בחירת מנועים למפוחים

בחירת מנועים להנעת מפוחים – איך בוחרים מנוע להנעת מפוח?

הדרכה לבחירת מנועי זרם חילופין המיועדים להתגבר על כח ההתמדה של מפוחים:

מאחר וההספק הנדרש בזמן התנעת המפוחים ועד הגעתו למספר הסיבובים הנדרש הינו בסדר גודל של פי חמש מהזרם הנומינלי של המנוע וכמו כן מדובר בהנעת גופים עם אנרציה גבוהה יחסית. נשאלת השאלה מהו המומנט הדרוש לשם האצת המפוח למהירות מלאה בזמן סביר תוך הגנה על המנוע מפני זרמי יתר?

דפים אלו באים לתת תיאור של השיטות לפיהן נהוג לחשב את הזמן הנדרש להאצת המנוע תחת העומס הקשה. הנתונים הנדרשים לחישובים הנ"ל מסופקים על ידי יצרני המנועים ויצרני המפוחים. יצרן המפוחים יספק את אנרצית מאיץ המפוח מבוטא ב-WR2, אנרציה זאת מחושבת באמצעות חישוב משקל מאיץ המפוח ומרחק מרכז הכובד מהציר הסיבובי.

כמו כן, יספק יצרן המפוחים נתונים על הספק הבלימה (BHP) ומספר סיבובים בו יסתובב המפוח עד לקבלת הנתונים הנדרשים. יצרן המנועים יספק לצורך החישובים הנ"ל עקומות המתארות את התלות בין עקומת התפתחות המומנט שמפתח המנוע ביחס לאחוז העומס המלא, וכן עקומות המבטאות את אחוז המהירות ביחס למהירות הסינכרונית של המנוע במומנט מלא. כמו כן יספק יצרן המנועים את אנרצית הרוטור של המנוע (WK2) וכן עקומת צריכת הזרם ביחס למהירות הסיבוב כאחוז של צריכת הזרם בעומס מלא. כל הנתונים הנ"ל נדרשים לצורך המשך החישובים.

הקשר בין המומנט וכח סוס-

המומנט הינו הכח הפועל על גוף ברדיוס נתון כדי לסובבו במהירות קבועה. במילים אחרות, (ביחידות IP) בהפעלות 1 פאונד (lb) מופעל על מנוף באורך 1 רגל (ft) כדי לסובבו סביב צירו במהירות קבועה אנו אומרים שמופעל על הגוף מומנט של 1 פאונד רגל (lb-ft). ביחידות SI- 1 ק"ג מופעל על זרוע של 1 מטר המומנט הינו 1 ק"ג למטר. מצד שני כח סוס שהינו מדד להספק (עבודה ליחידת זמן) לוקח בחשבון את הזמן בו מתבצעת פעולת העבודה הנ"ל. ככל שהציר מסתובב מהר יותר ההספק המושקע בו גדל יותר. ביחידות IP אנו מגדירים 1 כח סוס= 33000 פאונד ליברה/לדקה (lb-ft/min) ביחידות SI- 1 כח סוס- 75 ק"ג מטר/לשנייה. מהנ"ל ניתן לבטא את הקשר בין כח סוס ומומנט. לפעולת 1 ליברה על זרוע מנוף של 1 רגל ב- n  סיבובים בדקה נדרשת השקעה של X כ"ס כמבוטא להלן:

מהנ"ל ניתן לבטא את היחס בין כח סוס למומנט בביטוי הבא:

ביחידות P-1:

M-מומנט בפאונד X רגל (ק"ג מטר)

HP- כח סוס

n- מספר סיבובים בסיבובים לדקה (rpm)

ביחידות SI- 

N FS-מהירות מקסימלית (מספר סיבובים מקסימלי)

Nx -מהירות במצב X

  Mx– מומנט במהירות X

M f.s -מומנט במהירות מקסימלית

הקשר בין אנרצית המפוח (wr2) לאנרצית המנוע (wk2):

מנוע בהפעלת מפוחים צריך לפתח מומנט מספיק להתגבר לא רק על עומס המפוח אלא עליו לפתח תוספת מומנט להתגבר על אנרצית המפוח WR2 ולהאיץ אותו למהירות הנבחרת בזמן מוגדר, מאחר והעניין שלנו בכח המפותח במנוע, כל המרכיבים חייבים להיות משוייכים לבסיס משותף והינו המנוע, בהתבסס על הנוסחה הקודמת נבטא את היחסים הבאים:

WRms2-אנרצית המפוח מושלכת על המנוע במהירות נתונה.

WRfs2-אנרצית עומס המפוח כוללת כל האלמנטים המסתובבים איתו כגון גלגלי רצועה וכו'.

Nf-סיבובי המפוח.

Nm-סיבובי המנוע.

ניתן לומר שהנעת מפוח במהירות סיבוב נמוכה ביחס למהירות המנוע מקטינה את המומנט הנדרש להאצה ולהפך.

הגדרת המושג אנרציה-

הנה "רצונו" של גוף להישאר במצבו, אם הגוף במנוחה הוא שואף להישאר כך ואם הוא בתנועה הוא שואף להישאר בתנועה.

הביטוי WR2 מבטא את פוטנציאל האנרציה של גוף סביב ציר הסיבוב שלו כאשר:  

W-מסת הגוף.

R-רדיוס של מרכז הכובד של המסה.

