داده شده است. برعکس در استاندارد IEC 60034-1 ، حداکثر دمای محیط را به 40 درجه سانتیگراد محدود می کند. برای این موتورها، طراحی افزایش دما در بار مجاز به علاوه این حداکثر دمای محیط  نباید از دمای مجاز کلاس دمایی سیستم عایق بندی موتور تجاوز کند.

اگر یک موتور در فضای بیرونی باشد نه تنها تغییرات دمای محیط، بلکه نور آفتاب نیز در دمای کار موتور دخیل می باشد. برای مثال، تغییر رنگ موتور پمپ های خاکستری به سفید در یک معدن رو باز در صحرای Sonoran سبب شد دمای کار موتور بین 10 تا 15 درجه سانتیگراد کاهش یابد. ساخت یک سایه بان برای موتور نیز نتیجه ای مشابه دارد.

ارتفاع

با افزایش ارتفاع  فشار هوا نیز کمتر می شود و در نتیجه قدرت آن برای انتقال هوای گرم به بیرون از موتور کاهش می یابد. اگر موتور در ارتفاع بالای 1000 متر کار می کند(3300 پا )، بهتر است با توجه به این موضوع که خنک کنندگی هوا در آن شرایط  کمتر است،  طراحی گردد.

تغییرات ولتاژ

موتورها طوری طراحی شده اند که زمانی که با اعمال ولتاژ نامی درج شده بر روی پلاک آنها، عملکرد مطلوب و بهینه ای داشته باشند. در استاندارد NEMA Std. MG 1-2011 نیاز است که موتورها قابلیت راه اندازی و کارکرد در ولتاژ با تلرانس ±10% ولتاژ نامی را داشته باشند البته این عدد در استاندارد IEC±5% ولتاژ نامی می باشد. اگرچه هر دو استاندارد دارای تغییرات فرکانس هستند که بر تغییرات ولتاژ تاثیر می گذارد، برای تمرکز بر بحث ولتاژ، تغییرات فرکانس را صفر در نظر بگیرید.

استاندارد NEMA همچنین می گوید که عملکرد موتور ممکن است تحت تاثیر تغییرات ولتاژ قرار گیرد. برای اخذ استاندارد NEMA نیاز است که موتورها در ±10% ولتاژ نامی، قادر باشند به درستی کار کنند.(230 V – 10% = 207 V )، بعضی از تولیدکنندگان نشان می دهند که طراحی 230/460-V آنها ” برای استفاده در208 V” مناسب است. اگر ولتاژ 208 ولت تغییر کند، حاشیه امنیتی برای عملکرد مناسب موتور وجود ندارد و سطح کارایی آن ممکن است کاهش یابد. به جز پلاک نامی اطلاعات دیگری که سازنده برای ” استفاده مناسب ” موتور در اختیار قرار داده است میزان تغییرات ولتاژ را معین می کنند.، که البته کار درستی نیست که از موتورهای خود بدین صورت استفاده کرد. این به این دلیل است که تجهیزات گشتاور کمتری تولید کرده و آمپراژ بیشتری در بار کامل مصرف می کنند، و همچنین موتور گرمتر کار خواهد کرد.

ولتاژ کم

در ولتاژ کم برای تولید کار یا توان مشخص آمپراژ بیشتری مورد نیاز است. طبق قانون اهم  P = IE ( توان = P ، جریان = I و ولتاژ = E ). اگر ولتاژ کاهش یابد و توان ثابت باشد در نتیجه جریان باید افزایش یابد. از آنجا که حرارت تولید شده با مربع جریان تغییر می کند، این جریان اضافی در موتور باعث می شود تلفات مقاومتی در سیم پیچهای موتور افزایش یابد و در نتیجه دمای کار موتور افزایش یابد.

ولتاژ زیاد

عکس این قضیه نیز صحیح است. اگر ولتاژ بالا رود، زمانی که توان ثابت باشد، جریان کم خواهد شد. این یکی از دلایلی است که موتورهایی که با ولتاژ 460 ولت طراحی شده اند در صورتیکه ولتاژ 480 ولت به آنها اعمال شود. ولتاژ بالاتر به موتور کمک می کند که خنک تر کار کند.با این حال، لغزش موتور القایی به طور معکوس متناسب با ولتاژ اعمال شده است.

