کنترل

انتخاب راه انداز AC مناسب، با در نظر گرفتن بار مکانیکی

راه انداز AC , بار مکانیکی , گشتاور , سرعت , توان

مقدمه

به معنای واقعی کلمه می توان گفت که امروزه در صنعت کاربرد‌های بسیار زیادی برای راه انداز[1]های AC و DC وجود دارند. اگرچه اشاره کردن به تمامی این کاربردها غیر ممکن است، سعی می کنیم که به بررسی مصارف معمول و مرسوم این راه اندازها در صنعت بپردازیم.

زمانی که کاربردهای مختلف را بررسی می کنیم، مهم است که رفتار بار مکانیکی متصل به موتور را نیز در نظر بگیریم.

در حقیقت بار مکانیکی مؤلفه تعیین کننده نوع، تیپ، سایز و قدرت تولیدی موتوری است که به بار متصل شده است. راه انداز وسیله­ ای است که این موتور را کنترل می کند، پس بنابراین نوع بار در انتخاب راه انداز نیز مؤثر است.

به بیان ساده، بهترین گزینه این است که برای طراحی یک سامانه محرکه، بررسی ­های خود را این گونه آغاز کنیم و پیش ببریم: اول نوع کاربرد (بار مکانیکی)، سپس یک مرحله عقب ­تر یعنی موتور، و بعد راه انداز و در نهایت نوع کنترل (خودکار یا دستی).

بارهای مکانیکی را می­ توان در سه گروه عمده دسته بندی کرد: گشتاور ثابت، توان ثابت و گشتاور متغیر.

هر کاربردی که نیاز به راه انداز داشته باشد در یکی از این سه گروه جای خواهد گرفت. در ادامه هر یک از این سه گروه را به صورت جداگانه بررسی می کنیم.

1- کاربردهای گشتاور ثابت

این گروه بخش عمده­ ای از کاربردهای صنعتی را به خود اختصاص می­ دهد. شکل 1 منحنی مشخصه بار از نوع گشتاور ثابت را نشان می ­دهد.

راه انداز AC , بار مکانیکی , گشتاور , سرعت , توان

شکل ۱. منحنی مشخصه بارهای گشتاور ثابت

همانگونه که در شکل 1 نشان داده شده است، گشتاور مورد نیاز بار در این نوع از کاربردها، در محدوده سرعت صفر تا سرعت نامی (100%)، همواره ثابت باقی می­ ماند. ویژگی این دسته از بارها این است که گشتاور مورد نیاز برای به حرکت در آوردن یک بار مشخص در محدوده کمتر از سرعت نامی همواره مقدار ثابتی باقی می­ ماند و اندازه آن با تغییر فرکانس خروجی راه انداز که در نهایت منجر به تغییر سرعت موتور می­ شود، تغییر نخواهد کرد.

در بیشتر موارد، این گونه بارها در محدوده سرعت صفر تا سرعت نامی مورد بهره­ برداری قرار می ­گیرند. همچنین پر­واضح است که این‌گونه بارها دارای منحنی مشخصه توان متغیر نیز هستند. (رابطه توان با گشتاور و سرعت بدین صورت است: HP[2]∝Torque*Speed) در یک کاربرد گشتاور ثابت، توان مکانیکی به صورت مستقیم با سرعت متناسب است. به عنوان مثال در یک بار مشخص، در 50% سرعت نامی، 50% توان مکانیکی متناظر با سرعت نامی، مورد نیاز است.

در حالی که توان مصرف شده توسط موتور به صورت مستقیم با سرعت تغییر می ­کند، گشتاور مورد نیاز برای به حرکت در آوردن بار، ثابت باقی می­ ماند. در واقعیت ممکن است که بار از محدوده بالاتر از گشتاور نامی (100%) تا زیر گشتاور نامی و هر نقطه ­ای در میانه این بازه تغییر کند، تا این که موتور به سرعت کامل و پایدار برسد. در بسیاری از موارد گشتاوری به اندازه 150% گشتاور نامی مورد نیاز است تا این که بتوان بار را از حالت سکون به حرکت واداشت.

