كيفية اختيار محرك الجر المناسب لحمل معين
تتمتع وسائل التحريك الكهربائي بمميزات متعددة لذلك فهي أفضل وسائل التحريك والتدوير المستخدمة في أغلبية ال الصناعية.
د. عادل متولي سالم
العنصر الرئيسي في هذه الوسائل هو المحرك الكهربائي الذي له مميزات عديدة أهمها.
- ملائمته التنمية والاقتصادية للمتطلبات الخاصة في ال الصناعية.
- يمكن تصميمه بقدرات متفاوتة تتراوح من جزء من الألف من الوات إلى عشرات الآلاف من الكيلو وات.
- ذو مدى كبير في السرعة يتراوح من خمسين لغة في الدقيقة إلى عشرين ألف لغة في الدقيقة.
- إمكانية التنظيم والتحكم في السهل في سرعة الدوران.
- سهولة بدء حركته وإيقافه وعكس أنحاء دوراته.
- لا يحتاج إلى وقت لتجهيزه للعمل.
- سهولة صيانته وقلة لغتها.
العوامل التي يجب مراعاتها عند اختيار المحرك الكهربائي
اختيار المحرك الكهربائي يعتمد على الظروف التي سيعمل تحتها ونوع العمل الذي سيحركه.
فهناك عدة عوامل يجب مراعاتها عند اختيار المحرك الكهربائي ليناسب أحد ال الصناعية وأهمها:
الخواص الكهربائية
- خواص بدء الحركة من حيث قبعة كل من عزم بدء الحركة وتيار بدء الحركة.
- خواص المحرك أثناء التشغيل، العلاقة بين عزم الدوران والسرعة، العلاقة بين السرعة والتيار، المفقودات، الكفاءة..ألخ..
ج- مدى التحكم في سرعة الدوران أثناء التشغيل.
د- كيفية إيقاف المحرك وفرمانه.
اعتبارات ميكانيكية
- نوع الغلاف الخارجي للمحرك. وكيفية ونوع التبريد المستخدم للمحرك.
- نوع الكراسي المستخدمة.
ج- كيفية نقل الحركة بين المحرك والعمل.
د- مستوي الضوضاء الذي بصدره المحرك.
حجم المحرك والقدرة المصمم عليها
- متطلبات التحميل من حيث إنه مستمر أو قصير الأمد أو متقطع.
- مقدرة المحرك للتعامل مع أحمال زائدة عن قدرته المقننة.
تكلفة المحرك
- من حيث التكلفة الابتدائية وتكلفة التشغيل، بالإضافة إلى العوامل السابقة يجب أن نأخذ في الاعتبار نوع التيار المستخدم. من حيث كونه نهارًا مستمرًا أو مترددًا أحادي أو ثلاثي الأوجه.
مما سبق يتضح أن هناك عوامل كثيرة يجب اعتبارها عند اختبار محرك لقيادة حمل معين، وبالرغم من أن تكلفة المحرك، جاءت في آخر القائمة السابقة، إلا أن القرار الأخير في اختبار المحرك. يتوقف عليها بدرجة كبيرة، المحرك المطلوب اعتباره يجب أن يلبي كل متطلبات العمل الثانية، وفي نفس الوقت يجب ألا يكون عالي الكلفة حتى يكتب له النجاح من الناحية الاقتصادية، في الواقع فإن كيفية الاختبار المرفق للمحرك يتطلب دراسة دقيقة وتحليل لخواص المحرك والعمل معًا، بالإضافة إلى الدراية الثانية يجعل نظام التحريك وأجهزة التحكم المطلوبة التي يمكن أن تحتوي على أجهزة مبتدئي التيار تغيير التردد.
العوامل سالفة الذكر وتأثيرها على أنواع المحركات المختلفة، سوف تناقش بالتفصيل كل على حدة في الجزء التالي، لتوضيح تأثيرها كل منها.
الاعتبارات الميكانيكية
- نوع الغلاف المستخدم الهدف الرئيسي من الإطار الخارجي للمحرك، هو لتوفير الحماية ليس فقط للأشخاص والعاملين، ولكن أيضا لتوفير الحماية للمحرك نفسه ضد الرطوبة والأوساخ والأتربة والأجسام الغريبة-وما قد يثرب للمحرك من أبطرة ومواد قابلة للاشتعال.