ولتاژ بالاتر باعث لغزش کمتر و چرخش سریعتر موتور ( و فن ) می شود. همانطور که قبلا نشان داده شده، فن در سرعت های بالاتر هوای بیشتری را منتقل خواهد کرد و در نتیجه توان موردنیاز برای چرخش فن افزایش خواهد یافت. این می تواند تا حدودی یا بیش از اثر ولتاژ زیاد  بر روی جریان موتور تأثیر داشته باشد و بخشی از کاهش جریان موتور را جبران کند.این قاعده را با احتیاط به کار بندید، اگرچه، شار مغناطیسی تولید شده در هسته آهن برای آن نوع از فولاد الکتریکی با ولتاژ بالاتر باز هم افزایش می یابد تا زمانی که به نقطه اشباع برسد ( سطح مقطع عرضی / حداکثر شار ). اگر ولتاژ، بالاتر از نقطه اشباع افزایش داده شود، شار اضافی تنها با افزایش غیرمستقیم و قابل توجه در جریان ممکن است. واین مساله گرمای بیشتری تولید می کند این موضوع، در بخش مربوط به فولاد الکتریکی بیشتر مورد بحث قرار خواهد گرفت.

عدم تعادل ولتاژ

عدم تعادل ولتاژ در منبع تغذیه یک موتور سه فاز منجر به افزایش دمای موتور خواهد شد، بخصوص در فازی که بالاترین مقدار ولتاژ در آن اعمال شده است. استاندارد NEMA Std. MG 1-2011 روشی برای محاسبه مقدار این عدم تعادل تعریف کرده است که در فرمول زیر نشان داده شده است:

%unbalance = Maximum deviation from average/Average

عدم تعادل % = حداکثر انحراف از میانگین

فولاد الکتریکی

عوامل متعددی از جمله ضخامت، مقدار یا اندازه، و نوع یا درجه فولاد، قابلیت فولاد الکتریکی را برای انتقال شار تعیین می کند. این ویژگی ها برای درجات مختلف تعریف شده اند. بعضی از انواع جدید فولاد قابلیت جابجایی شار بیشتری را دارند، که یکی از دلایلی است که باعث می شود بتوان موتور با توان های نامی بالاتر را در فریم سایز های کوچکتر تولید کرد. البته، این نوع فولاد گرانتر است، که استفاده از آنها یکی از معادلات مربوط به طراحی موتور است.هسته های موتورهای AC بوسیله ورقه های فولاد الکتریکی خاص که به هم محکم متصل شده اند، ساخته شده  است. طول و قطر یک هسته اندازه یا حجم آن را مشخص می کند.

ضخامت هر کدام از ورقه ها در کنترل جریان های گردابی،(جریان های حلقه گردشی که در اثر تغییر میدان مغناطیسی درون فولاد بوجود می آیند )، در آن قطعه و در کل هسته مهم است. . ورقه های نازکتر، حلقه های گردشی کوچکتر  و در نتیجه جریان کمتری را سبب می شود.  این جریان های گردابی در ایجاد کار مفید توسط موتور دخالت و یا شرکت نمی کنند و فقط گرما تولید می کنند (تلف می شوند) .عایق بندی بین ورقه های هسته به کنترل جریان های گردابی کمک می کند. اگر عایق بندی آسیب ببیند، جریان های گردابی می توانند به لایه های مجاور وارد شوند و اندازه آن افزایش می یابد، که باعث می شود جریان مغناطیسی (جریان بی باری) افزایش یابد. تست تلفات هسته ای می تواند این افزایش را آشکار می کند و نشان می دهد که فولاد آسیب دیده نیاز به تعمیر و جایگزینی دارد یا نه.

چگالی جریان

یکی دیگر از مشتقات قانون اهم می گوید که P = R I²  ( جریان = I ، مقاومت = R ). در مورد سیم پیچی موتور،      توان تلف شده = P .

با کاهش اندازه سیم، مقاومت در واحد طول افزایش می یابد، برای یک جریان مفروض، سیم کوچکتر تلفات بیشتری را تولید یا ایجاد می کند. از آنجایی که این تلفات به صورت گرما ظاهر می شود، در موتور AC همیشه بهترین حالت این است که از بزرگترین سطح مقطع سیم که در شیار به راحتی قرار می گیرد، استفاده شود.

رزین مورد استفاده در سیم پیچ نیز انتقال گرما را بهتر از هوا انجام می دهد، اما اگر کمتر از 45% شیار پر باشد، رزین نمی تواند همه سیم های شیار را بپوشاند و از قسمتهای خالی شیار خارج خواهد شد. که باعث افزایش دمای کاری موتور می شود.

هنگام طراحی یک موتور، باید عوامل مختلف سبک و سنگین شوند. یکی از این ها تعداد دور سیم پیچ مقابل گام سیم پیچ است. گام سیم پیچ موتور، تعداد شیارهای هسته استاتور است که در بین دو بازوی یک کلاف سیم پیچ قرار گرفته است. بطور کلی با افزایش گام سیم پیچی ( از گام کامل تا منهای یک شیار) تعداد دور سیم پیچ ممکن است کاهش یابد. با تعداد دور کمتر در هر سیم پیچ، سیم های با سطح مقطع بیشتر را می توان در شیار جا داد. در این مورد ملاحظاتی که باید سبک و سنگین شود طول سرکلافهای سیم پیچ به ویژه در موتورهای دوقطب می باشد. همانطور که فاصله بین شیارها بیشتر می شود، پهنای سیم پیچ نیز افزایش می یابد، طول سرکلاف ها و در نتیجه طول کلی کلاف افزایش می یابد. که باعث افزایش مقاومت سیم پیچ شده و در نتیجه باعث افزایش تلفات می شود. همچنین، با افزایش گام سیم پیچی، انجام فرآیند سیم پیچی کردن موتور سخت تر می شود. بنابراین برای بهینه سازی طراحی، ما نیاز به استفاده طولانی ترین گام سیم پیچی در عمل را داریم در حالی که باید قابلیت اجرای سیم پیچی و طول کلی سیم ها را در نظر بگیریم.