در شکل 1، خط چین مربوط به گشتاور 150% ظرفیت اضافه بار احتمالی مورد­نیاز برای موتور و راه انداز را نشان می­ دهد، البته اگر موتور و راه انداز به چنین باری متصل شده باشند. در واقع موتور و راه انداز برای مدت کوتاهی و در حد چند ثانیه موظف به ایجاد یا تحمل این اضافه گشتاور هستند.

بسیاری از کاربردهای صنعتی در گروه بارهای گشتاور ثابت قرار می­ گیرند. نوار نقاله یک مثال ابتدایی می­ باشد. یک آسیاب گلوله‌ای[3] در کارخانه سیمان مثال دیگری از این گروه بارها است. شکل 2 فرآیند آسیاب کردن سنگدانه­ ها و تبدیل شدن آنها به پودر سیمان را نمایش می­ دهد.

راه انداز AC , بار مکانیکی , گشتاور , سرعت , توان

شکل 2. آسیاب گلوله‌ای در کارخانه سیمان

در شکل 2 درجه آسیاب شدن کلوخ‌ های سیمان توسط سرعت موتور و به وسیله راه اندازهای AC کنترل می­ شود. سرعت‌های پایین ­تر از 120 دور در دقیقه باعث می­ شوند که در داخل سیلندر آسیاب گلوله‌ای مواد اولیه ابتدا به ذرات کوچک تر و در نهایت به مواد پودری گرانولی شکل تبدیل شوند.

گشتاور مورد انتظار بار از موتور، در محدوده سرعت صفر تا سرعت نامی می ­تواند ثابت باشد. البته گشتاور بالاتر از ظرفیت نامی جهت راه‌اندازی اولیه و واداشتن آسیاب به دوران در ابتدای کار مورد نیاز است. میزان این گشتاور بالاتر از مقدار نامی برای راه ­اندازی آسیاب، با باری که درون آسیاب قرار دارد متناسب است.

دستگاه روزن‌ران[4] نیز در گروه بارهای از نوع گشتاور ثابت قرار می­ گیرد. یک روزن‌ران معمولی، برای مثال روزن‌ران پیچی[5] در صنعت تزریق پلاستیک، معمولاً نیاز به ظرفیت اضافه بار دارد. به ویژه هنگامی که پلاستیک خام تا حدودی خنک شده باشد و دیگر در حالت روان نباشد.

شکل 3 یک روزن‌ران پیچی را نشان می ­دهد. در شکل 3، راه اندازهای AC وظیفه تغییر سرعت موتور را بر عهده دارد. موتور پره ­های مارپیچ را با سرعتی تنظیم شده بر اساس دمای پلاستیک یا میزان تولید و اندازه قالب (اندازه منافذ خروجی) به حرکت در می آورد. راه اندازهای AC سطح بالایی از بهره ­وری را در کنار دقتی پایدار در فرآیند تولید ارائه می‌کنند.

راه انداز AC , بار مکانیکی , گشتاور , سرعت , توان

شکل ۳. ساختار دستگاه روزن‌ران پلاستیک

کاربرد دیگری از نوع گشتاور ثابت که می­ توان مثال زد، استفاده از ترکیب یک ساختار تغذیه دورانی صفحه گردان[6] و یک نوار نقاله است. شکل ۴ یک صفحه تغذیه گردان را نشان می­ دهد، که هر دوی حرکت ­های خطی (نوار نقاله) و دورانی (صفحه تغذیه گردان) را با یکدیگر ترکیب کرده است. همان گونه که در شکل ۴ پیدا است، میزان دبی انتقال گرانول‌ها از تغذیه کننده صفحه گردان به نوار نقاله، می تواند توسط سرعت موتور کنترل شود که آن نیز به نوبه خود توسط راه اندازهای AC کنترل می­ شود.

این نوع کاربرد برای راه اندازهای AC به واسطه قابلیت راه انداز در تنظیم ­کردن دقیق سرعت موتور بسیار مؤثر است. با کنترل دقیق سرعت موتور، مقدار بهینه‌ای از گرانول‌ها می توانند بر روی نوار نقاله توزیع شوند، که این مواد در مرحله بعدی می­ توانند برای مثال وارد فرآیندهای حرارتی یا روکش[7] شوند.