- النوع المفتوح.
- النوع المحمي بشبكة.
- النوع المحمي ضد تتأثر السوائل والغبار.
- النوع المحمي ضد الأمطار.
- النوع المقفل ذو التبريد الذاتي.
- النوع المقفل ذو التبريد المنفصل.
- النوع المزود بأنابيب للتبريد.
- النوع المصمم ضد الانفجار.
- نوع الكراسي المستخدمة: هناك نوعان من الكراسي المستخدمة في المحركات الكهربائية وهما: كراسي المحور الكروية وكراسي المحور الإسطوانية.
- كراسي المحور الكروية: تستخدم في المحركات التي تصل قدرتها حتى مائة حصان، وهي تفضل عن الأنواع الأخرى بسبب فوائدها العديدة التي أهمها: قلة مفقودات الاحتكاك، تحتاج لصيانة أقل، وتدوم أطول من الكراسي الأخرى، كما أن استخدامها في المحركات الحثية يتيح إمكانية تصغير الثغرة الهوائية بين الثابت والدوار، إلا أن عيوبها الرئيسية: هي كلفتها العالية والضوضاء التي تحدثها خصوصًا عند السرعات العالية.
- كراسي المحور الإسطوانية: وتمتاز بهدوء الصوت، وتستخدم في المحركات التي تعمل في الأماكن التي يجب الحرص على تقليل مستوي الضوضاء فيها، كالمستشفيات والمكاتب والقاعات الدراسية.
ج- كيفية نقل الحركة: يجب نقل القدرة الميكانيكية المتولدة على محور المحرك لقيادة الحمل الميكانيكي، فهناك طرق عديدة لقيادة الحمل وأهمها:
– القيادة المباشرة: في هذا النوع من القيادة، وهو أبسط طريقة لقيادة الحمل، يوصل المحرك بالحمل مباشرة بواسطة ازدواج ميكانيكي صلب أو مرن، وصلة الازدواج المرنة تتيح إمكانية عدم تطابق المحورين أفقيًا أو رأسيًا في حدود قليلة.
تستخدم القيادة المباشرة فقط عندما تكون سرعة الحمل مساوية لسرعة المحرك.
- القيادة بواسطة السيور المبططة: يمكن بواسطتها نقل قدرة حتى مثنين وخمسين كيلو وات، ويستحسن عند استخدام هذه الطريقة أن تكون أقل مسافة بين محور البكرتين مساوية لأربعة إلى خمسة أضعاف قطر البكرة الكبرى.
وبحيث تكون أقصى نسبة بين قطري البكرتين هي 6: 1، كما يوجد في هذه الحالة انزلاق في حدود ثلاثة إلى أربعة في المئة، من عيوب هذه الطريقة أنها تحتاج لمساحة كبيرة، كما أن السيور تبذل شدًا جانبيًا على الكراسي مما يتسبب في زيادة المفقودات الاحتكاكية بها وتأكلها.
- القيادة بواسطة السيور التي على شكل: V في هذا النوع تستخدم مجموعة من السيور على شكل V، بين بكرتين بهما مجار على نفس الشكل، وتستخدم هذه الطريقة لنقل العزوم الكبيرة التي تفوق قدرة السيور المبططة، كما أنها تعمل بانزلاق صغير يمكن إهماله.
- القيادة بواسطة السلاسل: هذه الطريقة أكثر كفاءة وتستخدم في السرعات العالية، إلا أن كلفها أكبر، ولكنها تحتاج لمساحة أقل من سابقتيها، حيث تكون المسافة المطلوبة بين محور البكرتين. من مرة ونصف إلى مرتين من قطر البكرة الكبرى. وتستعمل في الأماكن الرطبة وكثيرة الغبار بحيث تكون السلاسل محمية بواسطة غطاء خاص بها، كما يجب أن يكون المحوران متوازيين تمامًا. لتفادي الشد الجانبي على محور البكرتين.
- القيادة بواسطة صندوق التروس: تستخدم هذه الطريقة عندما يستعمل محرك ذو سرعة عالية لقيادة حمل ذي سرعة بطيئة، ويبني المحرك في هذه الحالة وبداخله صندوق التروس بنسبة التحويل المطلوبة لتغيير السرعة.