جریان های گردشی

جریان های گردش تحت شرایط خاصی در سیم پیچ تولید می شود. این جریان ها به انجام کار توسط موتور کمک نمی کنند و فقط ایجاد تلفات می کنند که حرارت بیشتری تولید می کنند.

کلاف های نامساوی

مراقب گروه های موازی سیم پیچها باشید که شامل همان تعداد دور نباشند یا نیستند ( تصویر 5 ). جریان های گردشی دمای بالاتری را در مدارات با دور ها یا سیم پیچ های کمتر تولید یا ایجاد خواهد کرد. در حالت سیم پیچ شیار کسری ( اینجا تعداد شیارها در هر فاز قابل تقسیم بر تعداد قطب ها نیست ) تعداد نامساوی سیم پیچ ها باید بطور مساوی بین فاز ها تقسیم شود. در هنگام سیم پیچی، بهتر است در کارگاه سیم پیچی تعداد دور تمام سیم پیچ ها در هر فاز را بشمارند تا آنها را بصورت یکسان تقسیم کنند.

موتورهای دو سیم پیچه، دو سرعته

موتورهای دوسیم پیچه، دوسرعته نیز می توانند جریان های گردشی تولید کنند. اگر یکی و یا هر دو سیم پیچ بصورت ستاره یا مثلث به هم متصل باشند، زمانی که موتور راه اندازی نشده است یک مدار بسته ایجاد خواهد شد. یک اتصال خاص با چهار سر می تواند این مدار را روی موتورهایی که مداراتصال مثلث دارند باز کند. برای رسیدن به این تاثیر، استارتر موتور باید چهار سر داشته باشد نه سه سر. برقدار کردن یک سیم پیچ، یک ولتاژ در سیم پیچ دیگر که برقدار نشده است القا خواهد کرد و مدار بسته ممکن است اجازه گردش جریان را بدهد.

این گردش جریان غیر منتظره، در موتور گرمای اضافی تولید می کند. به همین دلیل همیشه توصیه می شود که یکی از اتصالات ستاره باشد. چون که اتصال ستاره این مدار بسته را ندارد. اگر این امکان وجود نداشته باشد، یک مرکز خدمات معتبر می تواند به شناسایی اتصالات مناسب با بالاترین احتمال موفقیت کمک کند.

هارمونیک ها

هارمونیک هایی که ضرایبی فرد از شکل موج اصلی AC هستند.( به جز ضراب 3 ) زمانی که سرعت روتور بالاتر از سرعت سنکرون آن هارمونیک است، گشتاور منفی تولید خواهد کرد. این گشتاورهای منفی مخالف گشتاور اصلی هستند و بار را افزایش می دهند در نتیجه گرما نیز افزایش می یابد.

همانطور که در اینجا ( تصویر 6 ) نشان داده شده است با اثرات هارمونیک های پنجم و هفتم، اعوجاج هارمونیک کلی ( THD ) که با درصد بیان می شود، با استفاده از یک تحلیلگرکیفیت توان می تواند اندازه گیری شود. IEEE 519   بیان می کند این THD نباید از 5٪ در نقطه اتصال مشترک  به برق تجاوز کند (نقطه تحویل برق به مشترک). این هارمونیک ها بوسیله بارهای غیر مقاومتی تولید می شوند که توسط یک فیدرمشترک با الکتروموتور تغذیه می شوند. موتورها خودشان منبع تولید هارمونیک هستند، زیرا آنها اغلب بارهای القایی هستند. بالاست ها، یکسو کننده ها و خازن های اصلاح ضریب توان نمونه های کمی از دیگر منابع تولید هارمونیک می باشند.

خلاصه ای کوتاه و مفید

زمانی که دمای کار موتور بالاتر از حد مجاز برود، انتظار می رود که عمر آن کمتر باشد. هر کاری که می تواند برای کاهش درجه حرارت انجام شود، چه بهبود تهویه و یا بهینه سازی طراحی باشد، طول عمرکارکرد را بهتر و قابلیت اطمینان را در مجموعه موتورهای شما فراهم خواهد کرد.

منبع؛   (Jim Bryan, Electrical Apparatus Service Association (EASA