راه انداز AC , بار مکانیکی , گشتاور , سرعت , توان

شکل ۴: دستگاه میز گردان تغذیه

2- کاربردهای توان ثابت

در این گروه از بارها، گشتاور مورد ­نیاز بار با ابعاد فیزیکی آن (مثلاً قطر قطعه کار در حال تراش یا قطر رول در حال پیچیده شدن) که به صورت پیوسته و در حین کار در حال تغییر است، ارتباط دارد. دستگاه‌های جمع کننده[8] ورق کاغذ و فویل، یا ماشین‌تراش و براده ­بردار[9] در این گروه از بارها جای می‌گیرند.

این دستگاه‌ها در کنار توان مکانیکی ثابت، در سرعت های پایین، گشتاور بالا و در سرعت ­های بالا، گشتاور پایین را می‌طلبند. در سرعت‌های بالاتر از سرعت پایه، گشتاور با سرعت نسبت معکوس دارد (Torque∝1/Speed) شکل ۵ منحنی مشخصه بار توان ثابت را نشان می­ دهد. کاربردهایی از این نوع معمولاً در محدوده بالای سرعت پایه و پایین سرعت پایه کار می­ کنند.

در حقیقت ماهیت این نوع از کاربردها ایجاب می­ کند که همزمان با افزایش یا کاهش گشتاور مورد نیاز بار، سرعت آن نیز به ترتیب کاهش یا افزایش یابد، که به معنی ثابت بودن توان خواهد بود.

راه انداز AC , بار مکانیکی , گشتاور , سرعت , توان

شکل ۵: منحنی مشخصه بارهای توان ثابت

برای مثال ماشین براده ­بردار را می­ توان نام برد. همان گونه که در شکل ۶ نشان داده شده است، زمانی که ابزار براده­ برداری در حال تراش از روی سطح مقطع بزرگ تر است (شکل سمت چ‍پ)، سرعت پایین ولی مقدار گشتاور بیشتری مورد نیاز است (محدوده کاری پایین­تر از سرعت پایه).

هنگامی که قطر قطعه کار به نزدیکی­ های قطر مطلوب می ­رسد (شکل سمت راست)، سرعت زیاد می ­شود و لازم است که ابزار براده ­برداری مقدار کمتری ماده را از سطح قطعه کار جدا کند پس همزمان مقدار گشتاور کمتری نیز مورد نیاز است (محدوده کاری بالاتر از سرعت پایه). در واقع در این کاربرد از آغاز کار براده ­برداری تا رسیدن قطر قطعه کار به اندازه مطلوب، فرآیند کاهش گشتاور و افزایش سرعت به صورت پیوسته در حال انجام است، که منجر به ثابت بودن توان بار می­ شود.

راه انداز AC , بار مکانیکی , گشتاور , سرعت , توان

شکل ۶. ماشین ابزار تراش (سطح مقطع قطعه کار)

مثال دیگری از یک کاربرد توان ثابت، پیچنده یا جمع کننده دوران مرکزی[10] است. همان گونه که در شکل ۷ مشاهده می­ شود، اصولاً سناریوی مشابهی مانند ماشین ابزار تراش برای این کاربرد هم وجود دارد (عملکرد در محدوده بالا و پایین سرعت پایه). زمانی که رول پیچنده در ابتدای فرآیند، آغاز به کار می ­کند اینرسی خیلی پایینی وجود دارد.

این بدین معنی است که گشتاور کمی برای راه­ اندازی فرآیند پیچیدن مورد ­نیاز است، در نتیجه سرعت بالای دورانی ایجاد می­ شود. به محض اینکه فرآیند پیچیدن آغاز می ­شود، رفته رفته افزایش میزان اینرسی بر اثر افزایش وزن و سطح مقطع رول مشاهده می­ شود، یعنی گشتاور بیشتری مورد ­نیاز است، در نتیجه برای ثابت ماندن سرعت خطی (ν=ω*r) و در نتیجه کشش مواد با توجه به افزایش شعاع رول، سرعت دورانی کاهش می‌یابد.