د- مستوي الضوضاء الذي يصدره المحرك: الضوضاء تنتج دخل المحرك للأسباب الآتية:
أ- المجال المغناطيسي المتردد داخل الآلة. وما يسببه من اهتزازات في شرائح الحديد وجسم المحرك.
ب- حركة الهواء داخل الآلة.
ج- الاحتكاك في الكراسي.
يجب خفض مستوي الضوضاء إلى أقل مستوي ممكن، خصوصًا في المحركات التي تستخدم في المستشفيات والمكاتب والمسارح والقاعات الدراسية، ولخفض انتقال الضوضاء من المحرك إلى الأماكن الأخرى، يجب استعمال قواعد تثبيت مطاطية أو زنبركات حلزونية لتثبيت المحرك وامتصاص الاهتزازات.
حجم المحرك وقدرته المقننة
العوامل التي تتحكم في حجم وقدرة المحرك هي أقصى درجة حرارة يصل إليها المحرك أثناء الخدمة تحت ظروف تشغيل الحمل، من حيث أنه مستمر أو متقطع أو قصير الأمد، وأقصى عزم دوران مطلوب من المحرك. وقد وجد أن المحرك الذي يحقق الشرط الأول الخاص بدرجة الحرارة، يحقق أيضًا الشرط الثاني الخاص بالعزم المطلوب. والجدير بالذكر هنا أن أقصى درجة حرارة يتم تصميم المحرك على أساسها تعتمد على نوع المواد العازلة المستخدمة في المحرك وتصنف هذه المواد العازلة إلى أنواع حسب درجة الحرارة القصوى التي تتحملها.
- متطلبات التحميل من حيث أنه مستمر أو قصير الأمد أو متقطع:
يتم عادة تصميم المحركات الكهربائية على أساس مقدار الزمن الذي تعمل فيه الآلة بالحمل المطلوب وكذلك مقدار الزمن الذي تكون فيه الآلة متوقفة عن العمل بدون حمل، على هذا الأساس فإن القواعد التي تتبع لاختيار المحركات الكهربائية تشير لإمكانية تصنيف المحركات حسب خطة التشغيل الزمني لها، وما يلي بعض أنواع التشغيل للمحركات:
- التشغيل المستمر: تحتاج الآلة العامة لأداء وظيفتها في هذه الحالة إلى تشغيل المحرك بالحمل الكامل وبصفة مستمرة بحيث تصل درجة الحرارة في جميع أجزاء المحرك إلى قيمتها القصوى التي تم تصميم المحرك على أساسها ولا تتعداها مع استمرار التشغيل لأية فترة بعد ذلك الشكل (A1).
- التشغيل قصير الأمد: تعمل الآلة العاملة في هذا النوع من التشغيل بفترات تشغيل متفرقة تمتد كل منها على فترة زمنية محددة، بحيث لا تتعدى درجة الحرارة في جميع أجزاء المحرك قيمتها القصوى التي تم تصميم المحرك على أساسها خلال أي فترة من فترات التشغيل، كما أن فترة الراحة التي تفصل بين فترتي تشغيل تكفي لكي يبرد لمحرك ويأخذ درجة حرارة الجو المحيط به، ويطلق على حمل المحرك الذي يعطيه خلال فترة التشغيل اسم الحمل الأمدي (الحمل ذي الفترة المحددة) وهو يقترن دائما بفترة التشغيل، فيقال مثلًا محرك عشرون حصانًا-ثلاثون دقيقة، الشكل (B1).
ج- التشغيل المتقطع: يكون تشغيل المحرك في هذه الحالة لفترات قصيرة تتخللها فترات من الراحة يتوقف فيها المحرك تمامًا، لكن فترتا الراحة هذه لا تكفي لكي تنخفض درجة حرارة المحرك إلى الدرجة المطلوبة (وهي درجة حرارة الجو المحيط)، لكنها تنخفض بعض الشيء لكي تعاود الارتفاع في فترة التشغيل التالية إلى درجة حرارة أعلى منها في فترة التشغيل السابقة، وهكذا دون أن تتعدى درجة الحرارة في جميع أجزاء المحرك قيمتها القصوى، تحدد فترة التشغيل (To) بالدقيقة مثلًا، كما تحدد فترة الراحة أو السكون (Ts) بالدقيقة أيضًا، بحيث لا يتعدى أمد الدورة (Ta) حيث (Ta=To+Ts. عشر دقائق بأية حال من الأحوال. وتسمى النسبة بين زمن فترة التشغيل وأمد الدورة (To/Ts) بفترة التوصيل النسبية.