זמן האצה-

כאשר יש ברשותנו מומנט קבוע האצת המפוח מסבל"ד התחלתי            (rpm1) לסבל"ד דרוש (rpm2) בזמן נתון (X) בשניות (T), יבוטא כך:

למעשה, המומנט הזמין להאצת המפוח הינו ההפרש בין מומנט המנוע והמומנט הנדרש למפוח. מומנט זה משתנה בקביעות במהלך תהליך הנעה. אם ניקח הגדלה קטנה של מהירות במהלך ההתנעה, אז ניתן להניח שהמומנט הזמין להאצה הינו קבוע בתחום זה והביטוי הנ"ל יכול לשמש לחישוב הזמן הנדרש להגברת המהירות. המומנט המסופק ע"י המנוע משתנה במהלך ההתנעה.   הסכמה הבאה מציגה עקומה אופיינית של מהירות- מומנט מנוע.

הגדרת הנקודות בעקומה:

Locked rotor torque-       

המומנט שהמנוע מפתח במצב תנוחה כשהוא מוזן במתח קבוע, נקרא גם מומנט התחלתי ובד"כ מוצג באחוזים מהמומנט בעומס מלא.

Pull up torque –

המומנט המינימלי הנדרש בתהליך ההתנעה בין Locked rotor torque  ובין Breakdown torque  בד"כ מוצג באחוזים מהמומנט בעומס מלא.

Breakdown torque –

המומנט המקסימלי שהמנוע מפתח, (במתח ותדר קבועים) ללא נפילה פתאומית של מהירות ,בד"כ מוצג באחוזים מהמומנט בעומס מלא.

Full load torque –

המומנט הדרוש למנוע כדי לייצר את ההספק הדרוש בכ"ס במהירות מלאה.

ביחידות P-1 היא שו"ע לשיעור הכ"ס כפול 5252 / הסבל"ד המקסימלי או ביחידת SI כמבוטא בנוסחא הקודמת.

הערה- הערכים בסכמה תלויים בנתוני המנוע- מימדים, סוג והיצרן. כמו כן במהלך ההתנעה מנועים צורכים יותר זרם מה שעלול "להפיל" את מתח ההזנה ולגרום למנוע לא לספק את מלוא המומנט.

מומנט ההאצה-

מומנט ההאצה הינו ההפרש בין מומנט המנוע ומומנט המפוח, זהו המומנט הזמין לצורך הגברת המהירות. ככל שחשוב להביא את המפוח למהירות הדרושה, חשוב באותה המידה גם להביאו למהירות זו בפרק זמן קצר כדי למנוע את התחממות המנוע. כאן המקום לציין שקיימות שיטות שונות להקטנת צריכה הזרם בזמן ההתנעה, החל משיטות מכניות של סגירת פתחי יניקה ופתיחתם הדרגתית עם כניסת המפוח לסיבובים מלאים ועבור למתנעים עם משני מתח או משני תדר.

טכניקות לבחירת זמן ההתנעה-

אבחון מהיר של יכולת המנוע להאיץ את המפוח למהירות הדרושה, ניתן להערכה ע"י היחס של אנרצית המפוח (wr2) בהתייחס למהירות המנוע (wk2) בהשוואה לעומס במהירות wk2 של נתוני היצרן.

הערה- מומלץ להוסיף לאנרצית המפוח 10% ע"מ להביא בחשבון את הצירים הרצועה ואביזרי ההנעה.

כל עוד התוצאה המתקבלת הינה שווה או נמוכה מ-  wk2 המוצהר ע"י יצרן המנוע, אמור להיות מסוגל להאיץ את המפוח. לפיכך חשוב שנדע את  wk2 האמיתי של המנוע בו אנו רוצים להשתמש.

במידה ונתון זה איננו בר השגה, ניתן להשתמש ב"כללי אצבע" שאמורים להתאים לכלל יצרני המנועים:

 Motor hp x   2.25 = wk2                             מתאים למנוע pole2 או 3600 סל"ד

Motor hp x   13.5 = wk2                              מתאים למנוע pole4 או 1800 סל"ד

Motor hp x   37.5 =  wk2                             מתאים למנוע pole6או 1200 סל"ד

Motor hp x   80 =  wk2                                מתאים למנוע pole8 או 900 סל"ד

הערכת זמן ההאצה-

באופן כללי- מנועים תלת פאזיים בעלי מומנט וזרם הנעה רגילים הבנויים במבנה M160 ומטה אמורים להאיץ תוך פחות מ- 20 שניות. ומתאימים להתנעה בטווח המתחים והטמפ'.

זמן ההתנעה ניתנת לביטוי כ-

t- משך ההתנעה בשניות

WRM52 -האנרציה של המפוח בתלות במהירות המנוע.

Nm -סל"ד המנוע 

 Ta-מומנט ההתנעה, ניתן להשתמש פעם וחצי מ- FLT של מומנט המנוע.

תדירות התנועות-

החישובים הנ"ל מבוססים על תדירות התנעות של עד פעמיים בשעה, בטמפ' סביבה והתנעה אחת בטמפ' עבודה. כמו כן ,ההנחה היא שהמנוע הוזן בזרם הנקוב. חריגה מנתונים אלו עלולה להשפיע באופן משמעותי על יכולת ההאצה של המנוע. ישנם מספר יישומים בהם המנוע המינימלי המתאים עפ"י ההנחיות עלול לא להספיק להאצת המפוח:

1. בהנעה ישירה של מפוחים כבדים, בעיקר ממתכת.
2. תמסורת האצה.
3. תמסורת האטה בשילוב מנועים בעלי כ"ס נמוך ומאיצים כבדים כגון DWDI מתכת. 

עבור מקרים 1 ו- 2 תידרש הגדלת המנוע. למקרה 3, יהיה צורך במנוע עם יותר סלילים.

כמו בכל דבר בחיים ובתעשייה בפרט, הכח, האנרגיה והמומנט קובעים את הצלחת היוזמה, בין אם היא אלקטרו מכנית או אחרת.