راه انداز AC , بار مکانیکی , گشتاور , سرعت , توان

شکل ۷. دستگاه پیچنده یا جمع کننده دوران مرکزی

برای جمع کردن یک‌دست و یکنواخت رول نیاز به کنترل هم‌زمان سرعت و گشتاور داریم. کنترل سرعت به تنهایی نمی تواند به این امر کمک کند. گشتاور کم باعث جمع شدن مخروطی یا ناهمگون ورق یا فویل می­ گردد که در سطح مقطع رول مشهود خواهد بود و گشتاور بالا باعث کشش ورق و در بدترین حالت می­ تواند باعث پارگی آن شود.

از آن جایی که سرعت و گشتاور در این کاربرد بر روی همدیگر برهمکنش دارند، از این رو الزاماً تنها به روش ساده کنترل سرعت نمی توان آن را انجام داد. موتورهای DC‌ به علت قابلیت کنترل همزمان سرعت و گشتاور، در گذشته از راه‌حل‌های پیشنهادی بودند. هم­اینک مدل‌های جدید راه اندازهای AC‌ که بر اساس کنترل گشتاور یا کنترل برداری کار می‌کنند این امکان را به موتورهای AC نیز داده ­اند که در چنین کاربردهایی مورد استفاده قرار گیرند.

3- کاربردهای گشتاور متغیر

در این نوع از کاربردها یا بارها، در سرعت­ های پایین­تر از سرعت پایه، گشتاور مورد نیاز با مربع سرعت (Speed2) متناسب است. همچنین به این نکته باید توجه شود که در این بازه توان مکانیکی مورد نیاز هم با مکعب سرعت (Speed3) متناسب است. به واسطه وجود چنین روابطی میان پارامترهای این نوع از بارها، گاهی از آنها تحت عنوان کاربردهای مکعب نمایی [11] نیز یاد می­ شود. شکل 8 منحنی مشخصه باری از این نوع را نشان می­ دهد.

بارهایی از این دست (برای مثال فن­ ها و پمپ­ های سیالات) گزینه ­های اصلی برای ایجاد صرفه ­جویی در انرژی[12] با استفاده از راه اندازهای AC می­ باشند. همان گونه که در شکل 8 مشاهده می­ شود، برای دستیابی به دبی 50%، فقط 12.5% یا به طور معادل توان مکانیکی نامی مورد نیاز است.

همچنین باید به این موضوع توجه شود که معمولاً منحنی­ های گشتاور و سرعت در نقطه 100% با یکدیگر تلاقی می­ کنند (سرعت 100% متناظر است با گشتاور، دبی و توان مکانیکی 100%). از آن جایی که افزایش سرعت موتور توسط راه انداز کار راحتی است، مصرف­ کننده ­ها ممکن است جهت دستیابی به CFM[13] خروجی بیشتر تمایل به افزایش سرعت در محدوده بالاتر از سرعت پایه داشته باشند. این موضوع به دلیل محدودیت­ های مکانیکی موتور و منحنی مشخصه بار معمولاً توصیه نمی ­شود.

راه انداز AC , بار مکانیکی , گشتاور , سرعت , توان

شکل 8: منحنی مشخصه بارهای گشتاور متغیر

جهت دستیابی به سرعت ­های بالاتر از سرعت پایه، فرکانس خروجی بیشتری باید توسط راه انداز ایجاد شود. برای ایجاد فرکانسی در خروجی که مقداری از فرکانس پایه بیشتر است، منحنی ­های گشتاور و توان مکانیکی باید از مسیر طبیعی ­ای که با خط چین در شکل 8 نشان داده شده است پیروی کنند.

همان گونه که در این شکل نشان داده شده است، تنها اندکی افزایش در فرکانس خروجی باعث ایجاد افزایش قابل توجهی در گشتاور و توان مکانیکی مورد نیاز می ­شود، اگرچه دبی با پیروی از یک الگوی نسبتاً خطی افزایش می یابد.

این افزایش قابل­ ملاحظه در گشتاور و توان مکانیکی موتور، همزمان با این مسأله که گشتاور موتور به صورت طبیعی در سرعت­ های بالاتر از سرعت پایه کاهش می ­یابد نیز مصادف می­ شود. نتیجه نهایی این است که یک تغییر جزئی در فرکانس خروجی راه انداز سبب افزایش قابل ملاحظه ­ای در گشتاور و توان درخواستی از موتور می ­شود، و در همین حین گشتاور تولیدی موتور نیز به سرعت افت پیدا می­ کند.