ويطلق اسم الحمل المقنن على الحمل الذي يمكن تشغيل المحرك به على النحو السالف الذكر، لأية فترة زمنية مهما بلغت من الطول، دون أن يتعدى المحرك درجة الحرارة القصوى المسموح بها، الشكل (C1).
د- التشغيل المتواصل بفترات تحمل قصيرة الأمد: بعد تحميل المحرك لفترة زمنية قصيرة الأمد، يترك في حالة دوران بدون حمل مدة كافية بحيث تهبط درجة حرارته إلى الحد الذي تكون عليه عند دورانه بصفة مستمرة بدون حمل، الشكل (D1).
هـ- التشغيل المتواصل بفترات تحميل متقطعة: يمر المحرك بفترات متعاقبة من التشغيل بالحمل الكامل والدوران بدون حمل، بدلا من السكون كما في حالة التشغيل المتقطع، الشكل (E1).
ب- مقدرة المحرك على التعامل مع أحمال زائدة عن قدرته المقننة:
يجب على المحرك الكهربائي أن يحقق غرضين أساسيين مهما اختلفت طريقة تشغيله وهما:
- ألا تتعدى درجة حرارته أثناء التشغيل بأي حال من الأحوال درجة الحرارة القصوى التي تم تصميم المحرك على أساسا، طبقًا للمواصفات القياسية التي تم تنفيذ تصميمه عليها.
- يجب أن يكون المحرك قادرًا على توليد عزم الدوران الذي تحتاجه الآلة عند سرعة الدوران المطلوبة.
تصمم المحركات عادة بحيث يمكنها أن تعطي عزما أكبر من عزم الحمل الكامل بحوالي مرة ونصف إلى مرتين، ويسمى أقصى عزم في هذه الحالة بعزم التعثر. فكثيرًا ما نجد أن المحرك الكهربائي أثناء تشغيله بصفة مستمرة يتعدى درجة الحرارة القصوى التي تم تنفيذ تصميمه على أساسها، وذلك عند تجاوز عزم الحمل الكامل، ولكن دون أن يتعدى عزم التعثر. وهذا يعني أن الفيصل في وضع حدود التشغيل يكون عادة درجة الحرارة القصوى التي لا يجب أن يتعداها المحرك، قبل الزيادة المحتملة في قيمة عزم الدوران الذي يمكن أن تحتاج إليه الآلة العاملة.
هذا وعندما يصمم المحرك الكهربائي على أساس التشغيل المتواصل بقدرة معينة، فإن المحرك يبلغ درجة حرارته القصوى عند تشغيله بهذه القدرة، ويظل محتفظًا بها مهما طال وقت تشغيله، فإذا تم تشغيل المحرك بنفس هذه القدرة تشغيلًا قصير الأمد أو تشغيلًا متقطعًا، فمن الواضح أن المحرك لن يبلغ درجة حرارته القصوى، وذلك بسبب فقرات التوقف التي تنخفض درجة حرارته أثناءها، هذا يعني أننا نستطيع تشغيل المحرك على أي نحو من النحوين المذكورين بحمل يزيد على الحمل الكامل، ولكن يجب أن نراعي ألا يتعدى عزم الدوران الذي يؤخذ من المحرك عزم التعثر، أي أن الفيصل في وضع حد للزيادة في الحمل التي يمكن أن نتجاوز بها الحمل الكامل في هذه الحالة هو عزم التعثر، وليست درجة الحرارة القصوى كما كان الأمر في الحالة السابقة.
4- تكلفة المحرك: بالرغم من أن تكلفة المحرك جاءت في آخر القائمة، إلا أنها العامل الأكثر أهمية في اختيار المحرك، عند حساب التكلفة الكلية لنظام التحريك يجب الأخذ في الاعتبار:
أ. التكلفة الابتدائية.
أأ. الكلفة التشغيل والصيانة: وتشمل أيضًا حساب التناقص في قيمة الآلة العاملة. مع الأخذ في الاعتبار للعمر الافتراضي للمحرك.
كما أن كلفة التشغيل تتأثر بالمفقودات داخل الآلة وبمعامل القدرة.