امروزه تقریباً تمامی سامانه­ های فن تولید شده، این پدیده را در نظر می ­گیرند. به ندرت پیش می­ آید که بخواهیم از یک فن در سرعت­ های بالاتر از سرعت پایه استفاده کنیم، مگر اینکه جزییاتی همچون تغییر ابعاد کانال و سایز موتور در آن دیده شود.

از آنجایی که فن­ ها در سامانه­ های تهویه مطبوع [14] برای کار در محدوده سرعت­ های کمتر از سرعت پایه طراحی می­ شوند، ظرفیت اضافه بار مورد نیاز معمولاً 10% در نظر گرفته می ­شود. راه اندازهای AC که بر اساس استاندارد NEMA [15] طراحی و ساخته می ­شوند، اجازه عبور جریانی برابر 110% جریان نامی به ­مدت 1 دقیقه را به عنوان قابلیت اضافه­ بار فراهم می ­کنند.

همان گونه که در مباحث بالا به آن اشاره شد، این نوع از کاربردها دارای دو مثال اصلی می­ باشند: فن­ ها و پمپ­ های مایعات، نوع گریز از مرکز [16].

شکل 9 کاربرد یک فن تهویه مطبوع را نشان می­ دهد.

در این مثال، مشاهده می­ کنیم که فن گریز از مرکز توسط یه تسمه به موتور متصل شده است. ورودی هوا این امکان را فراهم می­ کند که هوا وارد ساختار فن شود. بسته به وضعیت تعدیل­ کننده [17] خروجی (باز، نیمه ­باز، بسته)، فن میزان هوایی که توسط سامانه کنترل مشخص شده است را در خروجی ایجاد خواهد کرد، موقعیت تعدیل­ کننده معمولاً توسط یک محرک [18] کنترل می­ شود.

راه انداز AC , بار مکانیکی , گشتاور , سرعت , توانشکل 9: کاربرد فن در سامانه تهویه

در شکل بالا، ناحیه خط چین یک کنتاکتور سه فاز و یک رله اضافه بار که از موتور در برابر اضافه جریان ممتد محافظت می­ کند را نشان می ­دهد. همچنین نشان داده شده است که تجهیزات قرار گرفته در ناحیه خط چین می­ توانند با یک راه انداز AC نیز جایگزین شوند.

همان طور که می ­تواند تصور شود، یک فن در تمام طول 24 ساعت شبانه ­روز بطور پیوسته کار می­ کند. فارغ از وضعیت تعدیل­ کننده، فن همواره با سرعت نامی کار می­ کند، چرا که وسیله ­ای وجود ندارد تا بتواند سرعت آن را کنترل کند (حالت بدون استفاده از راه انداز). وسیله­ ای که دبی هوا را کنترل می­ کند یعنی تعدیل­ کننده، هیچ تأثیری بر روی سرعت فن و موتور ندارد. این روش کنترل دبی متغیر، راندمان خیلی کمی دارد. شکل 10 یک نمودار از نحوه عملکرد فن بر اساس سامانه نشان داده شده در شکل 9 را نشان می­ دهد. در این شکل منحنی فن، منحنی مربوط به یک فن سرعت-ثابت را نشان می­ دهد (خط پیوسته).

منحنی سامانه، وضعیت تعدیل ­کننده خروجی و همچنین ابعاد و شکل کانال هوا را نشان می­ دهد. در این سامانه سرعت-ثابت، جهت کاهش دبی هوا محرک باید تعدیل ­کننده خروجی را به سمت بسته شدن ببرد، در نتیجه هوای خروجی را محدود می­ کند. اگر دبی هوای 50% مدنظر باشد، موقعیت تعدیل­ کننده خروجی باید توسط محرک تنظیم شود، که به نوبه خود منحنی مشخصه سامانه را تغییر می ­دهد (با خط چین نشان داده شده است).

هوای خروجی کاهش می­ یابد، ولی فشار هوا در کانال­ ها افزایش یافته است، که خود به معنی افزایش بار بر روی موتور است. این بار اضافی بدین معنی است که برای دبی هوای کمتر توان مکانیکی بیشتری مورد نیاز است و در نتیجه مصرف انرژی الکتریکی بیشتری را می توان انتطار داشت.

حال اگر مجموعه کنتاکتور راه ­اندازی و رله اضافه­ بار با یک راه انداز AC فرکانس متغیر جایگزین شوند، تعدیل­ کننده خروجی باید در موقعیت کاملاً باز قفل شود (خط­ چین مربوط به باز بودن 100% تعدیل­ کننده). در این حالت برای هر فرکانس خروجی مربوط به راه انداز AC یک منحنی جدید به عنوان منحنی فن، خواهیم داشت (نشان داده شده توسط خط چین).

همان گونه که مشاهده می ­شود، جایی که منحنی مشخصه جدید فن با منحنی مشخصه ثابت سامانه تلاقی می کند، درصد متفاوتی از دبی خروجی حاصل می ­شود. همچنین می ­توان مشاهده کرد که مقدار فشار هوا در کانال ها هرگز از 100% فراتر نمی­ رود.

راه انداز AC , بار مکانیکی , گشتاور , سرعت , توان

شکل 10. عملکرد فن گریز از مرکز

در اصل اگر فشار کمتری در کانال­ ها وجود داشته باشد، موتور به سختی کار نمی­ کند و در مصرف انرژی در قیاس با عملکرد سرعت-ثابت فن صرفه­ جویی می­ شود. اصول مشابهی در کاربرد پمپ گریز­ از مرکز نیز برقرار است. استفاده از یک پمپ در سرعت­ های پایین به طور قطع یک مزیت است، چرا که منجر به مصرف انرژی کمتر می­ شود.

با این حال هنگامی که کاهش سرعت مد نظر است، راندمان بهینه پمپ نیز باید مدنظر قرار داده شود. پمپ­ ها دارای مناطق جزیره­ای کارآیی[19] حول نقطه تلاقی منحنی مشخصه پمپ و سامانه هستند. اگر پمپ در خارج از محدوده جزایر کارآیی خود به کار گرفته شود، تمام صرفه­ جویی انرژی صورت گرفته می ­تواند از دست برود.

4- خلاصه

امروزه راه اندازهای AC در اکثر کابردهای صنعتی یافت می شوند، شناخت بارهای مختلف و انتخاب راه انداز متناسب با نوع بار جهت برآورده کردن نیازهای هر کاربردی و همچنین صرفه­ جویی در انرژی از اهمیت ویژه ای برخوردار است. بارهای مکانیکی را می­ توان از نقطه نظر منحنی مشخصه گشتاور-سرعت در سه گروه گشتاور ثابت، توان ثابت و گشتاور متغیر دسته­ بندی کرد.

امروزه در مشخصات راه اندازهای AC شاخصی وجود دارد تحت عنوان ظرفیت اضافه بار که بطور خلاصه با عبارت­ های HD[20] و ND[21] به آنها اشاره می ­شود.

این مشخصه­ ها دقیقاً ارتباط مستقیم با نوع بار مکانیکی دارند. در بارهای مکانیکی نوع گشتاور ثابت و توان ثابت، به دلیل ماهیت بار و شرایط راه اندازی و کارکرد دایم، انتظار ارایه ظرفیت اضافه بار بیشتری از جانب راه انداز وجود دارد (معمولاً 150%) و در بارهای گشتاور متغیر و در شرایط کارکرد عادی، ظرفیت اضافه بار کمتری مورد نیاز خواهد بود (معمولاً 120 درصد).

مراجع:

پی نویس:

[1] Drive

[2] Horse power

[3] Ball Mill

[4] Extruder

[5] Screw Extruder

[6] Rotating Feed Turntable

[7] Coating

[8] Winder

[9] Lathe

[10] Center Driven Winder

[11] Cubed Exponential

[12] Energy Saving

[13] Cubic Feet per Minute

[14] HVAC

[15] National Electrical Manufacturers Association

[16] Centrifugal

[17] Damper

[18] Actuator

[19] Efficiency Islands

[20] Heavy Duty

[21] Normal Duty

برای امتیاز به این نوشته کلیک کنید!
[کل: 0 میانگین: 0]

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *